Dari sudut pandang energi “hijau”, sel bahan bakar hidrogen memiliki efisiensi yang sangat tinggi yaitu 60%. Sebagai perbandingan: efisiensi mesin pembakaran dalam terbaik adalah 35-40%. Untuk pembangkit listrik tenaga surya, koefisiennya hanya 15-20%, namun sangat bergantung pada kondisi cuaca. Efisiensi baling-baling terbaik pembangkit listrik tenaga angin hingga 40%, sebanding dengan pembangkit uap, namun turbin angin juga memerlukan kondisi cuaca yang sesuai dan perawatan yang mahal.
Seperti yang bisa kita lihat, dalam hal parameter ini, energi hidrogen merupakan sumber energi yang paling menarik, namun masih ada sejumlah masalah yang menghalangi penggunaannya secara massal. Yang terpenting adalah proses produksi hidrogen.
Masalah pertambangan
Energi hidrogen ramah lingkungan, tetapi tidak otonom. Untuk beroperasi, sel bahan bakar memerlukan hidrogen, yang tidak ditemukan di Bumi dalam bentuk murni. Hidrogen perlu diproduksi, namun semua metode yang ada saat ini sangat mahal atau tidak efektif.Metode yang paling efektif dalam hal volume hidrogen yang dihasilkan per unit energi yang dikeluarkan adalah metode reformasi uap gas alam. Metana digabungkan dengan uap air pada tekanan 2 MPa (sekitar 19 atmosfer, yaitu tekanan pada kedalaman sekitar 190 m) dan suhu sekitar 800 derajat, menghasilkan gas yang dikonversi dengan kandungan hidrogen 55-75%. Reformasi uap memerlukan instalasi besar yang hanya dapat digunakan dalam produksi.
Tungku tabung untuk reformasi uap metana bukanlah cara yang paling ergonomis untuk menghasilkan hidrogen. Sumber: CTK-Euro
Metode yang lebih mudah dan sederhana adalah elektrolisis air. Ketika arus listrik melewati air yang diolah, serangkaian reaksi elektrokimia terjadi, menghasilkan pembentukan hidrogen. Kerugian signifikan dari metode ini adalah tingginya konsumsi energi yang diperlukan untuk melakukan reaksi. Artinya, situasi yang agak aneh muncul: untuk memperoleh energi hidrogen Anda memerlukan... energi. Untuk menghindari biaya yang tidak perlu selama elektrolisis dan menghemat sumber daya yang berharga, beberapa perusahaan berupaya mengembangkan sistem “listrik - hidrogen - listrik” siklus penuh, yang memungkinkan produksi energi tanpa pengisian ulang eksternal. Contoh dari sistem tersebut adalah pengembangan Toshiba H2One.
Pembangkit listrik seluler Toshiba H2One
Kami telah mengembangkan pembangkit listrik mini bergerak H2One yang mengubah air menjadi hidrogen dan hidrogen menjadi energi. Untuk mempertahankan elektrolisis digunakannya panel surya, dan kelebihan energi disimpan dalam baterai dan memastikan pengoperasian sistem tanpa adanya sinar matahari. Hidrogen yang dihasilkan langsung disuplai ke sel bahan bakar atau dikirim untuk disimpan dalam tangki terintegrasi. Dalam satu jam, elektroliser H2One menghasilkan hingga 2 m 3 hidrogen, dan menghasilkan daya keluaran hingga 55 kW. Untuk menghasilkan 1 m 3 hidrogen, stasiun ini membutuhkan hingga 2,5 m 3 air.Meskipun stasiun H2One tidak mampu menyediakan listrik untuk perusahaan besar atau seluruh kota, energinya akan cukup untuk memfungsikan area atau organisasi kecil. Berkat portabilitasnya, ini juga dapat digunakan sebagai solusi sementara saat terjadi bencana alam atau pemadaman listrik darurat. Selain itu, berbeda dengan generator diesel yang membutuhkan bahan bakar agar dapat berfungsi dengan baik, pembangkit listrik hidrogen hanya membutuhkan air.
Saat ini, Toshiba H2One hanya digunakan di beberapa kota di Jepang - misalnya, memasok listrik dan air panas stasiun kereta api di kota Kawasaki.
Pemasangan sistem H2One di Kawasaki
Masa depan hidrogen
Saat ini, sel bahan bakar hidrogen menyediakan energi untuk bank daya portabel, bus kota dengan mobil, dan transportasi kereta api. (Kami akan membahas lebih lanjut tentang penggunaan hidrogen dalam industri otomotif di postingan berikutnya). Sel bahan bakar hidrogen ternyata secara tak terduga solusi yang bagus untuk quadcopter - dengan massa yang mirip dengan baterai, pasokan hidrogen menyediakan waktu penerbangan hingga lima kali lebih lama. Namun, embun beku tidak mempengaruhi efisiensi sama sekali. Drone sel bahan bakar eksperimental yang diproduksi oleh perusahaan Rusia AT Energy digunakan untuk pembuatan film di Olimpiade Sochi.Diketahui bahwa pada Olimpiade mendatang di Tokyo, hidrogen akan digunakan dalam mobil, produksi listrik dan panas, dan juga akan menjadi sumber energi utama bagi desa Olimpiade. Untuk tujuan ini, atas perintah Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. Salah satu stasiun produksi hidrogen terbesar di dunia sedang dibangun di kota Namie, Jepang. Stasiun ini akan mengkonsumsi hingga 10 MW energi yang diperoleh dari sumber “hijau”, menghasilkan hingga 900 ton hidrogen per tahun melalui elektrolisis.
Energi hidrogen adalah “cadangan untuk masa depan” kita, ketika bahan bakar fosil harus ditinggalkan sepenuhnya, dan sumber energi terbarukan tidak akan mampu memenuhi kebutuhan umat manusia. Menurut perkiraan Markets&Markets, volume produksi hidrogen global, yang saat ini mencapai $115 miliar, akan tumbuh menjadi $154 miliar pada tahun 2022. Namun penerapan teknologi ini secara massal kemungkinan tidak akan terjadi dalam waktu dekat; sejumlah masalah terkait dengan produksi dan pengoperasian pembangkit listrik khusus masih perlu diselesaikan dan biayanya dikurangi. Ketika hambatan teknologi teratasi, energi hidrogen akan mencapai tingkatan baru dan mungkin sama luasnya dengan energi tradisional atau pembangkit listrik tenaga air saat ini.
sel bahan bakar ( Sel Bahan Bakar) adalah alat yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Prinsipnya mirip dengan baterai konvensional, tetapi berbeda karena pengoperasiannya memerlukan pasokan zat yang konstan dari luar agar reaksi elektrokimia dapat terjadi. Hidrogen dan oksigen disuplai ke sel bahan bakar, dan outputnya berupa listrik, air, dan panas. Keunggulannya meliputi keramahan lingkungan, keandalan, daya tahan, dan kemudahan pengoperasian. Tidak seperti baterai konvensional, konverter elektrokimia dapat beroperasi tanpa batas waktu selama bahan bakar tersedia. Mereka tidak perlu mengisi daya selama berjam-jam hingga terisi penuh. Apalagi selnya sendiri bisa mengisi baterai saat mobil diparkir dengan mesin dimatikan.
Sel bahan bakar yang paling banyak digunakan dalam kendaraan hidrogen adalah sel bahan bakar membran proton (PEMFCs) dan sel bahan bakar oksida padat (SOFCs).
Sel bahan bakar membran penukar proton bekerja sebagai berikut. Antara anoda dan katoda terdapat membran khusus dan katalis berlapis platina. Hidrogen disuplai ke anoda, dan oksigen (misalnya dari udara) disuplai ke katoda. Di anoda, hidrogen diurai menjadi proton dan elektron dengan bantuan katalis. Proton hidrogen melewati membran dan mencapai katoda, dan elektron ditransfer ke sirkuit eksternal (membran tidak memungkinkannya melewatinya). Beda potensial yang diperoleh menyebabkan timbulnya arus listrik. Di sisi katoda, proton hidrogen dioksidasi oleh oksigen. Akibatnya muncul uap air yang merupakan unsur utamanya gas buangan mobil. Memiliki efisiensi tinggi, sel PEM memiliki satu kelemahan signifikan - pengoperasiannya memerlukan hidrogen murni, yang penyimpanannya merupakan masalah yang cukup serius.
Jika katalis yang menggantikan platina mahal ditemukan dalam sel-sel ini, maka sel bahan bakar murah untuk menghasilkan listrik akan segera tercipta, yang berarti dunia akan terbebas dari ketergantungan pada minyak.
Sel Oksida Padat
Sel SOFC oksida padat tidak terlalu menuntut kemurnian bahan bakar. Selain itu, berkat penggunaan pembaharu POX (Oksidasi Parsial), sel-sel tersebut dapat menggunakan bensin biasa sebagai bahan bakarnya. Proses pengubahan bensin langsung menjadi listrik adalah sebagai berikut. Dalam alat khusus - reformer, pada suhu sekitar 800 ° C, bensin menguap dan terurai menjadi unsur-unsur penyusunnya.
Ini melepaskan hidrogen dan karbon dioksida. Selanjutnya juga di bawah pengaruh suhu dan menggunakan SOFC secara langsung (terdiri dari bahan berpori bahan keramik berdasarkan zirkonium oksida), hidrogen dioksidasi oleh oksigen di udara. Setelah memperoleh hidrogen dari bensin, proses berlanjut sesuai dengan skenario yang dijelaskan di atas, dengan hanya satu perbedaan: sel bahan bakar SOFC, tidak seperti perangkat yang menggunakan hidrogen, kurang sensitif terhadap kotoran dalam bahan bakar asli. Jadi kualitas bensin seharusnya tidak mempengaruhi kinerja sel bahan bakar.
Suhu pengoperasian SOFC yang tinggi (650–800 derajat) merupakan kelemahan yang signifikan; proses pemanasan memakan waktu sekitar 20 menit. Namun kelebihan panas tidak menjadi masalah, karena panas tersebut dihilangkan seluruhnya oleh sisa udara dan gas buang yang dihasilkan oleh reformer dan sel bahan bakar itu sendiri. Hal ini memungkinkan sistem SOFC untuk diintegrasikan ke dalam kendaraan sebagai perangkat terpisah dalam wadah berinsulasi termal.
Struktur modular memungkinkan Anda mencapai tegangan yang diperlukan dengan menghubungkan sekumpulan sel standar secara seri. Dan, mungkin yang paling penting dari sudut pandang penerapan perangkat tersebut, SOFC tidak mengandung elektroda berbasis platinum yang sangat mahal. Mahalnya biaya elemen-elemen inilah yang menjadi salah satu kendala dalam pengembangan dan sosialisasi teknologi PEMFC.
Jenis sel bahan bakar
Saat ini, ada beberapa jenis sel bahan bakar berikut:
- A.F.C.– Sel Bahan Bakar Alkaline (sel bahan bakar alkali);
- PAFC– Sel Bahan Bakar Asam Fosfat (sel bahan bakar asam fosfat);
- PEMFC– Sel Bahan Bakar Membran Penukar Proton (sel bahan bakar dengan membran penukar proton);
- DMFC– Sel Bahan Bakar Metanol Langsung (sel bahan bakar dengan pemecahan metanol langsung);
- MCFC– Molten Carbonate Fuel Cell (sel bahan bakar karbonat cair);
- SOFC– Sel Bahan Bakar Oksida Padat (sel bahan bakar oksida padat).
Mereka mengoperasikan pesawat ruang angkasa Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional AS (NASA). Mereka memberi daya pada komputer First National Bank di Omaha. Mereka digunakan di beberapa bus kota umum di Chicago.
Ini semua adalah sel bahan bakar. Sel bahan bakar adalah perangkat elektrokimia yang menghasilkan listrik tanpa pembakaran - secara kimiawi, sama seperti baterai. Satu-satunya perbedaan adalah mereka menggunakan bahan kimia yang berbeda, hidrogen dan oksigen, dan produk reaksi kimianya adalah air. Gas alam juga dapat digunakan, namun bila menggunakan bahan bakar hidrokarbon, tentu saja emisi karbon dioksida pada tingkat tertentu tidak dapat dihindari.
Karena sel bahan bakar dapat beroperasi dengan efisiensi tinggi dan tanpa emisi berbahaya, sel bahan bakar dikaitkan dengan prospek yang bagus menuju sumber energi berkelanjutan yang akan membantu mengurangi emisi gas rumah kaca dan polutan lainnya. Hambatan utama meluasnya penggunaan sel bahan bakar adalah mereka harga tinggi Dibandingkan dengan perangkat lain yang menghasilkan listrik atau menggerakkan kendaraan.
Sejarah perkembangan
Sel bahan bakar pertama didemonstrasikan oleh Sir William Groves pada tahun 1839. Groves menunjukkan bahwa proses elektrolisis - pemisahan air menjadi hidrogen dan oksigen di bawah pengaruh arus listrik - bersifat reversibel. Artinya, hidrogen dan oksigen dapat digabungkan secara kimia untuk membentuk listrik.
Setelah hal ini dibuktikan, banyak ilmuwan bergegas mempelajari sel bahan bakar dengan penuh semangat, namun penemuan mesin pembakaran internal dan pengembangan infrastruktur cadangan minyak pada paruh kedua abad kesembilan belas meninggalkan perkembangan sel bahan bakar jauh di belakang. Pengembangan sel bahan bakar semakin terhambat karena tingginya biaya.
Lonjakan pengembangan sel bahan bakar terjadi pada tahun 50-an, ketika NASA beralih ke sel bahan bakar sehubungan dengan kebutuhan akan generator listrik kompak untuk penerbangan luar angkasa. Investasi telah dilakukan dan penerbangan Apollo dan Gemini didukung oleh sel bahan bakar. Pesawat luar angkasa juga menggunakan sel bahan bakar.
Sel bahan bakar sebagian besar masih merupakan teknologi eksperimental, namun beberapa perusahaan sudah menjualnya di pasar komersial. Dalam hampir sepuluh tahun terakhir saja, kemajuan signifikan telah dicapai dalam teknologi sel bahan bakar komersial.
Bagaimana cara kerja sel bahan bakar?
Sel bahan bakar mirip dengan baterai - mereka menghasilkan listrik melalui reaksi kimia. Sebaliknya, mesin pembakaran internal membakar bahan bakar sehingga menghasilkan panas, yang kemudian diubah menjadi energi mekanik. Kecuali jika panas dari gas buang digunakan dengan cara tertentu (misalnya untuk pemanas atau pendingin udara), maka efisiensi mesin pembakaran dalam dapat dikatakan cukup rendah. Misalnya, efisiensi sel bahan bakar bila digunakan dalam kendaraan, sebuah proyek yang sedang dikembangkan, diperkirakan dua kali lipat efisiensi mesin bensin yang biasa digunakan pada mobil saat ini.
Meskipun baterai dan sel bahan bakar menghasilkan listrik secara kimia, keduanya menjalankan dua fungsi yang sangat berbeda. Baterai adalah perangkat penyimpanan energi: listrik yang dihasilkannya merupakan hasil reaksi kimia suatu zat yang sudah ada di dalamnya. Sel bahan bakar tidak menyimpan energi, melainkan mengubah sebagian energi dari bahan bakar yang disuplai secara eksternal menjadi listrik. Dalam hal ini, sel bahan bakar lebih mirip pembangkit listrik konvensional.
Ada beberapa berbagai jenis sel bahan bakar. Sel bahan bakar paling sederhana terdiri dari membran khusus yang disebut elektrolit. Elektroda bubuk diaplikasikan pada kedua sisi membran. Desain ini - elektrolit yang dikelilingi oleh dua elektroda - merupakan elemen terpisah. Hidrogen menuju ke satu sisi (anoda), dan oksigen (udara) ke sisi lainnya (katoda). Reaksi kimia yang berbeda terjadi pada setiap elektroda.
Di anoda, hidrogen terurai menjadi campuran proton dan elektron. Pada beberapa sel bahan bakar, elektroda dikelilingi oleh katalis, biasanya terbuat dari platina atau logam mulia lainnya, yang mendorong reaksi disosiasi:
2H2 ==> 4H+ + 4e-.
H2 = molekul hidrogen diatomik, bentuk, in
dimana hidrogen hadir dalam bentuk gas;
H+ = hidrogen terionisasi, mis. proton;
e- = elektron.
Pengoperasian sel bahan bakar didasarkan pada fakta bahwa elektrolit memungkinkan proton melewatinya (menuju katoda), namun elektron tidak. Elektron berpindah ke katoda melalui sirkuit konduktif eksternal. Pergerakan elektron ini merupakan arus listrik yang dapat digunakan untuk menggerakkan perangkat eksternal yang terhubung ke sel bahan bakar, seperti motor listrik atau bola lampu. Perangkat ini biasa disebut "beban".
Di sisi katoda sel bahan bakar, proton (yang telah melewati elektrolit) dan elektron (yang telah melewati beban eksternal) “bergabung kembali” dan bereaksi dengan oksigen yang disuplai ke katoda untuk membentuk air, H2O:
4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.
Reaksi total dalam sel bahan bakar ditulis sebagai berikut:
2H2 + O2 ==> 2H2O.
Dalam kerjanya, sel bahan bakar menggunakan bahan bakar hidrogen dan oksigen dari udara. Hidrogen dapat disuplai secara langsung atau dengan memisahkannya dari sumber bahan bakar eksternal seperti gas alam, bensin, atau metanol. Dalam kasus sumber eksternal, ia harus diubah secara kimia untuk mengekstraksi hidrogen. Proses ini disebut "reformasi". Hidrogen juga dapat dihasilkan dari amonia, sumber daya alternatif seperti gas dari tempat pembuangan sampah kota dan dari pabrik pengolahan limbah Air limbah, serta dengan elektrolisis air, yang menggunakan listrik untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Saat ini, sebagian besar teknologi sel bahan bakar yang digunakan dalam transportasi menggunakan metanol.
Berbagai cara telah dikembangkan untuk mereformasi bahan bakar guna menghasilkan hidrogen untuk sel bahan bakar. Departemen Energi AS telah mengembangkan unit bahan bakar di dalam reformer bensin untuk memasok hidrogen ke sel bahan bakar mandiri. Para peneliti dari Pacific Northwest National Laboratory di AS telah mendemonstrasikan alat pembaharu bahan bakar kompak yang berukuran sepersepuluh dari pasokan listrik. Perusahaan utilitas Amerika, Northwest Power Systems dan Sandia National Laboratories telah mendemonstrasikan reformer bahan bakar yang mengubah bahan bakar diesel menjadi hidrogen untuk sel bahan bakar.
Secara individual, sel bahan bakar masing-masing menghasilkan sekitar 0,7-1,0V. Untuk meningkatkan tegangan, elemen-elemen dirangkai menjadi "kaskade", mis. koneksi serial. Untuk menghasilkan lebih banyak arus, kumpulan elemen bertingkat dihubungkan secara paralel. Jika Anda menggabungkan kaskade sel bahan bakar dengan sistem bahan bakar, sistem pasokan dan pendingin udara, serta sistem kontrol, Anda mendapatkan mesin sel bahan bakar. Mesin ini dapat menggerakkan kendaraan, pembangkit listrik stasioner, atau generator listrik portabel6. Mesin sel bahan bakar tersedia dalam berbagai ukuran tergantung pada aplikasi, jenis sel bahan bakar, dan bahan bakar yang digunakan. Misalnya, ukuran masing-masing dari empat pembangkit listrik stasioner berkapasitas 200 kW yang dipasang di sebuah bank di Omaha adalah kira-kira sama dengan ukuran trailer truk.
Aplikasi
Sel bahan bakar dapat digunakan pada perangkat stasioner dan seluler. Menanggapi pengetatan peraturan emisi di Amerika Serikat, produsen mobil termasuk DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda dan Nissan telah mulai bereksperimen dan mendemonstrasikan kendaraan bertenaga sel bahan bakar. Kendaraan sel bahan bakar komersial pertama diperkirakan akan diluncurkan pada tahun 2004 atau 2005.
Tonggak utama dalam pengembangan teknologi sel bahan bakar adalah demonstrasi bus kota eksperimental Ballard Power System sepanjang 32 kaki pada bulan Juni 1993 yang ditenagai oleh mesin sel bahan bakar hidrogen 90 kilowatt. Sejak itu, berbagai jenis dan generasi kendaraan penumpang sel bahan bakar telah dikembangkan dan dioperasikan. jenis yang berbeda bahan bakar. Sejak akhir tahun 1996, tiga mobil golf sel bahan bakar hidrogen telah digunakan di Palm Desert, California. Di jalan Chicago, Illinois; Vancouver, British Columbia; dan Oslo, Norwegia, bus kota bertenaga sel bahan bakar sedang diuji. Taksi bertenaga sel bahan bakar alkaline sedang diuji di jalanan London.
Instalasi stasioner yang menggunakan teknologi sel bahan bakar juga sedang didemonstrasikan, namun belum banyak digunakan secara komersial. Bank Nasional Omaha pertama di Nebraska menggunakan sistem sel bahan bakar untuk memberi daya pada komputernya karena sistem ini lebih andal dibandingkan sistem lama, yang menggunakan jaringan listrik utama dengan daya baterai cadangan. Yang terbesar di dunia sistem komersial Pembangkit listrik sel bahan bakar 1,2 MW akan segera dipasang di pusat pemrosesan pos di Alaska. Komputer laptop portabel bertenaga sel bahan bakar, sistem kontrol yang digunakan di pabrik pengolahan air limbah, dan mesin penjual otomatis juga sedang diuji dan didemonstrasikan.
"Pro dan kontra"
Sel bahan bakar memiliki sejumlah keunggulan. Meskipun mesin pembakaran internal modern hanya memiliki efisiensi 12-15%, sel bahan bakar memiliki efisiensi 50%. Efisiensi sel bahan bakar dapat tetap cukup tinggi meskipun tidak digunakan pada daya tetapan penuh, yang merupakan keunggulan serius dibandingkan mesin bensin.
Desain sel bahan bakar yang modular berarti bahwa kekuatan pembangkit listrik sel bahan bakar dapat ditingkatkan hanya dengan menambahkan lebih banyak tahapan. Hal ini memastikan bahwa pemanfaatan kapasitas yang kurang dapat diminimalkan, sehingga memungkinkan pencocokan pasokan dan permintaan yang lebih baik. Karena efisiensi tumpukan sel bahan bakar ditentukan oleh kinerjanya elemen individu, pembangkit listrik sel bahan bakar kecil beroperasi seefisien pembangkit listrik besar. Selain itu, limbah panas dari sistem sel bahan bakar stasioner dapat digunakan untuk pemanas air dan ruangan, sehingga semakin meningkatkan efisiensi energi.
Hampir tidak ada emisi berbahaya saat menggunakan sel bahan bakar. Ketika mesin dijalankan dengan hidrogen murni, hanya panas dan uap air murni yang dihasilkan sebagai produk sampingan. Jadi di pesawat luar angkasa, astronot meminum air, yang terbentuk sebagai hasil pengoperasian sel bahan bakar di dalam pesawat. Komposisi emisi bergantung pada sifat sumber hidrogen. Metanol tidak menghasilkan emisi nitrogen oksida dan karbon monoksida dan hanya sedikit emisi hidrokarbon. Emisi meningkat seiring peralihan dari hidrogen ke metanol dan bensin, meskipun dengan bensin, emisinya akan tetap cukup rendah. Bagaimanapun, mengganti mesin pembakaran internal tradisional dengan sel bahan bakar akan menghasilkan pengurangan emisi CO2 dan nitrogen oksida secara keseluruhan.
Penggunaan sel bahan bakar memberikan fleksibilitas pada infrastruktur energi, menciptakan fitur tambahan untuk pembangkit listrik yang terdesentralisasi. Beragamnya sumber energi yang terdesentralisasi memungkinkan pengurangan kerugian selama transmisi listrik dan mengembangkan pasar energi (yang khususnya penting bagi daerah terpencil dan pedesaan yang tidak memiliki akses terhadap jaringan listrik). Dengan bantuan sel bahan bakar, setiap penduduk atau lingkungan dapat menyediakan sebagian besar listriknya sendiri dan dengan demikian meningkatkan efisiensi energi secara signifikan.
Sel bahan bakar menawarkan energi Kualitas tinggi dan peningkatan keandalan. Mereka tahan lama, tidak memiliki bagian yang bergerak, dan menghasilkan energi dalam jumlah yang konstan.
Namun, teknologi sel bahan bakar perlu ditingkatkan lebih lanjut untuk meningkatkan kinerja, mengurangi biaya, dan menjadikan sel bahan bakar kompetitif dengan teknologi energi lainnya. Perlu dicatat bahwa ketika karakteristik biaya teknologi energi dipertimbangkan, perbandingan harus dilakukan berdasarkan seluruh karakteristik komponen teknologi, termasuk biaya operasional modal, emisi polutan, kualitas energi, daya tahan, dekomisioning, dan fleksibilitas.
Meskipun gas hidrogen merupakan bahan bakar terbaik, infrastruktur atau basis transportasi untuk bahan bakar tersebut belum ada. Dalam waktu dekat, sistem pasokan bahan bakar fosil yang ada (SPBU, dll.) dapat digunakan untuk menyediakan sumber hidrogen bagi pembangkit listrik dalam bentuk bensin, metanol, atau gas alam. Hal ini akan menghilangkan kebutuhan akan stasiun pengisian hidrogen khusus, tetapi setiap kendaraan harus memiliki konverter bahan bakar fosil menjadi hidrogen ("reformer") yang terpasang. Kerugian dari pendekatan ini adalah menggunakan bahan bakar fosil sehingga menghasilkan emisi karbon dioksida. Metanol, kandidat utama saat ini, menghasilkan emisi yang lebih sedikit dibandingkan bensin, namun memerlukan wadah yang lebih besar di dalam kendaraan karena memerlukan ruang dua kali lebih besar untuk kandungan energi yang sama.
Berbeda dengan sistem pasokan bahan bakar fosil, sistem tenaga surya dan angin (menggunakan listrik untuk menghasilkan hidrogen dan oksigen dari air) dan sistem fotokonversi langsung (menggunakan bahan semikonduktor atau enzim untuk menghasilkan hidrogen) dapat menyediakan pasokan hidrogen tanpa adanya langkah reformasi, sehingga menghasilkan emisi sebesar zat berbahaya yang diamati saat menggunakan sel bahan bakar metanol atau bensin dapat dihindari. Hidrogen dapat disimpan dan diubah menjadi listrik di sel bahan bakar sesuai kebutuhan. Ke depannya, memadukan sel bahan bakar dengan sumber energi terbarukan ini kemungkinan akan menjadi strategi efektif untuk menyediakan sumber energi yang produktif, ramah lingkungan, dan serbaguna.
Rekomendasi IEER adalah agar pemerintah lokal, federal, dan negara bagian mencurahkan sebagian anggaran pengadaan transportasi mereka untuk kendaraan sel bahan bakar, serta sistem sel bahan bakar stasioner, untuk menyediakan panas dan listrik bagi beberapa bangunan penting atau baru. Ini akan berkontribusi pada perkembangan vital teknologi penting dan mengurangi emisi gas rumah kaca.
Dalam kehidupan modern, sumber arus kimia ada di sekitar kita di mana-mana: baterai di senter, baterai di ponsel, sel bahan bakar hidrogen, yang sudah digunakan di beberapa mobil. Pesatnya perkembangan teknologi elektrokimia dapat mengarah pada fakta bahwa dalam waktu dekat, alih-alih mesin, mesin bensin Kita hanya akan dikelilingi oleh mobil listrik, telepon tidak akan cepat habis lagi, dan setiap rumah akan memiliki generator listrik sel bahan bakar sendiri. Salah satu program bersama Universitas Federal Ural dan Institut Elektrokimia Suhu Tinggi Cabang Ural dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia dikhususkan untuk meningkatkan efisiensi perangkat penyimpanan elektrokimia dan generator listrik, yang bekerja sama dengan kami menerbitkan artikel ini.
Saat ini, ada banyak jenis baterai yang berbeda, yang semakin sulit dinavigasi. Tidak jelas bagi semua orang bagaimana baterai berbeda dari superkapasitor dan mengapa sel bahan bakar hidrogen dapat digunakan tanpa takut merusak lingkungan. Pada artikel ini kita akan membahas bagaimana reaksi kimia digunakan untuk menghasilkan listrik, apa perbedaan antara jenis utama sumber arus kimia modern, dan prospek apa yang terbuka untuk energi elektrokimia.
Kimia sebagai sumber listrik
Pertama, mari kita cari tahu mengapa energi kimia dapat digunakan untuk menghasilkan listrik. Masalahnya adalah selama reaksi redoks, elektron ditransfer antara dua ion yang berbeda. Jika kedua bagian reaksi kimia diberi jarak sehingga oksidasi dan reduksi terjadi secara terpisah satu sama lain, maka elektron yang meninggalkan satu ion tidak langsung menuju ion kedua, tetapi terlebih dahulu berpindah melalui a jalan yang telah ditentukan sebelumnya untuk itu. Reaksi ini dapat digunakan sebagai sumber arus listrik.
Konsep ini pertama kali diterapkan pada abad ke-18 oleh ahli fisiologi Italia Luigi Galvani. Tindakan sel galvanik tradisional didasarkan pada reaksi reduksi dan oksidasi logam dengan aktivitas berbeda. Misalnya, sel klasik adalah sel galvanik di mana seng dioksidasi dan tembaga direduksi. Reaksi reduksi dan oksidasi masing-masing berlangsung di katoda dan anoda. Dan untuk mencegah ion tembaga dan seng memasuki “wilayah asing”, di mana mereka dapat bereaksi satu sama lain secara langsung, biasanya dipasang membran khusus antara anoda dan katoda. Akibatnya timbul beda potensial antar elektroda. Jika Anda menyambungkan elektroda, misalnya, ke bola lampu, maka arus mulai mengalir di rangkaian listrik yang dihasilkan dan bola lampu akan menyala.
Diagram sel galvanik
Wikimedia umum
Selain bahan anoda dan katoda, komponen penting dari sumber arus kimia adalah elektrolit, di dalamnya ion-ion bergerak dan di perbatasan tempat terjadinya semua reaksi elektrokimia dengan elektroda. Dalam hal ini, elektrolit tidak harus berbentuk cair - dapat berupa bahan polimer atau keramik.
Kerugian utama dari sel galvanik adalah waktu pengoperasiannya yang terbatas. Segera setelah reaksi selesai (yaitu, seluruh anoda yang larut secara bertahap habis dikonsumsi), elemen tersebut akan berhenti bekerja.
Baterai alkaline AA
Dapat diisi ulang
Langkah pertama untuk memperluas kemampuan sumber arus kimia adalah pembuatan baterai - sumber arus yang dapat diisi ulang dan digunakan kembali. Untuk melakukan ini, para ilmuwan hanya mengusulkan penggunaan reaksi kimia yang dapat dibalik. Setelah baterai benar-benar habis untuk pertama kalinya, menggunakan sumber arus eksternal, reaksi yang terjadi di dalamnya dapat dimulai ke arah yang berlawanan. Ini akan mengembalikannya ke keadaan semula sehingga baterai dapat digunakan kembali setelah diisi ulang.
Baterai asam timbal mobil
Saat ini, banyak jenis baterai yang berbeda telah diciptakan, yang berbeda dalam jenis reaksi kimia yang terjadi di dalamnya. Jenis baterai yang paling umum adalah baterai timbal-asam (atau sekadar timbal), yang didasarkan pada reaksi oksidasi-reduksi timbal. Perangkat tersebut memiliki masa pakai yang cukup lama, dan intensitas energinya mencapai 60 watt-jam per kilogram. Bahkan lebih populer di Akhir-akhir ini adalah baterai litium-ion yang didasarkan pada reaksi oksidasi-reduksi litium. Intensitas energi baterai lithium-ion modern kini melebihi 250 watt-jam per kilogram.
Baterai Li-ion untuk ponsel
Masalah utama dengan baterai lithium-ion adalah efisiensinya yang rendah suhu negatif, penuaan yang cepat dan peningkatan bahaya ledakan. Dan karena logam litium bereaksi sangat aktif dengan air membentuk gas hidrogen dan oksigen dilepaskan saat baterai terbakar, pembakaran spontan baterai litium-ion sangat sulit digunakan dengan metode pemadaman api tradisional. Untuk meningkatkan keamanan baterai tersebut dan mempercepat waktu pengisiannya, para ilmuwan mengusulkan bahan katoda yang mencegah pembentukan struktur litium dendritik, dan menambahkan zat ke elektrolit yang menyebabkan pembentukan struktur dan komponen yang mudah meledak yang dapat terbakar di dalam baterai. tahap awal.
Elektrolit padat
Sebagai cara lain yang kurang jelas untuk meningkatkan efisiensi dan keamanan baterai, ahli kimia telah mengusulkan untuk tidak membatasi sumber arus kimia pada elektrolit cair, tetapi menciptakan sumber arus padat sepenuhnya. Dalam perangkat tersebut tidak ada komponen cair sama sekali, tetapi struktur berlapis dari anoda padat, katoda padat dan elektrolit padat di antara keduanya. Elektrolit secara bersamaan menjalankan fungsi membran. Pembawa muatan dalam elektrolit padat dapat berupa berbagai macam ion, tergantung pada komposisinya dan reaksi yang terjadi di anoda dan katoda. Namun ion-ion tersebut selalu cukup kecil sehingga dapat bergerak relatif bebas di seluruh kristal, misalnya proton H+, ion litium Li+, atau ion oksigen O2-.
Sel bahan bakar hidrogen
Kemampuan untuk mengisi ulang dan langkah-langkah keamanan khusus membuat baterai menjadi sumber arus yang jauh lebih menjanjikan dibandingkan baterai konvensional, namun tetap saja setiap baterai mengandung reagen dalam jumlah terbatas, dan oleh karena itu pasokan energinya terbatas, dan setiap kali baterai harus diisi ulang untuk memulihkannya. Kegunaan.
Untuk membuat baterai “tak ada habisnya”, Anda dapat menggunakan sumber energi bukan zat yang ada di dalam sel, tetapi bahan bakar yang dipompa secara khusus melaluinya. Pilihan terbaik untuk bahan bakar tersebut adalah bahan yang komposisinya sesederhana mungkin, ramah lingkungan dan tersedia dalam jumlah melimpah di Bumi.
Zat yang paling cocok untuk jenis ini adalah gas hidrogen. Oksidasinya oleh oksigen atmosfer untuk membentuk air (menurut reaksi 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) adalah reaksi redoks sederhana, dan transpor elektron antar ion juga dapat digunakan sebagai sumber arus. Reaksi yang terjadi adalah sejenis reaksi kebalikan dari elektrolisis air (di mana, di bawah pengaruh arus listrik, air terurai menjadi oksigen dan hidrogen), dan skema semacam itu pertama kali diusulkan pada pertengahan abad ke-19. .
Namun terlepas dari kenyataan bahwa rangkaiannya terlihat cukup sederhana, membuat perangkat yang beroperasi secara efisien berdasarkan prinsip ini bukanlah tugas yang sepele. Untuk melakukan ini, perlu untuk memisahkan aliran oksigen dan hidrogen di ruang angkasa, memastikan pengangkutan ion-ion yang diperlukan melalui elektrolit dan mengurangi kemungkinan kehilangan energi di semua tahap pekerjaan.
Diagram skematik pengoperasian sel bahan bakar hidrogen
Sirkuit sel bahan bakar hidrogen yang berfungsi sangat mirip dengan sirkuit sumber arus kimia, tetapi berisi saluran tambahan untuk memasok bahan bakar dan oksidator serta menghilangkan produk reaksi dan kelebihan gas yang disuplai. Elektroda dalam elemen tersebut adalah katalis konduktif berpori. Bahan bakar gas (hidrogen) disuplai ke anoda, dan zat pengoksidasi (oksigen dari udara) disuplai ke katoda, dan pada batas setiap elektroda dengan elektrolit, terjadi setengah reaksinya sendiri (oksidasi hidrogen dan pengurangan oksigen, masing-masing). Dalam hal ini, tergantung pada jenis sel bahan bakar dan jenis elektrolit, pembentukan air itu sendiri dapat terjadi di ruang anoda atau di ruang katoda.
Sel bahan bakar hidrogen Toyota
Joseph Brent / film
Jika elektrolitnya adalah polimer penghantar proton atau membran keramik, larutan asam atau basa, maka pembawa muatan dalam elektrolit tersebut adalah ion hidrogen. Dalam hal ini, di anoda, molekul hidrogen dioksidasi menjadi ion hidrogen, yang melewati elektrolit dan bereaksi dengan oksigen di sana. Jika pembawa muatan adalah ion oksigen O 2–, seperti dalam kasus elektrolit oksida padat, maka oksigen direduksi menjadi ion di katoda, ion ini melewati elektrolit dan mengoksidasi hidrogen di anoda dengan pembentukan air dan bebas. elektron.
Selain reaksi oksidasi hidrogen, telah diusulkan untuk menggunakan jenis reaksi lain untuk sel bahan bakar. Misalnya, selain hidrogen, bahan bakar pereduksi dapat berupa metanol, yang dioksidasi oleh oksigen menjadi karbon dioksida dan air.
Efisiensi sel bahan bakar
Terlepas dari semua kelebihan sel bahan bakar hidrogen (seperti ramah lingkungan, efisiensi yang hampir tidak terbatas, ukurannya yang ringkas, dan intensitas energi yang tinggi), sel tersebut juga memiliki sejumlah kelemahan. Ini termasuk, pertama-tama, penuaan komponen secara bertahap dan kesulitan dalam menyimpan hidrogen. Cara menghilangkan kekurangan inilah yang sedang dikerjakan para ilmuwan saat ini.
Saat ini diusulkan untuk meningkatkan efisiensi sel bahan bakar dengan mengubah komposisi elektrolit, sifat elektroda katalis, dan geometri sistem (yang menjamin pasokan gas bahan bakar ke titik yang diinginkan dan mengurangi efek samping). Untuk mengatasi masalah penyimpanan gas hidrogen, digunakan bahan yang mengandung platina, untuk penjenuhannya, misalnya membran graphene.
Hasilnya, stabilitas sel bahan bakar dan masa pakai masing-masing komponennya dapat ditingkatkan. Kini koefisien konversi energi kimia menjadi energi listrik pada unsur-unsur tersebut mencapai 80 persen, dan dalam kondisi tertentu bisa lebih tinggi lagi.
Prospek besar energi hidrogen dikaitkan dengan kemungkinan menggabungkan sel bahan bakar menjadi baterai utuh, mengubahnya menjadi generator listrik kekuatan tinggi. Saat ini, generator listrik yang menggunakan sel bahan bakar hidrogen memiliki daya hingga beberapa ratus kilowatt dan digunakan sebagai sumber tenaga untuk kendaraan.
Penyimpanan elektrokimia alternatif
Selain sumber arus elektrokimia klasik, sistem yang lebih tidak biasa juga digunakan sebagai perangkat penyimpanan energi. Salah satu sistem tersebut adalah superkapasitor (atau ionistor) - perangkat di mana pemisahan dan akumulasi muatan terjadi karena pembentukan lapisan ganda di dekat permukaan bermuatan. Pada antarmuka elektroda-elektrolit pada alat tersebut, ion-ion dengan tanda berbeda disusun dalam dua lapisan, yang disebut “lapisan listrik ganda”, membentuk semacam kapasitor yang sangat tipis. Kapasitas kapasitor tersebut, yaitu jumlah muatan yang terakumulasi, akan ditentukan oleh luas permukaan spesifik bahan elektroda, oleh karena itu, akan menguntungkan untuk mengambil bahan berpori dengan luas permukaan spesifik maksimum sebagai bahan untuk superkapasitor.
Ionistor adalah pemegang rekor di antara sumber arus kimia pelepasan muatan dalam hal kecepatan pengisian, yang merupakan keunggulan yang tidak diragukan lagi dari perangkat jenis ini. Sayangnya, mereka juga memegang rekor kecepatan pelepasan. Kepadatan energi ionistor delapan kali lebih kecil dibandingkan baterai timbal dan 25 kali lebih kecil dibandingkan baterai lithium-ion. Ionistor “lapisan ganda” klasik tidak menggunakan reaksi elektrokimia sebagai dasarnya, dan istilah “kapasitor” paling tepat diterapkan pada ionistor tersebut. Namun, dalam versi ionistor yang didasarkan pada reaksi elektrokimia dan akumulasi muatan meluas hingga ke kedalaman elektroda, waktu pengosongan yang lebih tinggi dapat dicapai dengan tetap mempertahankan laju pengisian yang cepat. Upaya pengembang superkapasitor ditujukan untuk menciptakan perangkat hybrid dengan baterai yang menggabungkan keunggulan superkapasitor, terutama kecepatan pengisian yang tinggi, dan keunggulan baterai - intensitas energi yang tinggi dan waktu pengosongan yang lama. Bayangkan dalam waktu dekat sebuah baterai ionistor yang akan terisi daya dalam beberapa menit dan memberi daya pada laptop atau ponsel cerdas selama satu hari atau lebih!
Meskipun kepadatan energi superkapasitor saat ini masih beberapa kali lebih kecil dibandingkan kepadatan energi baterai, superkapasitor digunakan dalam elektronik konsumen dan untuk mesin berbagai kendaraan, termasuk sebagian besar kendaraan.
* * *
Oleh karena itu, saat ini terdapat sejumlah besar perangkat elektrokimia, yang masing-masing menjanjikan aplikasi spesifiknya sendiri. Untuk meningkatkan efisiensi perangkat ini, para ilmuwan perlu memecahkan sejumlah masalah baik yang bersifat fundamental maupun teknologi. Sebagian besar tugas ini dilakukan dalam kerangka salah satu proyek terobosan di Universitas Federal Ural, jadi kami bertanya kepada Maxim Ananyev, direktur Institut Elektrokimia Suhu Tinggi Cabang Ural dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, profesor dari Departemen Teknologi Produksi Elektrokimia Institut Teknologi Kimia Universitas Federal Ural, untuk berbicara tentang rencana jangka pendek dan prospek pengembangan sel bahan bakar modern.
N+1: Apakah ada alternatif lain selain baterai lithium-ion paling populer yang diharapkan dalam waktu dekat?
Maxim Ananiev: Upaya modern para pengembang baterai ditujukan untuk mengganti jenis pembawa muatan dalam elektrolit dari litium menjadi natrium, kalium, dan aluminium. Akibat penggantian litium, biaya baterai dapat dikurangi, meskipun karakteristik berat dan ukurannya akan meningkat secara proporsional. Dengan kata lain, dengan karakteristik kelistrikan yang sama, baterai sodium-ion akan berukuran lebih besar dan berat dibandingkan baterai lithium-ion.
Selain itu, salah satu bidang pengembangan yang menjanjikan untuk meningkatkan baterai adalah penciptaan sumber energi kimia hibrida berdasarkan kombinasi baterai ion logam dengan elektroda udara, seperti pada sel bahan bakar. Secara umum, arah penciptaan sistem hibrida, seperti yang telah ditunjukkan pada contoh superkapasitor, tampaknya dalam waktu dekat akan memungkinkan kita melihat sumber energi kimia dengan karakteristik konsumen yang tinggi di pasar.
Ural universitas federal Saat ini, bersama dengan mitra akademis dan industri di Rusia dan dunia, mereka sedang melaksanakan enam mega proyek yang berfokus pada bidang terobosan penelitian ilmiah. Salah satu proyek tersebut adalah “Teknologi canggih energi elektrokimia mulai dari desain kimia bahan baru hingga perangkat elektrokimia generasi baru untuk konservasi dan konversi energi.”
Sekelompok ilmuwan dari unit akademik strategis (SAE) Sekolah Ilmu Pengetahuan Alam dan Matematika UrFU, yang meliputi Maxim Ananyev, terlibat dalam desain dan pengembangan material dan teknologi baru, termasuk sel bahan bakar, sel elektrolitik, logam-graphene baterai, sistem penyimpanan energi elektrokimia dan superkapasitor.
Penelitian dan karya ilmiah dilakukan dalam kerja sama terus-menerus dengan Institut Elektrokimia Suhu Tinggi Cabang Ural dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia dan dengan dukungan mitra.
Sel bahan bakar manakah yang saat ini sedang dikembangkan dan paling potensial?
Salah satu jenis sel bahan bakar yang paling menjanjikan adalah elemen proton-keramik. Mereka memiliki keunggulan dibandingkan sel bahan bakar polimer dengan membran penukar proton dan elemen oksida padat, karena dapat beroperasi dengan pasokan langsung bahan bakar hidrokarbon. Hal ini secara signifikan menyederhanakan desain pembangkit listrik berdasarkan sel bahan bakar proton-keramik dan sistem kontrolnya, sehingga meningkatkan keandalan operasional. Benar, sel bahan bakar jenis ini saat ini secara historis kurang berkembang, namun penelitian ilmiah modern memungkinkan kita untuk mengharapkan potensi tinggi dari teknologi ini di masa depan.
Masalah apa terkait sel bahan bakar yang saat ini sedang ditangani di Universitas Federal Ural?
Kini para ilmuwan UrFU, bersama dengan Institut Elektrokimia Suhu Tinggi (IVTE) Cabang Ural dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, sedang mengerjakan pembuatan perangkat elektrokimia yang sangat efisien dan generator listrik otonom untuk aplikasi energi terdistribusi. Penciptaan pembangkit listrik untuk energi terdistribusi pada awalnya melibatkan pengembangan sistem hybrid berdasarkan generator listrik dan perangkat penyimpanan, yaitu baterai. Pada saat yang sama, sel bahan bakar beroperasi terus-menerus, menyediakan beban selama jam sibuk, dan dalam mode siaga, sel bahan bakar mengisi daya baterai, yang dengan sendirinya dapat bertindak sebagai cadangan baik jika konsumsi energi tinggi maupun dalam situasi darurat.
Keberhasilan terbesar ahli kimia UrFU dan IVTE telah dicapai dalam pengembangan sel bahan bakar oksida padat dan proton-keramik. Sejak 2016, di Ural, bersama dengan Perusahaan Negara Rosatom, produksi pembangkit listrik berbasis sel bahan bakar oksida padat pertama di Rusia telah dibuat. Perkembangan para ilmuwan Ural telah lulus uji “skala penuh” di stasiun proteksi katodik pipa gas di lokasi percobaan Uraltransgaz LLC. Pembangkit listrik dengan daya pengenal 1,5 kilowatt bekerja selama lebih dari 10 ribu jam dan menunjukkan potensi besar penggunaan perangkat tersebut.
Dalam kerangka laboratorium gabungan UrFU dan IVTE, pengembangan perangkat elektrokimia berdasarkan membran keramik penghantar proton sedang berlangsung. Hal ini akan memungkinkan dalam waktu dekat untuk mengurangi suhu pengoperasian sel bahan bakar oksida padat dari 900 menjadi 500 derajat Celcius dan mengabaikan reformasi awal bahan bakar hidrokarbon, sehingga menciptakan generator elektrokimia hemat biaya yang mampu beroperasi dalam kondisi maju. infrastruktur pasokan gas di Rusia.
Alexander Dubov
Akhir-akhir ini topik sel bahan bakar sedang menjadi perbincangan semua orang. Dan hal ini tidak mengherankan, dengan munculnya teknologi ini di dunia elektronik, telah menemukan kelahiran baru. Para pemimpin dunia di bidang mikroelektronika berlomba untuk menghadirkan prototipe produk masa depan mereka, yang akan mengintegrasikan pembangkit listrik mini mereka sendiri. Di satu sisi, hal ini akan melemahkan koneksi perangkat seluler ke “stopkontak”, dan di sisi lain, memperpanjang masa pakai baterai.
Selain itu, beberapa dari mereka bekerja berdasarkan etanol, sehingga pengembangan teknologi ini memberikan manfaat langsung bagi produsen minuman beralkohol - setelah belasan tahun, antrian “spesialis IT” akan berbaris di kilang anggur, berdiri untuk “dosis” berikutnya untuk laptop mereka.
Kita tidak bisa lepas dari “demam” sel bahan bakar yang telah mencengkeram industri Hi-Tech, dan kita akan mencoba mencari tahu jenis teknologi ini, apa yang dimakannya, dan kapan kita bisa memperkirakan teknologi tersebut akan hadir di pasaran. “katering umum.” Dalam materi ini kita akan melihat jalur yang ditempuh sel bahan bakar sejak ditemukannya teknologi ini hingga saat ini. Kami juga akan mencoba menilai prospek penerapan dan pengembangannya di masa depan.
Bagaimana keadaannya
Prinsip sel bahan bakar pertama kali dijelaskan pada tahun 1838 oleh Christian Friedrich Schonbein, dan setahun kemudian Philosophical Journal menerbitkan artikelnya tentang topik ini. Namun, ini hanyalah kajian teoritis. Sel bahan bakar pertama yang berfungsi diproduksi pada tahun 1843 di laboratorium ilmuwan Welsh Sir William Robert Grove. Saat membuatnya, penemunya menggunakan bahan yang mirip dengan yang digunakan pada baterai asam fosfat modern. Sel bahan bakar Sir Grove kemudian diperbaiki oleh W. Thomas Grub. Pada tahun 1955, ahli kimia ini, yang bekerja untuk perusahaan General Electric yang legendaris, menggunakan membran penukar ion polistiren tersulfonasi sebagai elektrolit dalam sel bahan bakar. Hanya tiga tahun kemudian, rekannya Leonard Niedrach mengusulkan teknologi penempatan platina pada membran, yang bertindak sebagai katalis dalam proses oksidasi hidrogen dan penyerapan oksigen.
"Bapak" sel bahan bakar Christian Schönbein
Prinsip-prinsip ini membentuk dasar sel bahan bakar generasi baru, yang disebut sel Grub-Nidrach sesuai nama penciptanya. General Electric melanjutkan pengembangan ke arah ini, di mana, dengan bantuan NASA dan raksasa penerbangan McDonnell Aircraft, sel bahan bakar komersial pertama diciptakan. Pada teknologi baru menaruh perhatian di luar negeri. Dan sudah pada tahun 1959, warga Inggris Francis Thomas Bacon memperkenalkan sel bahan bakar stasioner dengan kapasitas 5 kW. Perkembangannya yang dipatenkan kemudian dilisensikan oleh Amerika dan digunakan di pesawat ruang angkasa NASA dalam sistem tenaga dan pasokan air minum. Pada tahun yang sama, Harry Ihrig dari Amerika membangun traktor sel bahan bakar pertama (daya total 15 kW). Kalium hidroksida digunakan sebagai elektrolit dalam baterai, dan hidrogen dan oksigen terkompresi digunakan sebagai reagen.
Untuk pertama kalinya, produksi sel bahan bakar stasioner untuk tujuan komersial diluncurkan oleh perusahaan UTC Power, yang menawarkan sistem pasokan listrik cadangan untuk rumah sakit, universitas, dan pusat bisnis. Perusahaan ini, pemimpin dunia di bidang ini, masih memproduksi solusi serupa dengan daya hingga 200 kW. Ia juga merupakan pemasok utama sel bahan bakar untuk NASA. Produknya telah banyak digunakan selama ini program luar angkasa Apollo dan masih diminati sebagai bagian dari program Pesawat Ulang-alik. UTC Power juga menawarkan sel bahan bakar "komoditas" yang banyak digunakan pada kendaraan. Dia adalah orang pertama yang menciptakan sel bahan bakar yang memungkinkan menghasilkan arus pada suhu di bawah nol melalui penggunaan membran penukar proton.
Bagaimana itu bekerja
Para peneliti bereksperimen dengan berbagai zat sebagai reagen. Namun, prinsip dasar pengoperasian sel bahan bakar, meskipun karakteristik operasionalnya sangat berbeda, tetap tidak berubah. Setiap sel bahan bakar adalah perangkat untuk konversi energi elektrokimia. Ini menghasilkan listrik dari sejumlah bahan bakar (di sisi anoda) dan oksidator (di sisi katoda). Reaksi terjadi dengan adanya elektrolit (zat yang mengandung ion bebas dan berperilaku sebagai media penghantar listrik). Pada prinsipnya, dalam perangkat tersebut terdapat reagen tertentu yang masuk dan produk reaksinya, yang dikeluarkan setelah reaksi elektrokimia terjadi. Elektrolit masuk pada kasus ini hanya berfungsi sebagai media interaksi reagen dan tidak mengalami perubahan pada sel bahan bakar. Berdasarkan skema ini, sel bahan bakar yang ideal harus beroperasi selama ada pasokan zat yang diperlukan untuk reaksi.
Sel bahan bakar tidak sama dengan baterai konvensional di sini. Dalam kasus pertama, untuk menghasilkan listrik, “bahan bakar” tertentu dikonsumsi, yang selanjutnya perlu diisi ulang. Dalam kasus sel galvanik, listrik disimpan dalam sistem kimia tertutup. Dalam kasus baterai, penerapan arus memungkinkan terjadinya reaksi elektrokimia terbalik dan mengembalikan reaktan ke keadaan semula (yaitu mengisi dayanya). Mungkin berbagai kombinasi bahan bakar dan oksidator. Misalnya, sel bahan bakar hidrogen menggunakan hidrogen dan oksigen (zat pengoksidasi) sebagai reaktan. Hidrokarbonat dan alkohol sering digunakan sebagai bahan bakar, dan udara, klorin, dan klorin dioksida bertindak sebagai oksidan.
Reaksi katalisis yang terjadi dalam sel bahan bakar mengeluarkan elektron dan proton dari bahan bakar, dan elektron yang bergerak membentuk arus listrik. Platinum atau paduannya biasanya digunakan sebagai katalis yang mempercepat reaksi dalam sel bahan bakar. Proses katalitik lainnya mengembalikan elektron, menggabungkannya dengan proton dan zat pengoksidasi, menghasilkan produk reaksi (emisi). Biasanya, emisi ini berupa zat sederhana: air dan karbon dioksida.
Dalam sel bahan bakar membran penukar proton (PEMFC) tradisional, membran penghantar proton polimer memisahkan sisi anoda dan katoda. Dari sisi katoda, hidrogen berdifusi ke katalis anoda, di mana elektron dan proton kemudian dilepaskan darinya. Proton kemudian melewati membran menuju katoda, dan elektron yang tidak dapat mengikuti proton (membran terisolasi secara elektrik) dikirim sepanjang rangkaian. beban eksternal(sistem penyediaan energi). Di sisi katalis katoda, oksigen bereaksi dengan proton yang melewati membran dan elektron yang masuk melalui rangkaian beban eksternal. Reaksi ini menghasilkan air (dalam bentuk uap atau cairan). Misalnya produk reaksi pada sel bahan bakar yang menggunakan bahan bakar hidrokarbon (metanol, solar) adalah air dan karbon dioksida.
Hampir semua jenis sel bahan bakar mengalami rugi-rugi listrik, yang disebabkan oleh hambatan alami dari kontak dan elemen sel bahan bakar, dan oleh tegangan lebih listrik (energi tambahan yang diperlukan untuk melakukan reaksi awal). Dalam beberapa kasus, tidak mungkin untuk sepenuhnya menghindari kerugian ini dan terkadang “permainan ini tidak sepadan dengan hasilnya”, namun seringkali kerugian tersebut dapat dikurangi hingga batas minimum yang dapat diterima. Pilihan untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan rangkaian perangkat ini, di mana sel bahan bakar, tergantung pada kebutuhan sistem catu daya, dapat dihubungkan secara paralel (arus lebih tinggi) atau seri (tegangan lebih tinggi).
Jenis sel bahan bakar
Ada banyak sekali jenis sel bahan bakar, namun kami akan mencoba membahas secara singkat jenis sel bahan bakar yang paling umum.
Sel Bahan Bakar Alkaline (AFC)
Sel bahan bakar alkali atau alkaline, juga disebut sel Bacon setelah "ayahnya" di Inggris, adalah salah satu teknologi sel bahan bakar yang paling berkembang. Perangkat inilah yang membantu manusia menginjakkan kaki di bulan. Secara umum, NASA telah menggunakan sel bahan bakar jenis ini sejak pertengahan tahun 60an abad lalu. AFC mengonsumsi hidrogen dan oksigen murni, menghasilkan air minum, panas, dan listrik. Sebagian besar karena teknologi ini berkembang dengan baik, teknologi ini memiliki salah satu indikator efisiensi tertinggi di antara sistem serupa (potensi sekitar 70%).
Namun teknologi ini juga mempunyai kelemahan. Karena kekhususan penggunaan zat alkali cair sebagai elektrolit, yang tidak menghalangi karbon dioksida, kalium hidroksida (salah satu pilihan elektrolit yang digunakan) dapat bereaksi dengan komponen udara biasa ini. Hasilnya bisa berupa senyawa beracun yang disebut kalium karbonat. Untuk menghindari hal ini, perlu menggunakan oksigen murni atau memurnikan udara dari karbon dioksida. Tentu saja, hal ini mempengaruhi biaya perangkat tersebut. Meski begitu, AFC adalah sel bahan bakar termurah yang tersedia saat ini untuk diproduksi.
Sel bahan bakar borohidrida langsung (DBFC)
Subtipe sel bahan bakar alkaline ini menggunakan natrium borohidrida sebagai bahan bakar. Namun, tidak seperti AFC konvensional berbasis hidrogen, teknologi ini memiliki satu keunggulan signifikan - tidak ada risiko menghasilkan senyawa beracun setelah kontak dengan karbon dioksida. Namun, produk reaksinya adalah zat boraks, yang banyak digunakan deterjen dan sabun. Boraks relatif tidak beracun.
DBFC dapat dibuat lebih murah dibandingkan sel bahan bakar tradisional karena tidak memerlukan katalis platinum yang mahal. Selain itu, mereka memiliki kepadatan energi yang lebih besar. Diperkirakan produksi satu kilogram natrium borohidrida menghabiskan biaya $50, tetapi jika kita mengatur produksi massal dan mengatur pengolahan boraks, maka tingkat ini dapat dikurangi hingga 50 kali lipat.
Sel Bahan Bakar Logam Hidrida (MHFC)
Subkelas sel bahan bakar alkaline ini saat ini sedang dipelajari secara aktif. Fitur khusus dari perangkat ini adalah kemampuannya untuk menyimpan hidrogen secara kimia di dalam sel bahan bakar. Sel bahan bakar borohidrida langsung memiliki kemampuan yang sama, tetapi tidak seperti itu, MHFC diisi dengan hidrogen murni.
Di antara karakteristik yang khas Sel bahan bakar ini dapat dibedakan sebagai berikut:
- kemampuan mengisi ulang dari energi listrik;
- bekerja di suhu rendah- hingga -20°C;
- umur simpan yang lama;
- start "dingin" yang cepat;
- kemampuan untuk bekerja selama beberapa waktu tanpa sumber hidrogen eksternal (selama penggantian bahan bakar).
Terlepas dari kenyataan bahwa banyak perusahaan berupaya menciptakan MHFC massal, efisiensi prototipe tidak cukup tinggi dibandingkan dengan teknologi pesaing. Satu dari performa terbaik Kepadatan arus untuk sel bahan bakar ini adalah 250 miliampere per sentimeter persegi, sedangkan sel bahan bakar PEMFC konvensional memberikan rapat arus sebesar 1 ampere per sentimeter persegi.
Sel bahan bakar elektro-galvanik (EGFC)
Reaksi kimia di EGFC melibatkan kalium hidroksida dan oksigen. Hal ini menciptakan arus listrik antara anoda timbal dan katoda berlapis emas. Tegangan yang dihasilkan oleh sel bahan bakar elektro-galvanik berbanding lurus dengan jumlah oksigen. Fitur ini memungkinkan EGFC digunakan secara luas sebagai perangkat pengujian konsentrasi oksigen pada peralatan selam dan peralatan medis. Namun justru karena ketergantungan inilah sel bahan bakar kalium hidroksida memiliki umur yang sangat terbatas. pekerjaan yang efisien(sementara konsentrasi oksigennya tinggi).
Perangkat bersertifikat pertama untuk memeriksa konsentrasi oksigen di EGFC tersedia secara luas pada tahun 2005, namun tidak mendapatkan banyak popularitas pada saat itu. Model yang dimodifikasi secara signifikan, dirilis dua tahun kemudian, jauh lebih sukses dan bahkan menerima hadiah “inovasi” di pameran khusus penyelam di Florida. Mereka saat ini digunakan oleh organisasi seperti NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) dan DDRC (Diving Diseases Research Center).
Sel bahan bakar asam format langsung (DFAFC)
Sel bahan bakar ini adalah subtipe perangkat PEMFC dengan injeksi asam format langsung. Terima kasih untuk Anda fitur tertentu Sel bahan bakar ini memiliki peluang besar untuk menjadi sarana utama memberi daya pada perangkat elektronik portabel seperti laptop, ponsel, dan lain-lain di masa depan.
Seperti metanol, asam format langsung dimasukkan ke dalam sel bahan bakar tanpa melalui tahap pemurnian khusus. Menyimpan zat ini juga jauh lebih aman dibandingkan, misalnya, hidrogen, dan tidak memerlukan kondisi penyimpanan khusus: asam format berbentuk cair pada suhu normal. Selain itu, teknologi ini memiliki dua keunggulan yang tidak dapat disangkal dibandingkan sel bahan bakar metanol langsung. Pertama, tidak seperti metanol, asam format tidak bocor melalui membran. Oleh karena itu, efisiensi DFAFC, menurut definisinya, harus lebih tinggi. Kedua, jika terjadi depresurisasi, asam format tidak begitu berbahaya (metanol dapat menyebabkan kebutaan, dan dalam dosis tinggi, kematian).
Menariknya, hingga saat ini, banyak ilmuwan yang tidak menganggap teknologi ini memiliki masa depan yang praktis. Alasan yang mendorong para peneliti untuk “mengakhiri asam format” selama bertahun-tahun adalah tingginya tegangan elektrokimia, yang menyebabkan kerugian listrik yang signifikan. Namun eksperimen terbaru menunjukkan bahwa alasan ketidakefisienan ini adalah penggunaan platinum sebagai katalis, yang secara tradisional banyak digunakan untuk tujuan ini dalam sel bahan bakar. Setelah para ilmuwan di Universitas Illinois melakukan serangkaian percobaan dengan bahan lain, ditemukan bahwa ketika menggunakan paladium sebagai katalis, kinerja DFAFC lebih tinggi dibandingkan dengan sel bahan bakar metanol lurus yang setara. Saat ini, hak atas teknologi ini dimiliki oleh perusahaan Amerika Tekion, yang menawarkan lini produk Formira Power Pack untuk perangkat mikroelektronika. Sistem ini adalah "dupleks" yang terdiri dari baterai dan sel bahan bakar itu sendiri. Setelah persediaan reagen pada cartridge pengisi daya baterai habis, pengguna cukup menggantinya dengan yang baru. Dengan demikian, ia menjadi sepenuhnya independen dari “outlet”. Sesuai dengan janji pabrikan, waktu antar pengisian daya akan berlipat ganda, meskipun faktanya teknologi ini hanya berharga 10-15% lebih mahal dibandingkan baterai konvensional. Satu-satunya kendala utama terhadap teknologi ini mungkin adalah dukungan perusahaan terhadapnya biasa-biasa saja dan negara ini bisa saja “kewalahan” oleh pesaing-pesaing berskala lebih besar yang menampilkan teknologi mereka, yang bahkan mungkin kalah dengan DFAFC dalam beberapa parameter.
Sel Bahan Bakar Metanol Langsung (DMFC)
Sel bahan bakar ini adalah bagian dari perangkat membran penukar proton. Mereka menggunakan metanol, yang dimasukkan ke dalam sel bahan bakar tanpa pemurnian tambahan. Namun, metil alkohol lebih mudah disimpan dan tidak mudah meledak (meskipun mudah terbakar dan dapat menyebabkan kebutaan). Pada saat yang sama, metanol memiliki kapasitas energi yang jauh lebih tinggi dibandingkan hidrogen terkompresi.
Namun, karena kemampuan metanol untuk merembes melalui membran, efisiensi DMFC pada volume bahan bakar yang besar menjadi rendah. Meskipun karena alasan ini perangkat ini tidak cocok untuk transportasi dan instalasi besar, perangkat ini sangat baik sebagai baterai pengganti untuk perangkat seluler.
Sel Bahan Bakar Metanol yang Diolah (RMFC)
Sel bahan bakar metanol yang diproses berbeda dari DMFC hanya karena mereka mengubah metanol menjadi hidrogen dan karbon dioksida sebelum menghasilkan listrik. Ini terjadi pada perangkat khusus yang disebut pemroses bahan bakar. Setelah tahap awal ini (reaksi dilakukan pada suhu di atas 250°C), hidrogen mengalami reaksi oksidasi, yang menghasilkan pembentukan air dan pembangkitan listrik.
Penggunaan metanol dalam RMFC disebabkan oleh fakta bahwa metanol merupakan pembawa hidrogen alami, dan pada suhu yang cukup rendah (dibandingkan dengan zat lain) dapat terurai menjadi hidrogen dan karbon dioksida. Oleh karena itu, teknologi ini lebih maju dibandingkan DMFC. Sel bahan bakar metanol yang diolah memungkinkan efisiensi, kekompakan, dan pengoperasian di bawah nol yang lebih besar.
Sel bahan bakar etanol langsung (DEFC)
Perwakilan lain dari kelas sel bahan bakar dengan kisi pertukaran proton. Seperti namanya, etanol masuk ke sel bahan bakar tanpa mengalami pemurnian tambahan atau penguraian menjadi zat yang lebih sederhana. Keunggulan pertama dari perangkat ini adalah kegunaannya etil alkohol bukannya metanol beracun. Artinya Anda tidak perlu mengeluarkan banyak uang untuk mengembangkan bahan bakar ini.
Kepadatan energi alkohol kira-kira 30% lebih tinggi dibandingkan metanol. Selain itu, dapat diperoleh dalam jumlah besar dari biomassa. Untuk mengurangi biaya sel bahan bakar etanol, pencarian bahan katalis alternatif sedang dilakukan secara aktif. Platinum, yang secara tradisional digunakan dalam sel bahan bakar untuk tujuan ini, terlalu mahal dan merupakan hambatan besar bagi adopsi massal teknologi ini. Solusi untuk masalah ini dapat berupa katalis yang dibuat dari campuran besi, tembaga, dan nikel, yang menunjukkan hasil yang mengesankan dalam sistem eksperimental.
Sel Bahan Bakar Seng Udara (ZAFC)
ZAFC menggunakan oksidasi seng dengan oksigen dari udara untuk menghasilkan energi listrik. Sel bahan bakar ini tidak mahal untuk diproduksi dan menyediakan kepadatan energi yang cukup tinggi. Mereka saat ini digunakan dalam alat bantu dengar dan mobil listrik eksperimental.
Pada sisi anoda terdapat campuran partikel seng dengan elektrolit, dan pada sisi katoda terdapat air dan oksigen dari udara, yang saling bereaksi membentuk hidroksil (molekulnya adalah atom oksigen dan atom hidrogen, antara yang terdapat ikatan kovalen). Akibat reaksi hidroksil dengan campuran seng, dilepaskan elektron yang menuju katoda. Tegangan maksimum yang dihasilkan oleh sel bahan bakar tersebut adalah 1,65 V, tetapi, sebagai aturan, tegangan ini dikurangi secara artifisial menjadi 1,4–1,35 V, sehingga membatasi akses udara ke sistem. Produk akhir dari reaksi elektrokimia ini adalah seng oksida dan air.
Teknologi ini dapat digunakan baik pada baterai (tanpa mengisi ulang) maupun pada sel bahan bakar. Dalam kasus terakhir, ruang di sisi anoda dibersihkan dan diisi kembali dengan pasta seng. Secara umum, teknologi ZAFC telah terbukti menjadi baterai yang sederhana dan andal. Keunggulannya yang tak terbantahkan adalah kemampuannya mengendalikan reaksi hanya dengan mengatur pasokan udara ke sel bahan bakar. Banyak peneliti mempertimbangkan sel bahan bakar zinc-air sebagai sumber tenaga utama masa depan untuk kendaraan listrik.
Sel Bahan Bakar Mikroba (MFC)
Ide pemanfaatan bakteri untuk kemaslahatan umat manusia bukanlah hal baru, meski penerapan ide tersebut baru membuahkan hasil akhir-akhir ini. Saat ini, penggunaan bioteknologi secara komersial untuk produksi berbagai produk (misalnya, produksi hidrogen dari biomassa), netralisasi zat berbahaya, dan produksi listrik sedang dipelajari secara aktif. Sel bahan bakar mikroba, juga disebut sel bahan bakar biologis, adalah sistem elektrokimia biologis yang menghasilkan arus listrik melalui penggunaan bakteri. Teknologi ini didasarkan pada katabolisme (penguraian molekul kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana dengan pelepasan energi) zat seperti glukosa, asetat (garam asam asetat), butirat (garam butirat) atau air limbah. Karena oksidasinya, elektron dilepaskan, yang ditransfer ke anoda, setelah itu arus listrik yang dihasilkan mengalir melalui konduktor ke katoda.
Sel bahan bakar seperti itu biasanya menggunakan mediator yang meningkatkan aliran elektron. Masalahnya adalah zat yang berperan sebagai mediator itu mahal dan beracun. Namun, dalam kasus penggunaan bakteri yang aktif secara elektrokimia, kebutuhan akan mediator hilang. Sel bahan bakar mikroba “bebas mediator” mulai dibuat baru-baru ini dan oleh karena itu tidak semua sifat-sifatnya telah dipelajari dengan baik.
Meskipun terdapat kendala yang belum dapat diatasi oleh MFC, teknologi ini memiliki potensi yang sangat besar. Pertama, menemukan “bahan bakar” tidaklah terlalu sulit. Terlebih lagi, saat ini masalah pengolahan air limbah dan pembuangan banyak limbah sangatlah akut. Penggunaan teknologi ini dapat menyelesaikan kedua masalah tersebut. Kedua, secara teoritis efektivitasnya bisa sangat tinggi. Masalah utama bagi para insinyur sel bahan bakar mikroba adalah, dan faktanya elemen penting perangkat ini, mikroba. Dan sementara para ahli mikrobiologi, yang menerima banyak hibah untuk penelitian, bergembira, para penulis fiksi ilmiah juga ikut berjabat tangan, mengantisipasi keberhasilan buku-buku yang membahas konsekuensi dari “pelepasan” mikroorganisme yang salah. Tentu saja, ada risiko mengembangkan sesuatu yang tidak hanya “mencerna” limbah yang tidak perlu, tetapi juga sesuatu yang berharga. Oleh karena itu, pada prinsipnya, seperti halnya bioteknologi baru, masyarakat mewaspadai gagasan membawa kotak yang berisi bakteri di saku mereka.
Aplikasi
Pembangkit listrik domestik dan industri stasioner
Sel bahan bakar banyak digunakan sebagai sumber energi di berbagai bidang sistem otonom, seperti pesawat luar angkasa, stasiun cuaca jarak jauh, instalasi militer, dll. Keuntungan utama dari sistem catu daya tersebut adalah keandalannya yang sangat tinggi dibandingkan dengan teknologi lainnya. Karena tidak adanya bagian yang bergerak dan mekanisme apapun pada sel bahan bakar, keandalan sistem catu daya dapat mencapai 99,99%. Selain itu, jika hidrogen digunakan sebagai reagen, bobot yang sangat rendah dapat dicapai, yang merupakan salah satu kriteria terpenting dalam hal peralatan luar angkasa.
Baru-baru ini, gabungan pembangkit listrik dan panas, banyak digunakan di bangunan tempat tinggal dan kantor. Keunikan dari sistem ini adalah bahwa mereka terus-menerus menghasilkan listrik, yang jika tidak segera dikonsumsi, akan digunakan untuk memanaskan air dan udara. Meskipun efisiensi listrik dari instalasi tersebut hanya 15-20%, kerugian ini dikompensasi oleh fakta bahwa listrik yang tidak terpakai digunakan untuk menghasilkan panas. Secara umum efisiensi energinya seperti itu sistem gabungan adalah sekitar 80%. Salah satu reagen terbaik untuk sel bahan bakar tersebut adalah asam fosfat. Instalasi ini memberikan efisiensi energi sebesar 90% (35-50% listrik dan sisanya energi panas).
Mengangkut
Sistem energi berbasis sel bahan bakar juga banyak digunakan dalam transportasi. Omong-omong, Jerman termasuk orang pertama yang memasang sel bahan bakar pada kendaraan. Jadi kapal komersial pertama di dunia yang dilengkapi dengan instalasi semacam itu memulai debutnya delapan tahun lalu. Kapal kecil ini, diberi nama "Hydra" dan dirancang untuk mengangkut hingga 22 penumpang, diluncurkan di dekat bekas ibu kota Jerman pada bulan Juni 2000. Hidrogen (sel bahan bakar alkali) bertindak sebagai reagen pembawa energi. Berkat penggunaan sel bahan bakar alkaline (basa), instalasi ini mampu menghasilkan arus pada suhu hingga –10°C dan tidak “takut” terhadap air asin. Perahu Hydra, digerakkan oleh motor listrik 5 kW, mampu mencapai kecepatan hingga 6 knot (sekitar 12 km/jam).
Perahu "Hydra"
Sel bahan bakar (khususnya hidrogen) menjadi lebih luas dalam transportasi darat. Secara umum, hidrogen telah digunakan sebagai bahan bakar mesin mobil sejak lama, dan pada prinsipnya mesin pembakaran dalam konvensional dapat dengan mudah diubah menggunakan bahan bakar alternatif tersebut. Namun, pembakaran hidrogen tradisional kurang efisien dibandingkan menghasilkan listrik melalui reaksi kimia antara hidrogen dan oksigen. Dan idealnya, hidrogen, jika digunakan dalam sel bahan bakar, akan benar-benar aman bagi alam atau, seperti yang mereka katakan, “ramah terhadap lingkungan”, karena reaksi kimianya tidak melepaskan karbon dioksida atau zat lain yang berkontribusi terhadap “rumah kaca. memengaruhi."
Benar, di sini, seperti yang diharapkan, ada beberapa “tetapi” besar. Faktanya adalah banyak teknologi untuk memproduksi hidrogen dari sumber daya tak terbarukan (gas alam, batu bara, produk minyak bumi) tidak begitu berbahaya bagi lingkungan, karena prosesnya melepaskan karbon dioksida dalam jumlah besar. Secara teoritis, jika sumber daya terbarukan digunakan untuk memperolehnya, maka tidak akan ada emisi berbahaya sama sekali. Namun, dalam hal ini biayanya meningkat secara signifikan. Menurut banyak ahli, karena alasan tersebut, potensi hidrogen sebagai pengganti bensin atau gas alam sangat terbatas. Sudah ada alternatif yang lebih murah dan, kemungkinan besar, sel bahan bakar elemen pertama tabel periodik tidak pernah berhasil menjadi fenomena massal pada kendaraan.
Produsen mobil cukup aktif bereksperimen dengan hidrogen sebagai sumber energi. Dan alasan utamanya adalah sikap UE yang agak keras mengenai emisi berbahaya ke atmosfer. Didorong oleh pembatasan yang semakin ketat di Eropa, Daimler AG, Fiat dan Ford Motor Company telah mempresentasikan visi mereka tentang masa depan sel bahan bakar pada mobil, melengkapi model dasar mereka dengan powertrain serupa. Raksasa otomotif Eropa lainnya, Volkswagen, kini sedang mempersiapkan mobil sel bahan bakarnya. Perusahaan-perusahaan Jepang dan Korea Selatan tidak ketinggalan jauh di belakang mereka. Namun, tidak semua orang bertaruh pada teknologi ini. Banyak orang lebih suka memodifikasi mesin pembakaran dalam atau memadukannya dengan motor listrik bertenaga baterai. Toyota, Mazda dan BMW mengikuti jalur ini. Sedangkan untuk perusahaan asal Amerika, selain Ford dengan model Focus-nya, General Motors juga menghadirkan beberapa mobil berbahan bakar sel. Semua upaya ini didorong secara aktif oleh banyak negara. Misalnya, di AS terdapat undang-undang yang menyatakan bahwa mobil hybrid baru yang memasuki pasar dibebaskan dari pajak, yang jumlahnya bisa cukup besar, karena biasanya, mobil semacam itu lebih mahal daripada mobil dengan internal tradisional. mesin pembakaran. Hal ini membuat hibrida menjadi lebih menarik untuk dibeli. Benar, untuk saat ini undang-undang tersebut hanya berlaku untuk model yang memasuki pasar hingga penjualan mencapai 60.000 mobil, setelah itu manfaatnya otomatis dibatalkan.
Elektronik
Baru-baru ini, sel bahan bakar mulai semakin banyak digunakan di laptop, telepon seluler, dan perangkat elektronik seluler lainnya. Alasannya adalah meningkatnya kerakusan perangkat yang dirancang untuk masa pakai baterai jangka panjang. Sebagai akibat dari penggunaan layar sentuh besar di ponsel, kemampuan audio yang kuat, dan diperkenalkannya dukungan untuk Wi-Fi, Bluetooth, dan protokol komunikasi nirkabel frekuensi tinggi lainnya, persyaratan kapasitas baterai juga berubah. Dan, meskipun baterai telah berkembang pesat sejak zaman ponsel pertama, dalam hal kapasitas dan kekompakan (jika tidak, saat ini penggemar tidak akan diizinkan masuk ke stadion dengan senjata dengan fungsi komunikasi ini), baterai masih tidak dapat mengimbangi keduanya. miniaturisasi sirkuit elektronik atau keinginan produsen untuk mengintegrasikan segala sesuatu ke dalam produknya lebih banyak fitur. Kelemahan signifikan lainnya dari baterai isi ulang saat ini adalah waktu pengisiannya yang lama. Semuanya mengarah pada fakta bahwa semakin banyak kemampuan yang dimiliki ponsel atau pemutar multimedia saku yang dirancang untuk meningkatkan otonomi pemiliknya (Internet nirkabel, sistem navigasi, dll.), semakin bergantung pada “outlet” perangkat ini.
Tidak ada yang bisa dikatakan tentang laptop yang jauh lebih kecil daripada yang dibatasi ukuran maksimalnya. Untuk beberapa waktu sekarang, ceruk telah terbentuk untuk laptop ultra-efisien yang tidak dimaksudkan untuk pengoperasian otonom sama sekali, kecuali untuk perpindahan dari satu kantor ke kantor lainnya. Dan bahkan perwakilan paling ekonomis di dunia laptop hampir tidak dapat memberikan masa pakai baterai sehari penuh. Oleh karena itu, persoalan mencari alternatif baterai tradisional, yang tidak lebih mahal, tetapi juga jauh lebih efisien, menjadi sangat mendesak. Dan perwakilan industri terkemuka baru-baru ini berupaya memecahkan masalah ini. Belum lama ini, sel bahan bakar metanol komersial diperkenalkan dan pengiriman massalnya dapat dimulai pada awal tahun depan.
Para peneliti memilih metanol daripada hidrogen karena beberapa alasan. Menyimpan metanol jauh lebih mudah karena tidak memerlukan tekanan tinggi atau kondisi suhu khusus. Metil alkohol berbentuk cairan pada suhu antara -97,0°C dan 64,7°C. Selain itu, energi spesifik yang terkandung dalam metanol volume ke-N adalah urutan besarnya lebih besar daripada volume hidrogen yang sama di bawah tekanan tinggi. Teknologi sel bahan bakar metanol langsung, yang banyak digunakan pada perangkat elektronik seluler, melibatkan penggunaan metil alkohol setelah hanya mengisi tangki sel bahan bakar, melewati prosedur konversi katalitik (oleh karena itu dinamakan “metanol langsung”). Ini juga merupakan keuntungan besar dari teknologi ini.
Namun, seperti yang diharapkan, semua kelebihan ini memiliki kelemahannya masing-masing, yang secara signifikan membatasi cakupan penerapannya. Karena teknologi ini belum sepenuhnya dikembangkan, masalah rendahnya efisiensi sel bahan bakar yang disebabkan oleh “kebocoran” metanol melalui bahan membran masih belum terselesaikan. Selain itu, mereka tidak mengesankan karakteristik dinamis. Tidak mudah untuk menyelesaikan dan apa yang harus dilakukan dengan karbon dioksida yang dihasilkan di anoda. Perangkat DMFC modern tidak mampu menghasilkan energi dalam jumlah besar, namun memiliki kapasitas energi yang tinggi untuk volume material yang kecil. Artinya, meskipun energi yang tersedia belum banyak, sel bahan bakar metanol langsung dapat memproduksinya dalam waktu yang lama. Karena dayanya yang rendah, hal ini tidak memungkinkannya untuk digunakan langsung di kendaraan, tetapi menjadikannya hampir solusi ideal untuk perangkat seluler yang masa pakai baterainya sangat penting.
Tren Terbaru
Meskipun sel bahan bakar untuk kendaraan telah diproduksi sejak lama, solusi ini belum tersebar luas. Ada banyak alasan untuk hal ini. Dan yang utama adalah ketidakmampuan ekonomi dan keengganan produsen untuk menjalankan produksi bahan bakar yang terjangkau. Upaya untuk mempercepat proses alami peralihan ke sumber energi terbarukan, seperti yang diharapkan, tidak membuahkan hasil. Tentu saja, alasan kenaikan tajam harga produk pertanian bukan terletak pada fakta bahwa produk tersebut mulai diubah secara besar-besaran menjadi biofuel, namun pada kenyataan bahwa banyak negara di Afrika dan Asia tidak mampu menghasilkan produk yang cukup bahkan untuk menghasilkan produk pertanian. memenuhi permintaan produk dalam negeri.
Jelas sekali bahwa penghentian penggunaan biofuel tidak akan menghasilkan perbaikan yang signifikan dalam situasi pasar pangan global, namun sebaliknya, hal ini dapat memberikan pukulan telak bagi para petani di Eropa dan Amerika, yang untuk pertama kalinya dalam beberapa tahun telah mengalami dampak buruk. kesempatan untuk mendapatkan banyak uang. Namun aspek etika dari masalah ini tidak dapat diabaikan; memasukkan “roti” ke dalam tangki ketika jutaan orang kelaparan adalah hal yang tidak sedap dipandang. Oleh karena itu, khususnya, para politisi Eropa kini akan memiliki sikap yang lebih dingin terhadap bioteknologi, yang dibuktikan dengan revisi strategi transisi ke sumber energi terbarukan.
Dalam situasi ini, bidang penerapan sel bahan bakar yang paling menjanjikan adalah mikroelektronika. Di sinilah sel bahan bakar memiliki peluang terbaik untuk mendapatkan pijakan. Pertama, orang yang membeli telepon seluler lebih bersedia bereksperimen dibandingkan, katakanlah, pembeli mobil. Dan kedua, mereka siap mengeluarkan uang dan, sebagai suatu peraturan, tidak segan-segan “menyelamatkan dunia.” Hal ini dapat ditegaskan dengan kesuksesan luar biasa dari pemutar iPod Nano versi “Bono” berwarna merah, yang sebagian dari uang penjualannya disalurkan ke rekening Palang Merah.
Versi "Bono" dari pemutar Apple iPod Nano
Di antara mereka yang mengalihkan perhatiannya ke sel bahan bakar untuk elektronik portabel adalah perusahaan yang sebelumnya mengkhususkan diri dalam pembuatan sel bahan bakar dan kini baru saja dibuka daerah baru aplikasi mereka, dan produsen mikroelektronika terkemuka. Misalnya, baru-baru ini MTI Micro, yang mengubah tujuan bisnisnya menjadi memproduksi sel bahan bakar metanol untuk perangkat elektronik seluler, mengumumkan bahwa mereka akan memulai produksi massal pada tahun 2009. Ia juga mempresentasikan perangkat GPS pertama di dunia yang menggunakan sel bahan bakar metanol. Menurut perwakilan perusahaan ini, dalam waktu dekat produknya akan sepenuhnya menggantikan baterai lithium ion tradisional. Benar, pada awalnya harganya tidak murah, tetapi masalah ini menyertai teknologi baru apa pun.
Bagi perusahaan seperti Sony, yang baru-baru ini mendemonstrasikan versi DMFC dari perangkat yang mendukung sistem multimedia, teknologi ini merupakan hal baru, namun mereka serius agar tidak tersesat di pasar baru yang menjanjikan. Pada gilirannya, Sharp melangkah lebih jauh dan, dengan bantuan prototipe sel bahan bakarnya, baru-baru ini memecahkan rekor dunia untuk kapasitas energi spesifik sebesar 0,3 W untuk satu sentimeter kubik metil alkohol. Bahkan pemerintah di banyak negara menyetujui perusahaan yang memproduksi sel bahan bakar ini. Oleh karena itu, bandara-bandara di AS, Kanada, Inggris Raya, Jepang, dan Tiongkok, meskipun metanol memiliki toksisitas dan sifat mudah terbakar, telah mencabut pembatasan yang ada sebelumnya mengenai pengangkutan metanol di dalam kabin pesawat. Tentu saja, hal ini hanya diperbolehkan untuk sel bahan bakar bersertifikat dengan kapasitas tidak lebih dari 200 ml. Namun demikian, hal ini sekali lagi menegaskan minat terhadap perkembangan ini tidak hanya dari pihak peminat, tetapi juga negara.
Benar, produsen masih berusaha bermain aman dan menawarkan sel bahan bakar terutama sebagai sistem tenaga cadangan. Salah satu solusi tersebut adalah kombinasi sel bahan bakar dan baterai: selama masih ada bahan bakar, baterai akan terus diisi, dan jika habis, pengguna cukup mengganti kartrid kosong dengan wadah metanol baru. Arah populer lainnya adalah penciptaan pengisi daya pada sel bahan bakar. Mereka dapat digunakan saat bepergian. Pada saat yang sama, mereka dapat mengisi baterai dengan sangat cepat. Dengan kata lain, di masa depan, mungkin setiap orang akan membawa “soket” seperti itu di sakunya. Pendekatan ini mungkin sangat relevan dalam kasus ini ponsel. Pada gilirannya, laptop mungkin akan memperoleh sel bahan bakar internal di masa mendatang, yang, jika tidak sepenuhnya menggantikan pengisian daya dari stopkontak, setidaknya akan menjadi alternatif yang serius.
Jadi, menurut perkiraan perusahaan kimia terbesar di Jerman, BASF, yang baru-baru ini mengumumkan dimulainya pembangunan pusat pengembangan sel bahan bakar di Jepang, pada tahun 2010 pasar perangkat ini akan mencapai $1 miliar. Pada saat yang sama, para analis memperkirakan pertumbuhan pasar sel bahan bakar menjadi $20 miliar pada tahun 2020. Omong-omong, di pusat ini BASF berencana mengembangkan sel bahan bakar untuk elektronik portabel (khususnya laptop) dan sistem energi stasioner. Lokasi perusahaan ini tidak dipilih secara kebetulan; perusahaan Jerman melihat perusahaan lokal sebagai pembeli utama teknologi ini.
Alih-alih sebuah kesimpulan
Tentu saja, Anda tidak boleh mengharapkan sel bahan bakar menggantikan sistem pasokan energi yang ada. Setidaknya untuk masa mendatang. Ini adalah pedang bermata dua: pembangkit listrik portabel tentu saja lebih efisien karena tidak adanya kerugian yang terkait dengan penyaluran listrik ke konsumen, tetapi perlu juga dipertimbangkan bahwa pembangkit listrik tersebut dapat menjadi pesaing serius bagi pembangkit listrik terpusat. sistem pasokan hanya jika sistem pasokan bahan bakar terpusat untuk instalasi ini dibuat. Artinya, “soket” pada akhirnya harus diganti dengan pipa tertentu yang memasok reagen yang diperlukan ke setiap rumah dan setiap sudut. Dan ini bukanlah kebebasan dan kemandirian dari sumber daya eksternal yang dibicarakan oleh produsen sel bahan bakar.
Perangkat ini punya keuntungan yang tidak dapat disangkal dalam bentuk kecepatan pengisian - Saya cukup mengganti kartrid dengan metanol (dalam kasus ekstrim, membuka tutup piala Jack Daniel's) di kamera, dan sekali lagi melompati tangga Louvre. Di sisi lain, jika, katakanlah, biasa telepon terisi dalam dua jam dan perlu diisi ulang setiap 2-3 hari sekali, maka kecil kemungkinan alternatif berupa penggantian cartridge yang hanya dijual di toko khusus, bahkan dua minggu sekali, akan banyak diminati oleh masyarakat luas. Dan, tentu saja, walaupun beberapa ratus mililiter bahan bakar ini akan sampai ke konsumen akhir, meskipun disimpan dalam wadah kedap udara yang aman, harganya akan memiliki waktu untuk naik secara signifikan. Kenaikan harga ini hanya dapat diatasi dengan skala yang besar. produksi, tetapi apakah skala ini akan diminati di pasar?Dan sampai jenis bahan bakar yang optimal dipilih, penyelesaian masalah ini akan sangat bermasalah.
Di sisi lain, kombinasi pengisian daya tradisional dari stopkontak, sel bahan bakar, dan sistem pasokan energi alternatif lainnya (misalnya panel surya) dapat menjadi solusi terhadap masalah diversifikasi sumber daya dan peralihan ke jenis yang ramah lingkungan. Namun, sel bahan bakar dapat diterapkan secara luas pada kelompok produk elektronik tertentu. Hal ini diperkuat oleh fakta bahwa Canon baru-baru ini mematenkan sel bahan bakarnya sendiri untuk kamera digital dan mengumumkan strategi untuk memperkenalkan teknologi ini ke dalam solusinya. Sedangkan untuk laptop, jika sel bahan bakar mencapainya dalam waktu dekat, kemungkinan besar itu hanya akan berfungsi sebagai sistem tenaga cadangan. Sekarang, misalnya, kita hanya berbicara tentang modul pengisian daya eksternal yang juga terhubung ke laptop.
Namun teknologi ini memiliki prospek pengembangan yang sangat besar dalam jangka panjang. Terutama mengingat ancaman kelaparan minyak yang mungkin terjadi dalam beberapa dekade mendatang. Dalam kondisi seperti ini, yang lebih penting bukanlah seberapa murah produksi sel bahan bakar, tetapi seberapa independen produksi bahan bakar tersebut dari industri petrokimia dan apakah mampu memenuhi kebutuhannya.