Conceptul de energie solară include mai mult decât simpla radiație solară. După cum s-a menționat mai sus, există tipuri de energie pe care luminatorul nostru nu le produce direct (energia eoliană, energia hidraulică a râurilor, energia biomasei, energia oceanelor).
Deși energia solară, prin efectele sale directe și indirecte, este benefică pentru mediu, ea are totuși dezavantajele sale. Nu este la fel de comodă de utilizat ca benzina sau gazele naturale. De exemplu, nu ne putem alimenta mașina cu energie solară oricând și oriunde dorim. De asemenea, soarele strălucește doar o medie de șase până la opt ore pe zi. Efectele directe și indirecte ale energiei solare sunt concentrate în zone îndepărtate de centrele de consum. Energia solară este mai puternică la tropice și subtropice, în timp ce principalii consumatori sunt concentrați în zonele temperate. Energia eoliană este cea mai mare în regiunile polare și nu la fel de mare în zonele temperate. Același lucru este valabil și pentru energia hidroelectrică, energia termică a oceanelor, energia valurilor, a curenților și a mareelor — în cea mai mare parte, acestea sunt cel mai puțin disponibile în zonele în care sunt cele mai necesare.
Există locuri în care energia solară directă și indirectă nu este disponibilă la un moment dat. Și chiar dacă această energie este prezentă, ea nu ne este oferită într-o formă care poate fi utilizată acasă, într-o fabrică sau într-un sistem de transport, astfel încât este necesar să stocăm cumva energia solară, a vântului, a valurilor, a căldurii oceanelor, a mareelor și a curenților atunci când și unde este disponibilă. Cu alte cuvinte, este necesar un dispozitiv de stocare a energiei care să acționeze ca o legătură între energia solară (directă și indirectă) și consumator.
Această legătură trebuie să îndeplinească următoarele condiții
- trebuie să fie ușor de depozitat și de transportat;
- trebuie să fie un combustibil care poate fi utilizat în transporturi, locuințe și industrie;
- trebuie să fie ecologic;
- resursele sale trebuie să fie nelimitate.
Hidrogenul îndeplinește cel mai bine aceste condiții. Nu produce gaze cu efect de seră, nu produce substanțe chimice care creează smog și ploi acide. Tot ceea ce produce este electricitate și vapori de apă.
Hidrogenul este, de asemenea, un combustibil eficient. Acesta poate fi transformat în alte forme de energie (mecanică și electrică) mai eficient decât alți combustibili. De exemplu, în automobile, eficiența sa este de 60%, în timp ce benzina are o eficiență de doar 25%.
Pe Pământ, hidrogenul în formă liberă este rar, acesta fiind combinat cu oxigenul pentru a forma apă. Hidrogenul compensează foarte bine neajunsurile energiei solare, iar această combinație de soare și hidrogen se numește sistem energetic solar-hidrogen. În acesta, hidrogenul este produs printr-o metodă de producere a acestuia folosind energia solară în forma sa directă sau indirectă, în funcție de cât de mai convenabilă este. Acesta poate fi apoi transportat prin conducte sau cisterne către zonele de consum, unde poate fi utilizat pentru a genera energie electrică sau poate fi folosit imediat ca combustibil pentru diverse nevoi economice. Resursele convenționale de combustibil pot fi înlocuite cu succes de hidrogen, cu beneficii semnificative și fără degradarea mediului.
Producția de hidrogen solar
Energia solară nu este disponibilă întotdeauna și peste tot. În medie, aceasta este disponibilă aproximativ o treime din zi și chiar și atunci intensitatea ei variază de la o intensitate slabă dimineața și seara la o intensitate maximă la amiază. Prin urmare, energia solară trebuie stocată în momentele în care este abundentă, pentru a fi utilizată ulterior, când nu este disponibilă.
Folosind energia solară, hidrogenul ecologic poate fi produs în patru moduri diferite — încălzire directă, încălzire termochimică, electroliză și fotoliză.
Încălzire directă. În această metodă, vaporii de apă sunt încălziți la 1400 ◦ C sau mai mult, după care moleculele de apă încep să se descompună pentru a forma hidrogen și oxigen gazos. Cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât este mai mare rata de descompunere a moleculelor din vapori. Pentru a produce cantități mari de hidrogen, încălzirea trebuie efectuată la temperaturi de 2500-3000 ◦ C, ceea ce este posibil prin utilizarea unor oglinzi parabolice care focalizează energia solară pe recipiente cu apă.
Metoda termochimică. Aburul la o temperatură de 300-1000 ◦ C este trecut prin pulberea de fier, ceea ce duce la oxidarea fierului de către oxigen și la eliberarea hidrogenului legat. Acesta este doar un exemplu de metodă termochimică. Încă se fac cercetări privind utilizarea diferitelor materiale pentru a face această metodă mai ieftină.
Metoda electrolitică. Tehnologia acestei metode este bine dezvoltată. Cu ajutorul acesteia, celule similare bateriilor auto sunt utilizate pentru a produce hidrogen și oxigen din apă. Fiecare celulă constă din doi electrozi plasați într-un electrolit (apă cu aditivi chimici care îi cresc conductivitatea electrică) și este conectată la o sursă de curent continuu. Dacă electrozilor li se aplică o tensiune suficientă pentru a produce curent, la anod se va produce oxigen, iar la catod hidrogen.
Metoda fotolitică. În această metodă, soarele este folosit pentru a descompune direct apa în hidrogen și oxigen, fără a recurge la temperaturi ridicate sau la electricitate. Moleculele de apă absorb particulele mici care alcătuiesc razele soarelui — fotonii. După ce captează multe dintre aceste particule, molecula însăși se descompune în hidrogen și oxigen. Acest fenomen se numește fotoliză. Pentru a iniția descompunerea apei, acesteia i se adaugă diferite substanțe anorganice, care vor absorbi mai mulți fotoni decât poate apa însăși. Metoda fotolitică de producere a hidrogenului nu este foarte eficientă, deși este mai ieftină decât alte metode.
Astfel, hidrogenul este un intermediar ecologic în aplicarea energiei solare. Mai întâi, folosind energia solară (directă și indirectă), se produce electricitate. Apoi, folosind electricitatea în instalațiile de electroliză, hidrogenul — un nou combustibil curat — și oxigenul sunt produse din apă, care poate fi eliberată în atmosferă sau utilizată într-un anumit mod. Apoi, folosind cisterne sau conducte, hidrogenul este transportat la centrele de consum. Acolo, hidrogenul va fi ars ca combustibil în motoarele cu combustie internă, în locul benzinei și motorinei, sau va fi utilizat în pile de combustie pentru a produce energie mecanică, electrică și termică. Iar produsul final al tuturor acestor procese va fi apa. Pe termen lung, sistemele solare-hidrogen ar trebui să furnizeze omenirii energie ecologică curată.
Sunt posibile următoarele scheme de producere a hidrogenului electrolitic din energie solară: electroliza apei cu ajutorul curentului electric produs prin conversia directă a energiei radiației solare în energie electrică cu ajutorul bateriilor solare și electroliza apei cu ajutorul curentului electric produs de o instalație solară termică într-un ciclu cu abur de tip convențional (figura 1). Eficiența globală a sistemului prezentat în figura 1a este între 5 și 12 % (cu o eficiență a electrolizorului de 75-80 % și o eficiență a fotobateriei cu siliciu de 16-20 %). Eficiența globală a schemei din figura 1b, cu aceeași valoare a eficienței electrolizorului, atinge 21% la o temperatură a aburului la intrarea turbinei de 825 K și la ieșire de 300 K.
Centralele eoliene cu hidrogen (WHPP) sunt deosebit de importante pentru consumatorii locali din zonele nordice greu accesibile, unde râurile mici sunt înghețate. Producerea hidrogenului prin descompunerea electrolitică a apei, acumularea acestuia în perioadele de vânt puternic (în cazul producerii excesive de energie electrică de către turbinele eoliene) și utilizarea hidrogenului acumulat ca combustibil în unitățile de încălzire în perioadele de vânt slab rezolvă în mod radical problema furnizării garantate de energie de la centralele eoliene.
În figura 2 este prezentată o schemă simplificată de generare și conversie a energiei în sistemul WWTPP.
Figura 3 prezintă schema de producere a hidrogenului din energie geotermală.
În schema propusă, energia electrică produsă noaptea de o centrală geotermală binară este utilizată într-o instalație de electroliză pentru a produce hidrogen.
Hidrogenul poate fi, de asemenea, produs din hidrocarburi (în special gaz natural) și deșeuri organice, utilizând energia nucleară, cărbunele și purtătorii intermediari de energie.
Producția de hidrogen din hidrocarburi și deșeuri organice se realizează cel mai adesea prin metode termochimice, în timp ce electroliza este utilizată în mod tradițional pentru producția din apă. În scopul producerii energiei pe bază de hidrogen, este necesar să se dezvolte noi metode rentabile și ecologice de producere a hidrogenului.
Una dintre metodele promițătoare de producere a hidrogenului în viitorul apropiat poate fi producția de hidrogen cu ajutorul bacteriilor. În această metodă, procesul urmează schema fotosintezei: lumina soarelui este absorbită de algele albastre-verzi, care cresc destul de repede. Aceste alge pot servi drept hrană pentru unele bacterii, care eliberează hidrogen din apă în acest proces. Studiile efectuate cu diferite tipuri de bacterii au arătat că întreaga aprovizionare cu energie a unui oraș cu un milion de locuitori poate fi asigurată de hidrogenul eliberat de bacteriile care se hrănesc cu alge albastre-verzi într-o plantație de aproximativ 18 kilometri pătrați.
Stocarea și utilizarea hidrogenului
În cantități mari, hidrogenul este cel mai bine stocat în subteran. Acest lucru se poate realiza prin utilizarea rezervoarelor epuizate — goluri rămase în urma pompării petrolului și gazelor naturale — sau a minelor și a altor instalații subterane. Astfel de instalații de stocare sunt disponibile în Regatul Unit și în Franța.
Hidrogenul stocat trebuie apoi transportat la punctul de consum. În cantități mici, acesta poate fi transportat și distribuit în camioane de alimentare cu combustibil, la fel ca gazul, dar atunci când sunt necesare cantități mari, conductele sunt o metodă de transport mult mai economică. SUA și Europa au o anumită experiență în transportul în siguranță al hidrogenului prin conducte.
Într-un sistem energetic pe bază de hidrogen, oxigenul este produs din apă în același timp cu hidrogenul. Acesta poate fi, de asemenea, stocat și transportat prin conducte la punctul de consum sau eliberat în atmosferă. În timpul arderii, hidrogenul se combină cu oxigenul provenit fie din depozit, fie direct din aer.
Electricitatea poate fi generată din hidrogen în trei moduri diferite — folosind o turbină cu gaz, o turbină cu abur și o celulă de combustie. Turbinele cu gaz sunt utilizate pentru a genera energie mecanică și produc electricitate atunci când turbina este cuplată la un generator. De obicei, turbinele cu gaz utilizează gaze naturale ale căror produse de ardere sunt dioxidul de carbon și alți poluanți de mediu. Atunci când hidrogenul este utilizat într-o turbină cu gaz, energia poate fi produsă mai eficient, fără a polua mediul.
Cantități mari de energie mecanică și electrică sunt obținute din turbine cu abur care utilizează cărbune și păcură, ceea ce duce la o poluare semnificativă din cauza produselor de ardere. Cu toate acestea, aburul poate fi produs într-un mod mai curat prin arderea hidrogenului în oxigen pur.
Ca și combustibil pentru transport, hidrogenul este mai convenabil și mai sigur de utilizat în formă lichidă; în ceea ce privește puterea calorică per 1 kg de masă, aceasta este de câteva ori mai mare decât parafina. În același timp, densitatea hidrogenului lichid este mult mai mică decât cea a parafinei, astfel încât necesită un volum mai mare de rezervoare de combustibil, care trebuie, de asemenea, să aibă o izolație de înaltă calitate.
Cea mai sigură modalitate de acumulare și stocare a hidrogenului în stare legată în fază solidă este în hidrurile metalice și în materialele compozite nanostructurate (hidrogenul este „stocat” în spațiile interatomice ale rețelei cristaline metalice). Pentru a elibera hidrogen liber, metalul trebuie încălzit la o temperatură scăzută. Cercetarea și dezvoltarea acestor noi tehnologii acoperă atât crearea și cercetarea de noi sisteme de hidruri metalice, cât și sisteme bazate pe noi materiale care absorb hidrogenul.
În sistemele de stocare reversibile cu hidrură metalică la temperatură joasă dezvoltate până în prezent, conținutul masic de hidrogen disponibil nu depășește 2%, iar densitatea masică a acestuia depășește densitatea hidrogenului lichid. Pentru utilizarea în sistemele de stocare la scară largă și pentru transport, un astfel de conținut masic scăzut de hidrogen reprezintă un obstacol serios. Un conținut masic de hidrogen substanțial mai mare (până la 5% din greutate) poate fi obținut pentru sistemele reversibile de hidrură metalică la temperaturi ridicate. Cu toate acestea, funcționarea lor necesită surse de căldură cu potențial ridicat, ceea ce reduce eficiența economică a acestor sisteme de stocare.
În acest sens, cele mai importante sarcini în dezvoltarea de dispozitive eficiente pentru stocarea hidrogenului în stare legată în fază solidă sunt dezvoltarea de noi materiale absorbante (inclusiv compozite, catalitice și nanostructurate) cu cinetică de sorbție îmbunătățită și capacitate crescută de hidrogen.
Rezolvarea acestor probleme poate duce la o extindere radicală a utilizării practice a dispozitivelor de stocare care utilizează materiale care absorb hidrogenul în transportul auto și în ingineria energetică autonomă. Acest lucru este deosebit de important în scopul stocării în siguranță a hidrogenului la bordul vehiculelor care utilizează unități de alimentare cu pile de combustie.
Stocarea hidrogenului este posibilă în cantități limitate și în recipiente de tip cilindru la o presiune ridicată corespunzătoare. Utilizarea hidrogenului ca agent energetic ecologic pentru producerea de energie este posibilă atât în pilele de combustie (figura 4), cât și în centralele electrice care ard hidrogen (figura 5).
Pile de combustie
O celulă de combustibil (FC) este o sursă chimică de generare a curentului; analogul său cel mai simplu este o baterie electrică convențională. În interiorul pilei de combustie există doi electrozi între care se află o membrană și un catalizator.
În TE, hidrogenul se combină cu oxigenul pentru a produce electricitate; produsul final este apa, sursa de hidrogen, astfel încât procesul este regenerabil și ecologic. CHP este un proces în buclă deschisă (aproape izoterm), nu un ciclu, iar limitările eficienței ciclului nu se aplică. Teoretic, toată energia chimică a combustibilului poate fi convertită în energie electrică în cogenerare.
Randamentul teoretic al pilelor de combustie hidrogen-oxigen, calculat ca raport între energia electrică produsă și căldura de reacție, este apropiat de unu. Pilele de combustie au fost utilizate cu succes de mult timp la bordul navelor spațiale, producând electricitate și apă pentru astronauți. O centrală electrică TE de 4,5 MW funcționează cu succes în Japonia din 1984.
Dificultatea în realizarea FE constă în necesitatea de a realiza reacția combustibilului cu oxidantul prin mijloace electrochimice, pentru care ambele componente ale reacției trebuie mai întâi transformate în ioni. În TE, ionizarea combustibilului și a oxidantului se realizează la temperaturi moderate prin utilizarea unor catalizatori activi, inclusiv metale din grupul platinei. Există mai multe tipuri de TE, care diferă în funcție de electrolit și de prezența reacțiilor intermediare:
- ET cu electrolit alcalin (ET alcalină);
- TE cu acid fosforic (PTA);
- TE cu membrane polimerice solide (SPME);
- TE cu carbonat topit (RCTE);
- TE cu electrolit de oxid solid (SOE).
Combustibilul pentru aceste pile de combustie este hidrogenul, iar oxidantul este oxigenul sau aerul. Principiul de funcționare al pilelor de combustie este cel mai ușor de ilustrat prin exemplul ShchTE, care a fost primul tip de pile de combustie utilizat ca sursă de energie pentru nave spațiale. La anodul unei astfel de TE, la care se furnizează hidrogen molecular gazos, are loc disocierea și ionizarea acestuia:
Soluția alcalină KOH cu o concentrație de 30-50% (în greutate) este utilizată de obicei ca electrolit. SHTE funcționează la o temperatură de 100-250 ◦C. Ionii de hidrogen formați ca urmare a diferenței de potențial dintre anod și catod difuzează prin stratul de electrolit către catod. Electronii formați la anod, atunci când circuitul electric extern este închis, circulă spre catod, efectuând lucru util. La catod are loc reacția
adică apa (vapori de apă) este singurul produs în funcționarea electrodului ecranat.
În TE, electrozii și electrolitul nu participă la reacție, dar în construcțiile reale acestea se contaminează cu impurități de combustibil în timp. Diferența dintre TE și galvanică este că acestea utilizează electrozi neconsumabili care pot funcționa pe perioade lungi de timp.
Eficiența unui TE real depinde în mare măsură de proprietățile catalitice ale electrozilor care asigură ionizarea reactanților. Nichelul, argintul, metalele din grupul platinei etc. sunt utilizate ca catalizatori pentru TEH.
Pentru ingineria energiei de transport, cel mai interesant este TPTE, în care o membrană polimerică solidă subțire servește drept conductor de ioni de hidrogen. Temperatura de funcționare a TPTE este semnificativ mai scăzută decât pentru alte TE și este de 60-80 ◦ C. Una dintre problemele pentru TPTE este organizarea eliminării apei, care se formează în timpul reacției hidrogenului cu oxigenul.
Dezvoltarea TPTE a fost inițiată de General Electric la sfârșitul anilor 1950, iar una dintre principalele probleme a fost crearea unui electrolit rezistent chimic, cu rezistivitate scăzută și rezistență mecanică ridicată. Membranele conductoare de protoni sunt polimeri cu grupări ionogene (care se disociază în ioni) care formează membrane de schimb ionic solubile în apă datorită reticulării spațiale a lanțurilor polimerice. În contact cu apa, membrana se umflă și are loc disocierea grupărilor ionogene, rezultând că ionii de hidrogen se pot deplasa între grupările acide fixate în polimer, în special sulfogrupurile.
Deși membrana electrolitică solid-polimerică este subțire (aproximativ 120 μm), aceasta are o permeabilitate redusă la gaze și reduce probabilitatea amestecului de reactivi explozivi. Metalele din grupul platinei sunt utilizate ca electrocatalizatori în astfel de unități. Deoarece electrolitul solid-polimer și catalizatorii nu interacționează cu CO, aerul atmosferic poate fi utilizat ca agent oxidant.
Pilele de combustie pot fi de diferite dimensiuni: cele mici, de jumătate din dimensiunea unui aparat de aer condiționat, pot acoperi toate nevoile de electricitate ale unui apartament sau ale unei case, iar cele mari pot furniza energie consumatorilor mari. În funcție de tipul pilei de combustie, randamentul acesteia poate varia de la 40 la 85%. Pe lângă electricitate, aceste elemente produc și căldură, care poate încălzi apa, poate încălzi încăperile și poate fi folosită pentru uscare.
La nivelul capacității centralei electrice de peste 1-10 MW, eficiența termodinamică a unităților de ardere a hidrogenului din turbina cu abur și din ciclul combinat este apropiată de cea a pilelor de combustie, iar puterea lor specifică o depășește pe cea a pilelor de combustie, ceea ce conduce la investiții specifice de capital mai mici. În acest sens, eficiența economică preconizată a unităților de combustie a hidrogenului de diferite tipuri va fi determinată în mare măsură de nivelul capacității acestora. La capacități relativ mici (până la 0,1-1,0 MW), pilele de combustie pot fi mai eficiente pentru consumatorii autonomi, la capacități mai mari — cele alimentate cu hidrogen: turbină cu abur, turbină cu gaz și ciclu combinat, precum și generatoarele diesel cu hidrogen.
