Gorivne ćelije

Ubrzano privođenje naftnih rezervi kraju s jedne strane, i sve veća glad za energijom za prenosne elektronske uređaje s druge, dovode do potrebe da se tradicionalno gorivo i baterije zamene nečim efikasnijim i čistijim

Ako naš novi izvor energije ne zagađuje „staklenu baštu” u kojoj živimo, onda su svi problemi koji muče savremeno čovečanstvo rešeni. Bilo da govorimo o automobilima ili prenosnim elektronskim uređajima budućnosti, sastavni deo priče gotovo po pravilu postaju gorivne ćelije, kao izvor energije koji bi trebalo da pokreće naprave o kojima govorimo. Naravno, najčešće se znanje učesnika u razgovoru svodi na to da su gorivne ćelije nešto što od vodonika i kiseonika u burnoj reakciji stvara vodu, uz oslobađanje savršeno čiste energije. Nasuprot ovom ustaljenom mišljenju, gorivne ćelije su mnogo složeniji sistemi, koji osim čistog vodonika troše razne druge vrste goriva, zadajući usput naučnicima čitav niz glavobolja na temu kontrolisanja reakcije u svrhu dobijanja jeftine električne energije.

Kako rade

Opšti princip rada gorivnih ćelija je jednostavan (već smo ga pominjali, ali da utvrdimo): sistem se sastoji od dve elektrode koje formiraju sendvič oko elektrolita. Pri tom se do anode dovodi gorivo koje sadrži vodonik, dok se na katodu dovodi vazduh ili čist kiseonik. Pod uticajem anode koja igra i ulogu katalizatora, atomi vodonika cepaju se na protone i elektrone, koji se različitim putanjama kreću do katode. Protoni putuju ka katodi kroz elektrolit, dok se elektroni usmeravaju u poseban tok, čijim se iskorišćavanjem dobija električna energija. Na strani katode, elektroni i protoni se ujedinjuju i spajaju sa atomima kiseonika, formirajući vodu kao nusprodukt ove reakcije. Dakle, do ove tačke smo saznali tačno na koji način dolazi do kreiranja električne energije u gorivnim ćelijama, uz potvrdu prethodnog znanja da u reakciji učestvuju vodonik i kiseonik i kao krajnji proizvod daju vodu. Međutim, ono što tek treba da saznamo jesu ograničenja ovakvog sistema u realnosti.

Kao i uvek kada su u pitanju nove tehnologije, troškovi proizvodnje obično su prvi faktor koji sprečava masovnu proizvodnju i usvajanje neke tehnologije. Kod gorivnih ćelija najskuplji deo je platina, koja se koristi kao katalizator na strani anode, dok su cene elektrolita znatno manje. Drugi veliki izazov za inženjere je održavanje vlažnosti membrane (PEM – Proton Exchange Membrane), koja ne sme biti previše vlažna kako ne bi sprečila prolazak protona ka katodi, ali ni previše suva kako ne bi pukla i dovela do direktne reakcije vodonika i kiseonika, što bi uništilo gorivnu ćeliju. Takođe, visoke temperature koje se javljaju prilikom spajanja vodonika i kiseonika moraju se kontrolisati, što je još jedan faktor koji usložnjava izradu klasičnih PEM gorivnih ćelija. Vodonik, koji je osnovno gorivo, u prirodi se gotovo nikad ne javlja samostalno, već u vidu jedinjenja, pa ga za korišćenje na prethodno opisani način treba prvo izdvojiti, što zahteva dodatnu energiju, ali i uskladištiti, što je problem za sebe. Naime, da bi se koristio u automobilima, vodonik se za postizanje uobičajene autonomije od 400 do 500 kilometara mora skladištiti u specijalnim rezervoarima pod pritiskom od nekoliko stotina atmosfera.

Ne potpuno ekološke

Još jedna od zabluda u vezi sa gorivnim ćelijama jeste da one osim vode nemaju nusprodukata, što je za najperspektivnije vrste gorivnih ćelija danas potpuno netačno. Naime, vodonik se teško može naći u čistom obliku u prirodi, a komprimovanje izdvojenog vodonika je tehnološki veoma zahtevno. Zato se kao gorivo često koriste ugljovodonična jedinjenja koja u sebi imaju mnogo vezanog vodonika, koji se iz jedinjenja izdvaja hemijskom reakcijom u gorivnoj ćeliji. Među popularne ugljovodonike spada metanol (CH₃OH), koji se koristi u popularnim DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), ali se za gorivne ćelije isto tako koristi i dizel gorivo i prirodni gas. U svakom slučaju, kada se kao gorivo kod gorivnih ćelija koriste ugljovodonična jedinjenja, pored vode se kao nusprodukt javljaju ugljen-monoksid ili ugljen-dioksid, doduše u količinama znatno manjim nego kod konvencionalnih izvora energije koji koriste fosilna goriva. Iako prevladava pogrešno mišljenje da su gorivne ćelije nešto što tek treba da se pojavi u budućnosti, u svetu se one već primenjuju na različite načine, zasad ponajviše u ulozi statičnih električnih generatora velikih snaga, gde prednjači tip PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell). Ovaj tip kao elektrolit koristi fosfornu kiselinu u tečnom stanju, postižući stepen iskorišćenja i do 85%, kada se iskoristi i toplota koju ovi generatori proizvode.

Kanisterčići

Kada su u pitanju prenosni uređaji, tip gorivnih ćelija za koje možemo očekivati da će biti u široj primeni u bliskoj budućnosti je DMFC, dakle ćelije koje kao gorivo koriste metanol. Na sajmu „Mobile World Congress” u Barseloni, Toshiba je prikazala prototip telefona koji se napaja gorivnim ćelijama. Takođe, japanski NEC će tokom ove godine predstaviti svoj mobilni telefon baziran na DMFC-u, ali kompanija nije otkrila više detalja, osim slike (na prethodnoj stranici) delimično providnih gorivnih ćelija ispunjenih metanolom koje podsećaju na upaljače ili pljoske (pljosnate džepne posude za žestoka pića, a tako ih je NEC i nazvao – Flask). Kompanija MTI Micro, jedan od lidera u tehnologiji DMFC-ova, takođe je demonstrirala svoje gorivne ćelije, za koje tvrdi da mogu da napajaju mobilne uređaje dvostruko duže od klasičnih baterija istih dimenzija.

Ono što se predstavlja kao mana DMFC-ova jeste činjenica da je metanol zapaljiv i otrovan, što mu sigurno neće pomoći da stekne naklonost korisnika koji bi, na primer, mobilne telefone napajane metanolom trebalo da drže uz svoje uho. Ove osobine takođe izazivaju polemike vezane za avio-saobraćaj: može li se nešto toliko zapaljivo nesmetano unositi u avion? Na opšte iznenađenje, vodeće svetske države ubrzano donose zakone kojima se ovo pitanje reguliše, i to upravo u korist gorivnih ćelija koje sadrže metanol.

Međutim, da entuzijazam po pitanju gorivnih ćelija ne dele svi vodeći proizvođači mobilnih uređaja, govori nam primer finske Nokije. Naime, ova kompanija, koja je 2004. godine tvrdila da će za nekoliko godina DMFC tehnologija biti zrela za masovnu proizvodnju, ovih dana odlučila je da odustane od gorivnih ćelija na neko vreme, tvrdeći da „tehnologija još nije sazrela”, ali da će Nokija i dalje pomno pratiti šta se dešava na ovom području.

Idealno rešenje

Ono što je svakako ideal po pitanju gorivnih ćelija jeste RFC (Regenerative Fuel Cell – regenerišuća gorivna ćelija). Radi se o potpuno zatvorenom sistemu: električna energija kreirana na solarnom panelu koristi se za elektrolizu vode, od koje se dobijaju vodonik i kiseonik, koji se smeštaju u zasebne rezervoare pod pritiskom. Kada sunčeva energija nije na raspolaganju, vodonik i kiseonik pokreću gorivnu ćeliju, koja stvara električnu energiju, a kao nusprodukt ponovo nastaje voda, koja se posebnim pumpama odvodi nazad u deo za elektrolizu. Na ovaj način dobijamo samoodrživi sistemkoji sa okolinom ne razmenjuje čak ni vodu – jedino što se emituje u okolinu jeste višak toplote. Ovakvi sistemi trenutno su preskupi za širu primenu, ali je koncept odavno dokazan i prihvaćen, i trenutno se koristi samo u svemirskim misijama, gde cena ne igra preterano veliku ulogu.

• • •

Iz svega dosad viđenog, očigledno je da u čitavoj priči postoji samo jedan problem: skladištenje goriva, u idealnom slučaju čistog vodonika. Rešenje ovog problema ne samo da bi omogućilo znatno bolje performanse napajanja prenosnih uređaja, već bi dalo vetar u leđa mnogim alternativnim izvorima energije, koji za razliku od konvencionalnih ne mogu u svakom trenutku dok ima goriva da proizvode energiju. Razlika između sadašnjosti i budućnosti je u tome što u sadašnjosti koristimo ograničene količine raspoloživih goriva za generisanje energije, dok ćemo u budućnosti energiju dobijati iz obnovljivih prirodnih izvora, a od njenog viška proizvodićemo – gorivo.

Dejan STEFANOVIĆ