Aplicatii ale pilelor de combustie

Aplicatii ale pilelor de combustie

Din 1839 pana in anii de debut ai deceniului al saselea al secolului nostru, importanta pilor de combustie in conversia electrochimica a energiei, n-a fost inteleasa in valoare reala.In deceniul urmator, se inregistreaza validarea pilelor de combustie in explorarea spatiului cosmic prin programele Gemini si Apollo.Criza energiei din toamna anului 1973 a resuscitat interesul pentru pilele de combustie, deoarece ele ofereau o cale de productie a energiei electrice independenta de combustiblii fosili sau o varianta de valorificare superiaora a acestora.

Avantajele pilelor de combustie reunesc cele ale conversiei electrochimice a energiei, alaturi de altele, specifice, cum ar fi adaptabilitatea la un domeniu termic foarte larg, o flexibilitate in amplasare, deoarece se realizeaza in diverse geometrii si posibilitatea utilizarii unui numar mare de combustibili ce se preteaza la oxidare electrochimica.

Clasificarea pilelor de combustie are la baza modul, direct si indirect de utilizare a combustibilului, precum si posibilitatea regenerarii, iar utilizarea lor se decide pe baza unor criterii de eficienta, densitate de putere, anduranta, pret de cost si fiabilitate.

Aplicatii terestre

Avand in vedere costul ridicat al centralelor generatoare de energie electrica, necesitarea crescanda a energiei si aspectele legate de protectia mediului ambiant, atentia acordata pilelor de combustie si a instalatiilor de putere bazate pe ele, se justifica prin versatilitatea lor, care deriva din flexibilitatea fizica, operativa si a combustibilului, randament de conversie superior si efecte poluante minime sau nule.

Flexibilitatea fizica rezida in natura modulara a subansamblurilor care intra in alcatuirea unei centrale de putere constituita dintr-o baterie de pile de combustie; daca se reduce la hidrocarburi, centrala este alcatuita din 3 subansambluri.Standardizarea subansamblurilor permite construirea lor in uzine si transportarea la locul unde situata centrala.

Construirea centralelor, la diverse niveluri de putere, permite apropierea lor de consumator,evitandu-se pierderile de putere (8-10%) si cheltuielile generate de transportul si distribuirea curentului electric, fara a lua in considerare si recuperarea caldurii disipate de REMA practic risipata in centralele mari si departate de consumatori.

Centralele cu pile de combustie depasesc in eficienta toate centralele bazate pe filiere conventionale si se caracterizeaza prin raspuns prompt.

Sistemele de reformare functioneaza cu un numar mare de hidrocarburi (distilate usoare, gaz metan) metanol, precum si gaze cu puteri calorice mici, medii sau mari.

Spre deosebire de centralele termo- si nuclearelectrice, consumatoare de mari cantitati de apa si generatoare de poluare chimica, termica si sonora, centrala pe baza de pile de combustie este silentioasa, elimina putina caldura care este usor de preluat si efluentii poluanti sunt in concentratii nesemnificative.

Analizele efectuate pe baze economice si aprovizionare, lasa sa se intrevada ca pentru generarea in retea, cea mai potrivita putere instalata s-ar apropia de 30MW, iar altele, mici, avand puterea de ~40kW ar prelua suprasarcinile de foarte scurta durata ale consumatoarelor.Valoarea centralelor se poate aprecia pe baza a 3 parametrii esentiali: randamentul global, randamentul centralei si randamentul termodinamic.

O cantitate apreciabila de caldura poate fi valorificata in pilele de combustie ale unei centrale.Ea este proportionala cu energia electrica produsa, invers proportionala cu randamentul de conversie si nu are efect asupra acestuia din urma, avand in vedere filiera electrochimica a conversiei.

Centralele de mica putere se recomanda pentru apartamente si cladiri industriale.Conversia gazului natural in electricitate cu ~40%, permite recuperarea unei mari cantitati de caldura pentru incalzirea apei menajere si incalzirea spatiilor de locuit.Satisfacerea unor cereri suplimentare de energie termica se realizeaza prin generarea suplimentara de energie electrica, consumata in rezistente de incalzire, pompe de caldura sau frigidere cu compresor.Consumul de combustibil este fixat de randamentul conversiei electrochimice, performanta pompei de caldura, caldura recuperabila si de raportul dintre energiile termica si electrica solicitate de consumator.Coeficientul de performanta al pompelor de caldura este de 2,5 iar raportul dintre energia termica si cea electrica variaza astfel:

- 0,5-4 pentru cladiri administrative

- 0,5-8 pentru hoteluri

- 3-11 pentru locuinte

Tendinta actula este de-a consuma in pilele de combustie: titei, metanol, petrol si hidrogen; acesta din urma se obtine prin reformarea gazului natural sau al pacurii.Energia termica necesara pentru reformare (proces endoterm) poate fi generata de caldura recuperata in centralele de pile de combustie calde (electrolit carbonati topiti) sau fierbinti (electroliti ceramici).Nu trebuie ignorat nici carbunele, in calitate de combustibil oxidat in pile de combustie cu electrolit solid.Caldura se poate recupera de la aceste centrale se poate utiliza in reactia apa-gaz din procesul de gazeificare a carbunilor, rentabilizandu-l.

Viata acestor pile de combustie se evalueaza la ~36 luni si exista si bune perspective pentru scaderea incarcarii electrozilor sau pentru substituirea metalelor nobile cu materiale comune.

O centrala de pile de combustie avand ca electrolit o solutie concentrata de acid fosforic, in prima generatie, este o unitate complexa.Complexitatea ei provine de pe urma exploatarii in conditii optime a combustibilului, prelucrat prin reformare si purificare; se disting 3 compartimente esentiale si anume: subsistemul de prelucrare a combustibilului si a aerului, bateria de pile de combustie si compartimentul de prelucrare a energiei termice, in care se recupereaza caldura degajata in intreg sistemul.In ceea ce priveste combustibilul, el este comptimat si este amestecat cu gazul bogat in hidrogen degajat de procesul combustibilului, dupa care se purifica si impreuna cu aburul general de compartimentul de prelucrarea a caldurii se introduce in reformator.Din acesta rezulta cu amestec de H2, CO, CO2 si vapori de apa, iar ulterioara conversie a CO + vapori de apa in CO2 + H2 conduce la combustibilul alimentat in spatiile anodice ale pilelor de combustie.Fluxul efluent se vaporifica prin condensarea apei necesare pentru racire si generare de abur si prin combustia hidrogenului diluat in arzatorul reformatorului, pentru a furniza caldura necesara reactiei de reformare.

Spre deosebire de pila de combustie cu electrolit acid (fosforic), pila cu electrolit alcalin prezinta performante mai bune gratie unei supratensiuni mai mici si este mai avantajoasa economic.

Pilele cu electrolit topit utilizeaza un amestec de carbonati alcalini mentinuti in stare topita intr-o matrice ceramica si sunt echipate cu electrozi porosi de nichel.

Gratie regimului termic si naturii electrolitului, centrala nu necesita incorporarea reformatorului, deoarece reformarea are loc in interiorul pilei si functionarea anodului nu este sensibila la CO.Apa nu se indeparteaza decat la unul din electrozi (anod) si exista o rezerva importanta de caldura recuperata, pentru generarea de abur destinat fie unei turbine, fie altui scop.Randamentele mari pot micsora mult costul acestui tip de centrale.

Pilele de combustie fierbinti au ca electrolit mase ceramice pe baza de zircone dopate, in care conductia ionica este asigurata de defectele anionice de retea.Ele se alimenteaza, in principal, cu H2 si O2, iar temperatura ridicata elimina problemele puse de prezenta lichidelor si a mentinerii echilibrului trifazic solid/lichid/gaz.Suprapotentialele de activitate sunt mici.Imbunatatirea eficientei este asigurata prin integrarea in centrala a unui sistemde procesare a combustibilului si temperatura de functionare ridicata permite recuperarea unor cantitati apreciabile de caldura si utilizarea acestora in diverse scopuri ale centralei.Daca se utilizeaza carbune drept combustibil, caldura recuperata poate fi utilizata pentru gazeificarea carbunilor, in scopul obtinerii de combustibil gazos pentru pila de combustie.Se preconizeaza randamente globale de peste 60%.Utilizarea carbunilor este preferata gazului natural, a metanolului sau a titeiului.

Tot in cadrul aplicatiilor terestre trebuie mentionata si utilizarea pilelor de combustie la tractiunea electrica.

Aplicatii spatiale

Gratie densitatii de putere masice mari a pilei H-O, derivata din capacitatile masice mari ale hidrogenului si oxigenului, aceasta a cunoscut o larga utilizare in exploatarea spatiului cosmic.Puterea pilei de combustie variaza de la ordinul catorva wati la ordinul sutelor de kW.

Programele Gemeni, Apollo, Skylab si Apollo-Soiuz au beneficiat de serviciile pilelor de combustie H-O.Unitati de zeci si sute de kW au fost realizate la NASA pentru navetele spatiale, biosateliti si alti sateliti de mare altitudine.De asemenea, s-au dezvoltat pilele de combustie cu electrolit polimer solid, pentru generarea oxigenului (prin functionarea reversibila) necesar in navele spatiale (si submarine).

Primele aplicatii ale pilelor de combustie au fost in domeniul spatial. Obiectivele avute in vedere in realizarea pilelor de combustie hidrogen-oxigen (H-O) utilizate la navele spatiale au fost acelea de a crea surse de energie usoare si independente, cu destinatii multiple: comanda si control, comunicatii, radar, luarea si transmiterea de imagini, alimentarea vehiculelor folosite la explotarea suprafetelor altor planete sau a satelitilor naturali. Aceste pile de combustie trebuiau sa indeplineasca anumite conditii cum ar fi:

fiabilitate si mentenanta foarte ridicata, posibi1itatile de reparare fiind foarte limitate;

energii si puteri specifice mari, fiind cunoscut faptul ca lansarea in spatiul cosmic a unei mase de un kilogram costa de la cateva mii la zece mii de dolari (in anul 1989);

rezistenta mare la cnnditiile speciale din spatiul cosmic, conditii legate de imponderabilitate, precum si la cele existente pe suprafetele extraterestre: fluctuatii mari de temperatura si presiune, meteoriti, radiatii, absenta atmosferei.

Programele spatiale americane Gemini si Apollo au folosit sisteme de pile de combustie H-O cu puterea de 2kW pentru alimentarea cu energie electrica a capsulelor spatiale. Totodata, s-a rezolvat si problema alimentarii cu apa a echipajului navelor in spatiul extraterestru.

Pentru capsula Gemini, s-a utilizat pila H-O cu electrozi de titan acoperiti cu catalizator de platina, cu electrolit care consta dintr-o membrana de polistiren schimbatoare de ioni (acid polistrosulfonic drept cationit, respectiv rasini cu anioni de sulfonat, drept anionit). Hidrogenul si oxigenul au fost stocate la presiuni mari si temperaturi mici. Puterea totala obtinuta era de de 2 kW si se furnizeaza si 0,56 l de apa/kWh.

La capsulele Apollo s-a folosit pila H-O alcalina (Bacon) presurizata, realizata de Pratt & Whitney. Pila lucreaza la ternperatura do 250C, are electrozi cu strat dublu poros (nichel pentru anod si nichel acoperit cu oxizi de Ni si Li pentru catod) si electrolit alcalin (KOH); atinge 300 mA/cm2 la U=0,9 V, la o concentratie de 90% a electrolitului. Alte pile de combustie folosite la misiunile Apollo au electrozii confectionati din platina spongioasa neagra, material cu o mare putere catalitica. Intr-un volum redus se pot realiza mari densitati de curent, iar greutatea totala a sistemului de propulsie - motor electric plus pila de combustie este de 39 kg fata de 96,450 kg in cazul sistemulul cu celule solare, si de 145 kg la sistemul cu motor cu gaze, cu ciclu diesel. Si programele spatiale Skylab si Apollo-Soiuz au beneficiat de serviciile pilelor de combustie H-O.

Larga utilizare a pilelor de combustie in explorarea spatiului cosmic este determinata de energia specifica mare a pilei H-O, rezultata din capacitatile electrochimice mari ale hidrogenului si oxigenului.

Pentru misiuni spatiale indelungate este preferabila cuplarea pilelor de combustie cu instalatii de regenerare a combustibilului si oxidantului, cu ajutorul energiei solare sau nucleare. Cele mai avantajoase metode de regenerare sunt: electroliza sl disocierea termica.

Cercetarile si realizarile din domeniul pilelor de combustie pentru navele spatiale au avut si au in continuare un rol important la impulsionarea dezvoltarii acestor surse electrochimice de energie cu aplicatii si in alte domenii.

Dupa aplicatiile spatiale, au urmat aplicatiile industriale, cea mai renumita pila de combustie fiind in acest sens PC25 a firmei UTC (United Technology Corporation), ce furnizeaza 200 kW de energie electrica mono sau trifazata, cu un randament electric de 40% si unul termic de 50%. Aceasta instalatie se poate alimenta atat cu gaze naturale cat si cu biogaz si a fost instalata deja in peste 250 de locatii din intreaga lume.

Siemens si-a anuntat preocuparile pentru dezvoltarea acestui segment de aplicatii ale pilelor de combustie, orientandu-se in special catre realizarea unor echipamente combinate SOFC-turbina cu gaz. Aceste instalatii electroenergetice pot fi dezvoltate pentru aplicatii de diverse puteri, rezultatele cele mai bune fiind obtinute pentru puteri de iesire de peste 300 MW, unde s-au obtinut eficiente de peste 70%. Specialistii de la Siemens considera ca aceasta combinatie constituie una dintre solutiile foarte eficiente ale energeticii distribuite a viitorului.

Sistemele rezidentiale de alimentare cu electricitate si caldura pot fi si ele revolutionate de tehnologia pilelor de combustie. In plus, acestea pot furniza locuintelor energie electrica de foarte buna calitate la preturi comparabile cu cel e de productie dintr-o centrala termica sau nucleara. Energia termica reziduala poate fi folosita direct pentru incalzirea cladirilor, fiind disponibila sub forma de aburi sau apa fierbinte. Extinderea utilizarii pilelor de combustie pe piata echipamentelor rezidentiale, poate determina construirea lor in serie mare, si implicit scaderea pretului acestor echipamente.

Firma germana MTU CFC a dezvoltat, inca din 1997, impreuna cu firma din SUA "Fuel Cell Energy", o centrala medie "Hot Module" cu un volum de 9x2,5x3 m3 si o greutate de 15 tone care produce 225 kW electrici si 120 kW echivalenti termici (abur si apa calda).

Firma europeana Vaillant - lider in tehnica incalzirii - impreuna cu firma americana Plug Power (specializata in productia de pile de combustie) a obtinut inca din 2001 certificarea construirii de centrale de incalzire bazate pe pile de combustie. Minicentrala termica de dimensiunile unui frigider produce 4 kW electrici si 9 kW echivalenti de energie termica.

In domeniul aplicatiilor mobile, sunt de luat in seama rezultatele firmelor General Motors, Daimler-Benz, Mercedes, Mitsubishi si Toyota ce au au expus deja prototipuri de vehicule antrenate cu pile de combustie la expozitiile internationale de profil. General Motors, de exemplu, a anuntat deja trecerea la productia de serie a doua noi modele de automobile bazate pe motoare electrice si alimentate cu pile de combustie. Este vorba despre Chevrolet Sequel si Chevrolet Equinox, care, spune producatorul, vor arata ca automobilul poate iesi de sub vesnica povara a problemelor de mediu si isi va reduce dependenta fata de petrol. Pentru anul 2007 s-a anuntat deja scoaterea pe piata a unei flote de 100 de automobile Equinox, iar armata Statelor Unite si-a aratat deja interesul pentru ele, achizitionand primele exemplare.

In Europa, Mercedes a anuntat ca a cheltuit peste 20 milioane euro pentru filiera hidrogen, inregistrand nu mai putin de 200 de brevete pe aceasta tema.

O idee ce prinde din ce in ce mai mult contur in ultima perioada este interconectarea automobilului in retea cu locuinta, sau chiar cu sistemul energetic de distributie a energiei electrice. Pornind de la constatarea ca un automobil dotat cu pile de combustie este parcat peste 90% din timp, s-a pus problema utilizarii energiei generate de "centrala mobila" a acestuia, cu o putere de 30- 40 kW, in scopuri casnice sau comerciale. Acestea ar acoperi rapid mai mult de jumatate din investitia initiala in achizitionarea autoturismului.

Pilele de combustie nu s-au lasat prea mult asteptata prezenta nici in domeniul dispozitivelor portabile. Companii de renume mondial, precum Toshiba, Samsung, MTI etc., si-au anuntat deja diferite rezultate in domeniul aplicatiilor portabile ale pilelor de combustie, pentru alimentarea telefoanelor mobile sau a laptop-urilor.

Toshiba a prezentat in acest an, la diferite targuri internationale un laptop alimentat cu metanol. Pila DMFC lansata de Toshiba este mult imbunatatita fata de cele anterioare, intrucat genereaza de cinci ori mai multa energie decat un acumulator normal litiu-ion. Metanolul ofera cea mai buna eficienta atunci cand este mixat cu apa intr-o proportie de trei pana la sase la suta concentratie de metanol. Din pacate, in conditiile folosirii unei asemenea concentratii, rezervorul ar avea dimensiuni prea mari pentru un echipament mobil. Pentru a rezolva aceasta problema, Toshiba a introdus metanol in concentratie mai mare, el fiind diluat cu apa produsa in timpul procesului de generare de electricitate. Astfel, metanolul poate fi stocat la o concentratie mult mai mare, iar dimensiunile rezervorului scad pana la o zecime din versiunea cu o concentratie intre 3-6 %.

3 Aplicatii speciale

O serie de pile de combustie au fost exprimate in diverse aplicatii speciale (militare,submarine).Astfel, hidrazina aer s-a utilizat la incarcarea acumulatoarelor ce alimenteaza statii mobile de telecomunicatii; iar pilele amoniac-aer si hidrogen-oxigen, cu electrolit acid, s-au dovedit bune surse de lunga durata pentru alimentarea unor relee de telecomunicatie si in diverse sisteme de semnalizare dinspre tarm spre mare; in scopuri de exploatare submarina la mari adancimi s-au construit unitati de pile de combustie H2-O2 avand puterea de 20kW.Ele constituie surse adecvate pentru consumatori izolati de mica putere, cum ar fi balizele; in acest scop au fost realizate unitati de 1,8 si 44 kWh, capabile de functionare neintrerupta 3 si respectiv 12 luni.Uneori aceste unitati sunt culpate cu pile secundare, in aplicatii care necesita generarea in perioade scurte, a unor pulsuri de curent de mare intensitate.

4 Aplicatii in Transporturile Auto si Aeriene Energia este sursa vitalitatii civilizatiei industriale si o conditie absolut necesara pentru a salva lumea de saracie. Metodele actuale de generare a energiei civilizatiei industriale submineaza conditiile de mediu la nivel local, regional si global si se bazeaza, in principal, pe prelucrarea de resurse fosile. In prezent apar zorii unei noi revolutii a surselor de energie. Este vorba de utilizarea hidrogenului in locul folosirii petrolului si a derivatelor acestuia. Miza este mondiala. Lupta impotriva efectului de sera impune gasirea unei solutionari ecologice a producerii energiei.

Metoda relativ noua de producere a energiei electrice se bazeaza pe convertirea, in pile de combustie, a energiei termice si a energiei chimice a anumitor substante in energie electrica. intrucat pilele de combustie convertesc combustieul direct in energie electrica de doua-trei ori mai eficient decat o poate face conversia termodinamica, pila de combustie constituie, prin definitie, o tehnologie foarte eficienta, fiind o sursa potentiala energetica de mare perspectiva, nezgomotoasa, nepoluanta si compatibila cu politica de resurse energetice regenerabile, fiabila si durabila in timp (nu are piese in miscare).

Hidrogenul este cheia obtinerii in viitor a unei energii avand cel mai inalt continut energetic pe unitatea de greutate dintre toti combustibilii cunoscuti. Cand este ars intr-un motor, hidrogenul produce zero emisiuni; cand este sursa de putere intr-o celula de combustie, singurul reziduu este apa curata la 250-3000C. Combinata cu alte tehnologii, ca de exemplu captarea si stocarea carbonului, energii regenerabile, energia de fuziune, este posibil ca celula de combustie sa genereze in viitor energii fara emisiuni nocive. Hidrogenul este singurul purtator de energie care face posibila antrenarea unui aparat de zbor folosind energia solara.

La inceputul secolului al XXI-lea se presupune ca pilele de combustie vor deveni o tehnologie penetranta: hidrogenul, in calitate de carburant, este din ce in ce mai mult considerat ca reprezentand "solutia", atat de constructorii de automobile, de ecologisti, cat si de guverne, care nu doresc sa impuna masuri impopulare destinate limitarii circulatiei auto. Utilizarea hidrogenului se va extinde de la alimentarea telefoanelor mobile pana la centrale electrice de putere.

Implementarea "economiei hidrogenului" va determina transformari care nu au mai fost vazute din secolul al XIX-lea si de la inceputul secolului al XX-lea, cand lumea a trecut prin experienta ultimei revolutii energetice. Oamenii au trecut atunci de la lumina lumanarii sau a opaitului la lumina data de gaz sau de electricitate, de la incalzirea sau gatitul prin arderea combustibilului in masini de gatit cu foc deschis, ineficiente, la sobe si masini de gatit cu gaze sau electrice, de la deplasarea si transportul marfurilor cu pasul sau cu calul la folosirea mijloacelor rapide de deplasare: tren, vapor cu aburi, autovehicul, avion. Viata s-a imbunatatit, activitatea cotidiana a devenit mai sigura, schimbul de marfuri si procesele de fabricatie au inflorit, aproape orice aspect al vietii a devenit mai bun.

Problema trecerii la un sistem energetic bazat pe hidrogen este o problema de mare tehnicitate a carei solutionare face apel la discipline multiple care acopera mai multe domenii, nu numai ale stiintelor ingineresti, ci si ale stiintelor sociale. Implicatiile secundare pe care economia hidrogenului le-ar putea avea pe termen lung asupra societatii industriale, economiei si chiar a intregii societati sunt inca imprevizibile. Sociologii avertizeaza ca urmarile trecerii economiei la un sistem energetic bazat pe hidrogen ar fi comparabile cu cele generate de prima revolutie industriala. Ecologistii sustin insa ca nu exista alternativa la sistemul energetic bazat pe hidrogen deoarece rezervele exploatabile de petrol si gaze naturale, resurse absolut necesare ca materii prime nu numai in industria energetica ci si in petrochimie (cine s-ar putea lipsi azi de masele plastice) vor fi complet epuizate in mai putin de un secol.

Hidrogenul nu este o provocare numai pentru oamenii de stiinta, pentru lucratorii din industria hidrogenului sau pentru guverne. El este o provocare pentru economisti - probabil o noua categorie de economisti. Provocarea consta in evaluarea si comasarea beneficiilor multiple, extraordinar de valoroase, pentru a fi reflectate in pretul hidrogenului. "Aceasta ar fi esential pentru eficienta economica globala, pentru binele public si pentru politica industriala. Cand pretul hidrogenului ar avea valoarea reala, incluzand si ceea ce se numesc externalitati, intreaga putere a sistemului de piata va facilita aducerea rapida catre societate a beneficiilor hidrogenului extrem de necesare - chiar si in perioada in care omenirea ar mai dispune de suficient gaz pentru a-si sustine economia. Reglementarile europene, din ce in ce mai dure, in privinta nivelului de poluare admis au impus constructorilor de autovehicule necesitatea dezvoltarii de tehnologii noi sau de ameliorare a celor existente, in vederea realizarii de vehicule nepoluante.O solutie ce se intrevede este perfectionarea autovehiculului electric alimentat cu pile de combustie, care permite obtinerea de performante foarte bune in ceea ce priveste emisiile poluante, precum si a unui randament de functionare care este mai mare de 50% in comparatie cu motoarele cu ardere interna.

Multe firme constructoare de autovehicule au programe paralele de dezvoltare a autovehiculelor electrice, iar unele dintre acestea incearca utilizarea pilelor de combustie ca sursa de energie. Avand in vedere interesul constructorilor pentru acest tip de autovehicul, se intrevede speranta inceperii productiei de autovehicule electrice alimentate cu pile de combustie in anii 2009-2010. Alegerea combustibilului pentru acest tip de vehicul este o decizie importanta. Preferintele si acceptabilitatea clientilor vor juca un rol foarte important in aceasta alegere care depinde atat de performantele vehiculului cat si de facilitatea si supletea realimentarii.

Necesitatea crearii unei noi retele de distributie ar putea fi o frana in aceasta dezvoltare,deoarece se impun investitii importante in aceasta directie.

Problema combustibilului utilizat si a stocarii acestuia la bordul autovehiculului este extrem de importanta.Hidrogenul pare sa fie combustibilul viitorului si poate conferi pilei de combustie o functionare cu un randament foarte bun si fara emisii poluante. Dar necesitatea stocarii unei cantitati suficient de mari la bordul autovehiculului conduce la diminuarea volumului util al autovehiculului precum si a sarcinii acestuia.Pe de alta parte, el necesita o retea de pompe de alimentare care nu exista la ora actuala si care inseamna costuri de investitii foarte mari in viitor. Nu trebuie neglijate nici aspectele tehnice legate de puritatea acestuia si necesitatea purjarii in cazul stocarii prelungite.Metanolul, o alta solutie de combustibil pentru pila de combustie, pe langa toxicitatea sa ridicata are si un randament de utilizare mai mic.Utilizarea combustibililor conventionali pare sa fie o solutie tranzitorie si de compromis. Hidrocarburile, in speta benzina, pot fi transformate intr-un amestec de hidrogen, CO si CO2, prin vaporformaj catalitic sau oxidare partiala. Insa, in acest caz, apare ca indispensabila

o unitate de purificare a gazului. In prezent, celula de combustie cu hidrogen este folosita in mai multe domenii de aplicatie, dintre care vom aminti in continuare pe cele mai importante.

Intrucat celula de combustie converteste combustibilul direct in electricitate, ea este, prin definitie, o tehnologie pentru vehiculele hibrid-electrice. Se asteapta ca randamentul conversiei combustibil - energie sa fie de circa 50% in domeniul motoarelor pentru autovehicule. In mod curent, insa, celulele de combustie sunt foarte scumpe deoarece ele nu se realizeaza in productie de masa, iar infrastructura pentru realimentarea autovehiculelor cu hidrogen nu este inca larg raspandita.

Un autovehicul antrenat cu celule de combustie poate fie sa-si care propria rezerva de hidrogen intr-un tanc sub presiune, fie sa-si genereze hidrogenul pe masura necesitatii intr-un reactor chimic numit reformator.

Departamentul Energiei (DOE) din SUA, in colaborare cu firma Ford, a dezvoltat un sistem de antrenare a autovehiculelor bazat pe celule de combustie cu emisiuni zero. Scopul acestor activitati comune a fost de a experimenta in laborator un sistem complet de propulsie a unui autovehicul cu celule de combustie. In cadrul acestui proiect activitatea continua pentru a se evalua riscul utilizarii hidrogenului drept combustibil, siguranta in functionare a celulelor de combustie energetice si de a verifica integrarea generarii de energie cu sistemul de realimentare a autovehiculelor cu hidrogen. Primul sistem energetic cu pile de combustie din lume, de 50 kW, a fost construit in 1999 de catre International Fuel Cells, in cadrul colaborarii DOE cu firma Ford. Acest sistem furniza suficienta energie pentru a antrena un autovehicul de dimensiuni medii, cantarea circa 140 kg si avea un volum de 250 cm3 care permitea situarea lui sub capota vehiculului.

Motorul cu hidrogen este echipat cu baterii cu nichel-cadmiu care ofera cele mai bune performante in ceea ce priveste protectia mediului si capacitatea de stocare a energiei pe unitatea de volum. Bateria cu nichel-cadmiu este formata din trei celule separate bine protejate, iar vehiculul va putea sa continue sa functioneze daca una din cele trei celule se defecteaza. In schema electrica, bateria este situata intre pila de combustie, care converteste hidrogenul in energie electrica, si motoarele electrice de antrenare amplasate in cele patru roti. O caracteristica constructiva a autovehiculului antrenat cu motor cu hidrogen este integrarea celulei de combustie cu tehnologia de electronizare sistemica a functionarii autovehiculului si motorului, care va inlocui sistemele anterioare predominant mecanice de control al directiei, franare, accelerare, securizare a deplasarii etc. Aceasta inlocuire va elibera spatiul in compartimentul motor si al transmisiilor deoarece sistemele electronice sunt mult mai compacte decat cele mecanice. Performantele sistemelor electronice pot fi programate prin software. Aditional, in absenta sistemelor de transmisie conventionale a energiei de la motor la roti, structura sasiului poate fi modificata, proiectantii de caroserii putand crea forme aerodinamice care sa difere esential de cele conventionale, satisfacand astfel cerintele consumatorilor.

General Motors, identificand aceste noi oportunitati, a expus in septembrie 2002, la Expozitia Auto de la Paris, o masina care reprezinta noul concept numit Autonomy. Un autovehicul de tip Autonomy, dezvoltat pe deplin si cu tehnologia de comanda electronizata integrata, este un vehicul construit incepand de la roti in sus. Sasiul este o placa subtire pe care sunt dispuse bateria de pile de combustie, tancurile de hidrogen, unitatea centrala pentru control electronic, schimbatoarele de caldura, timoneria directiei, sistemul de franare.

In ianuarie 2003, Rick Wagoner, presedinte al primului constructor mondial de autovehicule, la Expozitia Internationala Auto Nord-Americana, a declarat: "Daca viziunea noastra asupra viitorului este justa, si noi suntem convinsi ca este, Autonomy poate reinventa automobilul. Precum si toata industria. Autonomy nu este numai un nou capitol in istoria automobilului, este volumul II, volumul I fiind secolul trecut. Secolul XX a fost secolul motorului termic, secolul XXI va fi cel al pilei de combustie. Conceptul de Autonomy furnizeaza o viziune asupra potentialului nasterii economiei hidrogenului".

In Europa, Mercedes a anuntat ca a cheltuit peste 20 milioane euro pentru filiera hidrogen, depunand nu mai putin de 200 de brevete.

Tehnologia celulelor de combustie a avansat in mod semnificativ in cativa ani, constructori de automobile ca Daimler-Benz, Mercedes, GM, Mitsubishi, Toyota etc. au expus prototipuri de vehicule antrenate cu celule de combustie. Multe din aceste prototipuri au fost greoaie, au necesitat unitati energetice cu pile de combustie puternice, care au facut pe unii observatori sa prevada ca ar mai putea trece inca 10-15 ani pentru ca pila de combustie sa devina economica.

Versiunea tiparita a revistei "The Hydrogen & Fuel Cell Letter" din luna septembrie 2003 a publicat fotografia unei locomotive diesel-electrice de 1800 CP convertita, in cadrul unui proiect de 5 ani, intr-o versiune antrenata de celule de combustie de catre Institutul de Propulsie prin Celule de Combustie din Denver (SUA). Un alt exemplu de masina antrenata cu celule de combustie este Mitsubishi, prezentata in revista "The Hydrogen & Fuel Cell Letter" din luna octombrie 2003.

Sisteme de incalzire rezidentiale

O pila de combustie converteste aproximativ 50-60% din energia hidrogenului intr-o energie electrica de calitate, producand ca subprodus numai apa fierbinte, la o temperatura de circa 250-3000C, considerata ca o temperatura ideala pentru incalzirea mediului din cladiri. In unele cladiri, serviciile rezidentiale sunt destul de apreciate pentru a se cheltui destui bani pentru reformarea gazului natural in hidrogen. Exploatarea pietei incalzirii rezidentiale poate determina realizarea pilelor de combustie in productie de masa, ceea ce va reduce costurile pe unitatea de produs, aducandu-le la un nivel competitiv si pentru vehiculele antrenate de celule de combustie cu hidrogen.

Fiecare masina dotata cu pile de combustie ar putea deveni o centrala electrica mobila de circa 30-40 kW. Intrucat masina este parcata aproximativ 90-95% din timp in spatii locuite, ea ar putea fi inchiriata pentru o taxa anuala si racordata la reteaua cladirii, atat pentru a furniza energie electrica in retea cat si surplusul de hidrogen din reformator. Aceste furnizari de energie se fac contra cost la pretul evaluat in timp real (pretul energiei electrice este mai ridicat in timpul zilei) si se apreciaza ca, in acest fel, s-ar putea acoperi cel putin jumatate din costul exploatarii curente a masinii.

Producerea energiei electrice prin celule de combustie si folosirea apei pentru incalzirea cladirilor ar putea deveni atat de ieftine incat ar putea concura cu energia produsa in termocentrale sau in centrale nucleare.

Firma germana MTU CFC a dezvoltat, inca din 1997, impreuna cu firma din SUA "Fuel Cell Energy", o centrala medie "Hot Module" cu un volum de 9x2,5x3 m3 si o greutate de 15 tone care produce 225 kW electrici si 120 kW echivalenti termici (abur si apa calda), la un pret tinta de 1000-1200 $ SUA/ kWh.

Firma europeana Vaillant - lider in tehnica incalzirii - impreuna cu firma americana Plug Power (specializata in productia de pile de combustie) a obtinut inca din 2001 certificarea construirii de centrale de incalzire bazate pe pile de combustie. Minicentrala termica de dimensiunile unui frigider produce 4 kWh electrici si 9 kWh echivalenti de energie termica.

Centrale electrice cu puteri instalate care pot varia de la cativa megawati pana la puteri utile in cele mai mici aplicatii, ca telefoane mobile sau calculatoare personale mobile

Siemens Westinghouse, gigantul multinational din Orlando-Florida, a anuntat ca a inaugurat in 2001 doua centrale electrice SOFC de 250 kW fiecare si ca o a treia centrala cu o putere instalata de 320 kW a fost deschisa in Italia in 2002, costul instalatiei fiind suportat in proportie de 25% de Ministerul Mediului italian.

Programe de construire de prototipuri de centrale electrice cu pile de combustie cu hidrogen sunt in desfasurare si in Canada, Germania si Olanda. Firme ca Motorola, Samsung sau Toshiba si-au exprimat deja intentia de a finanta realizarea de pile de combustie pentru aparatele mobile.

Pentru reincarcarea periodica a rezervoarelor de hidrogen din masini sau pentru inlocuirea rezervoarelor interschimbabile s-ar putea folosi reteaua de distributie a hidrogenului existenta pentru deservirea industriei chimice sau petrochimice sau s-ar putea construi noi retele de distributie pentru hidrogen.

In Europa exista o Retea Nord de distributie a hidrogenului gazos prin gazoducte, iar in SUA este in functiune o retea de-a lungul Coastei Golfului.

Infrastructura existenta in prezent de fabricatie si distributie a hidrogenului din reteaua de hidrogen Air Liquide din Belgia, Olanda si Franta produce, in principal prin reformarea gazului natural, aproximativ 540 miliarde m3 de hidrogen si se dezvolta continuu. Vanderborre Hydrogen Systems (HS) din Oevel, Belgia, a anuntat, in noiembrie 2002, ca au fost semnate doua contracte pentru furnizarea de electrolizoare pentru doua statii de alimentare care urmeaza a fi construite ca o parte a unui sistem de transport urban curat, cu 30 de autobuze, in 10 orase.

Pe aeroportul din Mnchen functioneaza, inca din 1999, prima statie de alimentare cu hidrogen lichid din lume, iar in tari ca Belgia, Spania, Germania s-au construit, in anii 2001-2002, statii de distributie a hidrogenului. |n noiembrie 2002, Agentia de Tranzit Urban din Berlin (BVG) a construit, impreuna cu partenerul francez TotalFinaElf Group, prima statie de alimentare cu hidrogen la un garaj de autobuze din districtul Wedding. Statia furnizeaza atat hidrogen criogenic lichid, cat si hidrogen gazos la 250 bar. Specialistii germani au asigurat furnizarea hidrogenului lichid stocat in tancuri intersanjabile de 18m3, iar hidrogenul gazos este livrat la un debit de 1 standard m3/ora, iar BVG a planificat sa creasca acest debit de 100 ori in 2004.

In luna aprilie 2003 in Reykjavik, Islanda, s-a deschis prima statie comerciala de distributie a hidrogenului pentru persoane fizice posesoare de vehicule antrenate de motoare cu hidrogen.

In conditiile unor constrangeri extrem de mari impuse nivelului de poluare produs de motoarele cu ardere interna pentru anii urmatori,

prezentate in tabelul 4 ,noile tehnologii ale vehiculului electric, incepand cu varianta alimentata cu baterii de acumulatoare, varianta hibrida si terminand cu aceea in care energia se obtine din pile de combustie,reprezinta o solutie viabila.

Tabelul 4.