Martin Rohovský / pátek 15. května 2020

Energy management na palubě jachty (6. díl)

V šestém dílu seriálu o energy managementu na palubě jachty se Martin Rohovský zaměřil na další z ekologických zdrojů energie. Jde o palivové články, tedy o zdroj pro mnohé neznámý.

Dalším možným zdrojem elektrické energie jsou palivové články. Většina článek nikdy neviděla a považuje ho za naprosto exotickou záležitost. Před nedávnem se ale palivové články považovaly za hlavní kandidáty na vítězství v boji o elektromobilitu.

Protože ďábel se skrývá v detailech, byly v současné době články odsunuty na vedlejší kolej bateriemi. Přitom na první pohled vypadají téměř ideálně. Jedná se o zařízení přeměňující chemickou energii obsaženou v palivu na energii elektrickou a teplo.

Spalovací motory dělají v podstatě to samé tedy mění energii obsaženou v palivu na mechanickou energii, která se dá poté mimo jiné využít k přeměně na energii elektrickou. Je tam tedy mezistupeň a ztráty.

Tichý a ekologický

Palivový článek nic nespaluje a nepotřebuje mezičlánek v podobě přeměny na mechanickou energii. Měl by tedy být v přeměně energie účinnější. Kromě toho je jeho provoz tichý a neprodukuje zplodiny typu NOx nebo SOx.

Nejvhodnějším palivem pro článek je vodík - H2. Tedy nejjednodušší a nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Bohužel, ačkoliv se jako čistý prvek nachází například v plynných obalech hvězd, na Zemi se nachází pouze ve sloučeninách. Musíme ho „vyrábět“. Idea byla, získávat vodík elektrolýzou vody při využívání obnovitelných nebo jaderných zdrojů v době energetického sedla (přebytek energie). Zatím tak daleko bohužel nejsme.

Klacky pod nohy

Jeden z důvodů, proč se vodík běžně nevyužívá (hlavní je ten, že fosilní paliva jsou pořád pohodlně dostupná), je fakt, že vodík má několik velmi nepříznivých vlastností týkajících se jeho skladování a transportu. Pro zkapalnění musí být ochlazen aspoň na -240,15°C za vysokého tlaku.

Protože rozměr molekul vodíku je srovnatelný s mezimolekulárními rozměru kovů, ze kterých se vyrábí nádrže, je vyřešení jejich těsnosti docela výzvou. A z toho samozřejmě vyplývají bezpečnostní rizika, neboť spolu se vzduchem tvoří vodík velmi hořlavou směs.

Kde se berou elektrony?

Zdroj Wikipedia

Zde vidíte, kde se v článku berou elektrony, které jsou tím, co pro provoz elektrické sítě potřebujeme.

Teď se podíváme na několik jednoduchých chemických rovnic. Na první si ukážeme, proč je chemická reakce v článku podobná spalování. Nejjednodušším příkladem je spalování vodíku: H2 + ½O2 ↔ H2O. Dotyk mezi molekulami vodíku a kyslíku vede k chemické reakci, kdy jsou v řádu pikosekund rozbity vazby vodík-vodík a kyslík-kyslík a vytvořeny vazby vodík-kyslík. Konečná energie vazeb vzniklé vody je nižší než počáteční energie vazeb vodíku a kyslíku. Rozdíl těchto energií se uvolní jako teplo.

Pokud bychom chtěli pomocí výše popsaného spalování vodíku získat elektrickou energii, musíme teplo nejprve přeměnit v energii mechanickou a teprve poté se dostaneme k elektřině.

Co když se pokusíme získat elektrickou energii, tedy proud elektronů, přímo z chemické reakce pomocí ovládnutí elektronů na jejich cestě mezi vazbou o vyšší energii k vazbě s energií nižší? Když se nám to podaří, tak volné elektrony po jejich cestě mezi palivem a okysličovadlem můžeme využít jako elektrickou energii. V palivovém článku je tak chemická reakce rozdělena na dvě elektrochemické půlreakce:

1) H2 ↔ 2H+ + 2e-
2) ½O2 + 2H+ + 2e- ↔ H2O

Tohoto dosáhneme použitím vhodného elektrolytu, který stejně jako v bateriích, umožňuje průchod ionům, ale ne elektronům. Podle použitého elektrolytu se palivové články dělí na pět hlavních typů. Pro naše použití je zajímavý pouze článek s polymerní membránou – PEMFC (Proton exchange membrane fuel cell).

A vzniká elektřina...

Ať už je článek kteréhokoliv typu, má vždy stejnou strukturu. Dvě elektrody s katalyzátorem, mezi kterými se nachází elektrolyt. Ve většině článků se jako katalyzátor používá velmi vzácná platina, což také nepřispívá k jejich masovému rozšíření.

K jedné elektrodě – anodě – je přiváděno palivo a dochází na ní k oxidaci, tedy k uvolňování elektronů z vazby. Ke druhé elektrodě – katodě – je přiváděn kyslík a dochází na ní k redukci, kde elektrony do vazby vstupují a je zde dokončena oxidačně redukční chemická reakce. Proces probíhá na jednom segmentu palivového článku a v případě vodíkové reakce má potenciál kolem 0,7 V.

Palivový článek je složený z mnoha segmentů spojených do série tak, aby bylo dosaženo požadovaného napětí. Článek je trochu podobný baterii s jedním zásadním rozdílem, do baterie je elektrická energie „uložena“, kdežto v článku vzniká.

Metanolový článek

Články s polymerní membránou mají ještě jednu podkategorii a tou je metanolový článek označovaný jako DMFC – Direct Methanol Fuel Cell. Hlavní výhodou je, že jako palivo používá místo vodíku metanol, který se jednoduše přepravuje i skladuje.
Chemie článku je následující: oxidace na anodě probíhá dle rovnice CH3OH + H2O → 6H+ + 6e- + CO2 , redukce na katodě dle rovnice 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O. Celková redukčně oxidační reakce je tedy CH3OH + 3/2O2 → 2H2O + CO2.

Tyto články se vyrábí v mnoha různých velikostech a ty nejmenší se používají i třeba v noteboocích nebo telefonech. Palivo se v nich doplňuje pomocí výrobcem dodaných nádržek nebo kanystrů. Nemůžeme je dolévat vlastním metanolem například z láhve. Důvodem je, že metanol pro provoz článku musí mít přesně určenou koncentraci.

EFOY

Mezi spotřebiteli (jachty, obytná vozidla) jsou asi nejvíce využívanými metanolové články společnosti EFOY, která uvádí, že přes 50 % účastníků závodu MiniTransat má na palubě některý z jejich produktů. Zásadní evropský výrobce elektrických zařízení pro malá plavidla Mastervolt články EFOY přímo zakomponovává do některých svých systémů. Palivové články uvedeného výrobce jsou opravdu kompaktní – od 680x380x340 mm včetně palivové nádržky na 10 l paliva pro článek o výkonu 40 W.

Výkon 40 W nevypadá nijak závratně, ale pořád dokáže náš elektrický systém doplnit o 80 Ah za 24 hodin. Když se vrátím k naší modelové spotřebě 100 Ah/den, tak nám tento výkon nestačí. EFOY ale nabízí i články o výkonu 70 a 100 W. Ty už by stačily. Spotřeba paliva dodávaného buď v 5 l nebo 10 l nádržkách je 0,9 l na 1 kWh, tedy 1 l na 93 Ah ve 12 V systému. O ekonomice provozování palivového článku si povíme později, kdy budeme všechny zdroje srovnávat.

Na závěr ještě jedna informace. Životnost palivového článku se liší podle typu a ještě více podle způsobu použití. Výrobci udávají od 4000 h při častém spouštění a vypínání až po 40000 h při nepřetržitém provozu. Pro provoz na lodi se tedy spíše orientujme směrem ke zmiňovaným 4000 h a to opravdu není mnoho.

8430

Tagy: dobíjení elektřina palivový článek akumulátory energy management

Související články

Klaus by jen nesouhlasně pozdvihl obočí…

I lodní doprava se snaží snižovat emise. Obviňovaná ze znečišťování ovzduší investuje do ekologických technologií. Utrácí stovky milionů navzdory Václavům Klausům, kteří nikdy neviděli výrazné tání ledu (samozřejmě kromě filmů Ala Gora).

Proč nevypínat mapový plotter na kotvě