Materiāli un ierīces ūdeņraža enerģētikai - 2

Projekta vadītājs: J.Kleperis

Ievads

Pirmās koncepcijas par ūdeņraža ekonomiku rodamas jau Žila Verna romānā „Noslēpumu sala” (1875.g.), bet mūsdienās celtas dienas gaismā pagājušā gadsimta 70.-tajos gados, kad Pasaules pirmajā Ūdeņraža konferencē (1976.g., Majami (Miami), Florida, ASV) ūdeņradis tika atzīts par tīrāko enerģijas nesēju nākotnē. Ūdeņraža ekonomikā enerģiju galvenokārt iegūst, izmantojot ūdeņradi, kurš iegūts no alternatīvajiem enerģijas avotiem (saule, vējš, ūdens. Divi svarīgākie faktori, kuri motivē ūdeņraža ekonomikas nepieciešamību, ir fosilo degvielas resursu ierobežotie un ātri izsīkstošie krājumi uz zemeslodes, kā arī globālās sasilšanas draudi pasaulei.

Ūdeņradis – videi draudzīga enerģija
Jānis Kleperis, Dr.phys.

No sirmas senatnes līdz mūsdienām cilvēce enerģijas izmantošanā ir virzījusies arvien tuvāk ūdeņradim. Vispirms jau, izmantojot ūdeņradi dažādu produktu un degvielu sastāvā, – sākot no koka dedzināšanas, tad akmeņoglēm, vēlāk naftas produktu un dabasgāzes, tagad jau arī biodegvielas dedzināšanai. Sabiedrības izvēle enerģijas resursos ir vienkārši sekojusi ogļūdeņražu ķēdes vienkāršošanai. Degvielas arvien vairāk un vairāk ir tuvojušās oglekļa (kas veido lielāko piesārņojuma procentu) izslēgšanai no to sastāva. Ūdeņradis un kurināmā elementi (degšūnas) vienkārši pabeidz šo izslēgšanas procesu, aizstājot piesārņojošo oglekli ar videi draudzīgo un tīro ūdeņradi. Turklāt, pārstājot dedzināt ogļūdeņražus, cilvēce netukšos vairs Zemes fosilo kurināmo krājumus (tie tukšojas neatgriezeniski, jo var atjaunoties tikai miljonos gadu), un nenoplicinās Zemes biosfēru, dedzinot no augiem iegūtus ogļūdeņražus. Tikai ūdeņradis un degšūnas ir arī drošākie un stabilākie stūrakmeņi ekoloģiski tīras nākotnes enerģijai.

Sadedzinātais ūdeņradis pārveidojas atpakaļ par ūdeni (degšanas reakcija notiek augstās temperatūrās un/vai normālos apstākļos katalizatoru klātbūtnē: 2H2 + O2 → 2H2O + enerģija (572 kJ)), tādēļ, cik no planētas paņemsim ūdeņradi un skābekli, tikpat arī atdosim tai atpakaļ. To atspoguļo ūdeņraža – skābekļa cikls (sk. 1.att.):

1. attēls: Ūdeņraža skābekļa cikls ir pilnīgi atgriezenisks un ekoloģisks, ja enerģiju ūdens sadalīšanai ņem no dabas (saule, vējš, ūdens).

Attīstītajās pasaules valstīs ūdeņraža enerģētikas tehnoloģijās tiek ieguldīti ļoti lieli līdzekļi, tiek realizēti dažādi demonstrāciju projekti, ir uzsākta rūpnieciska ūdeņraža tehnoloģijas iekārtu ražošana (dažādas jaudas elektrolīzeri ūdeņraža iegūšanai, degvielas šūnas, konteineri ūdeņraža uzglabāšanai, transportlīdzekļi un cauruļvadi ūdeņraža pārvadei utt.). Vairākās valstīs ūdeņraža tehnoloģiju attīstībai tiek realizētas speciālas valsts programmas, lielās naftas produktu kompānijas Shell (Islandē, Lielbritānijā) un Statoil (Norvēģijā) atbalsta gan ūdeņraža tehnoloģiju pētniecību, gan plašu demonstrācijas projektu īstenošanu. Amerikas enerģijas kompānija GE atbalsta ūdeņraža infrastruktūras veidošanu valstī, bet Amerikas Enerģijas departaments (DOE) strādā pie tā, lai Amerikas transporta sistēmu pārorientētu uz ūdeņraža enerģijas sistēmām, integrējot zinātnes un demonstrāciju projektus praksē. DOE nākotnes plānā noteikti konkrēti mērķi tehnoloģiju attīstībai līdz pat 2030.gadam un uzsvērts, ka, izmantojot ūdeņradi kā enerģijas nesēju, tiks nostiprināta valsts drošība un neatkarība enerģijas sektorā, kā arī samazināts gaisa piesārņojums un siltumnīcas efekta gāzu emisijas.

Ņemot vērā sagaidāmo importēto primāro energoresursu samazināšanos un nepieciešamību rast drošus, ekonomiski izdevīgus enerģijas avotus, pētījumi par praktisku, ekonomiski pamatotu ūdeņraža izmantošanu Latvijas energoapgādei nākotnē ir ļoti būtiski. Lai arī pētniecības potenciāls šajā joma Latvijā ir vērā ņemams, tomēr jāatzīmē, ka Latvijā vēl nav atbilstoša ražotāju potenciāla pētījumu ieviešanai praksē, lai gan ārzemju riska kapitāla firmām ir liela interese par latviešu pētnieku darbiem. Skaidrs, ka no šodienas pētījumiem līdz reālai rezultātu ieviešanai dzīvē reizēm jāpaiet 3-5, citreiz pat vairāk gadiem. Bet jau šodien pasaulē ūdeņraža tehnoloģijas ir tik tālu attīstītas, ka arī Latvijā varētu rasties nelieli uzņēmumi, kuros šīs jaunās tehnoloģijas ierīces tiek montētas kopā un piemērotas vietējiem apstākļiem, kā arī piedāvātas iekšējā tirgū. Piemēram, UPS (nepārtraukas jaudas nodrošināšanas sistēma) iekārtām – te ūdeņraža kurināmā elementam nav konkurentu, jo neliela izmēra šūna var nodrošināt 2-5 kW jaudu vairākas stundas, ja tikai pieejams pietiekošs ūdeņraža gāzes krājums. Aktuāls arī ir jautājums par enerģētiski neatkarīgu māju un ciematu izveidi, kur ūdeņraža tehnoloģijas nepieciešamas saules un vēja elektrības uzkrāšanai.

Vai ūdeņradis aizvietos benzīnu?
Līga Grīnberga, Dr.phys.

Šis jautājums noteikti interesē daudzus, bet vēl joprojām neviens nespēj uz to atbildēt. Pētnieki, kuri darbojas ar ūdeņraža enerģētikas jautājumiem ir pārliecināti, ka ātrāk vai vēlāk, tieši ūdeņradis būs tas, ko mēs pildīsim automašīnu degvielas tvertnēs. Tajā pat laikā tie zinātnes cilvēki, kuri pārstāv citus enerģijas iegūšanas un izmantošanas veidus, apgalvo, ka ūdeņradis ir ‘visnepareizākā’ viela, ar kuru aizstāt degvielu transporta sektorā. Nevienam nerastos iebildumi pret ūdeņradi benzīna vietā, ja viss notiktu tāpat kā parasti – piebraucam, iepildām, samaksājam (ieteicams mazāk, nekā līdz šim) un aizbraucam…

Diemžēl tas nav un nebūs tik vienkārši. Pirmkārt jau tāpēc, ka ūdeņradis ir gāze. Nav iespējams to vienkārši izrakt no zemes, saliet mucās un aizvest kur nepieciešams. Tas nozīmē, ka nederēs jau esošās automašīnas, uzpildes stacijas un cauruļvadu sistēmas. Otrkārt – šī gāze ir jāiegūst, jāpārvadā un jāuzglabā. Treškārt, kas pārsvarā tiek aizmirsts, ūdeņradis ir enerģijas nesējs – tas ir jāpārveido, lai iegūtu enerģiju, kuru var izmantot tālāk. (Protams, ūdeņradis ir arī enerģijas avots, piemēram, ūdeņraža bumbās, bet šoreiz par to gan nerunāsim) Visi šie procesi patērē enerģiju, un jo tālāks ceļš no iegūšanas līdz izmantošanai ejams, jo vairāk tas maksā.

Autoražotājs ‘Toyota’ ir izmērījis jau esošo un aprēķinājis iespējamo hibrīdo automobiļu CO2 izmešu daudzumu no kurināmā ieguves vietas līdz degvielas tvertnei un no tvertnes līdz ‘riteņiem’- cik daudz izmešu rodas braucot ar auto. Benzīna automobilis visvairāk CO2 izdala tad, kad tas tiek izmantots, bet hibrīdās tehnoloģijās manāmi lielāks apjoms kaitīgās gāzes tiek izdalīts, iegūstot ūdeņradi. Tomēr, saskaitot kopā, mazāk kaitīgas ir nākotnes tehnoloģijas – sevišķi, ja ūdeņradi iegūst izmantojot atjaunojamos enerģijas avotus.

Visizdevīgākais ūdeņraža ieguves avots ir ūdens – vismazāk kaitīgo izmešu, un pieejams visiem. Elektroķīmiskie likumi nosaka, ka pievadot ~96500 kulonu lielu strāvu elektrolītam, var iegūt 1 gramu vielas (Faradeja likums). Tātad, lai iegūtu 1 gramu ūdeņraža ir nepieciešams ūdenim pievadīt 1 A lielu strāvu 96500 sekundes. Ir aprēķināts, ka viena kilograma ūdeņraža iegūšanai ir jāpatērē 50 kWh elektroenerģijas. Tomēr ūdeņraža cena būs atkarīga no elektrības cenas konkrētajā valstī vai reģionā. Latvijā ir viena no zemākajām maksām par elektroenerģiju, tomēr nez vai būs izdevīgi šeit sākt ražot lielos daudzumos ūdeņradi, jo mēs enerģiju iepērkam. Ņemot vērā šīs cenas, 4. attēlā ir salīdzināts, cik katrā valstī izmaksātu 1 kg ūdeņraža (=50kWh). Šeit ir jāpiebilst, ka attēlotas ir elektrības cenas individuālam patērētājam, izmantojot elektrību no rozetes. Ūdeņradis kļūst lētāks, ja to ražo rūpnieciski un izmantojot alternatīvos enerģijas avotus.

Kāda kompānija ASV ir aprēķinājusi ūdeņraža sistēmas izmaksas, ja enerģija tiek ņemta no vēja stacijām, pieņemot, ka 1 kg ūdeņraža var saražot izmantojot 50 kWh. 1kWh stundas cena = 7 centi (vidējais lielums, jo maksa ir atkarīga no jaudas) (http://www.hydrogendiscoveries.com/).

Tomēr tā ir tikai elektrības cena. Turpmākajos aprēķinos tiek ņemtas vērā arī izmaksas, ko sastāda elektrolīzeris, papildus ierīces, ūdeņraža transportēšana, cauruļvadu ierīkošana, uzkrāšana, uzpildes staciju celšana un nodokļi. Gala rezultātā tiek iegūts, ka 1 kilograms ūdeņraža iegūts no vēja stacijām maksātu 6,98 USD par kilogramu, to var pielīdzināt 2 galoniem benzīna (~7,5 l ), kas maksā ap 7,5 USD. Patlaban ASV par 1 kg ūdeņraža uzpildes stacijās ir jāmaksā no 6-10 USD.

Lai gan cipari ir ļoti iepriecinoši, tomēr, tas nenozīmē, ka tie ir reāli – izņemot ūdeņraža cenu uzpildes stacijās. Nav noslēpums, ka rēķinot maksu par ūdeņradi optimisti ņem vērā minimālās izmaksas, maksimālo efektivitāti un peļņas nekādas, bet skeptiķi otrādi – maksimālās izmaksas un minimālo efektivitāti. Tāpat ūdeņraža cenas pieaugs, pieaugot vispārējai inflācijai un atsevišķo valstu politikai. Pašreiz kopējās sistēmas izmaksas tiek aprēķinātas teorētiski, jo praktiski vēl nevar noteikt masveida ražošanas kopējās izmaksas – pagaidām masveidā netiek ražoti ne automobiļi, ne uzstādītas ūdeņraža uzpildes stacijas, cauruļvadu līnijas vai ražošanas ierīces izmantojot atjaunojamos enerģijas avotus.

Taču autorūpniecībā automašīnu tirgus nav atkarīgs tikai no degvielas cenas, bet arī no degvielas izmantošanas efektivitātes jeb cik lielu distanci auto var veikt izmantojot vienu degvielas vienību (km/l). Tomēr, šādai metodei ir savi trūkumi, tāpēc pārsvarā tiek salīdzināti ne tikai pašas mašīnas efektivitāte, bet arī cik efektīvi šī degviela tiek iegūta un nogādāta līdz tvertnei – ‘no urbuma līdz riteņiem’.

Toyota (http://www.toyota.co.jp) saviem modeļiem ir veikusi aprēķinus (5. attēls) un ir pierādījusi, ka parastās benzīna automašīnas ‘no tvertnes līdz riteņiem’ efektivitāte ir tikai 16%, bet saspiestai ūdeņraža gāzes un kurināmā šūnas sistēmai – 38%, toties, skaidri redzams, ka tradicionālās degvielas efektivitāti no urbuma līdz tvertnei arī nākotnes mērķos sasniegt nebūs iesējams. Tomēr šīs auto kompānijas zinātnieki un konstruktori ir guvuši vērā ņemamus rezultātus uzlabojot kurināmā šūnas hibrīda modeli - Toyota FCHV. Ja 2005. gadā šis auto no vienas uzpildes līdz otrai varēja veikt 550 km, bet 2008. gada pavasarī ar uzlaboto modeli Toyota FCHV – adv jau 830 km.

Līdz 2007. gada vidum visā pasaulē tika oficiāli tika atklātas 172 ūdeņraža uzpildes stacijas gan kā izpētes stacijas, gan reālai uzpildes, bet ieplānots līdz 2009. gada beigām atklāt vēl 62 (http://www.fuelcells.org/info/charts/h2fuelingstations.pdf)!

Arī citās nozarēs, kas saistītas ar jebkuru no ūdeņraža enerģētikas sistēmu posmiem notiek aktīva pētnieciskā darbība. ‘Globas; Hydrogen Inc.’ 2008. gada jūlijā ir paziņojusi par jaunu atklājumu – zema sprieguma, zemas temperatūras un augstas efektivitātes līdzstrāvas elektrolīzes ģeneratora izveidošanu, kas 1 kg ūdeņraža var iegūt izmantojot 41,2 kWh elektriskās enerģijas. Jaunās elektrolīzes ierīces efektivitāte sasniedz 90%.

Latvijas sabiedrības viedoklis par degvielas veida maiņu no pašreiz pieejamās degvielas uz ūdeņraža degvielu

Projekta realizācijas gaitā veikta situācijas izpēte par Ūdeņraža enerģētikas kā alternatīvu energoresursu izmantošanas iespējām Latvijā (rezultāti apkopoti J.Dimanta maģistra darbā, kurš 2008.g. vasarā sekmīgi aizstāvēts). Pētījumā apkopota citu valstu pieredze šajā jomā, salīdzinājums ar iespējām šīs pieredzes realizēšanai Latvijā, kā arī Latvijā jau veiktais pētnieciskais darbs ūdeņraža enerģētikā. Pētījuma mērķis un tam atbilstošie uzdevumi bija noskaidrot potenciālo patērētāju nostāju attiecībā uz iespēju izmantot ūdeņraža enerģiju kā alternatīvu pašreiz piedāvājumā esošai. Veikta aptauja par rīdzinieku viedokli ūdeņraža enerģētikā. Analizējot aptaujas rezultātus, konstatēts, ka pētījuma hipotēze ir apstiprinājusies un ūdeņraža enerģija pēc sabiedrības uzskatiem varētu būt laba alternatīva pašreiz izmantotajai degvielai. Respondentu viedoklis par iespēju iegādāties jaunu – ar H2 tehnoloģijām aprīkotu automobili ir sekojošs. Jaunu automašīnu, kas aprīkota ar H2 tehnoloģijām(turpmāk H2 automašīna) piekristu iegādāties 16.74% respondentu (skatīt 2.attēlu), savukārt 10.57% šādai iespējai pilnīgi nepiekrīt.

Pētījuma gaitā secināts, ka ūdeņradis varētu būt ekonomiski izdevīgāka enerģija sakarā ar to, ka Latvija nespēj sevi pilnībā nodrošināt ar energoresursiem. Izvērtējot un analizējot iegūtos rezultātus, izstrādāti priekšlikumi, kas nepieciešami ūdeņraža enerģijas attīstībai un ieviešanas iespējām Latvijā.


2. attēls:. Respondentu attieksme (%) par jaunas ar H2 tehnoloģijām aprīkotas automašīnas iegādi Latvijā 2008.gadā
Avots: autora veiktā aptauja 2008.gada aprīlī

Balstoties uz veikto aptauju un literatūras pētījumiem, izstrādāti šādi priekšlikumi:

1. Latvijai jāizstrādā ūdeņraža kā alternatīvas enerģijas infrastruktūras attīstības plāns, balstoties uz Eiropas un pasaules valstu pieredzi.
2. Latvijā jāizstrādā normatīvie akti (Vides un Ekonomikas ministrijas), kas tieši norādītu ūdeņraža attīstības virzienus Latvijā ar konkrētiem norādījumiem un metodēm.
3. Nepieciešams vērst lielāku valdības atbalstu Latvijā izstrādāto oriģinālo ūdeņraža tehnoloģiju attīstībai un virzībai tirgū.
4. Ūdeņraža enerģijas atpazīstamībai jāveic plaši inovatīvie mārketinga pasākumi produkta atzīšanai. Jāsāk ar publikācijām masu saziņas līdzekļos un informatīviem pasākumiem.
5. Sabiedrības informēšanas ietvaros jāveic privātā sektora piesaiste ūdeņraža enerģijas izpētei un izmēģinājumiem.
6. Pēc sabiedrības informēšanas jāveic atkārtots padziļināts pētījums lai noteiktu potenciālos pircējus, kā arī izstrādātu mārketinga plānu produkta virzībai tirgū.
Projekta realizācijas gaitā izveidots makets ierīces efektīgai ūdeņraža ģenerēšanai, izmantojot augstsprieguma un augstfrekvences barošanas avotus. Pie strāvas patēriņa, kas mazāks kā klasiskajā Faradeja elektrolīzē, tiek iegūts ūdeņraža gāzes daudzums, kas pārsniedz klasiskajā elektrolīzē maksimāli iespējamo. Kompaktas elektrolīzes šūnas izveidotas, izmantojot cilindriskus un konusveida nerūsējošā tērauda elektrodus. Tiek gatavots patenta pieteikums ūdens plazmas elektrolīzeriem, kur par katodu tiek izmantots ogles elektrodu. Veidojoties ūdens plazmai uz ogles elektroda, tā materiāls piedalās degšanas procesā un papildus skābeklim un ūdeņradim izdalās oglekļa monoksīds. Šo trīs gāzu maisījums ir degošs un var tikt izmantots gan siltuma iegūšanai (apkures katlos), gan metināšanai, kausēšanai u.c.

Projekta izpildes gaitā strādāts pie protonapmaiņas membrānu pētījumiem. Apgūta protonu apmaiņas membrānu vadītspējas noteikšanas metode, izveidota iekārta vadītspējas noteikšanai ar 4 zondēm. Ir apgūtas arī optiskās metodes (Ramaņa izkliede un infrasarkanā spektroskopija) protonu apmaiņas membrānu struktūras pētīšanai. Metode izmantota, lai analizētu gan rūpniecisku, gan pašu iegūtu membrānu struktūru. Sagatavots pieteikums patentam (iesniegts LR Patentu valdei) par oriģinālu un vienkāršu metodi protonapmaiņas membrānu sintēzei. Šodien viena no pamatkomponentēm degvielas šūnās ir protonus vadoša polimēru membrāna - fluoru saturošā Nafion membrāna un dažādi tās varianti, kas izceļas ar augstu mehānisko un ķīmisko stabilitāti (gan tikai gaisā), un ārkārtīgi augsto cenu. Fluora ķīmija nav videi draudzīga un materiāla ražošanas izmaksas ir augstas. Mēs iesakām Nafion aizvietot ar sulfonētiem poliēterēterketoniem. Lai nodrošinātu augstu protonu vadītspēju, iegūto polimēru ir nepieciešams sulfonēt. Sulfonēšana ievērojami pazemina membrānu mehānisko stabilitāti. Pazīstamākais paņēmiens mehānisko īpašību uzlabošanai ir polimēra sašūšana, piešķirot tam komplicētāku struktūru un palielinot polimēra ķēžu garumu. Sašūšana parasti samazina protonu vadītspēju. PEEK grupas polimēriem sašūšanai izmanto ļoti indīgas un korozīvas ķimikālijas. Pats process ir darbietilpīgs. Mūsu izgudrojumā tiek piedāvāta jauna metode PEEK grupas polimēru sašūšanai, kas neizmanto dārgas un indīgas izejvielas, kā arī ļauj ievērojami vienkāršot pašu sašūšanas procesu. Tas ļauj ievērojami pazemināt polimēra ražošanas izmaksas. Projekta rezultāti tiks ziņoti 2008. gada LU CFI gadskārtējā zinātniskajā konferencē (tiek gatavoti 4 ziņojumi).

Degšūnas (kurināmā elementa) prototipa izveide

Degšūnas pamatam izmantota mūsu oriģinālā SPEEK protonus vadošā membrāna (dzeltenīgi caurspīdīgais materiāls attēlā:


Melnais materiāls virsū (un apakšā arī) ir ogles audums, kurš piesūcināts ar katalizatora „tinti” (iegūta, samaisot Nafion ūdens šķīdumu ar ogles pulveri un Pt katalizatoru (nanoizmēru ogles materiāls, pārklāts ar platīna daļiņām). Ogles audumam ir elektroda loma – tas ir gan gāzu caurlaidīgs, gan nodrošina elektrisko kontaktu ar katalizatora materiālu, jo tieši te no ūdeņraža atoma tiek atņemts elektrons un tālāk padots elektriskajā ķēdē darba darīšanai, bet protons uzsāk ceļu cauri membrānai, lai tās otrā pusē savienotos ar skābekļa atomu un elektronu, tādējādi noslēdzot reakcijas (sadegšanas) procesu un radot ūdeni - shēma nākošajā attēlā:



Praktiski degšūnas makets tika veidots, ieslēdzot membrānas-elektrodu ansambli starp diviem niķeļa sietiem organiskā stikla šūnā, pievienojot ūdeņraža gāzes pievadu (no elektrolīzes iekārtas, un dažos gadījumos – arī skābekļa gāzes pievadu (arī no elektrolīzes iekārtas. Tādējādi sagatavota sistēma tika pieslēgta elektroniskais shēmai raksturlīkņu uzņemšanai (nākošie attēli), un iegūtās līknes prezentētas grafikos.






Degšūnas prototipa voltampēru un jaudas raksturlīknes, uzņemtas pie dažādām temperatūrām. Kā redzams, mūsu degšūnas makets ļauj iegūt 60-80 mW jaudu, lielāka tā ir pie augstākām temperatūrām (80 oC).



Degšūnas prototipa voltampēru līknes pie atmosfēras spiediena (zilā līkne) un pie ūdeņraža gāzes spiediena – 2 atmosfēras. Kā redzams, lielāka jauda iegūstama pie lielāka gāzes spiediena.



Degšūnas raksturlīknes, ja skābeklis katodam pieplūst gaisa veidā normālā atmosfēras spiedienā (violetā līkne) vai, pūšot gaisu ar pumpi (dzeltenā līkne), jeb pievadot skābekļa gāzi ar plūsmu 0.4 cm3 vienā sekundē (tumši zilā līkne).



Kopsavilkums

Plānotie projekta mērķi ir sasniegti : izstrādāts oriģināls materiāls ūdeņraža enerģētikai – protonus vadoša membrāna uz PEEK polimēra bāzes (2007.g. nogalē iesniegts Latvijas patenta pieteikums (P-07-145), kurš joprojām tiek izskatīts), ir veikti jauno membrānu pielietojumu izmēģinājumi ūdeņraža ierīcē degšūnā (kurināmā elementā, fuel cell); pabeigts pētījums par degvielas šūnu un ūdeņraža enerģētikas ierīču tirgus iespējām Latvijā.

Pielikums

Pamatlīdzekļi, kas iegādāti par projekta budžetu, ir auditorijas aprīkojums institūtā ar moderniem audio-video aparātiem (attēlos redzama vadības pults ar pogām, vadības iekārtas ar projektu pultīm, fototehniku un bezvadu mikrofoniem skapī), kā arī tāfeles un projekti, jau iebūvēti auditorijā.