Kuro elementas gamina elektros energiją, naudodamas energiją, išsiskiriančią maišant degalus su oru, o šios reakcijos metu susidaro vanduo ir kartais anglies dioksidas. Labiausiai paplitęs kuro elementų kuras yra vandenilis, kuris reaguodamas su oro deguonimi sukuria tik vandenį. Kuro elementai veikia kaip akumuliatorius, į kurį nuolat tiekiamas kuras, todėl jis niekada neišsikrauna (jei tik turite pakankamai kuro). Kuro elementai yra svarbi vandenilio ekonomikos dalis. Vandenilio molekulių yra tokiose medžiagose kaip metanas, vanduo ir biomasė, tačiau visais atvejais jam išgauti reikia tam tikros energijos. Yra du paplitę vandenilio gamybos būdai - jis gali būti atskiriamas iš daugumos kuro rūšių, tokių kaip nafta, dujos, anglis, vykstant procesui, vadinamam garo riformingu, arba gali būti išgaunamas iš vandens, naudojant procesą, vadinamą elektrolize. Jei vandenilis atskiriamas nuo iškastinio kuro, išsiskiria anglies dioksidas. Jei vandeniliui išgauti iš vandens elektrolizės būdu naudojama saulės arba vėjo energija, pagamintas vandenilis yra nekenksmingas, nes į aplinką neišmetama jokių teršalų. Vandenilį taip pat galima atskirti iš atsinaujinančių biodujų, o tai reiškia, kad išsiskirianti anglis nėra iškastinės kilmės, todėl ji yra natūralaus anglies ciklo dalis.

Veikimo principas

Kuro elementas paverčia cheminę energiją elektra elektrocheminėmis reakcijomis, nepriklausomai nuo degimo proceso. Tipinis vandenilinio kuro elemento reakcijų supaprastintas pavyzdys:

  • Anodinė reakcija (oksidacija): H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
  • Katalizatoriaus / laidininko pernešimas: protonai praeina pro membraną (priklausomai nuo tipo), o elektronai teka išorinėje grandinėje kaip elektros srovė.
  • Kathodinė reakcija (redukcija): O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

Jeigu kuro elementui naudojamas iškastinis kuras (pvz., natūralios dujos), dažnai prieš patekdamas į elementą jis praeina pernaštos procesus (reformavimą), kurie gali išskirti anglies dioksidą ir kitus šiltnamio efektą sukeliančius teršalus. Kai kuriais atvejais susidaro ir anglies monoksidas, kuris gali „užmušti“ katalizatorius ir sumažinti kuro elemento efektyvumą.

Kuro elementų tipai

  • PEMFC (protonų mainų membranos kuro elementai) – veikia žemoje temperatūroje (~60–80 °C), greitai užsiveda, tinka transportui ir nepertraukiamai stacionariai elektros gamybai; dažnai naudoja platinos katalizatorių.
  • SOFC (kietųjų oksidų kuro elementai) – veikia aukštoje temperatūroje (~600–1000 °C), gali tiesiogiai naudoti angliavandenilius (metaną, biogazą), tinkami pramonei ir kombinuotai šilumos ir elektros gamybai (CHP).
  • PAFC, MCFC, AFC ir kiti – skiriasi elektrolito tipu, darbine temperatūra ir kuro lankstumu; kiekvienas tipas turi savo privalumus ir trūkumus priklausomai nuo taikymo.

Vandenilio gamyba ir jos įtaka aplinkai

Pagrindiniai vandenilio gavimo būdai:

  • Garo riformingas (steam reforming) – iškastinių dujų (metano) atskyrimas, plačiai naudojamas ir ekonomiškas, tačiau išskiria anglies dioksidą. Jei pridedama anglies gaudymo ir saugojimo technologija (CCS), toks vandenilis vadinamas mėlynu (blue hydrogen).
  • Elektrolizė – vanduo skaidomas elektra į deguonį ir vandenilį. Jei elektrą tiekia atsinaujinantys šaltiniai kaip saulės arba vėjo, gaunamas „žalias“ vandenilis, praktiškai be išmetamų teršalų.
  • Biodujos ir biomasės dujų konversija – vandenilis gali būti atskiriamas iš biodujų, o išsiskirianti anglis priklauso nuo biogeninio ciklo, todėl poveikis klimatui mažesnis nei naudojant iškastinį kurą.

Tarptautinėje praktikoje vandenilis skirstomas pagal gamybos šaltinį: pilkas (gray) – iškastiniams šaltiniams be CO₂ gaudymo, mėlynas (blue) – su CO₂ gaudymu, žalias (green) – gautas iš atsinaujinančių šaltinių elektrolizės būdu.

Privalumai ir trūkumai

  • Privalumai: aukštas efektyvumas elektrocheminiu būdu (ypač prilyginant vidaus degimo varikliams), mažos lokalinės emisijos (vandenilio atveju – tik vanduo), tylus darbas, galimybė sinchronizuoti su atsinaujinančiais energijos šaltiniais bei naudoti kaip energijos kaupiklį.
  • Trūkumai: dabartinės technologijos yra brangios (katalizatoriai, membranos, aukštos kokybės medžiagos), reikalinga infrastruktūra (tiekimas, laikymas, degalinių tinklas), vandenilio saugojimas ir transportavimas sudėtingesni nei įprastų dujų, kai kurių kuro elementų ilgaamžiškumas ir tolerancija priemaišoms ribota.

Taikymas

  • Transportas: degalų elementų automobiliai, autobusai, sunkvežimiai, geležinkelio lokomotyvai, laivai.
  • Stacionarioji energetika: mikro-tinklai, atsarginis maitinimas, nuolatinė elektros ir šilumos gamyba (CHP).
  • Pramonė: vandenilis naudojamas cheminiame pramonės procese, žaliavų gamyboje, metalų apdirbime.
  • Nešiojami ir specializuoti prietaisai: telekomunikacijų stotys, karinės ir kosminės programos, nuotolinės ar sudėtingos aplinkos energijos tiekimas.

Sauga ir saugojimo sprendimai

Vandenilis turi savitų saugumo aspektų: yra bekvapis, labai lengvas, susimaišo su oru ir gali sudaryti uždegimo mišinius; taip pat jis gali sukelti metalų pažeidimą (embrittlement). Dažniausi saugojimo būdai:

  • Aukšto slėgio indai (iki 700 barų) – populiarus sprendimas automobiliuose.
  • Skystinimas – reikalauja aukštos energijos sąnaudos, bet leidžia didesnį tankį.
  • Cheminės talpyklos (metalų hidratai, amoniakas kaip vandenilio nešti), kurių naudojimas palengvina transportavimą ir saugojimą, bet reikalauja papildomų procesų vandeniliui atskirti.

Išvados

Kuro elementai ir vandenilis turi didelį potencialą pereinant prie mažesnio anglies dioksido išmetimo energetikos ir transporto sektoriuose. Sėkmė priklausys nuo vandenilio gamybos būdų dekarbonizacijos, investicijų į infrastruktūrą, technologijų sąnaudų mažinimo ir saugos standartų diegimo. Kai saulės ir vėjo energija bus plačiai integruotos į elektrolizės procesus, vandenilis gali tapti tvariu energijos nešėju bei svarbia dalimi vandenilio ekonomikos.