UVOD

Obnovljivi izvori energije su izvori energije koji se dobivaju iz prirode te se mogu obnavljati; danas se sve više koriste zbog svoje neškodljivosti prema okolišu. Najčešće se koriste energije vjetra, sunca i vode.Većina tehnologije obnovljivih izvora energije se na direktan ili indirektan način napaja iz Sunca. Sistem Zemljine atmosfere je uravnotežen tako da je toplotno zračenje u svemir jednako pristiglom sunčevom zračenju što rezultira određenim energetskim stepenom unutar Zemljinog atmosferskog sustava što u grubo možemo opisati kao Zemljina klima. Hidrosfera (voda) upije veći udio dolazećeg zračenja. Najviše zračenja se apsorbira pri maloj geografskoj širini u području oko ekvatora, ali se ta energija raspršuje u obliku vjetrova imorskih struja po cijelom planetu. Gibanje valova moglo bi imati važnu ulogu u procesu pretvorbe mehaničke energije između atmosfere i oceana kroz opterećenje uzrokovano vjetrom. Sunčeva energija je također odgovorna za distribuciju padalina, koje su stvarane hidroelektričnim projektima, i za uzgoj biljaka koje su potrebne za proizvodnju biogoriva.

1.VRSTE OBNOVLJIVIH IZVORA

Strujanje obnovljive energije uključuje prirodne fenomene kao što su: sunčeva svjetlost, vjetar, valovi, geotermalna toplina kao što Internacionalna Agencija za Energijuobjašnjava:

„Obnovljiva energija je dobivena iz prirodnih procesa koji se konstantno obnavljaju. U svojim različitim oblicima, dobiva se direktno iz sunca ili iz topline stvarane duboko u Zemlji. To još uključuje električnu struju i topotu dobivenu iz izvora poput sunčeve svjetlosti, vjetra, okeana, hidroenergije, biomase i geotermalne energije te biogoriva i hidrogena dobivenog iz obnovljivih izvora.“

Svaki od ovih izvora ima jedinstvene karakteristike koje utječu na to kako i gdje su korišteni.

1.1 Snaga vjetra 

Protok zraka može se upotrebljavati za pokretanje vjetroturbina. Novije vjetroturbine imaju raspon snage od 600 kW do 5 MW premda su turbine sa izlaznom snagom od 1.5 do 3 MW postale tipične za komercijalne svrhe; izlazna snaga turbine je funkcija kubne brzine vjetra, tako se s povećanjem brzine vjetra dramatično poveća izlazna snaga. Područja gdje su vjetrovi snažniji i učestaliji, poput priobalja i mjesta velike nadmorske visine, preporučljiva su za izgradnju vjetroparkova.

Budući da brzina vjetra nije konstantna, proizvedena energija vjetroparka u godini nije nikad velika kao zbroj nazivnih vrijednosti generatora pomnoženih sa brojem radnih sati. Omjer stvarno proizvedene energije na godinu do teorijskog maksimuma se naziva faktor kapaciteta. Uobičajeni faktor kapaciteta iznosi od 20% do 40% sa vrijednostima u gornjim granicama na pogodnim mjestima proizvodnje. Na primjer, turbina snage 1 MW sa faktorom kapaciteta od 35% neće proizvoditi 8760 MWh na godinu već samo 0,35x24x365=3066 MWh, što u prosjeku iznosi 0.35 MW. Uz pomoć podataka dostupnih na Internetu za neke lokacije, faktor kapaciteta se može izračunati na temelju godišnje izlazne snage.

Globalno gledajući, smatra se da dugoročni tehnički potencijal energije vjetra je zapravo pet puta veći od konačne svjetske proizvodnje energije, tj. da je 40 puta veći od trenutne potražnje energije.

To bi moglo zahtijevati veliku količinu tla za izgradnju vjetroturbina, posebno u područjima s većim izvorima vjetra. Iskustva s priobalnim izvorima ukazuju na to da je tamo brzina vjetra ~90% veća od one na kopnu, pa bi tako priobalni izvori mogli pridonijeti znatno više energije. Taj broj bi se također mogao povećati s povećanjem nadmorske visine vjetroturbina smještenih na kopnu ili u zraku.

Snaga vjetra je obnovljiva i ne uzrokuje stakleničke plinove (ugljikov dioksid i metan) tijekom rada.

1.2 Snaga vode 

Snaga vode (u obliku kinetičke energije, temperaturne razlike ili gradijenta slanosti) može se sakupljati i koristiti. S obzirom da je voda 800 puta gušća od zraka, čak i spori vodeni tok ili umjereni val može pridonijeti razmotrivu količinu energije.

Postoji mnogo oblika snage vode:

1. Hidroelektrična energija je izraz rezerviran za brane velikih dimenzija poput Grand Coulee Dam u državi Washington i Akosombo brana u Gani.

2. Mikro hidro sustavi su uređaji hidroelektrične energije koji inače proizvode do 100 kW snage. Često se upotrebljavaju u područjima bogatim vodom kao Remote Area Power Supply (RAPS). Diljem svijeta je mnogo takvih hidroelektrana uključujući i one od 50 kW na Solomonskim otocima.

3. Sustavi bez brane koriste kinetičku energiju samih rijeka ili oceana bez korištenja brana.

4. Energija oceana opisuje sve tehnologije za prikupljanje energije oceana i mora.

5. Snaga morskih struja: slično kao plimno-osečka snaga, koristi kinetičku energiju morskih struja

1.3 Upotreba solarne energije 

U ovom kontekstu, pod nazivom „solarna energija“ smatra se energija prikupljena od sunčeva svjetla. Solarna energija može biti primijenjena na mnogo načina, uključujući slijedeće:

• Proizvodnja električne energije uporabom fotovoltnih solarnih ćelija• Proizvodnja vodika uporabom fotoelektrokemijskih ćelija• Proizvodnja električne energije uporabom koncentrirane solarne energije• Proizvodnja električne energije zagrijavanjem uhvaćenog zraka koji okreće turbine u solarnom

tornju• Zagrijavanje zgrada, direktno kroz konstrukciju pasivne solarne zgrade• Zagrijavanje prehrambenih proizvoda uz pomoć solarnih pećnica• Zagrijavanje vode ili zraka za kućanstva zbog tople vode i topline prostora pomoću solarno

toplinskih panela• Zagrijavanje i hlađenje zraka kroz uporabu solarnih kamina• Proizvodnja električne energije u geosinkronoj orbiti pomoću solarnih satelita• Solarne klimatizacijske jedinice

1.4 Biogorivo

Biljke upotrebljavaju fotosintezu za rast i proizvodnju biomase. Poznata kao biomaterija, biomasa se može direktno upotrebljavati kao gorivo ili za proizvodnju tekućeg biogoriva. Biogorivo proizvedeno u poljoprivredi, poput biodiezela, etanola ili bioplina (često kao nusprodukt kultivirane šečerne trske), mogu biti sagorena u motorima s unutarnjim izgaranjem ili bojlerima. Uobičajeno je da biogorivo sagorjeva kako bi oslobodilo pohranjenu kemijsku energiju u sebi. Aktivno se radi na istraživanju učinkovitijih načina pretvaranja biogoriva i ostalih goriva u električnu energiju koristeći gorive ćelije.

1.5 Bioplin 

Bioplin se lako može proizvesti iz trenutnih ostataka kao što su: proizvodnja papira, proizvodnja šećera, fekalija, ostataka životinja i tako dalje. Ovi različiti ostaci trebaju biti pomiješani zajedno i uz prirodnu fermentaciju proizvoditi plin metan. Ovo se može učiniti pretvorbom trenutnih fekalinih postrojenja u bioplinska postrojenja. Kad elektrana bioplina ispusti sav metan koji može, ostaci su katkad pogodniji za gnojivo nego originalna biomasa.

1.6 Geotermalna energija 

Geotermalna energija je energija dobivena odvajanjem topline od same zemlje, obično kilometrima duboko u Zemljinoj kori. Skupo je sagraditi elektranu, ali troškovi rada su jeftini što rezultira niskom cijenom energije za pogodne lokacije. Konačno, ova energija se dobiva iz topline Zemljine jezgre. Vlada Islanda kaže: “Treba naglasiti da geotermalni izvori nisu nužno obnovljivi u istom smislu kao i vodeni izvori.“ Procjenjuje se da bi Islandova geotermalna energija mogla pružiti 1700 MW za 100 godina, u usporedbi sa trenutnom proizvodnjom od 140 MW. Internacionalna Agencija za Energiju smatra geotermalnu energiju obnovljivom.

2. SOLARNA ĆELIJA

Solarna ćelija (fotonaponska ćelija) pretvara svjetlosnu energiju Sunca u električnu energiju. Na svjetskom tržištu dominira silicijeva solarna ćelija. Silicijska fotonaponska ćelija je sastavljena od dva tipa silicija. Između njih se djelovanjem svjetlosnih fotona stvara razlika napona i time tok struje kroz priključeni potrošač. U praksi koristimo solarne panele, koji se sastoje od više solarnih ćelija spojenih serijski da se dobije veći napon i paralelno da se dobije veća struja. Cilj ovog rada je pokušati ostvariti fotonaponsku ćeliju za pametnu kuću. Prednosti korištenja fotoćelije u pametnoj kući su višestruke. Osim što se može koristiti kao napajanje i akumulator, ona može poslužiti i kao senzor svijetlosti u kući te kao sigurnosno napajanje pametne kuće. Nažalost, rezultati pokusa su polovični. Naime, zaključeno je da ćelija može poslužiti kao senzor svijetlosti i mali izvor napajanja u pametnoj kući, ali je preslaba da se koristi kao napajanje, pa čak i ono sigurnosno. Također, zaključak rada daje osvrt na moguća poboljšanja ćelije, kojima bi se mogle ukloniti postojeće mane.

Sunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sustavu. Količina solarne energije koja svake minute stiže na Zemlju dovoljna je da zadovolji godišnje energetske potrebe čovječanstva u trenutnoj fazi razvoja. Usprkos ogromnom potencijalu, iskorištavanjem solarne energije trenutno se pokriva vrlo mali postotak energetskih potreba čovječanstva. Jednim dijelom to je zbog slabe razvijenosti trenutnih tehnologija za iskorištavanje energije Sunca, ali ipak je najveći problem trenutna cijena sustava za iskorištavanje solarne energije. Postoji nekoliko načina iskorištavanja energije Sunca. Najjednostavniji i najjeftiniji način iskorištavanja solarne energije svakako je grijanje vode ili neke druge tekućine za upotrebu u domaćinstvima. Elementi koji iskorištavaju energiju Sunca za grijanje vode nazivaju se solarni kolektori i uobičajeno se postavljaju na krovove kuća i zgrada. Drugi način iskorištavanja energije Sunca je koncentriranje solarne energije pomoću sistema zrcala i stvaranje velike količine toplinske energije koja se kasnije u standardnim generatorima pretvara u električnu energiju. Ovakva postrojenja mogu biti vrlo velika i uobičajeno se grade u pustinjama, a služe za komercijalnu proizvodnju električne energije. Solarne (fotonaponske) ćelije su treći i najpoželjniji način iskorištavanja energije Sunca, ali zbog slabe efikasnosti i visoke cijene trenutno se ne koriste u velikoj mjeri. Solarne ćelije direktno pretvaraju solarnu energiju u električnu energiju. Solarne ćelije uobičajeno se koriste tamo gdje nije moguće dovesti neki drugi izvor energije, primjerice na satelitima, na znakovima uz ceste i slično. Dodatno se koriste za napajanje energijom malih potrošača kao što su džepna računala.

2.1 Fotoelektrični efekat

Fotoelektrični efekt je bio zagonetka u fizici do početka 20. stoljeća, a njegovo otkriće je odigralo ključnu ulogu u razvoju moderne fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa u mikrosvijetu. Heinrich Rudolf Hertz je 1807. godine otkrio, ali ne i objasnio fotoelektrični efekt. Fotoelektrični efekt je otkrio francuski fizičar Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) 1839. godine. Imenom fotoelektrični efekt je nazvana pojava kada svjetlost određene valne dužine padne na površinu metala (npr. cinka, natrija ili bakra) i iz njega izbija elektrone. Najvažnija osobina fotoelektričnog efekta je povezana s ovisnošću fotoelektričnog efekta o valnim dužinama i intenzitetu svjetlosti kojom se osvjetljava metalna ploča. Ukoliko je valna duljina manja od neke granice (koja ovisi o vrsti tvari), intenzitet efekta (količina el. naboja koji se pojavljuje na ploči) raste s povećanjem intenziteta. Međutim, ako valna dužina svjetlosti prelazi tu granicu, fotoelektrični efekt nestaje, bez obzira koliko intenzivna bila svijetlost. Druga opažena osobina efekta je vezana za gibanje električnih naboja koji napuštaju metalnu ploču. To gibanje se može zaustaviti ako se električni naboji koče vanjskim električnim poljem. Eksperimenti su pokazivali da veličina napona kočenja uopće ne ovisi o intenzitetu svjetlosti, već samo o njenoj valnoj dužini. To se nije moglo objasniti teorijom o svjetlosti kao valu. Ona je predviđala da će s povećanjem intenziteta rasti napon kočenja koji neće ovisiti o valnoj dužini.

Solarne ćelije su zasnovane na fotoelektričnom efektu. Solarne ćelije su izgrađene od dva sloja: pozitivnog i negativnog, a razlika potencijala između ta dva sloja ovisi o intenzitetu solarnog zračenja. Solarna energija stiže na Zemlju u obliku fotona. Prilikom pada na površinu solarne ćelije ti fotoni predaju svoju energiju panelu i na taj način izbijaju negativno nabijene elektrone iz atoma. Izbijeni elektroni kreću se prema drugoj (negativnoj) strani panela i na taj način dolazi do razlike potencijala, tj. generira se električna energija. Fotonaponske ćelije grade se od silicija, a silicij je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji.

2.2 Tipovi solarnih ćelija

Monokristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastaljenog silicija i režu na tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti.

Polikristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Proizvodnja ovih ćelija je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekući silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tijekom skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se pojavljuju greške, zbog čega solarna ćelija ima manju iskoristivost.

Amorfne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 µm, stoga su troškovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cijenom materijala. Međutim iskoristivost amorfnih ćelija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade.

Galij arsenidne (GaAs) ćelije: galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija i arsena. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim ćelijama. Širina zabranjene vrpce (band gap) je pogodna za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbirao sunčeve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u usporedbi sa Si ćelijama te na zračenja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u sustavima s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na ćelijama. Projekti koncentriranog zračenja su još u fazi istraživanja. Galij indijum fosfidna/galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna ćelija ima iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 300 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2.

Kadmij telurijeve (CdTe) ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 160 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2 u laboratorijskim uvjetima. Kadmij teleurid je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.

3. GORIVA ĆELIJA

Goriva ćelija je elektroHemijski uređaj koji služi za neposrednu konverziju kemijske energije, sadržane u nekom kemijskom elementu ili spoju, u istosmjernu električnu struju. Goriva se ćelija, isto tako kao i baterija, sastoji iz dviju elektroda uronjenih u isti elektrolit. Na anodi gorive ćelije oksidira se gorivo, tj. neki kemijski element ili spoj visokog sadržaja unutrašnje energije. Elektroni, proizvedeni oksidacijom goriva, odvode se od anode vanjskim krugom vodiča i preko trošila (otpornik, električni motor istosmjerne struje, žarulja i sl.) do katode. Na katodi  neki se drugi element ili spoj (oksidans) reducira zahvatom elektrona proizvedenih na anodi. Produkti reakcije, negativni i pozitivni ioni, spajaju se u elektrolitu, a nastali produkt odvodi se iz gorive ćelije. Često je konačni produkt reakcije isti kao da je gorivo izgorjelo u oksidansu uz direktnu pretvorbu kemijske u unutrašnju termičku energiju. Odatle i potječe naziv goriva ćelija.

Gorive ćelije su visoko djelotvorni pretvarači energije. Bez pokretnih su dijelova i rade bez buke. Primjena gorivih ćelija ograničena je za sada na svemirske letjelice i u neke vojne svrhe, dakle tamo gdje visoka nabavna cijena nije primarna.

3.1 Razvoj gorive ćelije

Gorivu ćeliju otkrio je W. R. Grove 1839.godine opažanjem, da se obratom elektrolize vode, tj. dovođenjem vodika na jednu i kisika na drugu elektrodu može dobiti električna struja. Svoje eksperimente opisao je 1842. kada govori o plinskoj voltinoj bateriji. Grove je prvi opazio da se električna struja stvara na mjestu dodira triju faza: plinske (vodik ili kisik), tekuće (vodljivi elektrolit) i čvrste (platinska elektroda). Opazio je također da jakost struje određuje aktivna površina elektrode, te je stoga počeo eksperimentirati sa spužvastom platinom, poroznim metalom velike specifične površine. Tako je ne samo otkrio gorivu ćeliju nego je zacrtao i problematiku istraživanja za više od jednog stoljeća. Groveova zapažanja obnovili su tek 1889. godine L. Mond i C. Langer. Oni su gorivoj ćeliji vodik - kisik dodali separator, poroznu, vodljivu membranu za odvajanje anodnog i katodnog prostora, smanjujući mu na taj način dimenzije. Krajem XIX stoljeća W. Ostwald i W.

Nernst upozorili su na termodinamičke osnove konverzije energije i definirali termin gorive ćelije. Iz tog doba poznati su pokušaji W. W. Jaquesa da kemijsku energiju ugljena iskoristi u gorivoj ćeliji. Iako su na razvoju gorivih ćelija teorijski i eksperimentalno radili mnogi istaknuti kemičari i elektrokemičari (uz već spomenute još i F. Haber, K. A. Hofmann i E. Baur), moderna, tehnički primjenjiva rješenja počinju tek radom engleskog istraživača F. T. Bacona 1932. godine. Sredinom 50 – ih godina ostvarene su prve gorive ćelije pogodne za pogon transportnih sredstava i manjih električnih uređaja. Osobiti podstrek razvoju gorivih ćelija dali su programi istraživanja svemira u SAD i SSSR. Sredinom 60-ih godina glavni sustavi napajanja svemirskih letjelica električnom energijom bili su zasnovani na gorivnim ćelijama tipa vodik-kisik s platinskim elektrodama i ionsko-izmjenjivačkim membranama kao nosačem elektrolita. Zbog nedovoljnog poznavanja osnova kinetike i mehanizama elementarnih elektrokemijskih procesa, istraživanja su sporo napredovala i nije bilo uspješnih ekonomičnih i tehničkih rješenja gorivih ćelija. Saznanja o materijalima i njihovim površinskim svojstvima, o zakonitostima prijenosa mase i naboja preko granica faza i o strukturi elektrokemijskog dvosloja rezultat su istraživanja 50-ih i 60-ih g.

3.2 Princip rada gorive ćelije 

Princip rada gorive ćelije može se najlakše objasniti na do sada najbolje razvijenom sustavu s vodikom kao gorivom i kisikom kao oksidansom. Kada se vodik i kisik u plinskom stanju dovedu u kontakt i aktiviraju, oni reagiraju, spajaju se u vodu i oslobađaju energiju: 2H2 + O2 › 2H2O + energija.

U gorivoj ćeliji ta se ukupna reakcija sastoji od dviju reakcija, od kojih svaka teče na jednoj elektrodi. Na anodi se oksidira vodik i oslobađaju se elektroni: H2 › 2H+ + 2e. Elektroni se vode kroz vanjske vodiče preko trošila na katodu, gdje se reducira kisik: O2 + 2H2O + 4e › 4OH-.

Redukcija kisika je kompleksna, višestruka reakcija, čiji mehanizam ovisi i o naravi elektrodne površine. Ukupna reakcija sastavljena je od nekoliko podreakcija: O2 › O + O (disocijacija), u kojoj se atomski kisik adsorbira na površini metalne elektrode. Reakcija sa vodom: O + H2O › 2OH (hidroksilacija). Nastaju hidroksilne grupe, adsorbirane kao hidroksid na površini metala, koje se konačno reduciraju u ione OH + e › OH-(elektonacija, redukcija).

U gorivoj ćeliji s kiselim elektrolitom vodikovi ioni, stvoreni na anodi, putuju kroz elektrolit i spajaju se u reakcijskom sloju katode s hidroksilnim ionima u vodu. U ćeliji s alkalnim elektrolitom hidroksilni ioni dolaze difuzijom kroz elektrolit u reakcijski sloj anode, gdje se s vodikovim ionima rekombiniraju u vodu. Spomenuti slijed reakcija jest tzv. oksidni put redukcije kisika. Postoji još čitav niz drugih mehanizama prema kojima se u gorivim ćelijama reducira oksidans, a oksidiraju različite molekule koje služe kao gorivo. Spomenuti primjer pokazuje kompleksnost elektrokemijskih reakcija i probleme s kojima se suočavaju konstruktori gorivih ćelija. Radi ubrzavanja reakcija elektrode su prekrivene slojem katalizatora. Vrsta katalizatora ovisi o tipu gorive ćelije.

3.3 Dijelovi gorive ćelije

Elektrode 

Na elektrodama gorive ćelije odvijaju se elektrokemijske reakcije oksidacije i redukcije. Elektrode imaju višestruku funkciju. One provode elektrone, pa se izrađuju iz metala ili materijala s poluvodičkim svojstvima. Površina elektrode mora katalizirati elektrokemijsku reakciju adsorbiranjem i disociranjem reaktanata, te brzim desorbiranjem produkata reakcije. Od elektrode se traže dobra mehanička svojstva, tako da se mogu izraditi u željenom obliku, s visokom specifičnom površinom i određenom veličinom pora. Elektrode ne smiju korodirati u elektrolitu gorive ćelije, ali su štetni i zaštitni oksidni slojevi, koji pružaju otpor prolazu elektrona. Svim tim zahtjevima odgovaraju samo neki metali: platina, paladij, rodij, rutenij, te do neke mjere nikal za anode i srebro za katode. Grafit je također dobar materijal za elektrode u gorivim ćelijama koje rade pri srednjim ili visokim temperaturama.

Plemeniti metali su skupi i nema ih dovoljno. Neke od suvremenih elektroda upotrebljavaju plemenite metale u obliku finih disperzija u matrici nekog polimera (teflon, polietilen) na nosaču od nikla, bakra ili nekog drugog neplemenitog metala. Za takve elektrode s platinom potrebno je 1…20

mg platine za cm2 aktivne površine i oko 20 mg za svaki wat snage. Tipične su gustoće struje 0,5 A/cm2 uz napon na stezaljkama 0,6….0,9 V. Široka primjena gorivih ćelija u budućnosti ovisi o pronalaženju drugih, jeftinijih materijala za elektrode.

Rad gorivih ćelija sa plinovitim reaktantima ovisi o transportu materije i prijenosu naboja na granici triju faza: plinovito - tekuće - čvrsto. Pri tome je najvažnija poroznost elektroda. Plin ulazi u pore elektroda i mora dospjeti do onog dijela koji je kvašen elektrolitom. Plin se tada ionizira, a elektrolit prihvaća i odvodi nastale ione. Znatna gustoća struje i dovoljan transport materije može se ostvariti samo na mjestu, gdje je put difuzije plina kroz tekućinu kratak, a debljina sloja tekućine ipak tolika da je odvod produkata reakcije dovoljno intenzivan. To se mjesto naziva područjem reakcije. Proračun promjera pora, tlaka ulaznog plina, te stanje površine elektroda kritični su elementi tehnologije elektroda gorive ćelije.

Pritisak plina određuje položaj meniska u porama. Potapanje pora elektrolitom zbog premalog tlaka plina ili istiskivanje elektrolita iz pora prevelikim tlakom obustavlja elektrokemijsku reakciju u porama, a na taj način i rad gorive ćelije. Najboljim su se pokazale elektrode s različitim veličinama pora. U takvim su elektrodama pore na strani elektrolita uske, pa imaju veliki kapilarni efekt. Na strani plina pore su široke, te plin u njih lako ulazi. Na taj način položaj meniska, koji se uspostavlja na granici između uskih i širokih pora, može bolje regulirati i nije toliko ovisan o tlaku plina. Karakteristični promjeri uskih i širokih pora u gorivnoj ćeliji tipa vodik – kisik iznose 10….15 µm, odnosno 30….50 µm. U proizvodnji tih elektroda upotrebljavaju se dvije vrste monodisperzivnih metalnih praškova. Sloj velikih čestica postupno se sinterira na već formiranu podlogu s manjim česticama.

Katalizatori 

Tok elektrokemijske reakcije i gustoća struje ovise o katalitičkim pojavama na površini elektroda. Elektroda može biti ujedno i katalizator (elektrokatalizator) ako se određenim postupkom obradi ili ako se na njenu površinu katalizator adsorbira. Izbor katalizatora ovisi o najsporijem elementarnom stupnju ukupne reakcije, koji treba ubrzati ili mu smanjitiotpor.

Elektroliti 

U elektrolitu se prenosi naboj difuzijom iona s jedne na drugu elektrodu. Upotrebljavaju se tekući i čvrsti elektroliti. Svaka polarna tekućina, koja otapa ionske kristale, može biti tekući elektrolit. To mogu biti i rastaljene soli, ponajviše one alkalijskih metala (kloridi i karbonati). Od čvrstih elektrolita važni su ionski izmjenjivači, membrane građene od polimera(npr. polistirena) s aktivnim skupinama SO3H, COOH, OH ILI NH2. Takve membrane odvajaju katodni od anodnog prostora, te smanjuje dimenzije gorivne ćelije. Djelovanje gorive ćelije sa čvrstim elektrolitom ne ovisi o gravitaciji, te se oni stoga primjenjuju u svemirskim letjelicama. Visokotemperaturne gorive ćelije sadrže čvrste elektrolite (Al2O3, ZrO2 i MgO), koji su dopirani (kontrolirano onečišćeni) dodatkom metala (iona iz grupe alkalija, zemnoalkalija ili lantanida). U novije vrijeme ispituju se elektrolitički vodljive membrane od nikal-borida i bor - nitrida.

Goriva 

Svaki kemijski element ili spoj visokog sadržaja unutrašnje energije, koji tu energiju može oksidacijom osloboditi i prijeći u jone, može biti gorivo u gorivoj ćeliji.

3.4 Podjela gorivih ćelija 

Prema načinu rada gorive se ćelije razvrstavaju na primarne i sekundarne. U primarnim gorivim ćelijama gorivo i oksidans dovode se iz vanjskih spremnika, a produkt reakcije se odbacuje. U sekundarnim, regenerativnim gorivim ćelijama produkt reakcije se regenerira u polazne reaktante uz utrošak energije (npr. termičke, električne).

Za regeneraciju se može upotrijebiti i Sunčeva energija, te radijacijska energija iz nuklearnih

reaktora ili fisionih produkata dugog vremena poluraspada. Produkti se mogu regenerirati u gorivoj ćeliji ili izvan nje, kontinuirano ili u ciklusima. Primarne gorive ćelije slične su po principu rada bateriji, po tome što su obje proizvođači električne energije. Sekundarne gorive ćelije slične su akumulatoru jer su oboje samo sredstvo za posredno uskladištavanje energije.

4.AUTOMOBIL SA GORIVOM ĆELIJOM

Gorive ćelije se intenzivno ispituju, a istraživanja su dobila novi poticaj zbog zaoštravanja svjetske energetske krize. Međutim, za sada ne postoje tehnička rješenja gorivih ćelija koja bi udovoljavala svim zahtjevima za visoku specifičnu snagu, pouzdanost i ekonomičnost i koji bi u tome mogli konkurirati procesima s neposrednim izgaranjem goriva (kotlovi s parnim turbinama, motori sa unutrašnjim sagorijevanjem, plinske turbine). Opravdanost upotrebe gorivih ćelija u budućnosti temelji se na dva faktora: visoki stupanj djelotvornosti i mali negativni utjecaj na okoliš. Stupanj djelotvornosti znatno je viši nego u svim do sada upotrebljavanim termičkim procesima za proizvodnju električne energije. Količina otpadne topline iz gorivih ćelija manja je nego iz konvencionalnih postrojenja, a produkti izgaranja ne sadrže štetne sastojke. Sastav produkata koji napuštaju gorivu ćeliju, kada u gorivu ima ugljika, ovisi o postignutoj potpunosti izgaranja. Gorive ćelije osim toga rade skoro bešumno. Prije široke primjene gorivih ćelija, osim niza manjih poteškoća, treba riješiti dva ključna problema. Prvi je zamjena plemenitih metala, platine i platini srodnih metala kao materijala elektroda, s drugim, jeftinijim i pristupačnijim materijalima. Drugi je problem trajnost i pouzdanost gorivih ćelija. Ova svojstva ovise o katalitičkoj aktivnosti elektrodne površine, o mogućnosti njenog obnavljanja nakon nepredviđenog, slučajnog zagađivanja kemijskim spojevima, katalitičkim otrovima, iz goriva. Međutim, da održe radnu temperaturu, oni moraju ili neprekidno raditi, što snizuje njihov ukupni stupanj iskorištenja goriva, ili zahtijevaju pomoćne izvore energije. Ako se uspješno riješe spomenute teškoće, najvjerojatnije će se gorive ćelije najprije upotrebljavati za pogon cestovnih vozila. Tada bi pogonski motor bio istosmjerni električni motor napajan iz gorine ćelije. Gorivo i oksidans preuzimali bih se u rezervoare vozila u pumpnim stanicama koje bi odgovarale današnjim benzinskim stanicama. Razmatra se mogućnost upotrebe gorivih ćelija s vodikom kao gorivom za stabilna postrojenja velike snage. Vodik bi se proizvodio elektrolizom vode upotrebljavajući neiskorištene snage termoelektrana, u prvom redu nuklearnih, u razdobljima malih opterećenja u elektroenergetskom sustavu.

Svi vodeči svijetski proizvodjači automobila vec dugo rade na usavršavanju vozila pokretanih gorivim ćelijama. No prije masovne proizvodnje trebati će udovoljiti nekim osnovnim zahtijevima koje mora zadovoljavati svaki automobil. U grubo ti zahtjevi svode se na potrebu da vozilo može prijeći barem 250 km bez potrebe za punjenjem, a drugi važni zahtjev je da takvo vozilo bude u stanju postići brzinu od 160 km/h do 200 km/h ovisno o veličini vozila, a trebati ce se rijesiti i problemi kao sto su skladištenje vodika, težina automobila i naravno cijena.

Iako još nije napravljen automobil koji bi odgovarao svim tehničkim i sigurnosnim standardima koje zahtjeva auto-industrija iz nekih auto kompanija dolaze dobre vijesti. Brojni konceptni auti vec godinama krstare europskim cestama a jos 2003 god. Mercedes je Madridu kao prvom od predviđenih deset gradova u Europi isporučio svoje autobuse na gorive celije. FC (Fuel Cell) Citaro autobusi vozili su dvije godine i u tome razdoblju pružili značajne informacije o ponašanju vozila u stvarnim uvjetima. Domet FC Citara je simboličnih 200 km, što je više nego dovoljno za gradski promet, jednako kao i najveća brzina od 80 km/h. Snaga elektromotora je 200 kW, a spremnik vodika pod pritiskom od 350 bara smješten je na krovu automobila.