STUDIUL UTILIZARII PILELOR DE COMBUSTIE PENTRU ALIMENTAREA MOTOARELOR ELECTRICE UTILIZATE PENTRU ACTIONAREA AUTOVEHICULELOR

INTRODUCERE

Unul dintre cei mai interesanti, poate intr-un fel cei mai promitatori combustibili alternativi pentru transport este hidrogenul. Este usor de produs prin electroliza, prin simpla separare a oxigenului si hidrogenului din apa (H2O), utilizand energia electrica. Cu toate acestea, in prezent aproape intreaga cantitate de hidrogen se obtine din gazul natural. Utilizarea hidrogenului, indeosebi atunci cand acesta este produs cu energie eoliana, solara, geotermala, hidro sau alte sisteme de energie regenerabila, genereaza un lant al emisiilor zero. Hidrogenul este un combustibil curat, care poate inlocui benzina, motorina sau gazul, in sectorul de transport. Deoarece hidrogenul in stare gazoasa ocupa un volum foarte mare, comparativ cu alti combustibili, hidrogenul ar fi mult mai util ca sursa de energie in stare lichida. O solutie posibila este separarea carbonului asociat in hidrogen, intr-un reformator catalitic si introducerea hidrogenul intr-o pila de combustie. Hidrogenul este utilizat in pilele de combustie pentru producerea electricitatii; sistemul de actionare pentru vehiculele pe hidrogen consta intr-un motor electric fara angrenaj. Hidrogenul este de asemenea utilizat in motoarele cu ardere interna special proiectate si a fost cu succes amestecat cu gazul natural la autobuzele pe gaz, pentru a spori eficienta si a reduce emisiile. Pila pe hidrogen utilizeaza hidrogenul ca si combustibil si oxigenul ca si oxidant. Alti combustibili includ hidrocarburi si alcooli. Alti oxidanti sunt aerul, clorul si dioxidul de clor. Incepand cu anii 1990, producatorii de automobile au evidentiat dezvoltarea sistemelor de actionare cu hidrogen. In timpul demonstratiilor, autobuzele din transportul public, pe pile de combustie cu hidrogen, au dovedit o fiabilitate comparabila cu autobuzele pe motorina, pe parcursul a trei ani de operare, iar durata de viata a pilelor de combustie se imbunatateste constant. AVANTAJE o Zero emisii dioxid de carbon*a se vedea dezavantajul 1 o Angajare ferma in diminuarea schimbarilor de clima o Imagine verde, Public Relation pozitiva o Nivel redus de zgomot o Calea pentru utilizarea resurselor locale diversificate o Eficienta ridicata a combustibilului DEZAVANTAJE Daca nu se produce prin electroliza, emisiile de dioxid de carbon ce rezulta din procesul de producere a hidrogenului pot fi mai mari decat in cazul benzinei sau a motorinei In stare gazoasa necesita volum mare Necesita echipament de umplere specializat (poate fi gaz comprimat sau un lichid)

Costuri ridicate Stocarea hidrogenului pe vehicule pentru o gama rezonabila

Prima statie publica de realimentare cu hidrogen a fost deschisa in aprilie 2003 la Reykjavik, Islanda. Aceasta statie deserveste trei autobuze construite de DaimlerChrysler, care opereaza in reteaua de transport public din acest oras. Statia produce hidrogenul propriu necesar, printr-o unitate de electroliza (produsa de Norsk Hydro), si nu necesita reumplere: tot ceea ce intra in statie este energia electrica si apa. Royal Dutch Shell este de asemenea partener in acest proiect. Statia nu are acoperis, pentru a permite oricaror scapari de hidrogen sa esapeze in atmosfera.

Ce sunt pilele de combustie ? Pilele de combustie sunt dispozitive electrochimice extrem de eficiente care utilizeaza hidrogenul si oxigenul pentru a produce energie electrica. Aceasta energie electrica este utilizata pentru alimentarea unui motor electric de tractiune din vehicul. Pila de combustie a fost descoperita de mai bine de un secol. Pilele de combustie au fost utilizate in explorari spatiale pe parcursul secolului 20 fiind inregistrate progrese destul de rapide. In 2006 erau vehicule care utilizau fie hidrogenul comprimat fie lichefiat. Vehiculele pe pila electrica au performante similare sau imbunatatite, comparativ cu un vehicul pe motor cu ardere interna, nefiind la fel de limitate ca majoritatea vehiculelor pe baterie electrica. Desi vehiculele pe pila de combustie nu sunt deocamdata disponibile comercial, aceasta pare sa se schimbe in urmatorii cativa ani. Vehiculele pe pila de combustie pot fi pure sau hibride. Modelul hibrid include utilizarea unei baterii pentru sarcina energetica de varf. Aceasta permite de asemenea vehiculului sa utilizeze energia de franare regenerativa, ceea ce poate reduce consumul de combustibil cu pana la 20%. Hibridele economisesc combustibil in proportie de 30-40%. Pilele de combustie au fost utilizate de multi ani pe nave spatiale pentru alimentarea echipamentelor electrice. Acestea sunt alimentate cu hidrogen lichid din rezervoarele de combustibil ale rachetelor spatiale. Vehiculele pe pila de combustie transforma hidrogenul si oxigenul in energie electrica. Energia electrica astfel obtinuta alimenteaza apoi un motor electric, la fel cum se intampla cu bateriile electrice care alimenteaza motorul unor vehicule electrice. Atunci cand se combina oxigenul cu hidrogenul, acestea produc energie si apa (H2O). In pilele de combustie aceasta se face fara vreo ardere (combustie). Cand ne referim la vehicule alimentate cu hidrogen, ne duce gandul la navele spatiale de tip racheta, cum este o baza spatiala. Aceasta este alimentata cu oxigen si hidrogen, ambele in stare lichida. Cu exceptia apei, la esapare nu se regasesc alte substante. Pilele de combustie se incing iar apa se elimina din pilele de combustie sub forma de vapori de apa sau abur. Exista o serie de cai prin care hidrogenul poate fi furnizat pilelor de combustie. O cale este pur si simplu de a introduce hidrogen gazos in pila de combustie, impreuna cu aer. Hidrogenul gazos poate proveni din hidrogenul in stare gazoasa sau lichida acumulat pe vehicul. Pentru a transporta hidrogenul gazos pe vehicul, acesta trebuie comprimat. Atunci cand se comprima (de regula la o presiune de circa 3000 pounds/inch patrati) acesta trebuie stocat in containere speciale de inalta presiune. Acest lucru este similar modului in care este stocat gazul natural comprimat pe vehiculele alimentate cu gaz natural.

Fabricantii, intre care Ford, General Motors (GM), Honda, Toyota si Mercedes Benz, au demonstrat deja aceste vehicule pe pila de combustie, iar o serie de vehicule New Electric Car (Necar) au fost realizate de DaimlerChrysler, Ford si Ballard. Acest parteneriat isi propune ca pana in 2010-2012, sa faca posibila comercializarea automobilelor pe pila de combustie. In prezent, au fost realizate vehicule pe pila de combustie doar in etapa de pre prototip. Aceasta inseamna ca exista doar cateva vehicule pe pila de combustie si toate sunt in realitate utilizate pentru teste. Majoritatea producatorilor de automobile lucreaza la modele pentru demonstratii, unele dintre acestea putand atinge o viteza de 90km/h si circa 280 mile inainte de a trebui realimentate.

INFORMATII SPECIFICE DIN CATEVA STATE

Marea Britanie Exista o serie de proiecte demonstrative pentru vehicule pe pila de combustie, in derulare la Londra, intre care: Trei autobuze pe pila de combustie (parte din proiectul CUTE) Un taxi pe pila de combustie Un vehicul utilitar pentru parcare

Suplimentar, Consiliul de Lucru detine o statie de alimentare cu pila de combustie. Italia In iulie 2006 a fost realizata prima statie de alimentare cu H2, de catre Eni in Grecciano (Regiunea Tuscany, pe ruta Florenta-Pisa-Livorno). Aceasta facilitate constituie prima statie din lume care furnizeaza H2 din surse regenerabile. Hidrogenul este produs de panouri fotovoltaice de 20kW si trei turbine eoliene de 20kW. In prezent nu exista reglementari nationale care sa permita vehiculelor sa functioneze pe H2, statia fiind in consecinta utilizata de prototipuri. Bulgaria In Bulgaria s-a intensificat cercetarea combustiei eficiente pentru obtinerea unor emisii ultra reduse, pentru a respecta legislatiile europene si nationale stringente cu privire la emisii, pentru aplicatii industriale si automotoare. Un foarte bun exemplu in acest sens este activitatea de

cercetare desfasurata in Laboratorul pentru probleme ecologice ale motoarelor (LEPE) in cadrul Universitatii din Ruse. In sectorul automotor, pentru cel putin alte cateva decade, nu vor fi produse in serie vehiculele propulsate cu pila de combustie si motoare cu injectie directa supra incarcate cu hidrogen, deoarece raman inca de solutionat problemele legate de producerea si stocarea de hidrogen. Este asadar probabil ca motoarele cu combustie sa domine inca piata pentru urmatorii 30 pana la 50 de ani, ceea ce implica eforturi reale care trebuie orientate catre obtinerea unei combustii eficiente si curate la motoarele cu combustie interna pe hidrogen. Hidrogenul, ca stimulent al arderii, constituie o abordare avansata, considerabil dezvoltata in Bulgaria. Hidrogenul arde mai rapid decat combustibilii hidrocarburi, deoarece este mai mic si intra in reactiile de ardere cu o viteza mai mare, are o energie de activare mai redusa si produce mai multe coliziunii moleculare decat moleculele mai grele. Aceste caracteristici fac posibila utilizarea unor amestecuri ale hidrogenului cu hidrocarburi ale combustibililor conventionali, cum este benzina, motorina si propanul, pentru a reduce emisiile de hidrocarburi nearse. Tranzitia de la combustibilii fosili la hidrogen regenerabil, prin utilizarea unor amestecuri ale hidrogenului, in cantitati mici, cu combustibilii conventionali, ofera reduceri considerabile ale emisiilor evacuate. LEPE are in derulare activitati de cercetare a utilizarii adaosurilor de hidrogen (suplimentar) in combustibilii conventionali. Utilizarea hidrogenului ca stimulent in ardere face posibila respectarea cerintelor viitoare pentru emisii mai reduse la evacuare, in cazul altor combustibili utilizati in Bulgaria. La LEPE se afla in faza de proiectare si executie un sistem de ardere avansat pentru Arderea Imbunatatita a Hidrogenului (HETI). Acest sistem de ardere se afla in prezent intr-un proces intensiv de investigare, pentru a fi evaluate posibilitatile sale de asistare si imbunatatire a aprinderii si a arderii unor amestecuri aer-hidrocarbon foarte putin omogene. Primele rezultate arata o imbunatatire a consumului de combustibil la scara mare ca si o reducere a emisiilor de NOx, in conditii de sarcina partiala. Sistemul HETI consta intr-o anti camera atasata la gaura de bujie standard si un dispozitiv de injectare a hidrogenului atasat acestei anti camere. Aceasta este conectata cu camera principala de combustie prin cateva orificii inguste. Electrozii bujiilor sunt pozitionati in volumul anti camerei. Conceptul proiectat isi propune injectarea unor cantitati mici de hidrogen pur sau H2 imbunatatit in anti camera si aprinsi prin scanteie. Ca rezultat, jetul bogat in OH si radicali de H, cu energie termala ridicata, pot imbunatati considerabil combustia amestecului de combustibil ultra slab aer-hidrocarbon din camera principala de combustie. Portugalia Pila de combustie se afla in stadiu de cercetare si constituie o problemtica curenta a diverselor institute si asociatii din intreaga tara. Cel mai important proiect este CUTE, cu 3 autobuze testate in orasul Porto. Spania Madrid si Barcelona, impreuna cu alte 8 orase europene (Amsterdam, Stockholm, Hamburg, Londra, Luxemburg, Stuttgart, Reykjavik si Porto), sunt pioniere inca din 2003 in ce priveste utilizarea autobuzelor urbane echipate cu pila de combustie care utilizeaza hidrogenul ca si combustibil. Aceasta initiativa constituie parte din proiectul CUTE (Clean Urban Transport for

Europe), promovat de Uniunea Europeana si condus de DaimlerChrysler (Mercedes), care analizeaza demonstratia a 30 de autobuze alimentate prin pila de combustie in aceste 10 orase europene. 10 autobuze sunt echipate cu pile Ballard de 205 kW cu membrana de schimb protonic de tip PEMFC. Mai mult, orasul Madrid participa in alt proiect, CITYCELL, coordonat de Iveco-Iris Bus si Renault, care analizeaza demonstratiile a 4 autobuze alimentate cu pila de combustie in 4 orase europene (Madrid, Paris, Torino si Berlin). In Madrid si Torino, vehiculele utilizate sunt IVECO, echipate cu o pila de combustie UTC de 62 kW de tip PEMFC. In 2003 Compania de Transport Municipal Madrid a pus in operare primul autobuz pe pila de combustie si hidrogen, in cadrul unui proiect european CUTE/ECTOS. Acestia au construit o statie de realimentare cu H2 capabila sa alimenteze rezervorul autobuzului in 15 minute la presiunea de 350bar. Acum se studiaza alte tehnologii legate de hidrogen, ca tehnologia hibrida sau combustia cu hidrogen direct. Dupa aproximativ doi ani, dupa ce EMT a inceput sa utilizeze acest tip de vehicule, putem spune ca experienta a fost foarte pozitiva pentru a fi acceptata atat de catre soferi cat si de calatori.

Islanda Guvernul Islandei a declarat obiectivul sau ambitios de a deveni prima tara din lume care utilizeaza hidrogenul. Istoria hidrogenului in aceasta tara este urmatoarea: In 1998 au fost luate primele decizii ale politicii de utilizare a hidrogenului Pozitia actuala este ca Islanda sa devina o platforma internationala pentru cercetarea hidrogenului Crearea primei economii din lume pentru hidrogen Politica guvernamentala pentru promovarea Hidrogenului Cadrul favorabil pentru cercetare si comercializare Cooperarea internationala Educare si instruire Primii pasi importanti Stimulente pentru taxare (scutire de taxe pentru vehiculele pe hidrogen) Sustinere financiara si internationala (IPHE) Politica de dezvoltare rutiera si hidrogenul Operare autobuz Autobuzele pe hidrogen au sosit in Islanda in septembrie 2003. Locatia Islandei a constituit un dezavantaj vehiculele trebuind a fi transportate in containere pe vapoare ce traversau Atlanticul. Deoarece vehiculele constituie un echipament delicat, ideea initiala era de a transporta vehiculele sub punte dar, datorita inaltimii vehiculelor, acestea au fost transportate pe punte. Din fericire apele brutale nu au afectat echipamentul si acestea au putut fi deplasate din port imediat dupa sosire. O alta precautie avuta in vedere la primele transporturi a fost de a trimite doua autobuze o data si un al treilea mai tarziu, pentru a evita eventuale incidente severe, cum ar fi pierderea tuturor in acelasi transport, in cazul scufundarii in drum spre Islanda. Unul dintre obiectivele strategice ale proiectului ECTOS, indeplinit in 2005, a fost de asemenea de a arata in ce mod va putea beneficia societatea, sub aspect social, economic si de mediu, prin

utilizarea hidrogenului ca si combustibil in locul combustibililor conventionali fosili. Prima statie publica de realimentare cu hidrogen a fost deschisa la Reykjavik, Islanda, in aprilie 2003. Aceasta statie deserveste trei autobuze construite de DaimlerChrysler care opereaza reteaua de transport public din acest oras. Statia produce necesarul propriu de hidrogen, printr-o unitate de electroliza (produsa de Norsk Hydro), neavand nevoie de reumplere: tot ceea ce intra in sistem este energia electrica si apa. Royal Dutch Shell este de asemenea partener in acest proiect. Statia nu are acoperis, pentru a permite oricaror scapari de hidrogen sa esapeze in atmosfera. Numarul autobuzelor din Europa care opereaza curent pe hidrogen: 27 autobuze Cu privire la pila de combustie, merita a fi mentionat Clubul Autobuzelor pe pila de combustie, care reuneste trei proiecte: ECTOS (Ecological Transport System - Sistem de Transport Ecologic) in Islanda CUTE (Clean Urban Transport for Europe - Transport Urban Curat pentru Europa) STEP (Sustainable Transport Energy Project - Proiect pentru Energie in Transport Durabil) in Australia

Grecia Hidrogenul nu este inca utilizat in Grecia pentru scopuri de transport, desi este testat in laborator. Recent (mai 2007), un proiect al carui acronim este HYDROSOL, vizand o tehnologie pentru generarea de energie curata, a obtinut o distinctie remarcabila in cadrul Premiilor europene Descartes (2006). Premiul a constat in suma de 333.333 euro si o diploma speciala oferita coordonatorului echipei proiectului HYDROSOL (Dr. A. G. Konstandopoulos), la ceremonia speciala organizata la Bruxelles, in data de 7 martie 2007. Aspectul novator al tehnologiei HYDROSOL este acela ca generarea eficienta a hidrogenului, exclusiv din surse de energie regenerabila (cum este energia solara si hidro), este fezabila, fara a genera emisii ale gazelor cu efect de sera. Echipa HYDROSOL a realizat un reactor termo-chimic solar novator pentru producerea hidrogenului prin disocierea apei, asemanator cu convertorul catalitic obisnuit al automobilelor Funcionarea pilei de combustie Pila de combustie este o celula galvanica in care energia libera a unei reactii chimice este transformata in energie electrica. In cazul unei pile de combustie clasice, care functioneaza cu hidrogen si oxigen, reactia care are loc este:

Principiul de functionare al unei astfel de pile de combustie este redat in figura 1.

Figura 1 - Schema de functionare a unei pile de combustie Toate pilele de combustie au o structura asemanatoare: acestea contin doi electrozi separati de un electrolit si care sunt conectati intr-un circuit extern. Anodul este alimentat cu combustibili gazosi, aici avand loc oxidarea lor directa iar catodul este alimentat cu un oxidant (de exemplu oxigenul din aer). Electrozii trebuie sa fie permeabili, asadar au o structura poroasa. Electrolitul trebuie sa aiba o permeabilitate cat mai scazuta. Pentru a putea compara pila de combustie cu alte sisteme de producere a energiei, ca de exemplu motorul cu ardere interna, este necesara o evaluare a randamentului sistemului. Pentru motorul cu ardere interna, randamentul maxim este exprimat prin randamentul ciclului Carnot: , unde T1 si T2 sunt doua temperaturi absolute in functionarea motorului termic.

Pentru pila de combustie, randamentul maxim este exprimat prin variatia energiei libere Gibbs (G) si variatia entalpiei (H) in reactia electrochimica:

. Randamentul global de conversie electrica al unei pile de combustie este superior celui al sistemelor cu motor termic. O comparatie a randamentelor globale de conversie electrica este redata in figura 2.

Figura 2 - Comparatie intre randamentul de conversie electrica al pilelor de combustie si al altor sisteme de conversie energetica Tipuri de pile de combustie Pilele de combustie sunt clasificate de obicei dupa tipul electrolitului folosit. O exceptie este DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) care este o pila de combustie in care metanolul este introdus direct in anod. Electrolitul acestei pile de combustie nu determina clasa din care face parte aceasta. O alta clasificare poate fi facuta in functie de temperatura de functionare. Exista astfel pile de combustie de joasa temperatura si de inalta temperatura. Pilele de combustie de joasa temperatura sunt AFC (Alkaline Fuel Cell), PEMFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) si PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell). Pilele de combustie de inalta temperatura functioneaza la 600-1000C. Aceste sunt de doua tipuri: MCFC (Molten Carbnate Fuel Cell) si SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). O scurta descriere a tuturor tipurilor de pile de combustie este data in tabelul 1. Tabelul 1 - Diferite tipuri de pile de combustie AFC Temperatura de functionare Reactii la anod Reactii la catod Producerea de Producerea de energie energie electrica si electrica si caldura in caldura in sisteme sisteme energetice Energeticestationa stationare decentralizate si re decentralizate transport (trenuri, nave,...) Instalatii Instalatii Instalatii Instalatii miciInstalatii Instalatii mici mici 5mici 5mici 5kW mijlocii 50kWmici 100-250kW 150kW 250kW 11MW 100kWConstructie Constructie 2MW Transport Programul spatial Domeniul militar Sisteme de stocare a energiei