English

 

A fi sau a nu fi… sursa regeneragila: pila de combustie

 

Andreea ISPAS, Alexandru BORCESCU

 

A fi student in ziua de azi este cu siguranta mult mai complicat decat in urma cu cateva secole! De exemplu, sa ne imaginam cum ar fi fost nu cu secole in urma, ci doar acum 60 ani, daca am fi vrut sa aflam mai multe despre pilele de combustie.

Relativ simplu: cartile din biblioteca campusului – insemnand un numar limitat de surse de informare – apoi, in plus cateva informatii din enciclopedii si asta este.

Cu toate ca in prezent, date din toata lumea sunt disponibile prin intermediul internetului si se pot accesa virtual resurse infinite, avem de rezolvat problema filtrarii, organizarii si intelegerii datelor selectate, procesul de cunoastere devenind mult mai solicitant.

Daca vom cauta definitia pilelor de combustie, de exemplu, vom obtine aproximativ 404,000 de rezultate in doar 0.13 secunde. Aproape toate enuntand:

Pila de combustie este o celula electrochimica care isi obtine energia din substantele combustibile (hidrogen, metan, propan, metanol, combustibili diesel sau benzina). Cea mai intens cunoscuta este pila pe baza de hidrogen a carei energie este obtinuta din oxidarea hidrogenului, iar singurii produsi sunt apa si o cantitate mica de oxid de azot, in cazul in care se foloseste aerul ca oxidant.

In plus, conform uneia din multele definitii: Energie regenerabila este orice resursa energetica capabila sa se regenereze natural intr-un interval scurt de timp fie prin actiunea directa a soarelui (cum ar fi energia termala, fotochimica si fotoelectrica) sau indirect (energia eoliana, hidroenergia si energia fotosintetica stocata in biomasa), sau din alte miscari naturale si mecanisme ale mediului (precum energia geotermala si energia mareelor). Energiile regenerabile nu includ resurse energetice provenind din combustibilii fosili, produse de deseuri din surse fosile sau din surse anorganice.

Deci, evident celulele electrochimice nu reprezinta o sursa energetica regenerabila, chiar daca sunt surse energetice nepoluante si de lunga durata.

Se considera ca acestea au fost concepute de cercetatorul german, Christian Schoenbein, la mijlocul secolului al 19 lea.

In ciuda acestei perceptii publice primele documente care fac referire la lampi care ard continuudateaza inca din Evul Mediu, pe baza descoperirilor facute in vechile morminte care erau inca luminate in interior… dupa cateva mii de ani.

Mai recent,la sfarsitul anilor 80, descoperiri uimitoare au fost facute in Egipt la Tempul lui Isis, sugerand ca electricitatea nu este atat de moderna cum se credea (fig. 1).

Pentru a ne incurca si mai mult la sfarsitul anilor 90 excavatii arheologice facute in Irak au aratat ca pana si principiul functionarii pilelor de combustie dateaza din cele mai vechi timpuri. (fig. 2 a,b)

Bateria descoperita la Bagdad are aproximativ 2000 de ani. Vasul a fost descoperit in Khujut Rabu si are un dop din asfalt. Nu se cunoaste exact modul de utilizare a acestui vas, dar se presupune a se fi folosit drept baterie. O pila de combustie nu isi epuizeaza niciodata combustibilul. O metoda de reincarcare a celulei este fie un rezervor fie o sursa externa de combustibil. Daca pilele se leaga in serie sau in paralel acestea pot produce o cantitate mai mare de energie.

Pile de combustie au fost folosite isi in misiunile spatiale americane din anii 60.

Celulele noi si moderne pot produce pana la 200 kW in cazul automobilelor sau al vehiculelor spatiale care sunt echipate cu acestea.

In contextul lansarii satelitului Sputnik (1958) si a dorintei agentiei NASA de a recupera decalajul fata de sovietici, pila de combustie Bacon, ce nu avea piese in miscare si cu o putere specifica si energie specifica de 2-3 ori mai mari decat alte surse deschide drumul dezvoltarii pe scara larga a pilelor de combustie.

In anul 1965 pentru capsula spatiala Gemini V s-a utilizat o pila H2/O2 cu electrod polimer solid,iar pentru programul Apollo a fost folosita o pila H2/O2 alcalina presurizata.

Exista mai multe criterii dupa care se face clasificarea pilelor de combustie:

 

Dupa tipul combustibilului

• pile cu combustibili gazosi
• pile cu combustibili lichizi
• pile cu combustibili solizi

 

Dupa tipul electrolitului

• pile cu electolit lichid (AFC - Alkaline Fuel Cell, MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell, PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell)
• pile cu electrolit solid (PEMFC - Polymer Electrolyte Fuel Cell, SOFC - Solid Oxide Fuel Cell)

 

Dupa temperatura de functionare

• pile de temperaturi joase (functioneaza intre 20-80 °C)
• pile de temperaturi medii (intre 200-300°C)
• pile de temperaturi inalte (400-800°C)

 

Dupa modul de consum al combustibilului

Indirecte

- combustibilul trece prin diferite transformati inainte de a intra in pila;

Directe

- din perspectiva istorica printe pionierii pilelor de combustie modern se afla, de asemenea, si un roman fizicianul Nicolae Vasilescu-Karpen.

In anul 1922 fizicianul roman Nicolae Vasilescu-Karpen breveteaza pila termoelectrica cu temperature uniforma cunoscuta si sub numele de pila Karpen, care urmeaza a fi construita in 1950 si functioneaza fara oprire pana in ziua de astazi.

Aceasta este formata din doua pile electrice legate in serie care actioneaza un minimotor galvanometric. Minimotorul pune in miscare o paleta conectata cu un intrerupator. La jumatatea fiecarei rotiri paleta deschide circuitul, iar dupa cea de-a doua jumatate a rotirii il inchide. Timpul de rotatie al elicei este calculate astfel incat pilele sa se poata reincarca, adica sa re poata reface polaritatea in perioada in care circuitul este deschis. Functionarea neintrerupta de 60 de ani a pilei Karpen i-a detreminat pe multi sa o considere un perpetuum mobile.

Deoarece intre forma initiala de energie (chimica) si cea finala (electrica) nu exista nici un fel de alta forma de energie (termica sau mecanica) pilele de combustie realizeaza randamente ridicate ce depasesc, in mod teoretic, 80%.

 

Domenii de utilizare a pilelor de combustie

Propulsia cu ajutorul celulelor de combustie rezolva problema poluarii, fiind o alternativa la propulsia electrica deoarece nu mai exista neajunsuri cu privire la stocarea energiei electrice in baterii. Un principal inconvenient al acestui mod de propulsie este stocarea hidrogenului care face doar in recipienti sub presiune, dar si construirea unei retele de distributie pentru hidrogen. O solutie ar fi celulele combustibile pe baza de etanol, etanolul obtinut prin prelucrarea de masa vegetala si a deseurilor reprezentand o sursa regenerabila de energie.

Un alt domeniu in care pilele de combustie incep sa fie folosite este cel aeronautic. Astfel in anul 2008 cercetatorii Boeing au efectuat teste ale unui avion alimentat doar de o pila de combustie si baterii usoare. Acesta, numit Fuel Cell Demonstrator, folosea o membrane de schimb protonic si un sistem hibrid pentru alimentarea unui motor electric, care a fost cuplat la un propulsor conventional.

De asemenea submarinele de tipul 212 (fig. 6), folosite de marina italiana si germana, utilizeaza pile de combustie pentru a ramane sub apa timp de mai multe saptamani fara a fi nevoite sa iasa la suprafata.

Cea mai renumita pila de combustie folosita in domeniul industial este PC25 a firmei UTC (United Technology Corporation) ce are un randament electric de 40% si un randament termic de 50% si furnizeaza 200kW de energie electrica. Aceasta foloseste drept combustibil gazele naturale sau biogazul.

Pila cu electrolit alcalin, AFC (Alkaline Fuel Cell) provine din pila Bacon, lucreaza la temperaturi joase de pana in 100 °C realizand puteri intre 5-150kW. Aceasta este utilizata in transporturi,programul spatial, domeniul militar si sisteme de stocare a energiei.

Pila cu electrolit acid fosforic, PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell), cu electrozi porosi din teflon este folosita in producerea de energie electrica si caldura in sisteme energetice stationare decentralizate, functioneaza la temperaturi intre 160-220 °C si realizeaza o putere intre 50kW si 11MW. Aceasta este cea mai avansata tehnologic.

 

Bibliography

• www.ecolife.ro
• www.fuelcells.ro
• www.fuelcelltoday.com
• www.eere.energy.gov
• http://universulenergiei.europartes.eu/articole/energie/pile_de_combustie.pdf

 

Iconography

1. 1.bp.blogspot.com/_reR1GNih3PU/SSjL2YRRupI/AAAAAAAAATU/HgEli8xNORM/s400/dendera-light-bulb+(double).jpg
2. www.greenpacks.org/wp-content/uploads/2009/04/baghdad-battery-components.jpg
3. www.greenpacks.org/wp-content/uploads/2009/04/baghdad-battery-components.jpg
4. galaxywire.net/wp-content/uploads/2009/05/apollo_fuel_cell.jpg
5. www.energobiologie.ro/index.php/Energii/O-sursa-inepuizabila-de-energie-pila-Karpen.html
6. www.naval-technology.com/projects/type_212/type_2122.html
7. upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/Fuelcell.jpg