"ქიმიის უწყებანი" ტომი:4, ნომერი:2, 13-16 გვ.

საწვავი ელემენტები და ეკოლოგიური პრობლემები. I ნაწილი: საწვავი ელემენტები და გარემო

ნოდარ დუმბაძე

საქართველოს აგრარული უნივერსიტეტის მოწვეული ლექტორი

რეზიუმე: ნაშრომის მიზანია, ეკოლოგიურ ჭრილში განიხილოს საწვავი ელემენტები, რომლებიც სადღეისოდ ელექტროენერგიის ერთ-ერთ ყველაზე პერსპექტიულ და ეკოლოგიურად უსაფრთხო ალტერნატიულ წყაროდ განიხილებიან. აქ წარმოდგენილია ნაშრომის პირველი ნაწილი, რომელშიც განხილულია ზოგადი ინფორმაცია საწვავი ელემენტების შესახებ, დახასიათებულია მათი ძირითადი ტიპები და ეფექტურობა. ასევე, მოკლედაა განხილული პროტონგამტარ მემბრანიანი საწვავი ელემენტის მუშაობის პრინციპი. სტატიაში ასევე ნაჩვენებია სათბურის აირების როლი გარემოს დაბინძურებაში.

საკვანძო სიტყვები: საწვავი ელემენტი, ეფექტურობა, სათბურის აირები, გარემოს ქიმიური დაბინძურება

ზოგადი ინფორმაცია საწვავი ელემენტების შესახებ

არაგანახლებად ენერგიის რესურსებზე შეზღუდული ხელმისაწვდომობისა და ეკოლოგიური პრობლემების გამო, ყოველდღიურად მატულობს მოთხოვნა ენერგიის ალტერნატიულ წყაროებზე. მათ შორის, ერთ-ერთ ყველაზე იმედისმომცემ ხელსაწყოებად განიხილებიან საწვავი ელემენტები, რადგანაც ისინი ხასიათდებიან ეკოლოგიური უსაფრთხოებითა [1, 2] და მაღალი ეფექტურობით [3]. საწვავი ელემენტები წარმოადგენენ ელექტროქიმიურ ხელსაწყოებს, რომლებიც საწვავის ჟანგვის შედეგად წარმოქმნილ ქიმიურ ენერგიას პირდაპირ გარდაქმნიან ელექტრულ ენერგიად.

საწვავი ელემენტების კლასიფიკაციას ახდენენ ხუთ ძირითად კატეგორიად:

1. პოლიელექტროლიტურ მემბრანიანი საწვავი ელემენტები (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells — PEMFC);
2. ფოსფორმჟავიანი საწვავი ელემენტები (Phosphoric Acid Fuel Cells — PAFC);
3. ტუტიანი საწვავი ელემენტები (Alkaline Fuel Cells — AFC);
4. მყარი ოქსიდური საწვავი ელემენტები (Solid Oxide Fuel Cells — SOFC);
5. საწვავი ელემენტები გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტით (Molten Carbonate Fuel Cells —MCFC).

 

ყველა ზემოთ ჩამოთვლილ საწვავ ელემენტს მუშაობის მექანიზმი მსგავსი აქვს, თუმცა განსხვავდებიან გარკვეული მახასიათებლებით, როგორებიცაა: სამუშაო ტემპერატურა, ელექტროლიტის ტიპი, კატალიზატორი და სისტემის სტრუქტურა, აქედან გამომდინარე, მათ გააჩნიათ გამოყენების სხვადასხვა სფერო.

ზემოთ ჩამოთვლილი საწვავი ელემენტის ტიპებიდან, პოლიელექტროლიტურ მემბრანაზე მომუშავე საწვავი ელემენტები განსაკუთრებით საინტერესოა, ვინაიდან გამოყენებას პოულობენ ავტომობილებსა და პორტატულ მოწყობილობებში. ეს განპირობებულია მათი კონსტრუქციის სიმარტივით, დაბალი სამუშაო ტემპერატურითა და ენერგიის გარდაქმნის მაღალი ეფექტურობით.  იმის მიხედვით, თუ რა ნივთიერება გამოიყენება საწვავად, ასხვავებენ წყალბადზე მომუშავე და ორგანულ საწვავზე მომუშავე საწვავ ელემენტებს; ორგანულ საწვავად, ხშირ შემთხვევებში, გვევლინება მეთანოლი.

ნახ. 1 - ზე გამოსახულია პროტონგამტარ მემბრანაზე მომუშავე საწვავი ელემენტის მუშაობის სქემა. ელემენტის „ბირთვს“ წარმოადგენს მყარი პოლიმერული მემბრანა, რომელიც, გარდა იმისა, რომ წარმოადგენს პროტონების გამტარს, ასევე გვევლინება გარკვეულ გამყოფად, რომელიც მექანიკურად მიჯნავს ერთმანეთისაგან ანოდსა და კათოდს.

 ნახ.1: პროტონგამტარ მემბრანიანი საწვავი ელემენტების მუშაობის პრინციპი

 

ელექტროდებზე მიმდინარეობს შემდეგი ქიმიური რეაქციები:

• ანოდი:

• კათოდი:

• ჯამური რეაქცია:

 

ქვემოთა ცხრილში მოყვანილია სხვადასხვა ტიპის საწვავი ელემენტების სამუშაო ტემპერატურები და მათი ეფექტურობები.

ცხრილი 1: სხვადასხვა ტიპის საწვავი ელემენტების სამუშაო ტემპერატურები და ეფექტურობები

საწვავი ელემენტის ტიპი	სამუშაო ტემპერატურა (°C)	ეფექტურობა (%)
მყარი ოქსიდური საწვავი ელემენტები	600-1000	50-60
საწვავი ელემენტები გამდნარი კარბონატული ელექტროლიტით	550-650	45-60
ტუტიანი საწვავი ელემენტები	50-90	50-70
ფოსფორმჟავიანი საწვავი ელემენტები	175-220	40-45
პოლიელექტროლიტურ მემბრანიანი საწვავი ელემენტები	30-100	30-50

 

ამრიგად, საწვავი ელემენტი — ესაა ენერგეტიკული სისტემა, რომელსაც აქვს დიდი პოტენციალი იქცეს ენერგიის ეკოლოგიურად სუფთა გარდამქმნელად და რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სტაციონარულ და მობილურ მოწყობილობებში. სტაციონარულ მოწყობილობებში იგულისხმება მაგ.: ცენტრალური გათბობის სისტემა, ელექტროსადგურები. მობილურ სექტორში საწვავი ელემენტები, ძირითადად კი დაბალ ტემპერატურაზე მომუშავე საწვავი ელემენტები, შეიძლება გამოყენებულ იქნან სატრანსპორტო საშუალებებში, მატარებლებში, ნავებში და სხვ. ასევე, მობილური მოწყობილობები გულისხმობენ დაბალი ენერგომოხმარების მქონე პორტატულ სისტემებს, რომლებიც სხვადასხვა მიზნებით შესაძლოა იქნას გამოყენებული.

მაღალმა ეფექტურობამ შეიძლება მიგვიყვანოს საწვავის რაოდენობის მნიშვნელოვან შემცირებამდე და, ასევე, სათბური აირების ემისიის შემცირებამდე. რეაქციის ელექტროქიმიური ბუნება, რეფორმინგის (პროცესი, რომლის დროსაც ხდება ნავთობის სხვადასხვა ფრაქციების გადამუშავება მაღალი ხარისხის ბენზინისა და არომატული ნახშირწყალბადების მიღების მიზნით) სტადიაზე დაბალი ტემპერატურა და საწვავის მინარევების მოშორების აუცილებლობა, მაგ.: როგორიცაა გოგირდი, მივყავართ ლოკალური ემისიის საგრძნობ შემცირებამდე, რაც მნიშვნელოვანი მახასიათებელია, განსაკუთრებით მჭიდროდ დასახლებული რაიონებისათვის. სატრანსპორტო საშუალებებში, განსაკუთრებით დაბალ სიჩქარეზე მომუშავეებში, ხდება ხმაურის დონის შემცირება. გარდა ამისა, საწვავი ელემენტების ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი უპირატესობებია: მაღალი სანდოობა, სხვა ელექტრულ და ელექტრონულ მოწყობილობებთან თავსებადობა, უსაფრთხო დიზაინი.

 

საწვავი ელემენტების ეფექტურობა

ელექტრული და სითბური მქკ-ები განსხვავდებიან თვითონ საწვავი ელემენტის ტიპიდან გამომდინარე. საწვავ ელემენტებზე მომუშავე ელექტროსადგურების მაღალი ელექტრული ეფექტურობა წარმოადგენს ამ სისტემის მთავარ უპირატესობას. სიმძლავრის სხვადასხვა დიაპაზონისათვის, საწვავი ელემენტები უზრუნველყოფენ ბევრად მაღალ ეფექტურობას, ვიდრე მისი კონკურენტები (ნახ. 2).

 

ნახ. 2: სხვადასხვა ტიპის ტექნოლოგიების ელექტრული ეფექტურობები (Gas engine - გაზზე მომუშავე ძრავა, Gas turbine - გაზზე მომუშავე ტურბინა, Combined cycle plant - ელექტროენერგიის მწარმოებელი სადგური)

 

პოლიელექტროლიტურ მემბრანიან საწვავ ელემენტებს, რომლებიც საწვავად ბუნებრივ აირს იყენებენ, აქვთ ელექტრული მქკ დაახლოებით 32-35 % სახლის გათბობის სისტემებისათვის და 40 % 100 კვტ-ის დიაპაზონისკენ. ზოგიერთ სისტემებში, განსაკუთრებით ძველი თაობის ელემენტებში, მემბრანის დეგრადაციის პროცესები ამცირებდნენ ეფექტურობას. მაღალტემპერატურული საწვავი ელემენტები უზრუნვეყოფენ 50 % მქკ-ს დაბალი სიმძლავრის რეჟიმის გამოყენების დროს.

ასე რომ, საწვავი ელემენტების გამოყენებისას მოსალოდნელია სერიოზული ეკოლოგიური „უპირატესობები“. სწორი ეკოლოგიური შეფასებისათვის აუცილებელია საწვავი ელემენტების სასიცოცხლო ციკლის შესწავლა, რათა დავრწმუნდეთ, რომ არ ხდება არცერთი ეკოლოგიური ასპექტის იგნორირება. ამისათვის გამოიყენება ე.წ. სასიცოცხლო ციკლის შეფასების ინსტრუმენტი [4].

 

სათბური აირების ემისია

რაც შეეხება ატმოსფეროში საერთო ემისიას, ნახშირორჟანგი ყველაზე მეტი რაოდენობითაა 99 % (წონით) გამონაბოლქვების საერთო მოცულობიდან. ნახშირორჟანგის წილზე მოდის 89.3 % გლობალური დათბობის პოტენციალი (Global Warming Potential — GWP) [5], რომელიც განისაზღვრება, როგორც ნახშირორჟანგის, მეთანისა და აზოტ(I)-ის ოქსიდის გამონაბოლქვების კომბინაცია, გამოხატული ნახშირორჟანგის ეკვივალენტში დროის 100-წლიანი პერიოდისათვის. მეთანის წილზე მოდის 10.6 % GWP.

ნახშირორჟანგის გარდა, შემდეგი, რომელიც ყველაზე დიდი რაოდენობით გამოიყოფა, არის მეთანი, რომელსაც მოსდევენ არამეთანური ნახშირწყალბადები, NOx, SOx, CO, მყარი ნაწილაკები და ბენზოლი. უმრავლესობა ამ გამონაბოლქვებისა ატმოსფეროში წარმოადგენს ბუნებრივი არის მიღებისა და მისი განაწილების შედეგს; რაც შეეხება რესურსების მოხმარებას, ყველაზე ინტენსიურად გამოიყენება ბუნებრივი აირი, შემდეგ ქვანახშირი, რკინა, კირქვა და ნავთობი. სისტემური ნარჩენების (72.3 %) აბსოლუტური უმრავლესობა წარმოიქმნება ბუნებრივი აირის მოპოვება-განაწილებისას. დანარჩენი ნარჩენები (31 %) წარმოიქმნება ელექტროენერგიის მოპოვებისას, ასევე, მშენებლობისას და ექსპლუატაციაში ჩაშვებისას (3.8 %). წყლის ემისია მცირეა სხვა გამონაბოლქვებთან შედარებით.

 

საწვავი ელემენტების მუშაობა

საწვავი ელემენტების ელექტროსადგურების მუშაობას მივყავართ მინიმალურ პირდაპირ გამონაბოლქვებამდე (შიდა წვის ძრავებთან და ტურბინებთან შედარებით) შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე მუშაობის გამო (რასაც NOx-ის მინიმალურ დონემდე შემცირებამდე მივყავართ) და, ასევე, საწვავის გასუფთავების აუცილებლობის გამო (მაგ.: გოგირდის დიოქსიდის მოცილების აუცილებლობა). გამონაბოლქვები, როგორც წესი, დამოკიდებულია დატვირთვაზე. მოთხოვნა დიდია გამონაბოლქვების მინიმალურამდე დაყვანაზე, ვინაიდან პრაქტიკულად სრულყოფილმა კატალიზატორებმა გაზზე მომუშავე ძრავებისათვის, წვის კამერებმა NOx-ის დაბალი შემცველობით (საუბარია გაზზე მომუშავე ტურბინებზე), ასევე, NOx-თან და გოგირდის დიოქსიდთან ბრძოლის ტექნოლოგიებმა მსხვილი ელექტროსადგურების შემთხვევაში, საგრძნობლად შეამცირეს აირების გამონაბოლქვი.

საწვავი ელემენტისათვის დიდი მნიშვნელობა აქვს საწვავის სწორად შერჩევას. აუცილებელია, რომ პასუხი გაეცეს არა მხოლოდ ინფრასტრუქტურასა და საწვავის წარმოებისათვის შენახვა/ხარჯიანობაზე არსებულ კითხვებს, არამედ მათ ეკოლოგიურ შედეგებზე არსებულ კითხვებს სხვადასხვა ტიპის საწვავისათვის. საწვავი ელემენტებისათვის ყველაზე „მიმზიდველ“ საწვავს წარმოადგენს წყალბადი, რომელთან დაკავშირებული საკითხებიც შემდეგ ნაწილში იქნება განხილული.

ლიტერატურა:

1. Steele, B. C., & Heinzel, A. (2011). Materials for fuel-cell technologies. In Materials For Sustainable Energy: A Collection of Peer-Reviewed Research and Review Articles from Nature Publishing Group(pp. 224-231).
2. Staffell, I., Scamman, D., Abad, A. V., Balcombe, P., Dodds, P. E., Ekins, P., ... & Ward, K. R. (2019). The role of hydrogen and fuel cells in the global energy system. Energy & Environmental Science, 12(2), 463-491.
3. Whittingham, M. S., Savinell, R. F., & Zawodzinski, T. (2004). Introduction: batteries and fuel cells.
4. Pehnt, M. (2010). Life‐cycle analysis of fuel cell system components. Handbook of Fuel Cells.
5. Spath, P. L., & Mann, M. K. (2000). Life cycle assessment of hydrogen production via natural gas steam reforming (No. NREL/TP-570-27637). National Renewable Energy Lab., Golden, CO (US).

 

 

გამოქვეყნებულია: 12-12-2020