Realizări și provocări în tehnologiile de dezvoltare a pilelor de combustibil cu hidrogen – Cazul României

Ioan Ștefănescu, Mihai Varlam, Elena Carcadea
Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice și Izotopice- ICSI Rm. Vâlcea

Dezvoltarea pilelor de combustibil și a tehnologiilor aferente acestora reprezintă o prioritate europeană și, în același timp, unul din domeniile în care sunt proiectate investiții semnificative. Centrul Național pentru Hidrogen și Pile de Combustibil ca și element promotor în acest domeniu a căutat pe parcursul ultimilor ani să-și definească o astfel de tehnologie, fiind în măsură a crea în acest moment ansambluri de pile de puteri mici și mijlocii, cu caracteristici în limitele consacrate astăzi. Lucrarea se dorește a reprezenta o trecere în revistă a realizărilor în domeniul tehnologiei de producere de pile de combustibil PEM, căutând a sublinia liniile de acțiune viitoare pentru dezvoltarea acestora.

1. INTRODUCERE

Tehnologiile și sistemele bazate pe pile de combustibil tip PEM s-au dovedit în ultimele decenii a fi surse viabile de conversie a energiei pentru diverse aplicații: staționare și mobile (transport, portabile). Ele oferă un potențial ridicat atât din punct de vedere economic cât și al impactului asupra mediului, însă prezintă dezavantajul că sunt încă mult prea costisitoare în comparație cu tehnologiile convenționale de conversie a energiei electrice.

Avantajele lor (eficiență ridicată, emisii scăzute, adaptabilitate, fiabilitate ridicată, costuri scăzute de întreținere, performanță excelentă, modularitate și capabilitate de a utiliza o multitudine de combustibili), le fac să fie văzute ca soluții atractive pentru problemele energiei secolului 21 și justifică activitatea de cercetare-dezvoltare aferentă. Ca urmare, putem spune că într-o lume în care cererea de energie pentru diverse aplicații este în continuă creștere, este nevoie de un efort considerabil și cooperare pentru a aborda provocările ce apar în investigarea sistemelor, tehnologiilor și materialelor energetice aferente.

În general, efortul de cercetare necesită o abordare multidisciplinară (fizică, chimie, știința materialelor, inginerie, etc.) pentru investigarea și depășirea barierelor tehnologice ce apar. Depășirea acestor bariere necesită o abordare integrată deoarece descoperirile științifice dintr-un domeniu pot stimula progresul în celelalte.

O astfel de abordare integrată de cercetare subliniază, de asemenea, coordonarea strânsă necesară între științele fundamentale și aplicate, iar în cadrul programului de cercetare al Centrului Național pentru Hidrogen și Pile de Combustibil din cadrul ICSI Rm Vâlcea principalele direcții se bazează pe această strategie tocmai pentru ca eforturile de cercetare-dezvoltare să conducă la rezultatele așteptate.

Trebuie menționat că Centrul Național pentru Hidrogen și Pile de Combustibil este singura facilitate de cercetare din acest domeniu din Europa de Est, fiind singulară în această zonă, și prin disponibilitatea echipamentelor și instrumentației existente. Încă din faza de proiectare a fost gândit a reprezenta o structură de cercetare-dezvoltare cu capabilități tehnologice la nivel mondial. Centrul dispune deja de o serie largă de echipamente de investigare analitică, de dezvoltare și testare a sistemelor și tehnologiilor ce concură la așa-numitul “lanț al energiei hidrogenului”, de la producere până la conversie energetică către consumator. Mai mult, “bagajul instrumental” al Centrului a fost recent (2012) updatat prin coroborarea laboratoarelor existente cu o nouă facilitate de temperaturi scăzute pentru aplicații energetice, ceea ce a făcut ca și sisteme de preparare și investigare a suprafețelor la nivel nano (SEM, plasma sputtering, etc.) să fie disponibile. Toate aceste abordări teoretice (înțelegere, modelare, simulare, proiectare) sau experimentale (producere, testare) sunt necesare în dezvoltarea unei linii de producție pentru pilele de combustibil tip PEM. O prezentare succintă a etapelor parcurse și a rezultatelor obținute pentru fiecare “componentă” inclusă în tehnologiile de dezvoltare a pilelor de combustibil va fi oferită în continuare în această lucrare, prin punctarea realizărilor și provocărilor aferente.

2. PILA DE COMBUSTIBIL CU HIDROGEN

Elementul central al acestei lucrări îl reprezintă pila de combustibil, un dispozitiv electrochimic de conversie a energiei chimice în energie electrică, ce utilizează un combustibil și un oxidant pentru a produce apă, căldură și electricitate. Există mai multe tipuri de pile de combustibil, funcție de electrolitul ce separă cei doi electrozi (anodul și catodul), principiul de operare de bază fiind același pentru toate tipurile. Drept electrolit pentru pilele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (tip PEM) este utilizată o membrană polimerică, tip Nafion, care din punct de vedere al materialului este adecvată pentru aplicațiile terestre (mobile și portabile).

Pila de combustibil PEM
Pila de combustibil PEM

Primele aplicații ale pilelor de combustibil au fost în domeniul spațial în anii ’60 iar de atunci, dezvoltarea lor a căpătat amploare de la an la an, atât datorită scăderii costurilor de producție, cât și datorită descoperirilor continue din acest domeniu. Aplicațiile mobile și cele portabile lasă însă să se întrevadă cea mai mare dezvoltare a domeniului pilelor de combustibil.

Pilele de combustibil, având o densitate energetică mare, sunt fezabile atât pentru aplicații staționare, cât și pentru aplicații portabile. Ele au potențialul de a reduce semnificativ greutatea și costurile sistemelor bazate pe aceste surse de energie comparativ cu sistemele ce utilizează surse tradiționale. Indiferent de aplicația căreia îi este destinată, avantajele potențiale ale utilizării pilelor de combustibil pentru furnizarea de energie sunt semnificative și depind de aplicațiile lor reale. De exemplu, atunci când sunt utilizate într-o unitate auxiliară de putere – încărcător pentru baterii, poate furniza energie electrică în zone în care utilizarea unui generator nu este posibilă sau practică. Dacă sunt folosite ca un înlocuitor pentru generatoare, acestea oferă o funcționare silențioasă, energie curată și costuri de întreținere reduse.

Direcțiile de cercetare referitoare la pilele de combustibil tip PEM urmăresc pe de o parte optimizarea internă, prin investigarea teoretică (simulări numerice ale fenomenelor interne, analize parametrice, proiectare) sau experimentală (obținerea de materiale noi și performante pentru componentele sale, la un preț cât mai scăzut și care să fie mai tolerante la impurități, testarea), iar pe de altă parte urmăresc căutarea de soluții pentru factorii externi care influențează funcționarea și performanța pilelor de combustibil (ca de exemplu, dezvoltarea de sisteme de retenție a monoxidului de carbon din gazele de alimentare). Toate aceste aspecte, ce țin de cercetarea și dezvoltarea tehnologiei pilelor de combustibil, au fost intens analizate în cadrul Centrului, pentru că au reprezentat punctul de pornire în investigațiile desfășurate de noi și ne-au oferit o imagine a realizărilor și perspectivelor aduse de cercetarea acestui domeniu cu potențial nelimitat.

Articolul integral îl puteți citi în ediția tipărită a revistei Electricianul nr. 5/ 2014.

Share