Fuel cells vs Flow cells (κυψέλες καυσίμου και κυψέλες ροής)

Πολύς λόγος γίνεται τελευταία για τις «κυψέλες καυσίμου» (fuel cells) και ακόμα πιο πρόσφατα για τις «κυψέλες ροής» (flow cells) ή "οξειδοαναγωγικής ροής", που προτείνονται σαν ιδανικές λύσεις για την ηλεκτροκίνηση των αυτοκινήτων.

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν φθάσει πλέον σε ωριμότητα ως προς τη σχεδίαση και κατασκευή των ηλεκτρικών κινητήρων και των ηλεκτρονικών που τους διαχειρίζονται, ενώ ενσωματώνουν και πολλά τεχνικά πλεονεκτήματα όπως τη μηχανολογική απλότητα (πολύ απλούστερος και συμπαγέστερος κινητήρας, κατάργηση κιβωτίου ταχυτήτων και συμπλέκτη) και τη δυνατότητα ανάκτησης μέρους της ενέργειας του φρεναρίσματος.

Υπάρχει όμως ένα σημείο στο οποίο υστερούν σημαντικά έναντι των κινητήρων εσωτερικής καύσης, που είναι η αυτονομία τους.

Η αυτονομία των ηλεκτρικών αυτοκινήτων με συσσωρευτές, φθάνει σήμερα πρακτικά γύρω στα 350 km (εξαιρούνται τα σημαντικά ακριβότερα Tesla), αλλά δεν είναι μόνον αυτό το πρόβλημα.

Είναι και ο χρόνος επαναφόρτισης, που είναι της τάξης του οκτάωρου (για οικιακή φόρτιση), ή τουλάχιστον του εικοσάλεπτου (για ταχυφόρτιση κατά 80%).

Υπάρχει επίσης το πρόβλημα του βάρους των συσσωρευτών, που όμως ουσιαστικά είναι ενσωματωμένο στο πρόβλημα της αυτονομίας, αφού τελικά την περιορίζει. Παραμένει τέλος και το θέμα του αρκετά μεγαλύτερου κόστους, σε σχέση με τα αντίστοιχων επιδόσεων συμβατικά αυτοκίνητα.

Προφανώς οι εταιρείες εργάζονται πυρετωδώς για να λύσουν αυτά τα προβλήματα, αλλά υπάρχουν δύο άλλες λύσεις που χρησιμοποιούν επίσης τον ηλεκτρικό κινητήρα με όλα τα πλεονεκτήματά του, ενώ παράλληλα λύνουν το πρόβλημα της αυτονομίας. (Στη σύγκριση δεν συμπεριλαμβάνονται τα υβριδικά αυτοκίνητα, καθώς δεν απαλλάσσονται από τον θερμικό κινητήρα).

Κυψέλες καυσίμου.

Μία μέθοδος είναι η ηλεκτρική ενέργεια αντί να προέρχεται από συσσωρευτές, να λαμβάνεται από μία κυψέλη καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου δεν είναι νέα επινόηση, δημιουργήθηκαν το 1839 από τον Sir William Grove, χρησιμοποιήθηκαν συστηματικά τη δεκαετία του 1960 στις διαστημικές πτήσεις, αλλά επανήλθαν δυναμικά στο προσκήνιο την τελευταία δεκαετία με τη ραγδαία εξέλιξη των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Υπάρχουν πολλών ειδών κυψέλες καυσίμου, αλλά εδώ θα εξετάσουμε την πιο συνηθισμένη για χρήση σε αυτοκίνητα, την κυψέλη καυσίμου υδρογόνου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM).

Μία κυψέλη καυσίμου υδρογόνου αποτελείται από ένα δοχείο (κυψέλη) στον οποίο δύο αέρια, υδρογόνο που προέρχεται από κάποια δεξαμενή (κίτρινα βέλη, αριστερά) και οξυγόνο που προέρχεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα (γαλάζια βέλη δεξιά), συναντώνται για την παραγωγή νερού και ηλεκτρικού ρεύματος (και θερμότητας). Μέσα στην κυψέλη υπάρχουν δύο ηλεκτρόδια από άνθρακα στον οποίο όμως έχει εμφυτευθεί πλατίνα (ανοικτό γκρι) και διαχωρίζονται μεταξύ τους από ειδική ημιπερατή μεμβράνη από μονωτικό υλικό (σκούρο γκρι, στο κέντρο), που παίζει τον ρόλο του ηλεκτρολύτη. Όταν τα άτομα του υδρογόνου συναντήσουν το ηλεκτρόδιο που βρίσκεται προς την πλευρά τους, η πλατίνα δρα σαν καταλύτης και διαχωρίζει το θετικό πρωτόνιο του πυρήνα (Η⁺) από το αρνητικό ηλεκτρόνιο (e^-). Η μεμβράνη επιτρέπει στο πρωτόνιο να περάσει σαν ιόν, αλλά όχι και στο ηλεκτρόνιο που χρειάζεται αγώγιμο υλικό για να κινηθεί. Τέτοιο υλικό όμως είναι το ηλεκτρόδιο (άνοδος), οπότε τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα από το αγώγιμο κύκλωμα (και το φορτίο εφόσον έχει συνδεθεί) μέχρι να φθάσουν στο άλλο ηλεκτρόδιο (κάθοδο). Στην κάθοδο, η πλατίνα που την επικαλύπτει βοηθάει την αντίδραση του οξυγόνου της ατμόσφαιρας με τους πυρήνες του υδρογόνου ώστε να παραχθεί νερό, ενώ τα ηλεκτρόνια που έχουν κάνει «τον γύρο» μέσα από το κύκλωμα, φροντίζουν για την αποκατάσταση της ηλεκτρικής ισορροπίας στην αντίδραση. Κάθε κυψέλη παράγει τάση περίπου 0.7 V, οπότε για μεγαλύτερη τάση θα πρέπει να μπουν σε σειρά πολλές κυψέλες, σχηματίζοντας «πακέτο».

Η κυψέλη υδρογόνου έχει (έναντι των συσσωρευτών) ένα μεγάλο πλεονέκτημα, αλλά και κάποια μειονεκτήματα. Το πλεονέκτημα είναι η σημαντική αυτονομία που εξασφαλίζει με μία ποσότητα υδρογόνου που μπορεί εύκολα να μεταφέρει το αυτοκίνητο. Το μειονέκτημα είναι ότι ενώ η ποσότητα αυτή του υδρογόνου (σαν μάζα) είναι μικρή, δεν μπορεί πρακτικά να υγροποιηθεί και πρέπει να μεταφερθεί σαν αέριο σε σημαντικά υψηλή πίεση, οπότε χρειάζεται αρκετό όγκο για τις πολύ ισχυρές δεξαμενές που θα το περιέχουν.

Επίσης, το υδρογόνο είναι ένα «δύσκολο» στη διαχείρισή του καύσιμο καθώς διαρρέει πολύ εύκολα (εξαιτίας του πολύ μικρού μορίου του) και καίγεται χωρίς ορατή φλόγα, κάτι που σε περίπτωση ατυχήματος είναι ιδιαίτερα επικίνδυνο (αν και γρήγορα ανυψώνεται στην ατμόσφαιρα).

Σήμερα (αρχές της δεκαετίας 2020), υπάρχει ουσιαστικά ένα μόνο αυτοκίνητο παραγωγής με κυψέλη υδρογόνου*, το τετραθέσιο Mirai της Toyota από το 2014, που κυκλοφορεί όμως προς το παρόν στην Ιαπωνία, σε ορισμένες περιοχές των ΗΠΑ και Καναδά και σε ορισμένες χώρες της βόρειας Ευρώπης, καθώς εκεί υπάρχουν (προς το παρόν) κάποια πρατήρια υδρογόνου, αν και το δίκτυο συνεχώς επεκτείνεται.

*Από ένα μοντέλο της Hyundai (Nexo) και της Honda (Clarity FC) έχουν κυκλοφορήσει στις ΗΠΑ, αλλά με μικρή επιτυχία.

Όσο για την παραγωγή του υδρογόνου, αυτή κυρίως προέρχεται από ηλεκτρόλυση νερού (παρότι μπορεί να παραχθεί και από υδρογονάνθρακες), αν και η μακροχρόνια προοπτική είναι να παράγεται κοντά στα πρατήρια διανομής, με ενέργεια που θα προέρχεται από τον ήλιο ή από άλλες ανανεώσιμες πηγές.
Εναλλακτικά, μια αυστραλιανή εταιρεία (CSIRO) δοκιμάζει τρόπους αποθήκευσης του υδρογόνου σε μορφή αμμωνίας (η αμμωνία αποτελείται από υδρογόνο και άζωτο), από την οποία θα το ανακτά με την αντίστροφη διαδικασία και χρήση ειδικής μεμβράνης. Παρόμοιες δοκιμές γίνονται από το 2014 στην Αγγλία,  ενώ μια ολλανδική εταιρεία δοκιμάζει με αντίστοιχο σκεπτικό το μυρμηκικό οξύ. Το μυρμηκικό οξύ (formic acid, χημικός τύπος HCOOH) συντίθεται δεσμεύοντας υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα σε μία μη αναφλέξιμη υγρή μορφή. Με αυτόν τον τρόπο το διοξείδιο του άνθρακα ανακυκλώνεται, ενώ το υδρογόνο συνδυάζεται με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας στην κυψέλη καυσίμου παράγοντας νερό και ταυτόχρονα ηλεκτρισμό. 

Το 2019 ανακοινώθηκε ότι με χρήση καταλύτη βισμουθίου (ένα πολύ βαρύ εύθραυστο μέταλλο) η παραγωγή μυρμηκικού οξέος με σύνθεση υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα γίνεται πολύ αποδοτικότερα, καθιστώντας εφικτή τη βιομηχανική παραγωγή του.

Μάλιστα το 2021 η χρήση του βισμουθίου σαν καταλύτης βελτιώθηκε, τόσο ως προς τη δυνατότητα παραγωγής μεγαλύτερων ποσοτήτων του ιδίου, όσο και ως προς στην ποιότητα του παραγομένου μυρμηκικού οξέος ώστε να μη χρειάζεται στάδιο καθαρισμού.

Η διάταξη κίνησης του Mirai της Toyota. Η κυψέλη καυσίμου (FC Stack) τροφοδοτείται από δεξαμενή υδρογόνου στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου. Υπάρχει πάντως και συσσωρευτής κίνησης (Drive battery) για να αντιμετωπίζει την απότομη ζήτηση ισχύος, αλλά και να αποθηκεύει την ενέργεια που ανακτάται κατά το φρενάρισμα. Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι ισχύος 113 kW (152 hp), η αποθηκευμένη ενέργεια του συσσωρευτή κίνησης είναι 1.6 kWh (τύπος nickel-metal hydride), ενώ η αυτονομία φθάνει τα 500 km με δύο δεξαμενές (φαίνεται μόνον η μία, η άλλη είναι εμπρός από τους πίσω τροχούς) από συνθετικά υλικά, που περιέχουν συνολικά 5 kg υδρογόνου σε πίεση 700 bar. Το απόβαρο του αυτοκινήτου είναι 1850 kg.

Κυψέλες ροής (ή οξειδοαναγωγικής ροής).

Η άλλη μέθοδος, είναι η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε κυψέλη ροής.

Η ιστορία της είναι περίπου παράλληλη με αυτή της κυψέλης καυσίμου. Εφευρέθηκε το 1884 από τον Γάλλο μηχανικό Charles Renard για να τροφοδοτήσει τον ηλεκτρικό κινητήρα ενός αερόπλοιου, ενώ τη δεκαετία του 1970 κίνησε το ενδιαφέρον της NASA για ενδεχόμενη χρήση σε μελλοντική σεληνιακή βάση.

Την κυψέλη ροής μπορούμε να τη φανταστούμε σαν μία κυψέλη καυσίμου, όπου αντί για δύο αέρια που αντιδρούν και παράγουν ηλεκτρισμό έχουμε δύο υγρά ιοντικών διαλυμάτων που αντιδρούν μεταξύ τους με το ίδιο αποτέλεσμα, δηλαδή την παραγωγή ηλεκτρισμού.

Συνήθως χρησιμοποιείται το ηλεκτρολυτικό διάλυμα ενός δραστικού μετάλλου (Λίθιο, Κάλιο, Νάτριο, Ψευδάργυρος) που θα τροφοδοτήσει το ηλεκτρόδιο που θα γίνει ο αρνητικός πόλος και ένα διάλυμα αλογόνου (Βρώμιο, Χλώριο, Ιώδιο) που θα τροφοδοτήσει το άλλο ηλεκτρόδιο που θα γίνει ο θετικός πόλος. Και τα δύο ηλεκτρόδια είναι από γραφίτη.

Η διαφορά με την κυψέλη καυσίμου είναι ότι τα δύο αυτά υγρά αποθηκεύονται σε αντίστοιχες δεξαμενές και τροφοδοτούνται ταυτόχρονα, με ελεγχόμενη ροή και σε κλειστό κύκλωμα στην κυψέλη, ενώ όταν «εκφορτιστούν» μπορούν να αντικατασταθούν με μία σύντομη διαδικασία, οπότε το σύστημα θα είναι έτοιμο να επαναλάβει τη λειτουργία του.

Εναλλακτικά, τα δύο υγρά μπορούν να «επαναφορτιστούν» με διαδικασία αντίστοιχη των συσσωρευτών ώστε να επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση, αλλά είναι φανερό ότι για την αυτοκίνηση είναι η πρώτη μέθοδος που έχει ενδιαφέρον.

Η κυψέλη ροής αποτελείται, όπως και η κυψέλη καυσίμου, από ένα δοχείο με δύο ηλεκτρόδια γραφίτη που χωρίζονται από ημιπερατή μεμβράνη. Δύο υγρά (που το ένα παρέχει τα ανιόντα δηλαδή τα ηλεκτρόνια και το άλλο τα κατιόντα) αποθηκεύονται σε χωριστές δεξαμενές και τροφοδοτούνται με ελεγχόμενη ροή μέσω αντίστοιχων αντλιών σε κλειστό κύκλωμα. Τυπικά «ζευγάρια» αποτελούν τα ηλεκτρολυτικά διαλύματα του ψευδάργυρου / χλώριου (παλαιότερο), ή του ψευδάργυρου/ βρώμιου (νεώτερο). Η ηλεκτρικά μονωτική μεμβράνη που διαχωρίζει τα δύο υγρά επιτρέπει, όπως και στην περίπτωση της κυψέλης καυσίμου, την ανταλλαγή των ιόντων τους αλλά όχι των ηλεκτρονίων, τα οποία κυκλοφορούν μέσω των ηλεκτροδίων και του φορτίου. Και σ’ αυτή την περίπτωση η παραγόμενη τάση μιας μόνον κυψέλης είναι μικρή (1.0 - 2.2 V), οπότε απαιτείται η διαμόρφωση σε συστοιχία για πρακτικές χρήσεις. Όταν η κυψέλη εκφορτιστεί, οι δύο δεξαμενές θα περιέχουν το ίδιο τελικό μίγμα, οπότε τα υγρά χρειάζονται αναγέννηση ή αντικατάσταση. Μπορούμε επίσης να φανταστούμε την κυψέλη ροής σαν συσσωρευτή, όπου η ηλεκτρική ενέργεια αντί να αποθηκεύεται σαν αλλαγή της σύστασης των ηλεκτροδίων, αποθηκεύεται σαν αλλαγή της σύστασης των ηλεκτρολυτικών υγρών.

Το πλεονέκτημα της κυψέλης ροής (ουσιαστικά πάντα πρόκειται για συστοιχία κυψελών) στην περίπτωση των αυτοκινήτων, είναι η δυνατότητα γρήγορης αντικατάστασης των υγρών σε ειδικό πρατήριο με «φρέσκα» υγρά και η ανακύκλωση των χρησιμοποιημένων, δηλαδή η επαναφορά τους στην αρχική κατάσταση για την επόμενη χρήση.

Οι κυψέλες ροής βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο και η έρευνα έχει επικεντρωθεί από μεγάλα ερευνητικά ιδρύματα, όπως το πανεπιστήμιο Stanford, στην επιλογή των κατάλληλων υγρών που θα αυξήσουν την ταχύτητα της αντίδρασης, θα μειώσουν τη θερμοκρασία και το κόστος, και θα κάνουν το χειρισμό των υγρών ασφαλέστερο.
Οι κυψέλες ροής θεωρούνται επίσης μία καλή λύση και στο πρόβλημα της μακροχρόνιας αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας σε στατικές εφαρμογές (πχ σε συστήματα αδιάλειπτης παροχής ενέργειας ή απομονωμένες κατοικίες), καθώς μπορούν να παραμείνουν σε κατάσταση αναμονής πρακτικά επ' αόριστον χωρίς να μειώνεται η χωρητικότητά τους. 

Υπάρχουν όμως και ιδιωτικές εταιρείες που κάνουν τη δική τους έρευνα στις κυψέλες ροής, με τη ελβετική NanoFlowcell Holdings (ιδρύθηκε το 2013) να έχει προχωρήσει στην κατασκευή ενός σπορ πειραματικού αυτοκινήτου, του Quantino, με εντυπωσιακές επιδόσεις στον τομέα της αυτονομίας.

Φυσικά, καθώς προς το παρόν η όλη διάταξη είναι πειραματική, δεν υπάρχει η δυνατότητα αντικατάστασης των υγρών παρά μόνον στις εγκαταστάσεις της εταιρείας, στη Ζυρίχη.

Επίσης, αν και σε αυτή τη φάση το κόστος του αυτοκινήτου είναι προφανώς σημαντικό, η εταιρεία υπόσχεται ότι σε μελλοντική παραγωγή το κόστος θα είναι συγκρίσιμο με αυτό των ανταγωνιστικών αυτοκινήτων.

Το Quantino, είναι ένα 2+2 θέσεων πειραματικό αυτοκίνητο με σπορ εμφάνιση και μήκος σχεδόν 4 m, που κινείται με ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από κυψέλη ροής, οι λεπτομέρειες της οποίας παραμένουν μυστικές. Το όχημα πάντως (σύμφωνα με τον κατασκευαστή*) έχει πετύχει το 2017 την εντυπωσιακή αυτονομία των 1400 km(!) με ένα «γέμισμα» του συστήματός του, που παρέχει 85 kWh αποθηκευμένης ηλεκτρικής ενέργειας. Η ισχύς του είναι 80 kW (108 hp), το βάρος του χωρίς τα υγρά σχεδόν 700 kg, ενώ τα υγρά της κυψέλης αποθηκεύονται σε δύο δεξαμενές των 96 λίτρων η κάθε μία. Σημαντικό είναι επίσης ότι το Quantino δεν χρειάζεται πυκνωτές ενίσχυσης (ενώ δεν έχει ανακοινωθεί αν χρησιμοποιείται συσσωρευτής κίνησης), καθώς έχει βρεθεί τρόπος η κυψέλη να ανταποκρίνεται ακόμα και σε απότομη αύξηση της ζήτησης ισχύος. Πολύ λιγότερο σημαντικό (αλλά πάντως εντυπωσιακό) είναι ότι το αυτοκίνητο δεν αποβάλει τίποτα προς το περιβάλλον, ούτε καν νερό όπως τα οχήματα με κυψέλες καυσίμου.

*Κατά την άποψη του γράφοντα, τα νούμερα του κατασκευαστή φαίνονται υπερβολικά αισιόδοξα και μένει να επιβεβαιωθούν από ανεξάρτητους δοκιμαστές.

Ενώ μεσολάβησε μια μεγάλη περίοδος σιωπής για το Quantino, στα τέλη του 2022 ανακοινώθηκε ότι η εταιρεία NanoFlowcell Holdings που πλέον εδρεύει στο Λονδίνο, ψάχνει επενδυτές για να ξεκινήσει την παραγωγή του αυτοκινήτου στις ΗΠΑ, δημιουργώντας φυσικά τις τις κατάλληλες υποδομές για την αντικατάσταση των υγρών του. Μάλιστα για να γιορτάσει την περίσταση, παρήγαγε το Quantino 25 με δύο ηλεκτροκινητήρες με συνδυασμένη ισχύ 320 ίππων, δύο δεξαμενές ηλεκτρολυτών των 125 λίτρων η κάθε μια, και εκτιμώμενη εμβέλεια τα 2000km.

Η εκτίμηση της Toyota για την εξέλιξη των οχημάτων ανάλογα με το μέγεθος και τη χρήση τους, σε σχέση προς το είδος της ενέργειας που καταναλώνουν (προς τα δεξιά, η πυκνότητα ενέργειας αυξάνεται). Προσέξτε τη σημαντικά μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας του υδρογόνου, σε σχέση με τα άλλα καύσιμα. Στο διάγραμμα παρουσιάζονται και οι νέες μορφές ενέργειας που βασίζονται στον ηλεκτρισμό, σύμφωνα με την παρακάτω κωδικοποίηση:

EV: Electric Vehicles (συσσωρευτής)

HV/PHV: Hybrid Vehicles/Plug-in Hybrid Vehicles (υβριδικά/επαναφορτιζόμενα υβριδικά)

PCV: Fuel Cell Vehicles (κυψέλη καυσίμου).

Τελικά, φαίνεται ότι το παιχνίδι για την επικράτηση της ηλεκτροκίνησης στα αυτοκίνητα, θα δοθεί μάλλον στο πεδίο της Χημείας παρά του Ηλεκτρισμού!

ΥΓ: Υδρογόνο από αλουμίνιο και νερό!

Είναι φανερό, ότι το κύριο πρόβλημα της χρήσης του υδρογόνου είτε σε κυψέλη καυσίμου είτε κατ' ευθείαν σαν καύσιμο, είναι το γεγονός ότι η βιομηχανική μέθοδος χρησιμοποιεί σαν πρώτη ύλη υδρογονάνθρακες, αλλά και ότι η αποθήκευσή του απαιτεί πολύ υψηλή πίεση.
Μια νέα μέθοδος όμως που αναπτύχθηκε από ερευνητές του ΜΙΤ επιτρέπει την αντίδραση του αλουμινίου με νερό για την παραγωγή υδρογόνου (και οξειδίου του αλουμινίου, δηλ. αλουμίνας), σε συνθήκες περιβάλλοντος και μάλιστα χωρίς δαπάνη ενέργειας!

Αρκεί να μπορέσει το νερό να έλθει σε επαφή με καθαρό αλουμίνιο, καθώς το μέταλλο αυτό οξειδώνεται αμέσως μόλις εκτεθεί στον αέρα. Για να επιτευχθεί αυτό, ρινίσματα αλουμινίου καλύπτονται με ένα μίγμα γαλλίου-ινδίου σε υγρή κατάσταση, που διαπερνά το στρώμα οξείδωσης και επιτρέπει στο νερό να έλθει σε επαφή και να αντιδράσει με το καθαρό αλουμίνιο. Μάλιστα καθώς το μίγμα γαλλίου-ινδίου δρα σαν καταλύτης, είναι ανακυκλώσιμο.

Με τη μέθοδο αυτή θα είναι εφικτό να παραχθεί υδρογόνο από ρινίσματα ανακυκλωμένου αλουμινίου κοντά στο σημείο χρήσης του, με χαμηλή δαπάνη ενέργειας (πέρα απ’ αυτήν της αρχικής παραγωγής του αλουμινίου, το οποίο θα μετατραπεί σε αλουμίνα-οξείδιο του αλουμινίου) και με πυκνότητα δεκαπλάσια από αυτήν με την οποία αποθηκεύεται το υδρογόνο σε δεξαμενή υψηλής πίεσης.

                                                                                                        Γ. Μεταξάς