Kütuseelement

Allikas: Energiatalgud

Energiatehnoloogiad.pngKütused.png

Artikkel Kütuseelement kirjeldab tehnoloogiat, milles kasutatakse elektrienergia tootmiseks keemilist protsessi. Lihtsustatult öeldes on Kütuseelement keemiline elektrienergiaallikas, kus kasutatava kütuse (näiteks vesinik H2) ja oksüdeerija vaheline keemiline energia muundub vahetult elektrienergiaks. [1]


Peaartikkel: Energiatehnoloogiad
Seotud artiklid: Energiatarbimine transpordisektoris; Energiaressursid; Kütused; Imporditavad vedelkütused; Elektrienergia salvestamine


Ajaloost

Vesinik-hapnik kütuseelemendi tehnoloogia pioneeriks peetakse juristi ja amatöörfüüsikut William Grove'i. Tema avastuse aluseks oli, et juhtides elektrit vette, paigutades sinna kaks elektroodi, siis tekib vees keemiline reaktsioon - elektrolüüs, kus ühel elektroodil eraldub vesinik, teisel hapnik. Avastus iseenesest seises toodud protsessi pöördprotsessis, ehk kütuse keemilise energia otse elektrienergiaks muutmises ning selle võimaluse avastas William Grove 1839. aastal.

Praktilist kasutust hakkas kütuseelement leidma 1960. aastate keskel USA kosmoselaevade elektrienergia allikana. Alates sellest perioodist on kütuseelementide kasutuselevõtt ning tehnoloogia olnud üheks raskeimaks tehniliseks probleemiks. Välja on töötatud mitmeid kütuseelemendi tüüpe, kuid mis on esialgseid investeeringuid arvestades osutunud energiaallikatena kalliks. Ometi on juba kasutusel sadu pooltööstuslikke kütuseelemente. Käesolevalt on võtmeküsimuseks keemia- ning füüsikaalased fundamentaaluuringud uute materjalide, struktuuride ning tehnoloogiliste lahenduste leidmiseks. Samuti on üheks kõrge hinna põhjuseks, et kütuseelemendid pole jõudnud veel seeriatootmisse. [2]

Tööpõhimõte

Käesolevalt on toodud tööpõhimõtte (joonis 1) kirjeldus enamlevinud kütuseelemendile, mis kasutab kütusena vesinikku (H2). Vesiniku põlemisel peavad vesinik ja hapnik kontakteeruma ning vahetama elektrone. Kütuseelemendis on elektronide vahetus eraldatud aatomite kontaktist. Kahte elementi eraldav elektrolüüt lubab ühte kahest, kas vesiniku või hapniku ioonil läbida elektroodidevaheline vahemik. Reaktsiooniks vajalik elektronide vahetus vesiniku ja hapniku vahel ei toimu mitte läbi elektrolüüdi, vaid läbides välist elektriringi, mille tulemusena tekib alalisvool. Sobiva elektrolüüdi leidmine, mis lubaks liikuda hapniku või vesiniku aatomitel, kuid seejuures väldiks elektronide liikumist, on üheks võtmeküsimuseks kütuseelementide arendustöös ning väljatöötamisel. Kütuseelemente liigitatakse kasutatava elektrolüüdi järgi [2]:

a) leeliseline elektrolüüt;
b) fosforhapeelektrolüüt;
c) vedelad (ehk sula-) karbonaadid;
d) tahked oksiidid;
e) jm.

Vastavalt loetelule erinevad ka kütuseelementide töötemperatuurid (80...900 °C).

Kütuseelement koosneb katalüsaatorist (plaatina, nikkel) sisaldavatest elektroodidest, mille vahel on elektrolüüt-ioonmembraan. Väga kõrgel temperatuuridel töötavatel kütuseelementidel võib katalüsaator ka puududa. Anoodile juhitakse vesinik - H2 (või vesinikku sisaldavad ained) ja katodoile hapnik - O2 (õhk).

Kütuseelement oma olemuselt (fuel cell) on akupatareiga sarnane elektrokeemiline seade, mis genereerib maagaasist või teistest süsivesinikest elektrienergiat. Protsessi kõrvalproduktideks on soojus ja tavaline vesi - H2O. Enamik kütuseelemente tarbib kütusena vesinikku.[2]

Kasutatavad kütused

Kütuseelement kasutab kütusena puhast vesinikku või vesinikku sisaldavaid aineid (näiteks maagaas, naftaproduktid, metanool). Kuigi vesinikku peetakse kütuseelemendile kõige sobivamaks kütuseks, siis katsetusi on tehtud ka metanooli - CH3OH ja maagaasiga - CH4. [2]

Erinevad võimalikud kütused ning ka nende kütteväärtused on toodud joonisel 2

Enamkasutatavate kütuseelementide tüübid

AFC

AFC (alkaline fuel cell) - leeliselektroodiga kütuselement. Töötemperatuuriks on 60...90 °C. Elektrolüüdiks antud tüübi juures on 30% kontsentratsiooniga kaaliumhüdroksiidi (KOH) lahus. Reagentideks on puhas hapnik ning vesinik. Kasutatakse antud kütuseelemendi tüüpi kosmosesõidukites. Vajab ülipuhast vesinikku ja hapnikku. [2]

PEM FC

PEMFC, teisisõnu ka PEM (proton exchange membrane fuel cell, ka polymer electrolyte membrane fuel cell) - prootonivahetusmembraaniga (polümeerelektrolüütmembraaniga) kütuseelement (tööpõhimõte toodud joonisel 3). Tahkest polümeerelektrolüüdist õhuke plaat asetseb kahe peeniksei plaatinaosakesi katalüsaatorina sisaldavate poorsete grafiitelektroodide vahel. Elektroodidele juhitakse hapnik ja vesinik. Kasutades kütuseks maagaasi, peab see olema eelnevalt reformeris vesinikuks muudetud. Töötemperatuuriks on 60...100 °C. Kuna antud tehnoloogia ei sisalda agressiivseid aineid, siis on ta eelistatuim transpordivahendites kasutamiseks. [2]

PAFC

PAFC (phosphoric acid fuel cell) on forsforhappe H3PO4 elektrolüüdiga kütuseelement (tööpõhimõte toodud joonisel 4) . Kütuseks on väljaspool kütuseelementi asetsevas reformeris maagaasist või metanoolist toodetud vesinik. Oksüdeerijaks on õhk. Käesolevalt on see kõige enam arendatud tehnoloogia statsionaarsetes seadmetes kasutamiseks. Euroopas, Ameerika Ühendriikides ning Jaapanis on kasutusel 11...25 MW demonstratsiooniseadmed. Kuni 200 °C töötemperatuuri tõttu on sobiv kasutada elektrienergia ja soojuse koostootmiseks. [2]

MCFC

MCFC (molten carbonate fuel cell) on sulakarbonaat-elektrolüüdiga kütuseelement (tööpõhimõtet kirjeldab joonisel 5). Elektrolüüdiks on eutektiline segu, mis koosneb 68% Li2CO3 ja 32% K2CO3, mis töötemperatuuril 350...800 °C on vedelas olekus. Kütuseks on gaaside H2, CO ning CO2 segu, mis saadakse maagaasi või ka kivisõe reformimisel. Katalüsaatori vajadust pole. Kõrge töötemperatuuri tõttu on võimalik kütuseelemendisisene kütuse reformimine. Seega kasutab kütuseelement osaliselt ka ise vabanevat soojust. Kütuseelement on sobiv elektri ja soojuse koostootmiseks. [2]

SOFC

SOFC (solid oxide fuel cell) on tahkeoksiid-elektrolüüdiga kütuseelement (tööpõhimõte toodud joonisel 6). Elektrolüüdiks on tahke keraamiline materjal - ütriumoksiidida stabiliseeritud tsirkooniumoksiid (Y2O3 - ZrO2). Kütuseks kasutatakse H2 ja CO segu, mis saadakse hüdrokarbonaatide kütuseelemendivälise reformimisega. Head tehnilised näitajad (võimsustihedus, ioonjuhtivus) on saavutatud kõrgematel temperatuuridel (800…900 °C). Kõrged temperatuurid välistavad odavate konstruktsioonimaterjalide (roostevaba teras) kasutamise. Kogu konstruktsioon peab olema valmistatud kalleid keraamilisi materjale kasutades. Kõrgel temperatuuril on piiratud termiliste tsüklite arv.

Kütuseelement on kasutatav suure võimsusega (mitukümmend MW) energeetilise seadmena. Süsteemist saab kõrgetemperatuurilist jääksoojust, mida võib kasutada elektrienergia tootmiseks gaasi- või aurutsüklis või ka soojusvarustuseks. SOFC kasutegur on võrreldes konkureerivate tehnoloogiatega elektritootmisel ka parim, koostootmisel mõnevõrra parem. See on efektiivne väga laias koormusvahemikus (15…100%). Siin suudab sellega võistelda ainult sisepõlemismootor.

Kõrgetemperatuuriliste kütuseelementide puuduseks on see, et konstruktsioonimaterjalidena ei saa kasutada roostevaba terast, vaid tuleb kasutada keraamilisi materjale. Sobivate, paljudele termilistele tsüklitele vastupidavate keraamiliste materjalide väljatöötamine on ka üheks probleemiks kütuseelementide töökindluse tõstmisel. [2][3]

Vesinikuenergeetika

Vesinikuenergeetika oma kontseptsioonilt on energia salvestamine ning selle edastamine vesiniku kujul. Lähtepunktiks selle juures on vesiniku kõrge kütteväärtus. Vesinikku toodetakse hetkel peaasjalikult teistest kütustest, nagu maagaas, nafta, süsi. Vesiniku hind on võrdlemisi kõrge ning rakendamaks vesinikku energeetikas laiemalt, tuleb leida selle tootmiseks tõhusamaid viise. Üheks nendeks on vesiniku tootmine vee elektrolüüsi teel ja seda näiteks tarbimiskeskustest kaugemal paiknevates hüdro- ja päikeseelektrijaamades või tuuleelektrijaamades energia ühe salvestamisviisina või samuti ka eriehitusega tuumareaktorites, mis päevasel ajal toodavad elektrienergiat, öösiti aga vesinikku. Vee elektrolüüsi kasutegur on ligikaudu 70%. Kui elektrit genereeriva kütuseelemendi ligikaudne kasutegur on 60%, kujuneb elektrienergia akumuleerimise kasuteguriks 60%. [4]

Hetkel on vesinikuenergeetika seisukohalt aktuaalne tuuleenergeetika ning selle võimsusmuutuste kompenseerimine. Ideeks on tuulegeneraatorite koostöö kütuseelementidega, mis on kiire reageerimisega ning mis tarbivad teist taastuvaist vahendeist pärit kütust – vesinikku. Eesmärgiks on leida optimaalne režiim, kus elektrituuliku poolt toodetav ülejääk kasutatakse ära veest elektrolüüsi teel vesinku tootmiseks ning hiljemalt kasutatakse seesama vesiniku kütuseelementide kaasabil tuulest toodetud elektri pulsatsioonide katmiseks. Tööpõhimõtet selgitav joonis on toodud joonisel 7 [5]

Tuues näiteks situatsiooni, kus energia tootmine ületab tarbimise (tugeva tuule olukord), tekib vajadus ülejäänud energia salvestamiseks, hoidmaks seda ajaks, mil tuulevaikusest või tarbimise kasvust tingituna on vaja rohkem energiat, kui turbiinid antud hetkel toota suudavad. Väiksemate ning autonoomsete turbiinide puhul sobivad salvestamiseks akud, kuid võrku ühendatud suurte generaatorite puhul jab akudest väheks. Siinkohal ongi üheks võimaluseks muundada ülejäänud tuuleenergia elektrolüüsi abil vesinikuks ning hiljemalt vajadusel kütuseelementi kasutades muundada see tagasi elektriks ning kasutada seda tuuleenergia ebaühtluse katmiseks. [6]

Tehnoloogia lihtsus on atraktiivsuse aluseks, kuna vesinikku veest ning elektrist on suhteliselt lihtne toota ning vastupidine protsess vesinikust elektrit (k.a soojust) on samuti lihtne. Temaatika teatud problemaatiliseks aspektiks on rentaablus. Vee elektrolüüs on energiamahukas protsess, vesiniku hoiustamine ning transport on küllaltki energiamahukas ning samuti on kütuseelementide maksumus küllaltki kõrge. Kuid siiski tehnoloogia perspektiiv arvestades märkimisväärset fossiilsete kütuste kasutamise vähenemist ning samuti ka tuuleenergia potentsiaali, on tegemist paljutõotava tehnoloogiaga. [6],[7]

Kokkuvõtvalt

Kütuseelement on olemuselt selline seade, millel puuduvad liikuvad osad ning võib hooldevabalt töötada pikka aega. Ajaliselt võib kütuseelement töötada remondita oluliselt kauem kui erinevad turbiinid või näiteks ka sisepõlemismootor. Samuti, põhimõtteliselt, ei sõltu kütuseelemendi kasutegur ka seadme suurusest. Kütuseelemendi erinevate tüüpide kasutegurid, kasutusvaldkonnad ning erinevad näitarvud on toodud tabelis 1. Kütuseelemendi laiemat levikut takistavaks teguriks on käesolevalt kõrge hind. Kuigi võrrelduna eelmise kümnendi hindadega oli kütuseelementide hind aastaks 2013 langenud märkimisväärselt. Võrdluseks võib tuua 2002 aasta kütuselementi sisaldava süsteemi hinna, mille maksumuseks oli suurusjärgus 225 €/kWh ning 2013 a. kütuseelementi sisaldava süsteemi hinna, milleks oli suurusjärgus 45 €/kWh. Kütuseelementide plussid ja miinused on toodud tabelis 2. [2][8][9]

Kütuseelemendid on hakanud leidma kasutust paljudel elualadel. Kasutatakse neid nii portatiivsete kui statsionaarsete laadimisjaamadena. Leiavad kasutust tarbeelektroonika seadmete rakendustes, samuti kasutatakse ka militaarse taustaga rakenduste tarbeks. Samuti kasutatakse kütuseelemente ka mikrokoostootmisjaamade rakendustes. [10]

RSS uudisvoog

Joonis 1. Kütuseelemendi tööpõhimõte[2]
Kütuseelemendi tööpõhimõte.jpg
Joonis 3. PEM - tüüpi kütuseelemendi tööpõhimõte[2]
PEM tyypi kytuseelement.jpg
Joonis 4. PAFC - tüüpi kütuseelemendi tööpõhimõte[2]
PAFC tyypi kytuseelement.jpg
Joonis 5. MCFC - tüüpi kütuseelemendi tööpõhimõte[12]
MCFC tüüpi kütuseelement.jpg
Joonis 6. SOFC - tüüpi kütuseelemendi tööpõhimõte[12]
SOFC tyypi kytuseelement.jpg
Joonis 7. Vesinikuenergeetika koostöös elektrituulikute ning kütuseelementidega - tööpõhimõte[7]
Vesinikuenergeetika.JPG

Viited

  1. Pajumets, E. Kütuseelement.
  2. 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 2,10 2,11 2,12 2,13 TTÜ. Mehaanikateaduskond. Kütuseelemendid.
  3. Möller, P. Kõrgtemperatuurse kütuseelemendi katoodi parameetrite määramine impedantsspektroskoopia ja tsüklilise voltamperomeetria meetoditega.
  4. Meldorf, M., Kilter, J. Elektrisüsteem.
  5. Leppiman, A. Tuulegeneraatorite elektri sobivusest Eesti elektrisüsteemi.
  6. 6,0 6,1 Kiviselg, R. Tuuleenergeetika, selle arengut mõjutavad tegurid ja perspektiiv Eestis.
  7. 7,0 7,1 Andrijanovitš, J., Egorov, M., Lehtla, M., Vinnikov, D. New Method for Stabilization of Wind Power Generation Using Energy Storage Technology.
  8. 8,0 8,1 8,2 Elcogen Fuel Cell Technology.
  9. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. ACCOMPLISHMENTS AND PROGRESS.
  10. FuelCellToday. The Fuel Cell Industry Review.
  11. Riigiteataja. Bioenergia tootmise investeeringutoetuse saamise nõuded, toetuse taotlemise ja taotluse menetlemise täpsem kord. 2010. Bioenergia tootmise investeeringutoetuse süsinikdioksiid heitkoguste vähendamisearvutamise metoodika.
  12. 12,0 12,1 Garrison, E. Solid Oxide Fuel Cells.


Täiendavat lugemist

Aasta Kategooria Pealkiri
- Õppematerjal Kütuseelemendid
2004 Magistritöö Kõrgtemperatuurse kütuseelemendi katoodi parameetrite määramine impedantsspektroskoopia ja tsüklilise voltamperomeetria meetoditega
2014 Veebileht Murde, R. Vesinikuauto
- Veebileht Elcogen Fuel Cell Technology
2013 Aruanne FuelCellToday. The Fuel Cell Industry Review 2013.
2013 Aruanne DOE Fuel Cell Technologies. Fuel Cell System Cost - 2013.
2013 Veebileht Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. ACCOMPLISHMENTS AND PROGRESS
2013 Ettekanne Energiatehnoloogiate tulevikust
- Aruanne New Method for Stabilization of Wind Power Generation Using Energy Storage Technology
2002 Lõputöö Tuulegeneraatorite elektri sobivusest Eesti elektrisüsteemi
2003 Lõputöö Tuuleenergeetika, selle arengut mõjutavad tegurid ja perspektiiv Eestis
2008 Õppematerjal Elektrisüsteem
2007 Ettekanne Eesti energiatehnoloogiate arendusstrateegia eeluuring
2007 Aruanne Energiatoodete maksustamise uuring
2007 Ettekanne Eesti energiatehnoloogiate arendusstrateegia eeluuring
2007 Aruanne Energiatoodete maksustamise uuring
2014 Ettekanne Euroopa energiapoliitika valikud. Kas Euroopal on üldse valikut
2014 Ettekanne Eesti uus energiapoliitika. Konkurentsivõimeline taastuvenergia Eestis
2014 Ettekanne Eesti energiapoliitika mõju riigi konkurentsivõimele
2014 Ettekanne Eesti põlevkivienergeetika tulevik
2014 Ettekanne Eesti energiamajanduse arengukava aastani 2030
2014 Aastaraamat Taastuvenergia aastaraamat 2014


Kontaktvõrgustik

Kontaktvõrgustik on koostamisel. Kui soovite artikli kontaktvõrgustikuga liituda, võtke ühendust artikli teemahalduriga.


On Teil ettepanekuid, kuidas "KÜTUSEELEMENT" artiklit täiendada? Leidsite infot, mis ei ole enam ajakohane või vajab täpsustamist? Võtke ühendust artikli "KÜTUSEELEMENT" teemahalduriga MARGUS ALTEMENT e-aadressil margus.altement@arengufond.ee või avaldage arvamust selle artikli ARUTELU all.

Personaalsed tööriistad
Energiatalgud Energiaühistud
Nimeruumid

Variandid
vaatamisi
Toimingud
Tööriistad