Nissan: Ηλεκτρικό αυτοκίνητο που κινείται με οινόπνευμα!

Λίγο πριν από την τελετή έναρξης των Ολυμπιακών Αγώνων του Rio, η Nissan αποκάλυψε στην Βραζιλία το πρώτο στον κόσμο πρωτότυπο ηλεκτροκίνητο όχημα ενεργειακών κυψελών που λειτουργούν όχι με υδρογόνο, αλλά με βιοαιθανόλη, δηλαδή οινόπνευμα. Του Νίκου Λουπάκη.

Ads

Πρόκειται για πρωτότυπο που αναπτύχθηκε στην πλατφόρμα του e-NV200 και είναι εφοδιασμένο με μπαταρία χωρητικότητας 24 kWh, ντεπόζιτο αιθανόλης χωρητικότητας 30 λίτρων, ενώ η αυτονομία του ξεπερνά τα 600 χιλιόμετρα. Η ισχύς των ενεργειακών κυψελών φτάνει τα 5 kW, σύμφωνα, δε, με τη Nissan πρόκειται για το πρώτο όχημα στον κόσμο με τεχνολογία ενεργειακών κυψελών SOFC (Solid Oxide Fuel-Cell: Κυψέλη Καυσίμου Στερεού Οξειδίου) το οποίο διαθέτει μάλιστα το πλεονέκτημα τροφοδοσίας με διαφορετικούς τύπους καυσίμου, συμπεριλαμβανομένων της αιθανόλης και του φυσικού αερίου, τα οποία και χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής απόδοσης που αποτελεί και την ενέργεια κίνησής του.

Σε αυτή την τελευταία εξέλιξη στον τομέα των οχημάτων μηδενικών εκπομπών, το e-Bio Fuel-Cell πρωτότυπο όχημα της Nissan κινείται 100 τοις εκατό με αιθανόλη, που φροντίζει για την φόρτιση της μπαταρίας των 24 kWh. Κατά τη λειτουργία της κυψέλης παράγεται εκτός από υδρατμούς – και διοξείδιο του άνθρακα, ωστόσο η προέλευση του καυσίμου αντισταθμίζει το «κακό», αφού έχει επικρατήσει να θεωρείται ότι το CO2 που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα κατά τη λειτουργία του αυτοκινήτου έχει προηγουμένως δεσμευτεί από τα φυτά από τα οποία προήλθε το καύσιμο.

Ads

Τόσο ο τόπος, όσο και ο χρόνος της παρουσίασης του πρωτοτύπου αυτού της Nissan δεν είναι τυχαίος, αφού είναι γνωστό ότι η Βραζιλία διαθέτει, εδώ και δεκαετίες, εκτεταμένη υποδομή παραγωγής και διάθεσης προς πώληση για την κίνηση των αυτοκινήτων βιοαιθανόλη, δηλαδή αιθανόλη (οινόπνευμα) που παράγεται από ζαχαροκάλαμο ή γεωργικά απόβλητα.
Το συγκεκριμένο πρωτότυπο μοντέλο ενεργειακών κυψελών καυσίμου, αποτελεί μέρος της συνεχούς δέσμευσης της Nissan για την ανάπτυξη οχημάτων μηδενικών εκπομπών αλλά και νέων τεχνολογιών στην αυτοκινητοβιομηχανία, όπως τα συστήματα αυτόνομης οδήγησης και η συνδεσιμότητα. Η εταιρία προτίθεται μάλιστα να διεξάγει περαιτέρω δοκιμές της συγκεκριμένης τεχνολογίας στους δρόμους της Βραζιλίας, χρησιμοποιώντας το εν λόγω πρωτότυπο.

Σύμφωνα με σχετικές δηλώσεις του προέδρου και διευθύνοντος σύμβουλου της Nissan Carlos Ghosn, η συγκεκριμένη τεχνολογία προσφέρει φιλικές προς το περιβάλλον μεταφορές και δημιουργεί ευκαιρίες για την παραγωγή περιφερειακών ενεργειακών υποδομών. Στο μέλλον, η τεχνολογία αυτή θα γίνει ακόμη πιο φιλική προς το χρήστη. Το μίγμα αιθανόλης-νερού είναι ευκολότερο και ασφαλέστερο ως προς τον χειρισμό του, σε σχέση με τα περισσότερα άλλα καύσιμα. Επιπλέον, ο Carlos Ghosn επισήμανε ότι χωρίς να απαιτείται η κατασκευή νέων υποδομών, δημιουργείται μια μεγάλη δυναμική για την ανάπτυξη της συγκεκριμένης αγοράς.

Τι είναι οι κυψέλες καυσίμου

• Οι κυψέλες καυσίμου είναι συσκευές οι οποίες μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων μετατρέπουν απευθείας την εσωτερική ενέργεια ενός καυσίμου σε ηλεκτρική χωρίς να απαιτείται καύση ούτε κίνηση κάποιων μηχανικών μερών
• Καύσιμο +Ο2 / Καταλύτης → Ηλεκτρική ενέργεια + Θερμότητα + Νερό

Ιστορία κυψελών καυσίμου

• Η πρώτη κυψέλη καύσιμου κατασκευάστηκε το 1839 από τον Sir William Grove
• Η πρώτη χρήση της κυψέλης καυσίμου με επιτυχία έγινε για πρώτη φορά το 1932 από το Francis Bacon ο οποίος χρησιμοποίησε ένα αλκαλικό σύστημα κυψελών καυσίμου
• Σημαντικό ενδιαφέρον για τις κυψέλες καυσίμου παρουσιάσθηκε μετά την δεκαετία του 1960 όπου οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιήθηκαν στις διαστημικές αποστολές Gemini και Apollo

Πλεονεκτήματα – μειονεκτήματα κυψελών καυσίμου

Πλεονεκτήματα

• Υψηλή απόδοση > 60%
• Πολύ    αποδοτικές    για    την    μετατροπή    των καυσίμων σε ηλεκτρική ενέργεια, ακόμη και σε μερικό φορτίο
• Χαμηλές εκπομπές (ανάλογα με την πηγή καυσίμων)
• Χαμηλός θόρυβος
• Με    τον    μεταρρυθμιστή    καυσίμου,    ποικίλα
καύσιμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν
• Δεν έχουν   κανένα περιστρεφόμενο μέρος, άρα είναι αξιόπιστες
• Άμεση παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας

Μειονεκτήματα

• Σχετικά υψηλό κόστος αγοράς
• Υψηλό κόστος συντήρησης (π.χ. αλλαγή του ηλεκτρολύτη)
• Η μεταρρύθμιση καυσίμων προσθέτει στην πολυπλοκότητα και το κόστος
• Χρονικοί περιορισμοί ζωής (δεν είναι γνωστός ο πραγματικός χρόνος ζωής )
• Χαμηλή διαθεσιμότητα
• Λίγοι προμηθευτές τεχνολογίας
• Ελλιπής υποδομή του υδρογόνου

Αρχή λειτουργίας κυψελών καυσίμου

• Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χαρακτηριστούν σαν κέντρα ενός συστήματος το οποίο χρησιμοποιεί το υδρογόνο ως καύσιμο. Είναι αυτές οι οποίες αναλαμβάνουν τη μετατροπή του καυσίμου σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Οι κυψέλες καυσίμου τροφοδοτούνται εξωτερικά από καύσιμο, συνήθως αέριο υδρογόνο, παράγοντας έτσι ενέργεια όσο διαρκεί η τροφοδοσία του καυσίμου και έτσι δεν χρειάζονται ποτέ ηλεκτρική επαναφόρτιση.

• Η κυψέλη καυσίμου αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια, μια άνοδο και μια κάθοδο τα οποία διαχωρίζονται από μία μεμβράνη, η οποία έχει το ρόλο του ηλεκτρολύτη. Μεταξύ αυτής της μεμβράνης και των ηλεκτροδίων υπάρχει ένα στρώμα καταλύτη.

ΤΥΠΟΙ ΚΥΨΕΛΩΝ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

Τύπος κυψέλης καυσίμου	Θερμοκρασία Λειτουργίας [oC]	Ηλεκτρολύτης
Αλκαλική κυψέλη καυσίμου (AFC)	70 – 100	Υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου
Κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM)	50 -100	Στερεά πολυμερής μεμβράνη
Κυψέλη καυσίμου φωσφορικού οξέος (PAFC)	160 -210	σταθεροποιημένο φωσφορικό οξύ
Κυψέλη καυσίμου τηγμένου ανθρακικού άλατος (MCFC)	650	Αλκαλικό-ανθρακικό άλας
Κυψέλη καυσίμου Στερεού οξειδίου (SOFC)	800-1000	Κεραμικό οξείδιο
Κυψέλη καυσίμου Άμεσης μεθανολης (DMFC)	80	Στερεά πολυμερής μεμβράνη

Αναλυτική περιγραφή κυψέλης PEM

Μεμβράνη κυψέλης καυσίμου. Μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων της κυψέλης καυσίμου βρίσκεται ο ηλεκτρολύτης. Ο ηλεκτρολύτης ονομάζεται έτσι λόγω της ιδιότητας του να διίσταται σε θετικά και αρνητικά ιόντα. Στην περίπτωση μίας PEM κυψέλης ο ηλεκτρολύτης είναι πλαστικό οργανικό πολυμερές και συνηθέστερα ονομάζεται μεμβράνη. Μία τυπική τέτοια μεμβράνη, είναι το Nafion ( polyperfluorosulfonic acid )

Ηλεκτρόδια κυψέλης καυσίμου

Τα ηλεκτρόδια της κυψέλης αποτελούν πολύπλοκες νανοδομές και περιέχουν καταλύτη, πορώδη και ηλεκτρικά αγώγιμα υλικά. Όλες οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε μία κυψέλη καυσίμου αποτελούνται από δύο επιμέρους ημι-αντιδράσεις.
Την οξείδωση του υδρογόνου η οποία πραγματοποιείται στην άνοδο και την αναγωγή του οξυγόνου στην κάθοδο.

Καταλύτης κυψέλης

Οι δύο ημιαντιδράσεις, η οξείδωση δηλαδή του υδρογόνου και η αναγωγή του οξυγόνου, χαρακτηρίζονται από χαμηλές ταχύτητες στις χαμηλές θερμοκρασίες όπου λειτουργεί μια PEM κυψέλη καυσίμου και αυτό είναι που κάνει απαραίτητη την παρουσία καταλύτη.
Ο καταλύτης όπου έχει μελετηθεί περισσότερο μέχρι στιγμής και για τις δύο αυτές αντιδράσεις είναι ο λευκόχρυσος

ΑΠΟΔΟΣΗ ΚΥΨΕΛΗΣ

Η απόδοση μιας κυψέλης καυσίμου εξαρτάται από τη χημική ενέργεια ή ενέργεια Gibbs (dG0) και την συνολική ενέργεια θερμότητας ή ενθαλπία (dH0). Ο βαθμός απόδοσης μιας κυψέλης δίνεται από τον παρακάτω τύπο: n= dG0 / dH0

Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται ο βαθμός απόδοσης της κυψέλης καυσίμου σε σχέση με τον βαθμό απόδοσης του κύκλου Carnot

Εφαρμογές κυψελών καυσίμου

Οι κυψέλες καύσιμου μπορούν να τροφοδοτήσουν με ενέργεια οτιδήποτε λειτουργεί με ηλεκτρική ενέργεια . Μερικές εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται κυψέλες καύσιμου είναι:

1. Μεταφορές (Διαστημόπλοια, υποβρύχια, τρένα, λεωφορεία)
2. Φορητές συσκευές ισχύος: Φορητά τηλέφωνα, Laptop, κάμερες και φορητές συσκευές ήχου.
3. Χρησιμοποίηση της κυψέλης καυσίμου για συμπαραγωγή ενέργειας (Παραγωγή θερμότητας και ενέργειας για ξενοδοχεία, νοσοκομεία και σπίτια)

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ FC