Drogi Czytelniku, zanim zaczniemy, pozwól proszę, że zaproponuję Ci, abyś przez chwilę puścił wodze fantazji i wyobraził sobie taką oto sytuację… Nabyłeś właśnie egzemplarz codziennej gazety, trzymasz ją w dłoniach i spoglądasz na pierwszą stronę. W oczy od razu rzuca się duży nagłówek: „Ceny węgla znowu rosną! Rosja dyktuje warunki handlu surowcem”. Wykresy szybujących w górę cen węgla nie robią na Tobie jednak większego wrażenia. Ropy naftowej nie ma już od dawna, więc czarnym złotem nazywa się teraz węgiel kamienny. Czytasz dalej: „Zapaść gospodarcza USA wynikiem pogłębiającego się kryzysu energetycznego”, „Unia Europejska prosi o pomoc humanitarną Japonię”, „Zasoby uranu na wykończeniu, światu brakuje energii”, „Przewidywane przerwy w dostawach prądu i gazu do połowy listopada”. Zatrzymujesz na chwilę wzrok i czytasz uważnie - najbardziej martwi Cię ta ostatnia informacja, bo przecież synoptycy zapowiadają, że nadchodząca zima będzie jedną z najcięższych od lat, a dokładnie od zimy stulecia z 2011 roku. Tak czytelniku, ubiegłego stulecia! Oto okoliczności w jakich przychodzi Ci spędzać ostatnie miesiące 2111 roku.

Co nas czeka za sto lat?

Przytoczona powyżej, mocno pesymistyczna wizja przyszłości może nie być – niestety – tylko interesującym scenariuszem do filmu science-fiction, przedstawiającego walkę toczącą się o resztki zasobów naturalnych na Ziemi. Beztroska polityka energetyczna i surowcowa wielu państw oraz nikłe postępy w zastępowaniu energii pozyskiwanej ze źródeł nieodnawialnych energią „czystą” mogą skutkować w przyszłości bardzo poważnymi konsekwencjami. Dzisiaj światowe zasoby ropy naftowej szacowane są na ok. 140 mld ton. Jej wydobycie w latach 2004-2008 wynosiło ok. 3,5 mld ton rocznie, ale od tego czasu odnotowuje się stały wzrost wydobycia. Podobnie ilość gazu możliwego do wydobycia (uwzględniająca również złoża, których eksploatacja jest aktualnie nieopłacalna) szacowana jest na poziomie 850 bln m3, co mogłoby wystarczyć z pewnością na ponad 300 lat przy obecnym poziomie wydobycia. Jednak, aby pokryć przewidywane wzrosty zapotrzebowania, wydobycie gazu będzie stale rosło.

Pomimo ogromnych funduszy przeznaczanych na intensywne prace badawcze ukierunkowane na rozwój technologii odnawialnych, wykorzystujących energię słońca, wiatru, geotermy czy wody, musimy spojrzeć realnie na obecną sytuację i przyznać, że nie jesteśmy w stanie szybko zastąpić tradycyjnych metod wytwarzania energii metodami ekologicznymi. Na przykład państwo takie jak Chiny (któremu notabene zasobów węgla przy obecnej jego konsumpcji może wystarczyć jedynie na 48 lat), opiera swoją gospodarkę niemal wyłącznie na źródłach energii nieodnawialnej, zanieczyszczając jednocześnie atmosferę gazami cieplarnianymi, pomimo iż podpisały i ratyfikowały protokół z Kioto.

Wobec tego rodzaju trudności, a także problemów z akceptacją społeczeństw dla takich technologii, jak energetyka jądrowa, szczególnie po katastrofach w Czarnobylu, Three Mile Island czy Fukushimie, narodziła się koncepcja rozwijania nowych technologii, określanych mianem pośrednich.

Brakujące ogniwo?

Technologie pośrednie, z których najbardziej obiecujące wydają się być ogniwa paliwowe – główny temat tego artykułu – pozwalają z jednej strony wykorzystywać obecnie używane paliwa znacznie bardziej efektywnie, a z drugiej znacznie obniżyć emisję szkodliwych gazów cieplarnianych.

Czym zatem jest wspomniane ogniwo paliwowe? Otóż jest ono ekologicznym urządzeniem do konwersji energii wytwarzającym energię elektryczną i cieplną bezpośrednio z paliwa gazowego lub ciekłego w wyniku reakcji elektrochemicznej utleniania paliwa.

W ogniwie paliwowym (zasadę działania ilustruje Rys. 2a) reakcja zamiany energii z paliwa zachodzi z pominięciem procesu spalania, a zatem jest to bezpośrednia przemiana energii chemicznej w elektryczną. Paliwem w takim układzie może być czysty wodór, jego mieszanina z innymi gazami, a nawet naturalny gaz ziemny lub metanol. Utleniaczem może być natomiast czysty tlen lub różnorodne mieszaniny tlenu, np. powietrze. Oba te reagenty podawane w sposób ciągły – wodór do katody, a tlen do anody – nie wywołałyby jeszcze żadnego procesu elektrochemicznego, gdyby nie umieszczony pomiędzy nimi elektrolit (kompletny układ zbudowany z katody, anody i elektrolitu nazywany jest w skrócie P/E/N, co wg terminologii angielskiej oznacza Positive/Electrolyte/Negative). Elektrolit jest elementem układu pozwalającym na przepływ jonów i zamykającym jednocześnie obwód. Od materiału elektrolitu zależą w największym stopniu parametry ogniwa, takie jak jego wydajność, temperatura pracy czy wymagana czystość i skład chemiczny dostarczanych reagentów, dlatego też ogniwa paliwowe klasyfikowane są poprzez określenie rodzaju elektrolitu. Możemy zatem wyróżnić np. ogniwa: polimerowe PEFC z uwodnionymi polimerowymi membranami jonowymiennymi; alkaliczne AFC z elektrolitem roztworu wodnego wodorotlenku potasu (KOH) o stężeniu 6-7 mol/dm3 w matrycy azbestowej; stałotlenkowe SOFC, w których materiałem elektrolitycznym jest tlenek cyrkonu ZrO2 domieszkowany tlenkiem itru Y2O3, o strukturze regularnej, tzw. YSZ, i wiele innych typów ogniw.

W pojedynczym elemencie ogniwa, nazywanym komórką, zachodzą procesy elektrochemicznego utleniania i redukcji. Tlen ulega redukcji na katodzie, podczas gdy na anodzie odbywa się utlenianie paliwa. Taka komórka nie jest jednak w stanie wytwarzać wystarczającej ilości energii do zasilenia nawet małej żarówki, dlatego łączy się je w stosy, których poszczególne komórki rozdziela się tzw. interkonektorami.

Interkonektory, stosowane w wysokowydajnych ogniwach stałotlenkowych SOFC (Rys. 2 b), muszą spełnić szereg wymogów fizykochemicznych i technicznych, takich jak m.in. wysokie przewodnictwo elektryczne, stałość wymiarów geometrycznych, a także stabilność mikrostruktury w obszarze wysokich temperatur, gdyż tego rodzaju ogniwa pracują w zakresie od 600 do 1000°C.

To właśnie interkonekory są głównym obszarem moich zainteresowań, dlatego chciałbym przybliżyć tę tematykę.

Tajemniczy łącznik

Badania prowadzone nad udoskonalaniem ogniw paliwowych, a szczególnie układów stałotlenkowych, prowadzone są nieprzerwanie od niemal 30 lat, co może wywoływać spore zdziwienie, jeśli wziąć pod uwagę, że sama idea nie jest nowa i narodziła się w roku 1839. Wówczas to Sir William Groove pokazał, że proces elektrolizy wody, którego produktami są wodór i tlen, jest odwracalny. Pierwsze poważne podejście do tej technologii wykazali dopiero naukowcy z NASA, w połowie lat 60. XX wieku, pracując nad programami lotów kosmicznych Gemini, Merkury i Apollo oraz projektem stacji Skylab. Dziś badania finansowane są głównie z funduszy państwowych, a jednym z państw, w których naukowcy odnoszą największe sukcesy jest Japonia. Kraj ten niemal pozbawiony jest surowców energetycznych, wytwarza 1/3 energii elektrycznej w elektrowniach atomowych, których przyszłość, jak wiadomo, nie jest pewna.

Przez ostatnie trzy dekady nastąpił ogromny postęp w udoskonalaniu opisywanej tutaj technologii, mający przede wszystkim na celu poprawę wydajności ogniw, własności materiałów oraz obniżenie kosztów produkcji. Główny nacisk położono na badania fizykochemiczne elektrolitów tlenkowych, właściwości gazów roboczych w kierunku m.in. reformingu, czyli przetwarzania gazów naturalnych na wydajne paliwa, oraz na aspekty ekonomiczne.

Elementem traktowanym dawniej drugorzędnie w ogniwach pracujących w niskich temperaturach, a kluczowym dla pracy ogniw wysokotemperaturowych, takich jak SOFC, jest interkonektor. Pełni on rolę elementu nośnego, rozdzielając jednocześnie gazoszczelnie komory katodowe od anodowych i gwarantując kontakt elektryczny pomiędzy komórkami oraz odprowadzenie energii elektrycznej do zewnętrznych odbiorników.

W moich badaniach koncentruję się, razem z innymi członkami zespołu badawczego, na rozwiązywaniu takich problemów, jak: zapewnienie wysokiej stabilności chemicznej interkonektora; uzyskanie długoczasowej odporności na korozję wysokotemperaturową (należy pamiętać, że ogniwo pracuje w środowisku zawierającym reaktywne gazy o własnościach utleniająco-redukcyjnych w stosunkowo wysokiej temperaturze); optymalizacja budowy geometrycznej układów komórek oraz analiza wpływu ich kształtu oraz transportu czynników gazowych na rozkład temperatur w interkonektorze (przykładowe symulacje ilustruje rys. 3 b)); zachowanie niskiej i niezmiennej w czasie powierzchniowej rezystancji elektrycznej, tzw. ASR (ang. Area Specific Resistance) w wysokich temperaturach roboczych (przykładowe wyniki badań przedstawia rys. 3 a).

Całkiem ciepły listopad 2111

Pojawia się pytanie – skąd wysokie temperatury w ogniwach? Czy jest to zaleta, a może wada ogniw paliwowych? Otóż jednym z efektów ubocznych pracy ogniw paliwowych jest emisja ciepła. Ponadto produktami ubocznymi są tu woda (zazwyczaj w postaci pary) oraz dwutlenek węgla, a w przypadku dostarczania powietrza także nieszkodliwy azot. Ogniwa paliwowe mogą pracować zależnie od materiału elektrody w różnych zakresach temperatur – od 40 °C w ogniwach polimerowych do nawet 1000 °C w stałotlenkowych. To, co wyklucza stosowanie wysokotemperaturowych układów np. w motoryzacji, będzie sprawdzać się idealnie do zastosowań w gospodarstwie domowym. Stosunkowo niewielki generator prądu elektrycznego, umieszczony w piwnicy domu jednorodzinnego i podłączony do miejskiej sieci gazowniczej (a w przyszłości do wodorowej), będzie emitować wystarczającą ilość ciepła do ogrzania domu i bieżącej wody, zaś nadmiar ciepła będzie można odprzedać sąsiadom lub dokonać wtórnej konwersji na dodatkową energię elektryczną. Każdy wat energii wyprodukowanej przez taką domową minielektrownię może zawsze zostać zmagazynowany w akumulatorach, może posłużyć do ładowania samochodu elektrycznego czy zostać sprzedany dystrybutorowi miejskiej sieci energetycznej. Idealnym rozwiązaniem wydają się być osiedla domów jednorodzinnych, zaprojektowane tak, aby inteligentny, skomputeryzowany system dystrybucji prądu i ciepła dostarczał odpowiednie media w potrzebnej ilości w zależności od zapotrzebowań poszczególnych mieszkańców. Wydajność stosów ogniw paliwowych, dochodząca nawet do 80 proc., pozostawi daleko w tyle klasyczne metody otrzymywania energii elektrycznej.

Nadzieja w nauce

Podejmując próbę odpowiedzi na tytułowe pytanie powiem, że samo oszczędzanie surowców energetycznych to za mało. Nie łudźmy się, paliwa kopalne wreszcie się skończą. Krótkowzroczne myślenie jedynie o obecnych potrzebach energetycznych nie zmieni wcale naszego położenia. Roczne zużycie energii na świecie w roku 2008 wyniosło 474 × 1018 dżuli, to jest 132 tys. terawatogodzin. Z roku na rok nasz apetyt na nią rośnie i nie zmienimy tego. Nie zapominajmy, że także liczba mieszańców naszej planety rośnie i to wcale nie liniowo. Myśląc o naszej przyszłości musimy rozwijać technologie pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych oraz technologie pośrednie, pozwalające na racjonalne korzystanie z zasobów, które nam pozostały do czasu, gdy osiągniemy całkowitą samowystarczalność energetyczną.