Rritja e konsiderueshme e popullsisë dhe ekonomisë globale në vitet e fundit ka çuar në një rritje të kërkesës globale për energji. Lëndët djegëse fosile kanë një kontribut të rëndësishëm në gjenerimin e energjisë, gjë që ka ngritur shqetësime për qëndrueshmërinë dhe ndikimin mjedisor. Ka përpjekje të gjera për të gjetur burime alternative për të reduktuar varësinë nga lëndët djegëse fosile dhe për të zbutur pasojat e tyre mjedisore. Ndër burimet alternative, hidrogjeni është shfaqur si një opsion premtues për shkak të potencialit të tij për të qenë një burim energjie i pastër dhe i qëndrueshëm. Hidrogjeni ka disa avantazhe, të tilla si një vlerë e lartë kalorifike, një shkallë e lartë reagimi, burime të ndryshme dhe aftësia për t’u integruar me burime të tjera të rinovueshme të energjisë dhe sistemet ekzistuese. Këto atribute e bëjnë hidrogjenin një burim energjie të qëndrueshëm dhe të besueshëm, i cili mund të ndihmojë në reduktimin e emetimeve të gazeve serrë (GHG) dhe kalimin drejt një të ardhmeje të qëndrueshme. Teknologjitë e veçanta të prodhimit të hidrogjenit, të tilla si energjia konvencionale, e rinovueshme dhe bërthamore, janë studiuar dhe krahasuar. Përveç kësaj, eksplorohen sfidat dhe kufizimet e aplikimit të qelizave të karburantit të hidrogjenit në automjete dhe komponentët e qarkullimit të hidrogjenit. Së fundi, është studiuar ndikimi mjedisor i automjeteve me hidrogjen, veçanërisht roli i tyre në promovimin e zhvillimit të qëndrueshëm. Bota është fokusuar gjithnjë e më shumë në shqetësimet mjedisore gjatë dy dekadave të fundit nga emetimet e gazrave të gazit dhe fenomeni i ngrohjes globale. Pakti i Glasgout për Klimën u prezantua në ngrohjen globale në Konferencën e 26-të të Kombeve të Bashkuara për ndryshimet Klimatike (UNFÇC). Kjo marrëveshje ripohon qëllimin e kufizimit të përshkallëzimit të ngrohjes globale në një prag prej 1.5°C. Pakti i Glasgout për Klimën thekson gjithashtu nevojën urgjente që kombet të zbusin menjëherë emetimet e gazit serrë (GHG) dhe të zhvendosen drejt burimeve të rinovueshme të energjisë. Hidrogjeni zotëron aEësinë për të lehtësuar dekarbonizimin dhe është i bollshëm në univers, i përbërë nga 90% e të gjithë atomeve. Pavarësisht pranisë së bollshme të hidrogjenit në univers, forma e tij elementare nuk është lehtësisht e arritshme. Hidrogjeni mund të merret si nga burimet konvencionale të lëndëve djegëse fosile, ashtu edhe nga burimet e qëndrueshme të rinovueshme të energjisë. Gjendja elementare e hidrogjenit rrjedh zakonisht nga komponimet që përdorin procedura të ndryshme kimike dhe elektrokimike. Hidrogjeni konsiderohet si një lëndë djegëse alternative për shkak të karakteristikave të tij të qëndrueshme, miqësore me mjedisin dhe natyrës jotoksike. Për më tepër, hidrogjeni ofron një densitet të konsiderueshëm më të lartë të energjisë në krahasim me burimet alternative të karburantit, të tilla si naEa e papërpunuar dhe gazi natyror. Një nga arsyet kryesore pse hidrogjeni përdoret është densiteti i tij i lartë i energjisë, gjë që e bën atë një opsion tërheqës për aplikime për ruajtjen dhe transportimin e energjisë. Problemi i ruajtjes së energjisë në shkallë të gjerë mbetet i pazgjidhur, gjë që po kufizon adoptimin më të gjerë të burimeve të rinovueshme të energjisë. Aktualisht, bateritë janë mënyra e vetme për ruajtjen e energjisë, të cilat ato janë efektive vetëm për ruajtjen e sasive të moderuara të energjisë për kohëzgjatje të shkurtra.
Fig. 1 ilustron një krahasim midis përmbajtjes së energjisë së hidrogjenit dhe lëndëve djegëse të tjera. Krahasimi i përmbajtjes energjetike të disa lëndëve djegëse.
Prodhimi i hidrogjenit
Përdorimi i hidrogjenit për prodhimin e energjisë elektrike mund të arrihet me shndërrimin e energjisë kinetike dhe mekanike përmes djegies së tij në turbina ose motorë me djegie të brendshme. Aktualisht, hidrogjeni po shfaqet si një burim i besueshëm energjie në një mënyrë paqësore. Metodat e prodhimit të hidrogjenit kategorizohen në tre kategori të konsiderueshme: konvencionale (lëndë djegëse fosile), me bazë energjinë e rinovueshme dhe prodhimin e hidrogjenit me bazë energjinë bërthamore. Edhe pse metodat konvencionale përdoren për pjesën e madhe të prodhimit të hidrogjenit sot, ka një zhvendosje në rritje drejt energjisë elektrike të rinovueshme pasi bota fokusohet më shumë në reduktimin e emetimeve të GS. Ndërsa ka një zhvendosje drejt energjisë elektrike të rinovueshme për prodhimin e hidrogjenit, kostot e larta që lidhen me përdorimin e burimeve të rinovueshme të energjisë mbeten një sfidë e rëndësishme për një shoqëri të gjelbër.
1.Teknologjitë konvencionale;
Metodat konvencionale të prodhimit të hidrogjenit përbëjnë një pjesë të madhe të kërkesës botërore për hidrogjen . Këto metoda, si reformimi i gazit natyror dhe gazifikimi i qymyrit, nuk janë miqësore me mjedisin dhe lëshojnë një sasi të madhe CO2 dhe CO. Megjithatë, ekziston një nevojë në rritje për të zhvilluar metoda alternative dhe të qëndrueshme për prodhimin e hidrogjenit. Integrimi i qasjeve konvencionale me procesin e kapjes së karbonit është duke u përdorur për të reduktuar çlirimin e emetimeve të CO2.
1.1 Reformimi i gazit natyror.
Procesi i reformimit të gazit natyror (NGR) përbën një pjesë të madhe të prodhimit të hidrogjenit nëpërmjet lëndëve djegëse fosile, të cilat përbëjnë afërsisht 50 % të prodhimit të hidrogjenit në botë. Kjo qasje është një zgjedhje e mundshme për vendet e pasura me rezerva gazi natyror. Aktualisht, qasja me kosto më efektive është reformimi i gazit natyror, i cili ka një gamë efikasiteti prej 65-75 % . NGR përfshin oksidimin e metanit, avullin.
1.2. Gazifikimi i qymyrit
Gazifikimi i qymyrit është një metodë tjetër komerciale dhe e bazuar në lëndë djegëse fosile për prodhimin e hidrogjenit që është pranuar gjerësisht për shkak të disponueshmërisë së gjerë të burimeve të qymyrit. Gazifikimi i qymyrit përfshin ndarjen e oksigjenit nga ajri, i ndjekur nga oksidimi i pjesshëm i qymyrit në temperatura të larta (800–1300 °C) dhe presione që variojnë nga 30 në 70 bar. Ky proces prodhon singa, i cili është i ngjashëm me produktin e marrë nga reformimi i gazit natyror. Singali i gjeneruar nga gazifikimi i qymyrit përmban një përzierje të CO, H2, CO2 dhe CH4 në temperatura të larta. Më pas, njësia e Eohjes së gazit të sinkronizuar rikuperon nxehtësinë e gazit synues që mund të përdoret në aplikacione të ndryshme. Më pas kryhet një reaksion ndërrimi për të rritur prodhimin e hidrogjenit. Gazifikimi i qymyrit prodhon një sasi të madhe të CO2, e cila është për shkak të bazës së lartë të karbonit të qymyrit. Gazifikimi i qymyrit, analog me procesin e reformimit të gazit natyror, është i integruar me teknologjinë ÇS për të ulur çlirimin e CO2 në mjedis. Duke integruar procesin e gazifikimit të qymyrit me ÇS, emetimet e CO2 për H2 të prodhuar reduktohen, duke e bërë hidrogjenin blu.
1.3 Elektroliza e ujit.
Elektroliza është një nga metodat më të zakonshme për prodhimin e hidrogjenit. Në këtë qasje, energjia elektrike përdoret për të ndarë molekulat e ujit në hidrogjen dhe oksigjen. Elektroliza e ujit mund të mundësohet nga burime të energjisë së rinovueshme dhe jo të rinovueshme. Në Fig. 2, është ilustruar një diagram skematik i një elektrolizeri PEM.
- Energjia e Rinovueshme
2.1 Energjia diellore njihet gjerësisht si një burim energjie i realizueshëm dhe ekologjikisht i qëndrueshëm për prodhimin e hidrogjenit. Edhe pse prodhimi i paneleve diellore ka ndikime negative mjedisore, energjia diellore është vërtetuar se ka emetime dukshëm më të ulëta të GS në krahasim me burimet e tjera tradicionale të energjisë. Për më tepër, përparimet në teknologji do të çojnë në zhvillimin e proceseve të prodhimit. Burimi i energjisë diellore mund të klasifikohet në tre kategori: fotoelektrokimike, termike diellore dhe fotovoltaike diellore. Termoliza diellore, ciklet termokimike diellore, ndaria diellore, reformimi diellor dhe gazifikimi diellor janë llojet e aplikimeve termike diellore. Megjithëse, për shkak të përdorimit të lëndëve djegëse fosile në reformimin diellor, ndarja dhe gazifikimin, ato nuk janë miqësore me mjedisin. Hidrogjeni mund të gjenerohet nga energjia diellore, drejtpërdrejt dhe tërthorazi. Metoda e drejtpërdrejtë për prodhimin e hidrogjenit nga energjia diellore përmban fotoelektrolizë, biofotolizë dhe lloje të tjera. Prodhimi indirekt i hidrogjenit përfshin përdorimin e energjisë diellore për të siguruar energjinë elektrike të nevojshme për elektrolizën dhe proceset termike diellore si dielli reformimi i amoniakut.
Fig. 3. Metodat e prodhimit të hidrogjenit me bazë energjinë diellor
2.2. Era Energjia e erës është një lloj i preferuar i burimit të energjisë së gjelbër për prodhimin e hidrogjenit. Energjia e erës përkufizohet si shfrytëzimi i energjisë së erës nga turbinat e erës për të prodhuar energji elektrike. Turbinat me erë janë pajisje që transformojnë energjinë kinetike të erës në energji mekanike, duke e shndërruar më pas në energji elektrike përmes përdorimit të një gjeneratori. Energjia e erës është një bartës i pastër i energjisë dhe nuk lëshon GHG. Llojet e turbinave me erë mund të kategorizohen si në tokë dhe në det të hapur. Fermat me erë në tokë janë të vendosura shpesh në tokë, ndërsa fermat e erës në det të hapur janë të vendosura zakonisht në trupa ujorë, të tillë si oqeanet ose liqenet. Energjia elektrike e prodhuar nga turbinat e erës pas konvertimit në DC përdoret si ushqim për një elektrolizer për të prodhuar hidrogjen.
Fig. 4 paraqet një skemë të prodhimit të hidrogjenit nëpërmjet energjisë së erës. Studime të shumta kanë ekzaminuar potencialin e hidrogjenit të prodhuar nëpërmjet elektrolizës së ujit të fuqizuar nga era.
Fig. 4. Prodhimi i hidrogjenit me bazë energjinë e erës.
2.3. Gjeotermale
Energjia gjeotermale ofron një burim të qëndrueshëm energjie që mund të përdoret në prodhimin e hidrogjenit. Energjia gjeotermale përdor nxehtësinë nga nënsipërfaqja e Tokës për të prodhuar energji elektrike, Eohje dhe ngrohje. Tendenca drejt përdorimit të energjisë gjeotermale për prodhimin e energjisë elektrike po rritet për shkak të qëndrueshmërisë së saj dhe gjurmës së ulët të karbonit.
Fig. 5 ilustron metoda të ndryshme të prodhimit të hidrogjenit gjeotermik.
2.4. Hidrocentrali
Hidroenergjia nënkupton rrjedhjen ose rënien e ujit për të rrotulluar turbinat, të cilat më pas konvertojnë energjinë kinetike në energji elektrike. Hidroenergjia llogaritet si energjia e gjelbër për shkak të ciklit të rinovueshëm të ujit. Bollëku i burimeve ujore në mbarë botën e bën hidrocentralin një burim të besueshëm energjie. Hydro plotëson një pjesë të madhe të kërkesës botërore për energji elektrike. Lloje të ndryshme të hidrocentraleve, si energjia e baticës, e digave dhe e valës, janë zhvilluar për të shfrytëzuar fuqinë e ujit për prodhimin e energjisë elektrike. Energjia elektrike me bazë hidro mund t’i jepet një elektrolizer uji për të çarë ujin në elementët e tij përbërës. Fig. 6 paraqet një lloj tjetër të burimit të energjisë hidrocentrale.
Fig. 6. Përfaqësimi i teknologjive hidroenergjetike për prodhimin e hidrogjenit .
2.5. Shndërrimi i energjisë termike të oqeanit
Konvertimi i energjisë termike të oqeanit (OTEC) është një tjetër burim i energjisë së gjelbër që mund të prodhojë hidrogjen përmes prodhimit të energjisë elektrike. OTEC njihet si një detare e rinovueshme për shkak të energjisë elektrike të prodhuar në mënyrë indirekte përmes energjisë diellore; OTEC funksionon duke shfrytëzuar ndryshimin e temperaturës midis ujit të Eohtë të thellë dhe ujit sipërfaqësor më të ngrohtë, i cili shkaktohet nga energjia diellore e absorbuar. Në një cikël, uji i ngrohtë përdoret për avullimin e lëngut punues që ka një pikë vlimi të ulët, si amoniaku. Më pas, pas prodhimit të energjisë elektrike nga turbina, uji më i Eohtë përdoret për kondensimin e lëngut të punës në avull. Energjia elektrike e nevojshme për elektrolizer mund të sigurohet përmes energjisë OTEC
Fig. 7. Paraqitja e sistemit OTEC
2.6. Biomasa
Biomasa përfaqëson një burim alternativ energjie me potencialin për të ofruar opsione energjie miqësore me mjedisin në shkallë globale. Biomasa është e bollshme dhe mund të arrihet nga sektorë të ndryshëm si karburantet me bazë hidrokarbure, bujqësia, pylltaria dhe menaxhimi i mbetjeve.
Fig. 8. Teknologji të ndryshme të rinovueshme për prodhimin e hidrogjenit
- Energjia bërthamore
Prodhimi i hidrogjenit me përdorimin e energjisë bërthamore është një metodë e qëndrueshme pa emetime të GHG, e cila zakonisht quhet hidrogjen vjollcë ose rozë. Energjia bërthamore prodhohet përmes ndarjes së izotopeve të uraniumit. Zbërthimi bërthamor gjeneron nxehtësi që shndërrohet në avull, i cili gjeneron energji elektrike përmes turbinave. Hidrogjeni mund të prodhohet nëpërmjet ndarjes së ujit nëpërmjet proceseve termokimike të bazuara në energjinë bërthamore. Proceset termokimike kanë përparësi në krahasim me metodat Konvencionale.
Fig. 9. Diagrami skematik i teknologjive të prodhimit të hidrogjenit.
Diagrami ilustron se këto teknologji mund të klasifikohen në tre kategori kryesore bazuar në burimet e tyre, d.m.th., të rinovueshme, konvencionale (jo të rinovueshme) dhe bërthamore. Prodhimi i hidrogjenit nëpërmjet reformimit të avullit dhe gazifikimit të qymyrit janë metodat e zakonshme që lidhen me burimet e energjisë jo të rinovueshme, të cilat quhen hidrogjen gri dhe i zi. Megjithatë, duke përdorur teknologjinë ÇS/ÇU, ky proces mund të bëhet më miqësor ndaj mjedisit dhe ky hidrogjen njihet si hidrogjen blu. Në ditët e sotme, prodhimi i hidrogjenit të rinovueshëm konsiderohet për shkak të emetimeve të ulëta të GS, qëndrueshmërisë dhe përmbajtjes miqësore me mjedisin. Diellore, gjeotermale, era, termike oqeanike, hidroenergjia dhe biomasa janë burimet më të zakonshme të energjisë së rinovueshme.
- Automjetet me qeliza karburanL
Përdorimi i tepërt i lëndëve djegëse fosile çon në mungesë të energjisë dhe përkeqëson ngrohjen globale. Nismat globale janë nisur për të zbutur emetimet e dioksidit të karbonit dhe për të mbrojtur miratimin e energjisë së pastër deri në vitin 2050. Hidrogjeni, si një bartës i rinovueshëm i energjisë i gatshëm për të zëvendësuar lëndët djegëse fosile, premton për zbutjen e konsumit të energjisë dhe sfidat mjedisore. Ekzistojnë lloje të ndryshme të qelizave të karburantit me metoda të ndryshme funksionimi dhe performancë. Në tabelën 3, krahasohen kushtet e funksionimit të llojeve të ndryshme të qelizave të karburantit. Tabela 3. Krahasimi i teknologjive të ndryshme FC .
Lloji i temperaturës së funksionimit të FC (°C) Gama e fuqisë dalëse (kw)
Efikasiteti
Minimumi alkalin: 90 Maksimumi: 100 nga 10 deri në 100 70 Minimumi i acidit fosforik: 150 Maksimumi: 200 Nga 50 deri në 1000 Ë 42 Membrana e shkëmbimit të protoneve Min: 50 Maksimumi: 100 deri në 250 60 Karbonat i shkrirë Min: 600 Maksimumi: 700 deri në 1000 60 Oksid i ngurtë Min: 650 Maksimumi: 1000 nga 5 deri në 3000 60 Automjetet ose teknologjitë me qeliza karburanti shquhen për natyrën e tyre pa ndotje dhe integrimin e tyre të shpejtë në sektorë të ndryshëm, si transporti, prodhimi i energjisë, aplikimet për banim dhe industri të tjera (Liu et al., 2021b). Megjithatë, miratimi i gjerë i PEMFC përballet me pengesa të rëndësishme që lidhen me qëndrueshmërinë dhe koston.
Fig. 10. Diagrami skematik i sistemit PEMFC për automjetet me qeliza karburanti
