W dzisiejszych czasach tyle się mówi o ekologii i o tym, żeby wykorzystywać naturalną energię słońca, wiatru, wody bądź wnętrza Ziemi. Co tymczasem niesie przyszłość w dziedzinie ogniw elektrycznych?

Otóż niesie wiele. Technologią, której obecnie najlepiej się wróży i spodziewa się jej najwcześniej w naszych domach są ogniwa paliwowe. Cóż to takiego?

Ogniwa paliwowe (ang. Fuel cell) są jedną z wielu technologii alternatywnych źródeł energii, których gwałtowny rozwój obserwuje się w ostatnich latach. Działają one niezależnie od wiatru bądź światła słonecznego i generują więcej elektryczności niż dowolne inne źródło energii. Można zbudować elektrownię z takimi generatorami dosłownie gdziekolwiek i równie dobrze będzie ona funkcjonowała na wodór, biopaliwo, gaz ziemny, alkohol, substancje bogate w węgiel i inne wydzielając przy tym jedynie utlenione paliwo i ciepło. Systemy ogniw paliwowych są rozważane jako przyszłe źródła energii, konkurencyjne dla ropy naftowej, węgla, a na mniejszą skalę dla litowych akumulatorów używanych chociażby w telefonach. Mówi się o nich, od dawna, jednak próżno ich szukać na półkach sklepowych.

Być może koncern Toshiba coś w tej kwestii zmieni.

Dynario to urządzenie wielkości komórki, umożliwiające poprzez port USB uzupełnianie energii akumulatorów takich urządzeń, jak przenośne odtwarzacze MP3, telefony komórkowe bądź cyfrowe kamery. W Dynario zastosowano DMFC, ogniwo paliwowe zasilane metanolem. Jest on dostarczany bezpośrednio do ogniwa, a przy wytwarzaniu energii jest wykorzystywany tlen. Technologia DMFC jest postrzegana jako odpowiednia do małych urządzeń elektronicznych.

Horizon skonstruował zestaw Bio-Energy Kit przeznaczony dla wszystkich, dostępny w cenie 99 dolarów, w którym mieszanką wykorzystywaną jako paliwo jest woda i niewielka ilość alkoholu, np. wódki, w proporcjach takich, by uzyskać 10-15 proc. roztwór alkoholu. Mieszankę wlewa się do urządzenia, które generuje niewielkie ilości energii, które jednak wystarczają do zasilania gadżetów, takich jak np. telefony komórkowe, odtwarzacze mp3.

Firma MTI Micro do której należy marka Mobion, zamierza w najbliższym czasie wprowadzić odbiornik GPS zasilany metanolem. Wydajność ogniwa jest dość duża. Jeden mililitr paliwa pozwala wygenerować 1,4 Wh, co oznacza, że odbiornik GPS zamiast pracować kilka godzin z wykorzystaniem baterii litowo-jonowej, będzie zapewniał zabawę przez około 60 godzin. Więcej jeśli tylko mamy przy sobie zapasy paliwa. Urządzenie będzie mogło również doładować akumulatory w innych urządzeniach, np. telefony komórkowe.

Z kolei kilka tygodni temu Samsung poinformował, że pracuje nad ogniwem wykorzystującym jako paliwo wodę. Proces polega na tym, że w wyniku reakcji pozyskiwany jest wodór, który następnie jest spalany. Telefon komórkowy na prototypowych ogniwach zapewnia do 10 godzin ciągłej pracy. Zgodnie z zapowiedziami ogniwa te mają pojawić się około 2010 roku.

Zasilanie energią pozyskiwaną z metanolu chce również wprowadzić Sony. Na targach Small Fuel Cells 2008, korporacja zaprezentowała połączenie akumulatora litowo-jonowego z ogniwem paliwowym wykorzystującym metanol. Wydajność systemu (na 10 mililitrach paliwa) wyniosła około 14 godzin odtwarzania filmu wideo.

Onet.pl

Do użytku wielkich korporacji natomiast została ostatnio oddana technologia, z której zrezygnowała NASA. Nowatorskie ogniwo to skonstruowany przez dr Sridhara, wcześniej doradcę agencji, sześcian "Bloom Box". Ogniwo zostało zaprojektowane w celu przekształcania gazów z atmosfery Marsa na tlen służący do podtrzymywania życia i do stosowania w układach napędowych kosmicznych pojazdów. Obecnie ogniwo działa na tlen i dowolne czyste paliwo (gaz ziemny, energia słoneczna i inne), co czyni je uniwersalnym. Jest zbudowane z ceramicznych dysków pokrytych nieznanymi substancjami, choć o wiele tańszymi od metali szlachetnych. Pierwszą firmą, która kupiła to źródło energii o mocy maks. 100kW było Google, inne to amerykański Wal-Malt czy Ebay. Bloom zaspakaja obecnie 15% zapotrzebowania na energię w siedzibie Ebay'a, a po 9 miesiącach od zainstalowania przyniósł oszczędność 100 tysięcy dolarów. Twórcy mają nadzieję na obniżenie ceny pojedynczego sześcianu do 3000 dolarów w ciągu najbliższej dekady.

Zastosowano je również w samochodzie klasy B firmy Mercedes-Benz: F-Cell. Na wodorowym ogniwie paliwowym jest w stanie przejechać około 400km. Podobne rozwiązanie występuje w brytyjskim prototypie motocyklu ENV (Emissions Neutral Vehicle), który osiąga prędkość 80km/h i dystans 160km na jednym baku. Technologie te w pojazdach jednak wciąż raczkują.

Ogniwa wanadowe

Na bardziej oryginalny pomysł wpadł Derek Lovley z uniwersytetu w Massachusetts. W zeszłym roku wyizolował ze swoim zespołem, z morskich osadów, szczep bakterii, który nazwany został Geobacter i który jest osiem razy wydajniejszy w wytwarzaniu energii niż inne szczepy bakterii. Organizm ten produkuje energię z mułu i wody ściekowej za pomocą rzęsek. Podobne badania, co ciekawe, są prowadzone na Politechnice Warszawskiej.

Firma Sony stworzyła coś podobnego: bakterie produkujące energię z węglowodanów podobnie jak u zwierząt. Testowe komórki bakterii wygenerowały 50 miliwatów; dość energii do zasilenia odtwarzacza mp3. Elektryczność powstaje w wyniku działalności enzymów, które rozbijają cukry (w środowisku niezbędnych witamin K3 i NADH).

Nokia natomiast stworzyła swój ekologiczny telefon: 'Green'. Również używa enzymów do rozkładania cukrów, a do działania wystarczy wlać w nią Coca-Coli.

Kolejny pomysł to wykorzystanie nanotechnologii. Panowie z Massachusetts użyli delikatnych nanorurek węglowych (30 tysięcy razy cieńszych od ludzkiego włosa) do pokrycia elektrod w zwykłych akumulatorkach. Mają one dzięki temu stać się pojemniejsze, a ładowanie ma trwać sekundy. Pożyjemy, zobaczymy.

Inna metoda wymyślona przez Yi Cui z Uniwersytetu Stanforda jest prosta: polega na zanurzeniu kartki papieru w tuszu z węglowych nanorurek i srebrnych nanokabli. Dzięki temu, że te elementy są w skali nano-, bardzo mocno przyczepiają się włókien papieru, co pozwala na niespotykaną wytrzymałość: 40 tysięcy cykli ładowania/rozładowania, więcej niż nowoczesne baterie litowe. Naukowiec twierdzi także, że trudno jego wynalazek zniszczyć: można go giąć, miąć, zanurzać w kwasie lub zasadzie i nic nie traci na wydajności. Dzięki dużej powierzchni w stosunku do obiętości papierowe baterie przechowują dużo energii; są także stosunkowo tanie w produkcji, dzięki czemu mogą zostać szybko skomercjalizowane.

Borek wanadu może wkrótce zdetronizować rynek paliw i ogniw elektrycznych. Ilość energii jaka zmagazynowana jest w wiązaniach chemicznych tej cząsteczki jest 10-krotnie wyższa niż w baterii litowo jonowej i około 3-krotnie wyższa od energii uzyskiwanej w ogniwach paliwowych wykorzystujących cynk oraz w tradycyjnych paliwach.

Dodatkowym atutem borku wanadu jest jego energetyczna odnawialność. Wraz z powietrzem ulega on utlenieniu w ogniwie paliwowym, po czym w reakcji redukcji katalizowanej przez magnez ponownie daje się zregenerować.

Jak zauważają naukowcy, auto napędzane ogniwem paliwowym, które funkcjonowałoby w oparciu o borek wanadu używane byłoby podobnie, jak dziś dostępne auta. Co jakiś czas, podobnie jak obecnie, kierowca musiałby się udać na stację paliw w celu uzupełnienia świeżego paliwa i pozostawienia paliwa już zużytego, które zostałoby zregenerowane.

Według naukowców, nie ma dziś na świecie substancji chemicznej, która byłaby tak blisko zdetronizowania ropy naftowej. Praktyczna wydajność to rzekomo 5kWh na 1 litr.

Koncepcje:

-baterie kwantowe: umieszczenie miliardów nanokondensatorów (w których rzekomo nie występuje zjawisko łuku elektrycznego – rozładowania po osiągnięciu pewnego napięcia) w jednej baterii.

-ogniwa betawoltaiczne: w założeniu baterie ogniwa pracujące od kilkunastu do stu lat, które wykorzystują fotony uderzające w warstwę półprzewodnika do wywołania przemian jądrowych (np. rozpadu beta trytu). Testowane przez wojsko, obecnie wytwarzają energię o wartości skromnych 25 nanowatów.

-stare, a lepsze: Toshiba pod koniec 2007 roku zaprezentowała Super Charge ion Battery (SCiB), czyli "błyskawicznie ładowaną baterię jonową". Po minucie kontaktu z prądem, bateria jest naładowana w 90 proc. Dodatkowo SCiB jest bezpieczna i zdolna dostarczać napięcie na długie godziny - jej przewidywana pojemność odpowiada 3-4 obecnie stosowanym bateriom jonowym.

-mów, a bateria nie padnie: Naukowcy z Teksasu stworzyli prototyp baterii, która generuje napięcie... z dźwięków otoczenia.

-z powietrza: technologia 'STAIR' (St Andrews Air) podczas rozładowywania baterii pobiera tlen z powietrza, który w reakcji z porowatym węglem wewnątrz nieustannie ją podładowuje. Porowaty węgiel zamiast używanego powszechnie tlenku kobaltu zmniejsza wagę urządzenia i pozwala na dziesięciokrotnie większą wydajność.

-ze słońca: koncern Kyosemi Corporation postanowił wyeliminować problem zasłaniających wszystko paneli słonecznych. Nowe panele składają się z niewielkich, sferycznych komórek, złożonych z mikroskopijnej wielkości krzemowych kropelek, dzięki czemu są przezroczyste i mogą być montowane w samochodach bądź domowych roletach.

-bezprzewodowe ładowanie: naukowcy z Intela pracują nad rozwiązaniem pozwalającym ładować baterie za pomocą technologii WREL (Wireless Resonant Energy Link) – bezprzewodowego przesyłania energii na zasadzie rezonansu między rezonatorami z miedzianymi zwojami. Odbiornik wytwarza sobie energię z pola magnetycznego pod warunkiem, że nadajnik emituje ją na właściwej częstotliwości.