المواضيع:
- هيدروجين
- إنتاج الهيدروجين
- الهيدروجين كوقود لمحرك أوتو
- خلية الوقود
- خزان
- نطاق وتكاليف الهيدروجين
هيدروجين:
يمكن استخدام الهيدروجين (يسمى الهيدروجين باللغة الإنجليزية) كحامل للطاقة لتشغيل المركبات. حامل الطاقة يعني أنه تم بالفعل وضع الطاقة في الهيدروجين مسبقًا. وذلك على عكس مصادر الطاقة (الأحفورية) مثل النفط والغاز الطبيعي والفحم، حيث يتم الحصول على الطاقة من خلال معالجة هذه المواد عن طريق حرقها.
وبالتالي فإن الهيدروجين شيء مختلف تمامًا عن حقن الماء، والذي لا يستخدم كحامل للطاقة في محركات البنزين، ولكن يستخدم فقط لتبريد غرفة الاحتراق.
والهدف هو تحقيق "صفر انبعاثات" باستخدام الهيدروجين؛ شكل من أشكال الطاقة لا ينتج عنه غازات ضارة أثناء الاستخدام. يقع الانتقال من الوقود الأحفوري إلى الدفع الكهربائي مع الهيدروجين وخلية الوقود ضمن انتقال الطاقة. يمكن تشغيل المركبات بالهيدروجين بطريقتين مختلفتين:
- استخدام الهيدروجين كوقود لمحرك أوتو. يحل الهيدروجين محل وقود البنزين.
- توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الهيدروجين في خلية الوقود. وباستخدام هذه الطاقة الكهربائية، سيقوم المحرك الكهربائي بتشغيل السيارة كهربائياً بالكامل.
يتم وصف كلا التقنيتين في هذه الصفحة.
يمكن إنتاج الهيدروجين بالطاقة المستدامة أو بالاعتماد على الوقود الأحفوري. ونحن نحاول منع هذا الأخير قدر الإمكان، لأن الوقود الأحفوري سيصبح نادرا في المستقبل. سيتم أيضًا إنتاج ثاني أكسيد الكربون عند معالجة الوقود الأحفوري.
توضح الأعمدة أدناه محتوى الطاقة للبطارية والهيدروجين والبنزين. نرى أن هناك الكثير
البتيريج:
- محتوى الطاقة: 220 وات ساعة/كجم، 360 وات ساعة/لتر
- فعال جدا
- تخزين قصير
- إطلاق الطاقة المباشرة ممكن
- النقل معقد
الهيدروجين (700 بار):
- محتوى الطاقة: 125.000 كيلوجول/كجم، 34,72 كيلووات ساعة/كجم
- 30% حرارة، 70% هيدروجين (خلية وقود PEM)
- تخزين طويل ممكن
- التحويل ضروري
- النقل ودية
بنزين:
- قيمة الطاقة: 43.000 كيلوجول/كجم، 11,94 كيلووات ساعة/كيلومتر
- عائد يصل إلى 33%
- تخزين طويل ممكن
- التحويل ضروري (الاحتراق)
- النقل ودية
يوجد الهيدروجين في كل مكان حولنا، لكنه لا يكون حرًا أبدًا. انها ملزمة دائما. سنقوم بإنتاجه وعزله وتخزينه.
- 1 كجم من غاز الهيدروجين النقي (H2) = 11.200 لتر عند الضغط الجوي
- H2 أصغر من أي جزيء آخر
- H2 أخف من أي جزيء آخر
- يبحث H2 دائمًا عن الاتصالات
بالإضافة إلى إنتاج واستخدام الهيدروجين في سيارات الركاب، تناقش هذه الصفحة أيضًا تخزينه ونقله (في أسفل الصفحة).
إنتاج الهيدروجين:
الهيدروجين هو غاز لا يتم استخراجه من الأرض، مثل الغاز الطبيعي. يجب إنتاج الهيدروجين. ويتم ذلك، من بين أمور أخرى، من خلال التحليل الكهربائي، وهي عملية يتم فيها تحويل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. وهذا هو عكس التفاعل الذي يحدث في خلية الوقود. بالإضافة إلى ذلك، يمكن الحصول على الهيدروجين من خلال عمليات أقل صداقة للبيئة. توضح البيانات أدناه كيف يمكن إنتاج الهيدروجين في عام 2021.
- الفحم: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 +... (درجة الحرارة: 1300C-1500C)
- الغاز الطبيعي: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (درجة الحرارة المطلوبة: 700C-1100C)
- الزيت: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + عدد كبير جدًا من المنتجات الثانوية
- التحليل الكهربائي من الماء: 2H2O -> 2H2 + O2
التحليل الكهربائي من الماء نظيف للغاية وهو أكثر أشكال إنتاج الهيدروجين صداقة للبيئة. يؤدي ذلك إلى إطلاق الهيدروجين والأكسجين، على عكس معالجة الوقود الأحفوري، التي تطلق ثاني أكسيد الكربون.
- التحليل الكهربائي للمياه. التحليل الكهربائي هو تفاعل كيميائي يقسم جزيئات الماء لتكوين الهيدروجين والأكسجين النقي. يمكن صنع الهيدروجين في أي مكان يتوفر فيه الماء والكهرباء. والعيب هو أنك تحتاج إلى الكهرباء لإنتاج الهيدروجين ومن ثم تحويله إلى كهرباء مرة أخرى. يتم فقدان ما يصل إلى 50% خلال هذه العملية. الميزة هي أن الطاقة يتم تخزينها في الهيدروجين.
- تحويل الوقود الأحفوري؛ يحتوي النفط والغاز على جزيئات هيدروكربونية مكونة من الكربون والهيدروجين. يمكن فصل الهيدروجين عن الكربون باستخدام ما يسمى بمعالج الوقود. والعيب هو أن الكربون يختفي في الهواء على شكل ثاني أكسيد الكربون.
ويسمى إنتاج الهيدروجين الذي يتم الحصول عليه من الوقود الأحفوري بالهيدروجين الرمادي. يؤدي هذا إلى إطلاق أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.
واعتبارًا من عام 2020 فصاعدًا، سيصبح الإنتاج "أزرقًا" بشكل متزايد: حيث سيتم احتجاز ثاني أكسيد الكربون.
الهدف هو إنتاج الهيدروجين الأخضر حصريًا بحلول عام 2030: الكهرباء والمياه الخضراء هي مصادر الهيدروجين الأكثر صديقة للبيئة.
في العالم الكيميائي، يشار إلى الهيدروجين باسم H2، مما يعني أن جزيء الهيدروجين يتكون من ذرتين هيدروجين. H2 هو غاز لا يتواجد في الطبيعة. يتواجد جزيء H2 في جميع أنواع المواد، وأشهرها الماء (H20). ويجب الحصول على الهيدروجين عن طريق فصل جزيء الهيدروجين عن جزيء الماء على سبيل المثال.
وبالتالي فإن إنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي هو المستقبل.
الصورة التالية توضح نموذج شائع الاستخدام في دروس الكيمياء.
- قضبان البطارية الموجبة والسالبة معلقة في الماء؛
- على الجانب الأنود تحصل على الأكسجين؛
- على الجانب الكاثود تحصل على الهيدروجين.
يتم تحويل الهيدروجين الناتج من الوقود الأحفوري، على سبيل المثال الميثان (CH4)، في هذه الحالة إلى H2 وCO2 عن طريق الإصلاح. ويمكن فصل ثاني أكسيد الكربون وتخزينه تحت الأرض، على سبيل المثال في حقل غاز طبيعي فارغ. وبالتالي فإن استخدام الغاز الطبيعي لا يساهم إلا بشكل ضئيل أو لا يساهم على الإطلاق في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. يمكن أيضًا تصنيع الهيدروجين من الكتلة الحيوية. إذا تم أيضًا فصل ثاني أكسيد الكربون المنبعث خلال هذه العملية وتخزينه تحت الأرض، فمن الممكن تحقيق انبعاثات ثاني أكسيد الكربون السلبية؛ إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتخزين ثاني أكسيد الكربون هذا على الأرض.
الهيدروجين، على عكس الوقود الأحفوري مثل النفط والغاز الطبيعي والفحم، ليس مصدرًا للطاقة، ولكنه ناقل للطاقة. وهذا يعني أن الطاقة المنطلقة عند استخدام الهيدروجين، على سبيل المثال كوقود في السيارة، يجب أن يتم وضعها أولاً. الكهرباء مطلوبة لإنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي. ومن ثم فإن استدامة هذا الهيدروجين تعتمد إلى حد كبير على استدامة الكهرباء المستخدمة.
الهيدروجين كوقود لمحرك أوتو:
محرك أوتو هو اسم آخر لمحرك البنزين. تم اختراع محرك البنزين عام 1876 على يد نيكولاوس أوتو. وفي هذه الحالة نسميه محرك أوتو، لأنه يتم استبدال البنزين بوقود آخر وهو الهيدروجين. في المحرك الذي يتم فيه حقن الهيدروجين، لم يعد هناك خزان وقود بالبنزين.
عندما يتم حرق الهيدروجين، لا يتم إنتاج غازات ثاني أكسيد الكربون، على عكس محركات أوتو والديزل التقليدية، ولكن يتم إنتاج الماء فقط. عند حقن الهيدروجين عن طريق الحقن المباشر، ستكون هناك زيادة في الطاقة بنسبة 2 إلى 15% مقارنة بوقود البنزين. عندما يتم حقن الهيدروجين في صمام المدخل (الحقن غير المباشر)، يحدث تسخين سريع عبر الهواء. يتم إزاحة الهواء أيضًا بواسطة الهيدروجين. وفي كلتا الحالتين، يتدفق كمية أقل من الأكسجين (O17) إلى غرفة الاحتراق. في أسوأ الحالات، هناك فقدان للطاقة يصل إلى 2٪.
النسبة بين الهواء والهيدروجين ليست دقيقة مثل خليط الهواء والبنزين على سبيل المثال. وبالتالي فإن شكل غرفة الاحتراق ليس له أهمية كبيرة.
يمكن حقن الهيدروجين بطريقتين:
– السائل: مع إمداد سائل بالهيدروجين، ستنخفض درجة حرارة الاحتراق نسبياً بسبب التبخر، وبالتالي يتم إنتاج كمية أقل من أكاسيد النيتروجين.
– الغازي: إذا تم تخزين الهيدروجين في صورة سائلة في الخزان ويتدفق إلى مكان الاحتراق عند درجة الحرارة المحيطة، فيجب استخدام المبخر لتحويل الهيدروجين من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية. في هذه الحالة، يتم تسخين المبخر بواسطة سائل تبريد المحرك. التدابير الممكنة للحد من أكاسيد النيتروجين هي: تطبيق EGR, حقن الماء أو أقل نسبة الضغط.
الصورة أدناه توضح أربع حالات مع ثلاثة إصدارات مختلفة لحقن الهيدروجين. في الصورة الثانية من اليسار، يتم حقن الهيدروجين الغازي بشكل غير مباشر في مشعب السحب. يتم تسخين الهيدروجين الغازي بواسطة درجة الحرارة المحيطة. يشغل الهيدروجين أيضًا مساحة، مما يتسبب في تدفق كمية أقل من الأكسجين إلى الأسطوانة. هذا هو الوضع الذي يحدث فيه أكبر قدر من فقدان الطاقة.
وفي الصورة الثالثة يتم توفير الهيدروجين في صورة سائلة. المبردة تعني أن الهيدروجين قد تم تبريده بدرجة كبيرة (طريقة لتخزين كميات كبيرة من الهيدروجين في صورة سائلة في خزان تخزين صغير نسبيًا). لأن درجة حرارة الهيدروجين أقل وهو في حالة سائلة، يتم ملء الأسطوانة بشكل أفضل. ونظرًا لانخفاض درجة الحرارة، يتم تحقيق كفاءة عالية تقريبًا مثل المحرك الذي يعمل بالحقن المباشر (الهيدروجين). ويمكن رؤية محرك الحقن المباشر في الصورة الرابعة. مساحة الاحتراق بأكملها مليئة بالأكسجين. عندما يتم إغلاق صمام السحب ويقوم المكبس بضغط الهواء، يتم حقن كمية معينة من الهيدروجين من خلال الحاقن. توجد شمعة الإشعال الموجودة في هذا المحرك خلف الحاقن أو بجواره (لا يظهر هذا في الصورة).
كفاءة محرك أوتو بالطبع ليست 100%، لكن في هذه الصورة تتم مقارنة كفاءة احتراق الهيدروجين مع احتراق البنزين.
يتمتع الهيدروجين بكثافة طاقة عالية لكل وحدة كتلة (120 ميجا جول/كجم)، مما يجعله أعلى بثلاث مرات تقريبًا من البنزين. خصائص الإشعال الجيدة للهيدروجين تجعل من الممكن تشغيل المحرك بشكل هزيل للغاية، مع قيمة لامدا من 4 إلى 5. عيب استخدام الخليط الهزيل هو أن الطاقة ستكون أقل وستنخفض خصائص القيادة. للتعويض عن ذلك، غالبا ما يستخدم الشحن الفائق (توربو).
ونظرًا لمساحة الاشتعال الأكبر مقارنةً بوقود البنزين، فإن خطر الانفجار أو النتيجة العكسية يكون أكبر. لذلك من المهم جدًا أن يكون هناك تحكم جيد في إمداد الوقود والإشعال. عند التحميل الكامل، يمكن أن تكون درجة الحرارة في غرفة الاحتراق مرتفعة جدًا. هناك في كثير من الأحيان حقن الماء ضروري لضمان التبريد الكافي، وبالتالي أيضًا لمنع الاشتعال المبكر (على شكل انفجار أو نتيجة عكسية).
خلية الوقود:
شرح القسم السابق كيف يمكن استخدام الهيدروجين كوقود لمحرك الاحتراق. هناك تطبيق آخر للهيدروجين في خلية الوقود. لا تحتوي السيارة المجهزة بخلية وقود على محرك احتراق، بل محرك كهربائي واحد أو أكثر. يتم إنتاج الطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيل المحركات الكهربائية بواسطة خلية الوقود. خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يحول الطاقة الكيميائية مباشرة إلى طاقة كهربائية، دون خسائر حرارية أو ميكانيكية. وبالتالي فإن تحويل الطاقة في خلية الوقود فعال للغاية. تعمل خلية الوقود عمومًا بالهيدروجين، ولكن يمكن أيضًا استخدام وقود مثل الميثانول.
يمكن من حيث المبدأ مقارنة خلية الوقود بالبطارية، لأن كليهما ينتجان الكهرباء من خلال عملية كيميائية. والفرق هو أن الطاقة المخزنة في البطارية يتم تحريرها مرة واحدة. تنفد الطاقة بمرور الوقت، لذا يجب إعادة شحن البطارية. توفر خلية الوقود طاقة مستمرة، طالما يتم توفير المواد المتفاعلة للخلية الكهروكيميائية. المواد المتفاعلة هي مواد كيميائية تتفاعل مع بعضها البعض في تفاعل كيميائي.
في خلية الوقود، يتم تحويل الهيدروجين والأكسجين إلى أيونات H+ وOH- (جسيمات مشحونة). يتم فصل الأيونات بواسطة غشاء في غرف منفصلة لخلية الوقود. تحتوي خلية الوقود على قطبين كربونيين مساميين يتم تطبيق محفز عليهما؛ بالنسبة للهيدروجين (H) القطب السالب (الأنود) وبالنسبة للأكسجين (O) القطب الموجب (الكاثود).
يتم توصيل أيونات H+ وOH- إلى بعضها البعض عبر الأقطاب الكهربائية (الأنود والكاثود)، وبعد ذلك تتفاعل الأيونات + و- مع بعضها البعض. يحفز الكاثود التفاعل الذي تتفاعل فيه الإلكترونات والبروتونات مع الأكسجين لتكوين المنتج النهائي الثاني، وهو الماء. تشكل أيونات H+ و OH- معًا جزيء H2O. هذا الجزيء ليس أيونًا لأن شحنته الكهربائية متعادلة. الجسيم الموجب والجسيم السالب معًا يعطيان جسيمًا متعادلًا.
تتم أكسدة الهيدروجين (H) عند الأنود. الأكسدة هي العملية التي يتبرع فيها الجزيء بإلكتروناته. يعمل الأنود كمحفز، حيث يقسم الهيدروجين إلى بروتونات وإلكترونات.
يحدث الاختزال عند الكاثود عن طريق إضافة الأكسجين (O). ستنتقل الإلكترونات، المختومة بواسطة الأنود، إلى الكاثود عبر سلك كهربائي يربط الإلكترونات بالخارج.
ومن خلال عدم نقل الإلكترونات مباشرة، ولكن عبر طريق خارجي (السلك الحالي)، يتم إطلاق هذه الطاقة إلى حد كبير على شكل طاقة كهربائية. يتم إغلاق الدائرة بواسطة الأيونات الموجودة في المنحل بالكهرباء المتصل بين المخفض والمؤكسد.
ويسمى الجسيم الذي يمتص الإلكترونات بالمؤكسد وبالتالي يتم اختزاله. يفقد عامل الاختزال الإلكترونات ويتأكسد. الاختزال هو العملية التي يمتص بها الجسيم الإلكترونات. الأكسدة والاختزال يسيران معًا دائمًا. عدد الإلكترونات المنطلقة والممتصة هو نفسه دائمًا.
يحدث التفاعل التالي عند القطب السالب:
يحدث رد فعل مختلف عند القطب الموجب:
تُظهر الصورة أدناه المنظر السفلي لمكدس خلايا الوقود من تويوتا. توجد مجموعة خلايا الوقود هذه أسفل غطاء السيارة. المحرك الكهربائي متصل بهذه المكدس. يقوم المحرك الكهربائي بتزويد الطاقة لناقل الحركة المتصل بأعمدة القيادة لنقل القوى الدافعة إلى العجلات.
يمكن رؤية عدة أنابيب هواء في الجزء العلوي من المكدس. ويشمل ذلك، من بين أمور أخرى، مضخة الهواء التي تضخ الهواء إلى خلايا الوقود، اعتماداً على الطاقة التي يحتاجها المحرك الكهربائي.
تم تجهيز مجموعة خلايا الوقود هذه بـ 370 خلية وقود. تزود كل خلية وقود بـ 1 فولت، لذلك يمكن إمداد المحرك الكهربائي بإجمالي 370 فولت. وتقع جميع خلايا الوقود تحت بعضها البعض. تظهر الدائرة الحمراء مكبرة، حيث يمكن رؤية تكديس خلايا الوقود بوضوح.
خزان:
على الرغم من أن الهيدروجين يتمتع بكثافة طاقة عالية لكل وحدة كتلة (120 ميجا جول/كجم) وبالتالي فهو أعلى بثلاث مرات تقريبًا من البنزين، إلا أن كثافة الطاقة لكل وحدة حجم منخفضة جدًا بسبب انخفاض كتلته النوعية. بالنسبة للتخزين، هذا يعني أنه يجب تخزين الهيدروجين تحت الضغط أو في صورة سائلة حتى تتمكن من استخدام خزان تخزين بحجم يمكن التحكم فيه. هناك نوعان مختلفان لتطبيقات المركبات:
- تخزين الغازات عند 350 أو 700 بار؛ عند ضغط 350 بار، يكون حجم الخزان من حيث محتوى الطاقة أكبر بـ 10 مرات من البنزين.
- تخزين السائل عند درجة حرارة -253 درجة (التخزين المبرد)، حيث يكون حجم الخزان من حيث محتوى الطاقة أكبر بمقدار 4 مرات من البنزين. مع التخزين الغازي، يمكن تخزين الهيدروجين إلى أجل غير مسمى دون فقدان الوقود أو المساس بالجودة. من ناحية أخرى، يؤدي التخزين المبرد إلى تكوين البخار. ولأن الضغط في الخزان يزداد بسبب التسخين، فإن الهيدروجين سوف يهرب من خلال صمام تخفيف الضغط؛ ويعتبر تسرب ما يقرب من اثنين في المئة يوميا مقبولا. خيارات التخزين البديلة لا تزال في مرحلة البحث.
الصورة أدناه توضح خزانين للتخزين أسفل السيارة. هذه هي صهاريج التخزين حيث يتم تخزين الهيدروجين في شكل غازي تحت ضغط 700 بار. يبلغ سمك جدار صهاريج التخزين هذه حوالي 40 ملم (4 سم)، مما يجعلها مقاومة للضغط العالي.
أدناه يمكنك أن ترى مرة أخرى كيف يتم تركيب خزانات الهيدروجين أسفل السيارة. الأنبوب البلاستيكي هو تصريف الماء الناتج أثناء التحويل في خلية الوقود.
التزود بالوقود بالهيدروجين:
في وقت كتابة هذا المقال، لا يوجد سوى محطتين فقط لتعبئة الهيدروجين في هولندا. إحدى محطات الوقود هذه موجودة في رون (جنوب هولندا). تظهر الصور فوهات التعبئة المستخدمة للتزود بالوقود. ضغط العمل للتعبئة هو 350 بار للمركبات التجارية و700 بار لسيارات الركاب.
توجد وصلة التعبئة في السيارة خلف غطاء الوقود المعتاد. مسدس التعبئة متصل بوصلة التعبئة هذه. بعد توصيل فوهة التعبئة، سيتم قفل الاتصال. سيتم ملء خزان السيارة بالهيدروجين الغازي تحت ضغط 700 بار.
نطاق وتكاليف الهيدروجين
على سبيل المثال، نأخذ سيارة تويوتا ميراي (موديل عام 2021) وننظر إلى المدى والتكاليف الإضافية:
- مدى 650 كم؛
- الاستهلاك: 0,84 كجم / 100 كم؛
- سعر الوقود لكل كيلومتر: 0,09 إلى 13 سنتا؛
- ضريبة الطريق 0 يورو،-
بالمقارنة مع السيارة التي تعمل بمحرك الديزل، فإن السيارة التي تعمل بخلايا الوقود ليست رخيصة. وعلى الرغم من أن تكاليف ضريبة الطرق تلعب دورًا رئيسيًا، إلا أن عدد محطات الوقود في هولندا لا يزال نادرًا في عام 2021. فيما يلي مقارنة بين التكاليف لكل 100 كيلومتر مع أسعار الوقود الحالية:
بي ام دبليو 320 دي (2012)
- الديزل: 1,30 يورو للتر الواحد؛
- الاستهلاك: 5,8 لتر/100 كم؛
- تكاليف 100 كم: 7,54 يورو.
تويوتا ميراي (2020):
- الهيدروجين: 10 يورو للكيلوغرام الواحد؛
- الاستهلاك: 0,84 كجم/100 كم؛
- تكاليف 100 كم: 8,40 يورو
الصفحات ذات الصلة:
- محرك كهربائي (ملخص)؛
- انتقال الطاقة.
