Предмети:
- Водород
- Производство на водород
- Водородът като гориво за двигател на Ото
- Горивна клетка
- Резервоар за съхранение
- Обхват и цена на водорода
Водород:
Водородът (наричан водород на английски) може да се използва като енергиен носител за задвижване на превозни средства. Енергиен носител означава, че енергията вече е вложена във водорода предварително. Това е в контраст с (изкопаемите) енергийни източници като нефт, природен газ и въглища, където енергията се получава чрез обработка на тези вещества чрез изгарянето им.
Следователно водородът е нещо съвсем различно от водното впръскване, което не се използва като енергиен носител в бензиновите двигатели, а само за охлаждане на горивната камера.
Целта е да се постигнат „нулеви емисии“ с водород; форма на енергия, която не произвежда вредни газове по време на употреба. Преходът от изкопаеми горива към електрическо задвижване в комбинация с водород и горивна клетка попада в обхвата енергиен преход. Захранването на превозни средства с водород може да се извърши по два различни начина:
- Използване на водород като гориво за двигателя на Ото. Водородът замества бензиновото гориво.
- Генерирайте електрическа енергия с помощта на водород в горивна клетка. Използвайки тази електрическа енергия, електрическият мотор ще задвижва автомобила напълно електрически.
И двете техники са описани на тази страница.
Водородът може да се произвежда с устойчива енергия или на базата на изкопаеми горива. Опитваме се да предотвратим последното, доколкото е възможно, защото изкопаемите горива ще станат оскъдни в бъдеще. CO2 ще се произвежда и при преработката на изкопаеми горива.
Колоните по-долу показват енергийното съдържание на батерия, водород и бензин. Виждаме, че има много
Батерия:
- Енергия: 220Wh/kg, 360 Wh/l
- Много ефикасно
- Кратко съхранение
- Възможно директно освобождаване на енергия
- Транспортът е сложен
Водород (700 бара):
- Енергийна стойност: 125.000 34,72 kJ/kg, XNUMX kWh/kg
- 30% топлина, 70% H2 (PEM горивна клетка)
- Възможност за дълго съхранение
- Необходимо преобразуване
- Удобен за транспорт
Бензин:
- Енергийна стойност: 43.000 11,94 kJ/kg, XNUMX kWh/kh
- Възвръщаемост до 33%
- Възможност за дълго съхранение
- Необходимо преобразуване (изгаряне)
- Удобен за транспорт
Водородът се намира навсякъде около нас, но никога свободен. Винаги е обвързано. Ще го произведем, изолираме и съхраним.
- 1 kg чист водород (H2) газ = 11.200 XNUMX литра при атмосферно налягане
- H2 е по-малък от всяка друга молекула
- H2 е по-лек от всяка друга молекула
- H2 винаги търси връзки
В допълнение към производството и приложението на водород в леките автомобили, тази страница също така обсъжда неговото съхранение и транспорт (в долната част на страницата).
Производство на водород:
Водородът е газ, който не се извлича от земята, като природния газ. Трябва да се произвежда водород. Това става, наред с други неща, чрез електролиза, процес, при който водата се превръща във водород и кислород. Това е обратната реакция на протичащата в горивната клетка. В допълнение, водородът може да бъде получен чрез по-малко екологични процеси. Данните по-долу показват как може да се произвежда водород през 2021 г.
- Въглища: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (температура: 1300C-1500C)
- Природен газ: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (необходима температура: 700C-1100C)
- Масло: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + много странични продукти
- Електролиза от вода: 2H2O -> 2H2 + O2
Електролизата от вода е много чиста и е най-екологичната форма на производство на водород. Това освобождава водород и кислород, за разлика от преработката на изкопаеми горива, която отделя CO2.
- Електролиза на вода; Електролизата е химическа реакция, която разделя водните молекули за създаване на чист водород и кислород. Водородът може да се произвежда навсякъде, където има вода и електричество. Недостатък е, че имате нужда от електричество, за да направите водород и след това да го превърнете отново в електричество. По време на този процес се губят до 50%. Предимството е, че енергията се съхранява във водород.
- Преобразуване на изкопаеми горива; нефтът и газът съдържат въглеводородни молекули, съставени от въглерод и водород. Водородът може да бъде разделен от въглерод с помощта на така наречения горивен процесор. Недостатъкът е, че въглеродът изчезва във въздуха като въглероден диоксид.
Производството на водород, получено с изкопаеми горива, се нарича сив водород. Това освобождава NOx и CO2 в атмосферата.
От 2020 г. нататък производството ще става все по-синьо: CO2 ще бъде уловен.
Целта е до 2030 г. да се произвежда изключително зелен водород: зеленото електричество и водата са източниците на най-щадящия околната среда генериран водород.
В света на химията водородът се нарича Н2, което означава, че молекулата на водорода е изградена от два водородни атома. H2 е газ, който не се среща в природата. Молекулата H2 се среща във всички видове вещества, като най-известното е водата (H20). Водородът трябва да се получи чрез отделяне на водородната молекула от, например, водна молекула.
Следователно производството на водород чрез електролиза е бъдещето.
Следното изображение показва модел, който обикновено се използва в уроците по химия.
- Положителните и отрицателните ленти на батерията висят във водата;
- От страната на анода получавате кислород;
- От страната на катода получавате водород.
Водородът, произведен от изкопаеми горива, например метан (CH4), в този случай се превръща в H2 и CO2 чрез реформинг. CO2 може да бъде отделен и съхраняван под земята, например в празно находище на природен газ. Следователно използването на природен газ има малък или никакъв принос за емисиите на CO2 в атмосферата. Водородът може да се произвежда и от биомаса. Ако CO2, освободен по време на този процес, също се отдели и съхранява под земята, дори е възможно да се постигнат отрицателни емисии на CO2; премахване на CO2 от атмосферата и съхраняване на този CO2 на Земята.
Водородът, за разлика от изкопаемите горива като нефт, природен газ и въглища, не е енергиен източник, а енергиен носител. Това означава, че енергията, освободена при използване на водород, например като гориво в автомобил, трябва първо да се вложи. Електричеството е необходимо за производството на водород чрез електролиза. Тогава устойчивостта на този водород до голяма степен зависи от устойчивостта на използваното електричество.
Водород като гориво за двигател на Ото:
Двигателят на Ото е другото име за бензинов двигател. Бензиновият двигател е изобретен през 1876 г. от Николаус Ото. В този случай го наричаме Ото двигател, тъй като бензинът е заменен с друго гориво, а именно водород. В двигател, в който се впръсква водород, вече няма резервоар за гориво с бензин.
При изгаряне на водород не се отделят CO2 газове, за разлика от конвенционалните Ото и дизелови двигатели, а само вода. Когато водородът се впръсква чрез директно впръскване, ще има увеличение на мощността от 15 до 17% в сравнение с бензиновото гориво. Когато водородът се впръсква във входящия клапан (индиректно впръскване), бързото нагряване се осъществява във въздуха. Въздухът също се измества от водорода. И в двата случая в горивната камера постъпва по-малко кислород (O2). В най-лошия случай има загуба на мощност до 50%.
Съотношението между въздух и водород не е толкова прецизно, колкото например при смес въздух-бензин. Следователно формата на горивната камера не е от голямо значение.
Водородът може да се инжектира по два начина:
– Течност: При течно захранване с водород температурата на горене ще спадне относително поради изпарението, така че да се създават по-малко NOx.
– Газообразен: Ако водородът се съхранява в течна форма в резервоара и се влива в горивното пространство при температура на околната среда, трябва да се използва изпарител за преобразуване на водорода от течно в газообразно състояние. В този случай изпарителят се загрява от охлаждащата течност на двигателя. Възможните мерки за намаляване на NOx са; прилагане EGR, водна инжекция или по-нисък степен на компресия.
Изображението по-долу показва четири ситуации с три различни версии на впръскване на водород. На второто изображение отляво газообразният водород се впръсква индиректно във всмукателния колектор. Газообразният водород се нагрява от температурата на околната среда. Водородът също заема място, което води до подаване на по-малко кислород в цилиндъра. Това е ситуацията, при която се получава най-голяма загуба на мощност.
В третото изображение водородът се доставя в течна форма. Криогенен означава, че водородът е бил много охладен (метод за съхраняване на големи количества водород в течна форма в сравнително малък резервоар за съхранение). Тъй като температурата на водорода е по-ниска и той е в течно състояние, се получава по-добро пълнене на бутилката. Благодарение на ниската температура се постига ефективност почти толкова висока, колкото на двигател с директно (водородно) впръскване. Двигателят с директно впръскване може да се види на четвъртото изображение. Цялото горивно пространство е изпълнено с кислород. Когато всмукателният клапан е затворен и буталото компресира въздуха, известно количество водород се впръсква през инжектора. Свещта на този двигател е зад или до инжектора (това не е показано на изображението).
Ефективността на двигателя на Ото, разбира се, не е 100%, но в това изображение ефективността на изгаряне на водород се сравнява с изгарянето на бензин.
Водородът има висока енергийна плътност на единица маса (120 MJ/kg), което го прави почти три пъти по-висок от бензина. Добрите свойства на запалване на водорода позволяват двигателят да работи много бедно, с ламбда стойност от 4 до 5. Недостатъкът на използването на бедна смес е, че мощността ще бъде по-ниска и характеристиките на шофиране ще бъдат намалени. За да се компенсира това, често се използва компресор (турбо).
Поради по-голямата площ на запалване в сравнение с бензиновото гориво, рискът от детонация или обратен огън е по-голям. Ето защо е много важно да има добър контрол на подаването на гориво и запалването. При пълно натоварване температурата в горивната камера може да бъде много висока. Често има водна инжекция необходимо за осигуряване на достатъчно охлаждане и по този начин също така за предотвратяване на преждевременно възпламеняване (под формата на детонация или обратен огън).
Горивна клетка:
Предишният раздел обясни как водородът може да служи като гориво за двигателя с вътрешно горене. Друго приложение на водорода е в горивните клетки. Превозно средство, оборудвано с горивна клетка, няма двигател с вътрешно горене, а един или повече електрически мотора. Електрическата енергия за работата на електродвигателите се произвежда от горивната клетка. Горивната клетка е електрохимично устройство, което преобразува химическата енергия директно в електрическа, без топлинни или механични загуби. Следователно преобразуването на енергия в горивната клетка е много ефективно. Горивната клетка обикновено работи с водород, но може да се използва и гориво като метанол.
По принцип горивната клетка може да се сравни с батерия, тъй като и двете произвеждат електричество чрез химичен процес. Разликата е, че съхранената енергия в батерията се освобождава еднократно. Енергията се изчерпва с времето, така че батерията трябва да се презареди. Горивната клетка осигурява непрекъсната енергия, докато реагентите се подават към електрохимичната клетка. Реагентите са химични вещества, които реагират едно с друго в химична реакция.
В горивната клетка водородът и кислородът се превръщат в Н+ и ОН- йони (заредени частици). Йоните са разделени от мембрана в отделни камери на горивната клетка. Горивната клетка съдържа два порести въглеродни електрода, върху които е нанесен катализатор; за водород (H) отрицателен електрод (анод) и за кислород (O) положителен електрод (катод).
H+ и OH- йоните се насочват един към друг чрез електродите (анод и катод), след което + и – йоните реагират един с друг. Катодът катализира реакцията, при която електроните и протоните реагират с кислорода, за да образуват краен продукт две, а именно вода. Йоните H+ и OH- заедно образуват молекула H2O. Тази молекула не е йон, защото нейният електрически заряд е неутрален. Частицата плюс и частицата минус заедно дават неутрална частица.
Окислението на водород (H) се извършва на анода. Окисляването е процесът, при който една молекула отдава своите електрони. Анодът действа като катализатор, разделяйки водорода на протони и електрони.
Редукцията се извършва на катода чрез добавяне на кислород (O). Електроните, запечатани от анода, ще пътуват до катода чрез електрически проводник, който свързва електроните отвън.
Като не прехвърля електрони директно, а по външен път (токовия проводник), тази енергия се освобождава до голяма степен като електрическа енергия. Веригата се затваря от йони в свързващ електролит между редуктора и окислителя.
Частицата, която абсорбира електрони, се нарича окислител и по този начин се редуцира. Редукторът губи електрони и се окислява. Редукцията е процесът, при който една частица абсорбира електрони. Окислението и редукцията винаги вървят заедно. Броят на освободените и погълнати електрони е винаги един и същ.
На отрицателния полюс протича следната реакция:
На положителния полюс протича различна реакция:
Изображението по-долу показва изглед отдолу на купчина горивни клетки на Toyota. Този комплект горивни клетки се намира под капака на автомобила. Електрическият мотор е прикрепен към този стек. Електрическият мотор доставя мощността на трансмисията, която е свързана със задвижващите валове за предаване на задвижващите сили към колелата.
Няколко въздушни тръби могат да се видят в горната част на стека. Това включва, наред с други неща, въздушната помпа, която изпомпва въздуха към горивните клетки в зависимост от мощността, необходима на електрическия мотор.
Тази купчина горивни клетки е оборудвана с 370 горивни клетки. Всяка горивна клетка доставя 1 волт, така че общо 370 волта могат да бъдат доставени на електрическия мотор. Всички горивни клетки са разположени една под друга. Червеният кръг показва увеличение, където ясно се вижда подреждането на горивните клетки.
Резервоар за съхранение:
Въпреки че водородът има висока енергийна плътност на единица маса (120 MJ/kg) и следователно е почти три пъти по-висока от бензина, енергийната плътност на единица обем е много ниска поради по-ниската му специфична маса. За съхранение това означава, че водородът трябва да се съхранява под налягане или в течна форма, за да може да се използва резервоар за съхранение с управляем обем. Има два варианта за приложения в превозни средства:
- Съхранение на газ при 350 или 700 бара; При 350 бара обемът на резервоара по отношение на енергийното съдържание е 10 пъти по-голям, отколкото при бензина.
- Съхранение на течности при температура от -253 градуса (криогенно съхранение), където обемът на резервоара по отношение на енергийното съдържание е 4 пъти по-голям, отколкото при бензина. С газообразно съхранение водородът може да се съхранява за неопределено време без загуба на гориво или компромис с качеството. Криогенното съхранение, от друга страна, води до образуване на пари. Тъй като налягането в резервоара се увеличава поради нагряване, водородът ще излезе през предпазния клапан; изтичане от приблизително два процента на ден е приемливо. Алтернативните възможности за съхранение все още са в етап на проучване.
Изображението по-долу показва два резервоара за съхранение под колата. Това са резервоари за съхранение, където водородът се съхранява в газообразна форма под налягане от 700 бара. Тези резервоари за съхранение имат дебелина на стената приблизително 40 милиметра (4 сантиметра), което ги прави устойчиви на високо налягане.
По-долу можете да видите отново как са монтирани резервоарите за водород под колата. Пластмасовата тръба е дренажът на водата, създадена по време на преобразуването в горивната клетка.
Зареждане с водород:
Към момента на писане на тази статия в Холандия има само две станции за зареждане с водород. Една от тези бензиностанции е в Rhoon (Южна Холандия). Изображенията показват дюзите за пълнене, използвани за зареждане с гориво. Работното налягане за пълнене е 350 бара за товарни автомобили и 700 бара за леки автомобили.
Връзката за пълнене в автомобила се намира зад обичайния капак за гориво. Пистолетът за пълнене е свързан към тази връзка за пълнене. След свързване на дюзата за пълнене връзката ще се заключи. Резервоарът за съхранение на автомобила ще бъде пълен с газообразен водород под налягане от 700 бара.
Обхват и цена на водорода
Като пример вземаме Toyota Mirai (моделна година 2021) и разглеждаме гамата и допълнителните разходи:
- Обхват 650 км;
- Разход: 0,84 кг / 100 км;
- Цена на горивото на км: 0,09 до 13 ст.;
- Пътна такса €0,-
В сравнение с превозно средство с дизелов двигател, автомобилът с горивни клетки не е евтин. Въпреки че разходите за пътен данък играят основна роля, броят на бензиностанциите в Холандия е все още оскъден през 2021 г. По-долу е сравнение на разходите на 100 км с текущите цени на горивата:
BMW 320d (2012)
- Дизел: 1,30 евро за литър;
- Разход: 5,8 л/100 км;
- Разходи за 100 км: 7,54 евро.
Toyota Mirai (2020):
- Водород: 10 евро за кг;
- Разход: 0,84 кг/100км;
- Разходи за 100 км: 8,40 евро
Свързани страници:
- Електрическо задвижване (Общ преглед);
- Енергиен преход.
