Předměty:
- Vodík
- Výroba vodíku
- Vodík jako palivo pro Otto motor
- Palivový článek
- Zásobní nádrž
- Rozsah a cena vodíku
Vodík:
Vodík (anglicky nazývaný vodík) lze použít jako nosič energie pro pohon vozidel. Nosič energie znamená, že energie již byla do vodíku vložena předem. To je na rozdíl od (fosilních) zdrojů energie, jako je ropa, zemní plyn a uhlí, kde se energie získává zpracováním těchto látek jejich spalováním.
Vodík je tedy něco úplně jiného než vstřikování vody, které se u benzínových motorů nepoužívá jako nosič energie, ale čistě k chlazení spalovacího prostoru.
Cílem je dosáhnout „nulových emisí“ vodíku; forma energie, která při používání neprodukuje škodlivé plyny. Přechod od fosilních paliv k elektrickému pohonu v kombinaci s vodíkem a palivovým článkem spadá pod energetický přechod. Pohánět vozidla vodíkem lze dvěma různými způsoby:
- Využití vodíku jako paliva pro Ottov motor. Benzín nahrazuje vodík.
- Generovat elektrickou energii pomocí vodíku v palivovém článku. Pomocí této elektrické energie bude elektromotor pohánět vozidlo zcela elektricky.
Obě techniky jsou popsány na této stránce.
Vodík lze vyrábět udržitelnou energií nebo na bázi fosilních paliv. Tomu druhému se snažíme co nejvíce předcházet, protože fosilních paliv bude v budoucnu málo. CO2 se bude produkovat i při zpracování fosilních paliv.
Sloupce níže ukazují energetický obsah baterie, vodíku a benzínu. Vidíme, že je toho hodně
Baterie:
- Energetický obsah: 220Wh/kg, 360 Wh/l
- Velmi efektivní
- Krátké skladování
- Možnost přímého uvolnění energie
- Doprava je složitá
Vodík (700 bar):
- Energetický obsah: 125.000 34,72 kJ/kg, XNUMX kWh/kg
- 30 % teplo, 70 % H2 (PEM palivový článek)
- Možnost dlouhého skladování
- Nutná konverze
- Šetrné k dopravě
Benzín:
- Energetická hodnota: 43.000 11,94 kJ/kg, XNUMX kWh/kh
- Návratnost až 33 %
- Možnost dlouhého skladování
- Nutná konverze (spalování)
- Šetrné k dopravě
Vodík se nachází všude kolem nás, ale nikdy není zadarmo. Vždy je to svázáno. Budeme to vyrábět, izolovat a skladovat.
- 1 kg čistého plynného vodíku (H2) = 11.200 XNUMX litrů při atmosférickém tlaku
- H2 je menší než jakákoli jiná molekula
- H2 je lehčí než jakákoli jiná molekula
- H2 neustále hledá souvislosti
Kromě výroby a aplikace vodíku v osobních automobilech se tato stránka zabývá také jeho skladováním a přepravou (v dolní části stránky).
Výroba vodíku:
Vodík je plyn, který se netěží ze země, jako zemní plyn. Vodík se musí vyrábět. To se děje mimo jiné elektrolýzou, procesem, při kterém se voda přeměňuje na vodík a kyslík. To je opak reakce, která probíhá v palivovém článku. Vodík lze navíc získat i méně ekologickými procesy. Níže uvedená data ukazují, jak lze vodík vyrábět v roce 2021.
- Uhlí: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (teplota: 1300C-1500C)
- Zemní plyn: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (požadovaná teplota: 700C-1100C)
- Olej: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + velmi mnoho vedlejších produktů
- Elektrolýza z vody: 2H2O -> 2H2 + O2
Elektrolýza z vody je velmi čistá a je to nejekologičtější forma výroby vodíku. Tím se uvolňuje vodík a kyslík, na rozdíl od zpracování fosilních paliv, kdy se uvolňuje CO2.
- Elektrolýza vody; Elektrolýza je chemická reakce, která štěpí molekuly vody za vzniku čistého vodíku a kyslíku. Vodík lze vyrábět všude, kde je voda a elektřina. Nevýhodou je, že k výrobě vodíku potřebujete elektřinu a pak ji zase přeměňujete na elektřinu. Během tohoto procesu se ztratí až 50 %. Výhodou je, že energie je uložena ve vodíku.
- Přeměna fosilních paliv; ropa a plyn obsahují molekuly uhlovodíků tvořené uhlíkem a vodíkem. Vodík lze štěpit z uhlíku pomocí tzv. palivového procesoru. Nevýhodou je, že uhlík mizí ve vzduchu jako oxid uhličitý.
Výroba vodíku z fosilních paliv se nazývá šedý vodík. Tím se do atmosféry uvolňují NOx a CO2.
Od roku 2020 bude výroba stále „modrá“: bude zachycován CO2.
Cílem je do roku 2030 vyrábět výhradně zelený vodík: zelená elektřina a voda jsou zdroje vyráběného vodíku, který je nejšetrnější k životnímu prostředí.
V chemickém světě je vodík označován jako H2, což znamená, že molekula vodíku je tvořena dvěma atomy vodíku. H2 je plyn, který se v přírodě nevyskytuje. Molekula H2 se vyskytuje ve všech druzích látek, nejznámější je voda (H20). Vodík je nutné získat oddělením molekuly vodíku například od molekuly vody.
Výroba vodíku elektrolýzou je tedy budoucností.
Následující obrázek ukazuje model běžně používaný v hodinách chemie.
- Kladné a záporné čáry baterie visí ve vodě;
- Na straně anody získáte kyslík;
- Na katodové straně získáte vodík.
Vodík vyrobený z fosilních paliv, například metanu (CH4), se v tomto případě přeměňuje na H2 a CO2 reformováním. CO2 lze separovat a skladovat pod zemí, například v prázdném nalezišti zemního plynu. Používání zemního plynu proto přispívá k emisím CO2 do atmosféry jen málo nebo vůbec. Vodík lze vyrobit i z biomasy. Pokud je CO2 uvolněný během tohoto procesu také separován a skladován pod zemí, je dokonce možné dosáhnout negativních emisí CO2; odstraňování CO2 z atmosféry a ukládání tohoto CO2 na Zemi.
Vodík, na rozdíl od fosilních paliv, jako je ropa, zemní plyn a uhlí, není zdrojem energie, ale nosičem energie. To znamená, že nejprve je třeba vložit energii uvolněnou při použití vodíku, například jako paliva v autě. Elektřina je nutná k výrobě vodíku elektrolýzou. Udržitelnost tohoto vodíku pak do značné míry závisí na udržitelnosti použité elektřiny.
Vodík jako palivo pro Ottov motor:
Otto motor je jiný název pro benzínový motor. Benzínový motor vynalezl v roce 1876 Nikolaus Otto. V tomto případě mu říkáme Otto motor, protože benzín je nahrazen jiným palivem, a to vodíkem. V motoru, kde se vstřikuje vodík, už není palivová nádrž s benzínem.
Při spalování vodíku nevznikají na rozdíl od běžných Ottových a dieselových motorů plyny CO2, ale pouze voda. Když je vodík vstřikován přímým vstřikováním, dojde ke zvýšení výkonu o 15 až 17 % ve srovnání s benzínem. Když je vodík vstřikován do vstupního ventilu (nepřímé vstřikování), dochází k rychlému ohřevu vzduchem. Vzduch je také vytlačován vodíkem. V obou případech proudí do spalovací komory méně kyslíku (O2). V nejhorším případě dochází ke ztrátě výkonu až 50 %.
Poměr mezi vzduchem a vodíkem není tak přesný jako například u směsi vzduch-benzín. Tvar spalovací komory tedy nemá velký význam.
Vodík lze vstřikovat dvěma způsoby:
– Kapalina: S kapalným přívodem vodíku se teplota spalování relativně sníží v důsledku odpařování, takže se vytvoří méně NOx.
– Plynný: Pokud je vodík skladován v nádrži v kapalné formě a při okolní teplotě proudí do spalovacího prostoru, musí být k přeměně vodíku z kapalného do plynného skupenství použit výparník. V takovém případě je výparník ohříván chladicí kapalinou motoru. Možná opatření ke snížení NOx jsou; uplatnění EGR, vstřikování vody nebo nižší kompresní poměr.
Obrázek níže ukazuje čtyři situace se třemi různými verzemi vstřikování vodíku. Na druhém obrázku zleva je plynný vodík vstřikován nepřímo do sacího potrubí. Plynný vodík se zahřívá okolní teplotou. Vodík také zabírá prostor a způsobuje, že do válce proudí méně kyslíku. Toto je situace, kdy dochází k největším ztrátám výkonu.
Na třetím obrázku je vodík dodáván v kapalné formě. Kryogenní znamená, že vodík byl velmi silně ochlazen (způsob skladování velkého množství vodíku v kapalné formě v relativně malé skladovací nádrži). Protože je teplota vodíku nižší a vodík je v kapalném stavu, dochází k lepšímu plnění válce. Díky nízké teplotě je dosaženo účinnosti téměř tak vysoké jako u motoru s přímým (vodíkovým) vstřikováním. Motor s přímým vstřikováním je vidět na čtvrtém obrázku. Celý spalovací prostor je naplněn kyslíkem. Když je sací ventil uzavřen a píst stlačuje vzduch, vstřikuje se určité množství vodíku přes injektor. Zapalovací svíčka u tohoto motoru je za vstřikovačem nebo vedle něj (na obrázku to není znázorněno).
Účinnost Ottova motoru samozřejmě není 100%, ale na tomto obrázku jsou srovnávány účinnosti spalování vodíku se spalováním benzinu.
Vodík má vysokou hustotu energie na jednotku hmotnosti (120 MJ/kg), díky čemuž je téměř třikrát vyšší než u benzínu. Dobré zapalovací vlastnosti vodíku umožňují provoz motoru velmi chudý, s hodnotou lambda 4 až 5. Nevýhodou použití chudé směsi je nižší výkon a snížení jízdních vlastností. K vyrovnání se často používá přeplňování (turbo).
Vzhledem k větší ploše vznícení ve srovnání s benzínem je riziko detonace nebo zpětného vzplanutí větší. Je proto velmi důležité, aby byla dobrá kontrola přívodu paliva a zapalování. Při plném zatížení může být teplota ve spalovací komoře velmi vysoká. Tam je často vstřikování vody nutné zajistit dostatečné chlazení a zabránit tak předčasnému vznícení (ve formě detonace nebo zpětného vzplanutí).
Palivový článek:
V předchozí části bylo vysvětleno, jak může vodík sloužit jako palivo pro spalovací motor. Další aplikace vodíku je v palivovém článku. Vozidlo vybavené palivovým článkem nemá spalovací motor, ale jeden nebo více elektromotorů. Elektrickou energii pro provoz elektromotorů vyrábí palivový článek. Palivový článek je elektrochemické zařízení, které přeměňuje chemickou energii přímo na elektrickou energii, bez tepelných nebo mechanických ztrát. Přeměna energie v palivovém článku je tedy velmi účinná. Palivový článek obecně běží na vodík, ale lze použít i palivo, jako je metanol.
Palivový článek lze v zásadě přirovnat k baterii, protože oba vyrábějí elektřinu chemickým procesem. Rozdíl je v tom, že uložená energie v baterii se uvolní jednou. Energie se časem vybije, takže je potřeba baterii dobít. Palivový článek poskytuje nepřetržitou energii, pokud jsou do elektrochemického článku dodávány reaktanty. Reaktanty jsou chemické látky, které spolu reagují v chemické reakci.
V palivovém článku se vodík a kyslík přeměňují na ionty H+ a OH- (nabité částice). Ionty jsou odděleny membránou v samostatných komorách palivového článku. Palivový článek obsahuje dvě porézní uhlíkové elektrody, na kterých je nanesen katalyzátor; pro vodík (H) záporná elektroda (anoda) a pro kyslík (O) kladná elektroda (katoda).
Ionty H+ a OH- jsou k sobě vedeny přes elektrody (anoda a katoda), načež ionty + a – spolu reagují. Katoda katalyzuje reakci, při které elektrony a protony reagují s kyslíkem za vzniku konečného produktu dvě, totiž vody. Ionty H+ a OH- spolu tvoří molekulu H2O. Tato molekula není iont, protože její elektrický náboj je neutrální. Plus částice a mínus částice dohromady dávají neutrální částici.
Oxidace vodíku (H) probíhá na anodě. Oxidace je proces, při kterém molekula daruje své elektrony. Anoda funguje jako katalyzátor, štěpí vodík na protony a elektrony.
Redukce probíhá na katodě přidáním kyslíku (O). Elektrony, utěsněné anodou, budou cestovat ke katodě přes elektrický drát, který spojuje elektrony kolem vnějšku.
Tím, že se elektrony nepřenášejí přímo, ale přes vnější cestu (proudový vodič), je tato energie z velké části uvolněna jako elektrická energie. Okruh je uzavřen ionty ve spojovacím elektrolytu mezi reduktorem a okysličovadlem.
Částice, která absorbuje elektrony, se nazývá okysličovadlo a tím se redukuje. Redukční činidlo ztrácí elektrony a je oxidováno. Redukce je proces, při kterém částice absorbuje elektrony. Oxidace a redukce jdou vždy dohromady. Počet uvolněných a absorbovaných elektronů je vždy stejný.
Na záporném pólu probíhá následující reakce:
Na kladném pólu probíhá odlišná reakce:
Obrázek níže ukazuje spodní pohled na sadu palivových článků Toyota. Tento zásobník palivových článků je umístěn pod kapotou vozu. K tomuto stohu je připojen elektromotor. Elektromotor dodává výkon do převodovky, která je spojena s hnacími hřídeli pro přenos hnacích sil na kola.
V horní části zásobníku je vidět několik vzduchových trubic. To zahrnuje mimo jiné vzduchové čerpadlo, které pumpuje vzduch do palivových článků v závislosti na výkonu požadovaného elektromotoru.
Tato sada palivových článků je vybavena 370 palivovými články. Každý palivový článek dodává 1 volt, takže do elektromotoru lze dodat celkem 370 voltů. Palivové články jsou všechny umístěny pod sebou. Červený kruh ukazuje zvětšení, kde je jasně vidět naskládání palivových článků.
Zásobník:
Přestože má vodík vysokou hustotu energie na jednotku hmotnosti (120 MJ/kg), a je tedy téměř třikrát vyšší než u benzínu, je hustota energie na jednotku objemu velmi nízká kvůli jeho nižší specifické hmotnosti. Pro skladování to znamená, že vodík musí být skladován pod tlakem nebo v kapalné formě, aby bylo možné použít zásobní nádrž s ovladatelným objemem. Existují dvě varianty pro použití ve vozidle:
- Skladování plynu při 350 nebo 700 barech; Při tlaku 350 bar je objem nádrže z hlediska obsahu energie 10krát větší než u benzínu.
- Skladování kapaliny při teplotě -253 stupňů (kryogenní skladování), kdy objem nádrže z hlediska obsahu energie je 4x větší než u benzínu. Při skladování v plynném stavu lze vodík skladovat neomezeně dlouho, aniž by došlo ke ztrátě paliva nebo ke snížení kvality. Na druhé straně kryogenní skladování má za následek tvorbu páry. Protože se tlak v nádrži vlivem zahřívání zvyšuje, vodík unikne přes přetlakový ventil; je přijatelný únik přibližně dvou procent za den. Alternativní možnosti uložení jsou stále ve fázi výzkumu.
Na obrázku níže jsou dvě skladovací nádrže pod autem. Jedná se o zásobníky, kde je vodík skladován v plynné formě pod tlakem 700 barů. Tyto skladovací nádrže mají tloušťku stěny přibližně 40 milimetrů (4 centimetry), díky čemuž jsou odolné vůči vysokému tlaku.
Níže můžete opět vidět, jak jsou vodíkové nádrže namontovány pod autem. Plastová trubka je odtok vody vzniklý při přeměně v palivovém článku.
Tankování vodíku:
V době psaní tohoto článku jsou v Nizozemsku pouze dvě vodíkové čerpací stanice. Jedna z těchto čerpacích stanic je v Rhoonu (Jižní Holandsko). Obrázky ukazují plnicí trysky používané k tankování. Pracovní tlak pro plnění je 350 barů pro užitková vozidla a 700 barů pro osobní automobily.
Plnicí přípojka ve voze je umístěna za běžnou palivovou klapkou. Na tuto plnicí přípojku se připojuje plnicí pistole. Po připojení plnicí trysky se spojení zablokuje. Zásobní nádrž vozu se bude plnit plynným vodíkem pod tlakem 700 barů.
Rozsah a cena vodíku
Jako příklad si vezmeme Toyotu Mirai (modelový rok 2021) a podíváme se na dojezd a dodatečné náklady:
- Dojezd 650 km;
- Spotřeba: 0,84 kg / 100 km;
- Cena paliva za km: 0,09 až 13 centů;
- Silniční daň 0,- €
V porovnání s vozidlem s naftovým motorem není auto na palivové články levné. Přestože náklady na silniční daň hrají hlavní roli, počet čerpacích stanic v Nizozemsku je v roce 2021 stále nízký. Níže uvádíme srovnání nákladů na 100 km s aktuálními cenami paliva:
BMW 320d (2012)
- Nafta: 1,30 EUR za litr;
- Spotřeba: 5,8 l/100 km;
- Náklady na 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Vodík: 10 EUR za kg;
- Spotřeba: 0,84 kg/100km;
- Náklady na 100 km: 8,40 €
Související stránky:
- Elektrický pohon (Přehled);
- Energetický přechod.
