Teemad:
- Vesinik
- Vesiniku tootmine
- Vesinik Otto mootori kütuseks
- Kütuseelement
- Mahuti
- Vesiniku ulatus ja maksumus
Vesinik:
Vesinikku (inglise keeles nimetatakse vesinikuks) saab kasutada sõidukite energiakandjana. Energiakandja tähendab, et energia on vesinikku juba eelnevalt sisse pandud. See on vastupidine (fossiilsete) energiaallikatele nagu nafta, maagaas ja kivisüsi, kus energia saadakse nende ainete töötlemisel nende põletamise teel.
Vesinik on seega hoopis midagi muud kui vee sissepritse, mida ei kasutata bensiinimootorites energiakandjana, vaid puhtalt põlemiskambri jahutamiseks.
Eesmärk on saavutada vesinikuga „nullheide”; energiavorm, mis ei tekita kasutamise ajal kahjulikke gaase. Üleminek fossiilkütustelt elektriajamile koos vesiniku ja kütuseelemendiga kuulub alla energia üleminek. Sõidukite vesinikuga varustamist saab teha kahel erineval viisil:
- Vesiniku kasutamine Otto mootori kütusena. Vesinik asendab bensiini.
- Toota elektrienergiat kütuseelemendis vesiniku abil. Seda elektrienergiat kasutades juhib elektrimootor sõidukit täielikult elektriliselt.
Mõlemat tehnikat kirjeldatakse sellel lehel.
Vesinikku saab toota säästva energiaga või fossiilkütuste baasil. Viimast püüame nii palju kui võimalik ära hoida, sest fossiilkütustest jääb edaspidi väheks. CO2 tekib ka fossiilkütuste töötlemisel.
Allolevad veerud näitavad aku, vesiniku ja bensiini energiasisaldust. Näeme, et seda on palju
Aku:
- Energiasisaldus: 220Wh/kg, 360Wh/l
- Väga tõhus
- Lühike ladustamine
- Võimalik otsene energia vabastamine
- Transport on keeruline
Vesinik (700 baari):
- Energiasisaldus: 125.000 34,72 kJ/kg, XNUMX kWh/kg
- 30% soojust, 70% H2 (PEM kütuseelement)
- Võimalik pikk ladustamine
- Vajalik teisendus
- Transpordisõbralik
Bensiin:
- Energiaväärtus: 43.000 11,94 kJ/kg, XNUMX kWh/kh
- Tootlus kuni 33%
- Võimalik pikk ladustamine
- Vajalik teisendus (põlemine)
- Transpordisõbralik
Vesinikku leidub kõikjal meie ümber, kuid mitte kunagi tasuta. See on alati seotud. Me hakkame seda tootma, isoleerima ja ladustama.
- 1 kg puhast vesiniku (H2) gaasi = 11.200 XNUMX liitrit atmosfäärirõhul
- H2 on väiksem kui ükski teine molekul
- H2 on kergem kui ükski teine molekul
- H2 otsib alati ühendusi
Lisaks vesiniku tootmisele ja kasutamisele sõiduautodes, käsitletakse sellel lehel ka selle ladustamist ja transporti (lehe allosas).
Vesiniku tootmine:
Vesinik on gaas, mida ei ammutata maapinnast, nagu maagaas. Vesinikku tuleb toota. Seda tehakse muuhulgas elektrolüüsi abil, mille käigus vesi muudetakse vesinikuks ja hapnikuks. See on kütuseelemendis toimuva reaktsiooni vastupidine. Lisaks saab vesinikku saada vähem keskkonnasõbralike protsesside kaudu. Allolevad andmed näitavad, kuidas saab 2021. aastal vesinikku toota.
- Kivisüsi: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (temp: 1300-1500 C)
- Maagaas: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (vajalik temp: 700C-1100C)
- Õli: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + väga palju kõrvalsaadusi
- Elektrolüüs veest: 2H2O -> 2H2 + O2
Elektrolüüs veest on väga puhas ja kõige keskkonnasõbralikum vesiniku tootmise vorm. See vabastab vesinikku ja hapnikku, erinevalt fossiilkütuste töötlemisest, mille käigus eraldub CO2.
- vee elektrolüüs; Elektrolüüs on keemiline reaktsioon, mis lõhustab veemolekule puhta vesiniku ja hapniku saamiseks. Vesinikku saab valmistada kõikjal, kus on vesi ja elekter. Puuduseks on see, et vesiniku tootmiseks ja seejärel uuesti elektriks muutmiseks on vaja elektrit. Selle protsessi käigus kaob kuni 50%. Eeliseks on see, et energia salvestatakse vesinikus.
- Fossiilkütuste muundamine; nafta ja gaas sisaldavad süsivesiniku molekule, mis koosnevad süsinikust ja vesinikust. Vesinikku saab süsinikust eraldada nn kütuseprotsessori abil. Puuduseks on see, et süsinik kaob õhku süsihappegaasina.
Fossiilkütustega saadavat vesiniku tootmist nimetatakse halliks vesinikuks. See vabastab atmosfääri NOx ja CO2.
Alates 2020. aastast muutub tootmine üha "sinisemaks": CO2 püütakse kinni.
Eesmärk on toota aastaks 2030 ainult rohelist vesinikku: roheline elekter ja vesi on kõige keskkonnasõbralikuma vesiniku allikad.
Keemiamaailmas nimetatakse vesinikku H2-ks, mis tähendab, et vesiniku molekul koosneb kahest vesinikuaatomist. H2 on gaas, mida looduses ei esine. H2 molekul esineb igasugustes ainetes, tuntuim on vesi (H20). Vesinik tuleb saada, eraldades vesiniku molekuli näiteks vee molekulist.
Vesiniku tootmine elektrolüüsi teel on seega tulevik.
Järgmisel pildil on keemiatundides tavaliselt kasutatav mudel.
- Aku positiivsed ja negatiivsed vardad ripuvad vees;
- Anoodi poolelt saate hapnikku;
- Katoodi poolelt saad vesinikku.
Fossiilkütustest, näiteks metaanist (CH4) toodetud vesinik muundatakse sel juhul reformimise teel H2-ks ja CO2-ks. CO2 saab eraldada ja säilitada maa all, näiteks tühjas maagaasiväljas. Seetõttu põhjustab maagaasi kasutamine süsinikdioksiidi heitkoguseid atmosfääri vähe või üldse mitte. Vesinikku saab valmistada ka biomassist. Kui selle protsessi käigus eralduv CO2 samuti eraldada ja maa alla ladustada, on võimalik saavutada isegi negatiivseid CO2 emissioone; CO2 eemaldamine atmosfäärist ja selle CO2 säilitamine Maa peal.
Vesinik, erinevalt fossiilkütustest nagu nafta, maagaas ja kivisüsi, ei ole energiaallikas, vaid energiakandja. See tähendab, et vesiniku kasutamisel näiteks autos kütusena eralduv energia tuleb esmalt sisse panna. Vesiniku tootmiseks elektrolüüsi teel on vaja elektrit. Selle vesiniku jätkusuutlikkus sõltub siis suuresti kasutatava elektrienergia jätkusuutlikkusest.
Vesinik Otto mootori kütusena:
Otto mootor on bensiinimootori teine nimi. Bensiinimootori leiutas 1876. aastal Nikolaus Otto. Sel juhul nimetame seda Otto mootoriks, kuna bensiin asendatakse teise kütusega, nimelt vesinikuga. Mootoris, kuhu süstitakse vesinikku, pole enam bensiiniga kütusepaaki.
Vesiniku põletamisel ei teki erinevalt tavapärastest Otto- ja diiselmootoritest CO2 gaase, vaid ainult vett. Kui vesinikku süstitakse otsepritsega, suureneb võimsus võrreldes bensiiniga 15–17%. Kui vesinik süstitakse sisselaskeklappi (kaudne sissepritse), toimub õhu kaudu kiire kuumenemine. Samuti tõrjub õhk välja vesiniku toimel. Mõlemal juhul voolab põlemiskambrisse vähem hapnikku (O2). Halvimal juhul on võimsuskadu kuni 50%.
Õhu ja vesiniku suhe pole nii täpne kui näiteks õhu-bensiini segus. Seetõttu ei oma põlemiskambri kuju suurt tähtsust.
Vesinikku saab süstida kahel viisil:
– Vedelik: Vedeliku vesinikuvaru korral langeb põlemistemperatuur suhteliselt aurustumise tõttu, nii et NOx tekib vähem.
– Gaasiline: kui vesinikku hoitakse paagis vedelal kujul ja see voolab ümbritseva õhu temperatuuril põlemisruumi, tuleb vesiniku vedelast gaasiliseks muutmiseks kasutada aurustit. Sel juhul soojendab aurustit mootori jahutusvedelik. Võimalikud meetmed NOx vähendamiseks on; rakendades EGR, vee süstimine või madalam surveaste.
Allolev pilt näitab nelja olukorda kolme erineva vesiniku sissepritse versiooniga. Teisel pildil vasakult süstitakse gaasiline vesinik kaudselt sisselaskekollektorisse. Gaasiline vesinik kuumutatakse ümbritseva õhu temperatuuril. Vesinik võtab ka ruumi, mistõttu silindrisse voolab vähem hapnikku. See on olukord, kus tekib kõige suurem võimsuskadu.
Kolmandal pildil tarnitakse vesinikku vedelal kujul. Krüogeenne tähendab, et vesinik on väga tugevalt jahutatud (meetod suurte vedela vesiniku koguste säilitamiseks suhteliselt väikeses mahutis). Kuna vesiniku temperatuur on madalam ja see on vedelas olekus, toimub balloonide parem täitmine. Tänu madalale temperatuurile saavutatakse kasutegur peaaegu sama kõrge kui otsese (vesiniku) sissepritsega mootoril. Otsesissepritsemootor on näha neljandal pildil. Kogu põlemisruum on täidetud hapnikuga. Kui sisselaskeklapp on suletud ja kolb surub õhku kokku, süstitakse läbi pihusti teatud kogus vesinikku. Sellel mootoril on süüteküünal pihusti taga või kõrval (seda pole pildil näidatud).
Otto mootori kasutegur pole muidugi 100%, kuid sellel pildil võrreldakse vesiniku põlemise efektiivsust bensiini põlemisega.
Vesinikul on suur energiatihedus massiühiku kohta (120 MJ/kg), mistõttu on see peaaegu kolm korda suurem kui bensiinil. Vesiniku head süüteomadused võimaldavad mootoril töötada väga lahjalt, lambda väärtusega 4 kuni 5. Lahja segu kasutamise miinuseks on võimsuse vähenemine ja sõiduomaduste vähenemine. Selle kompenseerimiseks kasutatakse sageli ülelaadimist (turbo).
Bensiinikütusega võrreldes suurema süüteala tõttu on detonatsiooni või tagasilöögi oht suurem. Seetõttu on väga oluline, et kütuse etteande ja süüte üle oleks hea kontroll. Täiskoormusel võib temperatuur põlemiskambris tõusta väga kõrgeks. Sageli on vee süstimine vajalik piisava jahutuse tagamiseks ja seega enneaegse süttimise vältimiseks (detonatsiooni või tagasilöögi kujul).
Kütuseelement:
Eelmises osas selgitati, kuidas vesinik võib olla sisepõlemismootori kütusena. Teine vesiniku kasutusala on kütuseelemendis. Kütuseelemendiga varustatud sõidukil ei ole sisepõlemismootorit, vaid üks või mitu elektrimootorit. Elektrimootorite käitamiseks vajalikku elektrienergiat toodab kütuseelement. Kütuseelement on elektrokeemiline seade, mis muundab keemilise energia otse elektrienergiaks ilma soojus- või mehaaniliste kadudeta. Seetõttu on kütuseelemendis energia muundamine väga tõhus. Kütuseelement töötab üldiselt vesinikul, kuid kasutada võib ka kütust, näiteks metanooli.
Kütuseelementi saab põhimõtteliselt võrrelda akuga, sest mõlemad toodavad elektrit keemilise protsessi kaudu. Erinevus seisneb selles, et aku salvestatud energia vabaneb üks kord. Energia saab aja jooksul otsa, seega tuleb akut laadida. Kütuseelement annab pidevat energiat seni, kuni elektrokeemilisse elementi tarnitakse reagendid. Reagendid on keemilised ained, mis reageerivad üksteisega keemilises reaktsioonis.
Kütuseelemendis muudetakse vesinik ja hapnik H+ ja OH- ioonideks (laetud osakesteks). Ioonid eraldatakse kütuseelemendi eraldi kambrites membraaniga. Kütuseelement sisaldab kahte poorset süsinikelektroodi, millele kantakse katalüsaator; vesiniku (H) jaoks negatiivne elektrood (anood) ja hapniku jaoks (O) positiivne elektrood (katood).
H+ ja OH- ioonid juhitakse elektroodide (anood ja katood) kaudu üksteiseni, misjärel + ja – ioonid reageerivad omavahel. Katood katalüüsib reaktsiooni, milles elektronid ja prootonid reageerivad hapnikuga, moodustades lõpp-produkti kaks, nimelt vee. H+ ja OH- ioonid moodustavad koos H2O molekuli. See molekul ei ole ioon, kuna selle elektrilaeng on neutraalne. Plussosake ja miinusosake koos annavad neutraalse osakese.
Vesiniku (H) oksüdatsioon toimub anoodil. Oksüdatsioon on protsess, mille käigus molekul loovutab oma elektronid. Anood toimib katalüsaatorina, jagades vesiniku prootoniteks ja elektronideks.
Redutseerimine toimub katoodil hapniku (O) lisamisega. Anoodiga suletud elektronid liiguvad katoodile elektrijuhtme kaudu, mis ühendab elektronid välisküljel.
Kui elektrone ei edastata otse, vaid välise marsruudi (voolujuhtme) kaudu, vabaneb see energia suures osas elektrienergiana. Ahel on suletud reduktori ja oksüdeerija vahelises ühendavas elektrolüüdis olevate ioonidega.
Osakest, mis neelab elektrone, nimetatakse oksüdeerijaks ja seeläbi redutseeritakse. Redutseerija kaotab elektronid ja oksüdeerub. Redutseerimine on protsess, mille käigus osake neelab elektrone. Oksüdeerimine ja redutseerimine käivad alati koos. Vabanevate ja neelduvate elektronide arv on alati sama.
Negatiivsel poolusel toimub järgmine reaktsioon:
Positiivsel poolusel toimub erinev reaktsioon:
Alloleval pildil on näha Toyota kütuseelementide korstna altvaade. See kütuseelemendi virn asub auto kapoti all. Selle virna külge on kinnitatud elektrimootor. Elektrimootor varustab jõuülekandega, mis on ühendatud ajamivõllidega, et edastada liikumapanevad jõud ratastele.
Virna ülaosas on näha mitu õhutoru. See hõlmab muuhulgas õhupumpa, mis pumpab õhku kütuseelementidesse, olenevalt elektrimootori nõutavast võimsusest.
See kütuseelementide virn on varustatud 370 kütuseelemendiga. Iga kütuseelement annab 1 volti, seega saab elektrimootorile anda kokku 370 volti. Kütuseelemendid asuvad kõik üksteise all. Punane ring näitab suurendust, kus on selgelt näha kütuseelementide virnastamine.
Mahuti:
Kuigi vesinikul on suur energiatihedus massiühiku kohta (120MJ/kg) ja seetõttu on see bensiinist peaaegu kolm korda kõrgem, on energiatihedus ruumalaühiku kohta tema väiksema erimassi tõttu väga madal. Säilitamiseks tähendab see, et vesinikku tuleb hoida rõhu all või vedelal kujul, et saaks kasutada juhitava mahuga mahutit. Sõidukite jaoks on kaks varianti:
- Gaasiline ladustamine 350 või 700 baari juures; 350 baari juures on paagi maht energiasisalduse poolest 10 korda suurem kui bensiini puhul.
- Vedelikuhoidla temperatuuril -253 kraadi (krüogeenne hoidla), kus paagi maht energiasisalduse poolest on 4 korda suurem kui bensiinil. Gaasilise ladustamise korral saab vesinikku säilitada lõputult ilma kütusekadudeta või kvaliteedis järeleandmisi tegemata. Krüogeenne ladustamine seevastu põhjustab aurude moodustumist. Kuna rõhk paagis kuumenemise tõttu suureneb, pääseb vesinik läbi rõhualandusklapi; leke umbes kaks protsenti päevas on vastuvõetav. Alternatiivsed ladustamisvõimalused on alles uurimisjärgus.
Alloleval pildil on kaks auto all olevat paaki. Need on mahutid, kus vesinikku hoitakse gaasilisel kujul rõhul 700 baari. Nende mahutite seinapaksus on ligikaudu 40 millimeetrit (4 sentimeetrit), mis muudab need vastupidavaks kõrgele rõhule.
Allpool on taas näha, kuidas vesinikupaagid on auto alla paigaldatud. Plasttoru on kütuseelemendis muundamise käigus tekkinud vee äravool.
Vesinikuga tankimine:
Selle artikli kirjutamise ajal on Hollandis vaid kaks vesiniku tanklat. Üks neist bensiinijaamadest asub Rhoonis (Lõuna-Hollandis). Piltidel on näha tankimiseks kasutatavad täiteotsikud. Töörõhk täitmisel on tarbesõidukitel 350 baari ja sõiduautodel 700 baari.
Täitmisühendus autol asub tavalise kütuseklapi taga. Selle täiteühendusega on ühendatud täitepüstol. Pärast täiteotsiku ühendamist ühendus lukustub. Auto akupaak täidetakse gaasilise vesinikuga rõhul 700 baari.
Vesiniku ulatus ja maksumus
Näitena võtame Toyota Mirai (mudeliaasta 2021) ja vaatame valikut ja lisakulusid:
- Sõiduulatus 650 km;
- Kulu: 0,84 kg / 100 km;
- Kütuse hind kilomeetri kohta: 0,09 kuni 13 senti;
- Teemaks €0,-
Diiselmootoriga sõidukiga võrreldes pole kütuseelemendiga auto odav. Kuigi suurt rolli mängivad maanteemaksu kulud, on 2021. aastal Hollandis tanklate arv endiselt napp. Allpool on 100 km kulude võrdlus praeguste kütusehindadega:
BMW 320d (2012)
- Diisel: 1,30 € liiter;
- Kulu: 5,8 l/100 km;
- Maksab 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Vesinik: 10 € kg;
- Kulu: 0,84 kg/100km;
- Maksab 100 km: 8,40 €
Seotud lehed:
- Elektriajam (Ülevaade);
- Energia üleminek.
