فاعل، موضوع:
- هیدروژن
- تولید هیدروژن
- هیدروژن به عنوان سوخت موتور اتو
- سلول سوختی
- مخزن ذخیره
- محدوده و هزینه های هیدروژن
هیدروژن:
هیدروژن (به انگلیسی hydrogen نامیده می شود) می تواند به عنوان حامل انرژی برای تامین انرژی وسایل نقلیه استفاده شود. حامل انرژی به این معنی است که انرژی از قبل وارد هیدروژن شده است. این برخلاف منابع انرژی (فسیلی) مانند نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ است که انرژی از پردازش این مواد با سوزاندن آنها به دست می آید.
بنابراین هیدروژن چیزی کاملاً متفاوت از تزریق آب است که به عنوان حامل انرژی در موتورهای بنزینی استفاده نمی شود، بلکه صرفاً برای خنک کردن محفظه احتراق استفاده می شود.
هدف دستیابی به "انتشار صفر" با هیدروژن است. نوعی انرژی که در حین استفاده گازهای مضر تولید نمی کند. انتقال از سوخت های فسیلی به نیروی محرکه الکتریکی در ترکیب با هیدروژن و پیل سوختی تحت انتقال انرژی. تامین انرژی وسایل نقلیه با هیدروژن می تواند به دو روش مختلف انجام شود:
- استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت برای موتور اتو هیدروژن جایگزین سوخت بنزین می شود.
- تولید انرژی الکتریکی با استفاده از هیدروژن در پیل سوختی. با استفاده از این انرژی الکتریکی، موتور الکتریکی خودرو را کاملاً الکتریکی به حرکت در می آورد.
هر دو تکنیک در این صفحه توضیح داده شده است.
هیدروژن را می توان با انرژی پایدار یا بر اساس سوخت های فسیلی تولید کرد. ما سعی می کنیم تا حد امکان از این دومی جلوگیری کنیم، زیرا سوخت های فسیلی در آینده کمیاب می شوند. CO2 همچنین هنگام پردازش سوخت های فسیلی تولید می شود.
ستون های زیر محتوای انرژی یک باتری، هیدروژن و بنزین را نشان می دهد. می بینیم که زیاد است
باتریج:
- محتوای انرژی: 220 وات ساعت بر کیلوگرم، 360 وات ساعت در لیتر
- بسیار کارآمد
- ذخیره سازی کوتاه
- امکان انتشار مستقیم انرژی
- حمل و نقل پیچیده است
هیدروژن (700 بار):
- محتوای انرژی: 125.000 کیلوژول بر کیلوگرم، 34,72 کیلووات ساعت بر کیلوگرم
- 30٪ گرما، 70٪ H2 (پیل سوختی PEM)
- امکان ذخیره سازی طولانی مدت
- تبدیل لازم است
- حمل و نقل دوستانه
بنزین:
- ارزش انرژی: 43.000 کیلوژول بر کیلوگرم، 11,94 کیلووات ساعت در ساعت
- بازده تا 33%
- امکان ذخیره سازی طولانی مدت
- تبدیل لازم (احتراق)
- حمل و نقل دوستانه
هیدروژن در اطراف ما یافت می شود، اما هرگز آزاد نیست. همیشه مقید است. قرار است آن را تولید کنیم، جداسازی کنیم و ذخیره کنیم.
- 1 کیلوگرم گاز هیدروژن خالص (H2) = 11.200 لیتر در فشار اتمسفر
- H2 کوچکتر از هر مولکول دیگری است
- H2 سبکتر از هر مولکول دیگری است
- H2 همیشه به دنبال اتصالات است
در این صفحه علاوه بر تولید و کاربرد هیدروژن در خودروهای سواری، به بحث نگهداری و حمل و نقل آن نیز می پردازد (در پایین صفحه).
تولید هیدروژن:
هیدروژن گازی است که مانند گاز طبیعی از زمین استخراج نمی شود. هیدروژن باید تولید شود. این کار، از جمله، از طریق الکترولیز انجام می شود، فرآیندی که در آن آب به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می شود. این عکس واکنشی است که در یک پیل سوختی انجام می شود. علاوه بر این، هیدروژن را می توان از طریق فرآیندهای کمتر سازگار با محیط زیست به دست آورد. داده های زیر نشان می دهد که چگونه می توان هیدروژن در سال 2021 تولید کرد.
- زغال سنگ: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + ... (دمای: 1300C-1500C)
- گاز طبیعی: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (دمای مورد نیاز: 700C-1100C)
- روغن: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + بسیاری از محصولات جانبی
- الکترولیز از آب: 2H2O -> 2H2 + O2
الکترولیز از آب بسیار تمیز است و دوستدار محیط زیست ترین شکل تولید هیدروژن است. برخلاف فرآوری سوخت های فسیلی که CO2 آزاد می کند، هیدروژن و اکسیژن آزاد می شود.
- الکترولیز آب؛ الکترولیز یک واکنش شیمیایی است که مولکول های آب را برای ایجاد هیدروژن و اکسیژن خالص تقسیم می کند. هیدروژن را می توان در هر جایی که آب و برق وجود دارد ساخت. یک عیب این است که برای تولید هیدروژن به برق نیاز دارید و سپس دوباره آن را به برق تبدیل می کنید. در طی این فرآیند تا 50 درصد از بین می رود. مزیت این است که انرژی در هیدروژن ذخیره می شود.
- تبدیل سوخت های فسیلی؛ نفت و گاز حاوی مولکول های هیدروکربنی هستند که از کربن و هیدروژن تشکیل شده اند. هیدروژن را می توان با استفاده از یک پردازنده سوختی از کربن جدا کرد. نقطه ضعف این است که کربن به صورت دی اکسید کربن در هوا ناپدید می شود.
تولید هیدروژنی که با سوخت های فسیلی به دست می آید، هیدروژن خاکستری نامیده می شود. این باعث آزاد شدن NOx و CO2 در جو می شود.
از سال 2020 به بعد، تولید به طور فزاینده ای "آبی" خواهد شد: CO2 جذب خواهد شد.
هدف تولید منحصراً هیدروژن سبز تا سال 2030 است: برق سبز و آب منابعی برای سازگارترین هیدروژن تولید شده با محیط زیست هستند.
در دنیای شیمیایی، هیدروژن به عنوان H2 شناخته می شود، به این معنی که یک مولکول هیدروژن از دو اتم هیدروژن تشکیل شده است. H2 گازی است که در طبیعت وجود ندارد. مولکول H2 در انواع مواد وجود دارد که شناخته شده ترین آنها آب (H20) است. هیدروژن باید با جدا کردن مولکول هیدروژن از مثلاً یک مولکول آب بدست آید.
بنابراین تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آینده است.
تصویر زیر مدلی را نشان می دهد که معمولا در درس های شیمی استفاده می شود.
- میله های مثبت و منفی باتری در آب آویزان است.
- در سمت آند شما اکسیژن دریافت می کنید.
- در سمت کاتد شما هیدروژن دریافت می کنید.
هیدروژن تولید شده از سوخت های فسیلی، به عنوان مثال متان (CH4)، در این مورد از طریق اصلاح به H2 و CO2 تبدیل می شود. CO2 را می توان در زیر زمین جدا کرد و ذخیره کرد، به عنوان مثال در یک میدان گاز طبیعی خالی. بنابراین استفاده از گاز طبیعی سهم کمی در انتشار CO2 در جو ایجاد می کند. هیدروژن همچنین می تواند از زیست توده ساخته شود. اگر CO2 آزاد شده در طول این فرآیند نیز جدا شده و در زیر زمین ذخیره شود، حتی امکان دستیابی به انتشار منفی CO2 وجود دارد. حذف CO2 از جو و ذخیره این CO2 در زمین.
هیدروژن برخلاف سوخت های فسیلی مانند نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ منبع انرژی نیست، بلکه حامل انرژی است. این بدان معنی است که انرژی آزاد شده هنگام استفاده از هیدروژن، به عنوان مثال به عنوان سوخت در یک خودرو، ابتدا باید وارد شود. برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز، الکتریسیته مورد نیاز است. پایداری این هیدروژن تا حد زیادی به پایداری برق مصرفی بستگی دارد.
هیدروژن به عنوان سوخت موتور اتو:
موتور اتو نام دیگر موتور بنزینی است. موتور بنزینی در سال 1876 توسط نیکولاس اتو اختراع شد. در این مورد ما آن را موتور اتو می نامیم، زیرا بنزین با سوخت دیگری، یعنی هیدروژن جایگزین می شود. در موتوری که هیدروژن تزریق می شود، دیگر مخزن سوخت با بنزین وجود ندارد.
هنگامی که هیدروژن سوزانده می شود، برخلاف موتورهای معمولی اتو و دیزل، هیچ گاز CO2 تولید نمی شود، بلکه فقط آب تولید می شود. هنگامی که هیدروژن از طریق تزریق مستقیم تزریق می شود، در مقایسه با سوخت بنزین، 15 تا 17 درصد افزایش قدرت خواهد داشت. هنگامی که هیدروژن به دریچه ورودی تزریق می شود (تزریق غیر مستقیم)، گرمایش سریع از طریق هوا انجام می شود. هوا نیز توسط هیدروژن جابجا می شود. در هر دو مورد، اکسیژن (O2) کمتری به داخل محفظه احتراق جریان می یابد. در بدترین حالت، تا 50 درصد تلفات برق وجود دارد.
نسبت هوا و هیدروژن به اندازه مخلوط هوا و بنزین دقیق نیست. بنابراین شکل محفظه احتراق اهمیت زیادی ندارد.
تزریق هیدروژن به دو صورت انجام می شود:
– مایع: با تامین مایع هیدروژن دمای احتراق در اثر تبخیر به طور نسبی کاهش می یابد به طوری که NOx کمتری ایجاد می شود.
– گازی: اگر هیدروژن به صورت مایع در مخزن ذخیره شود و در دمای محیط به فضای احتراق سرازیر شود، برای تبدیل هیدروژن از حالت مایع به گاز باید از اواپراتور استفاده کرد. در این حالت اواپراتور توسط مایع خنک کننده موتور گرم می شود. اقدامات ممکن برای کاهش NOx عبارتند از: اعمال کردن EGR, تزریق آب یا یک پایین تر نسبت تراکم.
تصویر زیر چهار وضعیت را با سه نسخه مختلف تزریق هیدروژن نشان می دهد. در تصویر دوم از سمت چپ، هیدروژن گازی به طور غیر مستقیم به منیفولد ورودی تزریق می شود. هیدروژن گازی با دمای محیط گرم می شود. هیدروژن نیز فضا را اشغال می کند و باعث می شود اکسیژن کمتری به داخل سیلندر جریان یابد. این وضعیتی است که بیشترین تلفات برق رخ می دهد.
در تصویر سوم هیدروژن به صورت مایع عرضه می شود. Cryogenic به این معنی است که هیدروژن بسیار سرد شده است (روشی برای ذخیره مقادیر زیادی هیدروژن به شکل مایع در یک مخزن ذخیره نسبتا کوچک). چون دمای هیدروژن کمتر است و در حالت مایع است، سیلندر بهتر پر می شود. با توجه به دمای پایین، راندمان تقریباً به اندازه یک موتور با تزریق مستقیم (هیدروژن) به دست می آید. موتور تزریق مستقیم در تصویر چهارم قابل مشاهده است. کل فضای احتراق با اکسیژن پر شده است. هنگامی که دریچه ورودی بسته است و پیستون هوا را فشرده می کند، مقدار مشخصی هیدروژن از طریق انژکتور تزریق می شود. شمع این موتور در پشت یا کنار انژکتور قرار دارد (این مورد در تصویر نشان داده نشده است).
راندمان موتور اتو البته 100 درصد نیست، اما در این تصویر بازده احتراق هیدروژن با احتراق بنزین مقایسه شده است.
هیدروژن دارای چگالی انرژی بالایی در واحد جرم (120MJ/kg) است که تقریباً سه برابر بیشتر از بنزین است. خاصیت احتراق خوب هیدروژن باعث می شود که موتور بسیار باریک و با مقدار لامبدا 4 تا 5 کار کند. عیب استفاده از مخلوط بدون چربی این است که قدرت کمتر و ویژگی های رانندگی کاهش می یابد. برای جبران این، اغلب از سوپرشارژ استفاده می شود (توربو).
با توجه به منطقه اشتعال بزرگتر در مقایسه با سوخت بنزین، خطر انفجار یا آتش سوزی بیشتر است. بنابراین بسیار مهم است که کنترل خوبی بر تامین سوخت و احتراق وجود داشته باشد. در بار کامل، دما در محفظه احتراق می تواند بسیار بالا باشد. اغلب وجود دارد تزریق آب برای اطمینان از خنک شدن کافی، و در نتیجه برای جلوگیری از اشتعال زودرس (به شکل انفجار یا آتش سوزی) ضروری است.
سلول سوختی:
بخش قبل توضیح داد که چگونه هیدروژن می تواند به عنوان سوخت برای موتور احتراقی عمل کند. کاربرد دیگر هیدروژن در پیل سوختی است. وسیله نقلیه مجهز به پیل سوختی موتور احتراقی ندارد بلکه یک یا چند موتور الکتریکی دارد. انرژی الکتریکی برای به کار انداختن موتورهای الکتریکی توسط پیل سوختی تولید می شود. پیل سوختی وسیله ای الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی را مستقیماً بدون تلفات حرارتی یا مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. بنابراین تبدیل انرژی در پیل سوختی بسیار کارآمد است. پیل سوختی معمولاً با هیدروژن کار می کند، اما می توان از سوختی مانند متانول نیز استفاده کرد.
در اصل یک پیل سوختی را می توان با باتری مقایسه کرد، زیرا هر دو از طریق یک فرآیند شیمیایی برق تولید می کنند. تفاوت این است که انرژی ذخیره شده در باتری یک بار آزاد می شود. انرژی با گذشت زمان تمام می شود، بنابراین باتری باید دوباره شارژ شود. تا زمانی که واکنش دهنده ها به سلول الکتروشیمیایی عرضه شوند، یک پیل سوختی انرژی پیوسته را فراهم می کند. واکنش دهنده ها مواد شیمیایی هستند که در یک واکنش شیمیایی با یکدیگر واکنش نشان می دهند.
در پیل سوختی، هیدروژن و اکسیژن به یون های H+ و OH- (ذرات باردار) تبدیل می شوند. یون ها توسط یک غشاء در اتاقک های جداگانه سلول سوختی جدا می شوند. پیل سوختی شامل دو الکترود کربن متخلخل است که بر روی آنها یک کاتالیزور اعمال می شود. برای هیدروژن (H) یک الکترود منفی (آند) و برای اکسیژن (O) یک الکترود مثبت (کاتد).
یون های H+ و OH- از طریق الکترودها (آند و کاتد) به یکدیگر هدایت می شوند و پس از آن یون های + و – با یکدیگر واکنش می دهند. کاتد واکنشی را کاتالیز می‌کند که در آن الکترون‌ها و پروتون‌ها با اکسیژن واکنش می‌دهند و محصول نهایی دوم یعنی آب را تشکیل می‌دهند. یون های H+ و OH- با هم یک مولکول H2O را تشکیل می دهند. این مولکول یک یون نیست زیرا بار الکتریکی آن خنثی است. ذره مثبت و ذره منهای با هم یک ذره خنثی می دهند.
اکسیداسیون هیدروژن (H) در آند انجام می شود. اکسیداسیون فرآیندی است که در آن یک مولکول الکترون های خود را اهدا می کند. آند به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند و هیدروژن را به پروتون و الکترون تقسیم می کند.
کاهش در کاتد با افزودن اکسیژن (O) صورت می گیرد. الکترون‌ها که توسط آند مهر و موم شده‌اند، از طریق یک سیم الکتریکی که الکترون‌ها را به اطراف متصل می‌کند، به کاتد می‌روند.
با انتقال مستقیم الکترون‌ها، بلکه از طریق یک مسیر خارجی (سیم جریان)، این انرژی تا حد زیادی به عنوان انرژی الکتریکی آزاد می‌شود. مدار توسط یون ها در یک الکترولیت اتصال بین کاهنده و اکسید کننده بسته می شود.
ذره ای که الکترون ها را جذب می کند اکسید کننده نامیده می شود و در نتیجه احیا می شود. عامل کاهنده الکترون ها را از دست می دهد و اکسید می شود. کاهش فرآیندی است که طی آن یک ذره الکترون ها را جذب می کند. اکسیداسیون و کاهش همیشه با هم هستند. تعداد الکترون های آزاد شده و جذب شده همیشه یکسان است.
واکنش زیر در قطب منفی رخ می دهد:
یک واکنش متفاوت در قطب مثبت رخ می دهد:
تصویر زیر نمای پایین یک پشته پیل سوختی تویوتا را نشان می دهد. این پشته پیل سوختی در زیر کاپوت خودرو قرار دارد. موتور الکتریکی به این پشته متصل است. موتور الکتریکی نیروی گیربکس را تامین می کند که به محورهای محرک متصل است تا نیروی محرکه را به چرخ ها منتقل کند.
چندین لوله هوا در بالای پشته دیده می شود. این شامل، در میان چیزهای دیگر، پمپ هوا است که بسته به قدرت مورد نیاز موتور الکتریکی، هوا را به سلول های سوختی پمپ می کند.
این پیل سوختی مجهز به 370 پیل سوختی است. هر پیل سوختی 1 ولت را تامین می کند، بنابراین در مجموع 370 ولت می تواند به موتور الکتریکی عرضه شود. پیل های سوختی همگی در زیر یکدیگر قرار دارند. دایره قرمز یک بزرگ شدن را نشان می دهد، جایی که انباشته شدن سلول های سوختی به وضوح دیده می شود.
مخزن ذخیره سازی:
اگرچه هیدروژن چگالی انرژی بالایی در واحد جرم دارد (120MJ/kg) و بنابراین تقریباً سه برابر بنزین است، چگالی انرژی در واحد حجم به دلیل جرم ویژه کمتر آن بسیار کم است. برای ذخیره سازی، این بدان معناست که هیدروژن باید تحت فشار یا به شکل مایع ذخیره شود تا بتوان از یک مخزن ذخیره با حجم قابل کنترل استفاده کرد. دو نوع برای کاربردهای خودرو وجود دارد:
- ذخیره سازی گازی در 350 یا 700 بار؛ در 350 بار حجم مخزن از نظر محتوای انرژی 10 برابر بیشتر از بنزین است.
- ذخیره سازی مایع در دمای 253- درجه (ذخیره برودتی)، که در آن حجم مخزن از نظر محتوای انرژی 4 برابر بیشتر از بنزین است. با ذخیره سازی گازی، هیدروژن را می توان به طور نامحدود بدون اتلاف سوخت یا کاهش کیفیت ذخیره کرد. از طرف دیگر ذخیره سازی برودتی منجر به تشکیل بخار می شود. از آنجا که فشار در مخزن به دلیل گرم شدن افزایش می یابد، هیدروژن از طریق شیر فشار شکن خارج می شود. نشتی تقریباً دو درصد در روز قابل قبول است. گزینه های ذخیره سازی جایگزین هنوز در مرحله تحقیق هستند.
تصویر زیر دو مخزن ذخیره سازی زیر خودرو را نشان می دهد. اینها مخازن ذخیره سازی هستند که هیدروژن در آنها به صورت گازی و تحت فشار 700 بار ذخیره می شود. ضخامت دیواره این مخازن تقریباً 40 میلی متر (4 سانتی متر) است که باعث می شود در برابر فشار بالا مقاوم باشند.
در زیر دوباره نحوه نصب مخازن هیدروژن در زیر خودرو را مشاهده می کنید. لوله پلاستیکی تخلیه آب است که در طی تبدیل در پیل سوختی ایجاد می شود.
سوخت گیری با هیدروژن:
در زمان نگارش این مقاله، تنها دو ایستگاه سوخت هیدروژن در هلند وجود دارد. یکی از این پمپ بنزین ها در Rhoon (هلند جنوبی) است. تصاویر نازل های پرکننده مورد استفاده برای سوخت گیری را نشان می دهند. فشار کاری برای پر کردن برای خودروهای تجاری 350 بار و برای خودروهای سواری 700 بار است.
محل اتصال پرکننده در خودرو پشت فلاپ سوخت معمولی قرار دارد. پیستول پرکن به این اتصال پرکن متصل است. پس از اتصال نازل پرکننده، اتصال قفل می شود. مخزن ذخیره خودرو با فشار 700 بار با هیدروژن گازی پر خواهد شد.
محدوده و هزینه های هیدروژن
به عنوان مثال، ما یک تویوتا میرای (مدل 2021) را در نظر می گیریم و به محدوده و هزینه های اضافی نگاه می کنیم:
- برد 650 کیلومتر؛
- میزان مصرف: 0,84 کیلوگرم / 100 کیلومتر;
- قیمت سوخت در هر کیلومتر: 0,09 تا 13 سنت.
- مالیات جاده 0 یورو، -
در مقایسه با وسیله نقلیه با موتور دیزلی، یک خودروی پیل سوختی ارزان نیست. اگرچه هزینه های مالیات جاده نقش مهمی را ایفا می کند، اما تعداد پمپ بنزین ها در هلند هنوز در سال 2021 کمیاب است. در زیر مقایسه ای از هزینه های هر 100 کیلومتر با قیمت فعلی سوخت آورده شده است:
BMW 320d (2012)
- دیزل: 1,30 یورو در هر لیتر
- مصرف: 5,8 لیتر در 100 کیلومتر;
- هزینه 100 کیلومتر: 7,54 یورو.
تویوتا میرای (2020):
- هیدروژن: 10 یورو به ازای هر کیلوگرم؛
- مصرف: 0,84 کیلوگرم در 100 کیلومتر;
- هزینه 100 کیلومتر: 8,40 یورو
صفحات مرتبط:
- درایو الکتریکی (بررسی اجمالی)؛
- انتقال انرژی
