Aiheet:
- Vety
- Vedyn tuotanto
- Vety polttoaineena Otto-moottoriin
- Polttoainekenno
- Varastosäiliö
- Vedyn valikoima ja kustannukset
Vety:
Vetyä (kutsutaan englanniksi vedyksi) voidaan käyttää energian kantajana ajoneuvojen voimanlähteenä. Energian kantaja tarkoittaa, että vetyyn on jo laitettu energiaa etukäteen. Tämä on toisin kuin (fossiiliset) energialähteet, kuten öljy, maakaasu ja kivihiili, joissa energia saadaan käsittelemällä näitä aineita polttamalla.
Vety on siis jotain täysin erilaista kuin vesiruiskutus, jota ei käytetä bensiinimoottoreissa energian kantajana, vaan pelkästään polttokammion jäähdyttämiseen.
Tavoitteena on saavuttaa "nollapäästöt" vedyllä; energiamuoto, joka ei tuota haitallisia kaasuja käytön aikana. Siirtyminen fossiilisista polttoaineista sähkökäyttöön yhdessä vedyn ja polttokennon kanssa kuuluu järjestelmän piiriin energian siirtyminen. Ajoneuvojen käyttö vedyllä voidaan tehdä kahdella eri tavalla:
- Vedyn käyttö Otto-moottorin polttoaineena. Vety korvaa bensiinin.
- Tuottaa sähköenergiaa käyttämällä vetyä polttokennossa. Käyttämällä tätä sähköenergiaa sähkömoottori ajaa ajoneuvoa täysin sähköisesti.
Molemmat tekniikat on kuvattu tällä sivulla.
Vetyä voidaan tuottaa kestävällä energialla tai fossiilisiin polttoaineisiin perustuen. Jälkimmäistä pyrimme estämään mahdollisimman paljon, koska fossiiliset polttoaineet tulevat olemaan niukkoja tulevaisuudessa. CO2:ta syntyy myös fossiilisten polttoaineiden käsittelyssä.
Alla olevat sarakkeet näyttävät akun, vedyn ja bensiinin energiasisällön. Näemme, että niitä on paljon
Akku:
- Energiasisältö: 220Wh/kg, 360Wh/l
- Erittäin tehokas
- Lyhyt säilytystila
- Suora energian vapautus mahdollista
- Kuljetus on monimutkaista
Vety (700 bar):
- Energiasisältö: 125.000 34,72 kJ/kg, XNUMX kWh/kg
- 30 % lämpöä, 70 % H2 (PEM-polttokenno)
- Pitkä säilytysmahdollisuus
- Muuntaminen tarpeen
- Kuljetusystävällinen
Bensiini:
- Energia-arvo: 43.000 11,94 kJ/kg, XNUMX kWh/kh
- Tuotto jopa 33 %
- Pitkä säilytysmahdollisuus
- Muuntaminen tarpeen (poltto)
- Kuljetusystävällinen
Vetyä löytyy kaikkialta ympärillämme, mutta ei koskaan ilmaiseksi. Se on aina sidottu. Aiomme tuottaa sen, eristää ja varastoida.
- 1 kg puhdasta vetykaasua (H2) = 11.200 XNUMX litraa ilmakehän paineessa
- H2 on pienempi kuin mikään muu molekyyli
- H2 on kevyempi kuin mikään muu molekyyli
- H2 etsii aina yhteyksiä
Vedyn tuotannon ja käytön lisäksi henkilöautoissa tällä sivulla käsitellään myös sen varastointia ja kuljetusta (sivun alaosassa).
Vedyn tuotanto:
Vety on kaasu, jota ei louhita maasta, kuten maakaasua. Vetyä on tuotettava. Tämä tapahtuu muun muassa elektrolyysillä, prosessilla, jossa vesi muuttuu vedyksi ja hapeksi. Tämä on polttokennossa tapahtuvan reaktion käänteinen. Lisäksi vetyä voidaan saada vähemmän ympäristöystävällisillä prosesseilla. Alla olevat tiedot osoittavat, kuinka vetyä voidaan tuottaa vuonna 2021.
- Kivihiili: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (lämpötila: 1300-1500C)
- Maakaasu: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (tarvittava lämpötila: 700C-1100C)
- Öljy: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + hyvin monia sivutuotteita
- Elektrolyysi vedestä: 2H2O -> 2H2 + O2
Elektrolyysi vedestä on erittäin puhdasta ja ympäristöystävällisin vedyntuotantomuoto. Tämä vapauttaa vetyä ja happea, toisin kuin fossiilisten polttoaineiden käsittely, joka vapauttaa hiilidioksidia.
- Veden elektrolyysi; Elektrolyysi on kemiallinen reaktio, joka jakaa vesimolekyylejä puhtaan vedyn ja hapen muodostamiseksi. Vetyä voidaan valmistaa missä tahansa, missä on vettä ja sähköä. Haittapuolena on, että tarvitset sähköä vedyn valmistamiseksi ja sen muuttamiseksi uudelleen sähköksi. Jopa 50 % menetetään tämän prosessin aikana. Etuna on, että energia varastoituu vetyyn.
- Fossiilisten polttoaineiden muuntaminen; öljy ja kaasu sisältävät hiilivetymolekyylejä, jotka koostuvat hiilestä ja vedystä. Vetyä voidaan erottaa hiilestä ns. polttoaineprosessorilla. Haittana on, että hiili katoaa ilmaan hiilidioksidina.
Fossiilisilla polttoaineilla saatua vedyn tuotantoa kutsutaan harmaaksi vedyksi. Tämä vapauttaa NOx ja CO2 ilmakehään.
Vuodesta 2020 eteenpäin tuotanto muuttuu yhä "sinisemmiksi": CO2 otetaan talteen.
Tavoitteena on tuottaa yksinomaan vihreää vetyä vuoteen 2030 mennessä: vihreä sähkö ja vesi ovat ympäristöystävällisimmän tuotetun vedyn lähteitä.
Kemian maailmassa vetyä kutsutaan H2:ksi, mikä tarkoittaa, että vetymolekyyli koostuu kahdesta vetyatomista. H2 on kaasu, jota ei esiinny luonnossa. H2-molekyyliä esiintyy kaikenlaisissa aineissa, joista tunnetuin on vesi (H20). Vetyä on saatava erottamalla vetymolekyyli esimerkiksi vesimolekyylistä.
Vedyn tuottaminen elektrolyysillä on siksi tulevaisuutta.
Seuraavassa kuvassa on kemian tunneilla yleisesti käytetty malli.
- Akun positiiviset ja negatiiviset palkit roikkuvat vedessä;
- Anodin puolella saat happea;
- Katodin puolella saat vetyä.
Fossiilisista polttoaineista, esimerkiksi metaanista (CH4) tuotettu vety muutetaan tässä tapauksessa H2:ksi ja CO2:ksi reformoimalla. CO2 voidaan erottaa ja varastoida maan alle, esimerkiksi tyhjään maakaasukenttään. Maakaasun käyttö vaikuttaa siis vain vähän tai ei ollenkaan hiilidioksidipäästöihin ilmakehään. Vetyä voidaan valmistaa myös biomassasta. Jos myös tämän prosessin aikana vapautuva CO2 erotetaan ja varastoidaan maan alle, on jopa mahdollista saavuttaa negatiivisia CO2-päästöjä; hiilidioksidin poistaminen ilmakehästä ja hiilidioksidin varastoiminen Maahan.
Vety, toisin kuin fossiiliset polttoaineet, kuten öljy, maakaasu ja kivihiili, ei ole energialähde, vaan energian kantaja. Tämä tarkoittaa, että vetyä käytettäessä esimerkiksi auton polttoaineena vapautuva energia on ensin syötettävä. Vedyn tuottamiseen elektrolyysillä tarvitaan sähköä. Tämän vedyn kestävyys riippuu sitten pitkälti käytetyn sähkön kestävyydestä.
Vety polttoaineena Otto-moottoriin:
Otto-moottori on toinen nimi bensiinimoottorille. Bensiinimoottorin keksi vuonna 1876 Nikolaus Otto. Tässä tapauksessa kutsumme sitä Otto-moottoriksi, koska bensiini korvataan toisella polttoaineella, nimittäin vedyllä. Moottorissa, johon ruiskutetaan vetyä, ei ole enää bensiiniä sisältävää polttoainesäiliötä.
Vetyä poltettaessa ei synny CO2-kaasuja, toisin kuin perinteisissä Otto- ja dieselmoottoreissa, vaan ainoastaan vettä. Kun vetyä ruiskutetaan suoraruiskutuksella, teho kasvaa 15–17 % bensiinipolttoaineeseen verrattuna. Kun vetyä ruiskutetaan imuventtiiliin (epäsuora ruiskutus), nopea lämpeneminen tapahtuu ilman kautta. Myös vety syrjäyttää ilmaa. Molemmissa tapauksissa polttokammioon virtaa vähemmän happea (O2). Pahimmassa tapauksessa tehohäviö on jopa 50 %.
Ilman ja vedyn välinen suhde ei ole niin tarkka kuin esimerkiksi ilma-bensiiniseoksessa. Polttokammion muodolla ei siksi ole suurta merkitystä.
Vetyä voidaan ruiskuttaa kahdella tavalla:
– Neste: Vedyn nestesyötössä palamislämpötila laskee suhteellisesti haihtumisen vuoksi, jolloin syntyy vähemmän NOx:ää.
– Kaasumainen: Jos vetyä varastoidaan nestemäisessä muodossa säiliöön ja se virtaa palotilaan ympäristön lämpötilassa, on käytettävä höyrystintä vedyn muuttamiseksi nestemäisestä kaasumaiseksi. Tällöin moottorin jäähdytysneste lämmittää höyrystimen. Mahdollisia toimenpiteitä NOx:n vähentämiseksi ovat; soveltamalla EGR, veden ruiskutus tai alempi puristussuhde.
Alla olevassa kuvassa näkyy neljä tilannetta, joissa on kolme erilaista vedyn ruiskutusversiota. Toisessa kuvassa vasemmalta kaasumaista vetyä ruiskutetaan epäsuorasti imusarjaan. Kaasumaista vetyä lämmittää ympäristön lämpötila. Vety vie myös tilaa, jolloin sylinteriin virtaa vähemmän happea. Tämä on tilanne, jossa tapahtuu eniten tehohäviöitä.
Kolmannessa kuvassa vety toimitetaan nestemäisessä muodossa. Kryogeeninen tarkoittaa, että vety on jäähdytetty erittäin voimakkaasti (menetelmä, jossa säilytetään suuria määriä vetyä nestemäisessä muodossa suhteellisen pienessä varastosäiliössä). Koska vedyn lämpötila on alhaisempi ja se on nestemäisessä tilassa, sylinterin täyttö tapahtuu paremmin. Matalasta lämpötilasta johtuen saavutetaan lähes yhtä korkea hyötysuhde kuin suoralla (vety)ruiskutuksella varustetulla moottorilla. Suoraruiskutusmoottori näkyy neljännessä kuvassa. Koko palotila on täytetty hapella. Kun imuventtiili on kiinni ja mäntä puristaa ilmaa, ruiskutetaan tietty määrä vetyä ruiskun läpi. Tämän moottorin sytytystulppa on suuttimen takana tai vieressä (tätä ei näy kuvassa).
Otto-moottorin hyötysuhde ei tietenkään ole 100 %, mutta tässä kuvassa vedyn palamisen hyötysuhdetta verrataan bensiinin palamiseen.
Vedyn energiatiheys massayksikköä kohden on korkea (120 MJ/kg), joten se on lähes kolme kertaa niin korkea kuin bensiinillä. Vedyn hyvät sytytysominaisuudet mahdollistavat moottorin ajamisen erittäin laihalla, lambda-arvolla 4-5. Laihaan seoksen käytön haittana on, että teho on pienempi ja ajo-ominaisuudet heikkenevät. Tämän kompensoimiseksi käytetään usein ahtoa (turboa).
Bensiiniä suuremman sytytysalueen ansiosta räjähdys- tai takasytytysriski on suurempi. Siksi on erittäin tärkeää, että polttoaineen syöttö ja sytytys on hyvin hallittavissa. Täydellä kuormituksella palotilan lämpötila voi olla erittäin korkea. Usein on veden ruiskutus välttämätön riittävän jäähdytyksen varmistamiseksi ja siten ennenaikaisen syttymisen estämiseksi (räjähdyksen tai takaiskun muodossa).
Polttoainekenno:
Edellisessä osassa selitettiin, kuinka vety voi toimia polttomoottorin polttoaineena. Toinen vedyn käyttökohde on polttokennossa. Polttokennolla varustetussa ajoneuvossa ei ole polttomoottoria, vaan yksi tai useampi sähkömoottori. Polttokenno tuottaa sähkömoottoreiden käyttöön tarvittavan sähköenergian. Polttokenno on sähkökemiallinen laite, joka muuntaa kemiallisen energian suoraan sähköenergiaksi ilman lämpö- tai mekaanisia häviöitä. Energian muuntaminen polttokennossa on siksi erittäin tehokasta. Polttokenno toimii yleensä vedyllä, mutta myös polttoainetta, kuten metanolia, voidaan käyttää.
Polttokennoa voidaan periaatteessa verrata akkuun, koska molemmat tuottavat sähköä kemiallisen prosessin kautta. Erona on, että akkuun varastoitunut energia vapautuu kerran. Energia loppuu ajan myötä, joten akku on ladattava. Polttokenno tuottaa jatkuvaa energiaa niin kauan kuin reaktantteja syötetään sähkökemialliseen kennoon. Reagenssit ovat kemiallisia aineita, jotka reagoivat toistensa kanssa kemiallisessa reaktiossa.
Polttokennossa vety ja happi muuttuvat H+- ja OH--ioneiksi (varautuneiksi hiukkasiksi). Ionit erotetaan kalvolla polttokennon erillisissä kammioissa. Polttokenno sisältää kaksi huokoista hiilielektrodia, joille levitetään katalyyttiä; vedylle (H) negatiivinen elektrodi (anodi) ja hapelle (O) positiivinen elektrodi (katodi).
H+ ja OH- ionit johdetaan toisiinsa elektrodien (anodi ja katodi) kautta, minkä jälkeen + ja – ionit reagoivat keskenään. Katodi katalysoi reaktiota, jossa elektronit ja protonit reagoivat hapen kanssa muodostaen lopputuotteen kaksi, nimittäin vettä. H+- ja OH--ionit muodostavat yhdessä H2O-molekyylin. Tämä molekyyli ei ole ioni, koska sen sähkövaraus on neutraali. Plus- ja miinushiukkanen muodostavat yhdessä neutraalin hiukkasen.
Vedyn hapetus (H) tapahtuu anodilla. Hapetus on prosessi, jossa molekyyli luovuttaa elektronejaan. Anodi toimii katalyyttinä jakaen vedyn protoneiksi ja elektroneiksi.
Pelkistys tapahtuu katodilla lisäämällä happea (O). Anodin sulkemat elektronit kulkevat katodille sähköjohdon kautta, joka yhdistää elektronit ulkopuolelta.
Kun elektroneja ei siirretä suoraan, vaan ulkoista reittiä (virtajohtoa) pitkin, tämä energia vapautuu suurelta osin sähköenergiana. Piiri on suljettu pelkistimen ja hapettimen välisessä yhdistävässä elektrolyytissä olevilla ioneilla.
Hiukkasta, joka absorboi elektroneja, kutsutaan hapettimeksi ja se pelkistyy. Pelkistävä aine menettää elektroneja ja hapettuu. Pelkistys on prosessi, jossa hiukkanen absorboi elektroneja. Hapetus ja pelkistys kulkevat aina yhdessä. Vapautuneiden ja absorboituneiden elektronien määrä on aina sama.
Seuraava reaktio tapahtuu negatiivisessa navassa:
Positiivisessa navassa tapahtuu erilainen reaktio:
Alla olevassa kuvassa näkyy Toyotan polttokennopinon alakuva. Tämä polttokennopino sijaitsee auton konepellin alla. Sähkömoottori on kiinnitetty tähän pinoon. Sähkömoottori syöttää voiman voimansiirtoon, joka on kytketty käyttöakseleihin siirtämään käyttövoimat pyörille.
Pinon yläosassa näkyy useita ilmaputkia. Tähän sisältyy mm. ilmapumppu, joka pumppaa ilmaa polttokennoille sähkömoottorin tarvitsemasta tehosta riippuen.
Tämä polttokennopino on varustettu 370 polttokennolla. Jokainen polttokenno syöttää 1 voltin, joten sähkömoottoriin voidaan syöttää yhteensä 370 volttia. Polttokennot sijaitsevat kaikki toistensa alla. Punainen ympyrä esittää suurennusta, jossa polttokennojen pinoutuminen näkyy selvästi.
Varastosäiliö:
Vaikka vedyn energiatiheys massayksikköä kohden on korkea (120MJ/kg) ja siksi se on lähes kolme kertaa niin korkea kuin bensiinillä, energiatiheys tilavuusyksikköä kohti on hyvin alhainen sen pienemmän ominaismassan vuoksi. Varastoinnin kannalta tämä tarkoittaa, että vety on varastoitava paineen alaisena tai nestemäisessä muodossa, jotta voidaan käyttää hallittavissa olevaa varastosäiliötä. Ajoneuvosovelluksia varten on kaksi versiota:
- Kaasumainen varastointi 350 tai 700 baarissa; 350 barin paineella säiliön tilavuus energiasisällöltään on 10 kertaa suurempi kuin bensiinillä.
- Nestevarastointi -253 asteen lämpötilassa (kryogeeninen varastointi), jossa säiliön tilavuus energiasisällöltään on nelinkertainen bensiiniin verrattuna. Kaasumaisen varastoinnin avulla vetyä voidaan varastoida loputtomiin ilman polttoainehävikkiä tai laadusta tinkimättä. Kryogeeninen varastointi puolestaan johtaa höyryn muodostumiseen. Koska säiliön paine kohoaa kuumennuksen seurauksena, vety poistuu paineenalennusventtiilin kautta; noin kahden prosentin vuoto päivässä on hyväksyttävä. Vaihtoehtoiset säilytysvaihtoehdot ovat vielä tutkimusvaiheessa.
Alla olevassa kuvassa näkyy kaksi varastosäiliötä auton alla. Nämä ovat varastosäiliöitä, joissa vetyä varastoidaan kaasumaisessa muodossa 700 baarin paineessa. Näiden varastosäiliöiden seinämän paksuus on noin 40 millimetriä (4 senttimetriä), joten ne kestävät korkeaa painetta.
Alla näet jälleen kuinka vetysäiliöt on asennettu auton alle. Muoviputki on polttokennon muuntamisen aikana syntyvän veden tyhjennys.
Tankkaus vedyllä:
Tätä artikkelia kirjoitettaessa Alankomaissa on vain kaksi vetytankkausasemaa. Yksi näistä huoltoasemista on Rhoonissa (Etelä-Hollanti). Kuvissa näkyy tankkaamiseen käytetyt täyttösuuttimet. Täyttöpaine on hyötyajoneuvoissa 350 bar ja henkilöautoissa 700 bar.
Auton täyttöliitäntä sijaitsee tavallisen polttoaineluukun takana. Täyttöpistooli liitetään tähän täyttöliitäntään. Täyttösuuttimen liittämisen jälkeen liitäntä lukkiutuu. Auton varastosäiliö täytetään kaasumaisella vedyllä, jonka paine on 700 bar.
Vedyn valikoima ja kustannukset
Otetaan esimerkkinä Toyota Mirai (mallivuosi 2021) ja tarkastellaan valikoimaa ja lisäkustannuksia:
- Toimintasäde 650 km;
- Kulutus: 0,84 kg / 100 km;
- Polttoaineen hinta/km: 0,09-13 senttiä;
- Tievero 0 €
Dieselmoottorilla varustettuun ajoneuvoon verrattuna polttokennoauto ei ole halpa. Vaikka tieveron kustannukset ovat tärkeässä roolissa, huoltoasemien määrä on Hollannissa edelleen vähäinen vuonna 2021. Alla on vertailu 100 km:n kustannuksista tämänhetkisiin polttoainehintoihin:
BMW 320d (2012)
- Diesel: 1,30 € / litra;
- Kulutus: 5,8 l/100 km;
- Kustannukset 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Vety: 10 €/kg;
- Kulutus: 0,84 kg/100km;
- Kustannukset 100 km: 8,40 €
Aiheeseen liittyvät sivut:
- Sähkökäyttöinen (Yleiskatsaus);
- Energian siirtyminen.
