Tárgyak:
- Hidrogén
- Hidrogén előállítása
- Hidrogén üzemanyagként egy Otto motorhoz
- Benzintank
- Tároló tartály
- A hidrogén hatótávolsága és költségei
Hidrogén:
A hidrogén (angolul hidrogénnek nevezik) energiahordozóként használható járművek meghajtására. Az energiahordozó azt jelenti, hogy az energiát már előre betöltötték a hidrogénbe. Ez ellentétben áll a (fosszilis) energiaforrásokkal, mint az olaj, a földgáz és a szén, ahol az energiát ezen anyagok elégetésével történő feldolgozásával nyerik.
A hidrogén tehát teljesen más, mint a vízbefecskendezés, amelyet nem energiahordozóként használnak a benzinmotorokban, hanem pusztán az égéstér hűtésére.
A cél a „zéró kibocsátás” elérése hidrogénnel; olyan energiaforma, amely használat közben nem termel káros gázokat. A fosszilis tüzelőanyagokról az elektromos meghajtásra hidrogénnel és üzemanyagcellával kombinálva való átállás a hatálya alá tartozik energiaátmenet. A járművek hidrogénnel történő meghajtása két különböző módon történhet:
- Hidrogén felhasználása üzemanyagként az Otto motorhoz. A hidrogén helyettesíti a benzint.
- Elektromos energia előállítása üzemanyagcellában lévő hidrogén felhasználásával. Ezt az elektromos energiát felhasználva az elektromos motor teljesen elektromosan hajtja a járművet.
Mindkét technikát ismertetjük ezen az oldalon.
A hidrogén előállítható fenntartható energiával vagy fosszilis tüzelőanyagok alapján. Ez utóbbit igyekszünk lehetőség szerint megakadályozni, mert a jövőben szűkülni fognak a fosszilis tüzelőanyagok. A fosszilis tüzelőanyagok feldolgozása során CO2 is keletkezik.
Az alábbi oszlopok az akkumulátor, a hidrogén és a benzin energiatartalmát mutatják. Látjuk, hogy sok van
Elem:
- Energiatartalom: 220Wh/kg, 360Wh/l
- Nagyon hatékony
- Rövid tárolás
- Közvetlen energialeadás lehetséges
- A közlekedés bonyolult
Hidrogén (700 bar):
- Energiatartalom: 125.000 34,72 kJ/kg, XNUMX kWh/kg
- 30% hő, 70% H2 (PEM üzemanyagcella)
- Hosszú tárolás lehetséges
- Átalakítás szükséges
- Közlekedésbarát
Benzin:
- Energiaérték: 43.000 11,94 kJ/kg, XNUMX kWh/kh
- Megtérülés akár 33%
- Hosszú tárolás lehetséges
- Átalakítás szükséges (égés)
- Közlekedésbarát
A hidrogén mindenhol megtalálható körülöttünk, de soha nem szabad. Mindig meg van kötve. Előállítjuk, elkülönítjük és tároljuk.
- 1 kg tiszta hidrogén (H2) gáz = 11.200 XNUMX liter légköri nyomáson
- A H2 kisebb, mint bármely más molekula
- A H2 könnyebb, mint bármely más molekula
- A H2 mindig kapcsolatokat keres
Ezen az oldalon a hidrogén személygépkocsikban történő előállítása és alkalmazása mellett a tárolásáról és szállításáról is szó esik (az oldal alján).
Hidrogén előállítása:
A hidrogén olyan gáz, amelyet nem vonnak ki a földből, mint a földgáz. Hidrogént kell előállítani. Ez többek között elektrolízissel történik, amely folyamat során a víz hidrogénné és oxigénné alakul. Ez az üzemanyagcellában végbemenő reakció fordítottja. Ráadásul a hidrogén kevésbé környezetbarát eljárásokkal nyerhető. Az alábbi adatok bemutatják, hogyan lehet hidrogént előállítani 2021-ben.
- Szén: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (hőmérséklet: 1300-1500 C)
- Földgáz: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (szükséges hőmérséklet: 700C-1100C)
- Olaj: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + nagyon sok melléktermék
- Elektrolízis vízből: 2H2O -> 2H2 + O2
A vízből történő elektrolízis nagyon tiszta és a hidrogéntermelés legkörnyezetbarátabb formája. Ez hidrogént és oxigént szabadít fel, ellentétben a fosszilis tüzelőanyagok feldolgozásával, amely CO2-t bocsát ki.
- Víz elektrolízise; Az elektrolízis egy kémiai reakció, amely a vízmolekulákat felhasítja, így tiszta hidrogén és oxigén keletkezik. Hidrogént bárhol elő lehet állítani, ahol van víz és villany. Hátránya, hogy áramra van szükség a hidrogén előállításához, majd újra elektromos árammá alakításához. A folyamat során akár 50% is elvész. Előnye, hogy az energiát hidrogénben tárolják.
- Fosszilis tüzelőanyagok átalakítása; az olaj és a gáz szénből és hidrogénből álló szénhidrogén molekulákat tartalmaz. A hidrogént a szénből egy úgynevezett üzemanyag-feldolgozó segítségével lehet leválasztani. Hátránya, hogy a szén szén-dioxid formájában eltűnik a levegőben.
A fosszilis tüzelőanyagokkal nyert hidrogéntermelést szürke hidrogénnek nevezzük. Ez NOx-ot és CO2-t bocsát ki a légkörbe.
2020-tól a termelés egyre „kékebb” lesz: a CO2-t megkötik.
A cél az, hogy 2030-ra kizárólag zöld hidrogént állítsanak elő: a zöld áram és a víz a legkörnyezetbarátabb hidrogén forrása.
A kémiai világban a hidrogént H2-nek nevezik, ami azt jelenti, hogy egy hidrogénmolekula két hidrogénatomból áll. A H2 olyan gáz, amely a természetben nem fordul elő. A H2 molekula mindenféle anyagban előfordul, a legismertebb a víz (H20). A hidrogént úgy kell előállítani, hogy elválasztjuk a hidrogénmolekulát például egy vízmolekulától.
A hidrogén elektrolízissel történő előállítása tehát a jövő.
A következő képen egy kémiaórákon gyakran használt modell látható.
- Az akkumulátor pozitív és negatív rudai a vízben lógnak;
- Az anód oldalon oxigént kap;
- A katód oldalon hidrogént kap.
A fosszilis tüzelőanyagból, például metánból (CH4) előállított hidrogén ebben az esetben reformálással H2-vé és CO2-vé alakul. A CO2 leválasztható és a föld alatt tárolható, például egy üres földgázmezőben. A földgáz használata ezért csak kis mértékben vagy egyáltalán nem járul hozzá a légkörbe történő CO2-kibocsátáshoz. A hidrogén biomasszából is előállítható. Ha a folyamat során felszabaduló CO2-t is leválasztják és a föld alatt tárolják, akár negatív CO2-kibocsátás is lehetséges; a CO2 eltávolítása a légkörből és a CO2 tárolása a Földön.
A hidrogén a fosszilis tüzelőanyagoktól, például az olajtól, a földgáztól és a széntől eltérően nem energiaforrás, hanem energiahordozó. Ez azt jelenti, hogy először a hidrogén használatakor felszabaduló energiát kell bevinni, például üzemanyagként egy autóban. Elektromos energia szükséges a hidrogén elektrolízissel történő előállításához. Ennek a hidrogénnek a fenntarthatósága nagymértékben függ a felhasznált villamos energia fenntarthatóságától.
Hidrogén, mint üzemanyag egy Otto motorhoz:
Az Otto motor a benzinmotor másik neve. A benzinmotort 1876-ban Nikolaus Otto találta fel. Ebben az esetben Otto motornak hívjuk, mert a benzint egy másik üzemanyag, nevezetesen hidrogén helyettesíti. Abban a motorban, ahol hidrogént fecskendeznek be, már nincs benzines üzemanyagtartály.
Hidrogén elégetésekor a hagyományos Otto- és dízelmotorokkal ellentétben nem keletkezik CO2, hanem csak víz. Ha a hidrogént közvetlen befecskendezéssel fecskendezik be, a teljesítmény 15-17%-kal nő a benzinüzemanyaghoz képest. Amikor a hidrogént befecskendezik a bemeneti szelepbe (közvetett befecskendezés), a levegőn keresztül gyors felmelegedés megy végbe. A levegőt is kiszorítja a hidrogén. Mindkét esetben kevesebb oxigén (O2) áramlik az égéstérbe. A legrosszabb esetben akár 50%-os teljesítményveszteség is előfordulhat.
A levegő és a hidrogén aránya nem olyan pontos, mint például a levegő-benzin keveréknél. Az égéstér alakja ezért nem nagy jelentőséggel bír.
A hidrogént kétféleképpen lehet befecskendezni:
– Folyadék: Folyékony hidrogénellátás esetén az égési hőmérséklet a párolgás miatt viszonylag csökken, így kevesebb NOx keletkezik.
– Gázhalmazállapotú: Ha a hidrogént folyékony formában tárolják a tartályban, és környezeti hőmérsékleten áramlik az égéstérbe, akkor elpárologtatót kell használni, hogy a hidrogént folyékonyból gáz halmazállapotúvá alakítsák. Ebben az esetben az elpárologtatót a motor hűtőfolyadéka fűti. Lehetséges intézkedések az NOx csökkentésére: jelentkezését EGR, víz befecskendezése vagy egy alacsonyabb tömörítési arány.
Az alábbi kép négy helyzetet mutat be a hidrogén befecskendezésének három különböző változatával. A bal oldali második képen a gáz halmazállapotú hidrogént közvetetten a szívócsőbe fecskendezik. A gáznemű hidrogént a környezeti hőmérséklet melegíti. A hidrogén is helyet foglal, így kevesebb oxigén áramlik a hengerbe. Ez az a helyzet, ahol a legnagyobb teljesítményvesztés következik be.
A harmadik képen a hidrogént folyékony formában szállítják. A kriogén azt jelenti, hogy a hidrogént nagyon lehűtötték (olyan módszer, amellyel nagy mennyiségű hidrogént tárolnak folyékony formában egy viszonylag kis tárolótartályban). Mivel a hidrogén hőmérséklete alacsonyabb és folyékony halmazállapotú, jobb a hengertöltés. Az alacsony hőmérsékletnek köszönhetően a hatásfok majdnem olyan magas, mint a közvetlen (hidrogén) befecskendezéses motoré. A közvetlen befecskendezéses motor a negyedik képen látható. A teljes égéstér tele van oxigénnel. Amikor a szívószelep zárva van, és a dugattyú összenyomja a levegőt, bizonyos mennyiségű hidrogént fecskendeznek be az injektoron keresztül. Ennek a motornak a gyújtógyertyája a befecskendező szelep mögött vagy mellett van (ez nem látható a képen).
Az Otto motor hatásfoka természetesen nem 100%, de ezen a képen a hidrogén égésének hatásfoka a benzin égésével van összehasonlítva.
A hidrogén tömegegységenkénti energiasűrűsége nagy (120 MJ/kg), így majdnem háromszor akkora, mint a benziné. A hidrogén jó gyújtási tulajdonságai lehetővé teszik a motor nagyon szegény, 4-5 közötti lambda értékű járatását. A sovány keverék alkalmazásának hátránya, hogy kisebb lesz a teljesítmény és a menettulajdonságok is. Ennek kompenzálására gyakran alkalmaznak kompresszort (turbót).
A benzinüzemanyaghoz képest nagyobb gyújtási terület miatt nagyobb a detonáció vagy a visszatüzelés veszélye. Ezért nagyon fontos az üzemanyag-ellátás és a gyújtás megfelelő ellenőrzése. Teljes terhelésnél az égéstér hőmérséklete nagyon magasra emelkedhet. Gyakran van víz befecskendezése szükséges a megfelelő hűtés biztosításához, és ezáltal a korai gyulladás megelőzéséhez (robbanás vagy visszatűz formájában).
Benzintank:
Az előző rész elmagyarázta, hogyan szolgálhat a hidrogén üzemanyagként a belsőégésű motorokhoz. A hidrogén másik felhasználási területe az üzemanyagcella. Az üzemanyagcellával felszerelt jármű nem belsőégésű motorral, hanem egy vagy több villanymotorral rendelkezik. Az elektromos motorok működtetéséhez szükséges elektromos energiát az üzemanyagcella állítja elő. Az üzemanyagcella olyan elektrokémiai eszköz, amely a kémiai energiát közvetlenül elektromos energiává alakítja át termikus vagy mechanikai veszteségek nélkül. Ezért az üzemanyagcellában az energiaátalakítás nagyon hatékony. Az üzemanyagcella általában hidrogénnel működik, de használható üzemanyag, például metanol is.
Az üzemanyagcellát elvileg az akkumulátorhoz lehet hasonlítani, mert mindkettő kémiai eljárással villamos energiát termel. A különbség az, hogy az akkumulátorban tárolt energia egyszer felszabadul. Az energia idővel elfogy, ezért az akkumulátort újra kell tölteni. Az üzemanyagcella folyamatos energiát biztosít mindaddig, amíg reagenseket juttatnak az elektrokémiai cellába. A reagensek olyan kémiai anyagok, amelyek kémiai reakcióban reagálnak egymással.
Az üzemanyagcellában a hidrogén és az oxigén H+ és OH- ionokká (töltött részecskékké) alakul át. Az ionokat az üzemanyagcella külön kamráiban membrán választja el. Az üzemanyagcella két porózus szénelektródát tartalmaz, amelyekre katalizátort alkalmaznak; hidrogénhez (H) negatív elektród (anód), oxigénhez (O) pozitív elektród (katód).
A H+ és az OH- ionokat az elektródákon (anódon és katódon) keresztül vezetik egymáshoz, majd a + és – ionok reakcióba lépnek egymással. A katód azt a reakciót katalizálja, amelyben az elektronok és a protonok oxigénnel reagálva második végterméket, nevezetesen vizet képeznek. A H+ és OH- ionok együtt H2O molekulát alkotnak. Ez a molekula nem ion, mert elektromos töltése semleges. A plusz részecske és a mínusz részecske együtt semleges részecskét adnak.
A hidrogén (H) oxidációja az anódon megy végbe. Az oxidáció az a folyamat, amelyben egy molekula elektronjait adja át. Az anód katalizátorként működik, a hidrogént protonokra és elektronokra hasítja.
A redukció a katódon oxigén (O) hozzáadásával megy végbe. Az anód által lezárt elektronok egy elektromos vezetéken keresztül jutnak a katódra, amely összeköti az elektronokat a külső körül.
Ha az elektronokat nem közvetlenül, hanem külső úton (az áramvezetéken) továbbítják, ez az energia nagyrészt elektromos energiaként szabadul fel. Az áramkört a reduktor és az oxidálószer közötti összekötő elektrolitban lévő ionok zárják le.
Az elektronokat elnyelő részecskét oxidálószernek nevezik, és ezáltal redukálódik. A redukálószer elektronokat veszít és oxidálódik. A redukció az a folyamat, amelynek során egy részecske elnyeli az elektronokat. Az oxidáció és a redukció mindig együtt jár. A felszabaduló és elnyelt elektronok száma mindig azonos.
A negatív póluson a következő reakció megy végbe:
A pozitív póluson más reakció megy végbe:
Az alábbi kép egy Toyota üzemanyagcella alulnézetét mutatja. Ez az üzemanyagcellás köteg az autó motorházteteje alatt található. Az elektromos motor ehhez a köteghez van rögzítve. Az elektromos motor táplálja a sebességváltót, amely a hajtótengelyekhez kapcsolódik, hogy a hajtóerőt a kerekekre továbbítsa.
A rakat tetején több légcső látható. Ide tartozik többek között a légszivattyú, amely a villanymotor által igényelt teljesítmény függvényében az üzemanyagcellákba pumpálja a levegőt.
Ez az üzemanyagcella-köteg 370 üzemanyagcellával van felszerelve. Minden üzemanyagcella 1 voltot szolgáltat, így összesen 370 voltot lehet táplálni a villanymotorra. Az üzemanyagcellák mindegyike egymás alatt található. A piros kör egy kinagyítást mutat, ahol jól látható az üzemanyagcellák egymásra rakása.
Tároló tartály:
Bár a hidrogén tömegegységenkénti energiasűrűsége nagy (120MJ/kg), ezért majdnem háromszor akkora, mint a benziné, az egységnyi térfogatra jutó energiasűrűség az alacsonyabb fajlagos tömege miatt nagyon alacsony. Tárolásnál ez azt jelenti, hogy a hidrogént nyomás alatt vagy folyékony formában kell tárolni, hogy kezelhető térfogatú tárolótartályt lehessen használni. Két változat létezik a járművekhez:
- Gáznemű tárolás 350 vagy 700 bar nyomáson; 350 bar nyomáson a tartály térfogata energiatartalmát tekintve 10-szer nagyobb, mint a benzinnél.
- Folyadéktárolás -253 fokos hőmérsékleten (kriogén tároló), ahol a tartály térfogata energiatartalomban 4-szer nagyobb, mint a benzinnél. A gáznemű tárolással a hidrogén korlátlan ideig tárolható üzemanyagveszteség vagy minőségi kompromisszumok nélkül. A kriogén tárolás viszont gőzképződést eredményez. Mivel a nyomás a tartályban növekszik a felmelegedés miatt, a hidrogén távozik a nyomáscsökkentő szelepen keresztül; körülbelül napi két százalékos szivárgás elfogadható. Az alternatív tárolási lehetőségek még kutatási szakaszban vannak.
Az alábbi képen két tárolótartály látható az autó alatt. Ezek olyan tárolótartályok, ahol a hidrogént gáznemű formában, 700 bar nyomáson tárolják. Ezeknek a tárolótartályoknak a falvastagsága körülbelül 40 milliméter (4 centiméter), így ellenállóak a nagy nyomással szemben.
Alább ismét láthatja, hogyan szerelik fel a hidrogéntartályokat az autó alá. A műanyag cső az üzemanyagcellában történő átalakítás során keletkező víz elvezetése.
Tankolás hidrogénnel:
A cikk írásakor csak két hidrogéntöltő állomás működik Hollandiában. Az egyik ilyen benzinkút Rhoonban (Dél-Hollandia) található. A képeken a tankoláshoz használt töltőfúvókák láthatók. A töltés üzemi nyomása haszongépjárműveknél 350 bar, személygépkocsiknál 700 bar.
A töltőcsatlakozó az autóban a szokásos üzemanyag-fedél mögött található. A töltőpisztoly ehhez a töltőcsatlakozáshoz csatlakozik. A töltőfúvóka csatlakoztatása után a csatlakozás reteszelődik. Az autó tárolótartálya 700 bar nyomású gáznemű hidrogénnel lesz feltöltve.
A hidrogén hatótávolsága és költségei
Példaként veszünk egy Toyota Mirai-t (2021-es modellév), és nézzük meg a választékot és a járulékos költségeket:
- Hatótávolság 650 km;
- Fogyasztás: 0,84 kg / 100 km;
- Üzemanyag ára kilométerenként: 0,09-13 cent;
- Útadó 0 €
Egy dízelmotoros járműhöz képest az üzemanyagcellás autó nem olcsó. Bár az útadó költségeinek jelentős szerepe van, 2021-ben még mindig kevés a benzinkutak száma Hollandiában. Az alábbiakban összehasonlítjuk a 100 km-enkénti költségeket a jelenlegi üzemanyagárakkal:
BMW 320d (2012)
- Dízel: 1,30 € literenként;
- Fogyasztás: 5,8 l/100 km;
- Költségek 100 km: €7,54.
Toyota Mirai (2020):
- Hidrogén: 10 €/kg;
- Fogyasztás: 0,84 kg/100km;
- Költségek 100 km: 8,40 €
Kapcsolódó oldalak:
- Elektromos meghajtás (Áttekintés);
- Energiaátmenet.
