Viðfangsefni:
- Vetni
- Framleiðsla á vetni
- Vetni sem eldsneyti fyrir Otto vél
- Eldsneytisklefi
- Geymslutankur
- Drægni og kostnaður vetnis
Vetni:
Vetni (kallað vetni á ensku) er hægt að nota sem orkubera til að knýja ökutæki. Orkuberi þýðir að orka hefur þegar verið sett í vetnið fyrirfram. Þetta er öfugt við (steingervinga) orkugjafa eins og olíu, jarðgas og kol þar sem orkan er fengin með því að vinna þessi efni með brennslu þeirra.
Vetni er því eitthvað allt annað en vatnsdæling sem er ekki notuð sem orkuberi í bensínvélum heldur eingöngu til að kæla brunahólfið.
Markmiðið er að ná „núllosun“ með vetni; orkuform sem framleiðir ekki skaðlegar lofttegundir við notkun. Umskiptin úr jarðefnaeldsneyti yfir í rafknúna ásamt vetni og efnarafala fellur undir orkuskipti. Hægt er að knýja ökutæki með vetni á tvo mismunandi vegu:
- Notkun vetni sem eldsneyti fyrir Otto vélina. Vetnið kemur í stað bensíneldsneytis.
- Framleiða raforku með því að nota vetni í efnarafala. Með því að nota þessa raforku mun rafmótorinn knýja ökutækið að fullu rafmagni.
Báðum aðferðum er lýst á þessari síðu.
Vetni er hægt að framleiða með sjálfbærri orku eða byggt á jarðefnaeldsneyti. Við reynum að koma í veg fyrir hið síðarnefnda eins og hægt er, því jarðefnaeldsneyti verður af skornum skammti í framtíðinni. CO2 verður einnig framleitt við vinnslu jarðefnaeldsneytis.
Dálkarnir hér að neðan sýna orkuinnihald rafhlöðu, vetnis og bensíns. Við sjáum að það er mikið
Batterí:
- Orkuinnihald: 220Wh/kg, 360Wh/l
- Mjög duglegur
- Stutt geymsla
- Bein orkulosun möguleg
- Samgöngur eru flóknar
Vetni (700 bar):
- Orkuinnihald: 125.000 kJ/kg, 34,72 kWh/kg
- 30% hiti, 70% H2 (PEM efnarafal)
- Löng geymsla möguleg
- Umbreyting nauðsynleg
- Samgönguvænt
Bensín:
- Orkugildi: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- Ávöxtun allt að 33%
- Löng geymsla möguleg
- Umbreyting nauðsynleg (brennsla)
- Samgönguvænt
Vetni finnst allt í kringum okkur, en aldrei ókeypis. Það er alltaf bundið. Við ætlum að framleiða það, einangra það og geyma það.
- 1 kg af hreinu vetnis (H2) gasi = 11.200 lítrar við loftþrýsting
- H2 er minni en nokkur önnur sameind
- H2 er léttari en nokkur önnur sameind
- H2 er alltaf að leita að tengingum
Auk framleiðslu og notkunar vetnis í fólksbíla er á þessari síðu einnig fjallað um geymslu þess og flutning (neðst á síðunni).
Framleiðsla á vetni:
Vetni er gas sem er ekki unnið úr jörðu eins og jarðgas. Það þarf að framleiða vetni. Þetta er meðal annars gert með rafgreiningu, ferli þar sem vatni er breytt í vetni og súrefni. Það er hið gagnstæða við hvarfið sem á sér stað í efnarafala. Auk þess er hægt að fá vetni með minna umhverfisvænum ferlum. Gögnin hér að neðan sýna hvernig hægt er að framleiða vetni árið 2021.
- Kol: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (hiti: 1300C-1500C)
- Jarðgas: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (nauðsynlegt hitastig: 700C-1100C)
- Olía: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + mjög margar aukaafurðir
- Rafgreining úr vatni: 2H2O -> 2H2 + O2
Rafgreining úr vatni er mjög hrein og er umhverfisvænasta form vetnisframleiðslu. Við það losnar vetni og súrefni, ólíkt vinnslu jarðefnaeldsneytis sem losar CO2.
- Rafgreining vatns; Rafgreining er efnahvarf sem kljúfur vatnssameindir til að búa til hreint vetni og súrefni. Vetni er hægt að búa til hvar sem er þar sem vatn og rafmagn er. Ókostur er að það þarf rafmagn til að búa til vetni og breyta því svo í rafmagn aftur. Allt að 50% tapast í þessu ferli. Kosturinn er sá að orkan er geymd í vetni.
- Umbreyting jarðefnaeldsneytis; olía og gas innihalda kolvetnissameindir úr kolefni og vetni. Hægt er að skipta vetni úr kolefni með svokölluðum eldsneytisvinnsluvél. Ókosturinn er sá að kolefnið hverfur út í loftið sem koltvísýringur.
Vetnisframleiðslan sem fæst með jarðefnaeldsneyti er kölluð grátt vetni. Þetta losar NOx og CO2 út í andrúmsloftið.
Frá og með 2020 verður framleiðslan sífellt „bláari“: CO2 verður fangað.
Stefnt er að því að framleiða eingöngu grænt vetni árið 2030: grænt rafmagn og vatn eru uppsprettur umhverfisvænasta vetnsins sem myndast.
Í efnaheiminum er vetni nefnt H2 sem þýðir að vetnissameind er gerð úr tveimur vetnisatómum. H2 er lofttegund sem kemur ekki fyrir í náttúrunni. H2 sameindin kemur fyrir í alls kyns efnum, þekktust er vatn (H20). Vetni þarf að fá með því að skilja vetnissameindina frá til dæmis vatnssameind.
Framleiðsla vetnis með rafgreiningu er því framtíðin.
Eftirfarandi mynd sýnir líkan sem almennt er notað í efnafræðikennslu.
- Jákvæðar og neikvæðar stangir rafhlöðu hanga í vatninu;
- Á rafskautahliðinni færðu súrefni;
- Á bakskautshliðinni færðu vetni.
Vetni framleitt úr jarðefnaeldsneyti, til dæmis metani (CH4), er í þessu tilviki breytt í H2 og CO2 með umbótum. Hægt er að aðskilja CO2 og geyma neðanjarðar, til dæmis á tómu jarðgassvæði. Notkun jarðgass á því lítið sem ekkert þátt í losun CO2 út í andrúmsloftið. Einnig er hægt að búa til vetni úr lífmassa. Ef CO2 sem losnar við þetta ferli er líka aðskilið og geymt neðanjarðar er jafnvel hægt að ná neikvæðri CO2 losun; að fjarlægja CO2 úr andrúmsloftinu og geyma þetta CO2 á jörðinni.
Vetni, ólíkt jarðefnaeldsneyti eins og olíu, jarðgasi og kolum, er ekki orkugjafi, heldur orkuberi. Það þýðir að fyrst þarf að setja inn þá orku sem losnar við notkun vetnis, til dæmis sem eldsneyti í bíl. Rafmagn þarf til að framleiða vetni með rafgreiningu. Sjálfbærni þessa vetnis veltur síðan að miklu leyti á sjálfbærni raforkunnar sem notuð er.
Vetni sem eldsneyti fyrir Otto vél:
Otto vél er annað nafn á bensínvél. Bensínvélin var fundin upp árið 1876 af Nikolaus Otto. Í þessu tilviki köllum við það Otto vél, því bensíninu er skipt út fyrir annað eldsneyti, nefnilega vetni. Í vél þar sem vetni er sprautað inn er ekki lengur eldsneytistankur með bensíni.
Þegar vetni er brennt myndast engin CO2 lofttegund, ólíkt hefðbundnum Otto- og dísilvélum, heldur aðeins vatn. Þegar vetni er sprautað með beinni innspýtingu verður aflaukning um 15 til 17% miðað við bensín. Þegar vetninu er sprautað inn í inntakslokann (óbein innspýting) á sér stað hröð upphitun í gegnum loftið. Loftið er líka flutt af vetninu. Í báðum tilfellum streymir minna súrefni (O2) inn í brunahólfið. Í versta falli er allt að 50% orkutap.
Hlutfallið milli lofts og vetnis er ekki eins nákvæmt og til dæmis loft-bensínblöndu. Lögun brunahólfsins skiptir því ekki miklu máli.
Hægt er að sprauta vetni á tvo vegu:
– Vökvi: Með vökvaforði af vetni mun brunahitastigið lækka tiltölulega vegna uppgufunar, þannig að minna af NOx myndast.
– Loftkennt: Ef vetnið er geymt í fljótandi formi í tankinum og það flæðir inn í brunarýmið við umhverfishita þarf að nota uppgufunartæki til að breyta vetninu úr fljótandi í loftkennt ástand. Í því tilviki er uppgufunartækið hitað með kælivökva vélarinnar. Mögulegar aðgerðir til að draga úr NOx eru; sækja um EGR, vatnssprautun eða lægri þjöppunarhlutfall.
Myndin hér að neðan sýnir fjórar aðstæður með þremur mismunandi útgáfum af vetnisdælingu. Á annarri myndinni frá vinstri er loftkennda vetninu dælt óbeint inn í inntaksgreinina. Loftkennda vetnið er hitað með umhverfishita. Vetnið tekur líka pláss og veldur því að minna súrefni flæðir inn í strokkinn. Þetta er ástandið þar sem mest afl tap á sér stað.
Á þriðju myndinni er vetnið til staðar í fljótandi formi. Cryogenic þýðir að vetnið hefur verið kælt mjög mikið (aðferð til að geyma mikið magn af vetni í fljótandi formi í tiltölulega litlum geymslutanki). Vegna þess að hitastig vetnsins er lægra og það er í fljótandi ástandi á sér stað betri fylling á hólknum. Vegna lágs hitastigs fæst næstum jafn mikil afköst og vél með beinni (vetni) innspýtingu. Beina innspýtingarvélina má sjá á fjórðu myndinni. Allt brennslurýmið er fyllt með súrefni. Þegar inntaksventillinn er lokaður og stimpillinn er að þjappa loftinu er ákveðið magn af vetni sprautað í gegnum inndælingartækið. Kertið á þessari vél er fyrir aftan eða við hlið inndælingartækisins (þetta er ekki sýnt á myndinni).
Nýtni Otto vélar er auðvitað ekki 100%, en á þessari mynd er hagkvæmni við bruna vetnis borin saman við brennslu bensíns.
Vetni hefur mikla orkuþéttleika á hverja massaeiningu (120MJ/kg), sem gerir það næstum þrisvar sinnum hærra en bensín. Góðir kveikjueiginleikar vetnis gera það að verkum að hægt er að keyra vélina mjög magra, með lambdagildi 4 til 5. Ókosturinn við að nota magra blöndu er að aflið verður minna og aksturseiginleikar skertir. Til að vega upp á móti er oft notuð forhleðsla (túrbó).
Vegna stærra kveikjusvæðis miðað við bensíneldsneyti er hættan á sprengingu eða bakeldi meiri. Það er því mjög mikilvægt að gott eftirlit sé með eldsneytisgjöf og íkveikju. Við fullt álag getur hitinn í brunahólfinu orðið mjög hár. Það er oft vatnssprautun nauðsynlegt til að tryggja nægilega kælingu og þar með einnig til að koma í veg fyrir ótímabæra íkveikju (í formi sprengingar eða bakslags).
Eldsneyti klefi:
Í fyrri hlutanum var útskýrt hvernig vetni getur þjónað sem eldsneyti fyrir brunavélina. Önnur notkun vetnis er í efnarafalanum. Ökutæki sem búið er efnarafala er ekki með brunavél heldur einn eða fleiri rafmótora. Raforkan til að stjórna rafmótorunum er framleidd af efnarafalanum. Efnarafala er rafefnafræðilegt tæki sem breytir efnaorku beint í raforku, án varma eða vélræns taps. Orkubreytingin í efnarafalanum er því mjög hagkvæm. Efnarafalinn gengur almennt fyrir vetni en einnig er hægt að nota eldsneyti eins og metanól.
Í grundvallaratriðum má líkja efnarafala við rafhlöðu, því bæði framleiða rafmagn með efnaferli. Munurinn er sá að geymd orka í rafhlöðunni losnar einu sinni. Orkan klárast með tímanum og því þarf að endurhlaða rafhlöðuna. Efnarafala gefur samfellda orku, svo framarlega sem hvarfefnum er veitt til rafefnafræðilegu frumunnar. Hvarfefni eru efnafræðileg efni sem hvarfast hvert við annað í efnahvörfum.
Í efnarafala er vetni og súrefni breytt í H+ og OH- jónir (hlaðnar agnir). Jónirnar eru aðskildar með himnu í aðskildum hólfum efnarafalsins. Eldsneytisselan inniheldur tvö gljúp kolefnisrafskaut sem hvati er settur á; fyrir vetni (H) neikvæð rafskaut (skaut) og fyrir súrefni (O) jákvæð rafskaut (bakskaut).
H+ og OH- jónir berast hver til annarrar í gegnum rafskautin (skaut og bakskaut), eftir það hvarfast + og – jónirnar hver við aðra. Bakskautið hvetur hvarfið þar sem rafeindir og róteindir hvarfast við súrefni og mynda lokaafurð tvö, nefnilega vatn. H+ og OH- jónirnar mynda saman H2O sameind. Þessi sameind er ekki jón vegna þess að rafhleðsla hennar er hlutlaus. Plús ögnin og mínus ögnin gefa saman hlutlausa ögn.
Oxun vetnis (H) á sér stað við forskautið. Oxun er ferlið þar sem sameind gefur rafeindir sínar. Rafskautið virkar sem hvati og skiptir vetninu í róteindir og rafeindir.
Minnkun á sér stað við bakskautið með því að bæta við súrefni (O). Rafeindirnar, innsiglaðar með rafskautinu, munu ferðast til bakskautsins í gegnum rafmagnsvír sem tengir rafeindirnar utan um.
Með því að flytja rafeindir ekki beint, heldur um utanaðkomandi leið (straumvírinn), losnar þessi orka að miklu leyti sem raforka. Hringrásin er lokuð af jónum í raflausn sem tengist milli afoxunartækisins og oxunarefnisins.
Ögnin sem gleypir rafeindir kallast oxunarefni og minnkar þar með. Afoxunarefnið tapar rafeindum og oxast. Lækkun er ferlið þar sem ögn gleypir rafeindir. Oxun og minnkun fara alltaf saman. Fjöldi rafeinda sem losnar og frásogast er alltaf sá sami.
Eftirfarandi viðbrögð eiga sér stað við neikvæða pólinn:
Önnur viðbrögð eiga sér stað á jákvæða pólnum:
Myndin hér að neðan sýnir neðri sýn á Toyota efnarafala stafla. Þessi efnarafala stafli er staðsettur undir húddinu á bílnum. Rafmótorinn er festur við þennan stafla. Rafmótorinn veitir kraftinum til skiptingarinnar sem er tengd við drifásana til að flytja drifkraftana til hjólanna.
Nokkrar loftslöngur má sjá efst á staflanum. Þar á meðal er loftdælan sem dælir loftinu í efnarafalana, allt eftir því afli sem rafmótorinn þarfnast.
Þessi efnarafalur er búinn 370 efnarafalum. Hver efnarafala gefur 1 volt þannig að samtals er hægt að veita 370 volt í rafmótorinn. Efnarafalarnir eru allir staðsettir undir hvor öðrum. Rauði hringurinn sýnir stækkun þar sem stöflun efnarafalanna sést vel.
Geymslutankur:
Þó vetni hafi mikla orkuþéttleika á hverja massaeiningu (120MJ/kg) og sé því næstum þrisvar sinnum hærra en bensín, þá er orkuþéttleiki á rúmmálseiningu mjög lágur vegna lægri sérmassa þess. Til geymslu þýðir það að geyma þarf vetnið undir þrýstingi eða í fljótandi formi til að hægt sé að nota geymslutank með viðráðanlegu rúmmáli. Það eru tvö afbrigði fyrir ökutæki:
- Gasgeymsla við 350 eða 700 bör; Við 350 bör rúmmál tanksins miðað við orkuinnihald er 10 stærra en með bensíni.
- Vökvageymsla við -253 gráðu hita (kryogenic geymsla), þar sem tankrúmmál miðað við orkuinnihald er stuðull 4 stærra en með bensíni. Með gasgeymslu er hægt að geyma vetni endalaust án þess að tapa eldsneyti eða skerða gæði. Cryogenic geymsla hefur hins vegar í för með sér gufumyndun. Vegna þess að þrýstingurinn í tankinum eykst vegna upphitunar mun vetni sleppa í gegnum þrýstiloftslokann; leki upp á um það bil tvö prósent á dag er ásættanlegt. Aðrir geymslumöguleikar eru enn á rannsóknarstigi.
Myndin hér að neðan sýnir tvo geymslutanka undir bílnum. Um er að ræða geymslutanka þar sem vetnið er geymt í loftkenndu formi við 700 bör þrýsting. Þessir geymslutankar hafa um það bil 40 millimetra (4 sentímetra) veggþykkt, sem gerir þá þola háan þrýsting.
Hér að neðan má aftur sjá hvernig vetnistankarnir eru settir undir bílinn. Plaströrið er frárennsli vatns sem myndast við umbreytingu í efnarafalanum.
Eldsneyti með vetni:
Þegar þessi grein er skrifuð eru aðeins tvær vetnisáfyllingarstöðvar í Hollandi. Ein þessara bensínstöðva er í Rhoon (Suður-Hollandi). Myndirnar sýna áfyllingarstútana sem notaðir eru til að fylla á eldsneyti. Vinnuþrýstingur fyrir áfyllingu er 350 bör fyrir atvinnubíla og 700 bör fyrir fólksbíla.
Áfyllingartengi í bílnum er staðsett fyrir aftan venjulegan bensínloka. Áfyllingarbyssan er tengd þessari áfyllingartengingu. Eftir að áfyllingarstúturinn hefur verið tengdur mun tengingin læsast. Geymslutankur bílsins verður fylltur af loftkenndu vetni við 700 bör þrýsting.
Drægni og kostnaður vetnis
Sem dæmi tökum við Toyota Mirai (árgerð 2021) og skoðum úrvalið og aukakostnaðinn:
- Drægni 650 km;
- Eyðsla: 0,84 kg / 100 km;
- Eldsneytisverð á km: 0,09 til 13 sent;
- Vegagjald €0,-
Í samanburði við farartæki með dísilvél er efnarafalabíll ekki ódýr. Þrátt fyrir að kostnaður vegna vegaskatts spili stórt hlutverk er fjöldi bensínstöðva í Hollandi enn af skornum skammti árið 2021. Hér að neðan er samanburður á kostnaði á 100 km við núverandi eldsneytisverð:
BMW 320d (2012)
- Dísel: 1,30 € á lítra;
- Eyðsla: 5,8 l/100 km;
- Kostar 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Vetni: €10 á kg;
- Eyðsla: 0,84 kg/100km;
- Kostar 100 km: 8,40 €
Tengdar síður:
- Rafdriflína (Yfirlit);
- Orkuskipti.
