Sujeten:
- Waasserstoff
- Produktioun vun Wasserstoff
- Waasserstoff als Brennstoff fir en Otto Motor
- Brennstoff Zell
- Stockage Tank
- Gamme a Käschten vun Wasserstoff
Waasserstoff:
Waasserstoff (genannt Waasserstoff op englesch) kann als Energietransporter benotzt ginn fir Gefierer ze dréinen. Energieträger heescht datt d'Energie schonn am Viraus an de Waasserstoff geluecht gouf. Dëst am Géigesaz zu (fossilen) Energiequellen wéi Ueleg, Äerdgas a Kuel, wou d'Energie kritt gëtt andeems dës Substanzen duerch Verbrenne veraarbecht ginn.
Waasserstoff ass also eppes ganz anescht wéi Waasserinjektioun, déi net als Energiedréier a Benzinmotoren benotzt gëtt, mee reng fir d'Verbrennungskammer ze killen.
D'Zil ass et "Null Emissiounen" mat Waasserstoff z'erreechen; eng Form vun Energie, déi während dem Gebrauch keng schiedlech Gase produzéiert. Den Iwwergank vu fossille Brennstoffer zum elektresche Benefice a Kombinatioun mat Waasserstoff an enger Brennstoffzell fällt ënner de Energie Transitioun. Powering Gefierer mat Waasserstoff kann op zwou verschidde Weeër gemaach ginn:
- Benotzt Waasserstoff als Brennstoff fir den Otto Motor. De Waasserstoff ersetzt de Bensin Brennstoff.
- Generéiere elektresch Energie mat Waasserstoff an enger Brennstoffzell. Mat dëser elektrescher Energie féiert den Elektromotor d'Gefier komplett elektresch.
Béid Technike ginn op dëser Säit beschriwwen.
Waasserstoff kann mat nohalteger Energie produzéiert ginn oder op fossile Brennstoffer baséiert. Mir probéieren dat esou vill wéi méiglech ze verhënneren, well fossil Brennstoffer an Zukunft knapp ginn. CO2 wäert och bei der Veraarbechtung vu fossille Brennstoffer produzéiert ginn.
D'Saile hei ënnen weisen den Energiegehalt vun enger Batterie, Waasserstoff a Benzin. Mir gesinn, datt et vill ass
Batterie:
- Energiegehalt: 220 Wh/kg, 360 Wh/l
- Ganz efficace
- Kuerz Lagerung
- Direkt Energieverëffentlechung méiglech
- Transport ass komplizéiert
Waasserstoff (700 bar):
- Energie Inhalt: 125.000 kJ / kg, 34,72 kWh / kg
- 30% Hëtzt, 70% H2 (PEM Brennstoffzell)
- Laang Lagerung méiglech
- Konversioun néideg
- Transport frëndlech
Benzin:
- Energiewäert: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- Retour bis zu 33%
- Laang Lagerung méiglech
- Ëmbau néideg (Verbrennung)
- Transport frëndlech
Waasserstoff gëtt iwwerall ronderëm eis fonnt, awer ni gratis. Et ass ëmmer gebonnen. Mir wäerten et produzéieren, isoléieren a späicheren.
- 1 kg reinen Waasserstoff (H2) Gas = 11.200 Liter bei Atmosphärendrock
- H2 ass méi kleng wéi all aner Molekül
- H2 ass méi hell wéi all aner Molekül
- H2 sicht ëmmer no Verbindungen
Nieft der Produktioun an Uwendung vun Wasserstoff an Passagéier Autoen, diskutéiert dëser Säit och seng Stockage an Transport (um ënnen vun der Säit).
Waasserstoff Produktioun:
Waasserstoff ass e Gas deen net aus dem Buedem extrahéiert gëtt, sou wéi Äerdgas. Waasserstoff muss produzéiert ginn. Dat geschitt ënner anerem duerch Elektrolyse, e Prozess an deem Waasser a Waasserstoff a Sauerstoff ëmgewandelt gëtt. Dat ass de Géigendeel vun der Reaktioun déi an enger Brennstoffzell stattfënnt. Zousätzlech kann Waasserstoff duerch manner ëmweltfrëndleche Prozesser kritt ginn. D'Donnéeën hei ënnen weisen wéi Waasserstoff am Joer 2021 produzéiert ka ginn.
- Kuel: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (Temperatur: 1300C-1500C)
- Naturgas: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (erfuerderlech Temperatur: 700C-1100C)
- Ueleg: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + ganz vill Nebenprodukter
- Elektrolyse aus Waasser: 2H2O -> 2H2 + O2
Elektrolyse aus Waasser ass ganz propper an ass déi ëmweltfrëndlechst Form vu Waasserstoffproduktioun. Doduerch gëtt Waasserstoff a Sauerstoff fräi, am Géigesaz zu der Veraarbechtung vu fossille Brennstoffer, déi CO2 fräiginn.
- Elektrolyse vum Waasser; Elektrolyse ass eng chemesch Reaktioun déi Waassermoleküle spalt fir pure Waasserstoff a Sauerstoff ze kreéieren. Waasserstoff kann iwwerall gemaach ginn wou Waasser a Stroum ass. En Nodeel ass datt Dir Stroum brauch fir Waasserstoff ze maachen an et dann erëm an Elektrizitéit ze maachen. Bis zu 50% ginn während dësem Prozess verluer. De Virdeel ass datt d'Energie am Waasserstoff gespäichert ass.
- Ëmwandlung vu fossille Brennstoffer; Ueleg a Gas enthalen Kuelewaasserstoffmoleküle aus Kuelestoff a Waasserstoff. Waasserstoff kann aus Kuelestoff opgedeelt ginn mat engem sougenannte Brennstoffprozessor. Den Nodeel ass datt de Kuelestoff als Kuelendioxid an d'Loft verschwënnt.
D'Waasserstoffproduktioun, déi mat fossille Brennstoffer kritt gëtt, gëtt groe Waasserstoff genannt. Dëst léisst NOx an CO2 an d'Atmosphär fräi.
Vun 2020 un gëtt d'Produktioun ëmmer méi "blo": CO2 gëtt agefaang.
D'Zil ass, bis 2030 exklusiv gréng Waasserstoff ze produzéieren: gréng Stroum a Waasser sinn d'Quell fir den ëmweltfrëndlechste Waasserstoff, deen entsteet.
An der chemescher Welt gëtt Waasserstoff als H2 bezeechent, dat heescht datt e Waasserstoffmolekül aus zwee Waasserstoffatome besteet. H2 ass e Gas deen net an der Natur geschitt. Den H2-Molekül trëtt an all Zorte vu Stoffer op, déi bekanntst ass Waasser (H20). Waasserstoff muss kritt ginn andeems d'Waasserstoffmolekül vun zum Beispill e Waassermolekül trennt.
Waasserstoff duerch Elektrolyse produzéieren ass also d'Zukunft.
Déi folgend Bild weist e Modell deen allgemeng an der Chemiecourse benotzt gëtt.
- Positiv an negativ Baren vun enger Batterie hänken am Waasser;
- Op der Anode Säit kritt Dir Sauerstoff;
- Op der Kathode Säit kritt Dir Waasserstoff.
Waasserstoff, deen aus fossille Brennstoffer produzéiert gëtt, zum Beispill Methan (CH4), gëtt an dësem Fall iwwer Reformen an H2 an CO2 ëmgewandelt. Den CO2 kann getrennt an ënnerierdesch gespäichert ginn, zum Beispill an engem eidelen Äerdgasfeld. D'Benotzung vum Äerdgas dréit also wéineg oder guer kee Bäitrag zur CO2-Emissioun an d'Atmosphär. Waasserstoff kann och aus Biomass gemaach ginn. Wann den CO2, deen an dësem Prozess fräigelooss gëtt, och getrennt an ënnerierdesch gespäichert gëtt, ass et souguer méiglech, negativ CO2 Emissiounen z'erreechen; CO2 aus der Atmosphär ewechhuelen an dësen CO2 op der Äerd späicheren.
Waasserstoff, am Géigesaz zu fossile Brennstoffer wéi Ueleg, Äerdgas a Kuel, ass keng Energiequell, mee en Energiedréier. Dat heescht, datt d'Energie, déi beim Asaz vu Waasserstoff fräigelooss gëtt, zum Beispill als Brennstoff an engem Auto, fir d'éischt muss eragesat ginn. Elektrizitéit ass néideg fir Waasserstoff duerch Elektrolyse ze produzéieren. D'Nohaltegkeet vun dësem Waasserstoff hänkt dann haaptsächlech vun der Nohaltegkeet vum benotzte Stroum of.
Waasserstoff als Brennstoff fir en Otto Motor:
En Otto-Motor ass en aneren Numm fir e Benzinmotor. De Benzinmotor gouf 1876 vum Nikolaus Otto erfonnt. An dësem Fall nenne mir et en Otto-Motor, well de Bensin duerch en anere Brennstoff ersat gëtt, nämlech Waasserstoff. An engem Motor, wou Waasserstoff injizéiert gëtt, gëtt et kee Brennstofftank méi mat Bensin.
Wann Waasserstoff verbrannt gëtt, gi keng CO2 Gase produzéiert, am Géigesaz zu konventionellen Otto- an Dieselmotoren, awer nëmme Waasser. Wann Waasserstoff iwwer direkt Injektioun injizéiert gëtt, gëtt et eng Kraaftsteigerung vu 15 bis 17% am Verglach zum Benzinbrennstoff. Wann de Waasserstoff an den Inletventil injizéiert gëtt (indirekt Injektioun), fënnt séier Erwiermung duerch d'Loft statt. D'Loft gëtt och vum Waasserstoff verdrängt. A béide Fäll fléisst manner Sauerstoff (O2) an d'Verbrennungskammer. Am schlëmmste Fall gëtt et e Kraaftverloscht vu bis zu 50%.
De Verhältnis tëscht Loft a Waasserstoff ass net esou präzis wéi zum Beispill eng Loft-Bensin-Mëschung. D'Form vun der Verbrennungskammer ass also net vu grousser Bedeitung.
Waasserstoff kann op zwou Weeër injizéiert ginn:
– Flëssegkeet: Mat enger flësseger Versuergung vu Waasserstoff fällt d'Verbrennungstemperatur relativ duerch Verdampfung erof, sou datt manner NOx entsteet.
- Gasform: Wann de Waasserstoff a flësseger Form am Tank gespäichert ass an et bei Ëmfeldtemperatur an de Verbrennungsraum fléisst, muss en Verdamper benotzt ginn fir de Waasserstoff vu flëssege a gasformen Zoustand ëmzewandelen. An dësem Fall gëtt den Verdamper vum Motorkühlmëttel erhëtzt. Méiglech Moossname fir NOx ze reduzéieren sinn; bewerben EGR, Waasser Injektioun oder eng ënnescht Kompressiounsverhältnis.
D'Bild ënnendrënner weist véier Situatiounen mat dräi verschiddene Versiounen vun Wasserstoff Sprëtz. Am zweete Bild vu lénks gëtt de gasfërmege Waasserstoff indirekt an d'Intaksmanifold injizéiert. De gasfërmege Waasserstoff gëtt vun der Ëmgéigend Temperatur erhëtzt. De Waasserstoff hëlt och Plaz op, sou datt manner Sauerstoff an den Zylinder fléisst. Dëst ass d'Situatioun wou de meeschte Kraaftverloscht geschitt.
Am drëtte Bild gëtt de Waasserstoff a flësseger Form geliwwert. Cryogen heescht datt de Waasserstoff ganz vill ofgekillt ass (eng Method fir grouss Quantitéite Waasserstoff a flësseger Form an engem relativ klenge Lagerbehälter ze späicheren). Well d'Temperatur vum Waasserstoff méi niddereg ass an et an engem flëssege Staat ass, fënnt besser Zylinderfüllung statt. Duerch déi niddreg Temperatur gëtt eng Effizienz bal sou héich wéi e Motor mat direkter (Waasserstoff)injektioun erreecht. Den direkten Injektiounsmotor kann am véierte Bild gesi ginn. De ganze Verbrennungsraum ass mat Sauerstoff gefëllt. Wann den Oflaafventil zougemaach ass an de Kolben d'Loft kompriméiert, gëtt eng gewësse Quantitéit Waasserstoff duerch den Injektor injizéiert. Den Zündkerze op dësem Motor ass hannert oder nieft dem Injektor (dëst ass net am Bild gewisen).
D'Effizienz vun engem Otto Motor ass natierlech net 100%, awer an dësem Bild sinn d'Effizienz vun der Verbrennung vu Waasserstoff mat der Verbrennung vu Benzin verglach.
Waasserstoff huet eng héich Energie Dicht pro Eenheet Mass (120MJ / kg), wouduerch et bal dräimol sou héich wéi Benzin. Déi gutt Zündungseigenschaften vu Waasserstoff maachen et méiglech, de Motor ganz schlank ze lafen, mat engem Lambda-Wäert vu 4 bis 5. Den Nodeel vun enger schlanker Mëschung ass datt d'Kraaft méi niddereg gëtt an d'Fuereigenschaften reduzéiert ginn. Fir dëst ze kompenséieren, gëtt dacks Supercharging benotzt (en Turbo).
Wéinst der méi grousser Zündungsfläch am Verglach zum Benzinbrennstoff ass de Risiko vun Detonatioun oder Réckbrand méi grouss. Et ass also ganz wichteg datt et eng gutt Kontroll vun der Brennstoffversuergung an der Zündung ass. Bei voller Belaaschtung kann d'Temperatur an der Verbrennungskammer ganz héich sinn. Et gëtt dacks Waasser Injektioun néideg fir genuch Ofkillung ze garantéieren, an domat och virzäitegen Zündung ze verhënneren (a Form vun Detonatioun oder Réckbrand).
Brennstoff Zell:
Déi viregte Sektioun huet erkläert wéi Waasserstoff als Brennstoff fir de Verbrennungsmotor dénge kann. Eng aner Uwendung vu Waasserstoff ass an der Brennstoffzell. E Gefier ausgestatt mat enger Brennstoffzell huet keng Verbrennungsmotor, mee een oder méi Elektromotoren. D'elektresch Energie fir d'Elektromotoren ze bedreiwen gëtt vun der Brennstoffzell produzéiert. Eng Brennstoffzell ass en elektrochemescht Apparat dat chemesch Energie direkt an elektresch Energie ëmgewandelt, ouni thermesch oder mechanesch Verloschter. D'Energiekonvertéierung an der Brennstoffzell ass also ganz effizient. D'Brennstoffzelle leeft allgemeng op Waasserstoff, awer e Brennstoff wéi Methanol kann och benotzt ginn.
Eng Brennstoffzell kann prinzipiell mat enger Batterie verglach ginn, well béid Stroum duerch e chemesche Prozess produzéieren. Den Ënnerscheed ass datt déi gespäichert Energie an der Batterie eemol fräigelooss gëtt. D'Energie leeft mat der Zäit aus, sou datt d'Batterie muss opgelueden ginn. Eng Brennstoffzell liwwert kontinuéierlech Energie, soulaang Reaktanten un déi elektrochemesch Zell geliwwert ginn. Reaktante si chemesch Substanzen déi matenee reagéieren an enger chemescher Reaktioun.
An enger Brennstoffzelle ginn Waasserstoff a Sauerstoff an H+ an OH- Ionen (opgelueden Partikelen) ëmgewandelt. D'Ionen ginn duerch eng Membran an getrennte Kammeren vun der Brennstoffzell getrennt. D'Brennstoffzell enthält zwee poröse Kuelestoffelektroden, op deenen e Katalysator applizéiert gëtt; fir Waasserstoff (H) eng negativ Elektrode (Anode) a fir Sauerstoff (O) eng positiv Elektrode (Kathode).
H+ an OH- Ione ginn iwwer d'Elektroden (Anode a Kathode) matenee gefouert, duerno reagéieren d'+ an - Ionen matenee. D'Kathode katalyséiert d'Reaktioun an där d'Elektronen an d'Protone mat Sauerstoff reagéieren fir Ennprodukt zwee ze bilden, nämlech Waasser. D'H+ an OH- Ionen bilden zesummen en H2O Molekül. Dëst Molekül ass keen Ion well seng elektresch Ladung neutral ass. De Plus Partikel an de Minus Partikel ginn zesummen en neutralen Partikel.
D'Oxidatioun vu Waasserstoff (H) fënnt op der Anode statt. Oxidatioun ass de Prozess an deem e Molekül seng Elektronen spendt. D'Anode wierkt als Katalysator, trennt de Waasserstoff a Protonen an Elektronen.
D'Reduktioun fënnt bei der Kathode statt duerch Sauerstoff (O). D'Elektronen, déi vun der Anode versiegelt sinn, reesen an d'Kathode iwwer en elektresche Drot, deen d'Elektronen ronderëm dobausse verbënnt.
Andeems Dir Elektronen net direkt, mä iwwer eng extern Streck (den aktuellen Drot) iwwerdroen, gëtt dës Energie gréisstendeels als elektresch Energie entlooss. De Circuit ass vun Ionen an engem Verbindungselektrolyt tëscht dem Reduzéierer an dem Oxidator zougemaach.
De Partikel, deen Elektronen absorbéiert, gëtt en Oxidator genannt an doduerch reduzéiert. De Reduktiounsmëttel verléiert Elektronen a gëtt oxidéiert. Eng Reduktioun ass de Prozess duerch deen e Partikel Elektronen absorbéiert. Oxidatioun a Reduktioun ginn ëmmer zesummen. D'Zuel vun den Elektronen fräigelooss an absorbéiert ass ëmmer d'selwecht.
Déi folgend Reaktioun fënnt um negativen Pol statt:
Eng aner Reaktioun fënnt um positiven Pol statt:
D'Bild hei drënner weist ënnen Vue vun engem Toyota Brennstoff Zell Stack. Dëse Brennstoffzell Stack läit ënner der Hood vum Auto. Den Elektromotor ass un dësem Stack befestegt. Den Elektromotor liwwert d'Kraaft un d'Iwwerdroung, déi mat den Drivwellen ugeschloss ass, fir d'Triebkräften op d'Rieder ze vermëttelen.
Verschidde Loftröhren kënnen uewen um Stack gesi ginn. Dozou gehéiert ënner anerem d'Loftpompel, déi d'Loft an d'Brennstoffzellen pompelt, jee no der Kraaft, déi den Elektromotor brauch.
Dëse Brennstoffzelle Stack ass mat 370 Brennstoffzellen ausgestatt. All Brennstoffzelle liwwert 1 Volt, sou datt am Ganzen 370 Volt un den Elektromotor geliwwert ginn. D'Brennstoffzelle sinn all ënnerenee lokaliséiert. De roude Krees weist eng Vergréisserung, wou d'Stacking vun de Brennstoffzellen kloer ze gesinn ass.
Stockage Tank:
Och wa Waasserstoff eng héich Energiedicht pro Masseenheet (120MJ/kg) huet an dofir bal dräimol sou héich ass wéi Benzin, ass d'Energiedicht pro Volumenheet duerch seng manner spezifesch Mass ganz niddereg. Fir d'Lagerung heescht dat, datt de Waasserstoff ënner Drock oder a flësseger Form gespäichert muss ginn, fir e Späicherbehälter mat engem handhabbare Volumen ze benotzen. Et ginn zwou Varianten fir Gefierapplikatiounen:
- Gaslagerung bei 350 oder 700 Bar; Bei 350 Bar ass den Tankvolumen a punkto Energiegehalt e Faktor vun 10 méi grouss wéi bei Bensin.
- Flësseg Stockage bei enger Temperatur vun -253 Grad (cryogenic Stockage), wou den Tank Volumen am Sënn vun Energie Inhalt Faktor 4 méi grouss ass wéi mat Bensin. Mat Gaslagerung kann Waasserstoff onbestëmmt gespäichert ginn ouni Brennstoffverloscht oder Kompromëss op Qualitéit. Cryogene Lagerung, op der anerer Säit, resultéiert zu Dampbildung. Well den Drock am Tank erhéicht duerch d'Heizung, wäert Waasserstoff duerch den Drockreliefventil flüchten; e Leckage vun ongeféier zwee Prozent pro Dag ass akzeptabel. Alternativ Späicheroptiounen sinn nach ëmmer an der Fuerschungsstadium.
D'Bild hei drënner weist zwee Späicherbehälter ënner dem Auto. Dëst sinn Späicherbehälter, wou de Waasserstoff a gasform ënner engem Drock vu 700 Bar gelagert gëtt. Dës Späicherbehälter hunn eng Wanddicke vu ronn 40 Millimeter (4 Zentimeter), wat se resistent géint Héichdrock mécht.
Hei drënner gesitt Dir erëm wéi d'Waasserstoffbehälter ënner dem Auto montéiert sinn. De Plastiksröhr ass den Drain vu Waasser erstallt wärend der Konversioun an der Brennstoffzell.
Tanken mat Waasserstoff:
Zu der Zäit vun dësem Artikel ze schreiwen, ginn et nëmmen zwou Waasserstoff Füllstatiounen an Holland. Eng vun dësen Tankstellen ass zu Rhoon (Südholland). D'Biller weisen d'Fülldüsen déi benotzt gi fir ze tanken. Den Aarbechtsdrock fir d'Füllung ass 350 Bar fir kommerziell Gefierer a 700 Bar fir Passagéierautoen.
D'Füllverbindung am Auto läit hannert der üblecher Brennstoffklappe. D'Füllpistoul ass mat dëser Füllverbindung verbonnen. Nom Uschloss vun der Fülldüse gëtt d'Verbindung gespaart. De Späicherbehälter vum Auto gëtt mat gasfërmege Waasserstoff ënner engem Drock vu 700 Bar gefëllt.
Gamme a Käschten vun Wasserstoff
Als Beispill huelen mir en Toyota Mirai (Modell Joer 2021) a kucken d'Gamme an zousätzlech Käschten:
- Gamme vu 650 km;
- Verbrauch: 0,84 kg / 100 km;
- Brennstoff Präis pro km: 0,09 ze 13 Cent;
- Stroossensteier € 0,-
Am Verglach mat engem Gefier mat engem Dieselmotor ass e Brennstoffzellauto net bëlleg. Obwuel d'Käschte vun der Stroossesteier eng grouss Roll spillen, ass d'Zuel vun de Tankstellen an Holland am Joer 2021 nach knapp. Drënner ass e Verglach vun de Käschten pro 100 km mat aktuellen Brennstoffpräisser:
BMW 320d (2012)
- Diesel: 1,30 € pro Liter;
- Verbrauch: 5,8 l/100 km;
- Käschten 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Waasserstoff: 10 € pro kg;
- Verbrauch: 0,84 kg/100 km;
- Käschten 100 km: 8,40 €
Zesummenhang Säiten:
- Elektresch fueren (Iwwerbléck);
- Energie Transitioun.
