Przedmioty:
- Wodór
- Produkcja wodoru
- Wodór jako paliwo do silnika Otto
- Ogniwo paliwowe
- Zbiornik
- Zasięg i koszty wodoru
Wodór:
Wodór (po angielsku nazywany wodorem) może zostać wykorzystany jako nośnik energii do zasilania pojazdów. Nośnik energii oznacza, że energia została już wcześniej włożona w wodór. Inaczej jest w przypadku (kopalnych) źródeł energii, takich jak ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel, gdzie energię uzyskuje się poprzez przetwarzanie tych substancji w drodze ich spalania.
Wodór to zatem coś zupełnie innego niż wtrysk wody, która nie służy jako nośnik energii w silnikach benzynowych, a jedynie do chłodzenia komory spalania.
Celem jest osiągnięcie „zero emisji” w przypadku wodoru; forma energii, która podczas użytkowania nie wytwarza szkodliwych gazów. Przejście z paliw kopalnych na napęd elektryczny w połączeniu z wodorem i ogniwem paliwowym wchodzi w zakres art transformacja energetyczna. Zasilanie pojazdów wodorem można zrealizować na dwa różne sposoby:
- Wykorzystanie wodoru jako paliwa do silnika Otto. Wodór zastępuje benzynę.
- Wytwarzaj energię elektryczną za pomocą wodoru w ogniwie paliwowym. Wykorzystując tę energię elektryczną, silnik elektryczny będzie napędzał pojazd całkowicie elektrycznie.
Obie techniki opisano na tej stronie.
Wodór można wytwarzać przy użyciu zrównoważonej energii lub w oparciu o paliwa kopalne. Temu drugiemu staramy się w jak największym stopniu zapobiegać, ponieważ paliwa kopalne w przyszłości staną się rzadkością. CO2 będzie również wytwarzany podczas przetwarzania paliw kopalnych.
Poniższe kolumny pokazują zawartość energii w akumulatorze, wodorze i benzynie. Widzimy, że jest tego dużo
Bateria:
- Zawartość energii: 220 Wh/kg, 360 Wh/l
- Bardzo wydajny
- Krótkie przechowywanie
- Możliwe bezpośrednie uwalnianie energii
- Transport jest skomplikowany
Wodór (700 barów):
- Zawartość energii: 125.000 34,72 kJ/kg, XNUMX kWh/kg
- 30% ciepła, 70% H2 (ogniwo paliwowe PEM)
- Możliwość długiego przechowywania
- Konieczna konwersja
- Przyjazny w transporcie
Benzyna:
- Wartość energetyczna: 43.000 11,94 kJ/kg, XNUMX kWh/kh
- Zwrot do 33%
- Możliwość długiego przechowywania
- Konieczna konwersja (spalanie)
- Przyjazny w transporcie
Wodór występuje wszędzie wokół nas, ale nigdy nie jest darmowy. Zawsze jest związane. Zamierzamy to wyprodukować, wyizolować i przechowywać.
- 1 kg czystego wodoru (H2) = 11.200 XNUMX litrów pod ciśnieniem atmosferycznym
- H2 jest mniejszy niż jakakolwiek inna cząsteczka
- H2 jest lżejszy niż jakakolwiek inna cząsteczka
- H2 zawsze szuka połączeń
Oprócz produkcji i zastosowania wodoru w samochodach osobowych, na tej stronie omówiono także jego magazynowanie i transport (na dole strony).
Produkcja wodoru:
Wodór to gaz, którego nie wydobywa się z ziemi, tak jak gaz ziemny. Należy wyprodukować wodór. Odbywa się to między innymi poprzez elektrolizę – proces, w którym woda przekształca się w wodór i tlen. Jest to reakcja odwrotna do reakcji zachodzącej w ogniwie paliwowym. Ponadto wodór można uzyskać w procesach mniej przyjaznych dla środowiska. Poniższe dane pokazują, w jaki sposób wodór będzie mógł być produkowany w 2021 roku.
- Węgiel: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (temp.: 1300C-1500C)
- Gaz ziemny: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (wymagana temperatura: 700C-1100C)
- Olej: CxHyNzOaSb +…. -> CH2 + bardzo wiele produktów ubocznych
- Elektroliza z wody: 2H2O -> 2H2 + O2
Elektroliza wody jest bardzo czysta i jest najbardziej przyjazną dla środowiska formą produkcji wodoru. W przeciwieństwie do przetwarzania paliw kopalnych, które powoduje uwalnianie CO2, uwalnia się wodór i tlen.
- Elektroliza wody; Elektroliza to reakcja chemiczna, podczas której cząsteczki wody rozkładają się, tworząc czysty wodór i tlen. Wodór można wytwarzać wszędzie tam, gdzie jest woda i prąd. Wadą jest to, że do wytworzenia wodoru potrzebna jest energia elektryczna, a następnie ponowne przekształcenie jej w energię elektryczną. Podczas tego procesu traci się do 50%. Zaletą jest to, że energia jest magazynowana w wodorze.
- Przetwarzanie paliw kopalnych; ropa naftowa i gaz zawierają cząsteczki węglowodorów składające się z węgla i wodoru. Wodór można oddzielić od węgla za pomocą tak zwanego procesora paliwowego. Wadą jest to, że węgiel znika w powietrzu w postaci dwutlenku węgla.
Produkcja wodoru uzyskiwanego z paliw kopalnych nazywana jest szarym wodorem. Powoduje to uwalnianie NOx i CO2 do atmosfery.
Od 2020 r. produkcja będzie coraz bardziej „niebieska”: CO2 będzie wychwytywany.
Celem jest produkcja wyłącznie zielonego wodoru do 2030 r.: zielona energia elektryczna i woda są źródłami wytwarzanego wodoru w sposób najbardziej przyjazny dla środowiska.
W świecie chemicznym wodór nazywany jest H2, co oznacza, że cząsteczka wodoru składa się z dwóch atomów wodoru. H2 jest gazem niewystępującym w przyrodzie. Cząsteczka H2 występuje we wszystkich rodzajach substancji, z których najbardziej znaną jest woda (H20). Wodór należy otrzymać poprzez oddzielenie cząsteczki wodoru np. od cząsteczki wody.
Produkcja wodoru w drodze elektrolizy jest zatem przyszłością.
Poniższy obrazek przedstawia model powszechnie używany na lekcjach chemii.
- Dodatnie i ujemne słupki akumulatora wiszą w wodzie;
- Po stronie anody dostajesz tlen;
- Po stronie katody dostajesz wodór.
Wodór wytwarzany z paliw kopalnych, na przykład metanu (CH4), jest w tym przypadku przekształcany w H2 i CO2 poprzez reforming. CO2 można oddzielać i składować pod ziemią, na przykład na pustym złożu gazu ziemnego. Dlatego też wykorzystanie gazu ziemnego w niewielkim stopniu lub w ogóle nie przyczynia się do emisji CO2 do atmosfery. Wodór można również wytwarzać z biomasy. Jeżeli uwolniony w tym procesie CO2 zostanie również oddzielony i składowany pod ziemią, możliwe jest nawet osiągnięcie ujemnej emisji CO2; usuwanie CO2 z atmosfery i magazynowanie tego CO2 na Ziemi.
Wodór, w przeciwieństwie do paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel, nie jest źródłem energii, ale nośnikiem energii. Oznacza to, że energię uwolnioną podczas wykorzystania wodoru, na przykład jako paliwa w samochodzie, należy najpierw wykorzystać. Do wytworzenia wodoru w procesie elektrolizy potrzebna jest energia elektryczna. Zrównoważony rozwój tego wodoru zależy zatem w dużej mierze od zrównoważonego charakteru wykorzystywanej energii elektrycznej.
Wodór jako paliwo do silnika Otto:
Silnik Otto to inna nazwa silnika benzynowego. Silnik benzynowy został wynaleziony w 1876 roku przez Nikolausa Otto. W tym przypadku nazywamy go silnikiem Otto, ponieważ benzynę zastępuje się innym paliwem, a mianowicie wodorem. W silniku, w którym wtryskiwany jest wodór, nie ma już zbiornika paliwa z benzyną.
Podczas spalania wodoru nie powstają gazy CO2, w przeciwieństwie do konwencjonalnych silników Otto i silników wysokoprężnych, a jedynie woda. Wtrysk wodoru poprzez wtrysk bezpośredni powoduje wzrost mocy o 15–17% w porównaniu z benzyną. Kiedy wodór wtryskiwany jest do zaworu wlotowego (wtrysk pośredni), następuje szybkie nagrzewanie poprzez powietrze. Powietrze jest również wypierane przez wodór. W obu przypadkach do komory spalania wpływa mniej tlenu (O2). W najgorszym przypadku utrata mocy sięga nawet 50%.
Stosunek powietrza do wodoru nie jest tak dokładny, jak na przykład mieszanka benzyny i powietrza. Kształt komory spalania nie ma zatem większego znaczenia.
Wodór można wstrzykiwać na dwa sposoby:
– Ciecz: Przy zasilaniu wodorem w postaci ciekłej temperatura spalania spadnie stosunkowo w wyniku parowania, w związku z czym powstanie mniej NOx.
– Gazowy: Jeżeli wodór jest przechowywany w zbiorniku w postaci ciekłej i przepływa do komory spalania w temperaturze otoczenia, należy zastosować parownik w celu przekształcenia wodoru ze stanu ciekłego w gazowy. W takim przypadku parownik jest podgrzewany przez płyn chłodzący silnik. Możliwe środki mające na celu redukcję NOx to: zastosowanie EGR, Wtrysk wody lub niższy Stopień sprężania.
Poniższy obrazek przedstawia cztery sytuacje z trzema różnymi wersjami wtrysku wodoru. Na drugim zdjęciu od lewej gazowy wodór wtryskiwany jest pośrednio do kolektora dolotowego. Gazowy wodór jest podgrzewany przez temperaturę otoczenia. Wodór zajmuje również miejsce, powodując dopływ mniejszej ilości tlenu do cylindra. Jest to sytuacja, w której następuje największa utrata mocy.
Na trzecim zdjęciu wodór jest dostarczany w postaci ciekłej. Kriogeniczny oznacza, że wodór został bardzo mocno schłodzony (metoda przechowywania dużych ilości wodoru w postaci ciekłej w stosunkowo małym zbiorniku). Ponieważ wodór ma niższą temperaturę i jest w stanie ciekłym, następuje lepsze napełnienie cylindra. Dzięki niskiej temperaturze osiągana jest sprawność niemal tak wysoka, jak w przypadku silnika z bezpośrednim wtryskiem (wodoru). Silnik z wtryskiem bezpośrednim widać na czwartym zdjęciu. Cała przestrzeń spalania wypełniona jest tlenem. Kiedy zawór dolotowy jest zamknięty, a tłok spręża powietrze, przez wtryskiwacz wtryskiwana jest pewna ilość wodoru. Świeca zapłonowa w tym silniku znajduje się za wtryskiwaczem lub obok niego (nie jest to pokazane na ilustracji).
Sprawność silnika Otto nie jest oczywiście 100%, ale na tym zdjęciu efektywność spalania wodoru porównana jest ze spalaniem benzyny.
Wodór ma wysoką gęstość energii na jednostkę masy (120 MJ/kg), co czyni go prawie trzy razy większym niż benzyna. Dobre właściwości zapłonowe wodoru umożliwiają pracę silnika na bardzo ubogiej mieszance, z wartością lambda od 4 do 5. Wadą stosowania ubogiej mieszanki jest mniejsza moc i gorsze właściwości jezdne. Aby to zrekompensować, często stosuje się doładowanie (turbo).
Ze względu na większą powierzchnię zapłonu w porównaniu do benzyny, ryzyko detonacji lub zapłonu wstecznego jest większe. Dlatego bardzo ważne jest, aby zapewnić dobrą kontrolę nad dopływem paliwa i zapłonem. Przy pełnym obciążeniu temperatura w komorze spalania może być bardzo wysoka. Często jest Wtrysk wody konieczne, aby zapewnić wystarczające chłodzenie, a tym samym zapobiec przedwczesnemu zapłonowi (w postaci detonacji lub strzału wstecznego).
Ogniwo paliwowe:
W poprzedniej części wyjaśniono, w jaki sposób wodór może służyć jako paliwo do silnika spalinowego. Innym zastosowaniem wodoru jest ogniwo paliwowe. Pojazd wyposażony w ogniwo paliwowe nie posiada silnika spalinowego, lecz jeden lub więcej silników elektrycznych. Energia elektryczna potrzebna do zasilania silników elektrycznych jest wytwarzana przez ogniwo paliwowe. Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, które przekształca energię chemiczną bezpośrednio w energię elektryczną, bez strat termicznych i mechanicznych. Konwersja energii w ogniwie paliwowym jest zatem bardzo wydajna. Ogniwo paliwowe zazwyczaj zasilane jest wodorem, ale można również zastosować paliwo takie jak metanol.
Ogniwo paliwowe można w zasadzie porównać do akumulatora, ponieważ oba wytwarzają energię elektryczną w procesie chemicznym. Różnica polega na tym, że energia zgromadzona w akumulatorze jest uwalniana jednorazowo. Energia z czasem się wyczerpie, dlatego akumulator należy naładować. Ogniwo paliwowe zapewnia ciągłą energię, o ile do ogniwa elektrochemicznego dostarczane są reagenty. Reagenty to substancje chemiczne, które reagują ze sobą w reakcji chemicznej.
W ogniwie paliwowym wodór i tlen przekształcają się w jony H+ i OH- (cząstki naładowane). Jony oddzielane są membraną w oddzielnych komorach ogniwa paliwowego. Ogniwo paliwowe zawiera dwie porowate elektrody węglowe, na które nałożony jest katalizator; dla wodoru (H) elektroda ujemna (anoda), a dla tlenu (O) elektroda dodatnia (katoda).
Jony H+ i OH- są doprowadzane do siebie poprzez elektrody (anodę i katodę), po czym jony + i – reagują ze sobą. Katoda katalizuje reakcję, podczas której elektrony i protony reagują z tlenem, tworząc produkt końcowy nr dwa, a mianowicie wodę. Jony H+ i OH- tworzą razem cząsteczkę H2O. Cząsteczka ta nie jest jonem, ponieważ jej ładunek elektryczny jest obojętny. Cząstka dodatnia i cząstka ujemna razem dają cząstkę neutralną.
Utlenianie wodoru (H) zachodzi na anodzie. Utlenianie to proces, w którym cząsteczka oddaje swoje elektrony. Anoda działa jak katalizator, rozkładając wodór na protony i elektrony.
Redukcja zachodzi na katodzie poprzez dodanie tlenu (O). Elektrony zamknięte przez anodę będą przemieszczać się do katody za pośrednictwem przewodu elektrycznego, który łączy elektrony na zewnątrz.
Nie przenosząc elektronów bezpośrednio, ale drogą zewnętrzną (przewodem prądowym), energia ta jest w dużej mierze uwalniana w postaci energii elektrycznej. Obwód zamykają jony w elektrolicie łączącym reduktor i utleniacz.
Cząstka pochłaniająca elektrony nazywana jest utleniaczem i w ten sposób ulega redukcji. Środek redukujący traci elektrony i ulega utlenieniu. Redukcja to proces, w którym cząstka pochłania elektrony. Utlenianie i redukcja zawsze idą w parze. Liczba elektronów uwolnionych i pochłoniętych jest zawsze taka sama.
Na biegunie ujemnym zachodzi następująca reakcja:
Na biegunie dodatnim zachodzi odmienna reakcja:
Poniższy obrazek przedstawia widok z dołu zestawu ogniw paliwowych Toyoty. Ten stos ogniw paliwowych znajduje się pod maską samochodu. Do tego stosu przymocowany jest silnik elektryczny. Silnik elektryczny dostarcza moc do przekładni, która jest połączona z wałami napędowymi w celu przeniesienia sił napędowych na koła.
Na górze stosu widać kilka rurek powietrznych. Obejmuje to między innymi pompę powietrza, która pompuje powietrze do ogniw paliwowych, w zależności od mocy wymaganej przez silnik elektryczny.
Ten stos ogniw paliwowych jest wyposażony w 370 ogniw paliwowych. Każde ogniwo paliwowe dostarcza napięcie 1 wolt, co oznacza, że do silnika elektrycznego można dostarczyć łącznie 370 woltów. Wszystkie ogniwa paliwowe znajdują się pod sobą. Czerwone kółko pokazuje powiększenie, na którym wyraźnie widać ułożenie ogniw paliwowych.
Zbiornik:
Chociaż wodór ma wysoką gęstość energii na jednostkę masy (120 MJ/kg), a zatem jest prawie trzy razy większa niż benzyna, gęstość energii na jednostkę objętości jest bardzo niska ze względu na niższą masę właściwą. W przypadku przechowywania oznacza to, że wodór musi być przechowywany pod ciśnieniem lub w postaci ciekłej, aby móc wykorzystać zbiornik magazynujący o rozsądnej objętości. Istnieją dwa warianty zastosowań w pojazdach:
- Magazynowanie gazów pod ciśnieniem 350 lub 700 barów; Przy ciśnieniu 350 barów objętość zbiornika pod względem zawartości energii jest 10-krotnie większa niż w przypadku benzyny.
- Magazynowanie cieczy w temperaturze -253 stopni (magazynowanie kriogeniczne), gdzie objętość zbiornika pod względem zawartości energii jest 4-krotnie większa niż w przypadku benzyny. Dzięki magazynowaniu w stanie gazowym wodór można przechowywać przez czas nieokreślony bez utraty paliwa i pogorszenia jakości. Z drugiej strony przechowywanie kriogeniczne powoduje powstawanie pary. Ponieważ ciśnienie w zbiorniku wzrasta w wyniku ogrzewania, wodór będzie uciekał przez ciśnieniowy zawór bezpieczeństwa; dopuszczalny jest wyciek na poziomie około dwóch procent dziennie. Alternatywne opcje przechowywania są wciąż na etapie badań.
Na zdjęciu poniżej przedstawiono dwa zbiorniki magazynujące pod samochodem. Są to zbiorniki magazynowe, w których wodór magazynowany jest w postaci gazowej pod ciśnieniem 700 barów. Zbiorniki te mają grubość ścianki około 40 milimetrów (4 centymetry), co czyni je odpornymi na wysokie ciśnienie.
Poniżej możesz jeszcze raz zobaczyć jak zamontowane są zbiorniki wodoru pod samochodem. Plastikowa rurka stanowi odpływ wody powstałej podczas konwersji w ogniwie paliwowym.
Tankowanie wodorem:
W chwili pisania tego artykułu w Holandii są tylko dwie stacje tankowania wodoru. Jedna z takich stacji benzynowych znajduje się w Rhoon (Holandia Południowa). Zdjęcia przedstawiają dysze napełniające używane do tankowania. Ciśnienie robocze napełniania wynosi 350 barów dla pojazdów użytkowych i 700 barów dla samochodów osobowych.
Króciec do napełniania w samochodzie znajduje się za zwykłą klapką wlewu paliwa. Do tego przyłącza napełniania podłączony jest pistolet napełniający. Po podłączeniu dyszy napełniającej połączenie zostanie zablokowane. Zbiornik samochodu będzie napełniany gazowym wodorem pod ciśnieniem 700 barów.
Zasięg i koszty wodoru
Jako przykład bierzemy Toyotę Mirai (rok modelowy 2021) i patrzymy na zasięg i dodatkowe koszty:
- Zasięg 650 km;
- Zużycie: 0,84 kg / 100 km;
- Cena paliwa za km: 0,09 do 13 centów;
- Podatek drogowy €0,-
W porównaniu do pojazdu z silnikiem diesla, samochód na ogniwa paliwowe nie jest tani. Choć koszty podatku drogowego odgrywają główną rolę, w 2021 r. liczba stacji benzynowych w Holandii będzie nadal niewielka. Poniżej porównanie kosztów na 100 km z aktualnymi cenami paliw:
BMW 320d (2012)
- Olej napędowy: 1,30 euro za litr;
- Zużycie: 5,8 l/100 km;
- Koszt 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Wodór: 10 euro za kg;
- Zużycie: 0,84 kg/100 km;
- Koszt 100 km: 8,40 €
Powiązane strony:
- Napęd elektryczny (Przegląd);
- Transformacja energetyczna.
