Subiecte:
- Hidrogen
- Producția de hidrogen
- Hidrogenul ca combustibil pentru un motor Otto
- Celule de combustibil
- Rezervor de stocare
- Gama și costurile hidrogenului
Hidrogen:
Hidrogenul (numit hidrogen în engleză) poate fi folosit ca purtător de energie pentru alimentarea vehiculelor. Purtătorul de energie înseamnă că energia a fost deja introdusă în hidrogen în avans. Acest lucru este în contrast cu sursele de energie (fosile) precum petrolul, gazele naturale și cărbunele, unde energia este obținută prin prelucrarea acestor substanțe prin arderea lor.
Prin urmare, hidrogenul este ceva complet diferit de injecția cu apă, care nu este folosită ca purtător de energie în motoarele pe benzină, ci doar pentru răcirea camerei de ardere.
Scopul este de a obține „zero emisii” cu hidrogen; o formă de energie care nu produce gaze nocive în timpul utilizării. Tranziția de la combustibilii fosili la propulsia electrică în combinație cu hidrogen și o pilă de combustibil se încadrează în tranziția energetică. Alimentarea vehiculelor cu hidrogen se poate face în două moduri diferite:
- Folosind hidrogen ca combustibil pentru motorul Otto. Hidrogenul înlocuiește benzina.
- Generați energie electrică folosind hidrogen într-o pilă de combustie. Folosind această energie electrică, motorul electric va conduce vehiculul complet electric.
Ambele tehnici sunt descrise pe această pagină.
Hidrogenul poate fi produs cu energie durabilă sau pe bază de combustibili fosili. Încercăm să-l prevenim pe cel din urmă pe cât posibil, pentru că combustibilii fosili vor deveni rare în viitor. CO2 va fi produs și la procesarea combustibililor fosili.
Coloanele de mai jos arată conținutul de energie al unei baterii, hidrogen și benzină. Vedem că sunt multe
Baterii:
- Conținut de energie: 220Wh/kg, 360 Wh/l
- Foarte eficient
- Depozitare scurtă
- Posibilă eliberare directă de energie
- Transportul este complicat
Hidrogen (700 bar):
- Conținut energetic: 125.000 kJ/kg, 34,72 kWh/kg
- 30% căldură, 70% H2 (pilă de combustibil PEM)
- Este posibilă depozitarea îndelungată
- Conversie necesară
- Transport prietenos
Benzină:
- Valoare energetică: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- Rentabilitate până la 33%
- Este posibilă depozitarea îndelungată
- Conversie necesară (combustie)
- Transport prietenos
Hidrogenul se găsește peste tot în jurul nostru, dar niciodată gratuit. Este întotdeauna legat. O vom produce, o izola și o vom stoca.
- 1 kg de hidrogen pur (H2) gaz = 11.200 litri la presiunea atmosferică
- H2 este mai mic decât orice altă moleculă
- H2 este mai ușor decât orice altă moleculă
- H2 caută mereu conexiuni
Pe lângă producția și aplicarea hidrogenului în mașinile de pasageri, această pagină discută și despre stocarea și transportul acestuia (în josul paginii).
Producția de hidrogen:
Hidrogenul este un gaz care nu este extras din pământ, precum gazul natural. Trebuie produs hidrogen. Acest lucru se realizează, printre altele, prin electroliză, proces în care apa este transformată în hidrogen și oxigen. Aceasta este inversul reacției care are loc într-o celulă de combustibil. În plus, hidrogenul poate fi obținut prin procese mai puțin prietenoase cu mediul. Datele de mai jos arată cum poate fi produs hidrogenul în 2021.
- Cărbune: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (temperatura: 1300C-1500C)
- Gaze naturale: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (temperatură necesară: 700C-1100C)
- Ulei: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + foarte multe produse secundare
- Electroliza din apa: 2H2O -> 2H2 + O2
Electroliza din apă este foarte curată și este cea mai ecologică formă de producere a hidrogenului. Aceasta eliberează hidrogen și oxigen, spre deosebire de procesarea combustibililor fosili, care eliberează CO2.
- Electroliza apei; Electroliza este o reacție chimică care împarte moleculele de apă pentru a crea hidrogen și oxigen pur. Hidrogenul se poate produce oriunde există apă și electricitate. Un dezavantaj este că ai nevoie de electricitate pentru a face hidrogen și apoi a-l transforma din nou în electricitate. Până la 50% se pierde în timpul acestui proces. Avantajul este că energia este stocată în hidrogen.
- Transformarea combustibililor fosili; petrolul și gazul conțin molecule de hidrocarburi formate din carbon și hidrogen. Hidrogenul poate fi separat din carbon folosind un așa-numit procesor de combustibil. Dezavantajul este că carbonul dispare în aer sub formă de dioxid de carbon.
Producția de hidrogen obținută cu combustibili fosili se numește hidrogen gri. Aceasta eliberează NOx și CO2 în atmosferă.
Din 2020 încoace, producția va deveni din ce în ce mai „albăstruie”: CO2 va fi captat.
Scopul este de a produce exclusiv hidrogen verde până în 2030: electricitatea verde și apa sunt sursele pentru cel mai ecologic generat de hidrogen.
În lumea chimică, hidrogenul este denumit H2, ceea ce înseamnă că o moleculă de hidrogen este formată din doi atomi de hidrogen. H2 este un gaz care nu apare în natură. Molecula de H2 apare in tot felul de substante, cea mai cunoscuta fiind apa (H20). Hidrogenul trebuie obținut prin separarea moleculei de hidrogen de, de exemplu, o moleculă de apă.
Producerea hidrogenului prin electroliză este, prin urmare, viitorul.
Următoarea imagine prezintă un model folosit în mod obișnuit în lecțiile de chimie.
- Barele pozitive și negative ale unei baterii atârnă în apă;
- Pe partea anodului primești oxigen;
- Pe partea catodului obțineți hidrogen.
Hidrogenul produs din combustibili fosili, de exemplu metanul (CH4), este în acest caz transformat în H2 și CO2 prin reformare. CO2 poate fi separat și stocat în subteran, de exemplu într-un zăcământ gol de gaze naturale. Prin urmare, utilizarea gazelor naturale contribuie puțin sau deloc la emisiile de CO2 în atmosferă. Hidrogenul poate fi produs și din biomasă. Dacă CO2 eliberat în timpul acestui proces este, de asemenea, separat și stocat în subteran, este chiar posibil să se obțină emisii negative de CO2; eliminarea CO2 din atmosferă și stocarea acestui CO2 pe Pământ.
Hidrogenul, spre deosebire de combustibilii fosili precum petrolul, gazele naturale și cărbunele, nu este o sursă de energie, ci un purtător de energie. Aceasta înseamnă că energia eliberată la utilizarea hidrogenului, de exemplu ca combustibil într-o mașină, trebuie mai întâi introdusă. Electricitatea este necesară pentru a produce hidrogen prin electroliză. Durabilitatea acestui hidrogen depinde apoi în mare măsură de durabilitatea energiei electrice utilizate.
Hidrogenul ca combustibil pentru un motor Otto:
Un motor Otto este un alt nume pentru un motor pe benzină. Motorul pe benzină a fost inventat în 1876 de Nikolaus Otto. În acest caz îl numim motor Otto, deoarece benzina este înlocuită cu un alt combustibil, și anume hidrogen. Într-un motor în care se injectează hidrogen, nu mai există rezervor de combustibil cu benzină.
Când hidrogenul este ars, nu se produc gaze CO2, spre deosebire de motoarele convenționale Otto și diesel, ci doar apă. Când hidrogenul este injectat prin injecție directă, va exista o creștere a puterii de 15 până la 17% în comparație cu combustibilul pe benzină. Când hidrogenul este injectat în supapa de admisie (injecție indirectă), are loc încălzirea rapidă prin aer. Aerul este de asemenea deplasat de hidrogen. În ambele cazuri, mai puțin oxigen (O2) curge în camera de ardere. În cel mai rău caz, există o pierdere de putere de până la 50%.
Raportul dintre aer și hidrogen nu este la fel de precis ca, de exemplu, un amestec aer-benzină. Prin urmare, forma camerei de ardere nu este de mare importanță.
Hidrogenul poate fi injectat în două moduri:
– Lichid: Cu o alimentare lichidă cu hidrogen, temperatura de ardere va scădea relativ din cauza evaporării, astfel încât se creează mai puțin NOx.
– Gazos: Dacă hidrogenul este stocat sub formă lichidă în rezervor și curge în spațiul de ardere la temperatura ambiantă, trebuie utilizat un evaporator pentru a transforma hidrogenul din stare lichidă în stare gazoasă. În acest caz, evaporatorul este încălzit de lichidul de răcire al motorului. Măsurile posibile de reducere a NOx sunt; punerea în aplicare EGR, injecție cu apă sau unul inferior rata compresiei.
Imaginea de mai jos prezintă patru situații cu trei versiuni diferite de injecție de hidrogen. În a doua imagine din stânga, hidrogenul gazos este injectat indirect în galeria de admisie. Hidrogenul gazos este încălzit de temperatura ambiantă. De asemenea, hidrogenul ocupă spațiu, ceea ce face ca mai puțin oxigen să curgă în cilindru. Aceasta este situația în care are loc cea mai mare pierdere de putere.
În cea de-a treia imagine, hidrogenul este furnizat sub formă lichidă. Criogenic înseamnă că hidrogenul a fost răcit foarte puternic (o metodă de stocare a unor cantități mari de hidrogen sub formă lichidă într-un rezervor de stocare relativ mic). Deoarece temperatura hidrogenului este mai scăzută și este în stare lichidă, are loc o umplere mai bună a cilindrului. Datorită temperaturii scăzute, se obține o eficiență aproape la fel de mare ca un motor cu injecție directă (hidrogen). Motorul cu injecție directă poate fi văzut în a patra imagine. Întregul spațiu de ardere este umplut cu oxigen. Când supapa de admisie este închisă și pistonul comprimă aerul, o anumită cantitate de hidrogen este injectată prin injector. Bujia de la acest motor este în spatele sau lângă injector (acest lucru nu este prezentat în imagine).
Eficiența unui motor Otto nu este desigur 100%, dar în această imagine eficiența arderii hidrogenului este comparată cu arderea benzinei.
Hidrogenul are o densitate mare de energie pe unitate de masă (120 MJ/kg), ceea ce îl face de aproape trei ori mai mare decât benzina. Proprietățile bune de aprindere ale hidrogenului fac posibilă funcționarea motorului foarte slab, cu o valoare lambda de 4 până la 5. Dezavantajul utilizării unui amestec sărac este că puterea va fi mai mică, iar caracteristicile de conducere vor fi reduse. Pentru a compensa acest lucru, supraalimentarea este adesea folosită (un turbo).
Datorită suprafeței de aprindere mai mare în comparație cu combustibilul pe benzină, riscul de detonare sau de întoarcere este mai mare. Prin urmare, este foarte important să existe un control bun al alimentării cu combustibil și al aprinderii. La sarcină maximă, temperatura din camera de ardere poate deveni foarte ridicată. Există adesea injecție cu apă necesar pentru a asigura o răcire suficientă și astfel a preveni aprinderea prematură (sub formă de detonare sau de un foc invers).
Celule de combustibil:
Secțiunea anterioară a explicat cum hidrogenul poate servi drept combustibil pentru motorul cu ardere. O altă aplicație a hidrogenului este în celula de combustibil. Un vehicul echipat cu o celulă de combustie nu are un motor cu ardere, ci unul sau mai multe motoare electrice. Energia electrică pentru acţionarea motoarelor electrice este produsă de celula de combustie. O pilă de combustie este un dispozitiv electrochimic care transformă energia chimică direct în energie electrică, fără pierderi termice sau mecanice. Prin urmare, conversia energiei în celula de combustibil este foarte eficientă. Celula de combustie funcționează în general pe hidrogen, dar poate fi folosit și un combustibil precum metanolul.
O celulă de combustie poate fi, în principiu, comparată cu o baterie, deoarece ambele produc energie electrică printr-un proces chimic. Diferența este că energia stocată în baterie este eliberată o dată. Energia se epuizează în timp, așa că bateria trebuie reîncărcată. O celulă de combustibil furnizează energie continuă, atâta timp cât reactanții sunt furnizați celulei electrochimice. Reactanții sunt substanțe chimice care reacționează între ele într-o reacție chimică.
Într-o pilă de combustie, hidrogenul și oxigenul sunt transformate în ioni H+ și OH- (particule încărcate). Ionii sunt separați de o membrană în camere separate ale celulei de combustie. Pila de combustie conține doi electrozi de carbon poros pe care se aplică un catalizator; pentru hidrogen (H) un electrod negativ (anod) iar pentru oxigen (O) un electrod pozitiv (catod).
Ionii H+ și OH- sunt conduși unul către celălalt prin intermediul electrozilor (anod și catod), după care ionii + și – reacționează între ei. Catodul catalizează reacția în care electronii și protonii reacționează cu oxigenul pentru a forma produsul final doi, și anume apa. Ionii H+ și OH- formează împreună o moleculă de H2O. Această moleculă nu este un ion deoarece sarcina sa electrică este neutră. Particula plus și particula minus împreună dau o particulă neutră.
La anod are loc oxidarea hidrogenului (H). Oxidarea este procesul prin care o moleculă își donează electronii. Anodul acționează ca un catalizator, împărțind hidrogenul în protoni și electroni.
Reducerea are loc la catod prin adăugarea de oxigen (O). Electronii, etanșați de anod, vor călători către catod printr-un fir electric care conectează electronii în exterior.
Prin transferul nu direct de electroni, ci printr-o cale externă (firul de curent), această energie este eliberată în mare măsură ca energie electrică. Circuitul este închis de ioni într-un electrolit de legătură între reductor și oxidant.
Particula care absoarbe electroni se numește oxidant și este astfel redusă. Agentul reducător pierde electroni și se oxidează. O reducere este procesul prin care o particulă absoarbe electroni. Oxidarea și reducerea merg întotdeauna împreună. Numărul de electroni eliberați și absorbiți este întotdeauna același.
La polul negativ are loc următoarea reacție:
La polul pozitiv are loc o reacție diferită:
Imaginea de mai jos arată vedere de jos a unei stive de celule de combustibil Toyota. Această stivă de celule de combustibil este situată sub capota mașinii. Motorul electric este atașat la această stivă. Motorul electric furnizează puterea transmisiei, care este conectată la arborii de antrenare pentru a transmite forțele de antrenare către roți.
Mai multe tuburi de aer pot fi văzute în partea de sus a stivei. Aceasta include, printre altele, pompa de aer care pompează aerul către celulele de combustie, în funcție de puterea cerută de motorul electric.
Această stivă de celule de combustibil este echipată cu 370 de celule de combustibil. Fiecare celulă de combustibil furnizează 1 volt, astfel încât motorul electric poate fi alimentat cu un total de 370 de volți. Pilele de combustibil sunt toate situate una sub cealaltă. Cercul roșu arată o mărire, unde stivuirea celulelor de combustibil poate fi văzută clar.
Rezervor de stocare:
Deși hidrogenul are o densitate mare de energie pe unitatea de masă (120MJ/kg) și, prin urmare, este de aproape trei ori mai mare decât benzina, densitatea de energie pe unitatea de volum este foarte scăzută datorită masei sale specifice mai mici. Pentru depozitare, aceasta înseamnă că hidrogenul trebuie depozitat sub presiune sau sub formă lichidă pentru a putea folosi un rezervor de stocare cu un volum gestionabil. Există două variante pentru aplicații pentru vehicule:
- Stocare gazoasă la 350 sau 700 bar; La 350 bar volumul rezervorului din punct de vedere al conținutului de energie este cu 10 mai mare decât la benzină.
- Depozitarea lichidului la o temperatură de -253 de grade (depozitare criogenică), unde volumul rezervorului din punct de vedere al conținutului de energie este cu un factor de 4 mai mare decât la benzină. Cu stocarea gazoasă, hidrogenul poate fi stocat pe termen nelimitat fără pierderi de combustibil sau fără compromisuri asupra calității. Depozitarea criogenică, pe de altă parte, are ca rezultat formarea de vapori. Deoarece presiunea din rezervor crește din cauza încălzirii, hidrogenul va scăpa prin supapa de limitare a presiunii; o scurgere de aproximativ două procente pe zi este acceptabilă. Opțiunile alternative de stocare sunt încă în stadiul de cercetare.
Imaginea de mai jos prezintă două rezervoare de depozitare sub mașină. Acestea sunt rezervoare de stocare în care hidrogenul este stocat sub formă gazoasă la o presiune de 700 bar. Aceste rezervoare de stocare au o grosime a peretelui de aproximativ 40 de milimetri (4 centimetri), făcându-le rezistente la presiune ridicată.
Mai jos puteți vedea din nou cum sunt montate rezervoarele de hidrogen sub mașină. Tubul de plastic este scurgerea apei creată în timpul conversiei în celula de combustibil.
Alimentarea cu hidrogen:
La momentul scrierii acestui articol, în Olanda există doar două stații de alimentare cu hidrogen. Una dintre aceste benzinării se află în Rhoon (Olanda de Sud). Imaginile arată duzele de umplere folosite la realimentare. Presiunea de lucru pentru umplere este de 350 bar pentru vehiculele utilitare și 700 bar pentru autoturisme.
Conexiunea de umplere a mașinii este situată în spatele clapei obișnuite de combustibil. Pistolul de umplere este conectat la acest racord de umplere. După conectarea duzei de umplere, conexiunea se va bloca. Rezervorul de stocare al mașinii va fi umplut cu hidrogen gazos sub o presiune de 700 bar.
Gama și costurile hidrogenului
Ca exemplu, luăm o Toyota Mirai (an model 2021) și ne uităm la gama și costurile suplimentare:
- Raza de actiune de 650 km;
- Consum: 0,84 kg / 100 km;
- Prețul combustibilului pe km: 0,09 până la 13 cenți;
- Taxa rutiera €0,-
În comparație cu un vehicul cu motor diesel, o mașină cu pile de combustibil nu este ieftină. Deși costurile taxei rutiere joacă un rol major, numărul de benzinării din Țările de Jos este încă limitat în 2021. Mai jos este o comparație a costurilor la 100 km cu prețurile actuale ale combustibilului:
BMW 320d (2012)
- Diesel: 1,30 € pe litru;
- Consum: 5,8 l/100 km;
- Costă 100 km: 7,54 €.
Toyota Mirai (2020):
- Hidrogen: 10 €/kg;
- Consum: 0,84 kg/100km;
- Costă 100 km: 8,40 €
Pagini înrudite:
- Acționare electrică (Prezentare generală);
- Tranziția energetică.
