Предметы:
- Водород
- Производство водорода
- Водород как топливо для двигателя Отто
- Топливная ячейка
- Резервуар
- Ассортимент и стоимость водорода
Водород:
Водород (по-английски «водород») можно использовать в качестве энергоносителя для привода транспортных средств. Энергоноситель означает, что в водород уже заранее заложена энергия. В этом отличие от (ископаемых) источников энергии, таких как нефть, природный газ и уголь, где энергия получается путем переработки этих веществ путем их сжигания.
Таким образом, водород — это нечто совершенно отличное от впрыска воды, который используется не в качестве энергоносителя в бензиновых двигателях, а исключительно для охлаждения камеры сгорания.
Целью является достижение «нулевых выбросов» с помощью водорода; форма энергии, которая не выделяет вредных газов во время использования. Переход от ископаемого топлива к электродвижению в сочетании с водородом и топливным элементом подпадает под действие закона. энергетический переход. Заправка транспортных средств водородом может осуществляться двумя различными способами:
- Использование водорода в качестве топлива для двигателя Отто. Водород заменяет бензиновое топливо.
- Генерируйте электрическую энергию, используя водород в топливном элементе. Используя эту электрическую энергию, электродвигатель будет полностью электрически управлять автомобилем.
Оба метода описаны на этой странице.
Водород можно производить с помощью устойчивой энергетики или на основе ископаемого топлива. Мы стараемся максимально предотвратить последнее, поскольку в будущем ископаемое топливо станет дефицитным. CO2 также будет производиться при переработке ископаемого топлива.
В столбцах ниже показано энергосодержание аккумулятора, водорода и бензина. Мы видим, что есть много
Баттеридж:
- Энергетическая ценность: 220 Втч/кг, 360 Втч/л
- Очень эффективный
- Короткое хранение
- Возможен прямой выброс энергии
- Транспорт – это сложно
Водород (700 бар):
- Энергетическая ценность: 125.000 34,72 кДж/кг, XNUMX кВтч/кг.
- 30% тепла, 70% H2 (топливный элемент PEM)
- Возможно длительное хранение
- Необходимо преобразование
- Транспорт удобный
Бензин:
- Энергетическая ценность: 43.000 11,94 кДж/кг, XNUMX кВтч/кх.
- Возврат до 33%
- Возможно длительное хранение
- Необходимо преобразование (сжигание)
- Транспорт удобный
Водород встречается повсюду вокруг нас, но никогда в свободном виде. Оно всегда связано. Мы собираемся произвести его, изолировать и сохранить.
- 1 кг чистого водорода (H2) = 11.200 XNUMX литров при атмосферном давлении.
- H2 меньше любой другой молекулы
- H2 легче любой другой молекулы
- H2 всегда ищет связи
Помимо производства и применения водорода в легковых автомобилях, на этой странице также обсуждаются его хранение и транспортировка (внизу страницы).
Производство водорода:
Водород – это газ, который не добывается из-под земли, как природный газ. Водород надо производить. Это делается, среди прочего, посредством электролиза — процесса, в котором вода превращается в водород и кислород. Это реакция, обратная реакции, происходящей в топливном элементе. Кроме того, водород можно получать менее экологически чистыми способами. Данные ниже показывают, как можно будет производить водород в 2021 году.
- Уголь: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (температура: 1300C-1500C)
- Природный газ: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (требуемая температура: 700–1100 C)
- Масло: CxHyNzOaSb +…. -> CH2 + очень много побочных продуктов
- Электролиз воды: 2H2O -> 2H2 + O2.
Электролиз воды очень чист и является наиболее экологически чистой формой производства водорода. При этом выделяются водород и кислород, в отличие от переработки ископаемого топлива, при которой выделяется CO2.
- Электролиз воды; Электролиз — это химическая реакция, в ходе которой молекулы воды расщепляются с образованием чистого водорода и кислорода. Водород можно производить везде, где есть вода и электричество. Недостатком является то, что вам нужно электричество, чтобы произвести водород, а затем снова превратить его в электричество. При этом теряется до 50%. Преимущество в том, что энергия хранится в водороде.
- Преобразование ископаемого топлива; нефть и газ содержат молекулы углеводородов, состоящие из углерода и водорода. Водород можно отделить от углерода с помощью так называемого топливного процессора. Недостаток заключается в том, что углерод исчезает в воздухе в виде углекислого газа.
Производство водорода, полученное с использованием ископаемого топлива, называется серым водородом. При этом в атмосферу выбрасываются NOx и CO2.
С 2020 года производство станет все более «синим»: будет улавливаться CO2.
Цель состоит в том, чтобы к 2030 году производить исключительно экологически чистый водород: экологически чистая электроэнергия и вода являются источниками наиболее экологически чистого производимого водорода.
В химическом мире водород обозначается как H2, что означает, что молекула водорода состоит из двух атомов водорода. H2 – газ, не встречающийся в природе. Молекула H2 встречается во всех видах веществ, наиболее известной из которых является вода (H20). Водород необходимо получить путем отделения молекулы водорода, например, от молекулы воды.
Таким образом, будущее за производством водорода посредством электролиза.
На следующем изображении показана модель, обычно используемая на уроках химии.
- Положительные и отрицательные полоски аккумулятора висят в воде;
- На анодной стороне вы получаете кислород;
- На катодной стороне вы получаете водород.
Водород, полученный из ископаемого топлива, например метана (CH4), в этом случае преобразуется в H2 и CO2 посредством риформинга. CO2 можно отделить и хранить под землей, например, на пустом месторождении природного газа. Таким образом, использование природного газа практически не вносит вклад в выбросы CO2 в атмосферу. Водород также можно производить из биомассы. Если CO2, выделяющийся в ходе этого процесса, также отделяться и храниться под землей, можно даже добиться отрицательных выбросов CO2; удаление CO2 из атмосферы и хранение этого CO2 на Земле.
Водород, в отличие от ископаемого топлива, такого как нефть, природный газ и уголь, является не источником энергии, а энергоносителем. Это означает, что сначала необходимо заложить энергию, выделяющуюся при использовании водорода, например, в качестве топлива в автомобиле. Электричество необходимо для производства водорода посредством электролиза. Устойчивость этого водорода во многом зависит от устойчивости используемой электроэнергии.
Водород как топливо для двигателя Отто:
Двигатель Отто — другое название бензинового двигателя. Бензиновый двигатель был изобретен в 1876 году Николаусом Отто. В данном случае мы называем его двигателем Отто, поскольку бензин заменяется другим топливом, а именно водородом. В двигателе с впрыском водорода уже нет топливного бака с бензином.
При сжигании водорода не выделяются газы CO2, в отличие от обычных двигателей Отто и дизельных двигателей, а образуется только вода. Когда водород впрыскивается посредством прямого впрыска, мощность увеличивается на 15–17% по сравнению с бензиновым топливом. Когда водород впрыскивается во впускной клапан (непрямой впрыск), происходит быстрый нагрев за счет воздуха. Воздух также вытесняется водородом. В обоих случаях в камеру сгорания поступает меньше кислорода (O2). В худшем случае потери мощности достигают 50%.
Соотношение воздуха и водорода не такое точное, как, например, в смеси воздух-бензин. Поэтому форма камеры сгорания не имеет большого значения.
Водород можно впрыскивать двумя способами:
– Жидкость: при подаче жидкого водорода температура сгорания относительно снизится из-за испарения, поэтому образуется меньше NOx.
– Газообразный: если водород хранится в резервуаре в жидкой форме и поступает в камеру сгорания при температуре окружающей среды, необходимо использовать испаритель для перевода водорода из жидкого в газообразное состояние. В этом случае испаритель нагревается охлаждающей жидкостью двигателя. Возможные меры по снижению NOx: применение системы рециркуляции отработавших газов, закачка воды или нижний коэффициент сжатия.
На изображении ниже показаны четыре ситуации с тремя различными вариантами впрыска водорода. На втором изображении слева газообразный водород впрыскивается косвенно во впускной коллектор. Газообразный водород нагревается при температуре окружающей среды. Водород также занимает место, из-за чего в цилиндр поступает меньше кислорода. Это ситуация, когда происходит наибольшая потеря мощности.
На третьем изображении водород поставляется в жидком виде. Криогенный означает, что водород очень сильно охлажден (метод хранения больших количеств водорода в жидкой форме в относительно небольшом резервуаре для хранения). Поскольку температура водорода ниже и он находится в жидком состоянии, происходит лучшее заполнение цилиндра. За счет низкой температуры достигается почти такой же КПД, как у двигателя с непосредственным (водородным) впрыском. Двигатель с непосредственным впрыском можно увидеть на четвертом изображении. Все пространство сгорания заполнено кислородом. Когда впускной клапан закрыт и поршень сжимает воздух, через форсунку впрыскивается определенное количество водорода. Свеча зажигания в этом двигателе находится позади или рядом с форсункой (на изображении это не показано).
КПД двигателя Отто, конечно, не 100%, но на этом изображении эффективность сгорания водорода сравнивается с эффективностью сгорания бензина.
Водород имеет высокую плотность энергии на единицу массы (120 МДж/кг), что почти в три раза выше, чем у бензина. Хорошие воспламеняющие свойства водорода позволяют работать на очень бедной смеси, со значением лямбда от 4 до 5. Недостаток использования обедненной смеси заключается в том, что мощность будет ниже, а ходовые качества снизятся. Чтобы компенсировать это, часто используют наддув (турбо).
Из-за большей площади воспламенения по сравнению с бензиновым топливом риск детонации или обратного возгорания выше. Поэтому очень важно обеспечить хороший контроль подачи топлива и зажигания. При полной нагрузке температура в камере сгорания может быть очень высокой. Часто бывает закачка воды необходимо обеспечить достаточное охлаждение и тем самым предотвратить преждевременное возгорание (в виде детонации или обратного зажигания).
Топливная ячейка:
В предыдущем разделе объяснялось, как водород может служить топливом для двигателя внутреннего сгорания. Другое применение водорода – топливные элементы. Транспортное средство, оснащенное топливным элементом, не имеет двигателя внутреннего сгорания, а имеет один или несколько электродвигателей. Электрическая энергия для работы электродвигателей вырабатывается топливным элементом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, преобразующее химическую энергию непосредственно в электрическую, без тепловых или механических потерь. Таким образом, преобразование энергии в топливном элементе очень эффективно. Топливный элемент обычно работает на водороде, но также можно использовать такое топливо, как метанол.
Топливный элемент в принципе можно сравнить с батареей, поскольку оба они производят электричество посредством химического процесса. Разница в том, что запасенная в аккумуляторе энергия высвобождается один раз. Энергия со временем заканчивается, поэтому аккумулятор необходимо подзарядить. Топливный элемент обеспечивает непрерывную энергию, пока в электрохимический элемент подаются реагенты. Реагенты – это химические вещества, вступающие в химическую реакцию друг с другом.
В топливном элементе водород и кислород преобразуются в ионы H+ и OH- (заряженные частицы). Ионы разделяются мембраной в отдельных камерах топливного элемента. Топливный элемент содержит два пористых углеродных электрода, на которые нанесен катализатор; для водорода (H) отрицательный электрод (анод), а для кислорода (O) положительный электрод (катод).
Ионы H+ и OH- подводятся друг к другу через электроды (анод и катод), после чего ионы + и – вступают в реакцию друг с другом. Катод катализирует реакцию, в которой электроны и протоны реагируют с кислородом с образованием второго конечного продукта, а именно воды. Ионы H+ и OH- вместе образуют молекулу H2O. Эта молекула не является ионом, поскольку ее электрический заряд нейтральен. Плюсовая частица и минусовая частица вместе образуют нейтральную частицу.
Окисление водорода (H) происходит на аноде. Окисление – это процесс, при котором молекула отдает свои электроны. Анод действует как катализатор, расщепляя водород на протоны и электроны.
Восстановление происходит на катоде за счет добавления кислорода (О). Электроны, запечатанные анодом, пойдут к катоду по электрическому проводу, который соединяет электроны снаружи.
Поскольку электроны передаются не напрямую, а по внешнему пути (токовому проводу), эта энергия в основном высвобождается в виде электрической энергии. Цепь замыкается ионами в соединительном электролите между восстановителем и окислителем.
Частица, поглощающая электроны, называется окислителем и вследствие этого восстанавливается. Восстановитель теряет электроны и окисляется. Восстановление — это процесс, при котором частица поглощает электроны. Окисление и восстановление всегда идут рука об руку. Число высвобождаемых и поглощаемых электронов всегда одинаково.
На отрицательном полюсе протекает следующая реакция:
На положительном полюсе происходит другая реакция:
На изображении ниже показан вид снизу батареи топливных элементов Toyota. Этот блок топливных элементов расположен под капотом автомобиля. К этому стеку прикреплен электродвигатель. Электродвигатель подает мощность на трансмиссию, которая соединена с приводными валами для передачи движущей силы на колеса.
В верхней части стопки можно увидеть несколько воздушных трубок. Сюда входит, среди прочего, воздушный насос, который перекачивает воздух к топливным элементам в зависимости от мощности, необходимой электродвигателю.
Этот блок топливных элементов оснащен 370 топливными элементами. Каждый топливный элемент подает 1 вольт, поэтому на электродвигатель можно подать в общей сложности 370 вольт. Все топливные элементы расположены друг под другом. Красный кружок показывает увеличенное изображение, на котором хорошо видно расположение топливных элементов.
Резервуар:
Хотя водород имеет высокую плотность энергии на единицу массы (120 МДж/кг) и, следовательно, почти в три раза выше, чем у бензина, плотность энергии на единицу объема очень низка из-за его более низкой удельной массы. Для хранения это означает, что водород необходимо хранить под давлением или в жидкой форме, чтобы можно было использовать резервуар для хранения с управляемым объемом. Существует два варианта применения в автомобиле:
- Хранение газа при давлении 350 или 700 бар; При давлении 350 бар объем топливного бака с точки зрения энергоемкости в 10 раз больше, чем при использовании бензина.
- Хранение жидкости при температуре -253 градуса (криогенное хранение), где объем резервуара по энергоемкости в 4 раза больше, чем при бензине. При газообразном хранении водород можно хранить неограниченное время без потерь топлива или ухудшения качества. С другой стороны, криогенное хранение приводит к образованию пара. Поскольку давление в баке увеличивается из-за нагрева, водород будет выходить через клапан сброса давления; допустима утечка примерно в два процента в день. Альтернативные варианты хранения все еще находятся на стадии исследования.
На изображении ниже показаны два резервуара для хранения под автомобилем. Это резервуары-хранилища, в которых водород хранится в газообразном виде под давлением 700 бар. Эти резервуары для хранения имеют толщину стенок около 40 миллиметров (4 сантиметра), что делает их устойчивыми к высокому давлению.
Ниже вы можете еще раз увидеть, как монтируются баки с водородом под автомобилем. Пластиковая трубка служит для отвода воды, образующейся при преобразовании в топливном элементе.
Заправка водородом:
На момент написания этой статьи в Нидерландах было всего две водородные заправочные станции. Одна из таких заправок находится в Руне (Южная Голландия). На изображениях показаны заправочные форсунки, используемые для заправки. Рабочее давление заправки составляет 350 бар для коммерческого транспорта и 700 бар для легкового автомобиля.
Заправочный патрубок в автомобиле расположен за привычной лючкой топливного бака. К этому заправочному патрубку подсоединяется заправочный пистолет. После подключения заправочного патрубка соединение зафиксируется. Резервуар автомобиля будет заполнен газообразным водородом под давлением 700 бар.
Ассортимент и стоимость водорода
В качестве примера возьмем Toyota Mirai (2021 модельного года) и посмотрим на ассортимент и дополнительные расходы:
- Дальность полета 650 км;
- Расход: 0,84 кг/100 км;
- Стоимость топлива за км: от 0,09 до 13 центов;
- Дорожный налог €0,-
По сравнению с автомобилем с дизельным двигателем, автомобиль на топливных элементах стоит недешево. Хотя стоимость дорожного налога играет важную роль, в 2021 году количество заправочных станций в Нидерландах все еще будет недостаточным. Ниже приведено сравнение затрат на 100 км с текущими ценами на топливо:
БМВ 320д (2012)
- Дизельное топливо: 1,30 евро за литр;
- Расход: 5,8 л/100 км;
- Стоимость 100 км: 7,54 евро.
Тойота Мирай (2020):
- Водород: 10 евро за кг;
- Расход: 0,84 кг/100км;
- Стоимость 100 км: 8,40 евро.
Связанные страницы:
- Электропривод (Обзор);
- Энергетический переход.
