Mga Paksa:
- Hydrogen
- Produksyon ng hydrogen
- Hydrogen bilang gasolina para sa isang Otto engine
- Fuel cell
- Tangke ng imbakan
- Saklaw at gastos ng hydrogen
hydrogen:
Ang hydrogen (tinatawag na hydrogen sa Ingles) ay maaaring gamitin bilang isang carrier ng enerhiya sa pagpapaandar ng mga sasakyan. Ang carrier ng enerhiya ay nangangahulugan na ang enerhiya ay nailagay na sa hydrogen nang maaga. Kabaligtaran ito sa (fossil) na pinagmumulan ng enerhiya tulad ng langis, natural gas at karbon, kung saan nakukuha ang enerhiya sa pamamagitan ng pagproseso ng mga sangkap na ito sa pamamagitan ng pagsunog sa kanila.
Samakatuwid, ang hydrogen ay isang bagay na ganap na naiiba mula sa iniksyon ng tubig, na hindi ginagamit bilang isang carrier ng enerhiya sa mga makina ng petrolyo, ngunit pulos para palamig ang silid ng pagkasunog.
Ang layunin ay upang makamit ang "zero emissions" na may hydrogen; isang anyo ng enerhiya na hindi gumagawa ng mga mapaminsalang gas habang ginagamit. Ang paglipat mula sa fossil fuels sa electric propulsion kasama ng hydrogen at fuel cell ay nasa ilalim ng paglipat ng enerhiya. Ang pagpapagana ng mga sasakyan na may hydrogen ay maaaring gawin sa dalawang magkaibang paraan:
- Paggamit ng hydrogen bilang gasolina para sa Otto engine. Pinapalitan ng hydrogen ang gasolina ng gasolina.
- Bumuo ng elektrikal na enerhiya gamit ang hydrogen sa isang fuel cell. Gamit ang elektrikal na enerhiyang ito, ang de-koryenteng motor ay magtutulak sa sasakyan nang de-koryente.
Ang parehong mga diskarte ay inilarawan sa pahinang ito.
Ang hydrogen ay maaaring gawin gamit ang napapanatiling enerhiya o batay sa fossil fuels. Sinisikap naming pigilan ang huli hangga't maaari, dahil ang mga fossil fuel ay magiging mahirap sa hinaharap. Magagawa rin ang CO2 kapag nagpoproseso ng mga fossil fuel.
Ipinapakita ng mga column sa ibaba ang nilalaman ng enerhiya ng isang baterya, hydrogen at gasolina. Nakikita natin na marami
Baterya:
- Nilalaman ng enerhiya: 220Wh/kg, 360 Wh/l
- Napakahusay
- Maikling imbakan
- Posible ang direktang pagpapalabas ng enerhiya
- Ang transportasyon ay kumplikado
Hydrogen (700 bar):
- Nilalaman ng enerhiya: 125.000 kJ/kg, 34,72 kWh/kg
- 30% init, 70% H2 (PEM fuel cell)
- Posible ang mahabang imbakan
- Kinakailangan ang conversion
- Magiliw sa transportasyon
Petrol:
- Halaga ng enerhiya: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- Ibalik hanggang 33%
- Posible ang mahabang imbakan
- Kinakailangan ang conversion (pagsunog)
- Magiliw sa transportasyon
Ang hydrogen ay matatagpuan sa paligid natin, ngunit hindi kailanman libre. Ito ay palaging nakatali. Gagawin natin ito, ibubukod at iimbak.
- 1 kg ng purong hydrogen (H2) gas = 11.200 liters sa atmospheric pressure
- Ang H2 ay mas maliit kaysa sa anumang iba pang molekula
- Ang H2 ay mas magaan kaysa sa anumang iba pang molekula
- Ang H2 ay palaging naghahanap ng mga koneksyon
Bilang karagdagan sa paggawa at paggamit ng hydrogen sa mga pampasaherong sasakyan, tinatalakay din ng pahinang ito ang imbakan at transportasyon nito (sa ibaba ng pahina).
Produksyon ng hydrogen:
Ang hydrogen ay isang gas na hindi nakuha mula sa lupa, tulad ng natural na gas. Ang hydrogen ay dapat gawin. Ginagawa ito, bukod sa iba pang mga bagay, sa pamamagitan ng electrolysis, isang proseso kung saan ang tubig ay na-convert sa hydrogen at oxygen. Iyon ang kabaligtaran ng reaksyon na nagaganap sa isang fuel cell. Bilang karagdagan, ang hydrogen ay maaaring makuha sa pamamagitan ng hindi gaanong kapaligiran na mga proseso. Ipinapakita ng data sa ibaba kung paano magagawa ang hydrogen sa 2021.
- Coal: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (temp: 1300C-1500C)
- Natural gas: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (kinakailangang temp: 700C-1100C)
- Langis: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + napakaraming by-product
- Electrolysis mula sa tubig: 2H2O -> 2H2 + O2
Ang electrolysis mula sa tubig ay napakalinis at ito ang pinaka-friendly na anyo ng produksyon ng hydrogen. Naglalabas ito ng hydrogen at oxygen, hindi katulad ng pagproseso ng mga fossil fuel, na naglalabas ng CO2.
- Electrolysis ng tubig; Ang electrolysis ay isang kemikal na reaksyon na naghahati sa mga molekula ng tubig upang lumikha ng purong hydrogen at oxygen. Ang hydrogen ay maaaring gawin kahit saan may tubig at kuryente. Ang isang kawalan ay kailangan mo ng kuryente upang makagawa ng hydrogen at pagkatapos ay gawing kuryente muli. Hanggang 50% ang nawawala sa prosesong ito. Ang kalamangan ay ang enerhiya ay nakaimbak sa hydrogen.
- Pag-convert ng mga fossil fuel; ang langis at gas ay naglalaman ng mga molekulang hydrocarbon na binubuo ng carbon at hydrogen. Maaaring hatiin ang hydrogen mula sa carbon gamit ang tinatawag na fuel processor. Ang kawalan ay ang carbon ay nawawala sa hangin bilang carbon dioxide.
Ang produksyon ng hydrogen na nakuha gamit ang mga fossil fuel ay tinatawag na grey hydrogen. Naglalabas ito ng NOx at CO2 sa atmospera.
Mula 2020, ang produksyon ay magiging "asul": CO2 ay makukuha.
Ang layunin ay upang makagawa ng eksklusibong berdeng hydrogen sa 2030: ang berdeng kuryente at tubig ay ang mga pinagmumulan para sa pinaka-friendly na kapaligirang hydrogen na nabuo.
Sa mundo ng kemikal, ang hydrogen ay tinutukoy bilang H2, na nangangahulugan na ang isang molekula ng hydrogen ay binubuo ng dalawang atomo ng hydrogen. Ang H2 ay isang gas na hindi nangyayari sa kalikasan. Ang H2 molecule ay nangyayari sa lahat ng uri ng substance, ang pinakakilala ay tubig (H20). Ang hydrogen ay dapat makuha sa pamamagitan ng paghihiwalay ng molekula ng hydrogen mula sa, halimbawa, isang molekula ng tubig.
Ang paggawa ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis ay ang hinaharap.
Ang sumusunod na larawan ay nagpapakita ng isang modelong karaniwang ginagamit sa mga aralin sa kimika.
- Ang mga positibo at negatibong bar ng isang baterya ay nakabitin sa tubig;
- Sa gilid ng anode nakakakuha ka ng oxygen;
- Sa gilid ng katod nakakakuha ka ng hydrogen.
Ang hydrogen na ginawa mula sa fossil fuel, halimbawa Methane (CH4), ay sa kasong ito ay na-convert sa H2 at CO2 sa pamamagitan ng reforming. Ang CO2 ay maaaring paghiwalayin at itago sa ilalim ng lupa, halimbawa sa isang walang laman na natural gas field. Ang paggamit ng natural na gas samakatuwid ay gumagawa ng kaunti o walang kontribusyon sa mga emisyon ng CO2 sa atmospera. Ang hydrogen ay maaari ding gawin mula sa biomass. Kung ang CO2 na inilabas sa panahon ng prosesong ito ay pinaghihiwalay din at iniimbak sa ilalim ng lupa, posible pa ring makamit ang mga negatibong CO2 emissions; pag-alis ng CO2 sa atmospera at pag-iimbak nitong CO2 sa Earth.
Ang hydrogen, hindi tulad ng mga fossil fuel tulad ng langis, natural gas at karbon, ay hindi isang mapagkukunan ng enerhiya, ngunit isang carrier ng enerhiya. Nangangahulugan ito na ang enerhiya na inilabas kapag gumagamit ng hydrogen, halimbawa bilang gasolina sa isang kotse, ay dapat munang ilagay sa. Kinakailangan ang kuryente upang makagawa ng hydrogen sa pamamagitan ng electrolysis. Ang sustainability ng hydrogen na ito ay higit na nakadepende sa sustainability ng kuryenteng ginamit.
Hydrogen bilang gasolina para sa isang Otto engine:
Ang isang Otto engine ay isa pang pangalan para sa isang gasolina engine. Ang makina ng gasolina ay naimbento noong 1876 ni Nikolaus Otto. Sa kasong ito, tinatawag namin itong isang Otto engine, dahil ang gasolina ay pinalitan ng isa pang gasolina, katulad ng hydrogen. Sa isang makina kung saan ini-inject ang hydrogen, wala nang tangke ng gasolina na may petrolyo.
Kapag ang hydrogen ay sinunog, walang CO2 gas na nalilikha, hindi katulad ng ordinaryong Otto at diesel engine, ngunit tubig lamang. Kapag ang hydrogen ay na-injected sa pamamagitan ng direct injection, magkakaroon ng power increase na 15 hanggang 17% kumpara sa gasolina. Kapag ang hydrogen ay na-injected sa inlet valve (indirect injection), ang mabilis na pag-init ay nagaganap sa pamamagitan ng hangin. Ang hangin ay inilipat din ng hydrogen. Sa parehong mga kaso, mas kaunting oxygen (O2) ang dumadaloy sa combustion chamber. Sa pinakamasamang kaso, mayroong pagkawala ng kuryente na hanggang 50%.
Ang ratio sa pagitan ng hangin at hydrogen ay hindi kasing-tiyak ng, halimbawa, isang air-gasoline mixture. Samakatuwid, ang hugis ng silid ng pagkasunog ay hindi napakahalaga.
Ang hydrogen ay maaaring ma-injected sa dalawang paraan:
– Liquid: Sa isang likidong supply ng hydrogen, ang temperatura ng pagkasunog ay bababa nang medyo dahil sa pagsingaw, upang mas kaunting NOx ang nalilikha.
– Gaseous: Kung ang hydrogen ay naka-imbak sa likidong anyo sa tangke at ito ay dumadaloy sa combustion space sa ambient temperature, ang isang evaporator ay dapat gamitin upang i-convert ang hydrogen mula sa likido patungo sa gaseous na estado. Sa kasong iyon, ang evaporator ay pinainit ng engine coolant. Ang mga posibleng hakbang upang mabawasan ang NOx ay; nag-aaplay EGR, iniksyon ng tubig o mas mababa ratio ng compression.
Ang larawan sa ibaba ay nagpapakita ng apat na sitwasyon na may tatlong magkakaibang bersyon ng hydrogen injection. Sa pangalawang larawan mula sa kaliwa, ang gaseous hydrogen ay hindi direktang ini-inject sa intake manifold. Ang gaseous hydrogen ay pinainit ng ambient temperature. Ang hydrogen ay tumatagal din ng espasyo, na nagiging sanhi ng mas kaunting oxygen na dumadaloy sa silindro. Ito ang sitwasyon kung saan nangyayari ang pinakamaraming pagkawala ng kuryente.
Sa ikatlong larawan ang hydrogen ay ibinibigay sa likidong anyo. Ang cryogenic ay nangangahulugan na ang hydrogen ay pinalamig nang husto (isang paraan ng pag-iimbak ng malalaking dami ng hydrogen sa likidong anyo sa isang medyo maliit na tangke ng imbakan). Dahil ang temperatura ng hydrogen ay mas mababa at ito ay nasa isang likidong estado, ang mas mahusay na pagpuno ng silindro ay nagaganap. Dahil sa mababang temperatura, ang kahusayan ay nakakamit halos kasing taas ng isang makina na may direktang (hydrogen) na iniksyon. Ang direct injection engine ay makikita sa ikaapat na larawan. Ang buong espasyo ng pagkasunog ay puno ng oxygen. Kapag sarado ang intake valve at pinipiga ng piston ang hangin, isang tiyak na halaga ng hydrogen ang itinuturok sa pamamagitan ng injector. Ang spark plug sa makina na ito ay nasa likod o sa tabi ng injector (hindi ito ipinapakita sa larawan).
Ang kahusayan ng isang Otto engine ay siyempre hindi 100%, ngunit sa larawang ito ang mga kahusayan ng pagkasunog ng hydrogen ay inihambing sa pagkasunog ng gasolina.
Ang hydrogen ay may mataas na density ng enerhiya sa bawat yunit ng masa (120MJ/kg), na ginagawa itong halos tatlong beses na mas mataas kaysa sa gasolina. Ang mahusay na mga katangian ng pag-aapoy ng hydrogen ay ginagawang posible na patakbuhin ang makina nang napaka-lean, na may lambda na halaga na 4 hanggang 5. Ang kawalan ng paggamit ng lean mixture ay ang kapangyarihan ay magiging mas mababa at ang mga katangian ng pagmamaneho ay mababawasan. Upang mabayaran ito, madalas na ginagamit ang supercharging (isang turbo).
Dahil sa mas malaking ignition area kumpara sa gasolina, mas malaki ang panganib ng pagsabog o backfire. Samakatuwid napakahalaga na mayroong mahusay na kontrol sa supply ng gasolina at pag-aapoy. Sa buong pagkarga, ang temperatura sa silid ng pagkasunog ay maaaring maging napakataas. Meron madalas iniksyon ng tubig kinakailangan upang matiyak ang sapat na paglamig, at sa gayon din upang maiwasan ang napaaga na pag-aapoy (sa anyo ng pagsabog o isang backfire).
Fuel cell:
Ipinaliwanag ng nakaraang seksyon kung paano maaaring magsilbi ang hydrogen bilang gasolina para sa combustion engine. Ang isa pang aplikasyon ng hydrogen ay nasa fuel cell. Ang isang sasakyan na nilagyan ng fuel cell ay walang combustion engine ngunit isa o higit pang electric motors. Ang elektrikal na enerhiya upang patakbuhin ang mga de-koryenteng motor ay ginawa ng fuel cell. Ang fuel cell ay isang electrochemical device na direktang nagko-convert ng chemical energy sa electrical energy, nang walang thermal o mechanical loss. Ang conversion ng enerhiya sa fuel cell ay samakatuwid ay napakahusay. Ang fuel cell sa pangkalahatan ay tumatakbo sa hydrogen, ngunit ang isang gasolina tulad ng methanol ay maaari ding gamitin.
Ang fuel cell sa prinsipyo ay maihahambing sa isang baterya, dahil parehong gumagawa ng kuryente sa pamamagitan ng proseso ng kemikal. Ang pagkakaiba ay ang naka-imbak na enerhiya sa baterya ay inilabas nang isang beses. Nauubos ang enerhiya sa paglipas ng panahon, kaya kailangang ma-recharge ang baterya. Ang fuel cell ay nagbibigay ng tuluy-tuloy na enerhiya, hangga't ang mga reactant ay ibinibigay sa electrochemical cell. Ang mga reactant ay mga kemikal na sangkap na tumutugon sa isa't isa sa isang kemikal na reaksyon.
Sa isang fuel cell, ang hydrogen at oxygen ay na-convert sa H+ at OH- ions (charged particles). Ang mga ion ay pinaghihiwalay ng isang lamad sa magkahiwalay na mga silid ng fuel cell. Ang fuel cell ay naglalaman ng dalawang porous na carbon electrodes kung saan inilalapat ang isang katalista; para sa hydrogen (H) isang negatibong elektrod (anode) at para sa oxygen (O) isang positibong elektrod (cathode).
Ang mga H+ at OH- ions ay dinadala sa isa't isa sa pamamagitan ng mga electrodes (anode at cathode), pagkatapos nito ang + at - ions ay tumutugon sa isa't isa. Ang cathode ay nag-catalyze ng reaksyon kung saan ang mga electron at proton ay tumutugon sa oxygen upang bumuo ng dalawang produkto, katulad ng tubig. Ang H+ at OH- ions na magkasama ay bumubuo ng isang H2O molecule. Ang molekula na ito ay hindi isang ion dahil ang singil ng kuryente nito ay neutral. Ang plus particle at ang minus na particle na magkasama ay nagbibigay ng neutral na particle.
Ang oksihenasyon ng hydrogen (H) ay nagaganap sa anode. Ang oksihenasyon ay ang proseso kung saan ang isang molekula ay nag-donate ng mga electron nito. Ang anode ay gumaganap bilang isang katalista, na naghahati sa hydrogen sa mga proton at electron.
Ang pagbabawas ay nagaganap sa katod sa pamamagitan ng pagdaragdag ng oxygen (O). Ang mga electron, na tinatakan ng anode, ay maglalakbay patungo sa katod sa pamamagitan ng isang kawad na de-koryenteng nag-uugnay sa mga electron sa labas.
Sa pamamagitan ng hindi direktang paglilipat ng mga electron, ngunit sa pamamagitan ng panlabas na ruta (ang kasalukuyang kawad), ang enerhiya na ito ay higit na inilabas bilang elektrikal na enerhiya. Ang circuit ay sarado ng mga ions sa isang connecting electrolyte sa pagitan ng reducer at ng oxidizer.
Ang particle na sumisipsip ng mga electron ay tinatawag na oxidizer at sa gayon ay nababawasan. Ang ahente ng pagbabawas ay nawawalan ng mga electron at na-oxidized. Ang pagbabawas ay ang proseso kung saan ang isang particle ay sumisipsip ng mga electron. Ang oksihenasyon at pagbabawas ay laging magkasama. Ang bilang ng mga electron na inilabas at hinihigop ay palaging pareho.
Ang sumusunod na reaksyon ay nagaganap sa negatibong poste:
Ang ibang reaksyon ay nagaganap sa positibong poste:
Ipinapakita ng larawan sa ibaba ang ibabang view ng isang Toyota fuel cell stack. Ang fuel cell stack na ito ay matatagpuan sa ilalim ng hood ng kotse. Ang de-koryenteng motor ay nakakabit sa stack na ito. Ang de-koryenteng motor ay nagbibigay ng kapangyarihan sa transmisyon, na konektado sa mga drive shaft upang ipadala ang mga puwersa sa pagmamaneho sa mga gulong.
Maraming air tubes ang makikita sa tuktok ng stack. Kabilang dito, bukod sa iba pang mga bagay, ang air pump na nagbobomba ng hangin sa mga fuel cell, depende sa kapangyarihan na kinakailangan ng de-koryenteng motor.
Ang fuel cell stack na ito ay nilagyan ng 370 fuel cell. Ang bawat fuel cell ay nagsu-supply ng 1 volt, kaya may kabuuang 370 volts ang maaaring maibigay sa de-koryenteng motor. Ang mga fuel cell ay lahat ay matatagpuan sa ilalim ng bawat isa. Ang pulang bilog ay nagpapakita ng pagpapalaki, kung saan malinaw na makikita ang pagsasalansan ng mga fuel cell.
Tangke ng imbakan:
Bagama't ang hydrogen ay may mataas na density ng enerhiya bawat yunit ng masa (120MJ/kg) at samakatuwid ay halos tatlong beses na mas mataas kaysa sa gasolina, ang density ng enerhiya bawat yunit ng volume ay napakababa dahil sa mas mababang tiyak na masa nito. Para sa imbakan, nangangahulugan ito na ang hydrogen ay dapat na nakaimbak sa ilalim ng presyon o sa likidong anyo upang magamit ang isang tangke ng imbakan na may mapapamahalaang dami. Mayroong dalawang variant para sa mga application ng sasakyan:
- Gaseous na imbakan sa 350 o 700 bar; Sa 350 bar ang dami ng tangke sa mga tuntunin ng nilalaman ng enerhiya ay isang kadahilanan ng 10 na mas malaki kaysa sa gasolina.
- Ang imbakan ng likido sa temperatura na -253 degrees (cryogenic storage), kung saan ang dami ng tangke sa mga tuntunin ng nilalaman ng enerhiya ay isang kadahilanan na 4 na mas malaki kaysa sa gasolina. Sa may gas na imbakan, ang hydrogen ay maaaring maimbak nang walang katapusan nang walang pagkawala ng gasolina o kompromiso sa kalidad. Ang cryogenic storage, sa kabilang banda, ay nagreresulta sa pagbuo ng singaw. Dahil ang presyon sa tangke ay tumataas dahil sa pag-init, ang hydrogen ay lalabas sa pamamagitan ng pressure relief valve; ang pagtagas ng humigit-kumulang dalawang porsyento bawat araw ay katanggap-tanggap. Ang mga alternatibong opsyon sa pag-iimbak ay nasa yugto pa ng pananaliksik.
Ang larawan sa ibaba ay nagpapakita ng dalawang tangke ng imbakan sa ilalim ng kotse. Ito ay mga tangke ng imbakan kung saan ang hydrogen ay nakaimbak sa gas na anyo sa ilalim ng presyon na 700 bar. Ang mga tangke ng imbakan na ito ay may kapal ng pader na humigit-kumulang 40 milimetro (4 na sentimetro), na ginagawa itong lumalaban sa mataas na presyon.
Sa ibaba makikita mo muli kung paano naka-mount ang mga tangke ng hydrogen sa ilalim ng kotse. Ang plastic tube ay ang alisan ng tubig na nilikha sa panahon ng conversion sa fuel cell.
Paglalagay ng gasolina sa hydrogen:
Sa oras ng pagsulat ng artikulong ito, mayroon lamang dalawang istasyon ng pagpuno ng hydrogen sa Netherlands. Isa sa mga gasolinahan na ito ay nasa Rhoon (South Holland). Ang mga larawan ay nagpapakita ng pagpuno ng mga nozzle na ginagamit sa pag-refuel. Ang gumaganang presyon para sa pagpuno ay 350 bar para sa mga komersyal na sasakyan at 700 bar para sa mga pampasaherong sasakyan.
Ang koneksyon sa pagpuno sa kotse ay matatagpuan sa likod ng karaniwang flap ng gasolina. Ang pagpuno ng pistol ay konektado sa pagpuno na koneksyon. Pagkatapos ikonekta ang pagpuno ng nozzle, ang koneksyon ay magla-lock. Ang tangke ng imbakan ng kotse ay mapupuno ng gas na hydrogen sa ilalim ng presyon na 700 bar.
Saklaw at gastos ng hydrogen
Bilang halimbawa, kumuha kami ng Toyota Mirai (taon ng modelo 2021) at tinitingnan ang hanay at mga karagdagang gastos:
- Saklaw ng 650 km;
- Pagkonsumo: 0,84 kg / 100 km;
- Presyo ng gasolina bawat km: 0,09 hanggang 13 cents;
- Buwis sa kalsada €0,-
Kung ikukumpara sa isang sasakyan na may diesel engine, ang fuel cell car ay hindi mura. Bagama't ang mga gastos sa buwis sa kalsada ay may malaking papel, ang bilang ng mga istasyon ng gasolina sa Netherlands ay kakaunti pa rin sa 2021. Nasa ibaba ang isang paghahambing ng mga gastos sa bawat 100 km sa kasalukuyang mga presyo ng gasolina:
BMW 320d (2012)
- Diesel: €1,30 kada litro;
- Pagkonsumo: 5,8 l/100 km;
- Mga gastos sa 100 km: €7,54.
Toyota Mirai (2020):
- Hydrogen: €10 bawat kg;
- Pagkonsumo: 0,84 kg/100km;
- Mga gastos sa 100 km: €8,40
Mga kaugnay na pahina:
- Electric drive (Pangkalahatang-ideya);
- Paglipat ng enerhiya.
