denekler:
- Hidrojen
- Hidrojen üretimi
- Otto motoru için yakıt olarak hidrojen
- Yakıt hücresi
- Depolama tankı
- Hidrojenin menzili ve maliyetleri
Hidrojen:
Hidrojen (İngilizce'de hidrojen olarak adlandırılır), araçlara güç sağlamak için bir enerji taşıyıcısı olarak kullanılabilir. Enerji taşıyıcısı, enerjinin önceden hidrojene konulduğu anlamına gelir. Bu durum, enerjinin bu maddelerin yakılarak işlenmesiyle elde edildiği petrol, doğalgaz ve kömür gibi (fosil) enerji kaynaklarının tam tersidir.
Bu nedenle hidrojen, benzinli motorlarda enerji taşıyıcısı olarak değil, yalnızca yanma odasını soğutmak için kullanılan su enjeksiyonundan tamamen farklı bir şeydir.
Amaç, hidrojenle “sıfır emisyona” ulaşmak; Kullanım sırasında zararlı gazlar çıkarmayan bir enerji şeklidir. Fosil yakıtlardan, hidrojen ve yakıt hücresinden oluşan elektrikli tahrik sistemine geçiş, bu kapsamın kapsamına girmektedir. enerji geçişi. Araçlara hidrojenle güç sağlamak iki farklı şekilde yapılabilir:
- Otto motoru için yakıt olarak hidrojenin kullanılması. Hidrojen benzin yakıtının yerini alır.
- Yakıt hücresinde hidrojen kullanarak elektrik enerjisi üretin. Bu elektrik enerjisini kullanan elektrik motoru, aracı tamamen elektriksel olarak hareket ettirecek.
Her iki teknik de bu sayfada açıklanmaktadır.
Hidrojen sürdürülebilir enerjiyle veya fosil yakıtlara dayalı olarak üretilebilir. İkincisini mümkün olduğu kadar engellemeye çalışıyoruz çünkü fosil yakıtlar gelecekte kıtlaşacak. Fosil yakıtların işlenmesi sırasında da CO2 üretilecektir.
Aşağıdaki sütunlar bir pilin, hidrojenin ve benzinin enerji içeriğini göstermektedir. Çok şey olduğunu görüyoruz
Pil:
- Enerji içeriği: 220Wh/kg, 360Wh/l
- Çok verimli
- Kısa depolama
- Doğrudan enerji salınımı mümkün
- Ulaşım karmaşık
Hidrojen (700 bar):
- Enerji içeriği: 125.000 kJ/kg, 34,72 kWh/kg
- %30 ısı, %70 H2 (PEM yakıt hücresi)
- Uzun süreli depolama mümkün
- Dönüşüm gerekli
- Taşıma dostu
Benzin:
- Enerji değeri: 43.000 kJ/kg, 11,94 kWh/kh
- %33'e kadar getiri
- Uzun süreli depolama mümkün
- Dönüşüm gerekli (yanma)
- Taşıma dostu
Hidrojen her yerde bulunur ama asla bedava değildir. Her zaman bağlıdır. Üreteceğiz, izole edeceğiz ve depolayacağız.
- 1 kg saf hidrojen (H2) gazı = atmosfer basıncında 11.200 litre
- H2 diğer moleküllerden daha küçüktür
- H2 diğer moleküllerden daha hafiftir
- H2 her zaman bağlantı arar
Bu sayfada, binek araçlarda hidrojenin üretimi ve uygulanmasının yanı sıra, depolanması ve taşınması da tartışılmaktadır (sayfanın alt kısmında).
Hidrojen üretimi:
Hidrojen doğal gaz gibi topraktan çıkarılmayan bir gazdır. Hidrojen üretilmelidir. Bu, diğer şeylerin yanı sıra, suyun hidrojen ve oksijene dönüştürüldüğü bir süreç olan elektroliz yoluyla gerçekleştirilir. Bu, yakıt hücresinde gerçekleşen reaksiyonun tam tersidir. Ayrıca hidrojen daha az çevre dostu işlemlerle de elde edilebilmektedir. Aşağıdaki veriler 2021 yılında hidrojenin nasıl üretilebileceğini gösteriyor.
- Kömür: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (sıcaklık: 1300C-1500C)
- Doğalgaz: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (gerekli sıcaklık: 700C-1100C)
- Yağ: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + çok fazla yan ürün
- Sudan elektroliz: 2H2O -> 2H2 + O2
Sudan elektroliz çok temizdir ve hidrojen üretiminin en çevre dostu şeklidir. Bu, CO2 açığa çıkaran fosil yakıtların işlenmesinden farklı olarak hidrojen ve oksijen açığa çıkarır.
- Suyun elektrolizi; Elektroliz, saf hidrojen ve oksijen oluşturmak için su moleküllerini bölen kimyasal bir reaksiyondur. Hidrojen, suyun ve elektriğin olduğu her yerde üretilebilir. Dezavantajı ise hidrojen üretmek ve daha sonra onu tekrar elektriğe dönüştürmek için elektriğe ihtiyaç duymanızdır. Bu işlem sırasında %50'ye varan kayıplar yaşanır. Avantajı enerjinin hidrojende depolanmasıdır.
- Fosil yakıtların dönüştürülmesi; Petrol ve gaz, karbon ve hidrojenden oluşan hidrokarbon molekülleri içerir. Hidrojen, yakıt işlemcisi adı verilen bir işlem kullanılarak karbondan ayrıştırılabilir. Dezavantajı ise karbonun karbondioksit olarak havaya karışmasıdır.
Fosil yakıtlardan elde edilen hidrojen üretimine gri hidrojen adı verilmektedir. Bu, NOx ve CO2'nin atmosfere salınmasına neden olur.
2020'den itibaren üretim giderek daha "mavi" hale gelecek: CO2 tutulacak.
Amaç, 2030 yılına kadar yalnızca yeşil hidrojen üretmektir: Yeşil elektrik ve su, üretilen en çevre dostu hidrojenin kaynaklarıdır.
Kimya dünyasında hidrojene H2 denir; bu, bir hidrojen molekülünün iki hidrojen atomundan oluştuğu anlamına gelir. H2 doğada bulunmayan bir gazdır. H2 molekülü her türlü maddede bulunur ve en iyi bilineni sudur (H20). Hidrojen, hidrojen molekülünün örneğin bir su molekülünden ayrılmasıyla elde edilmelidir.
Bu nedenle gelecek, elektroliz yoluyla hidrojen üretmektir.
Aşağıdaki resimde kimya derslerinde yaygın olarak kullanılan bir model gösterilmektedir.
- Bir pilin pozitif ve negatif çubukları suda asılı kalır;
- Anot tarafında oksijen alırsınız;
- Katot tarafında hidrojen elde edersiniz.
Fosil yakıtlardan üretilen hidrojen, örneğin Metan (CH4), bu durumda yeniden biçimlendirme yoluyla H2 ve CO2'ye dönüştürülür. CO2 ayrıştırılabilir ve yeraltında, örneğin boş bir doğal gaz sahasında depolanabilir. Bu nedenle doğal gaz kullanımının atmosfere CO2 emisyonuna çok az katkısı vardır veya hiç katkısı yoktur. Hidrojen biyokütleden de üretilebilir. Bu işlem sırasında açığa çıkan CO2'nin de ayrıştırılıp yer altında depolanması durumunda negatif CO2 emisyonu elde etmek bile mümkün; CO2'nin atmosferden uzaklaştırılması ve bu CO2'nin Dünya'da depolanması.
Hidrojen, petrol, doğalgaz ve kömür gibi fosil yakıtlardan farklı olarak bir enerji kaynağı değil, enerji taşıyıcısıdır. Bu, örneğin bir arabada yakıt olarak hidrojen kullanıldığında açığa çıkan enerjinin ilk önce kullanılması gerektiği anlamına gelir. Elektroliz yoluyla hidrojen üretmek için elektriğe ihtiyaç vardır. Bu hidrojenin sürdürülebilirliği büyük ölçüde kullanılan elektriğin sürdürülebilirliğine bağlıdır.
Otto motoru için yakıt olarak hidrojen:
Otto motoru, benzinli motorun diğer adıdır. Benzinli motor 1876 yılında Nikolaus Otto tarafından icat edilmiştir. Bu durumda buna Otto motoru diyoruz çünkü benzinin yerini başka bir yakıt, yani hidrojen alıyor. Hidrojenin enjekte edildiği bir motorda artık benzinli yakıt deposu yoktur.
Hidrojen yakıldığında, geleneksel Otto ve dizel motorların aksine CO2 gazı üretilmiyor, yalnızca su üretiliyor. Hidrojen direkt enjeksiyonla enjekte edildiğinde benzinli yakıta göre %15 ila 17 oranında güç artışı sağlanacak. Hidrojen giriş valfine enjekte edildiğinde (dolaylı enjeksiyon), hava yoluyla hızlı bir ısıtma gerçekleşir. Havanın yerini de hidrojen alır. Her iki durumda da yanma odasına daha az oksijen (O2) akar. En kötü durumda %50'ye varan güç kaybı yaşanır.
Hava ve hidrojen arasındaki oran, örneğin hava-benzin karışımı kadar kesin değildir. Bu nedenle yanma odasının şekli çok önemli değildir.
Hidrojen iki şekilde enjekte edilebilir:
– Sıvı: Sıvı hidrojen kaynağıyla, buharlaşma nedeniyle yanma sıcaklığı nispeten düşecek ve böylece daha az NOx oluşacaktır.
– Gaz halinde: Hidrojen tankta sıvı halde depolanıyorsa ve ortam sıcaklığında yanma odasına akıyorsa, hidrojeni sıvı halden gaz haline dönüştürmek için bir evaporatör kullanılmalıdır. Bu durumda evaporatör motor soğutucusu tarafından ısıtılır. NOx'in azaltılmasına yönelik olası önlemler şunlardır; uygulamak EGR, su enjeksiyonu veya daha düşük bir tane Sıkıştırma oranı.
Aşağıdaki resimde hidrojen enjeksiyonunun üç farklı versiyonuyla dört durum gösterilmektedir. Soldan ikinci görüntüde, gaz halindeki hidrojen dolaylı olarak emme manifolduna enjekte ediliyor. Gaz halindeki hidrojen ortam sıcaklığı ile ısıtılır. Hidrojen aynı zamanda yer kaplayarak silindire daha az oksijen girmesine neden olur. En fazla güç kaybının yaşandığı durum budur.
Üçüncü görselde hidrojen sıvı halde verilmektedir. Kriyojenik, hidrojenin çok fazla soğutulması anlamına gelir (nispeten küçük bir depolama tankında büyük miktarlarda hidrojenin sıvı halde depolanmasına yönelik bir yöntem). Hidrojenin sıcaklığı daha düşük ve sıvı halde olduğundan silindir dolumu daha iyi gerçekleşir. Düşük sıcaklık nedeniyle neredeyse doğrudan (hidrojen) enjeksiyonlu bir motor kadar yüksek bir verim elde edilir. Direkt enjeksiyonlu motor dördüncü resimde görülebilir. Yanma alanının tamamı oksijenle doludur. Emme valfi kapalıyken ve piston havayı sıkıştırırken enjektör aracılığıyla belli miktarda hidrojen enjekte edilir. Bu motordaki buji enjektörün arkasında veya yanındadır (bu resimde gösterilmemiştir).
Bir Otto motorunun verimliliği elbette %100 değildir ancak bu görselde hidrojenin yanma verimliliği, benzinin yanması ile karşılaştırılmıştır.
Hidrojenin birim kütle başına yüksek bir enerji yoğunluğu vardır (120MJ/kg), bu da onu benzinin neredeyse üç katı yapar. Hidrojenin iyi ateşleme özellikleri, motorun 4 ila 5 lambda değeriyle çok fakir çalışmasını mümkün kılar. Fakir karışım kullanmanın dezavantajı, gücün daha düşük olması ve sürüş özelliklerinin azalmasıdır. Bunu telafi etmek için sıklıkla süperşarj (turbo) kullanılır.
Benzin yakıtına kıyasla tutuşma alanının daha geniş olması nedeniyle patlama veya geri tepme riski daha fazladır. Bu nedenle yakıt beslemesinin ve ateşlemenin iyi kontrol edilmesi çok önemlidir. Tam yükte yanma odasındaki sıcaklık çok yüksek olabilir. Sık sık var su enjeksiyonu Yeterli soğutmayı sağlamak ve böylece erken ateşlemeyi (patlama veya geri tepme şeklinde) önlemek için gereklidir.
Yakıt hücresi:
Önceki bölümde hidrojenin yanmalı motor için nasıl yakıt görevi görebileceği açıklanmıştı. Hidrojenin başka bir uygulaması da yakıt hücresindedir. Yakıt hücresi ile donatılmış bir araçta yanmalı motor değil, bir veya daha fazla elektrik motoru bulunur. Elektrik motorlarını çalıştıracak elektrik enerjisi yakıt hücresi tarafından üretilir. Yakıt hücresi, kimyasal enerjiyi termal veya mekanik kayıplar olmadan doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elektrokimyasal bir cihazdır. Yakıt hücresindeki enerji dönüşümü bu nedenle çok verimlidir. Yakıt hücresi genellikle hidrojenle çalışır ancak metanol gibi bir yakıt da kullanılabilir.
Bir yakıt hücresi prensipte bir bataryaya benzetilebilir çünkü her ikisi de kimyasal bir süreçle elektrik üretir. Aradaki fark, pilde depolanan enerjinin bir kez serbest bırakılmasıdır. Enerji zamanla tükendiğinden pilin yeniden şarj edilmesi gerekir. Bir yakıt hücresi, reaktanlar elektrokimyasal hücreye sağlandığı sürece sürekli enerji sağlar. Reaktanlar, kimyasal reaksiyonda birbirleriyle reaksiyona giren kimyasal maddelerdir.
Bir yakıt hücresinde hidrojen ve oksijen, H+ ve OH- iyonlarına (yüklü parçacıklar) dönüştürülür. İyonlar, yakıt hücresinin ayrı odalarındaki bir zarla ayrılır. Yakıt hücresi, üzerine bir katalizörün uygulandığı iki gözenekli karbon elektrotu içerir; hidrojen (H) için negatif bir elektrot (anot) ve oksijen (O) için pozitif bir elektrot (katot).
H+ ve OH- iyonları elektrotlar (anot ve katot) aracılığıyla birbirlerine iletilir, ardından + ve – iyonları birbirleriyle reaksiyona girer. Katot, elektronların ve protonların oksijenle reaksiyona girerek son ürün ikiyi, yani suyu oluşturduğu reaksiyonu katalize eder. H+ ve OH- iyonları birlikte bir H2O molekülü oluşturur. Bu molekül iyon değildir çünkü elektrik yükü nötrdür. Artı parçacık ve eksi parçacık birlikte nötr bir parçacık verir.
Hidrojenin (H) oksidasyonu anotta gerçekleşir. Oksidasyon, bir molekülün elektronlarını bağışladığı süreçtir. Anot, hidrojeni protonlara ve elektronlara bölen bir katalizör görevi görür.
İndirgeme katotta oksijen (O) eklenerek gerçekleşir. Anot tarafından mühürlenen elektronlar, dışarıdaki elektronları birbirine bağlayan bir elektrik kablosu aracılığıyla katoda gidecektir.
Elektronları doğrudan değil, harici bir yolla (akım teli) aktararak, bu enerji büyük ölçüde elektrik enerjisi olarak açığa çıkar. Devre, redüktör ile oksitleyici arasındaki bağlayıcı elektrolitteki iyonlar tarafından kapatılır.
Elektronları emen parçacığa oksitleyici denir ve böylece indirgenir. İndirgeyici madde elektronlarını kaybeder ve oksitlenir. İndirgeme, bir parçacığın elektronları absorbe ettiği süreçtir. Oksidasyon ve redüksiyon her zaman birlikte gider. Serbest bırakılan ve emilen elektronların sayısı her zaman aynıdır.
Negatif kutupta aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir:
Pozitif kutupta farklı bir reaksiyon meydana gelir:
Aşağıdaki resim bir Toyota yakıt hücresi grubunun alttan görünümünü göstermektedir. Bu yakıt hücresi yığını arabanın kaputunun altında bulunur. Elektrik motoru bu yığına bağlanmıştır. Elektrik motoru, tahrik kuvvetlerini tekerleklere iletmek için tahrik millerine bağlı olan şanzımana güç sağlar.
Yığının üst kısmında birkaç hava tüpü görülebilir. Bu, diğer şeylerin yanı sıra, elektrik motorunun gerektirdiği güce bağlı olarak havayı yakıt hücrelerine pompalayan hava pompasını da içerir.
Bu yakıt hücresi yığını 370 yakıt hücresi ile donatılmıştır. Her yakıt hücresi 1 volt besliyor, böylece elektrik motoruna toplam 370 volt beslenebiliyor. Yakıt hücrelerinin tümü birbirinin altında bulunur. Kırmızı daire, yakıt hücrelerinin istiflenmesinin açıkça görülebildiği bir genişlemeyi göstermektedir.
Depolama tankı:
Hidrojenin birim kütle başına enerji yoğunluğu (120MJ/kg) olmasına ve dolayısıyla benzinin neredeyse üç katı olmasına rağmen, birim hacim başına enerji yoğunluğu, özgül kütlesinin düşük olması nedeniyle çok düşüktür. Depolama için bu, yönetilebilir bir hacme sahip bir depolama tankının kullanılabilmesi için hidrojenin basınç altında veya sıvı formda depolanması gerektiği anlamına gelir. Araç uygulamaları için iki değişken vardır:
- 350 veya 700 barda gaz depolama; 350 bar'da enerji içeriği açısından tank hacmi benzine göre 10 kat daha fazladır.
- Enerji içeriği açısından tank hacminin benzine göre 253 kat daha büyük olduğu -4 derece sıcaklıkta sıvı depolama (kriyojenik depolama). Gaz halinde depolamayla hidrojen, yakıt kaybı olmadan veya kaliteden ödün vermeden süresiz olarak depolanabilir. Kriyojenik depolama ise buhar oluşumuyla sonuçlanır. Isınma nedeniyle tanktaki basınç arttığından hidrojen, basınç tahliye vanasından kaçacaktır; Günde yaklaşık yüzde ikilik bir sızıntı kabul edilebilir. Alternatif depolama seçenekleri henüz araştırma aşamasındadır.
Aşağıdaki resimde arabanın altındaki iki depolama tankı gösterilmektedir. Hidrojenin 700 bar basınç altında gaz halinde depolandığı depolama tanklarıdır. Bu depolama tanklarının et kalınlığı yaklaşık 40 milimetre (4 santimetre) olup, yüksek basınca karşı dayanıklıdır.
Aşağıda hidrojen tanklarının arabanın altına nasıl monte edildiğini tekrar görebilirsiniz. Plastik boru, yakıt hücresindeki dönüşüm sırasında oluşan suyun tahliyesidir.
Hidrojenle yakıt ikmali:
Bu makalenin yazıldığı sırada Hollanda'da yalnızca iki hidrojen dolum istasyonu bulunuyordu. Bu benzin istasyonlarından biri Rhoon'da (Güney Hollanda). Resimler yakıt ikmali için kullanılan doldurma ağızlarını göstermektedir. Dolum için çalışma basıncı ticari araçlarda 350 bar, binek araçlarda ise 700 bardır.
Araçtaki doldurma bağlantısı normal yakıt kapağının arkasında bulunur. Doldurma tabancası bu doldurma bağlantısına bağlanır. Doldurma ağzını bağladıktan sonra bağlantı kilitlenecektir. Otomobilin depolama tankı 700 bar basınç altında gaz halindeki hidrojenle doldurulacak.
Hidrojenin menzili ve maliyetleri
Örnek olarak bir Toyota Mirai'yi (model yılı 2021) alıyoruz ve ürün yelpazesine ve ek maliyetlere bakıyoruz:
- 650 km menzil;
- Tüketim: 0,84 kg / 100 km;
- Km başına yakıt fiyatı: 0,09 ila 13 sent;
- Yol vergisi €0,-
Dizel motorlu bir araçla karşılaştırıldığında yakıt hücreli bir araba ucuz değildir. Yol vergisi maliyetleri önemli bir rol oynasa da Hollanda'daki benzin istasyonlarının sayısı 2021'de hala az. Aşağıda 100 km başına maliyetlerin güncel akaryakıt fiyatlarıyla karşılaştırması yer almaktadır:
BMW 320d (2012)
- Dizel: litre başına 1,30 €;
- Tüketim: 5,8 l/100 km;
- 100 km'nin maliyeti: 7,54 €.
Toyota Mirai'nin (2020):
- Hidrojen: kg başına 10 €;
- Tüketim: 0,84 kg/100 km;
- 100 km'nin maliyeti: 8,40 €
İlgili sayfalar:
- Elektrikli tahrik (Genel Bakış);
- Enerji geçişi.
