Предмети:
- водень
- Виробництво водню
- Водень як паливо для двигуна Отто
- Паливний елемент
- Резервуар для зберігання
- Діапазон і вартість водню
водень:
Водень (англ. hydrogen) можна використовувати як енергоносій для транспортних засобів. Енергоносій означає, що енергія вже була вкладена у водень заздалегідь. Це на відміну від (викопних) джерел енергії, таких як нафта, природний газ і вугілля, де енергію отримують шляхом обробки цих речовин шляхом їх спалювання.
Таким чином, водень є чимось абсолютно відмінним від вприскування води, яка використовується не як енергоносій у бензинових двигунах, а виключно для охолодження камери згоряння.
Метою є досягнення «нульових викидів» за допомогою водню; вид енергії, який під час використання не виділяє шкідливих газів. Перехід від викопного палива до електричної тяги в поєднанні з воднем і паливним елементом підпадає під перехід енергії. Забезпечити транспортні засоби воднем можна двома різними способами:
- Використання водню як палива для двигуна Отто. Водень замінює бензинове паливо.
- Виробляйте електричну енергію за допомогою водню в паливних елементах. Використовуючи цю електричну енергію, електродвигун буде повністю рухати транспортний засіб.
Обидві техніки описані на цій сторінці.
Водень можна виробляти за допомогою сталої енергії або на основі викопного палива. Ми намагаємося запобігти останньому, наскільки це можливо, тому що викопне паливо стане дефіцитом у майбутньому. CO2 також буде вироблятися при переробці викопного палива.
У стовпцях нижче показано енергетичний вміст акумулятора, водню та бензину. Ми бачимо, що є багато
Батарея:
- Енергоємність: 220 Вт·год/кг, 360 Вт·год/л
- Дуже ефективний
- Коротке зберігання
- Можливе пряме виділення енергії
- Транспорт ускладнений
Водень (700 бар):
- Енергоємність: 125.000 34,72 кДж/кг, XNUMX кВт/год/кг
- 30% тепла, 70% H2 (паливний елемент PEM)
- Можливість тривалого зберігання
- Необхідне перетворення
- Зручний транспорт
Бензин:
- Енергетична цінність: 43.000 кДж/кг, 11,94 кВт/год
- Прибуток до 33%
- Можливість тривалого зберігання
- Необхідне перетворення (спалювання)
- Зручний транспорт
Водень зустрічається навколо нас, але ніколи не є вільним. Воно завжди прив'язане. Ми будемо його виробляти, ізолювати і зберігати.
- 1 кг чистого водню (H2) газу = 11.200 XNUMX літрів при атмосферному тиску
- H2 менша за будь-яку іншу молекулу
- H2 легша за будь-яку іншу молекулу
- H2 завжди шукає зв'язки
Окрім виробництва та застосування водню в легкових автомобілях, на цій сторінці також обговорюється його зберігання та транспортування (внизу сторінки).
Виробництво водню:
Водень — це газ, який не видобувають із землі, як природний газ. Водень повинен вироблятися. Це робиться, серед іншого, за допомогою електролізу, процесу, під час якого вода перетворюється на водень і кисень. Це реакція, зворотна тій, що відбувається в паливному елементі. Крім того, водень можна отримати за допомогою менш екологічних процесів. Дані нижче показують, як можна буде виробляти водень у 2021 році.
- Вугілля: C + H20 -> CO2 + H2 + Nox + SO2 + … (температура: 1300C-1500C)
- Природний газ: CH4 + H2O -> CO2 + 3H2 (необхідна температура: 700C-1100C)
- Масло: CxHyNzOaSb + …. -> cH2 + дуже багато побічних продуктів
- Електроліз з води: 2H2O -> 2H2 + O2
Електроліз з води дуже чистий і є найбільш екологічно чистим видом виробництва водню. При цьому виділяється водень і кисень, на відміну від переробки викопного палива, яка виділяє CO2.
- Електроліз води; Електроліз - це хімічна реакція, яка розщеплює молекули води з утворенням чистого водню та кисню. Водень можна виробляти будь-де, де є вода та електрика. Недоліком є те, що вам потрібна електрика, щоб отримати водень, а потім знову перетворити його на електрику. Під час цього процесу втрачається до 50%. Перевагою є те, що енергія зберігається у водні.
- Перетворення викопного палива; нафта і газ містять молекули вуглеводнів, що складаються з вуглецю та водню. Водень можна відокремити від вуглецю за допомогою так званого паливного процесора. Недоліком є те, що вуглець зникає в повітрі у вигляді вуглекислого газу.
Водень, отриманий за допомогою викопного палива, називається сірим воднем. Це вивільняє NOx і CO2 в атмосферу.
З 2020 року виробництво ставатиме все більш «блакитним»: CO2 буде вловлюватися.
Мета полягає в тому, щоб до 2030 року виробляти виключно екологічно чистий водень: екологічно чисті джерела водню є екологічно чистою електроенергією та водою.
У хімічному світі водень називають Н2, що означає, що молекула водню складається з двох атомів водню. H2 — газ, який не зустрічається в природі. Молекула H2 зустрічається у всіх видах речовин, найвідомішою з яких є вода (H20). Водень необхідно отримати шляхом відділення молекули водню від, наприклад, молекули води.
Таким чином, виробництво водню за допомогою електролізу – це майбутнє.
На наступному зображенні показано модель, яка зазвичай використовується на уроках хімії.
- Позитивні та негативні смужки батареї висять у воді;
- На стороні анода ви отримуєте кисень;
- На стороні катода ви отримуєте водень.
Водень, отриманий з викопного палива, наприклад метану (CH4), у цьому випадку перетворюється на H2 і CO2 за допомогою реформінгу. CO2 можна відокремити та зберігати під землею, наприклад, у порожньому родовищі природного газу. Таким чином, використання природного газу робить невеликий або зовсім не впливає на викиди CO2 в атмосферу. Водень також можна виробляти з біомаси. Якщо CO2, що виділяється під час цього процесу, також відокремлюється та зберігається під землею, можна навіть досягти негативних викидів CO2; видалення CO2 з атмосфери та зберігання цього CO2 на Землі.
Водень, на відміну від викопного палива, такого як нафта, природний газ і вугілля, є не джерелом енергії, а енергоносієм. Це означає, що енергія, що вивільняється при використанні водню, наприклад, як паливо в автомобілі, повинна спочатку бути використана. Для виробництва водню за допомогою електролізу потрібна електроенергія. Тоді стійкість цього водню значною мірою залежить від стійкості використовуваної електроенергії.
Водень як паливо для двигуна Отто:
Двигун Отто - інша назва бензинового двигуна. Бензиновий двигун був винайдений у 1876 році Ніколаусом Отто. У цьому випадку ми називаємо його двигуном Отто, оскільки бензин замінено іншим паливом, а саме воднем. У двигуні з уприскуванням водню більше немає паливного бака з бензином.
Під час спалювання водню не утворюються гази CO2, на відміну від звичайних двигунів Отто та дизельних двигунів, а лише вода. Коли впорскування водню здійснюється за допомогою прямого впорскування, потужність збільшиться на 15-17% порівняно з бензиновим паливом. Коли водень впорскується у впускний клапан (непряме впорскування), відбувається швидке нагрівання через повітря. Повітря також витісняється воднем. В обох випадках у камеру згоряння надходить менше кисню (O2). У гіршому випадку відбувається втрата потужності до 50%.
Співвідношення між повітрям і воднем не таке точне, як, наприклад, суміш повітря і бензину. Тому форма камери згоряння не має великого значення.
Водень можна вводити двома способами:
– Рідина: при подачі рідкого водню температура згоряння буде відносно знижуватися через випаровування, тому утворюватиметься менше NOx.
– Газоподібний: якщо водень зберігається в рідкому стані в резервуарі та надходить у камеру згоряння при температурі навколишнього середовища, необхідно використовувати випарник для перетворення водню з рідкого стану в газоподібний. У цьому випадку випарник нагрівається охолоджуючою рідиною двигуна. Можливі заходи щодо зменшення викидів NOx: застосування EGR, впорскування води або нижчий ступінь стиснення.
На зображенні нижче показано чотири ситуації з трьома різними версіями впорскування водню. На другому зображенні зліва газоподібний водень впорскується опосередковано у впускний колектор. Газоподібний водень нагрівається температурою навколишнього середовища. Водень також займає простір, через що в циліндр надходить менше кисню. Це ситуація, коли відбувається найбільша втрата потужності.
На третьому зображенні водень подається в рідкому вигляді. Кріогенний означає, що водень був дуже охолоджений (метод зберігання великої кількості водню в рідкому вигляді у відносно невеликому резервуарі для зберігання). Оскільки температура водню нижча і він знаходиться в рідкому стані, відбувається краще наповнення циліндра. Завдяки низькій температурі досягається ефективність, майже така ж висока, як у двигуна з прямим (водневим) уприскуванням. Двигун із прямим уприскуванням можна побачити на четвертому зображенні. Весь простір горіння заповнюється киснем. Коли впускний клапан закритий і поршень стискає повітря, певна кількість водню впорскується через інжектор. Свічка запалювання на цьому двигуні знаходиться позаду або поруч з інжектором (це не показано на зображенні).
ККД двигуна Отто, звичайно, не 100%, але на цьому зображенні ефективність згоряння водню порівнюється зі згорянням бензину.
Водень має високу щільність енергії на одиницю маси (120 МДж/кг), що робить її майже втричі вищою, ніж у бензину. Хороші властивості запалювання водню дозволяють працювати з дуже бідним двигуном, зі значенням лямбда від 4 до 5. Недоліком використання бідної суміші є те, що потужність буде нижчою, а ходові характеристики будуть знижені. Щоб компенсувати це, часто використовується наддув (турбо).
Завдяки більшій площі займання порівняно з бензиновим паливом ризик детонації або зворотного вогню є більшим. Тому дуже важливо, щоб був хороший контроль над подачею палива та запалюванням. При повному навантаженні температура в камері згоряння може стати дуже високою. Є часто впорскування води необхідні для забезпечення достатнього охолодження і запобігання передчасного займання (у вигляді детонації або зворотного вогню).
Паливний елемент:
У попередньому розділі було пояснено, як водень може служити паливом для двигуна внутрішнього згоряння. Ще одне застосування водню — у паливних елементах. Транспортний засіб, обладнаний паливними елементами, має не двигун внутрішнього згоряння, а один або кілька електродвигунів. Електроенергію для роботи електродвигунів виробляє паливний елемент. Паливний елемент - це електрохімічний пристрій, який перетворює хімічну енергію безпосередньо в електричну без теплових або механічних втрат. Тому перетворення енергії в паливному елементі є дуже ефективним. Паливний елемент зазвичай працює на водні, але також можна використовувати таке паливо, як метанол.
Паливний елемент в принципі можна порівняти з акумулятором, оскільки обидва виробляють електроенергію за допомогою хімічного процесу. Різниця полягає в тому, що накопичена в акумуляторі енергія вивільняється один раз. Енергія з часом закінчується, тому батарею потрібно зарядити. Паливний елемент забезпечує безперервну енергію, поки реагенти подаються в електрохімічний елемент. Реагенти - це хімічні речовини, які взаємодіють між собою в хімічній реакції.
У паливному елементі водень і кисень перетворюються на іони H+ і OH- (заряджені частинки). Іони розділені мембраною в окремих камерах паливного елемента. Паливний елемент містить два пористі вугільні електроди, на які нанесено каталізатор; для водню (H) негативний електрод (анод), а для кисню (O) позитивний електрод (катод).
Іони H+ і OH- підводяться один до одного через електроди (анод і катод), після чого іони + і – реагують один з одним. Катод каталізує реакцію, в якій електрони та протони реагують з киснем, утворюючи кінцевий продукт два, а саме воду. Іони H+ і OH- разом утворюють молекулу H2O. Ця молекула не є іоном, оскільки її електричний заряд нейтральний. Плюсова та мінусова частинки разом дають нейтральну частинку.
На аноді відбувається окислення водню (Н). Окислення - це процес, під час якого молекула віддає свої електрони. Анод діє як каталізатор, розщеплюючи водень на протони та електрони.
Відновлення відбувається на катоді шляхом додавання кисню (O). Електрони, закриті анодом, рухатимуться до катода через електричний дріт, який з’єднує електрони зовні.
Завдяки передачі електронів не безпосередньо, а через зовнішній шлях (провід струму), ця енергія значною мірою виділяється як електрична енергія. Контур замикається іонами в сполучному електроліті між відновником і окислювачем.
Частинка, яка поглинає електрони, називається окислювачем і, таким чином, відновлюється. Відновник втрачає електрони і окислюється. Відновлення - це процес, за якого частинка поглинає електрони. Окислення і відновлення завжди йдуть разом. Кількість вивільнених і поглинених електронів завжди однакова.
На негативному полюсі відбувається така реакція:
На позитивному полюсі відбувається інша реакція:
На зображенні нижче показано вид знизу бака паливних елементів Toyota. Цей блок паливних елементів розташований під капотом автомобіля. До цього стека кріпиться електродвигун. Електродвигун подає потужність на трансмісію, яка з'єднана з приводними валами для передачі рушійних сил на колеса.
У верхній частині стопки можна побачити кілька повітряних трубок. Це включає, серед іншого, повітряний насос, який перекачує повітря до паливних елементів залежно від потужності, необхідної електродвигуну.
Ця система паливних елементів оснащена 370 паливними елементами. Кожна паливна комірка постачає 1 вольт, тому в цілому до електродвигуна можна подати 370 вольт. Всі паливні елементи розташовані один під одним. Червоне коло показує збільшення, де чітко видно розташування паливних елементів.
Резервуар для зберігання:
Хоча водень має високу щільність енергії на одиницю маси (120 МДж/кг) і, отже, майже втричі більшу, ніж у бензину, щільність енергії на одиницю об’єму дуже низька через його меншу питому масу. Для зберігання це означає, що водень повинен зберігатися під тиском або в рідкій формі, щоб мати можливість використовувати резервуар для зберігання з керованим об’ємом. Є два варіанти застосування транспортних засобів:
- Зберігання газу при 350 або 700 бар; При 350 бар об’єм бака з точки зору вмісту енергії в 10 разів більший, ніж у бензину.
- Зберігання рідини при температурі -253 градуси (кріогенне зберігання), де об'єм резервуара з точки зору вмісту енергії в 4 рази більший, ніж у бензину. За допомогою газоподібного зберігання водень можна зберігати необмежений час без втрати палива чи компромісу щодо якості. З іншого боку, кріогенне зберігання призводить до утворення пари. Оскільки внаслідок нагрівання тиск у баку зростає, водень буде виходити через запобіжний клапан; витік приблизно двох відсотків на день є прийнятним. Альтернативні варіанти зберігання поки що на стадії дослідження.
На зображенні нижче показано два накопичувальні баки під автомобілем. Це резервуари для зберігання, де водень зберігається в газоподібному вигляді під тиском 700 бар. Ці резервуари для зберігання мають товщину стінок приблизно 40 міліметрів (4 сантиметри), що робить їх стійкими до високого тиску.
Нижче ви знову можете побачити, як під автомобілем встановлені водневі баки. Пластикова трубка - це дренаж води, що утворюється під час перетворення в паливному елементі.
Заправка воднем:
На момент написання цієї статті в Нідерландах є лише дві водневі заправні станції. Одна з таких заправок знаходиться в Рооні (Південна Голландія). На зображеннях показано заправні форсунки, які використовуються для заправки. Робочий тиск для заповнення становить 350 бар для комерційних автомобілів і 700 бар для легкових автомобілів.
Заправний патрубок в автомобілі розташований за звичайною паливною кришкою. Заправний пістолет підключений до цього заправного патрубка. Після підключення наливної форсунки з’єднання зафіксується. Резервуар автомобіля буде заповнений газоподібним воднем під тиском 700 бар.
Діапазон і вартість водню
Для прикладу беремо Toyota Mirai (2021 року випуску) і дивимося на запас ходу та додаткові витрати:
- Запас ходу 650 км;
- Витрата: 0,84 кг / 100 км;
- Ціна пального за км: 0,09-13 центів;
- Дорожній податок €0,-
У порівнянні з транспортним засобом з дизельним двигуном автомобіль на паливних елементах коштує недешево. Хоча витрати на дорожній податок відіграють важливу роль, у 2021 році кількість автозаправних станцій у Нідерландах все ще невелика. Нижче наведено порівняння витрат на 100 км з поточними цінами на пальне:
BMW 320d (2012)
- Дизельне паливо: 1,30 євро за літр;
- Витрата: 5,8 л/100 км;
- Вартість 100 км: 7,54 євро.
Toyota Mirai (2020):
- Водень: 10 євро за кг;
- Витрата: 0,84 кг/100 км;
- Вартість 100 км: 8,40 євро
Пов'язані сторінки:
- Електричний привід (Огляд);
- Перехід енергії.
