Wasserstoff, der Kraftstoff der Zukunft?

Wasserstoff

Die Wasserstoffautos Sie wurden mit der Prominenz von Hybrid-, Gas- und Elektroautos auf den zweiten Platz verwiesen. Wasserstoff könnte jedoch der Kraftstoff der Zukunft sein, mit Vorteilen, die Elektrofahrzeugen in Bezug auf den Umweltschutz weit überlegen sind. Und es ist so, dass Elektroautos keine Emissionen haben, aber ihre Batterien aufgrund der Herstellung von Lithium und seiner Wiederverwertung und Abfallentsorgung eine ernsthafte Umweltherausforderung darstellen. Allerdings ist Wasserstoff die Gans, die die goldenen Eier legt, alles Vorteile...

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff

El Wasserstoff Es ist ein chemisches Element des Periodensystems, das sich dadurch auszeichnet, dass es das einfachste von allen ist, mit der Ordnungszahl 1. Es ist ein sehr leichtes Gas, es kann gespeichert werden und erzeugt selbst keine umweltschädlichen Emissionen. Mit diesen Eigenschaften ist es ein perfekter Kandidat für die Verwendung als Brennstoff. Darüber hinaus ist es auf der Erde sehr reichlich vorhanden und kann leicht durch chemische Prozesse hergestellt werden. Sogar erneuerbare Energien können zur Herstellung eines solchen Gases genutzt werden. Daher kann es auch eine Möglichkeit sein, erneuerbare Energie zu gewinnen.

Arten von Wasserstoff

Es gibt eine Farbnomenklatur, die Wasserstoff nach der Art seiner Gewinnung klassifiziert. Es ist wichtig, die zu kennen vorhandene Arten von Wasserstoffals:

  • Grauer Wasserstoff: Diese Art von Wasserstoff wird durch Reformieren fossiler Brennstoffe wie Erdgas gewonnen. Es ist derzeit der billigste Wasserstoff in der Herstellung, aber während der Produktion wird CO2 in die Atmosphäre emittiert, daher ist es kein sauberer Weg, es zu gewinnen. Es ist das billigste und am meisten produzierte heute.
  • blauer Wasserstoff: Es handelt sich um eine andere Art von Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, diesmal jedoch mit Techniken, die in der Lage sind, die während des Prozesses entstehenden CO2-Emissionen aufzufangen und zu speichern, sodass sie nicht in die Atmosphäre freigesetzt werden und somit weniger Umweltauswirkungen haben als grau. Natürlich werden die Emissionen bei seiner Herstellung nicht vollständig eliminiert, aber sie werden reduziert. Der Produktionspreis dieser Art von Wasserstoff liegt im mittleren Bereich.
  • Grüner Wasserstoff: Er ist der Beste der drei und es wird viel über ihn gesprochen werden. Dieser erneuerbare Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser gewonnen, sodass während des Prozesses keine Umweltverschmutzung entsteht. Darüber hinaus werden die Elektrolysesysteme mit erneuerbaren Energien wie Wind oder Sonne gespeist, sodass es sich um einen nachhaltigen und absolut sauberen Kraftstoff handelt. Es wird jedoch derzeit in kleineren Mengen als die beiden vorherigen hergestellt und ist am teuersten.

Die Herausforderung besteht darin, alle anderen Wasserstoffe durch grünen Wasserstoff zu ersetzen, und zwar auf diese Weise den richtigen Brennstoff bekommen.

Wie wird Wasserstoff gewonnen?

grüner Wasserstoff

Wasserstoff kann, wie wir im vorherigen Abschnitt gesehen haben, auf verschiedene Weise hergestellt werden. Aber unabhängig von der Energie, die in seinen Produktionsprozess gesteckt wird, schauen wir uns jetzt die an Möglichkeiten, wie dieses Gas gewonnen werden kann so reichlich:

  • Molekulare Transformation: Diese Technik wird durch eine Reihe chemischer Reaktionen erreicht, um Wasserstoff zu erhalten. Zu den am weitesten verbreiteten Techniken gehört die Verwendung von Erdgas, das aus Ölfeldern gewonnen wird. Hochtemperaturdampf wird verwendet, um den Kohlenstoff aus dem Wasserstoff zu dissoziieren, aus dem Erdgas hergestellt wird. So entsteht einerseits Diwasserstoff und andererseits Kohlendioxid.
  • Vergasung: ist ein Verfahren, das eine Vergasung mit Wasserdampf und reinem Sauerstoff aus Kohle oder Biomasse erreicht. In einem Reaktor wird Kohle oder Biomasse bei sehr hohen Temperaturen verbrannt. Bei dieser Verbrennung werden Gase freigesetzt, darunter das hochgiftige Kohlenmonoxid (CO) und andererseits Diwasserstoff.
  • Elektrolyse von Wasser: Es ist die beste der drei Methoden in Bezug auf Nachhaltigkeit und auch in Bezug auf Fülle, da der größte Teil der Erde aus Wasser besteht. Daher konnte es aus dem Wasser der Meere und Ozeane gewonnen werden. Dazu wird ein Wassertank verwendet, in den Elektroden eingeführt werden. Durch Anlegen eines kontinuierlichen elektrischen Stroms werden die Wassermoleküle (H2O) in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) getrennt. Wenn die Energiequelle für diesen Strom erneuerbare Energie wie Sonne oder Wind ist, wird dieser Wasserstoff als grün bezeichnet.

Wie funktioniert ein Wasserstoffmotor (Brennstoffzelle)?

Wasserstoffmotor

Wenn wir brauchen Wasserstoff in Energie umwandelnkann Wasserstoffgas in speziellen Tanks gespeichert werden, von wo es zu einer Brennstoffzelle geleitet wird. Dort wird es wieder mit dem Luftsauerstoff rekombiniert (wie in einem Verbrennungsmotor, wenn Luft in den Zylinder eintritt, um eine Verbrennung zu bewirken), wodurch eine energetische Reaktion entsteht und somit Energie gewonnen wird. Auf diese Weise werden keinerlei umweltschädliche Gase in die Atmosphäre emittiert, da der einzige Abfall, der von diesem Motortyp erzeugt wird, Wasser ist. Durch die Rekombination von Sauerstoff in der Luft mit Wasserstoff entstehen dabei H2O-Moleküle. Ein Wasser, das für andere Zwecke verwendet werden könnte, einschließlich der Regenerierung von Wasserstoff durch Elektrolyse.

Dank dieser Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in Ihrer Brennstoffzelle wird Strom zum Bewegen erzeugt Elektromotor und treiben das Fahrzeug an. Das heißt, Wasserstoffautos sind im Wesentlichen elektrisch, obwohl sie ihre Energie weder von einer Lithiumbatterie oder einem anderen umweltschädlichen Typ noch von einem Hybridmotor beziehen, der ebenfalls Emissionen verursacht. Einige Fahrzeuge dieses Typs können jedoch eine Batterie haben, um die Energie zu speichern, die nicht verbraucht wird, um sie zu einem anderen Zeitpunkt zu verwenden. Beispielsweise wird bei hohem Strombedarf die gesamte Energie aus der Brennstoffzelle verbraucht, bei niedrigem Strombedarf hingegen ein Teil an die Elektromotoren umgeleitet und ein Teil in der Batterie gespeichert.

Viele dieser Fahrzeuge haben auch eine regenerative Bremse, das heißt, elektrische Energie aus dem Bremsen zu sammeln und so dazu beizutragen, den Wasserstoffverbrauch zu senken und eine bessere Autonomie zu erreichen. Und wie ich bereits erwähnt habe, ist der einzige Abfall, der erzeugt wird, Wasser, das Sie durch Ihr Auspuffrohr ausstoßen.

Wie für Komponenten eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugshaben wir:

  • Leistungssteuereinheit: ist ein System, das die Leistungsabgabe in der Brennstoffzelle sowie das Laden der Batterien und die Nutzung dieser elektrischen Energie optimal steuert.
  • Elektromotor: Es kann eine oder mehrere geben. Dies ist normalerweise ein Permanentmagnet-Synchronmotor, der Strom aus der Brennstoffzelle oder Batterie in Strom umwandelt, um das Fahrzeug anzutreiben.
  • Brennstoffzellen-Spannungswandler: Ist das System in der Lage, die von der Wasserstoff-Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität anzupassen, um die angemessene Spannung für die Motoren zu erhalten.
  • Brennstoffzellengruppe: Es ist das eigentliche Herzstück des Systems, die Komponente, in der die chemische Energie aus der Versorgung mit Wasserstoff aus den Tanks und Sauerstoff aus der Luft in elektrische Energie umgewandelt wird.
  • Batterie: Die Batterie ist dafür zuständig, die von der Brennstoffzelle erzeugte und beim Abbremsen zurückgewonnene Energie zu speichern und die Leistung der Brennstoffzelle beim Beschleunigen in Fällen mit hohem Bedarf zu verstärken.
  • Hochdrucktanks: Wasserstoff muss sicher in Hochdrucktanks gespeichert werden. Dazu kommen Überdruckventile, eine Warnung bei Wasserstoffaustritt und ein dreischichtiger Aufbau: eine aus glasfaserverstärktem Polymer, ein Zwischenpolymer und die dritte aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Alles, um sehr hohen Drücken standzuhalten.

Brennstoffzellenbetrieb

Brennstoffzelle

Wir haben gesagt, dass die Brennstoffzelle, oder Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), ist für die Erzeugung elektrischer Energie aus der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft in der Atmosphäre verantwortlich. Nun, um diesen Strom zu erzeugen, werden elektrochemische Reaktionen verwendet. Brennstoffzellen verwenden eine Anode und eine Kathode auf jeder Seite des Elektrolyten. Beispielsweise wird der Anode Wasserstoff zugeführt und ein Katalysator wird verwendet, um positiv geladene Ionen zu erzeugen, die durch den Elektrolyten zur Kathode fließen. Währenddessen wird an der Kathode Luft in das System gesaugt und verbindet sich mit einem Katalysator, Wasserstoffionen und Elektronen, um Wärme und Wasser als Nebenprodukte zu erzeugen. Dadurch wird ein Strom induziert, der Strom erzeugt.

Erleben Sie das Fahren eines Wasserstofffahrzeugs

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In der Praxis ist beim Fahren eines Wasserstofffahrzeugs die Erfahrung ist fast identisch mit der eines batterieelektrischen Fahrzeugs. Es gibt jedoch einige geringfügige Unterschiede, von denen viele im Laufe der Zeit verfeinert werden, wenn die Technologie Fortschritte macht, wie sie es auch bei Elektroautos getan haben, die sich von den ersten vorgestellten Modellen bis zu den aktuellen stark verändert haben, obwohl sie es sind relativ jung. .

Die Herausforderung für Automobilingenieure besteht darin, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen arbeiten am besten mit konstanter Leistung. Jedoch erfordern die Leistungsanforderungen eines konventionellen Fahrzeugs, wenn es auf unterschiedlichen Straßen fährt, wie z. B. in der Stadt oder auf der Autobahn, Änderungen in der Leistungsabgabe. Etwas, an dem Ingenieure arbeiten, um die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen.

Zum Beispiel hat der Toyota Mirai einen 90 kW (120 PS) Nennleistung. Aber das reicht nicht für die Beschleunigung auf der Autobahn, also fügt Toyota (wie andere HFCV-Hersteller) eine Hochspannungsbatterie mit niedriger Kapazität hinzu, ähnlich wie sie in benzinelektrischen Hybridfahrzeugen verwendet wird, um diese zusätzliche Beschleunigung und Leistung zu erreichen wenn verlangt. Dies bedeutet auch nicht, dass nicht sehr leistungsstarke Autos mit Brennstoffzellen hergestellt werden können, tatsächlich ist der Supersportwagen Hyperion XP-1 ein Wasserstoffauto, das in etwa 0 Sekunden von 100 auf 2.6 km/h beschleunigen und Höchstgeschwindigkeiten von 356 erreichen kann XNUMX km/h.

Vor- und Nachteile von Wasserstoff als Kraftstoff

Vor- und Nachteile

Schließlich ist es wichtig, die hervorzuheben Vor-und Nachteile die Wasserstoff als Kraftstoff für Fahrzeuge verwenden muss:

Vorteil

Zwischen den Vorteil Aus der Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff haben wir:

  • Null Emissionen: Wasserstofffahrzeuge setzen nur Wasser als Nebenprodukt frei. Daher leisten Sie einen Beitrag für die Umwelt.
  • Schnelles Auftanken: Das Tanken dauert nur wenige Minuten, da Sie die Wasserstofftanks wie bei Diesel oder Benzin nur noch einmal befüllen müssen. Nichts mit elektrischen zu tun, die lange an der Steckdose hängen müssen, um ihren Akku vollständig aufzuladen. Hinzu kommt, dass die durchschnittlichen Kosten eines Elektroautos etwa 8.5 € pro 100 km betragen, ähnlich wie die Ausgaben für Kraftstoffe wie Diesel oder Benzin. Stattdessen könnte Wasserstoff billiger sein.
  • Erfüllt die EU-Ziele: Die von der EU gesetzten Ziele zur Reduzierung der Emissionen werden von Wasserstofffahrzeugen mehr als erfüllt. Im EU-Vorschlag für 2030 soll der Ausstoß von Schadstoffgasen um 35 % gesenkt werden, und das Wasserstoffauto emittiert 0.
  • Mindestwartung: Diese Elektromotoren benötigen nur minimale, einfache und kostengünstige Wartung und sind sehr zuverlässig. Daher müssen Sie in dieser Hinsicht nicht so viel investieren wie in ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.
  • Leise: Sie sind genauso leise wie elektrische und tragen daher nicht zur Lärmbelästigung bei, die in vielen Städten herrscht.
  • Mehr Autonomie: Wasserstoffautos haben eine größere Autonomie, etwas sehr Wichtiges. Während Elektrofahrzeuge Reichweiten von durchschnittlich 300 km bieten, können Wasserstofffahrzeuge mehr als das Doppelte erreichen. Sie könnten in naher Zukunft sogar eine Autonomie von mehr als 2000 km erreichen.
  • Null Emissionen: Mit der DGT-Zero-Emissions-Plakette können Sie in Städten parken, ohne einen Cent zu bezahlen, und haben so die gleichen Vorteile wie mit Elektroautos bei der Fahrt durch urbane Gebiete.
  • Hält extremen Temperaturen stand: Im Gegensatz zu 100 % Elektroautos können Wasserstoffautos bei extremeren Temperaturen betrieben werden. Es wird sich kaum in der Leistung des Fahrzeugs oder in seiner Autonomie bemerkbar machen, was bei Elektroautos passiert.

Nachteile

Wasserstofffahrzeuge haben natürlich auch seine Nachteile, wie alles. Die prominentesten sind:

  • Preis: Da es sich um eine nicht so ausgereifte Technologie handelt, haben Wasserstofffahrzeuge einen höheren Preis als herkömmliche Autos oder Elektroautos. Daher ist es ein Detail, das zu berücksichtigen ist. Langfristig spart man jedoch Kraftstoff und Werkstatt, da sie so zuverlässig sind. Darüber hinaus muss gesagt werden, dass diese Autos im Laufe der Zeit tendenziell im Preis sinken werden, da die Technologie zur Herstellung von Brennstoffzellen und auch für Wasserstofftanks immer ausgereifter wird, die sehr sicher sein müssen, um hohen Drücken standzuhalten und Lecks zu vermeiden bei Unfällen, die zu Explosionen führen können.
  • Wenige Punkte zum Auftanken: Da es sich bei der Antriebstechnik derzeit um eine Minderheit handelt, wie es beim Elektroauto der Fall ist, gibt es nicht viele Punkte zum Tanken. Das soll sich nach und nach ändern. In Spanien beispielsweise lassen sich die Standorte an einer Hand abzählen, da es in Sevilla, Albacete, Puertollano, Zaragoza, Huesca und Barbastro nur etwa 6 Punkte gibt. Andere Länder wie Deutschland verfügen bereits über mehr Fahrzeuge dieses Typs und haben das Ziel, bis zu 500 Tankstellen zu erreichen.
  • Wenig Modellvielfalt: Da es sich um eine nicht so weit verbreitete Technologie handelt, gibt es derzeit nur wenige Marken und Modelle zur Auswahl, obwohl sich dies im Laufe der Zeit ändern wird und die Hersteller sie in größerem Umfang produzieren. Darüber hinaus trägt das Fehlen von Tankstellen oder Wasserstoffnetzen nicht dazu bei, den Verkauf dieses Fahrzeugtyps zu fördern. Sie haben jedoch bereits großartige Wasserstoffautos wie den Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda Fuel Cell Clarity, Hyperion XP-1, BMW i Hydrogen NEXT usw.
  • nicht kompakt: Angesichts der Komplexität der Wasserstofftanks und der Brennstoffzelle haben diese Autos tendenziell größere Abmessungen. Wenn Sie also nach kleinen Versorgungsunternehmen suchen, können Sie dies vergessen. Zumindest für den Moment, bis ein höherer Verdichtungsgrad erreicht ist. Selbst in einigen Fällen ist der Kofferraum normalerweise nicht sehr geräumig, da andere mechanische Komponenten einen Teil seines Platzes einnehmen. In diesem Sinne ähneln sie elektrischen.
  • Gefährlich: Wasserstoff ist leicht flüchtig und entzündlich. Aus diesem Grund müssen Wasserstofftanks sehr widerstandsfähig und sicher sein, Stößen standhalten, mit zusätzlichen Sicherheitssystemen Lecks vermeiden und hohen Drücken standhalten. Alles, um Fahrer und andere Passagiere zu schützen. Daraus ergibt sich ein weiteres abgeleitetes Problem, nämlich dass die Brennstoffzelle und die Tanks aufgrund der Sicherheitsvorschriften in der Regel eine begrenztere Nutzungsdauer haben. Derzeit wird geschätzt, dass die Grenze eines Wasserstofftanks bei 15 Jahren liegt, dann müsste er durch einen neuen ersetzt werden. Was die Brennstoffzelle betrifft, schätzen einige Hersteller, dass sie ihre Leistung nach etwa 15 km Betrieb um 225.000 % reduzieren könnte, obwohl sie sich in dieser Hinsicht nach und nach verbessern.

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