Wodór paliwem przyszłości?

L samochody wodorowe Zostały one zdegradowane na drugie miejsce z wyeksponowanymi samochodami hybrydowymi, gazowymi i elektrycznymi. Jednak wodór może być paliwem przyszłości, którego zalety znacznie przewyższają pojazdy elektryczne pod względem poszanowania środowiska. Chodzi o to, że samochody elektryczne nie emitują żadnych zanieczyszczeń, ale ich akumulatory stanowią poważne wyzwanie dla środowiska ze względu na produkcję litu oraz jego recykling i gospodarkę odpadami. Jednak wodór to gęś znosząca złote jajka, wszystkie są zaletami...

Co to jest wodór?

El wodór Jest to pierwiastek chemiczny układu okresowego pierwiastków, który charakteryzuje się tym, że jest najprostszy ze wszystkich, ma liczbę atomową 1. Jest to gaz bardzo lekki, można go przechowywać i sam nie generuje zanieczyszczeń. Dzięki tym właściwościom jest idealnym kandydatem do wykorzystania jako paliwo. Ponadto występuje bardzo obficie na ziemi i można go łatwo wytworzyć w procesach chemicznych. Energia odnawialna może być nawet wykorzystana do produkcji tego rodzaju gazu. Dlatego też może być sposobem na pozyskanie energii odnawialnej.

rodzaje wodoru

Istnieje nazewnictwo kolorów, które klasyfikuje wodór według sposobu, w jaki został uzyskany. Ważne jest, aby wiedzieć, istniejące rodzaje wodoru, jako:

• Szary wodór: Ten rodzaj wodoru jest uzyskiwany przez reformowanie paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny. Jest to obecnie najtańszy wodór do wyprodukowania, ale podczas produkcji do atmosfery emitowany jest CO2, więc nie jest to czysty sposób jego pozyskiwania. Jest obecnie najtańszy i najczęściej produkowany.
• niebieski wodór: Jest to inny rodzaj wodoru uzyskiwany z paliw kopalnych, ale tym razem za pomocą technik zdolnych do wychwytywania i magazynowania emisji CO2 powstających podczas procesu, dzięki czemu nie są one uwalniane do atmosfery, dzięki czemu ma mniejszy wpływ na środowisko niż szary. Oczywiście emisje podczas jego produkcji nie są całkowicie eliminowane, ale są ograniczane. Cena produkcji tego rodzaju wodoru jest pośrednia.
• Zielony wodór: Jest najlepszy z całej trójki i dużo się o nim mówi. Ten odnawialny wodór jest uzyskiwany poprzez elektrolizę wody, więc podczas procesu nie powstają żadne zanieczyszczenia. Ponadto do zasilania systemów elektrolizy wykorzystuje się energię odnawialną, taką jak wiatr lub słońce, dzięki czemu jest to zrównoważone i całkowicie czyste paliwo. Obecnie jest jednak produkowany w mniejszych ilościach niż poprzednie dwa i jest najdroższy.

Wyzwaniem jest zastąpienie wszystkich innych wodorów zielonym wodorem i to w ten sposób zaopatrzyć się w odpowiednie paliwo.

Jak otrzymuje się wodór?

Wodór, jak widzieliśmy w poprzedniej sekcji, można wytwarzać na różne sposoby. Ale niezależnie od energii zaangażowanej w proces jego produkcji, spójrzmy teraz na sposoby pozyskiwania tego gazu tak obfite:

• transformacja molekularna: Ta technika jest uzyskiwana z serii reakcji chemicznych w celu uzyskania wodoru. Jedną z najczęściej stosowanych technik jest wykorzystanie gazu ziemnego pozyskiwanego z pól naftowych. Para o wysokiej temperaturze służy do dysocjacji węgla z wodoru, z którego powstaje gaz ziemny. W ten sposób z jednej strony otrzymuje się diwodór, a z drugiej dwutlenek węgla.
• Gazyfikacja: to metoda polegająca na zgazowaniu za pomocą pary wodnej i czystego tlenu z węgla lub biomasy. W reaktorze węgiel lub biomasa spalane są w bardzo wysokich temperaturach. Spalanie to uwalnia gazy, wśród których z drugiej strony jest wysoce toksyczny tlenek węgla (CO) i diwodór.
• elektroliza wody: Jest to najlepsza metoda z trzech pod względem zrównoważonego rozwoju, a także pod względem obfitości, ponieważ większość ziemi składa się z wody. Dlatego można go było uzyskać z wód mórz i oceanów. W tym celu stosuje się zbiornik na wodę, do którego wkładane są elektrody. Przyłożenie ciągłego prądu elektrycznego powoduje rozdzielenie cząsteczek wody (H2O) na tlen (O2) i wodór (H2). Kiedy źródłem energii dla tej energii elektrycznej jest energia odnawialna, taka jak energia słoneczna lub wiatrowa, mówi się, że ten wodór jest zielony.

Jak działa silnik wodorowy (ogniwo paliwowe)?

Kiedy potrzebujemy przekształcić wodór w energię, gazowy wodór można przechowywać w specjalnych zbiornikach, skąd jest kierowany do ogniwa paliwowego. Tam jest ponownie łączony z tlenem zawartym w powietrzu (jak to ma miejsce w silniku spalinowym, gdy powietrze dostaje się do cylindra, powodując spalanie), co powoduje reakcję energetyczną iw ten sposób uzyskuje się energię. W ten sposób żadne zanieczyszczające gazy nie będą emitowane do atmosfery, ponieważ jedynym odpadem generowanym przez tego typu silnik jest woda. Rekombinacja tlenu w powietrzu z wodorem tworzy w tym procesie cząsteczki H2O. Wodę, którą można by wykorzystać do innych celów, w tym do regeneracji wodoru poprzez elektrolizę.

Dzięki tej reakcji między wodorem i tlenem w ogniwie paliwowym generowana jest energia elektryczna, która porusza silnik elektryczny i prowadzić pojazd. Oznacza to, że samochody napędzane wodorem są zasadniczo elektryczne, chociaż nie czerpią energii z baterii litowej lub innego typu, który zanieczyszcza środowisko, ani z silnika hybrydowego, który również emituje spaliny. Jednak niektóre pojazdy tego typu mogą mieć akumulator do przechowywania energii, która nie jest zużywana do wykorzystania w innym czasie. Na przykład, gdy zapotrzebowanie na moc jest wysokie, cała energia pochodząca z ogniwa paliwowego jest zużywana, a gdy jest niska, część może zostać skierowana do silników elektrycznych, a część do przechowywania w akumulatorze.

Wiele z tych pojazdów posiada również tzw hamulec regeneracyjny, czyli gromadzenie energii elektrycznej z hamowania, pomagając w ten sposób zmniejszyć zużycie wodoru i osiągnąć lepszą autonomię. I, jak wspomniałem wcześniej, jedynymi generowanymi odpadami jest woda, którą wydalisz rurą wydechową.

Jeśli chodzi o elementy pojazdu napędzanego wodorowymi ogniwami paliwowymiMamy:

• jednostka sterująca mocą: to system optymalnie kontrolujący dostarczanie energii w ogniwie paliwowym, a także ładowanie akumulatorów i wykorzystanie tej energii elektrycznej.
• Silnik elektryczny: Może być jeden lub więcej. Zwykle jest to silnik synchroniczny z magnesami trwałymi, który przekształca energię elektryczną z ogniwa paliwowego lub akumulatora w energię potrzebną do napędzania pojazdu.
• konwerter napięcia ogniwa paliwowego: czy system jest w stanie dostosować energię elektryczną wytwarzaną przez wodorowe ogniwo paliwowe w celu uzyskania odpowiedniego napięcia dla silników.
• grupa ogniw paliwowych: To prawdziwe serce systemu, element, w którym energia chemiczna pochodząca z dostaw wodoru ze zbiorników i tlenu z powietrza jest przetwarzana na energię elektryczną.
• Bateria: akumulator jest odpowiedzialny za magazynowanie energii generowanej przez ogniwo paliwowe i odzyskanej z hamowania, a także za wzmacnianie mocy ogniwa paliwowego podczas przyspieszania w przypadku dużego zapotrzebowania.
• zbiorniki wysokociśnieniowe: wodór należy bezpiecznie przechowywać w zbiornikach wysokociśnieniowych. Ponadto pojawią się zawory nadciśnieniowe, ostrzeżenie w przypadku wycieku wodoru oraz trójwarstwowa konstrukcja: jedna wykonana z polimeru wzmocnionego włóknem szklanym, polimeru pośredniego i trzecia wykonana z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym. Wszystko po to, aby wytrzymać bardzo wysokie ciśnienia.

działanie ogniw paliwowych

Powiedzieliśmy, że ogniwo paliwowe, czyli Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), jest odpowiedzialny za wytwarzanie energii elektrycznej z reakcji między wodorem a tlenem z powietrza w atmosferze. Cóż, aby wytworzyć tę energię elektryczną, stosuje się reakcje elektrochemiczne. Ogniwa paliwowe będą wykorzystywać anodę i katodę po obu stronach elektrolitu. Na przykład wodór jest doprowadzany do anody, a katalizator jest używany do generowania dodatnio naładowanych jonów, które przepływają przez elektrolit do katody. Tymczasem na katodzie powietrze jest wciągane do układu i łączy się z katalizatorem, jonami wodoru i elektronami, wytwarzając ciepło i wodę jako produkty uboczne. To indukuje prąd, wytwarzając energię elektryczną.

Doświadczenie w prowadzeniu pojazdu napędzanego wodorem

W praktyce podczas jazdy pojazdem napędzanym wodorem doświadczenie jest prawie identyczne jak w przypadku pojazdu elektrycznego z akumulatorem. Istnieją jednak pewne drobne różnice, wiele z nich zostanie dopracowanych z czasem, wraz z rozwojem technologii, podobnie jak w przypadku samochodów elektrycznych, które bardzo się zmieniły od pierwszych zaprezentowanych modeli do obecnych, mimo że są stosunkowo młody. .

Wyzwaniem dla inżynierów motoryzacyjnych jest to, że wodorowe ogniwa paliwowe działa najlepiej przy stałej mocy. Jednak zapotrzebowanie na moc konwencjonalnego pojazdu poruszającego się po różnych drogach, takich jak miasto lub autostrada, wymaga zmian w dostarczaniu mocy. Coś, nad czym pracują inżynierowie, aby zapewnić jak najlepsze wyniki.

Na przykład Toyota Mirai ma Moc znamionowa 90 kW (120 koni mechanicznych).. Ale to nie wystarcza do przyspieszenia na autostradzie z dużą prędkością, więc Toyota (podobnie jak inni producenci HFCV) dodaje wysokonapięciowy akumulator o małej pojemności, podobnie jak w hybrydowych pojazdach benzynowo-elektrycznych, aby pomóc osiągnąć to dodatkowe przyspieszenie i moc, gdy zażądał. Nie oznacza to również, że bardzo mocne samochody nie mogą być produkowane z ogniwami paliwowymi, w rzeczywistości supersamochód Hyperion XP-1 to samochód napędzany wodorem, który przyspiesza od 0 do 100 km/h w około 2.6 sekundy i osiąga prędkość maksymalną 356 kilometrów na godzinę.

Zalety i wady wodoru jako paliwa

Na koniec ważne jest, aby podkreślić zalety i wady które muszą wykorzystywać wodór jako paliwo do pojazdów:

Zaleta

Wśród zaleta Z zastosowania wodoru jako paliwa mamy:

• Zerowa emisja: pojazdy napędzane wodorem uwalniają jedynie wodę jako produkt uboczny. W ten sposób przyczyniasz się do ochrony środowiska.
• Szybkie tankowanie: tankowanie zajmie tylko kilka minut, ponieważ wystarczy ponownie napełnić zbiorniki wodoru, tak jak w przypadku oleju napędowego lub benzyny. Nic wspólnego z elektrycznymi, które muszą być podłączone przez długi czas, aby w pełni naładować baterię. Ponadto średni koszt samochodu elektrycznego wynosi około 8.5 euro za 100 km, podobnie jak wydatki na paliwa, takie jak olej napędowy czy benzyna. Zamiast tego wodór mógłby być tańszy.
• Spełnia cele UE: cele wyznaczone przez UE w zakresie redukcji emisji są więcej niż realizowane przez pojazdy napędzane wodorem. W propozycji UE na 2030 rok zakłada się ograniczenie emisji zanieczyszczających gazów o 35%, a samochód na wodór emituje 0.
• Minimalna konserwacja: Te silniki elektryczne wymagają minimalnej, prostej i taniej konserwacji, a także są dość niezawodne. Dlatego nie będziesz musiał inwestować w tym zakresie tak dużo, jak w pojazd z silnikiem spalinowym.
• Cichy: Są tak samo ciche jak elektryczne, więc nie będą przyczyniać się do uciążliwego hałasu w wielu miastach.
• Większa autonomia: samochody napędzane wodorem mają większą autonomię, co jest bardzo ważne. Podczas gdy pojazdy elektryczne oferują zasięg średnio 300 km, pojazdy napędzane wodorem mogą osiągnąć ponad dwukrotnie większy zasięg. W niedalekiej przyszłości mogą osiągnąć nawet ponad 2000 km autonomii.
• Zero emisji: z naklejką DGT Zero Emisji możesz parkować bez złotówki w miastach, dzięki czemu możesz mieć takie same korzyści jak samochody elektryczne podczas jazdy po obszarach miejskich.
• Wytrzymuje ekstremalne temperatury: W przeciwieństwie do samochodów w 100% elektrycznych, samochody napędzane wodorem mogą pracować w bardziej ekstremalnych temperaturach. Będzie to prawie niezauważalne w osiągach pojazdu lub w jego autonomii, co zdarza się w przypadku pojazdów elektrycznych.

Wady

Oczywiście pojazdy napędzane wodorem też mają jego wady, jak wszystko. Najbardziej znane to:

• Cena: Ponieważ nie jest to aż tak dojrzała technologia, pojazdy napędzane wodorem mają wyższą cenę niż samochody konwencjonalne czy elektryczne. Dlatego jest to szczegół do rozważenia. Jednak na dłuższą metę można zaoszczędzić na paliwie iw warsztacie, biorąc pod uwagę ich niezawodność. Ponadto należy powiedzieć, że ceny tych samochodów będą z czasem spadać, ponieważ technologia tworzenia ogniw paliwowych, a także zbiorników wodoru, będzie bardziej dojrzała, co musi być bardzo bezpieczne, aby wytrzymać wysokie ciśnienie i uniknąć wycieków w wypadkach, które mogą prowadzić do eksplozji.
• Kilka punktów do tankowania: Ponieważ jest to obecnie technologia napędu mniejszościowego, podobnie jak w przypadku samochodu elektrycznego, nie ma zbyt wielu miejsc do tankowania. To powinno się stopniowo zmieniać. Na przykład w Hiszpanii miejsca można policzyć na palcach jednej ręki, ponieważ w Sewilli, Albacete, Puertollano, Saragossie, Huesca i Barbastro jest ich tylko około 6. Inne kraje, takie jak Niemcy, mają już więcej pojazdów tego typu, a ich celem jest dotarcie do 500 punktów tankowania.
• Mała różnorodność modeli: Jako że nie jest to tak rozpowszechniona technologia, obecnie jest niewiele marek i modeli do wyboru, choć to też będzie się zmieniać z biegiem czasu i producenci będą je produkować na większą skalę. Dodatkowo brak punktów tankowania czy sieci wodorowej nie sprzyja zachęcaniu do sprzedaży tego typu pojazdów. Jednak masz już świetne samochody wodorowe, takie jak Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda Fuel Cell Clarity, Hyperion XP-1, BMW i Hydrogen NEXT itp.
• nie zwarty: Biorąc pod uwagę złożoność zbiorników wodoru i ogniwa paliwowego, samochody te mają zwykle większe wymiary, więc jeśli szukasz urządzeń o niewielkich rozmiarach, możesz o tym zapomnieć. Przynajmniej na razie, do czasu osiągnięcia wyższego stopnia zagęszczenia. Nawet w niektórych przypadkach bagażnik zwykle nie jest bardzo przestronny, ponieważ inne elementy mechaniczne zajmują część jego przestrzeni. W tym sensie są one podobne do elektrycznych.
• Niebezpieczny: Wodór jest bardzo lotny i łatwopalny. Z tego powodu zbiorniki wodoru muszą być bardzo wytrzymałe i bezpieczne, wytrzymywać uderzenia, zapobiegać wyciekom dzięki dodatkowym systemom bezpieczeństwa i wytrzymywać wysokie ciśnienia. Wszystko po to, aby kierowcy i inni pasażerowie byli bezpieczni. Prowadzi to do innego pochodnego problemu, a mianowicie, że ogniwo paliwowe i zbiorniki mają zwykle bardziej ograniczony okres użytkowania, biorąc pod uwagę przepisy bezpieczeństwa. Obecnie szacuje się, że granica żywotności zbiornika wodoru wynosi 15 lat, po tym czasie należałoby go wymienić na nowy. Jeśli chodzi o ogniwo paliwowe, niektórzy producenci szacują, że po przejechaniu około 15 225.000 km może ono zmniejszyć swoją moc o XNUMX%, choć stopniowo poprawiają się w tym zakresie.