Puhta transpordi jaoks mõeldud vesinikkütuseelementide suundumused ja väljavaated
See artikkel keskendub vesinikkütuseelementidele, nende rakendamise suundumustele ja väljavaadetele. Vesinikupõhised kütuseelemendid tõmbavad tänapäeval autotööstuses üha enam tähelepanu, sest kui 20. sajand oli sisepõlemismootorite sajand, siis 21. sajand võib saada autotööstuses vesinikuenergia sajandiks. Juba praegu töötavad tänu vesinikuelementidele kosmoselaevad ja mõnes maailma riigis on vesinikku elektri tootmiseks kasutatud juba üle 10 aasta.
Vesinikkütuseelement on elektrokeemiline seade nagu aku, mis toodab vesiniku ja hapniku vahelise keemilise reaktsiooni kaudu elektrit ning keemilise reaktsiooni saadus on puhas vesi, samal ajal kui näiteks maagaasi põletamisel tekib keskkonnale kahjulik süsihappegaas.
Lisaks võivad vesinikuelemendid töötada suurema efektiivsusega, mistõttu on need eriti paljulubavad. Kujutage ette tõhusaid, keskkonnasõbralikke automootoreid.Kuid kogu infrastruktuur on praegu ehitatud ja spetsialiseerunud naftatoodetele ning vesinikuelementide laiaulatuslik kasutuselevõtt autotööstuses seisab silmitsi selle ja teiste takistustega.
Vahepeal on alates 1839. aastast teada, et vesinik ja hapnik võivad keemiliselt ühineda ja seeläbi saada elektrivoolu, see tähendab, et vee elektrolüüsiprotsess on pöörduv - see on kinnitatud teaduslik fakt. Juba 19. sajandil hakati uurima kütuseelemente, kuid õlitootmise areng ja sisepõlemismootori loomine jättis vesiniku energiaallikad ning neist sai midagi eksootilist, kahjumlikku ja kallist toota.
1950. aastatel oli NASA sunnitud kasutama vesinikkütuseelemente ja seda siis vajaduse tõttu. Nad vajasid oma kosmoselaeva jaoks kompaktset ja tõhusat elektrigeneraatorit. Selle tulemusena lendasid Apollo ja Gemini vesinikkütuseelementidel kosmosesse, mis osutus parimaks lahenduseks.
Tänaseks on kütuseelemendid eksperimentaalsest tehnoloogiast täielikult väljas ja viimase 20 aasta jooksul on nende laiemas turustamises tehtud olulisi edusamme.
Ega asjata ei panda suuri lootusi vesinikkütuseelementidele. Nende töö käigus on keskkonnasaaste minimaalne, tehnilised eelised ja ohutus on ilmsed, lisaks on seda tüüpi kütus põhimõtteliselt autonoomne ja suudab asendada raskeid ja kalleid liitiumakusid.
Vesinikelemendi kütus muudetakse energiaks vahetult keemilise reaktsiooni käigus ja siin saadakse rohkem energiat kui tavapärasel põlemisel.See kulutab vähem kütust ja kasutegur on kolm korda kõrgem kui sarnasel fossiilkütuseid kasutaval seadmel.
Kasutegur on seda suurem, mida paremini korraldatakse reaktsiooni käigus tekkiva vee ja soojuse ärakasutamise viis. Kahjulike ainete emissioon on minimaalne, kuna eraldub ainult vesi, energia ja soojus, samas kui isegi kõige edukamalt korraldatud traditsioonilise kütuse põletamise protsessis tekivad paratamatult lämmastikoksiidid, väävel, süsinik ja muud mittevajalikud põlemissaadused.
Lisaks on tavakütusetööstusel endal kahjulik mõju keskkonnale ning vesinikkütuseelemendid väldivad ohtlikku invasiooni ökosüsteemi, kuna vesinikku on võimalik toota täielikult taastuvatest energiaallikatest. Isegi selle gaasi lekkimine on kahjutu, kuna see aurustub koheselt.
Kütuseelemendil pole vahet, millisest kütusest selle tööks vesinikku saadakse. Energiatihedus kWh / l jääb samaks ja see näitaja suureneb pidevalt koos kütuseelementide loomise tehnoloogia täiustamisega.
Vesinikku ennast on võimalik saada igast mugavast kohalikust allikast, olgu selleks maagaas, kivisüsi, biomass või elektrolüüs (tuule, päikeseenergia jne kaudu) Kaob ära sõltuvus piirkondlikest elektritarnijatest, süsteemid on enamasti elektrivõrkudest sõltumatud.
Lahtri töötemperatuurid on üsna madalad ja võivad olenevalt elemendi tüübist varieeruda vahemikus 80 kuni 1000 ° C, samas kui tavapärases kaasaegses sisepõlemismootoris ulatub temperatuur 2300 ° C-ni.Kütuseelement on kompaktne, tekitab genereerimisel minimaalselt müra, ei eraldu kahjulikke aineid, nii et selle saab paigutada mis tahes sobivasse kohta süsteemis, milles see töötab.
Põhimõtteliselt saab mitte ainult elektrit, vaid ka keemilise reaktsiooni käigus eralduvat soojust kasutada kasulikel eesmärkidel, näiteks vee soojendamiseks, ruumi soojendamiseks või jahutamiseks – sellise lähenemisega läheneb rakus energia tootmise efektiivsus. 90%.
Rakud on tundlikud koormuse muutuste suhtes, seega tuleb energiatarbimise suurenedes tarnida rohkem kütust. See sarnaneb bensiinimootori või sisepõlemisgeneraatori tööga. Tehniliselt on kütuseelement rakendatud üsna lihtsalt, kuna puuduvad liikuvad osad, disain on lihtne ja usaldusväärne ning rikke tõenäosus on põhimõtteliselt äärmiselt väike.
Prootonivahetusmembraaniga (näiteks «polümeer-elektrolüüdiga») vesinik-hapnik kütuseelement sisaldab polümeerist (Nafion, polübensimidasool jt) prootoneid juhtivat membraani, mis eraldab kaks elektroodi - anoodi ja katoodi. Iga elektrood on tavaliselt süsinikplaat (maatriks), millel on toestatud katalüsaator - plaatina või plaatina ja muude ühendite sulam.
Anoodkatalüsaatoril molekulaarne vesinik dissotsieerub ja kaotab elektrone. Vesinikkatioonid transporditakse läbi membraani katoodile, kuid elektronid loovutatakse välisele vooluringile, kuna membraan ei lase elektronidel läbi minna. Katoodkatalüsaatoril ühineb hapniku molekul elektroni (mida tarnitakse välisside kaudu) ja sissetuleva prootoniga ning moodustab vee, mis on ainus reaktsioonisaadus (auru ja/või vedeliku kujul).
Jah, tänapäeval töötavad elektriautod liitiumakudega. Kuid vesinikkütuseelemendid võivad neid asendada. Aku asemel toetab toiteallikas palju vähem kaalu. Lisaks saab auto võimsust tõsta üldse mitte akuelementide lisamisest tingitud kaalu suurenemise tõttu, vaid lihtsalt süsteemi kütusevarustuse reguleerimisega silindris olles. Seetõttu on autotootjatel vesinikkütuseelementide suhtes kõrged ootused.
Rohkem kui 10 aastat tagasi algas töö vesinikautode loomisega paljudes maailma riikides, eriti USA-s ja Euroopas. Hapnikku saab eraldada otse atmosfääriõhust, kasutades spetsiaalset filtreerivat kompressorseadet, mis asub sõidukis. Kokkusurutud vesinikku hoitakse suure koormusega silindris umbes 400 atm rõhu all. Tankimine võtab paar minutit.
Keskkonnasõbraliku linnatranspordi kontseptsiooni on Euroopas rakendatud alates 2000. aastate keskpaigast: selliseid reisibusse on ammu leitud Amsterdamis, Hamburgis, Barcelonas ja Londonis.Metropolis on kahjulike heitmete puudumine ja müra vähendamine äärmiselt oluline. 2018. aastal lasti Saksamaal käiku esimene vesinikkütusel töötav raudtee reisirong Coradia iLint. Aastaks 2021 plaanitakse käiku lasta veel 14 sellist rongi.
Järgmise 40 aasta jooksul võib üleminek vesinikule kui autode esmasele energiaallikale muuta maailma energeetikas ja majanduses pöörde. Kuigi praegu on selge, et nafta ja gaas jäävad peamiseks kütuseturuks veel vähemalt 10 aastaks.Sellegipoolest investeerivad mõned riigid juba vesinikkütuseelementidega sõidukite loomisse, hoolimata asjaolust, et paljud tehnilised ja majanduslikud tõkked tuleb ületada.
Vesiniku infrastruktuuri, ohutute tanklate loomine on peamine ülesanne, sest vesinik on plahvatusohtlik gaas. Mõlemal juhul saab vesinikuga oluliselt vähendada sõiduki kütuse- ja hoolduskulusid ning tõsta töökindlust.
Bloombergi prognooside kohaselt tarbivad autod aastaks 2040 senise 13 miljoni barreli asemel 1900 teravatt tundi päevas, mis moodustab 8% elektrivajadusest, samas kui 70% maailmas toodetavast naftast läheb täna transpordikütuse tootmiseks. . Muidugi on praegu akudega elektrisõidukite turu väljavaated palju silmatorkavamad ja muljetavaldavamad kui vesinikkütuseelementide puhul.
2017. aastal oli elektrisõidukite turg 17,4 miljardit dollarit, samas kui vesinikautode turu väärtuseks hinnati vaid 2 miljardit dollarit. Sellest erinevusest hoolimata tunnevad investorid jätkuvalt huvi vesinikuenergia vastu ja rahastavad uusi arendusi.
Nii loodi 2017. aastal Hydrogen Council, kuhu kuulub 39 suuremat autotootjat nagu Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Selle eesmärk on uurida ja arendada uusi vesinikutehnoloogiaid ning nende hilisemat laialdast levikut.