Istina o gorivim ćelijama hidrogen za vozila vs elektro vozila i stvaranje energije uopste

Istina o gorivim ćelijama hidrogen za vozila vs elektro vozila i stvaranje energije uopste

Njemacka  Savezna  vlada želi  učiniti  vodonik  još jednim  stubom  energetske  tranzicije,  takođe  u  transportu. I  ulaže  devet  milijardi  eura. No,  postoji  još  više  nejasnoća    predrasuda    pogonu  vodikom  nego  o  električnim automobilima. Šta  je  istina,  a  šta  nije?

 

Automobili na gorivne ćelije su opasni?

Ova glasina se nastavlja, vjerovatno zbog demonstracije reakcije oksihidrogena na satu hemije. Šta je tačno: Vodik (H2) sagorijeva kada je kisik u blizini i tvori zapaljivu smjesu s kisikom u širokom rasponu (sadržaj H2 od 4 do 75 posto). Eksplozivna smjesa (oksihidrogen) s kisikom stvara samo vodik s udjelom od 18 posto ili više. Ali to ne dolazi tako lako s vodikom - budući da je vodik 14 puta lakši od zraka, brzo isparava. Problematičnije je kada se vodik zarobi u šupljinama koje su zatvorene na vrhu. Međutim, morali bi ih zatvoriti vrlo čvrsto jer vodik prodire kroz najmanju pukotinu.

 

Na primjer, ako izađe iz rezervoara pod pritiskom automobila, brzo se podiže i odmiče prije nego što se pomiješa s kisikom u vanjskom zraku. Istraživači koji su radili sa Michaelom Swainom sa Univerziteta u Miamiju pokazali su to testom 2003. godine. Zapalili su dva automobila, jedan sa rezervoarom za benzin, a drugi sa rezervoarom vodonika pod pritiskom. Istraživači su prethodno izbušili malu rupu u svakoj od linija za gorivo. Šta se desilo? Očekivano, oba vozila su se zapalila. Bilo je razlika, međutim, u toku procesa: benzinski motor je gorio nakon 60 sekundi, automobil na vodik ostao je uglavnom neoštećen, jer je vodik vrlo brzo izgorio u ogromnom mlazu plamena koji je pucao daleko iznad vozila. Ali kao rezultat toga brzo se ponovo ugasio.

 

Zaključak: Vodik je zapaljiv u kombinaciji s kisikom i iznad određenog omjera smjesa je eksplozivna. Ali vodik je izuzetno hlapljiv jer je tako lagan. U praksi je vjerojatno manje opasan od ostalih goriva za automobile. Automobili na gorivne ćelije ne predstavljaju poseban rizik od eksplozije. Opasnost od požara veća je u automobilima sa spremnicima za benzin ili dizel.

 

Vodik se može skladištiti samo u spremnicima s gubicima?

U slučaju BMW Hydrogen 7, koji je sagorijevao vodik u konvencionalnom klipnom motoru, vodik je uskladišten u vrlo hladnom (-250 stepeni) ukapljenom spremniku u visoko termički izoliranom spremniku. Uprkos izolaciji, vodonik u rezervoaru postaje topliji i vremenom isparava. Proizvedeni vodikov plin mora izlaziti iz spremnika tako da tlak ne postane previsok. Ako se ne može koristiti, bit će značajnih gubitaka. Polupuni spremnik tekućeg vodika vodika 7 ispraznio se za 9 dana ako se ne koristi. To ne bi bio problem za okoliš, ali bi bio za korisnika.

 

Trenutni automobili na gorivne ćelije nose vodonik u gasovitom obliku u rezervoarima pod pritiskom od 700 bara. S spremnicima se stječe iskustvo, ne samo s automobilima na prirodni plin (pritisak do 200 bara). Imaju višeslojne stijenke izrađene od različitih materijala tako da čak i mali atomi vodika ne mogu difundirati kroz stijenke spremnika. Gubici zbog istjecanja vodika sada su marginalni. Međutim, gubici se i dalje pojavljuju pri sabijanju. Većina izvora to procjenjuje na dobrih 12 posto.

 

Visoki pritisak čini rezervoare kompleksnim. Rezervoarski sistem trenutno teži oko 125 kilograma i drži oko 4,4 kilograma u Mercedes GLC F-ćeliji. Potrošnja na 100 kilometara je oko jedan kilogram, tako da bi GLC trebao prijeći dobrih 400 kilometara s energijom iz gorivne ćelije. U Teslinom modelu S sa sličnim dometom, baterija teži oko 650 kilograma.

 

Zaključak: Automobili na prirodni plin posljednjih su godina unaprijedili tehnologiju za spremnike, više nema značajnih gubitaka zbog bijega ili difuzije.

 

Automobilima na vodik je potrebno mnogo energije?

Prema riječima prof. Dr. Christian Mohrdieck, generalni direktor Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH i odgovoran za razvoj gorivih ćelija u Daimler Grupi, efikasnost od 83 posto, ukupno vozilo iznosi dobrih 50 posto. Električni automobili postižu 90 posto efikasnosti. Gubici se ovdje događaju prvenstveno brzim punjenjem - tada efikasnost može pasti na 75 posto.

 

Ali: Prema Mohrdiecku, gorivna ćelija je već otprilike dvostruko efikasnija od motora s unutrašnjim sagorijevanjem. Ovisno o kompaniji, to je do 65 posto. Ukupna energetska bilanca je odgovarajuće značajno bolja. Važno: Gorivna ćelija je pretvarač energije - pretvara vodik u električnu energiju. Stoga takav sistem nikada ne može biti efikasan kao baterija, koja je skladište energije. Međutim, ova slabost je i jača strana: otpadna toplina iz sistema gorivih ćelija može se koristiti i za zagrijavanje vozila.

 

Ako pogledate cijeli lanac od proizvodnje vodika do pretvaranja u električnu ili kinetičku energiju, prema Mohrdiecku, zapravo ćete doći do učinkovitosti od samo 29 do 32 posto. To znači da je automobil s gorivim ćelijama tek neznatno bolji od benzina (22 posto) ili dizela (25 posto). Ali čak je i električni automobil samo neznatno bolji od automobila s gorivim ćelijama iz perspektive dobrog kotača (uključujući proizvodnju energije). Čak i ako se vodik dobiva iz prirodnog plina, efikasnost automobila na gorivne ćelije je oko 25% bolja od efikasnosti automobila na benzinski pogon.

 

 

Vozila na baterije su efikasnija?

Maximilian Fichtner, profesor hemije čvrstog stanja na Univerzitetu u Ulmu , izračunao je u novembru 2019. godine u Wirtschaftswocheu da saobraćaj u Njemačkoj ima godišnju potrebu za energijom od oko 770 teravat sati. "S voznim parkom s pogonima s čistim vodikom, poput gorivne ćelije, bilo bi vam potrebno do 1000 teravat sati zbog slabije ukupne učinkovitosti. Električni automobil je nekoliko puta učinkovitiji: čisto električni vozni park s vozilima na baterije mogao bi proći s oko 200 teravat sati energije godišnje ".

 

Velika prednost vodika: Kao prijenosni uređaj za skladištenje velike količine energije nepobjediv je - kao stacionarni uređaj za skladištenje energije još je superiorniji od baterija: svestraniji, fleksibilniji i jeftiniji. Maximilian Fichtner stoga se u osnovi ne protivi upotrebi vodika, ali ga ne vidi u automobilu, "već u stacionarnom području, kao spremište u napajanju za hlapljive obnovljive izvore energije, a dijelom i u prometu teške robe ili na brodovima, i naravno u industriji ".

 

Zaključak: Ne postoje nedostaci efikasnosti automobila na vodonik u odnosu na automobile sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem. Naprotiv: čak i sa proizvodnjom vodika iz fosilnih goriva, efikasnost je bolja nego kod motora sa sagorijevanjem. U usporedbi s električnim automobilom, međutim, automobil s gorivim ćelijama dobro na kolo je lošiji jer generiranje vodika s električnom energijom i pretvaranje natrag u električnu energiju grickaju dva puta efikasnost. Tome se dodaje i energija potrebna za skladištenje i punjenje gorivom. Vodik je za to bolje prilagođen kao prenosivi uređaj za skladištenje energije. Ako je moguće proizvesti dovoljno zelene električne energije, što prema riječima prof. Maximilian Fichtnera nije tako jasno, rasprava o efikasnosti je u osnovi akademska. Budući da je cilj alternativnih pogona smanjenje emisije CO2. I izgleda dobro za automobil na vodik.

 

Vodik ne postoji u prirodi, njegova proizvodnja košta energiju

Kao što Wikipedia zna, vodik je "najčešći hemijski element u svemiru, ali ne i u zemljinoj kori". Zaista, eksploatacija resursa molekularnog vodika na zemlji je praktički nemoguća. S druge strane, vodik je relativno lako dobiti, u načelu u bilo kojoj količini, budući da se vodik nalazi u vodi. U principu, može se generirati i iz fosilnih goriva poput prirodnog plina. S druge strane, proizvodnja elektrolizom potencijalno je "zelena" - ako se električna energija potrebna za to stvara na CO2 neutralan način. Jednostavno rečeno, elektroliza djeluje energiziranjem vodenog bazena. Zatim vodik raste na katodi, a kisik na anodi. Njih dvije zajedno generiraju električnu energiju (i vodu) preko gorivnih ćelija. U principu, divan ciklus - ako se električna energija proizvodi CO2 -neutralno. Budući da efikasnost elektrolize ima 60 do 70 posto, ali se vodik tada ponovo pretvara u električnu energiju. Dvostruka konverzija negativno utječe na gore opisanu učinkovitost.

 

Međutim, pod pretpostavkom da proizvodnja električne energije neutralne za CO2, koja je već na dnevnom redu, efikasnost više ne igra odlučujuću ulogu. Tada kapacitet skladištenja i transporta dolazi do izražaja, jer se posebno s alternativnom proizvodnjom energije moraju očekivati ​​veliki vrhunci i zaostaci, zbog čega stručnjaci očekuju da se prilikom proizvodnje električne energije iz alternativnih izvora mora pohraniti 200 do 300 teravat sati. Često se energija stvara tamo gdje nije potrebna. Proizvodnja vodika kao među skladište savršeno pristaje za to, dok je skladištenje električne energije pomoću baterija preskupo.

 

 

Osim toga, vodik bi također mogao imati važnu ulogu u smanjenju CO2 u proizvodnji čelika. Koks (napravljen od ugljena) trenutno se koristi kao gorivo i redukcijsko sredstvo u visokim pećima. Željezara samo u Njemačkoj emitira oko 50 miliona tona CO2 godišnje (promet automobila 2017 .: 115 miliona tona). Ako umjesto koksa koristite vodik, sama proizvodnja čelika ne proizvodi CO2. Međutim, čelik se tada mora zagrijati s više vanjske energije i generiranog vodika. Ako se generira iz regenerativnih izvora, poput toplinske energije, potencijal za uštedu CO2 je blizu 100 posto - industrija također želi postati neutralna prema CO2 do 2050. u skladu s Pariskim klimatskim sporazumom.

 

Kakve to veze ima sa automobilima na vodonik? Prije svega, oni su uglavnom izrađeni od čelika, a drugo, cijeloj industriji bi bilo potrebno mnogo više vodika nego što bi saobraćaju ikada trebalo, drugim riječima: Vjerojatno bi se proizvelo mnogo vodika, tako da opskrba automobila ne bi biti problem. Količina vodika koja se trenutno proizvodi u Njemačkoj bila je dovoljna za oko 750.000 automobila.

 

Zaključak: Da, vodik se praktički ne skladišti u podzemnim poljima poput nafte, na primjer. Ali njegova proizvodnja uz pomoć regenerirano generirane električne energije i njezino skladištenje dokazano su i tehnološki jednostavni. Automobil s gorivim ćelijama zbog toga ne bi trebao propasti.

 

Bilans CO2 u automobilu na vodik je loš?

To je zabluda. Automobile na baterije teško je nadmašiti kada je u pitanju efikasnost od rezervoara do točka (tj. Od punjenja električnom energijom do vožnje). No, čak i s vodikom dobivenim iz prirodnog plina, automobil s vodikom već je oko 25 posto bolji od automobila s motorom s unutarnjim izgaranjem iz perspektive "dobro do kotača". A sa trenutnom mješavinom električne energije, ravnoteža CO2 automobila na gorivne ćelije također je nešto bolja od ravnoteže električnog automobila tokom čitavog vijeka trajanja.

 

A što se proizvodnje tiče, ne postoji ništa što bi spriječilo razvoj vozila na gorivne ćelije na isti način kao i električni automobili. U proizvodnji i dalje uzrokuju 80 posto veće emisije CO2 od motora s unutarnjim izgaranjem. Međutim, kada vozite konvencionalnom mješavinom električne energije, uštedite oko 65 posto CO2 u odnosu na ovo. Kao rezultat toga, njihova ukupna emisija CO2 tijekom cijelog životnog ciklusa najmanje je 40 posto niža s istom kilometražom.

 

Ako se vozilom na baterije može upravljati samo s obnovljivom električnom energijom, njegova emisija CO2 će se tijekom životnog ciklusa smanjiti za 70 posto u odnosu na motor s unutarnjim izgaranjem. Pogon gorivih ćelija dolazi do vrlo sličnih brojki, koje proizvode manje emisije od vozila na baterije, ali nešto više emisije u vožnji, a gdje opskrba vodikom ima veliki utjecaj na ukupni učinak.

 

Iznad svega, vodstvo e-automobila u pogledu ravnoteže CO2 nastavit će rasti u budućnosti. Jer, kako se kaže u Mercedesu, "optimizacija tehnologije i proizvodnje baterija nudi veliki potencijal za daljnje uštede. Današnje baterije već proizvode oko 25 posto manje emisije CO2 od vučnih baterija prve generacije. Za sljedeću generaciju stručnjaci očekuju uštedu od istim redoslijedom veličina: Proizvodnja budućih baterija uzrokovat će stoga samo upola manje emisije CO2 od prve generacije, a trećinu manje od današnje.

 

Zaključak: Sve u svemu, automobil na gorivne ćelije ima najmanje onoliko niskog udjela CO2 kao i čisto električno vozilo na baterije, unatoč vlastitoj (relativno manjoj) bateriji. No, s vodikom možete napuniti gorivo u roku od nekoliko minuta, a da ne morate nositi velike i stoga teške baterije. Potonji također kvalificira gorivne ćelije za komercijalna vozila.

 

Gorivnim ćelijama je potrebno dosta oskudne platine?

Kako se u slučaju električnih automobila voli govoriti o kobaltu ili litiju, što bi onemogućilo masovnu proizvodnju, postoje slični prigovori na gorivne ćelije. Jer za njihovu izradu potrebna vam je platina, skupocjeni plemeniti metal.

S druge strane, platinu koristimo u benzinskim katalizatorima od 1980 -ih. Međutim, ne čujete nikakve rasprave o tome. Treba li vam toliko više platine za gorivu ćeliju nego za katalizator u motoru sa unutrašnjim sagorijevanjem? Zapravo, Mercedes B-klasa F-ćelija i dalje je imala gorivu ćeliju s visokim sadržajem platine. Čak se i danas platina i dalje koristi kao katalizator u hrpi. S novim GLC F-CELL-om, Mercedes je uspio smanjiti količinu platine u usporedbi s vodikovom B-klasom za 90 posto, a u sljedećem koraku, obećava prof. Mohrdieck, "bit će samo malo više od katalizatora uporedni benzinski motor (8-10g) ".

 

Međutim, prema Mohrdiecku, potrebno je mnogo istraživanja kako bi se zamijenila platina u gorivim ćelijama. No, stopa recikliranja platine kod mačaka na benzinski pogon već je 98 posto. Slične vrijednosti su moguće i za gorivne ćelije, prema Mohrdiecku.

 

Zaključak: Potreba za platinom za automobile serijske proizvodnje na gorivne ćelije nije veća od one za moderna vozila na benzinski pogon.

 

Automobili na gorivne ćelije proizvode vodenu paru stakleničkih plinova?

Vodena para općenito dovodi do zagrijavanja u atmosferi pa se stoga naziva i klimatski plin. Ali iznenađujuće je da se rijetko više vode ispušta pri pokretanju automobila na gorivne ćelije nego pri pokretanju motora s unutarnjim izgaranjem, jer se benzin sastoji od ugljikovodika. Tako se i vodena para oslobađa pri sagorijevanju. Međutim, vodena para u automobilima na gorivne ćelije ima mnogo niže temperature i kondenzira se ranije. Zbog toga se dio vode koja se pojavi tijekom rada skuplja i ponovno koristi za vlaženje gorivih ćelija. Stoga se ne očekuje ni rizik od pojave crnog leda u automobilima na gorivne ćelije.

 

U zrakoplovima s pogonom na gorivne ćelije oporavak vode bio bi vrijedan: mogli biste uštedjeti oko 90 posto vode za toalete - uzbudljiva opcija i za mobilne kućice.

 

Zaključak: Činjenica da se voda proizvodi tijekom rada automobila s gorivim ćelijama nije problem za okoliš niti za promet.

 

Niko ne može priuštiti benzinske pumpe?

Većina stručnjaka trenutno procjenjuje da je cijena izgradnje punionice vodika oko 1.000.000 eura. U isto vrijeme, za cijelu nacionalnu mrežu u Njemačkoj procjenjuje se oko 1.000 benzinskih postaja. Infrastruktura za automobile na gorivne ćelije koštala bi oko milijardu eura. Zvuči puno, ali nije. Za poređenje: skandal sa dizelom koštao je Volkswagen Grupu do danas oko 28 milijardi eura.

 

Kao i automobili, benzinske pumpe za vodonik mogle bi postati znatno jeftinije zbog ekonomije obima u nekoj vrsti masovne proizvodnje (približno 400.000 eura umjesto približno 1.000.000 eura sada).

 

Zaključak: Masovna distribucija automobila na gorivne ćelije ne bi trebala propasti zbog infrastrukture. Uspostavljanje više punionica vodika neće uspjeti zbog trenutno još ne masovnog širenja automobila na gorivne ćelije-klasičnog problema piletine i jaja.

 

Automobili na gorivne ćelije ostaju nišni proizvod?

S obzirom na neosporne prednosti, posebno u vrijeme klimatskih promjena, postavlja se pitanje: Zašto automobil s vodikom (još) ne dolazi? Ogromno širenje automobila na gorivne ćelije trenutno još uvijek ne uspijeva zbog skupe proizvodnje automobila i jednako skupe infrastrukture. Prema profesoru Mohrdiecku, oba su izazova koja se mogu riješiti skaliranjem. Mohrdieck je siguran da sa šestoznamenkastim brojevima ili više vozilo s gorivim ćelijama može biti proizvedeno po cijeni sličnoj onoj u automobilu na baterije. Jedan korak prema popustu je proizvodnja gorivne ćelije od rolne do role MEA (sklop membranske elektrode), tj. Jezgrene komponente ćelije. Trenutno se još uvijek razvija pojedinačno.

 

Sveukupno, Mohrdieck procjenjuje budućnost automobila na gorivne ćelije na sljedeći način: "Pogon na gorivne ćelije posebno je interesantan za kupce kojima je potreban veliki dnevni raspon i imaju pristup benzinskim postajama za vodonik. Međutim, za vozila u urbanim područjima, isključivo baterija- električni pogon je danas vrlo dobro rješenje. Mercedes GLC F-CELL (kao hibrid obje vrste pogona) važan je korak za nas, čak i ako još ne predstavljamo velike količine vozila. Veoma smo uzbuđeni zbog povratnih informacija od naših kupaca. Baterija i gorivne ćelije čine simbiozu. Dvije tehnologije se međusobno vrlo dobro nadopunjuju: performanse i dinamika baterije podržavaju gorivne ćelije dugog dometa i koje se brzo mogu puniti,koje ima svoje idealno radno stanje u području djelomičnog opterećenja ".

 

"Kombinacija skalabilnih baterija ili modula gorivih ćelija mogla bi se zamisliti u budućnosti - ovisno o scenariju mobilnosti i tipu vozila. Tek smo na početku. Mislim da će do sredine sljedeće decenije - ali svakako nakon 2025. - relevantnost gorivnih ćelija općenito i za transportni sektor postat će značajna Čak će i umjerene količine pomoći u stvaranju standarda koji su posebno bitni za smanjenje troškova ".

 

Zaključno, Mohrdieck kaže: "Da bi tehnologija napravila iskorak, mora biti privlačna za obje strane - kupca i proizvođača".

 

Zaključak: Glavne prepreke masovnom širenju automobila na gorivne ćelije su njihova skupa proizvodnja i nedostatak infrastrukture. Oboje se može diskontirati putem masovne proizvodnje. Automobili na gorivne ćelije u principu nisu, već su trenutno skupi i ne moraju ostati nišni proizvod.

 




Zanimljivosti

Featured

src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/OwlCarousel2/2.3.4/owl.carousel.min.js">