Vetypolttokennojen trendit ja näkymät puhtaaseen liikenteeseen
Tämä artikkeli keskittyy vetypolttokennoihin, suuntauksiin ja niiden soveltamisnäkymiin. Vetypohjaiset polttokennot herättävät yhä enemmän huomiota autoteollisuudessa nykyään, sillä jos 1900-luku oli polttomoottorien vuosisata, niin 2000-luvulta voi tulla vetyenergian vuosisata autoteollisuudessa. Vetykennojen ansiosta avaruusalukset toimivat jo nykyään, ja joissakin maailman maissa vetyä on käytetty yli 10 vuoden ajan sähkön tuottamiseen.
Vetypolttokenno on sähkökemiallinen laite, kuten akku, joka tuottaa sähköä vedyn ja hapen välisessä kemiallisessa reaktiossa, ja kemiallisen reaktion tuote on puhdasta vettä, kun taas esimerkiksi maakaasua poltettaessa syntyy ympäristölle haitallista hiilidioksidia.
Lisäksi vetykennot voivat toimia suuremmalla hyötysuhteella, minkä vuoksi ne ovat erityisen lupaavia. Kuvittele tehokkaita, ympäristöystävällisiä automoottoreita.Mutta koko infrastruktuuri on tällä hetkellä rakennettu ja erikoistunut öljytuotteisiin, ja vetykennojen laajamittainen käyttöönotto autoteollisuudessa kohtaa tämän ja muita esteitä.
Vuodesta 1839 lähtien on tiedetty, että vety ja happi voivat yhdistyä kemiallisesti ja saada siten sähkövirran, eli veden elektrolyysiprosessi on palautuva - tämä on vahvistettu tieteellinen tosiasia. Polttokennoja alettiin tutkia jo 1800-luvulla, mutta öljyntuotannon kehittyminen ja polttomoottorin luominen jättivät vetyenergian lähteet ja niistä tuli jotain eksoottista, kannattamatonta ja kallista tuottaa.
1950-luvulla NASA joutui turvautumaan vetypolttokennoihin ja sitten pakostakin. He tarvitsivat kompaktin ja tehokkaan generaattorin avaruusalukseensa. Tämän seurauksena Apollo ja Gemini lensivät avaruuteen vetypolttokennoilla, mikä osoittautui parhaaksi ratkaisuksi.
Nykyään polttokennot ovat kokonaan pois kokeellisesta teknologiasta, ja viimeisen 20 vuoden aikana niiden laajemmassa kaupallistamisessa on edistytty merkittävästi.
Ei ole turhaa, että vetypolttokennoihin asetetaan suuria toiveita. Heidän työssään ympäristön saastuminen on vähäistä, tekniset edut ja turvallisuus ovat ilmeisiä, lisäksi tämäntyyppinen polttoaine on pohjimmiltaan autonominen ja pystyy korvaamaan raskaita ja kalliita litiumakkuja.
Vetykennon polttoaine muuttuu energiaksi suoraan kemiallisen reaktion aikana, jolloin energiaa saadaan enemmän kuin tavanomaisella poltolla.Se kuluttaa vähemmän polttoainetta ja hyötysuhde on kolme kertaa korkeampi kuin vastaavan fossiilisia polttoaineita käyttävän laitteen.
Mitä suurempi hyötysuhde on, sitä paremmin organisoituu reaktion aikana syntyvän veden ja lämmön hyödyntäminen. Haitallisten aineiden päästöt ovat minimaaliset, koska vapautuu vain vettä, energiaa ja lämpöä, kun taas menestyksekkäimmälläkin perinteisen polttoaineen polttoprosessilla syntyy väistämättä typen oksideja, rikkiä, hiiltä ja muita tarpeettomia palamistuotteita.
Lisäksi perinteinen polttoaineteollisuus itsessään vaikuttaa haitallisesti ympäristöön, ja vetypolttokennot välttävät vaarallisen tunkeutumisen ekosysteemiin, koska vedyn tuotanto on mahdollista täysin uusiutuvista energialähteistä. Jopa tämän kaasun vuoto on vaaratonta, koska se haihtuu välittömästi.
Polttokennolla ei ole väliä, mistä polttoaineesta vetyä saadaan sen toimintaa varten. Energiatiheys kWh / l on sama, ja tämä indikaattori kasvaa jatkuvasti polttokennojen luomistekniikan parantuessa.
Itse vetyä voidaan saada mistä tahansa sopivasta paikallisesta lähteestä, oli kyseessä sitten maakaasu, kivihiili, biomassa tai elektrolyysi (tuulen, aurinkoenergian jne. kautta). Riippuvuus alueellisista sähköntoimittajista katoaa, järjestelmät ovat yleensä riippumattomia sähköverkoista.
Kennon käyttölämpötilat ovat melko alhaiset ja voivat vaihdella välillä 80-1000 °C elementin tyypistä riippuen, kun taas perinteisen nykyaikaisen polttomoottorin lämpötila saavuttaa 2300 °C.Polttokenno on kompakti, tuottaa mahdollisimman vähän melua tuotannon aikana, ei sisällä haitallisia aineita, joten se voidaan sijoittaa mihin tahansa sopivaan paikkaan järjestelmässä, jossa se toimii.
Periaatteessa ei vain sähköä, vaan myös kemiallisessa reaktiossa vapautuvaa lämpöä voidaan käyttää hyödyllisiin tarkoituksiin, esimerkiksi veden lämmittämiseen, tilan lämmitykseen tai jäähdytykseen - tällä lähestymistavalla energian tuotannon tehokkuus solussa lähestyy. 90 %.
Kennot ovat herkkiä kuormituksen muutoksille, joten virrankulutuksen kasvaessa polttoainetta on syötettävä enemmän. Tämä on samanlainen kuin bensiinimoottori tai polttogeneraattori. Teknisesti polttokenno on toteutettu melko yksinkertaisesti, koska siinä ei ole liikkuvia osia, suunnittelu on yksinkertainen ja luotettava ja epäonnistumisen todennäköisyys on pohjimmiltaan erittäin pieni.
Vety-happipolttokenno, jossa on protoninvaihtokalvo (esimerkiksi "polymeerielektrolyytillä") sisältää kalvon, joka johtaa protoneja polymeeristä (Nafion, polybentsimidatsoli jne.), joka erottaa kaksi elektrodia - anodin ja katodin. Jokainen elektrodi on yleensä hiililevy (matriisi), jossa on tuettu katalyytti - platina tai platinoidien ja muiden yhdisteiden seos.
Anodikatalyytissä molekyylivety hajoaa ja menettää elektroneja. Vetykationit kuljetetaan kalvon läpi katodille, mutta elektroneja luovutetaan ulkoiseen piiriin, koska kalvo ei päästä elektroneja läpi. Katodikatalyytissä happimolekyyli yhdistyy elektroniin (joka toimitetaan ulkoisten yhteyksien kautta) ja sisääntulevaan protoniin ja muodostaa vettä, joka on ainoa reaktiotuote (höyryn ja/tai nesteen muodossa).
Kyllä, sähköautot toimivat nykyään litiumakuilla. Vetypolttokennot voivat kuitenkin korvata ne. Akun sijaan virtalähde kestää paljon vähemmän painoa. Lisäksi auton tehoa ei voida lisätä ollenkaan akkukennojen lisäämisestä johtuvan painon lisääntymisen vuoksi, vaan yksinkertaisesti säätämällä polttoaineen syöttöä järjestelmään sen ollessa sylinterissä. Siksi autonvalmistajilla on korkeat odotukset vetypolttokennoille.
Yli 10 vuotta sitten työ vetyautojen luomiseksi aloitettiin monissa maissa ympäri maailmaa, erityisesti Yhdysvalloissa ja Euroopassa. Happi voidaan poistaa suoraan ilmasta käyttämällä erityistä suodatuskompressoriyksikköä, joka sijaitsee ajoneuvossa. Puristettua vetyä varastoidaan raskaaseen sylinteriin noin 400 atm:n paineessa. Tankkaus kestää muutaman minuutin.
Ympäristöystävällisen kaupunkiliikenteen käsitettä on sovellettu Euroopassa 2000-luvun puolivälistä lähtien: tällaisia henkilöbusseja on jo pitkään löydetty Amsterdamista, Hampurista, Barcelonasta ja Lontoosta.Metropolissa haitallisten päästöjen puuttuminen ja melun vähentäminen ovat erittäin tärkeitä. Ensimmäinen vetykäyttöinen matkustajajuna Coradia iLint lanseerattiin Saksassa vuonna 2018. Vuoteen 2021 mennessä suunnitellaan 14 uutta junaa.
Seuraavien 40 vuoden aikana siirtyminen vetyyn autojen ensisijaiseksi energialähteeksi voi mullistaa maailman energian ja talouden. Vaikka nyt on selvää, että öljy ja kaasu pysyvät tärkeimpänä polttoainemarkkinana vielä ainakin 10 vuotta.Siitä huolimatta jotkut maat investoivat jo vetypolttokennoilla varustettujen ajoneuvojen luomiseen huolimatta siitä, että monet tekniset ja taloudelliset esteet on voitettava.
Vetyinfrastruktuurin, turvallisten huoltoasemien luominen on tärkein tehtävä, koska vety on räjähtävä kaasu. Joka tapauksessa vedyn avulla voidaan vähentää merkittävästi ajoneuvojen polttoaine- ja huoltokustannuksia ja parantaa luotettavuutta.
Bloombergin ennusteen mukaan vuoteen 2040 mennessä autot kuluttavat 1 900 terawattituntia nykyisen 13 miljoonan barrelin sijasta päivässä, mikä on 8 % sähköntarpeesta, kun taas 70 % maailmassa tuotetusta öljystä menee liikennepolttoaineiden tuotantoon. . Tietenkin tässä vaiheessa akkukäyttöisten sähköajoneuvojen markkinoiden näkymät ovat paljon selvemmät ja vaikuttavammat kuin vetypolttokennojen tapauksessa.
Vuonna 2017 sähköajoneuvojen markkinat olivat 17,4 miljardia dollaria, kun taas vetyautomarkkinoiden arvo oli vain 2 miljardia dollaria. Tästä erosta huolimatta sijoittajat ovat edelleen kiinnostuneita vetyenergiasta ja rahoittavat uusia kehityshankkeita.
Siten vuonna 2017 perustettiin Hydrogen Council, johon kuuluu 39 suurta autonvalmistajaa, kuten Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Sen tarkoituksena on tutkia ja kehittää uusia vetyteknologioita ja niiden myöhempää leviämistä.