Trender og utsikter for hydrogen brenselceller for ren transport

Denne artikkelen vil fokusere på hydrogenbrenselceller, trender og utsikter for deres anvendelse. Hydrogenbaserte brenselceller tiltrekker seg økende oppmerksomhet i bilindustrien i dag, for hvis det 20. århundre var århundret for forbrenningsmotoren, så kan det 21. århundre bli århundret for hydrogenenergi i bilindustrien. . Allerede i dag, takket være hydrogenceller, fungerer romskip, og i noen land i verden har hydrogen blitt brukt i mer enn 10 år til å generere elektrisitet.

En hydrogenbrenselcelle er en elektrokjemisk enhet som et batteri som genererer elektrisitet gjennom en kjemisk reaksjon mellom hydrogen og oksygen, og produktet av den kjemiske reaksjonen er rent vann, mens forbrenning av naturgass for eksempel produserer miljøskadelig karbondioksid.

I tillegg kan hydrogenceller operere med høyere effektivitet, og derfor er de spesielt lovende. Se for deg effektive, miljøvennlige bilmotorer.Men hele infrastrukturen er i dag bygget og spesialisert for petroleumsprodukter, og storskala introduksjon av hydrogenceller i bilindustrien møter dette og andre hindringer.

I mellomtiden har det siden 1839 vært kjent at hydrogen og oksygen kan kombineres kjemisk og derved oppnå en elektrisk strøm, det vil si at prosessen med elektrolyse av vann er reversibel - dette er et bekreftet vitenskapelig faktum. Allerede på 1800-tallet begynte man å studere brenselceller, men utviklingen av oljeproduksjon og etableringen av forbrenningsmotoren etterlot hydrogenenergikilder og de ble noe eksotisk, ulønnsomt og kostbart å produsere.

På 1950-tallet ble NASA tvunget til å ty til hydrogenbrenselceller, og da av nødvendighet. De trengte en kompakt og effektiv kraftgenerator til romfartøyet deres. Som et resultat fløy Apollo og Gemini ut i verdensrommet på hydrogenbrenselceller, noe som viste seg å være den beste løsningen.

I dag er brenselceller helt ute av eksperimentell teknologi, og de siste 20 årene har det blitt gjort betydelige fremskritt i deres bredere kommersialisering.

Det er ikke forgjeves at det settes store forhåpninger til hydrogenbrenselceller. I prosessen med arbeidet deres er miljøforurensning minimal, tekniske fordeler og sikkerhet er åpenbare, i tillegg er denne typen drivstoff grunnleggende autonom og er i stand til å erstatte tunge og dyre litiumbatterier.

Drivstoffet til en hydrogencelle omdannes til energi direkte i løpet av en kjemisk reaksjon, og her oppnås mer energi enn ved konvensjonell forbrenning.Den bruker mindre drivstoff og effektiviteten er tre ganger høyere enn for en lignende enhet som bruker fossilt brensel.

Effektiviteten vil være jo høyere, jo bedre organisert er måten å utnytte vannet og varmen som genereres under reaksjonen. Utslipp av skadelige stoffer er minimale, siden bare vann, energi og varme frigjøres, mens selv med den mest vellykket organiserte prosessen med å brenne tradisjonelt drivstoff, dannes nitrogenoksider, svovel, karbon og andre unødvendige forbrenningsprodukter uunngåelig.

I tillegg har konvensjonelle drivstoffindustrier i seg selv en skadelig effekt på miljøet, og hydrogenbrenselceller unngår en farlig invasjon av økosystemet, siden produksjon av hydrogen er mulig fra fullstendig fornybare energikilder. Selv lekkasjen av denne gassen er ufarlig, siden den fordamper umiddelbart.

Brenselcellen spiller ingen rolle fra hvilket drivstoff hydrogen hentes for driften. Energitettheten i kWh / l vil være den samme, og denne indikatoren øker stadig med forbedringen av teknologien for å lage brenselceller.

Selve hydrogenet kan fås fra en hvilken som helst praktisk lokal kilde, enten det er naturgass, kull, biomasse eller elektrolyse (gjennom vind, solenergi osv.) Avhengigheten av regionale strømleverandører forsvinner, systemene er vanligvis uavhengige av elektriske nett.

Driftstemperaturene til cellen er ganske lave og kan variere fra 80 til 1000 ° C, avhengig av type element, mens temperaturen i en konvensjonell moderne forbrenningsmotor når 2300 ° C.Brenselcellen er kompakt, avgir et minimum av støy under generering, har ingen utslipp av skadelige stoffer, så den kan plasseres på et hvilket som helst passende sted i systemet der den fungerer.

I prinsippet kan ikke bare elektrisitet, men også varmen som frigjøres under en kjemisk reaksjon brukes til nyttige formål, for eksempel til oppvarming av vann, romoppvarming eller kjøling - med denne tilnærmingen vil effektiviteten av å generere energi i en celle nærme seg 90 %.

Cellene er følsomme for endringer i belastningen, så etter hvert som strømforbruket øker, må det tilføres mer drivstoff. Dette ligner på hvordan en bensinmotor eller forbrenningsgenerator fungerer. Teknisk sett er brenselcellen implementert ganske enkelt, siden det ikke er noen bevegelige deler, designet er enkelt og pålitelig, og sannsynligheten for feil er grunnleggende ekstremt liten.

En hydrogen-oksygen brenselcelle med en protonutvekslingsmembran (for eksempel «med en polymerelektrolytt») inneholder en membran som leder protoner fra en polymer (Nafion, polybenzimidazol, etc.), som skiller to elektroder - en anode og en katode. Hver elektrode er vanligvis en karbonplate (matrise) med en båret katalysator - platina eller en legering av platinoider og andre forbindelser.

På anodekatalysatoren dissosierer molekylært hydrogen og mister elektroner. Hydrogenkationer transporteres over membranen til katoden, men elektroner doneres til den eksterne kretsen fordi membranen ikke lar elektroner passere. På katodekatalysatoren kombineres oksygenmolekylet med et elektron (som tilføres av ekstern kommunikasjon) og et innkommende proton og danner vann, som er det eneste produktet av reaksjonen (i form av damp og/eller væske).

Ja, elbiler går i dag på litiumbatterier. Imidlertid kan hydrogenbrenselceller erstatte dem. I stedet for et batteri vil strømkilden tåle mye mindre vekt. I tillegg kan bilens kraft økes ikke i det hele tatt på grunn av økningen i vekt på grunn av tillegg av battericeller, men ganske enkelt ved å justere tilførselen av drivstoff til systemet mens det er i sylinderen. Derfor har bilprodusentene store forventninger til hydrogen brenselceller.

For mer enn 10 år siden begynte arbeidet med å lage hydrogenbiler i mange land rundt om i verden, spesielt i USA og Europa. Oksygen kan trekkes ut direkte fra atmosfærisk luft ved hjelp av en spesiell filtrerende kompressorenhet plassert om bord i kjøretøyet. Komprimert hydrogen lagres i en kraftig sylinder under et trykk på ca. 400 atm. Å fylle drivstoff tar noen minutter.

Konseptet med miljøvennlig bytransport har vært brukt i Europa siden midten av 2000-tallet: Slike passasjerbusser har lenge vært funnet i Amsterdam, Hamburg, Barcelona og London I en metropol er fraværet av skadelige utslipp og redusert støy ekstremt viktig. Coradia iLint, det første hydrogendrevne jernbanepassasjertoget, ble lansert i Tyskland i 2018. Innen 2021 er 14 flere slike tog planlagt lansert.

I løpet av de neste 40 årene kan overgangen til hydrogen som den primære energikilden for biler revolusjonere verdens energi og økonomi. Selv om det nå er klart at olje og gass vil forbli det viktigste drivstoffmarkedet i minst 10 år til.Likevel investerer noen land allerede i å lage kjøretøyer med hydrogenbrenselceller, til tross for at mange tekniske og økonomiske barrierer må overvinnes.

Å skape hydrogeninfrastruktur, sikre bensinstasjoner er hovedoppgaven, fordi hydrogen er en eksplosiv gass. Uansett, med hydrogen kan drivstoff- og vedlikeholdskostnadene reduseres betydelig og påliteligheten økes.

I følge Bloombergs prognoser vil innen 2040 biler forbruke 1900 terawattimer i stedet for dagens 13 millioner fat per dag, som vil utgjøre 8 % av elektrisitetsbehovet, mens 70 % av oljen som produseres i verden i dag går til produksjon av drivstoff til transport. . Selvfølgelig, på dette tidspunktet, er utsiktene for markedet for elektriske batterier mye mer uttalte og imponerende enn i tilfellet med hydrogenbrenselceller.

I 2017 var elbilmarkedet 17,4 milliarder dollar, mens hydrogenbilmarkedet ble verdsatt til bare 2 milliarder dollar. Til tross for denne forskjellen, fortsetter investorer å være interessert i hydrogenenergi og finansiere nye utbygginger.

Dermed ble Hydrogen Council opprettet i 2017, som inkluderer 39 store bilprodusenter som Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Formålet er å forske på og utvikle nye hydrogenteknologier og deres påfølgende utbredte distribusjon.