Trender och framtidsutsikter för vätebränsleceller för rena transporter

Den här artikeln kommer att fokusera på vätebränsleceller, trender och framtidsutsikter för deras tillämpning. Vätebaserade bränsleceller drar till sig allt större uppmärksamhet inom fordonsindustrin idag, för om 1900-talet var förbränningsmotorns århundrade, så kan 2000-talet bli vätgasenergins århundrade i bilindustrin. . Redan idag, tack vare väteceller, fungerar rymdskepp, och i vissa länder i världen har väte använts i mer än 10 år för att generera elektricitet.

En vätebränslecell är en elektrokemisk anordning som ett batteri som genererar elektricitet genom en kemisk reaktion mellan väte och syre, och produkten av den kemiska reaktionen är rent vatten, medan förbränning av naturgas till exempel producerar miljöskadlig koldioxid.

Dessutom kan väteceller fungera med högre effektivitet, vilket är anledningen till att de är särskilt lovande. Föreställ dig effektiva, miljövänliga bilmotorer.Men hela infrastrukturen är för närvarande byggd och specialiserad för petroleumprodukter, och det storskaliga införandet av väteceller i bilindustrin möter detta och andra hinder.

Under tiden, sedan 1839, har det varit känt att väte och syre kan kombineras kemiskt och därigenom erhålla en elektrisk ström, det vill säga att processen för elektrolys av vatten är reversibel - detta är ett bekräftat vetenskapligt faktum. Redan på 1800-talet började man studera bränsleceller, men utvecklingen av oljeproduktionen och skapandet av förbränningsmotorn lämnade vätgasenergikällor och de blev något exotiskt, olönsamt och dyrt att producera.

På 1950-talet tvingades NASA att ta till vätebränsleceller, och då av nödvändighet. De behövde en kompakt och effektiv kraftgenerator till sin rymdfarkost. Som ett resultat flög Apollo och Gemini ut i rymden på vätebränsleceller, vilket visade sig vara den bästa lösningen.

Idag är bränsleceller helt ur experimentell teknik, och under de senaste 20 åren har betydande framsteg gjorts i deras bredare kommersialisering.

Det är inte förgäves som man sätter stora förhoppningar på vätebränsleceller. Under arbetets gång är miljöföroreningarna minimal, tekniska fördelar och säkerhet är uppenbara, dessutom är denna typ av bränsle i grunden autonom och kan ersätta tunga och dyra litiumbatterier.

Bränslet i en vätecell omvandlas till energi direkt under en kemisk reaktion och här erhålls mer energi än vid konventionell förbränning.Den förbrukar mindre bränsle och effektiviteten är tre gånger högre än för en liknande enhet som använder fossila bränslen.

Verkningsgraden blir ju högre, desto bättre organiserat sätt att utnyttja vattnet och värmen som genereras under reaktionen. Utsläppen av skadliga ämnen är minimala, eftersom endast vatten, energi och värme frigörs, medan även med den mest framgångsrikt organiserade processen för förbränning av traditionellt bränsle, bildas kväveoxider, svavel, kol och andra onödiga förbränningsprodukter oundvikligen.

Dessutom har konventionella bränsleindustrier i sig en skadlig effekt på miljön, och vätebränsleceller undviker en farlig invasion av ekosystemet, eftersom produktion av väte är möjlig från helt förnybara energikällor. Även läckaget av denna gas är ofarligt, eftersom det avdunstar omedelbart.

Bränslecellen spelar ingen roll från vilket bränsle väte erhålls för dess drift. Energitätheten i kWh / l kommer att vara densamma, och denna indikator ökar ständigt med förbättringen av tekniken för att skapa bränsleceller.

Själva vätgasen kan erhållas från vilken lämplig lokal källa som helst, vare sig det är naturgas, kol, biomassa eller elektrolys (genom vind, solenergi, etc.) Beroendet av regionala elleverantörer försvinner, systemen är vanligtvis oberoende av elektriska nät.

Cellens driftstemperaturer är ganska låga och kan variera från 80 till 1000 ° C, beroende på typen av element, medan temperaturen i en konventionell modern förbränningsmotor når 2300 ° C.Bränslecellen är kompakt, avger ett minimum av buller under generering, har inga utsläpp av skadliga ämnen, så den kan placeras på vilken bekväm plats som helst i systemet där den fungerar.

I princip kan inte bara elektricitet, utan även värmen som frigörs under en kemisk reaktion användas för användbara ändamål, till exempel för att värma vatten, uppvärma rum eller kyla - med detta tillvägagångssätt närmar sig effektiviteten av att generera energi i en cell 90 %.

Cellerna är känsliga för förändringar i belastningen, så när energiförbrukningen ökar måste mer bränsle tillföras. Detta liknar hur en bensinmotor eller förbränningsgenerator fungerar. Tekniskt sett implementeras bränslecellen ganska enkelt, eftersom det inte finns några rörliga delar, designen är enkel och pålitlig och sannolikheten för fel är i grunden extremt liten.

En väte-syrebränslecell med ett protonbytesmembran (till exempel «med en polymerelektrolyt») innehåller ett membran som leder protoner från en polymer (Nafion, polybensimidazol, etc.), som separerar två elektroder - en anod och en katod. Varje elektrod är vanligtvis en kolplatta (matris) med en uppburen katalysator - platina eller en legering av platinoider och andra föreningar.

På anodkatalysatorn dissocierar molekylärt väte och förlorar elektroner. Vätekatjoner transporteras över membranet till katoden, men elektroner doneras till den externa kretsen eftersom membranet inte tillåter elektroner att passera igenom. På katodkatalysatorn kombineras syremolekylen med en elektron (som tillförs av extern kommunikation) och en inkommande proton och bildar vatten, som är den enda produkten av reaktionen (i form av ånga och/eller vätska).

Ja, elbilar idag körs på litiumbatterier. Däremot kan vätebränsleceller ersätta dem. Istället för ett batteri kommer strömkällan att bära mycket mindre vikt. Dessutom kan bilens kraft ökas inte alls på grund av viktökningen på grund av tillsatsen av battericeller, utan helt enkelt genom att justera tillförseln av bränsle till systemet medan det är i cylindern. Därför har biltillverkarna höga förväntningar på vätgasbränsleceller.

För mer än 10 år sedan började arbetet med att skapa vätgasbilar i många länder runt om i världen, särskilt i USA och Europa. Syre kan utvinnas direkt från atmosfärisk luft med hjälp av en speciell filtrerande kompressorenhet placerad ombord på fordonet. Komprimerat väte lagras i en kraftig cylinder under ett tryck på cirka 400 atm. Tankning tar några minuter.

Konceptet med miljövänlig stadstransport har tillämpats i Europa sedan mitten av 2000-talet: sådana passagerarbussar har länge funnits i Amsterdam, Hamburg, Barcelona och London.I en metropol är frånvaron av skadliga utsläpp och minskat buller oerhört viktigt. Coradia iLint, det första vätgasdrivna passagerartåget på järnväg, lanserades i Tyskland 2018. År 2021 planeras ytterligare 14 sådana tåg att lanseras.

Under de kommande 40 åren kan övergången till väte som den primära energikällan för bilar revolutionera världens energi och ekonomi. Även om det nu står klart att olja och gas kommer att förbli den huvudsakliga bränslemarknaden i minst 10 år till.Ändå investerar vissa länder redan i skapandet av fordon med vätgasbränsleceller, trots att många tekniska och ekonomiska hinder måste övervinnas.

Att skapa vätgasinfrastruktur, säkra bensinstationer är huvuduppgiften, eftersom väte är en explosiv gas. Oavsett vilket, med vätgas kan fordonsbränsle och underhållskostnaderna minskas avsevärt och tillförlitligheten kan ökas.

Enligt Bloombergs prognoser kommer bilar år 2040 att förbruka 1 900 terawattimmar istället för nuvarande 13 miljoner fat per dag, vilket kommer att vara 8 % av elbehovet, medan 70 % av oljan som produceras i världen idag går till produktion av transportbränsle . Naturligtvis, vid denna tidpunkt, är utsikterna för elbilsmarknaden för batterier mycket mer uttalade och imponerande än i fallet med vätebränsleceller.

2017 var elfordonsmarknaden 17,4 miljarder dollar, medan marknaden för vätgasbilar värderades till bara 2 miljarder dollar. Trots denna skillnad fortsätter investerare att vara intresserade av väteenergi och finansiera ny utveckling.

Sålunda, 2017, skapades Hydrogen Council, som inkluderar 39 stora biltillverkare som Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Dess syfte är att forska och utveckla ny väteteknik och deras efterföljande utbredda spridning.