Ūdeņraža kurināmā elementu tendences un perspektīvas tīram transportam

Šajā rakstā galvenā uzmanība tiks pievērsta ūdeņraža kurināmā elementiem, to izmantošanas tendencēm un perspektīvām. Ūdeņraža kurināmā elementi mūsdienās pievērš arvien lielāku uzmanību automobiļu rūpniecībā, jo, ja 20. gadsimts bija iekšdedzes dzinēju gadsimts, tad 21. gadsimts var kļūt par ūdeņraža enerģijas gadsimtu automobiļu rūpniecībā. Jau šobrīd, pateicoties ūdeņraža šūnām, darbojas kosmosa kuģi, un dažās pasaules valstīs ūdeņradis elektroenerģijas ražošanai tiek izmantots jau vairāk nekā 10 gadus.

Ūdeņraža kurināmā šūna ir elektroķīmiska ierīce, piemēram, akumulators, kas ģenerē elektroenerģiju ķīmiskā reakcijā starp ūdeņradi un skābekli, un ķīmiskās reakcijas produkts ir tīrs ūdens, savukārt, piemēram, sadedzinot dabasgāzi, rodas videi kaitīgs oglekļa dioksīds.

Turklāt ūdeņraža šūnas var darboties ar lielāku efektivitāti, tāpēc tās ir īpaši perspektīvas. Iedomājieties efektīvus, videi draudzīgus automašīnu dzinējus.Bet visa infrastruktūra pašlaik ir uzbūvēta un specializēta naftas produktiem, un ūdeņraža elementu liela mēroga ieviešana automobiļu rūpniecībā saskaras ar šo un citiem šķēršļiem.

Tikmēr kopš 1839. gada ir zināms, ka ūdeņradis un skābeklis var ķīmiski apvienoties un tādējādi iegūt elektrisko strāvu, tas ir, ūdens elektrolīzes process ir atgriezenisks - tas ir apstiprināts zinātnisks fakts. Jau 19. gadsimtā sāka pētīt kurināmā elementus, taču naftas ražošanas attīstība un iekšdedzes dzinēja radīšana atstāja ūdeņraža enerģijas avotus un tie kļuva par kaut ko eksotisku, nerentablu un dārgu ražošanu.

1950. gados NASA bija spiesta izmantot ūdeņraža kurināmā elementus, un pēc tam nepieciešamības dēļ. Viņiem bija vajadzīgs kompakts un efektīvs enerģijas ģenerators savam kosmosa kuģim. Rezultātā Apollo un Gemini lidoja kosmosā ar ūdeņraža degvielas šūnām, kas izrādījās labākais risinājums.

Mūsdienās kurināmā elementi ir pilnībā izņemti no eksperimentālās tehnoloģijas, un pēdējo 20 gadu laikā ir panākts ievērojams progress to plašākā komercializācijā.

Ne velti lielas cerības tiek liktas uz ūdeņraža degvielas šūnām. Viņu darba procesā vides piesārņojums ir minimāls, tehniskās priekšrocības un drošība ir acīmredzama, turklāt šāda veida degviela ir principiāli autonoma un spēj aizstāt smagas un dārgas litija baterijas.

Ūdeņraža šūnas degviela tiek pārvērsta enerģijā tieši ķīmiskās reakcijas gaitā, un šeit tiek iegūts vairāk enerģijas nekā ar parasto sadedzināšanu.Tas patērē mazāk degvielas, un efektivitāte ir trīs reizes augstāka nekā līdzīgai ierīcei, kas izmanto fosilo kurināmo.

Jo augstāka būs efektivitāte, jo labāk organizēts reakcijas laikā radītā ūdens un siltuma izmantošanas veids. Kaitīgo vielu emisijas ir minimālas, jo izdalās tikai ūdens, enerģija un siltums, savukārt pat visveiksmīgāk organizētajā tradicionālās degvielas sadedzināšanas procesā neizbēgami veidojas slāpekļa oksīdi, sērs, ogleklis un citi nevajadzīgi sadegšanas produkti.

Turklāt tradicionālajām degvielas nozarēm ir kaitīga ietekme uz vidi, un ūdeņraža kurināmā elementi novērš bīstamu iebrukumu ekosistēmā, jo ūdeņraža ražošana ir iespējama no pilnībā atjaunojamiem enerģijas avotiem. Pat šīs gāzes noplūde ir nekaitīga, jo tā uzreiz iztvaiko.

Kurināmā elementam nav nozīmes, no kuras degvielas tās darbībai tiek iegūts ūdeņradis. Enerģijas blīvums kWh / l būs vienāds, un šis rādītājs pastāvīgi palielinās, pilnveidojoties kurināmā elementu izveides tehnoloģijai.

Pašu ūdeņradi var iegūt no jebkura ērta lokāla avota, vai tā būtu dabasgāze, ogles, biomasa vai elektrolīze (ar vēja, saules enerģiju u.c.) Pazūd atkarība no reģionālajiem elektroenerģijas piegādātājiem, sistēmas parasti ir neatkarīgas no elektrotīkliem.

Šūnas darba temperatūras ir diezgan zemas un var svārstīties no 80 līdz 1000 ° C atkarībā no elementa veida, savukārt parastā modernā iekšdedzes dzinējā temperatūra sasniedz 2300 ° C.Degvielas šūna ir kompakta, ģenerēšanas laikā rada minimālu troksni, tai nav kaitīgu vielu emisiju, tāpēc to var novietot jebkurā ērtā vietā sistēmā, kurā tā darbojas.

Principā ne tikai elektrību, bet arī siltumu, kas izdalās ķīmiskās reakcijas laikā, var izmantot lietderīgiem mērķiem, piemēram, ūdens sildīšanai, telpu apsildīšanai vai dzesēšanai - ar šo pieeju enerģijas ražošanas efektivitāte šūnā tuvosies. 90%.

Šūnas ir jutīgas pret slodzes izmaiņām, tāpēc, palielinoties enerģijas patēriņam, ir jāpavada vairāk degvielas. Tas ir līdzīgi tam, kā darbojas benzīna dzinējs vai iekšdedzes ģenerators. Tehniski degvielas šūna ir ieviesta pavisam vienkārši, jo tajā nav kustīgu detaļu, dizains ir vienkāršs un uzticams, un atteices iespējamība būtībā ir ārkārtīgi maza.

Ūdeņraža-skābekļa kurināmā elementā ar protonu apmaiņas membrānu (piemēram, «ar polimēra elektrolītu») ir membrāna, kas vada protonus no polimēra (Nafiona, polibenzimidazola u.c.), kas atdala divus elektrodus - anodu un katodu. Katrs elektrods parasti ir oglekļa plāksne (matrica) ar nesošu katalizatoru - platīnu vai platinoīdu un citu savienojumu sakausējumu.

Uz anoda katalizatora molekulārais ūdeņradis sadalās un zaudē elektronus. Ūdeņraža katjoni tiek transportēti pa membrānu uz katodu, bet elektroni tiek nodoti ārējai ķēdei, jo membrāna neļauj elektroniem iziet cauri. Katoda katalizatorā skābekļa molekula apvienojas ar elektronu (kuru piegādā ārējie sakari) un ienākošo protonu un veido ūdeni, kas ir vienīgais reakcijas produkts (tvaika un/vai šķidruma veidā).

Jā, elektromobiļi mūsdienās darbojas ar litija akumulatoriem. Tomēr ūdeņraža degvielas šūnas var tos aizstāt. Akumulatora vietā strāvas avots izturēs daudz mazāku svaru. Turklāt automobiļa jaudu var palielināt nemaz nevis no svara pieauguma, ko izraisa akumulatora elementu pievienošana, bet gan vienkārši regulējot degvielas padevi sistēmai, kamēr tā atrodas cilindrā. Tāpēc automašīnu ražotājiem ir lielas cerības uz ūdeņraža degvielas elementiem.

Pirms vairāk nekā 10 gadiem darbs pie ūdeņraža automobiļu radīšanas sākās daudzās pasaules valstīs, īpaši ASV un Eiropā. Skābekli var iegūt tieši no atmosfēras gaisa, izmantojot īpašu filtrēšanas kompresoru, kas atrodas transportlīdzeklī. Saspiestais ūdeņradis tiek uzglabāts lieljaudas cilindrā aptuveni 400 atm spiedienā. Degvielas uzpilde aizņem dažas minūtes.

Videi draudzīga pilsētas transporta koncepcija Eiropā tiek pielietota kopš 2000. gadu vidus: šādi pasažieru autobusi jau sen ir sastopami Amsterdamā, Hamburgā, Barselonā un Londonā.Metropolē kaitīgo izmešu neesamība un trokšņa samazināšana ir ārkārtīgi svarīga. 2018. gadā Vācijā tika palaists pirmais ar ūdeņradi darbināms dzelzceļa pasažieru vilciens Coradia iLint. Līdz 2021. gadam plānots palaist vēl 14 šādus vilcienus.

Nākamo 40 gadu laikā pāreja uz ūdeņradi kā primāro enerģijas avotu automašīnām var radīt apvērsumu pasaules enerģētikā un ekonomikā. Lai gan tagad ir skaidrs, ka nafta un gāze paliks galvenais degvielas tirgus vēl vismaz 10 gadus.Tomēr dažas valstis jau investē transportlīdzekļu izveidē ar ūdeņraža degvielas elementiem, neskatoties uz to, ka ir jāpārvar daudzi tehniski un ekonomiski šķēršļi.

Ūdeņraža infrastruktūras, drošu degvielas uzpildes staciju izveide ir galvenais uzdevums, jo ūdeņradis ir sprādzienbīstama gāze. Jebkurā gadījumā ar ūdeņradi var ievērojami samazināt transportlīdzekļa degvielas un apkopes izmaksas un palielināt uzticamību.

Saskaņā ar Bloomberg prognozēm, līdz 2040. gadam automašīnas patērēs 1900 teravatstundu pašreizējo 13 miljonu barelu vietā dienā, kas būs 8% no elektroenerģijas pieprasījuma, savukārt 70% no pasaulē šodien saražotās naftas nonāk transporta degvielas ražošanā. . Protams, šobrīd akumulatoru elektrisko transportlīdzekļu tirgus izredzes ir daudz izteiktākas un iespaidīgākas nekā ūdeņraža degvielas elementu gadījumā.

2017. gadā elektrisko transportlīdzekļu tirgus bija 17,4 miljardi ASV dolāru, savukārt ūdeņraža automašīnu tirgus vērtība bija tikai 2 miljardi ASV dolāru. Neskatoties uz šo atšķirību, investori joprojām interesējas par ūdeņraža enerģiju un finansē jaunus projektus.

Tādējādi 2017. gadā tika izveidota Ūdeņraža padome, kurā ietilpst 39 lielākie autoražotāji, piemēram, Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Tās mērķis ir pētīt un attīstīt jaunas ūdeņraža tehnoloģijas un to turpmāko plašo izplatību.