Vodíkové palivo - Hydrogen fuel

Vodíkové palivo je nulové emise palivo hořel kyslíkem. Může být použit v palivové články nebo vnitřní spalovací motory. Začalo se používat v reklamě vozidla s palivovými články, takové osobní automobily, a byl používán v autobusy na palivové články po mnoho let. Používá se také jako palivo pro pohon kosmické lodi.

Od roku 2018 se většina vodíku (∼95%) vyrábí z fosilních paliv do parní reformování nebo částečná oxidace metan a zplyňování uhlí - pouze s malým množstvím alternativních cest, jako je zplyňování biomasy nebo elektrolýza vody[1][2] nebo sluneční termochemie,[3] A solární palivo bez emisí uhlíku.

Vodík se nachází v první skupině a prvním období v periodická tabulka, tj. je to nejlehčí a první prvek ze všech. Vzhledem k tomu, že hmotnost vodíku je menší než vzduch, stoupá v atmosféře, a proto se zřídka vyskytuje v jeho čisté formě, H2.[4] V plameni čistého plynného vodíku hořícího na vzduchu je vodík (H2) reaguje s kyslík (Ó2) tvořit voda (H2O) a uvolňuje energii.

2H2 (g) + O.2 (g) → 2H2O (g) + energie

Pokud se spalování vodíku provádí v atmosférickém vzduchu namísto čistého kyslíku, jak je tomu obvykle, může to vést k malému množství oxidy dusíku spolu s vodní párou.

Uvolněná energie umožňuje vodíku působit jako palivo. V elektrochemickém článku může být tato energie použita s relativně vysokou účinností. Pokud se používá jednoduše na teplo, obvyklé termodynamika limity na tepelná účinnost aplikovat.

Vodík je obvykle považován za nosič energie, jako je elektřina, protože musí být vyráběn z primárního zdroje energie, jako je sluneční energie, biomasa, elektřina (např. Ve formě solární PV nebo pomocí větrných turbín) nebo uhlovodíků, jako je zemní plyn nebo uhlí.[5] Konvenční výroba vodíku pomocí zemního plynu vyvolává významné dopady na životní prostředí; stejně jako při použití jakéhokoli uhlovodíku se uvolňuje oxid uhličitý.[6] Současně přidání 20% vodíku (optimální podíl, který neovlivňuje plynové potrubí a spotřebiče) do zemního plynu může snížit emise CO2 způsobené ohřevem a vařením.[7]

Výroba

Hlavní článek: Výroba vodíku

Protože čistý vodík se na Zemi přirozeně nevyskytuje ve velkém množství, obvykle vyžaduje a primární energie vstup do výroby v průmyslovém měřítku.[8] Vodíkové palivo lze vyrábět z metanu nebo elektrolýzou vody.[9] Od roku 2020 se většina vodíku (∼95%) vyrábí z fosilních paliv do parní reformování nebo částečná oxidace metan a zplyňování uhlí pouze s malým množstvím jinými cestami, jako je zplyňování biomasy nebo elektrolýza vody.[10][2][11]

Reforma parního metanu, současná přední technologie pro výrobu vodíku ve velkém množství,[12] extrahuje vodík z metan. Tato reakce však uvolňuje fosilie oxid uhličitý a kysličník uhelnatý do atmosféry, které jsou skleníkové plyny exogenní pro přírodní uhlíkový cyklus, a tím přispět ke změně klimatu.[4] Při elektrolýze je elektřina vedena vodou k oddělení atomů vodíku a kyslíku. Tato metoda může využívat větrné, solární, geotermální, vodní, fosilní paliva, biomasu, jadernou energii a mnoho dalších zdrojů energie.[5] Získávání vodíku z tohoto procesu je studováno jako životaschopný způsob, jak jej vyrobit na domácím trhu za nízkou cenu.

Shinzo Abe prohlídky zařízení FH2R v březnu 2020

Je nárokováno největší zařízení na výrobu vodíkového paliva na světě[13] být Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R), výrobní jednotka vodíku třídy 10MW, slavnostně otevřena 7. března 2020, v Namie, Prefektura Fukušima.[14] Tato stránka zabírá 180 000 metrů čtverečních půdy, z nichž většinu zabírá a solární pole; ale k vedení se používá také energie ze sítě elektrolýza vody k výrobě vodíkové palivo. [13]

Energie

Vodík je ve velkém množství uzavřen ve vodě, uhlovodících a dalších organických látkách. Jednou z výzev používání vodíku jako paliva je schopnost efektivně extrahovat vodík z těchto sloučenin. Nyní tvoří většinu vyrobeného vodíku parní reformování, které kombinuje vysokoteplotní páru se zemním plynem.[15] Tato metoda výroby vodíku probíhá při teplotách mezi 700-1100 ° C a má výslednou účinnost mezi 60-75%.[16] Vodík lze také vyrábět z vody elektrolýzou, která je méně náročná na uhlík, pokud elektřina použitá k řízení reakce nepochází z elektráren na fosilní paliva, ale spíše z obnovitelné nebo jaderné energie. Účinnost elektrolýzy vody se pohybuje mezi asi 70-80%,[17][18] s cílem dosáhnout do roku 2030 účinnosti 82–86% pomocí elektrolyzérů s protonovou výměnnou membránou (PEM).[19] Jakmile je vodík vyroben, může být použit podobně jako zemní plyn - může být dodáván do palivových článků k výrobě elektřiny a tepla, využíván v plynové turbíně s kombinovaným cyklem k výrobě většího množství centrálně vyrobené elektřiny nebo spalován pro spalování motor; všechny metody neprodukující žádné emise uhlíku ani metanu.[20] V každém případě je vodík kombinován s kyslíkem za vzniku vody. To je také jedna z jeho nejdůležitějších výhod, protože vodíkové palivo je šetrné k životnímu prostředí. Teplo ve vodíkovém plameni je zářivá emise z nově vytvořených molekul vody. Molekuly vody jsou v excitovaném stavu při počáteční tvorbě a poté přechodu do základního stavu; přechod uvolňující tepelné záření. Při hoření na vzduchu je teplota zhruba 2000 ° C (stejná jako u zemního plynu). Historicky byl nejpraktičtějším nosičem energie uhlík, protože vodík a uhlík jsou kombinovány objemově hustší, ačkoli samotný vodík má trojnásobek hustota energie na hmotnost jako metan nebo benzín. I když je vodík nejmenším prvkem, a má tedy o něco vyšší sklon k úniku z úctyhodných potrubí na zemní plyn, jako jsou potrubí ze železa, očekává se, že únik z plastových (polyethylenových PE 100) potrubí bude velmi nízký, přibližně 0,001%.[21][22]

Důvodem, proč se reformování parního metanu tradičně upřednostňuje před elektrolýzou, je to, že zatímco reformování metanu přímo využívá zemní plyn, elektrolýza vyžaduje elektřinu. Vzhledem k tomu, že náklady na výrobu elektřiny (pomocí větrných turbín a solární PV) klesnou pod cenu zemního plynu, elektrolýza bude levnější než SMR.[23]

Použití

Hlavní článek: Vodíková ekonomika

Vodíkové palivo může poskytnout hnací síla pro rakety na kapalná paliva, auta, vlaky, lodě a letadla, přenosné aplikace palivových článků nebo stacionární aplikace palivových článků, který může pohánět elektromotor.[24] Problémy s používáním vodíkového paliva v automobilech vyplývají ze skutečnosti, že vodík je obtížně skladovatelný ve vysokotlaké nádrži nebo kryogenní nádrži.[25]

Přestavby spalovacího motoru na vodík

Spalovací motory v užitkových vozidlech byly ve Velké Británii přestavěny na provoz na směs vodík-nafta,[když? ] kde bylo za normálních jízdních podmínek sníženo až 70% emisí. To eliminuje úzkost z dojezdu, protože vozidla se mohou plnit naftou. Jsou nutné drobné úpravy motorů, stejně jako přidání vodíkových nádrží při kompresi 350 barů.[26] Nyní probíhají zkoušky, které testují účinnost 100% přestavby těžkého nákladního vozidla Volvo FH16 na použití pouze vodíku. Dojezd se očekává na 300 km / 17 kg;[27] což znamená lepší účinnost než u standardního vznětového motoru[28] (Kde ztělesněná energie z 1 galon benzínu se rovná 1 kilogramu vodíku ). Při nízké ceně vodíku (5 EUR / kg),[29] takovou přeměnou v Evropě nebo ve Velké Británii lze dosáhnout významných úspor paliva. Pro konkurenci benzinu v USA by byla nutná nižší cena, protože benzín není vystaven vysokým daním u pumpy.

Palivové články

Hlavní článek: Vozidlo s palivovými články

Používat palivový článek k napájení elektrický motor je dvakrát až třikrát účinnější než použití spalovacího motoru. To znamená, že při použití vodíku v palivovém článku je k dispozici mnohem větší spotřeba paliva.

Kritika

Vodíkové palivo je nebezpečné kvůli nízké energii zapalování a vysoké energii spalování vodíku a protože má tendenci snadno unikat z nádrží.[30] Byly hlášeny výbuchy na čerpacích stanicích s vodíkem.[31] Vodíkové čerpací stanice obecně přijímají dodávky vodíku nákladními automobily od dodavatelů vodíku. Přerušení provozu na dodávku vodíku může odstavit více stanic na zásobování vodíkem.[32]

Viz také

Reference

Poznámky

  1. ^ Roberts, David (16.02.2018). „Tato společnost možná vyřešila jeden z nejtěžších problémů čisté energie“. Vox. Citováno 2019-10-30.
  2. ^ A b Ogden, J. M. (1999). „Vyhlídky na vybudování vodíkové energetické infrastruktury“. Výroční zpráva o energii a životním prostředí. 24: 227–279. doi:10.1146 / annurev.energy.24.1.227.
  3. ^ „Otázky a odpovědi: Christian Sattler společnosti DLR o úloze solární termochemie při výrobě zeleného vodíku“. SolarPACES.org.
  4. ^ A b Altork, L.N. & Busby, J. R. (říjen 2010). Vodíkové palivové články: součást řešení. Učitel technologie a inženýrství, 70 (2), 22-27.
  5. ^ A b Florida Solar Energy Center. (n.d.). Základy vodíku. Citováno z: http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/hydrogen/basics/index.htm
  6. ^ Zehner, Ozzie (2012). Zelené iluze. Lincoln a Londýn: University of Nebraska Press. s. 1–169, 331–42.
  7. ^ „Naděje na změnu klimatu pro vodíkové palivo“. BBC novinky. 2. ledna 2020.
  8. ^ Wang, Feng (březen 2015). „Termodynamická analýza vysokoteplotního reformování paliva zahřátého heliem na výrobu vodíku“. International Journal of Energy Research. 39 (3): 418–432. doi:10.1002 / er.3263.
  9. ^ Jones, J.C. (březen 2015). „Energetická návratnost energie investovaná pro vodíkové palivo z parního reformování zemního plynu“. Palivo. 143: 631. doi:10.1016 / j.fuel.2014.12.027.
  10. ^ Roberts, David (16.02.2018). „Tato společnost možná vyřešila jeden z nejtěžších problémů čisté energie“. Vox. Citováno 2019-10-30.
  11. ^ "Emise životního cyklu vodíku". 4. generace. Energie. Citováno 2020-05-27.
  12. ^ Americké ministerstvo energetiky. (2007 únor). Potenciál pro výrobu vodíku z klíčových obnovitelných zdrojů ve Spojených státech. (Technická zpráva NREL / TP-640-41134). National Renewable Energy Laboratory Golden, CO: Milbrandt, A. & Mann, M. Citováno z: http://www.afdc.energy.gov/afdc/pdfs/41134.pdf
  13. ^ A b „Největší světová výroba vodíku, Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R), je nyní dokončena ve městě Namie ve Fukušimě“. Tiskové zprávy společnosti Toshiba Energy. Korporace pro energetické systémy a řešení Toshiba. 7. března 2020. Citováno 1. dubna 2020.
  14. ^ „Slavnostní zahájení výzkumného pole pro vodíkovou energii ve Fukušimě (FH2R) pořádané předsedou vlády Abem a ministrem METI Kajiyamou“. Zprávy METI. Ministerstvo hospodářství, obchodu a průmyslu. 9. března 2020. Citováno 1. dubna 2020.
  15. ^ „Alternativní palivo - datové centrum: základy vodíku“. www.afdc.energy.gov. Citováno 2016-02-27.
  16. ^ Kalamaras, Christos M .; Efstathiou, Angelos M. (2013). „Technologie výroby vodíku: současný stav a budoucí vývoj“. Konferenční příspěvky v energetice. 2013: 1–9. doi:10.1155/2013/690627.
  17. ^ Stolten, Detlef (4. ledna 2016). Vodíková věda a inženýrství: materiály, procesy, systémy a technologie. John Wiley & Sons. str. 898. ISBN  9783527674299. Citováno 22. dubna 2018.
  18. ^ „ITM - Infrastruktura pro doplňování vodíku - únor 2017“ (PDF). level-network.com. str. 12. Citováno 17. dubna 2018.
  19. ^ „Snížení nákladů a zvýšení výkonu elektrolyzérů PEM“ (PDF). fch.europa.eu. Společný podnik na palivové články a vodík. str. 9. Citováno 17. dubna 2018.
  20. ^ Ono, Katsutoshi (leden 2015). „Základní teorie kombinovaného energetického cyklu elektrostatického indukčního elektrolytického článku a palivového článku k výrobě plně udržitelné vodíkové energie“. Elektrotechnika v Japonsku. 190 (2): 1–9. doi:10,1002 / eej.22673.
  21. ^ „Energetické myšlenky a překvapení“. 2016-11-17. Citováno 22. dubna 2018.
  22. ^ Sadler, Dan (04.04.2018). „100% vodík vše odemkne“. medium.com. cH2ange. Citováno 22. dubna 2018.
  23. ^ Philibert, Cédric. „Komentář: Výroba průmyslového vodíku z obnovitelné energie“. iea.org. Mezinárodní energetická agentura. Citováno 22. dubna 2018.
  24. ^ Colella, W.G. (říjen 2005). „Přechod na americký vozový park s vodíkovými palivovými články: výsledná změna v emisích, spotřebě energie a skleníkových plynech“. Journal of Power Sources. 150 (1/2): 150–181. Bibcode:2005JPS ... 150..150C. doi:10.1016 / j.jpowsour.2005.05.092.
  25. ^ Zubrin, Robert (2007). Energy Victory: Winning the War on Terror by Breaking Free of Oil. Amherst, New York: Prometheus Books. str.121. ISBN  978-1-59102-591-7.
  26. ^ Dalagan, Marie Terezie. „ULEMCO vyvíjí vozidla na vodíkový pohon“. freightwaves.com. Citováno 22. dubna 2018.
  27. ^ „Britská firma předvedla„ první “nákladní vůz na spalovací motor na vodík na světě“. theengineer.co.uk. Centaur Media plc. 17. 04. 2018. Citováno 22. dubna 2018.
  28. ^ Mårtensson, Lars. „Emise z nákladních vozidel Volvo“ (PDF). volvotrucks.com. str. 3. Citováno 22. dubna 2018.
  29. ^ André Løkke, Jon. „Široké přizpůsobení konkurenčního řešení vodíku“ (PDF). nelhydrogen.com/. Nel ASA. str. 16. Citováno 22. dubna 2018.
  30. ^ Utgikar, Vivek P; Thiesen, Todd (2005). „Bezpečnost nádrží na stlačený vodík: Únik z stojícího vozidla“. Technologie ve společnosti. 27 (3): 315–320. doi:10.1016 / j.techsoc.2005.04.005.
  31. ^ Dobson, Geoff (12. června 2019). „Explodující vodíková stanice vede k zastavení FCV“. EV Talk.
  32. ^ Woodrow, Melanie. „Oblast zátoky po výbuchu trpí nedostatkem vodíku“, Zprávy ABC, 3. června 2019

Bibliografie