PREVOZNA SREDSTVA NA GORIVNE CELICE

SEMINARSKA NALOGA

UVOD

Prevozništvo je velik potrošnik energije po svetu. V ZDA prevozništvo je odgovoren za 28% uporabe primarne energije pa tudi eno tretjino CO2 emisij v ZDA. Velika večina avtomobilov in tovornjakov ima pogon na izgorevanje goriv iz ogljikovodikov. Prevozništvo je zanimiv sektor za raziskave ker porabi ogromno energije in ima velik vpliv na okolje. Gorivne celice so zato podvržene intenzivnim raziskavam in razvoju za uporabo v elektrarnah ali prevoznih sredstvih.

V 1950-ih in 1960-ih letih je NASA uporabila prve gorivne celice, ki jih poganjajo vodik in kisik za napajanje zgodnjih poletov v vesolje in preskrbo z prenosno vodo za astronavte. Kasneje so se začele raziskave vodika kot gorivo in nastajanje prvih prevoznih sredstev z gorivnimi celicami.

GORIVNE CELICE

Gorivna celica je elektrokemična naprava, ki združuje vodik in kisik in pri tem tvori elektriko in vodo kot stranski produkt. Gorivne celice vsebujejo 2 elektrodi: anodo in katodo.

Slika 1: Shema gorivne celice

Čisti vodik vstopi v kanal, ki poteka ob anodi. Na anodi vodik reagira s katalizatorjem, pri čemer nastane pozitivni ion ( H+)in negativno nabit ion (elektron).

H2 → 2H- + 2e-

Proton preide skozi membrano, ki prepušča samo protone (Polymer Electrolyte Membrane – PEM) in naprej potuje skozi elektrolit, elektron pa se pred membrano loči od protona in gre po zunanjem tokokrogu do katode zaradi česar začne teči tok. Pri katodi, vlažen zrak vstopi v kanal in se razširi proti katalizatorju na katodi. Na katalizatorju, ki je ponavadi platina- Pt, se vodikovi protoni znova združijo z elektroni in kisikovimi molekali iz zraka ter s tem tvorijo vodo in toploto.

1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O + toplota

Odpadna toplota daje PEM gorivnim celicam, ki so še najbolj primerne za napajanje potniških vozil, temperaturo 60-80°C.

Tipi gorivnih celic

Obstaja 5 različnih glavnih tipov gorivnih celic. Mnogo gorivnih celic napaja vodik v plinastem stanju, ki ga pridobivajo iz različnih virov. Poznamo alkalno gorivno celico ( AFC ) polimerno elektrolitno membransko gorivno celico ( PEMFC ), trdno oksidno gorivno celico ( SOFC ), gorivno celico s fosforjevo kislino ( PAFC ) in gorivno celico s stopljenim karbonatom ( MCFC ). Nekatere od teh celic so danes že komercialno razpoložljive. Vsaka gorivna celico ima svojo kemično sestavo in lastnosti. Te značilnosti pomagajo definirati uporabo teh celic.

Na primer nizkotemperaturne PEMFC in DMFC gorivne celice se lahko uporabljajo za napajanje potniških vozil, visokotemperaturne MCFC in PAFC gorivne celice so pa uporabne pri stacionarni proizvodnji energije.

Poznamo tudi nekatere druge gorivne celice, ki so trenutno še v razvoju: Regenerative Fuel Cells (RFCs), Zinc Air Fuel Cells (ZAFCs) in Microbial Fuel Cells (MFCs).

Cena in rok trajanja so veliki izzivi pri komercializaciji gorivnih celic. Vendar pa ovire variirajo glede na uporabo tehnologije. Velikost, teža in termalna ter vodno upravljanje so ovire za komercializacijo. Posebej pri prevozništvu, so te tehnologije problematične zaradi visokih cen pridobivanja vodika in novih tehnologij, uporabe ustreznih gorivnih celic, velikosti sistema, tehnologij ohlajevanja celic, itd.

TEHNOLOGIJA – AVTOMOBILI NA VODIK

Leta 1991 so naredili prvi avtomobil na vodikove gorivne celice. Seveda so za to tehnologijo vedeli že prej a se zaradi različnih težav takrat ni uveljavila.

Klasičen motor na bencin ima relativno nizko učinkovitost(20-30%), motor na dizel pa malo višjo (30-40%). Dizelski motor ima relativno visoke cene vzdrževanja, možno usedanje parafina v nizkih temperaturah, visoka občutljivost na nečistoče.

Pri vodiku kot gorivo je gorivna celica 2-3 x bolj učinkovita od motorja z notranjim izgorevanjem pri pretvarjanju goriva v moč. Učinkovitost samih celic je 40-50% a z odpadno toploto ki se generira pri vezavi vodika in kisika pa učinkovitost poveča na kar 85%.

Vozila na gorivne celice delujejo na vodik v plinastem stanju in ne oddajajo škodljivih snovi, saj je produkt vezave vodika in kisika voda. Sam avto pa oddaja majhne delce zaradi obrabe zavor in pnevmatik.

Seveda morajo taka vozila premagati kar nekaj ovir preden bodo postala kompetitivna klasičnim vozilom, ampak potencialne prednosti te tehnologije so precejšnje. Danes so predvsem ovire pri komercialni izdelavi takih avtomobilov pri visoki ceni in pomanjkanju potrebne infrastrukture (zaloga vodika, skladiščenje). Odločilen faktor je komercializacija teh elementov in vodika kot gorivo.

Vozila na gorivne celice izgledajo kot klasična vozila od zunaj, ampak znotraj vsebujejo tehnološko napredne komponente, ki jih v današnjih vozilih ne najdemo. Najbolj očitna razlika je sklad gorivnih celic, ki pretvori vodik z kisikom iz zraka v elektriko za električni motor, ki poganja vozilo.

Slika 2: shema avtomobila na vodikove gorivne celice

Prednost motorjev, ki delujejo na plinasto gorivo je nižja cena, daljša življenjska doba, ker to gorivo nima težkih ogljikovodikov, katerih produkti tvorijo oljnate usedline na stenah izgorevalne komore, hrup iz motorja se zmanjša, življenjska doba svečk se poveča, nižje emisije škodljivih snovi, itd. Kljub temu pa imajo tudi nekaj slabosti: nekateri deli morajo biti narejeni iz posebnega

jekla zaradi višjih temperature, moč motorja je nižja, naravni plin je bolj eksploziven, hlapen in zlahka uide. Naslednja težava je tudi zmanjšanje pritiska med uporabo pa tudi dobro znana krhkost in razpokanje kovinskih delov zaradi izpostavitve vodiku.

Veliko področje raziskav in napredka za električna vozila je izboljšanje sistema za shranjevanje energije: povečanje gostote energije, povečanje razpona med polnjenji, zmanjšanje časa samega polnjenja. Ovira električnih vozil je tudi sposobnost baterij, da shranjujejo samo omejeno količino energije v primerjavi z tekočimi gorivi. Pri tehnologiji gorivnih celic takih težav ni, saj se vodik neposredno pretvarja v vodo in pri tem takoj sprosti energijo.

Napajanje

Napajalne postaje za vodikove avtomobile lahko proizvajajo vodik na mestu ali pa ga prejemajo preko dostavnih tovornjakov. V vsakem primeru imajo postaje potrebno opremo za stiskanje, shranjevanje in razdelitev vodikovega goriva. Stiskanje vodika na 350 ali 700 bar zmanjša volumen in ga lahko spravijo v posebne rezervoarje. Na nekaj mestih je vodik spravljen v tekoči obliki, ki je pretvorjen v plinasto stanje in stisnjen preden ga razdelijo. Raziskovalci še raziskujejo dodatne načine skladiščenja.

Skladiščenje v vozilih je izziv za avtomobilske inženirje, ki so omejeni z velikostnimi in težnimi omejitvami medtem ko skušajo doseči isto vozno razdaljo današnjih vozil, ki delujejo na bencin. Precej nedavnih vozil na gorivne celice so ali dosegli ali presegli ta mejnik z novo dizajniranim rezervoarjem. Dandanes se uporabljajo stisnjeni ali tekoči rezervoarji vodika. V prihodnosti lahko postanejo možne nove tehnologije, kot so kovinski in kemijski hidridi. Druga možnost bi bila tudi shranjevanje sestavine, ki vsebujejo vodik na vozilu in ekstrahiranje vodika z gorivnim reformatorjem.

Varnost

Čeprav je bil vodik do zdaj varno pridelan, razdeljen in uporabljen v kemijski industriji, pa te varnostni postopki in tehnologije nudijo omejeno vodenje za mobilne vodikove vloge. V primeru vozil na vodikove gorivne celice je vodik uporabljen v razmeroma majhnih količinah in v določeni infrastrukturi in večina ljudi ni posebej izurjeni o varnosti pri rokovanju z eksplozivnimi plini. Prehod v vozilih od tekočih ogljikovodikov na plinast vodik zahteva prilagoditve v avtomobilski zasnovi in varnostni tehnologiji na posebne lastnosti vodika. Javnost bo sprejela vodikovo tehnologijo le, če bo dosežena podobna varnostna raven kot pri klasičnih vozilih. To zahteva sistematično preiskavo obnašanja vodika v normalnih okoliščinah, preiskavo morebitnih okvar na sestavnih delih, preiskavo trkov vozil ter storitev in popravil. Nesprejemljiva tveganja morajo biti odkrita zgodaj in onemogočena z ukrepi, preden se vodikove tehnologije sprejmejo.

Za to obstajajo posebne metode zagotavljanja in raziskovanja varnosti.

Novosti

28. marec 2012 –na Hondini strani sem zasledila da Honda predstavlja sončno vodikovo postajo(Solar Hydrogen Station) na posesti prefekture Saitama; FCX Clarity v programu testiranja električnega vozila za mobilni električni generator

 Pobuda je del programa testiranja električnega vozila za novo generacijo Hondinih proizvodov za osebno mobilnost, v katerem trenutno sodelujejo Honda, Iwatani in Prefektura Saitama. V

svoji drugi pobudi je Honda svoj FCX Clarity, električno vozilo na gorivne celice, opremila z izhodnim priključkom, da deluje kot 9 kW vir napajanja. Ker FCX Clarity na podlagi kemične reakcije med vodikom in kisikom proizvaja energijo brez izpustov CO2, bo vozilo s svojim novim priključkom lahko služilo za mobilni električni generator brez izpustov.

To je na Japonskem prva postavitev kompletnega sistema za proizvodnjo, shranjevanje in oddajanje vodika brez izpustov CO2. Visokotlačni sistem vodne elektrolize, ki ga je Honda sama razvila, proizvaja vodik. Brez mehanskega kompresorja je to praktično neslišen sistem z visokim energijskim izkoristkom. Z uporabo sončne in električne energije iz omrežja lahko proizvede 1,5 kg vodika v 24 urah, kar zadošča vozilu FCX Clarity za okoli 150-kilometrsko pot. Honda namerava sistem razvijati naprej kot ponudbo čistih virov energije za dom prihodnosti.

Marca 2009 sta Honda in prefektura Saitama sklenili sporazum o ekološkem sodelovanju. Na podlagi tega sporazuma Honda od decembra 2010 izvaja v Saitami program testiranja električnega vozila, ki vključuje napredno tehnologijo električnega pogona, komunikacije in telematiko za dosego cilja nizkoogljične mobilne družbe prihodnosti.

V okviru tega programa bo sončna vodikova postaja na sedežu prefekture Saitama predstavljala družbo prihodnosti, ki jo poganja vodik. Ta instalacija bo Hondi omogočila obsežna testiranja tehnoloških zmožnosti in zahtev za obratovanje sončne vodikove postaje v dejanskem urbanem okolju.

Slika 3: Avtomobil na vodikove gorivne celice pred napajalno postajo

O Hondinih raziskavah gorivnih celic

V prizadevanjih, da bi nadomestili fosilna goriva, zmanjšali izpuste in se učinkovito spopadli s podnebnimi spremembami, je Honda že nekaj časa na čelu razvoja tehnologije gorivnih celic, v katerih vidi najboljši vir čiste energije. Kot predstavnik družbe prihodnosti, ki jo poganja vodik, je FCX Clarity, električno vozilo na gorivne celice, ki med delovanjem ne izpušča CO2, prišel na ameriški trg z možnostjo najema v juliju 2008, na japonskega pa novembra istega leta. Prepričana v ključni pomen za odpravo izpustov CO2 med proizvodnjo, shranjevanjem in dobavo vodikovega goriva, je Honda januarja 2010 v losangeleškem centru svoje ameriške družbe za raziskave in razvoj (Honda R&D Americas, Inc.) dala v poskusno obratovanje novo generacijo svoje kompaktne, tihe in poceni sončne vodikove postaje za domačo rabo.

FCX Clarity

FCX Clarity ima že praktične vozne sposobnosti z dosegom 570 km (Hondini izračuni) in končno hitrost omejeno na 160 km/h. Na Japonskem in v ZDA so to popolnoma novo vozilo na gorivne celice, narejeno na osnovi študijske različice FCX Clarity, začeli v omejenem obsegu tržiti že leta 2008.

Kljub zahtevnim pogojem v zvezi s postavitvijo gorivnih celic ima FCX Clarity privlačno obliko. Njegove značilne poteze so kratek sprednji del, nagnjeno sprednje steklo in nizka strešna linija, ki se strmo prevesi v zadek. Oblikovanje notranjosti je enako futuristično z nizkopodno in udobno prostorno kabino

Za elegantno limuzinsko obliko z nizko lego in tudi za prostorne notranje dimenzije gre nemara zasluga posebni postavitvi gorivnih celic (V Flow) na karoserijski osnovi v osrednjem delu vozila. Kompakten in zmogljiv sklad celic, domiselno razporejenih v novo zasnovanem sredinskem tunelu, pomeni pomembne izboljšave tako okoljskih kot voznih karakteristik.

V nasprotju s starejšimi skladi gorivnih celic, kjer je bil tok vodika in vode, ki nastajata med pridobivanjem električne energije, vodoraven, je pri novem poskusnem FCX ta tok usmerjen navpično in izkorišča težnost za odvajanje vode, kar je ključnega pomena za dober efektivni izkoristek. Rezultat je stabilna energetska oskrba v širokem območju obratovalnih razmer in za 14 kW večja izhodna moč iz 20 odstotkov manjšega ter 30 % lažjega sistema v primerjavi s skladom gorivnih celic prejšnjega FCX.

Elektromotor in menjalnik sta postavljena soosno, zato je zasnova bolj kompaktna, izhodna moč motorja pa je povečana za 15 kW na zdajšnjih 95 kW. Pogonski sklop je za 180 kg lažji in 40 odstotkov manjši.

Zalogo energije in dodatno pomoč zagotavlja visoko zmogljiva litijeva baterija, ki zbira obnovljeno energijo, nastalo med zaviranjem. Izboljšave glavnih komponent pogonskega sklopa omogočajo vozilu za okoli 30 % daljšo potovalno razdaljo od prejšnjega FCX 2005.

Približno 60 % efektivni energetski izkoristek sistema je okoli trikrat tolikšen kot pri vozilu z bencinskim motorjem, dvakrat večji od hibridnega sistema in 10 % boljši kot pri starem FCX. Tudi zagon v hladnem vremenu je daleč učinkovitejši in je mogoč vse do –30 °C.

Med nadaljnjimi izboljšavami so še menjalnik z elektronsko krmiljenim prestavljanjem in novo zasnovana instrumentna plošča s preglednim prikazom porabe vodikovega goriva. V skladu s svojimi močnimi okoljskimi referencami ima novi FCX sedežne prevleke in obloge vrat narejene iz t. i. Hondine biotkanine, materiala na rastlinski osnovi z izredno trpežnostjo in odpornostjo proti škodljivemu vplivu sončnih žarkov.

GORIVNE CELICE IN OKOLJE

Problem zaščite okolja je še posebej množično izkoriščanje motornih prevoznih sredstev. Izpust polutantov iz prevoznih sredstev se je zelo povišal in se bo višal še naprej zaradi vedno večjega povpraševanja po motornih vozilih.

Z menjavo tradicionalnih goriv z vodikom, električno energijo, biogorivom oziroma alternativnimi energijskimi nosilci, bi lahko radikalno zmanjšali škodljive emisije. Vendar pa imajo tudi te alternativne tehnologije svoje pomanjkljivosti. Uporaba biodizla, etanola, metanola in drugih goriv rastlinskega izvora povišujejo cene agrikulturnih pridelkov in le delno zmanjšujejo emisije v okolje. Visoka cena in nizka kapaciteta fotoelektričnih pretvornikov delajo njihove uporabnike nekonkurenčne. Zato bi lahko vodik imel največji interes izmed razpoložljivimi alternativami.

Ampak tudi če bi alternativna goriva neposredno uporabljali na vozilih to še ne bi nujno vodilo v zmanjšanje celotnega onesnaženja, bi pa ga zelo zmanjšalo na enem področju, in v kombinaciji z drugimi tehnologijami celo drastično zmanjšalo.

Graf 1: Emisije toplogrednih plinov pri izgorevanju različnih gorivreport

Ker gorivne celice temeljijo na elektrokemičnih procesih namesto na izgorevanju, so emisije precej manjše od tudi najbolj čistih procesov pri katerih gorivo izgoreva.

Gorivne celice so tudi izjemno tihe (60dB-glasnost pogovora), ker nimajo premikajočih delov in ne uporabljajo izgorevanja, so trajne in učinkovite.

Graf 2: Shema hrupa

OSTALA PREVOZNA SREDSTVA

Nedavno so zgradili osebni helikopter težak 104.3 kg (230 lb), ki lahko leti na vodikovo gorivo. Zmožen je nositi tovor težak 362.8 kg (800 lbs) za 90 minut. Prilagojen z lahkomi kontrolami lahko doseže hotrost 185.2 km/h (100 knots) zaradi para majhnih ampak močnih motorjev. Ayimech je združil vodikov peroksid in katalizator – lahko dosegljive snovi, za napajanje motorja in izumil inovativno napravo. Tehnologija je še zelo draga ampak jo želijo narediti dosegljivo tudi drugim.

Študenti Rensselaer-ja ( Rensselaer Polytechnic Institute), ki je eden najstarejših inštitutov za raziskave in tehnološka univerziteta, bojo kmalu odpeljali na pokušino čoln na vodik. Čoln je velik 6.7 m (22 foot) na katerega so pritrdili dve 2,2 kilovatne gorivne celice. Te celice uporabljajo stisnjen vodik v plinastem stanju.

ZAKLJUČEK

Vozila na vodikove gorivne celice so prijazne do okolja in pridobivajo na popularnosti med javnostjo.

VIRI

1. http://www.fuelcells.org/fuel-cells-and-hydrogen/ ONLINE, 13.5.2012

2. http://www.fuelcells.org/fuel-cells-and-hydrogen/benefits/

3. http://www.fuelcells.org/fuel-cells-and-hydrogen/hydrogen-basics/

4. http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_challenges.html

5. http://www.fueleconomy.gov/feg/fuelcell.shtml

6. Pang-Chia Chen; Configuration of Solar-Hydrogen Mild Hybrid Fuel Cell Power Systems for

Electric Vehicles; 2012; članek v Journal of Power Sources, Volume 201, 1 March 2012, Pages

243-252;

HTTP://WWW.SCIENCEDIRECT.COM/SCIENCE/ARTICLE/PII/S0378775311021811

7. Yu. V. Sinyak and V. Yu. Petrov; Assessing the impact of environmental pollution damage on the competitiveness of hydrogen as motor fuel; 2009; članek v Studies on Russian economic development; Volume 20, Number 2, Pages 158-168; http://www.springerlink.com/content/01416u6201312298/?MUD=MP

8. Wolfgang Breitung; Safety Analysis of Hydrogen Vehicles and Infrastructure; 2008; članek v Green Energy and Technology; Part II, 335-376; http://www.springerlink.com/content/q56516m246172085/

9. Ottorin Veneri; Hydrogen as Future Energy Carrier; 2011; članek v Green Energy and Technology; 33-70; http://www.springerlink.com/content/x406226525m34161/

10. Robert A. Varin, Tomasz Czujko and Zbigniew S. Wronski; Nanostructured Hydrides for Solid State Hydrogen Storage for Vehicular Applications; 2011; članek v Progress in Green Energy; Volume 1, 223-286; http://www.springerlink.com/content/r306690363707850/

12. Junghwan Bang, Han-Sang Kim, Dong-Hun Lee and Kyoungdoug Min; Study on operating characteristics of fuel cell powered electric vehicle with different air feeding systems; 2008; Članek v Journal of Mechanical Science and Technology; Volume 22, Number 8, 1602-1611; http://www.springerlink.com/content/kp9w2n7643176832/

13. http://www.alternative-energy-news.info/hydrogen-powered-personal-helicopter/

14. http://www.alternative-energy-news.info/students-to-sail-hydrogen-powered-boat/

15. http://www.honda.si/news.asp?FolderId=62&contentId=613