10182017st

Využití vodíku

Účinnost

V dnešním článku se pokusíme nastínit problematiku stanovení účinnosti systému využívající jako palivo vodík. Zaměříme se na systémy pohonu vozidel s palivovým článkem i vodíkovým spalovacím motorem včetně fáze výroby a distribuce paliva či jiného energetického nosiče. Oba koncepty se pak pokusíme srovnat s konvenčními pohony s motory spalujícími fosilní paliva i s čistě bateriově poháněným elektrickým pohonem.

Palivový článek.

Účinnost palivového článku je závislá na proudovém zatížení elektrod. Oproti spalovacím motorům má palivový článek v kombinaci s elektrickým motorem nejvyšší účinnost při nízkém zatížení (při velmi malých zatíženích se může projevit nízká účinnost měničů, případně el. motoru). S rostoucím proudovým zatížením klesá účinnost palivového článku přibližně dle závislosti zobrazené na obr. 1. Při velmi vysokých zatíženích se účinnost dále snižuje v závislosti na technickém řešení (např. o spotřebu vzduchového kompresoru).

efficiency

Teoretické - ideální napětí palivového článku je 1,23 V, což odpovídá ideální účinnosti 83 %. Účinnost reálného článku je pak velmi jednoduše vyčíslitelná ze skutečného napětí článku dle vztahu:

fc_efficiency

Instalovaný výkon palivového článku ve vozidle obvykle vychází z kompromisu mezi vysokou účinností (tato varianta vede k vyššímu instalovanému výkonu) a velikostí článku. Moderní vozidla s pohonem na bázi palivového článku bývají navíc vybavena sekundárními zdroji elektrické energie jako jsou baterie a ultrakapacitory.

Než se pustíme do rozboru účinnosti, popř. ztrát jednotlivých konceptů vozidel, připomeňme si základní nástroje jejího popisu. Účinnost celého řetězce přeměny chemické energie paliva až na energii na kolech vozidla popisuje tzv. Well to Wheel analýza (WtW). Takto vyjádřená účinnost pohonu respektuje celý výrobní proces paliva včetně těžby, zpracování i distribuce a následně celkovou účinnost vozidla zahrnující ztráty v motoru, převodovém zařízení i všech ostatních systémech nezbytných pro provoz vozidla. Někdy bývá vyjádřena jako součin dílčích účinností, jejichž dělícím prvkem je nádrž, popř. jiný energetický koncentrátor energie. Ztráty ve výrobě a distribuci paliva popisuje Well to Tank analýza (WtT), ztráty ve vozidle pak popisuje Tank to Wheel analýza (TtW).

Začneme výčtem ztrát při zpracování a těžbě ropy. Obecně uznávané údaje jsou 12 % ztrát při těžbě a zpracování ropy a dalších přibližně 5 % z původního energetického obsahu při distribuci zpracovaného paliva. Ropná paliva tedy na cestě do nádrže vozidla tratí přibližně 17 % ze svého původního energetického obsahu. Jinými slovy se nám do nádrže vozidla dostává přibližně 83 % energie z původního energetického obsahu těžené suroviny. Vzhledem k rostoucí poptávce a ztenčujícím se zásobám známých nalezišť ropy se budou tyto ztráty vlivem čím dál více energeticky náročnější těžbě spíše zvyšovat.

Účinnost výroby vodíku se velmi liší podle způsobu jeho výroby. Při výrobě vodíku parním reformingem se dosahuje účinnosti přibližně 80 %, zemní plyn je těžen a distribuován přibližně s účinností 90 %. Celková účinnost výroby vodíku parním reformingem se tedy pohybuje kolem hodnoty 72 %.

Při výrobě vodíku elektrolýzou vody je do celkové účinnosti procesu nutné započítat celý cyklus těžby, zpracování a dopravy primární energetické suroviny, přeměny energie v palivu na elektrickou energii a samotnou elektrolýzu. Účinnost výroby elektrické energie včetně započtení energie na získávání paliva se pohybuje v rozmezí 30 - 35 % pro běžné stávající zdroje elektrické energie. Elektrolýza vody je potom uskutečňována s účinností přibližně 85 %. Celková účinnost potom variuje v rozmezí 25 - 30 %.

Vysokoteplotní elektrolýza má celkovou účinnost vyšší, přibližně 45 - 50 %. Výroba vodíku pomocí vysokoteplotních chemických cyklů v kombinaci s jaderným zdrojem IV Generace může dle odhadu dosáhnout velmi vysoké celkové účinnosti cca 55 - 60 % v závislosti na teplotě na výstupu sekundárního chladícího okruhu reaktoru.

Speciálně u vodíku nesmíme zapomenout také na energii potřebnou ke stlačení popř. zkapalnění paliva. Tyto ztráty můžou pro velmi vysoké tlaky dosáhnout až 30 %, pro zkapalňování až 35 %.

U bateriových vozidel musíme započíst také účinnost nabíjecího cyklu (cca 90 %).

U elektrické energie dochází k dalším ztrátám v transformačních stanicích a v rozvodné síti, u vodíku i ostatních uhlovodíkových paliv pak vznikají ztráty při dopravě.

Protože už je těch čísel poměrně dost pokusíme se je srovnat do tabulky. Hodnoty udávají účinnost procesu v %.

efficiency_tab

Z tabulky je patrné, že jak výroba elektrické energie tak výroba vodíku je zatížena nemalými ztrátami energie.Cena za množství paliva o stejném energetickém obsahu do určité míry vždy odráží energetickou náročnost procesu jeho výroby. Ať již se tedy v budoucnu prosadí automobily s pohonem na bázi vodíku nebo přímo bateriové vozidla náklady na jejich provoz se oproti současnému stavu určitě zvýší.

Při pokusu vyhledat relevantní údaje o biopalivech jsme se setkali s tak velkými odchylkami v uváděných výsledcích, že jsme je do přehledu záměrně nezařadili.

související články:

 

Akce aktuální

12 12. 2017
European Fuel Cell Technology & Applications

December 12-15, 2017, Naples, Italy

24 1. 2018
Hydrogen & Fuel Cells Energy Summit

January 24 - 25 2018, Brussels, Belgium

03 7. 2018
13th EUROPEAN SOFC & SOE FORUM

July 3-6 2018, Lucerne, Switzerland

Facebook

Tento web používá k poskytování služeb a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte.