07212019ne

Využití vodíku

Účinnost II

Dnešním článkem dokončíme téma stanovení účinnosti vodíkových aplikací, které jsme načali zde. Předchozí článek byl zakončen přehledem účinností při výrobě a distribuci vodíku, fosilních paliv i elektrické energie. Tím jsme se prakticky dostali až do nádrže, či jiného energetického koncentrátoru energie.

Pro stanovení celkové účinnosti vodíkových aplikací nám tedy zbývá stanovit účinnost vybraných konceptů využívajících vodík. Celou situaci budeme dokumentovat na segmentu dopravy, patrně nejperspektivnější oblasti využití vodíkových aplikací.

Palivový článek

Účinnost palivového článku jsme již načali v předchozím článku. Uvedený graf je jistou idealizací skutečných ztrát vznikající v reálném palivovém článku.

Charakteristický tvar křivky napětí/proudová hustota (někdy též napětí/výkon) je určen čtyřmi hlavními mechanismy.

  • Aktivační ztráty - způsobeny pomalou kinetikou reakce na povrchu elektrod, jsou vysoce nelineárního charakteru.
  • Přechod paliva, vnitřní proudy - tato ztráta je způsobena nedokonalostí elektrolytu, kdy dochází k průniku paliva z anody ke katodě a dále průchodem elektronů přes membránu.
  • Ohmické ztráty - tento pokles napětí je způsoben el. odporem elektrolytu, elektrod a elektrických propojení.
  • Koncentrační ztráty - způsobeny snížením koncentrace reaktantů v důsledku nedokonalého přenosu hmoty.

K dalším ztrátám v palivovém článku dochází vlivem spojování jednotlivých cel do větších celků (zvyšuje se hydrodynamický odpor toku paliva), vlivem nečistot v palivu (odfuk malé části paliva vně článku) a nutností přetlakování při vyšším proudovém zatížení.

Pokud budeme uvažovat všechny výše uvedené ztráty dostaneme se do reálné oblasti účinnosti palivových článků, která se pohybuje od 35 % do přibližně 45 % dle konkrétní realizace a zatížení. Situaci dokumentuje obr. 1. (pro zvětšení klikněte na obrázek)

show preview

Akumulátor

Akumulátory jsou z hlediska účinnosti skladování energie velmi kvalitním koncentrátorem energie. Při procesu nabíjení dochází přibližně k 10 % ztrátám a podobně je tomu i při vybíjení. Dlouhodobým skladováním dochází k poklesu kapacity dle typu akumulátoru až o 30 % / měsíc (NiMh).

Elektrický motor

Nejčastějším motorem použitým v elektrické trakci je střídavý asynchronní motor, v některých aplikacích se stále využívá stejnosměrný sériový motor. Účinnost asynchronního střídavého motoru je velmi vysoká, typicky se pohybuje nad 90 % v celém rozsahu otáček.

Spalovací motor

Účinnost spalovacího motoru je závislá na konstrukci motoru, ale především na podmínkách provozu (okolní podmínky, otáčky, přeplňování). Účinnost celého pohonného systému je pak dále zatížena účinností převodu mechanické práce motoru na kola vozidla a pohonem pomocných zařízení (např.generátor elektrické energie). Bez podrobnějšího přiblížení budeme uvažovat průměrnou účinnost pohonu se spalovacím motorem cca 25 - 30 % (motor, převodovka, pomocné systémy, atd.).

Shrnutí

V předchozích odstavcích již máme uvedeny všechny reprezentativní hodnoty pro závěrečnou zjednodušenou TtW a WtW analýzu viz tab.1 a tab.2.

wtt

tab.1 TtW přehled (účinnost [%])

Pokud budeme posuzovat pouze účinnost koncových zařízení bez ohledu na nároky na výrobu a distribuci paliva (tab.1) je jasným favoritem bateriový koncept vozidla následovaný konceptem využívající jako hlavní zdroj energie palivový článek a až na posledním místě bude běžný koncept se spalovacím motorem.

wtw

tab.2 WtW přehled (účinnost [%])

Ze zjednodušeného rozboru WtW analýzy (tab.2) plyne, že koncept pohonu se spalovacím motorem na fosilní paliva je ze všech představených konceptů celkově nejúčinnější, přesto že samotný koncept vozu je s účinností až na posledním místě. Druhý v pořadí je koncept bateriového vozidla, který těží z vysoké účinnosti uchování elektrické energie v akumulátorech vozidla. Na předposledním a posledním místě sledovaných systémů z hlediska účinnosti je koncept s vodíkovým článkem a spalovacím motorem na vodík.

Pro mnohé čtenáře to může být překvapující informace, umocněná vědomím, že se tuto informaci dočítá na stránkách věnovaným propagaci vodíkových technologií. Vysvětlení není složité. Vodík není palivo, ale pouze nosič energie. Srovnání s ostatními palivy je proto značně zavádějící, přesto jsme si jej dovolili udělat. Z uvedených možností snese srovnání pouze bateriový koncept. I zde je vodíkové řešení mírně horší. Argumentem pro vodík je několikanásobně vyšší kapacita energie na jednotku objemu celého pohonného systému ve vozidle i nižší celková hmotnost. I přes nižší účinnost pohonu mají vodíková vozidla v porovnání se bateriovými vozidly o stejných rozměrech vyšší dojezd. Ve skutečnosti se oba koncepty vzájemně kombinují.

Závěr

Jak je patrné z předchozího textu nalezení alternativy k využívání fosilních paliv není motivováno nízkou účinností stávajících systému. Motivací je především snížení zatěžování životního prostředí a nezávislost domácí ekonomiky na dovozu fosilních paliv.Vodík je však v tomto výhledu pouze jedním z nástrojů jak efektivně skladovat energii, v jakém horizontu a rozsahu se vodíkové aplikace prosadí bude záležet především na zvládnutí jeho masivní a ekologické výroby. Jak vyrobit dostatek energie z nefosilních zdrojů je na jiný článek a vlastně i jiný web.

Přes všechny uvedené současné technologické i investiční bariery se zdá, že při započtení všech relevantních okolností (cena paliva, dostupnost zdrojů, doba tankování, možnosti uskladnění paliva, ekologické benefity, spolehlivost, snížení závislosti na dovozu ropných paliv) vychází vodík dle mnoha odborných studií jako optimální řešení pro potřeby dopravy 21. století.

související články:

 

Akce aktuální

09 9. 2019
71. Zjazd chemikov

September 9 - 13, 2019, Vysoké Tatry

10 9. 2019
f-cell

September 10 to 11, 2019, Stuttgart, Germany

23 9. 2019

Facebook

členové platformy

ČVUT FS
ÚJV Řež a.s.
VŠCHT Praha
UNITED HYDROGEN, a.s.
Centrum výzkumu Řež s.r.o.
Unipetrol
Pražská plynárenská, a.s.
Leancat s.r.o.
Český plynárenský svaz (ČPS)
GREEN REMEDY, s.r.o.
DEVINN – Development Innovation
Energy financial group (EFG)
ENVISAN-GEM, a.s.
CHEMINVEST s.r.o.
Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, Výzkumné energetické centrum
Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i
ŠKODA ELECTRIC a.s.
Chart Ferox, a.s.
CYLINDERS HOLDING a.s.
Projekt ČESKÁ VODÍKOVÁ TECHNOLOGICKÁ PLATFORMA 2020 je spolufinancován Evropskou unií

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