A hidrogén-technológia
A hidrogén-technológia, hidrogén-gazdálkodás fejlődése napjainkban egyre inkább az olaj, mint fosszilis energiahordozó közeljövőbeli kiváltásának köszönhető elsősorban, másodsorban pedig a megújuló energiaforrások terjedéséhez is köthető.
 
|
|
A hidrogén története
A hidrogént először Robert Boyle állította elő 1671-ben, és Henry Cavendish fedezte fel 1766-ban, hogy önálló elem.
A világon már több mint 150 éve foglalkoznak a hidrogénnel, mint vegyi alapanyaggal és energiahordozóval, azonban igazán csak az 1970-es években kezdtek felfigyelni rá az első olajválság kirobbanása után. Kezdetben a közlekedésben a léghajózásban használták, azonban elengedhetetlenül fontos szerepe volt, és van az űrtechnológiában is. A közlekedésen kívül, főként a vegyipari használata terjedt el előbb, mint pl.: a nitrogén alapú műtrágyagyártás.
A világon már több mint 150 éve foglalkoznak a hidrogénnel, mint vegyi alapanyaggal és energiahordozóval, azonban igazán csak az 1970-es években kezdtek felfigyelni rá az első olajválság kirobbanása után. Kezdetben a közlekedésben a léghajózásban használták, azonban elengedhetetlenül fontos szerepe volt, és van az űrtechnológiában is. A közlekedésen kívül, főként a vegyipari használata terjedt el előbb, mint pl.: a nitrogén alapú műtrágyagyártás.
A hidrogén fizikai és kémiai tulajdonságai
Normál állapotában: színtelen, szagtalan, íztelen;
Nem fémes, egy vegyértékű, igen gyúlékony gáz.
Nagyon jó hővezető. A hidrogén a legkönnyebb elem az univerzumban. A periódusos rendszer első kémiai eleme, a hidrogén atom vegyjele H, rendszáma 1. Normálállapotban kétatomos gáz, képlete H2. A normálállapotú levegőnél sűrűsége 14,5-ször kisebb.
Jelen van a vízben, szinte minden szerves vegyületben és minden élőlényben.
Atomi tömeg egység: 1,007825
Természetes előfordulás: 99,985%
Ionizációs energia: 13,5989 eV
Termikus neutron befogás 0,322
Keresztmetszete (10
Nukleáris spin: +1/2
A hidrogén gyúlékony anyag, vízzé ég el.
Nem fémes, egy vegyértékű, igen gyúlékony gáz.
Nagyon jó hővezető. A hidrogén a legkönnyebb elem az univerzumban. A periódusos rendszer első kémiai eleme, a hidrogén atom vegyjele H, rendszáma 1. Normálállapotban kétatomos gáz, képlete H2. A normálállapotú levegőnél sűrűsége 14,5-ször kisebb.
Jelen van a vízben, szinte minden szerves vegyületben és minden élőlényben.
Atomi tömeg egység: 1,007825
Természetes előfordulás: 99,985%
Ionizációs energia: 13,5989 eV
Termikus neutron befogás 0,322
Keresztmetszete (10
Nukleáris spin: +1/2
A hidrogén gyúlékony anyag, vízzé ég el.
A hidrogén előállítás módszerei
Fosszilis energiahordozókból:
- földgázból (pl.: CH4 + 2 H2O = 4 H2 + Co2, katalitikus gőzreformálással)
- olajból (pl.: parciális oxidációval)
- szénből (szénelgázosítással, vízgáz-reakcióval izzó szénen)
Elektrolízises vízfelbontással:
- hagyományos (H2O= H2 + ? O2 ? 237 kJ/mol, 1,23 V 25 ¤C, 1 bar)
- lúgos (30% KOH, azbeszt elektródák, kis és közepes mérettel 0,5 ? 5 MW)
- szilárd polimer elektrolit (protoncserélő membrános, 100 kW, 80-90%)
- nagy hőmérsékletű (gőzös, 700¤C)
Egyéb vízbontással:
- radiokémiai
- plazmakémiai
Egyéb módszerekkel:
- biomasszából (elgázosítás, fluid-ágyas eljárások)
- termokémiai (vízbontás 2000¤c felett, jelenleg 100-1200 ¤C között, több fokozatú)
- termo fizikai (katalitikus eljárások 2000 ¤C)
- foto-elektrokémiai
- foto-biológiai (bio-fotolízis, foto-trópikus baktériumok)
Napjainkban az éves hidrogéntermelés mintegy 45 millió tonna, melynek 96%-a fosszilis tüzelőanyagból (16 % szén, 30 % kőolaj, 50 % földgáz), 4%-a pedig elektrolízis útján. Mindeközben a piaci kereslet kb. 6%-al nő. Forrás: Clean Energy
- földgázból (pl.: CH4 + 2 H2O = 4 H2 + Co2, katalitikus gőzreformálással)
- olajból (pl.: parciális oxidációval)
- szénből (szénelgázosítással, vízgáz-reakcióval izzó szénen)
Elektrolízises vízfelbontással:
- hagyományos (H2O= H2 + ? O2 ? 237 kJ/mol, 1,23 V 25 ¤C, 1 bar)
- lúgos (30% KOH, azbeszt elektródák, kis és közepes mérettel 0,5 ? 5 MW)
- szilárd polimer elektrolit (protoncserélő membrános, 100 kW, 80-90%)
- nagy hőmérsékletű (gőzös, 700¤C)
Egyéb vízbontással:
- radiokémiai
- plazmakémiai
Egyéb módszerekkel:
- biomasszából (elgázosítás, fluid-ágyas eljárások)
- termokémiai (vízbontás 2000¤c felett, jelenleg 100-1200 ¤C között, több fokozatú)
- termo fizikai (katalitikus eljárások 2000 ¤C)
- foto-elektrokémiai
- foto-biológiai (bio-fotolízis, foto-trópikus baktériumok)
Napjainkban az éves hidrogéntermelés mintegy 45 millió tonna, melynek 96%-a fosszilis tüzelőanyagból (16 % szén, 30 % kőolaj, 50 % földgáz), 4%-a pedig elektrolízis útján. Mindeközben a piaci kereslet kb. 6%-al nő. Forrás: Clean Energy
A hidrogén üzemanyagcellák működése
A víz hidrogénből és oxigénből áll. Ha elektromos áramot vezetünk bele, akkor a vízmolekulák kötései felbomlanak, azaz az őket alkotó hidrogénre és oxigénre válnak szét. A hidrogén és az oxigén gázhalmazállapotban távozik. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezzük. Az üzemanyagcellában viszont ennek a folyamatnak éppen a fordítottja zajlik le!
Azaz: Az üzemanyagcellák az elemekhez hasonlóan kémiai reakciók által közvetlenül elektromosságot képesek elő állítani, azonban a különbség az, hogy míg az elemeket ?lemerülésük után? el kell dobni, az üzemanyagcella mindaddig üzemel, amíg üzemanyagot töltünk bele. Leegyszerűsítve: a szerkezet alapegysége mindössze két elektródából áll, egy elektrolit köré szendvicsszerűen préselve.
A berendezés belső felületein elektromos feszültség-különbség lép fel, valamint hő és égéstermék keletkezik. A hangsúly az elektromos feszültségen, és áramkörbe építés esetén, a villamos áramon és a felvett teljesítményen van. (P wattos = U*I)
Alapelv volt a fejlesztéseknél, hogy a technológia használatával semmilyen káros anyag nem keletkezhet. Az energiatermelés nyersanyagaként használt gázok- leginkább hidrogén esetén - teljes mértékben elég, ?égéstermékként? csak széndioxid és víz keletkezik.
Az üzemanyag cellákról leggyakrabban az űrtechnológia, ill. egyre inkább az alternatív energiaforrásokat kereső autóipar legkorszerűbb fejlesztései kapcsán hallhatunk. A hidrogénes autók előnyei, amelyeket az energiatermelés és felhasználás más területein az energia cella kínál, jelenleg inkább csak a modellezés és kísérleti berendezések szintjén valósult meg.
A hidrogén cellák és a hidrogén adta lehetőségek ismertetésével magyar országon két-három évvel ezelőtt a MET Hidrogén Tagozatának megalakulása jelentett áttörést.
Azaz: Az üzemanyagcellák az elemekhez hasonlóan kémiai reakciók által közvetlenül elektromosságot képesek elő állítani, azonban a különbség az, hogy míg az elemeket ?lemerülésük után? el kell dobni, az üzemanyagcella mindaddig üzemel, amíg üzemanyagot töltünk bele. Leegyszerűsítve: a szerkezet alapegysége mindössze két elektródából áll, egy elektrolit köré szendvicsszerűen préselve.
A berendezés belső felületein elektromos feszültség-különbség lép fel, valamint hő és égéstermék keletkezik. A hangsúly az elektromos feszültségen, és áramkörbe építés esetén, a villamos áramon és a felvett teljesítményen van. (P wattos = U*I)
Alapelv volt a fejlesztéseknél, hogy a technológia használatával semmilyen káros anyag nem keletkezhet. Az energiatermelés nyersanyagaként használt gázok- leginkább hidrogén esetén - teljes mértékben elég, ?égéstermékként? csak széndioxid és víz keletkezik.
Az üzemanyag cellákról leggyakrabban az űrtechnológia, ill. egyre inkább az alternatív energiaforrásokat kereső autóipar legkorszerűbb fejlesztései kapcsán hallhatunk. A hidrogénes autók előnyei, amelyeket az energiatermelés és felhasználás más területein az energia cella kínál, jelenleg inkább csak a modellezés és kísérleti berendezések szintjén valósult meg.
A hidrogén cellák és a hidrogén adta lehetőségek ismertetésével magyar országon két-három évvel ezelőtt a MET Hidrogén Tagozatának megalakulása jelentett áttörést.
A hidrogén üzemanyagcellák az autó iparban
A járműipar fejlesztőmérnökei a jármű hajtóanyagként világszerte elterjedt benzin és gázolaj felhasználást a kőolajkészletek rohamos fogyása miatt mulandó berendezkedésként kezelik, és folyamatosan kutatják és fejlesztik a megújuló energiaforrásokra támaszkodó üzemanyag ellátás és járműhajtás megoldásait. Közlekedési szempontból jelentős különbség van a városi és országúti gépkocsi használat között. A városi forgalomban gyakori a fékezés, megállás, gyorsítás, de a sebesség átlagosan alacsony, ezért a gépkocsi motorok ereje gyorsításra van kihasználva. Egy könnyen kapcsolható, vagy automata sebességváltó jól alkalmazott áttételekkel viszonylag kis motorteljesítményt vesz igénybe. Viszont szükséges is, hogy a városi forgalomban közlekedő autó motorja kis teljesítménnyel és gazdaságosan működjön, mert ez által lesz alacsony a káros anyag kibocsátás. Az országúti forgalomban gyakorlatilag direkt sebességfokozatban a motor teljesítményének szinte teljes kihasználásával dolgozik, és ebben az állapotában kell biztosítani az alacsony káros anyag kibocsátást. Erre a feladatra gyakorlatilag a két motorral (városi és országúti) szerelt gépkocsi a korrekt megoldás.
Ezt valósítja meg a hibrid hajtás, ahol a gépkocsiban egy hagyományos motor mellett egy villamos hajtás is be van építve. A villamos hajtás hátránya a nagy tömegű, rossz hatásfokú akkumulátor. Ennek az elemnek a helyettesítésére kezdtek alkalmazni üzemanyagcellát. Ez több szempontból is hatásosabb volt:
- kisebb tömegű, kiterjedésű
- többszörös hatásfokú, az akkumulátoros hajtás 25%-os hatásfoka helyett 60%
- a külső hatásokra (gyorsulás, hőfokingadozás) érzéketlen
- rendkívül alacsony káros anyag kibocsátás
Ezt valósítja meg a hibrid hajtás, ahol a gépkocsiban egy hagyományos motor mellett egy villamos hajtás is be van építve. A villamos hajtás hátránya a nagy tömegű, rossz hatásfokú akkumulátor. Ennek az elemnek a helyettesítésére kezdtek alkalmazni üzemanyagcellát. Ez több szempontból is hatásosabb volt:
- kisebb tömegű, kiterjedésű
- többszörös hatásfokú, az akkumulátoros hajtás 25%-os hatásfoka helyett 60%
- a külső hatásokra (gyorsulás, hőfokingadozás) érzéketlen
- rendkívül alacsony káros anyag kibocsátás
Egyéb felhasználási területek
Az üzemanyag cellát ma már széles körben alkalmazzák villamos energia előállításra a mobiltelefontól a városi villamos műig. Áramforrásként, olyan helyen ahol az elemet, akkumulátort, vagy áramfejlesztőt helyettesít, de hő- és áramtermelő berendezésekben is, ahol a villamoshálózatra termeli az áramot.
Üzemanyagcellás erőművek Magyarországon
Magyarországon mindössze néhány kis teljesítményű, kísérleti jellegű üzemanyagcellás egység üzemel. A technológia kisipari felhasználásban hatalmas lehetőségek rejlenek. Ugyanakkor kicsi a valószínűsége, hogy Magyarországon nagy teljesítményű üzemanyagcellás létesítmények épülnének a közeljövőben.
A hidrogén üzemanyagcellák előnyei
- A folyamat egyedüli mellékterméke a víz és kismennyiségű hő. Mindkettő újrahasznosítható
- Az eljárás semmilyen zajjal nem jár
- Az üzemanyagcellák sokféle méretben készülhetnek, így számos különböző célra felhasználhatók.
- Az eljárás semmilyen zajjal nem jár
- Az üzemanyagcellák sokféle méretben készülhetnek, így számos különböző célra felhasználhatók.
A hidrogén üzemanyagcellák hátrányai
- Az üzemanyagcellák hidrogént használnak üzemanyagként, amely viszont nem megújuló energiaforrások felhasználásával is előállítható
- A hidrogén egy darabig még biztosan nem lesz annyira széles körben hozzáférhető, mint napjainkban a benzin (több hidrogén kút, és hálózat kiépítése lenne szükséges)
- A hidrogén rendkívül gyúlékony, könnyen robban
- A hidrogén egy darabig még biztosan nem lesz annyira széles körben hozzáférhető, mint napjainkban a benzin (több hidrogén kút, és hálózat kiépítése lenne szükséges)
- A hidrogén rendkívül gyúlékony, könnyen robban
Hasznos linkek
Hidrogén a wikipedián
További ismertető
Hidrogén.lap.hu
Tematikus linkportál
Üzemanyagcella.lap.hu
Tematikus linkportál
Üzemanyagcellák működése
Szakdolgozat az üzemanyagcellákról
Nincsenek alkategóriák
