14.5: Водень та електроенергія як альтернативні види палива
- Page ID
- 30168
Вступ
З початку 20 століття масло та двигун внутрішнього згоряння домінують у транспорті. Статки нафти та транспортних засобів були переплетені, з нафтових перегонів, щоб задовольнити енергетичні потреби постійно зростаючої потужності та кількості особистих транспортних засобів, транспортних засобів, що рухаються далі у відповідь на зростаючі можливості міждержавних шосе для особистих подорожей на великі відстані та вантажних перевезень, і більше особиста мобільність, що виробляє живі моделі в далеких передмістях, які потребують нафти та автомобілів для функціонування. В останні і майбутні роки найбільше зростання перевезень буде в країнах, що розвиваються, де потреба і ринок перевезень стрімко зростає. Китай має новий середній клас, який більший за все населення Сполучених Штатів, ознака того, що країни, що розвиваються, незабаром будуть направляти або сильно впливати на появу нових технологій, покликаних обслуговувати їх потреби. Крім розгортання нових технологій, країни, що розвиваються, мають потенційно велику другу перевагу: їм не потрібно йти тим самим шляхом розвитку через застарілі проміжні технології, прийняті розвиненим світом. Перехід безпосередньо до найсучасніших технологій дозволяє уникнути застарілих інфраструктур та тривалого часу обороту, дозволяючи інновації та розгортання в прискореному масштабі.
Двигун внутрішнього згоряння та транспортні засоби, якими він керує, досягли величезних інженерних успіхів за останні півстоліття, підвищивши ефективність, довговічність, комфорт та додаючи такі стандартні функції, як кондиціонування повітря, круїз-контроль, використання мобільних телефонів без рук та глобальні системи позиціонування. Одночасно автомобільна промисловість стала глобальною, різко збільшуючи конкуренцію, вибір споживачів та маркетинговий охоплення. Останньою тенденцією в транспорті є різкі коливання ціни на нафту, життєву силу традиційних транспортних засобів, що працюють з двигунами внутрішнього згоряння.
Водень як альтернативне паливо
Традиційна синергія нафти з автомобілями тепер може проявляти ознаки деформації. Залежність транспортних засобів від одного палива, ціна якого демонструє сильні коливання і майбутній курс якого в кінцевому рахунку нестійкий, представляє довгострокові бізнес-проблеми. Мотивована цими проблемами бізнесу та сталого розвитку, автомобільна промисловість починає диверсифікуватися на інші види палива. Водень дебютував на початку 2000-х років і показав, що він має потенціал для живлення транспортних засобів, що використовують паливні елементи для виробництва бортової електроенергії для електродвигунів (Eberle and von Helmholt, 2010, Crabtree, Dresselhaus, & Buchanan, 2004). Однією з переваг водню є ефективність, до 50 відсотків або більше для паливних елементів, до 90 відсотків або більше для електродвигунів, що живлять автомобіль, порівняно з 25-відсотковою ефективністю для двигуна внутрішнього згоряння. Другою перевагою є зниження залежності від іноземної нафти - водень може бути отриманий з природного газу або з повністю відновлюваних ресурсів, таких як сонячне розкладання води. Третя потенційна перевага водню - екологічна — викиди водневого автомобіля нешкідливі: вода і невелика кількість тепла, хоча викиди з ланцюга виробництва водню можуть значно компенсувати цю перевагу.
Бачення водневих автомобілів, що працюють на паливних елементах, залишається сильним. Однак він повинен подолати значні проблеми, перш ніж стати практичними, такі як зберігання водню на борту транспортних засобів з високою щільністю, пошук недорогих та багатих землею каталізаторів для сприяння відновленню кисню до води в паливних елементах та отримання достатньої кількості водню з відновлюваних джерел, таких як сонячна енергія керований розщепленням води для палива автомобільної промисловості (Crabtree & Dresselhaus, 2008). Ланцюги водню та електричної енергії для автомобілів проілюстровані на малюнку нижче. Багато вчених і автомобільні компанії вивчають водень як довгострокову альтернативу нафті.
Малюнок\(\PageIndex{1}\): Електричний транспортний транспорт електрифікується шляхом заміни бензинового двигуна на електродвигун, що живиться від електрики від акумулятора на борту автомобіля (верхня панель) або електрикою від паливного елемента і системи зберігання водню на борту автомобіля (нижня панель). Для максимальної ефективності обидва маршрути вимагають відновлюваного виробництва електроенергії або водню. Джерело: Джордж Крабтрі, використовуючи зображення з Рондола, skinnylawyer, Тіну Бао, Міністерство енергетики США, Управління наукиЕлектроенергія як альтернативне паливо
Електромобілі являють собою другу альтернативу нафті для транспортування, з багатьма подібностями до водню (див. Малюнок Електричний транспорт). Електромобілі управляються електродвигуном, як і в автомобілі з паливними елементами, до чотирьох разів ефективніше бензинового двигуна. Електродвигун набагато простіше бензинового двигуна, маючи всього одну рухому частину, вал, що обертається всередині нерухомого корпусу і оточений котушкою мідного дроту. Електрика надходить від акумулятора, ємність якого, як і водневих матеріалів, занадто мала, щоб дозволити їздити на великі відстані. Розробка акумуляторів з більш високою щільністю енергії для транспортних засобів є основним викликом для галузі електромобілів. Акумулятор необхідно заряджати перед рухом, що можна зробити з мережі, використовуючи надлишкову ємність, наявну в нічний час, або вдень від спеціальних сонячних зарядних станцій, які не додають додаткового навантаження в мережу. Оскільки зарядка зазвичай займає години, потенційно привабливою альтернативою є перемикання акумулятора за лічені хвилини на свіжозаряджений на спеціальних станціях заміни. Великий парк електромобілів у Сполучених Штатах вимагатиме значної додаткової електроенергії, аж 130 ГВт, якщо весь парк легкових та легких вантажних автомобілів був перетворений на електроенергію, або 30 відсотків середнього споживання електроенергії в США в 2008 році.
Використання енергії електромобілів приблизно в чотири рази менше, ніж для бензинових автомобілів, що відповідає більш високій ефективності електродвигунів над двигунами внутрішнього згоряння. Хоча бензинові автомобілі значно відрізняються за своєю енергоефективністю, «типова» середина дорожнього значення для п'ятипасажирського автомобіля становить 80 кВт·год/100 км. Типовий електромобіль (наприклад, Think Ox з Норвегії, Chevy Volt, що працює в електричному режимі, або Nissan Leaf) використовує ~ 20 кВт·год/100 км. У той час як енергетичні витрати електромобілів в точці використання значно менше, потрібно враховувати вартість в точці виробництва, електрогенеруючої станції. Якщо електроенергія автомобіля надходить з вугілля з ефективністю перетворення 33 відсотки, вартість первинної енергії становить 60 кВт·год/100 км, наближаючись, але все ще менше, ніж у бензинового автомобіля. Якщо електроенергія виробляється комбінованим циклом турбін природного газу з 60-відсотковою ефективністю, вартість первинної енергії становить 33 кВт·год/100 км, що менше половини вартості первинної енергії для бензинових автомобілів. Ці порівняння представлені в таблиці нижче.
| Бензиновий двигун 5 легковий автомобіль | Акумулятор електричний Nissan Leaf, Chevy Volt (режим батареї), Think Ox | |
|---|---|---|
| Використання енергії в точці використання | 80 кВтг/100 км | 20 кВтг/100 км |
| Енерговикористання в точці виробництва: Вугілля з ККД 33% | 60 кВтг/100 км | |
| Природний газ комбінованого циклу з ефективністю 60% | 33 кВтг/100 км |
| Бензиновий двигун 5 легковий автомобіль | Акумулятор електричний Nissan Leaf, Chevy Volt (режим батареї), Think Ox | |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\)Викиди в точці використання | 41 фунтів | ~ 0 |
| \(\ce{CO2}\)Викиди в точці видобутку вугілля на рівні 2,1\(\ce{CO2}\) фунт/кВт-год | 42 фунтів | |
| Газ при 1,3\(\ce{CO2}\) фунтів/кВт-год | 25 фунтів | |
| Ядерна, гідро-, вітрова або сонячна | < 1 фунт |
Вуглецевий слід електромобілів вимагає аналогічного розрахунку. Для вугільної електроенергії, що виробляє 2,1\(\ce{CO2}\) фунт/кВт-год, проїзд 100 км виробляє 42 фунтів (19 кг) вуглекислого газу; для газу електроенергії, що виробляє 1,3\(\ce{CO2}\) фунт/кВт-год, 100 км їзди виробляє 26 фунтів (11,7 кг) вуглекислого газу. Якщо електроенергія виробляється ядерною або відновлюваною енергією, такою як вітер, сонячна або гідроелектроенергія, вуглекислий газ не виробляється. Для «типового» бензинового автомобіля 100 км їзди виробляє 41 фунт (18,5 кг) вуглекислого газу. Таким чином, вуглецевий слід «типового» електромобіля, в гіршому випадку дорівнює бензиновому автомобілю і, в кращому випадку, нулю. Таблиця Порівняння викидів вуглецю узагальнює порівняння вуглецевого сліду.
Гібридні рішення
На відміну від електромобілів, гібридні транспортні засоби покладаються тільки на бензин для своєї потужності. Гібриди, однак, мають додаткову систему електродвигуна та приводу, яка працює лише тоді, коли продуктивність бензинового двигуна слабка або потребує імпульсу: при запуску зі зупинки, проходження або сходження на пагорби. Звичайні бензинові автомобілі мають лише один двигун, який повинен рухатися автомобілем за будь-яких умов; отже, він повинен відповідати найбільшому завданню. При нормальних умовах їзди двигун більший і менш ефективний, ніж він повинен бути. Гібрид вирішує цю дилему, забезпечуючи два приводні поїзди, бензиновий двигун для нормальної їзди та електродвигун для потреб великої потужності при запуску, підйомі на пагорби та проїзді. Двигун і двигун пристосовані до їх відповідних завдань, що дозволяє розробити кожен з них для максимальної ефективності. Оскільки електродвигун в цілому набагато ефективніший, його використання може значно підвищити економію палива.
Акумулятор у гібридних автомобілей виконує дві функції: він приводить в рух електродвигун, а також збирає електричну енергію від рекуперативного гальмування, перетворену з кінетичної енергії на колесах невеликими генераторами. Рекуперативне гальмування ефективно при русі старт-стоп, підвищуючи ефективність до 20 відсотків. На відміну від бензинових двигунів, електродвигуни не використовують енергії, стоячи на місці; тому гібриди відключають бензиновий двигун, коли автомобіль зупиняється, щоб заощадити енергію холостого ходу. Бензинові двигуни, як відомо, неефективні на низьких швидкостях (звідси необхідність низьких передавальних чисел), тому електродвигун розганяє гібрид до ~ 15 км/год (24 км/год) перед перезавантаженням бензинового двигуна. Вимкнення бензинового двигуна при зупинці збільшує ККД аж на 17 відсотків. Особливості енергозбереження гібридів зазвичай знижують їх енергетичні потреби з 80 кВт-год/100 км до 50-60 кВтг/100 км, що є значною економією. Важливо зазначити, однак, що, незважаючи на додаткову систему приводу електродвигуна, вся енергія гібрида надходить від бензину, а жодна з електричної мережі.
Підключається гібрид відрізняється від звичайних гібридів відведення як бензину, так і електромережі своєю енергією. Більшість гібридів, що підключаються, призначені для роботи спочатку на електриці, а другий на бензині; бензиновий двигун запускається лише тоді, коли акумулятор розряджається. Підключається гібрид, таким чином, є електромобілем з додатковим бензиновим двигуном, протилежним звичайним гібридним автомобілям, описаним вище. Цінність гібрида плагіна полягає в тому, що він вирішує «тривогу за кермом» споживача: немає ніяких турбот про благополучне повернення додому з поїздки, яка виявляється довшою, ніж очікувалося. Недоліком плагінного гібрида є додаткова додаткова технологія бензинового двигуна, що додає вартості та складності автомобілю.
Виклик батареї
Для досягнення розумної дальності руху електромобілі та гібриди, що підключаються, потребують великих акумуляторів, що є однією з найбільших проблем у дизайні та потенційно значним споживчим бар'єром для широких продажів. Навіть з найбільшими практичними батареями дальність руху на електриці обмежена, можливо, до ~ 100 км. Проектування акумуляторів з більш високою щільністю енергії в даний час є основним напрямком енергетичних досліджень, причому прогрес у технології літій-іонних акумуляторів, як очікується, принесе значні поліпшення. Другим потенційним бар'єром для громадського прийняття електромобілів є час зарядки, до восьми годин від стандартної побутової розетки. Це може влаштувати нічну зарядку вдома, але може бути проблемою для поїздок за межі діапазону акумулятора - з бензиновим автомобілем водій просто заповнюється за кілька хвилин і знаходиться в дорозі. Розглядаються нові інфраструктурні рішення, такі як станції заміни акумуляторів для тривалих поїздок.
З точки зору стійкості цікаве порівняння бензинових, електричних, гібридних та вставних гібридних автомобілів. Гібридні автомобілі забирають всю свою енергію з бензину і представляють найменшу відмінність від бензинових автомобілів. Їх додаткові системи електроприводу зменшують споживання бензину на 30-40 відсотків, тим самим сприяючи збереженню кінцевого ресурсу та зменшуючи залежність від іноземної нафти. Однак електромобілі отримують всю свою енергію від електромережі, вітчизняного джерела енергії, повністю виключаючи залежність від іноземної нафти та використання кінцевих нафтових ресурсів. Тому їх цінність стійкості вища, ніж гібриди. Підключаються гібриди мають такий же потенціал, як і всі електромобілі, за умови, що їх бензинові двигуни використовуються економно. Що стосується викидів вуглецю, значення стійкості електромобілів повністю залежить від джерела електроенергії: нейтральний для вугілля, позитивний для газу та дуже позитивний для ядерної або відновлюваної гідротехніки, вітру або сонячної енергії. З енергетичної точки зору електромобілі використовують в чотири рази менше енергії, ніж бензинові автомобілі в точці використання, але ця перевага частково скомпрометована неефективністю в точці виробництва електроенергії. Навіть неефективна вугільна електроенергія залишає перевагу для електромобілів, а ефективна газова електроенергія комбінованого циклу залишає електромобілі більш ніж в два рази більш енергоефективними, ніж бензинові автомобілі.