VESINIKTEHNOLOOGIA
Vesinik-elektrisõiduk või vesinik kütuseelemendiga elektrisõiduk (FCEV - Fuel Cell Electric Vehicle) on elektrisõiduk, mis kasutab elektriajami jaoks vajaliku elektri saamiseks kütuseelementi. Enamus juhtudel on sõidukis olemas ka veoaku.
Allolevas õppematerjalis tutvume vesiniktehnoloogiat kasutatavate sõidukite ehitusega ning nendes leiduvate komponentide tööpõhimõtetega.
Materjali läbitöötamiseks kulub hinnanguliselt 7 akadeemilist tundi.
Õpiobjekt sisaldab teooria osa ning õpiobjekti lõpus kahte sorti enesekontrolli küsimusi.
Kordamisküsimused on rohkem avatud küsimused ning nendele vastates suudad mõtestada elektrisõiduki üldisemat olemust.
Rohelisel taustal enesekontrolli testid on rohkem konkreetse õppeteema kohta ning faktipõhised.
Teema võib lugeda omandatuks kui oskad vastata kordamisküsimustele ning enesekontrolli testi õigeid vastuseid on üle 80%.
Vesinik-elektrisõiduk või vesinik kütuseelemendiga elektrisõiduk FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) on elektrisõiduk, mis kasutab elektriajami jaoks vajaliku elektri saamiseks kütuseelementi. Enamus juhtudel on sõidukis olemas ka veoaku (superkondensaator).
Vesinik- kütuseelemendiga sõiduk toodab endale vajamineva elektrienergia ise ning ei vaja seetõttu välist toiteallikat. (välja arvatud vesiniku tankimine)
Kütuseelemendid toodavad elektrit, kasutades õhust pärit hapnikku ning kokkusurutud vesinikku. Enamik kütuseelemendiga sõidukeid klassifitseeritakse heitmeteta sõidukiteks- töö käigus eraldavad nad ainult vett ja soojust.
Vesiniktehnoloogiat arendavad mitmed autotootjad, kuid praegusel hetkel (2021) Pakutakse turul klientidele ainult 3 mudelit.
Pildi allikas: https://cleantechnica.com/files/2020/12/Mirai-powertrain.jpg?width=1200&enable=upscale
TÖÖPÕHIMÕTE
Kütuseelemendi tööpõhimõtte avastas Saksamaa teadlane Christian Friedrich Schönbein (avastas ka osooni!), kes oma avastuse ühes teadusajakirjas 1838. aastal avaldas.
Kütuseelemendi loojaks loetakse inglast Sir William Robert Grove, kes avaldas 1839. aastal esimese töötava kütuseelemendi kirjelduse ja 1842. aastal selle joonised.
Praktiliseks kasutamiseks kõlblike kütuseelementide väljatöötamisega hakati tegelema 20. sajandi teisel poolel. Näiteks kasutas NASA 1969. aastal Apollo mehitatud Kuu-lennul kütuseelemente.
Kütuseelement kui energia allika areng sai uue hoo sisse 1990. aastatel.
Kütuseelemendi kõige keerukam ja teadusmahukam detail on "membraan", mis eraldab vesiniku prootonid elektronidest. Just eelmise sajandi lõpus hakati leidma uusi materjale ja tehnoloogiaid selle valmistamiseks.
Vesinik kütuseelement on ehituselt ja materjalide kasutuselt väga keeruliste lahendustega. Küll aga on tema üldine tööpõhimõte suhteliselt lihtne.
Vesinik kütuseelement koosneb elektroodidest ‒ anoodist ja katoodist, mida eraldab ioone juhtiv membraan.
Vesinik H2 juhitakse läbi anoodi. Anoodi pinnal jagatakse vesiniku aatom katalüsaatori abiga elektronideks e- ja prootoniteks. H+
Positiivse laenguga prootonid juhitakse läbi membraani, samal ajal kui negatiivse laenguga elektronid seda läbida ei suuda.
Negatiivse laenguga elektronid juhitakse membraanist mööda. Sellega saavutame elektronide liikumise ehk meie mõistes elektrivoolu.
Teispool membraani asuval katoodil on välisõhust võetud O2 , sinna juba liikunud H2 prootonid ning nüüd ka vabad elektronid. Kõik nad ühinevad ning tekib jääkprodukt vesi - H2O. Samuti tekib protsessi käigus soojus.
Ühe vesinik-hapnik-kütuseelemendi pinge on temperatuuril 25 °C teoreetiliselt 1,23 V. Praktiliselt saavutatud väärtused jäävad vahemikku 0,5 ‒ 1,0 V
Sõidukites vajaliku pinge saamiseks moodustatakse elementidest järjestikpatarei. (Toyota Mirai kasutab 370 elementi)
Kütuseelement ei sisalda ühtegi liikuvat osa, seetõttu töötab ta hääletult ning tema eluiga on üpriski pikk - ca 6000h.
KÜTUSEELEMENDIGA SÕIDUKI ÜLDEHITUS
Vesinik kütuseelemendiga sõiduki tööpõhimõte on alljärgnev.
Vesiniku paakidest liigub vesinik kütuse elementi.
Kütuse elemendis toimub vesiniku aatomi jagunemine ning seeläbi vabade elektronide liikumine (elektrivool)
Saadud vool suunatakse vahelduvvoolu võimendisse ning sealtkaudu juhtplokki/vaheldisse
Juhtplokk/vaheldi muudavad alalisvoolu mootorile sobivaks vahelduvvooluks.
Üleliigne vool salvestatakse akus.
Kui kütuseelement välja arvata, on üldehitus väga sarnane elektrisõiduki omale.
Siiski on ka pildilt näha tema suur puudujääk.
Lisaks tavapärasele elektrisõiduki akule on vaja mahutada ära ka veel vesiniku paagid. Seetõttu pole väga otstarbekas sellist lahendust kasutada väiksemates sõiduautodes.
Vesinik kütuseelemendiga sõiduki eelised:
elektrisõiduki eelised ilma pika laadimisajata
sisepõlemismootoriga sõidukitega võrreldes keskkonnaohutu- jääkproduktiks ainult veeaur
kütuse lõputu hulk H2- vesinik on looduses enim leiduv element
kuna kasutatakse elektrimootorit, saavutatakse hea sõiduki dünaamika
küllaltki suur kasutegur - vesinik kütuseelemendiga sõidukil ca 65%. Kaod tekivad ennekõike eralduvast soojusest ning voolu muundamisest vaheldis.
kiire laadimine - vesiniku paakide täitmiseks kulub ca 5 min. (võrreldav gaasiseadmega sõiduki täitmisega)
puhtalt elektrilise sõidukiga võrreldes pikk sõiduulatus - ca 400/500 km.
vesiniktehnoloogiat saab ka muudes rakendustes kasutada - abigeneraatoritena, siseruumides töötavatel seadmetel (tõstukid)
Vesinik kütuseelemendiga sõiduki puudused:
keerukas ehitus
kallis toota/osta (Mira maksab ca 50 000 eur)
vesiniku tanklaid vähe - Eestis 1, Euroopas ca 200tk
vesiniku tootmine - pigem on tegu metallitööstuse kõrvalproduktiga
olematu järelteenindus ning teadmised vesiniksõiduki remondiks
tundlik õhuniiskuse ja temperatuuri suhtes
vesiniku transport ja ladustamine on keeruline
vesiniku enda tootmine on väga energiakulukas protsess- vahendab tunduvalt tema keskkonnaohutust.
väga keeruline ja uus tehnoloogia - uue asja arendamisega tekkivad probleemid
tootjale väga kallis tehnoloogia- arendustegevuseks kulub palju ressurssi
seadusandlus- tüübikinnitused ja ohutus eeskirjad pole samad mis sisepõlemismootoriga sõidukitel
olematu infrastruktuur - Eestile lähim tankla asub Riias
väga tuleohtlik - vesinik oma olemuselt on väga ebastabiilne gaas ja tahab kõigega reageerida (Hindenburgi õnnetus)
Aku
Sarnaselt teistele elektriajamiga sõidukitele, kasutavad ka kütuseelemendiga elektrisõidukid elektri energia talletamiseks akupakki. Erinevalt teistest elektrisõidukitest toodavad FCEV-d elektrit selle laadimiseks iseseisvalt vesinikust kütuseelemendi abil.
Veoakust saadavat energiat kasutatakse sõiduki kiirenduse ajal ning akupakk muudab kütuseelemendist tarnitava energiavoo sujuvamaks. Seda just madalamate kiiruste korral, mil kütuseelement võidakse hoopis välja lülitada. Samuti kasutatakse akut lisaseadmete käitamiseks ning regenereeriva pidurdusenergia talletamiseks.
FCEV sõidukites kasutatavad akud on üldjuhul väikesed nii mõõtudelt kui mahtuvuselt.
Näiteks.
Toyota Mirai aku koosneb 84 Li ion akust. Iga aku pinge on 4V ehk akupaki kogupinge 310V. Mahtuvus 1,6 Kwh
Hyndai Nexo aku koosneb 60 Li- Po akust. Iga aku pinge 4,2V ehk akupaki kogupinge 240V. Mahtuvus 1,6 KWh
Pildi allikas: https://autoprovanews.files.wordpress.com/2018/12/Battery.png
Pildil 2021 Toyota Mirai veoaku- asub tagumise istmerea taga.
Vesiniku paagid
Pildi allikas: https://autoprovanews.files.wordpress.com/2018/12/Hydrogen-tank-explained.png
Vesiniku H2 paagid asuvad tagaistuja istme all/pakiruumis. Mira kasutab kahte paaki - 122,4l ja 62,4l.
Vesinik on paakides küllaltki suure rõhu all - 700 bar.
Vesiniku mahub paakidesse ca 5kg. Sellest jätkub umbkaudu 500 km läbimiseks.
Paagid kokku kaaluvad ca 88kg.
Paagid on valmistatud erilise tehnoloogia abil süsinik ja kevlar kiududest, mis on epoksiidvaiguga läbi immutatud. Anuma enda seinapaksus on umbkaudu 20-25mm.
Võrreldes tavapärase teras anumaga, on sellisel moel valmistatud paagid ca 10 korda tugevamad, olles ise seejuures tunduvalt kergemad.
Kuigi suured rõhud paagis tunduvad ohtlikud, võib vesinikkütuseelemendiga sõidukit pidada suhteliselt ohutuks.
Paakide asukoht tagab selle, et nad ei saa kokkupõrkel viga. Samuti on paagid varustatud rõhu ventiilidega, mis avarii hetkel rõhku alandavad ja vesiniku välisõhku paiskavad. Seetõttu väheneb tunduvalt lõhkemisoht.
Vesinik- kütuseelement
FCEV sõidukites kasutatakse madala temperatuurilisi polümeerelektrolüüt-kütuseelemente (PEMFC või PEM element).
Kütuseelemendis kasutatav membraani paksus on alla 10 μm (0,01mm - Žiletitera paksus 10x väiksem)
Kütuseelemendi kogupaksus 1,37 mm
Üksainus selline element suudab tekitada pinge ca 0.5V-1V ja voolutugevuse 0,3A- 0,8A
Töötemperatuur 80-100ºC
Kütuseelemendi kesta sees on veel lisaks lisaks ventilaator välisõhu suunamiseks katoodile ning väike veepump vee (veeauru) eemaldamiseks.
Pildid Toyota kütuseelement: 370 elementi, kaal 56kg, Max võimsus 114kw.
Kütuseelemendid töötavad kõige effektiivsemalt ca 35% koormuse juures. Järskudel kiirendustele ja koormuste muutustele ta reageerib sõiduauto mõistes aeglaselt.
Juhi järsul kiirendusel hakkab kütuseelement maksimaalse võimsusega tööle alles 3-5 sekundi pärast. Ka see sõltub mitmest tegurist nagu välistemperatuur, kütuseelemendi enda temperatuur, õhuniiskus jne...
Sellise viivituse vältimiseks ning järskude voolutarvete ühtlustamiseks kasutatakse ära veoakus talletunud lisaenergiat.
Kütuseelemendi eluiga võib võrrelda mistahes akuga- iga järsk tühjendamine ja laadimine (kütuseelemendi puhul täisvõimsusel töötamine) lühendab tema eluiga ja võimsust.
Näitena võib tuua samaväärsete kütuseelementide kasutamise erinevates tingimustes:
Kütuseelemendiga sõiduautodel ca 6000h (võrdne sisepõlemismootoriga)
Statsionaarsetel kütuseelementidel (majade tagavara vooluallikad) ca 40 000h (töötavad sarnases reziimis vibratsioonivabalt ja ühtlaselt)
Pildi allikas: http://batteryuniversity.com/_img/content/fuel7.jpg
Kütuseelemendi suur vaenlane on külmakraadid. Alla 0ºC hakkab tema jääkaine - vesi- külmuma.
Kui sõiduk ja kütuseelemendid töötavad, siis pole jäätumine suur ohutegur. Elementide enda poolt genereeritav soojus (ca 80º) hoiab süsteemi jäätumast.
Küll aga on vaja lisasoojendust sõiduki parkimisel pikemaks ajaks ning külma ilmaga. Selleks kasutatakse ära sõidukis asuva veoaku elektri energiat.
Kõrvalolevast tabelist võib näha Toyota Miraiga tehtud katse tulemust.
-30ºC temperatuuril hoiti autot 17 tundi. Peale seda käivitus sõiduk nii nagu peab ja kütuseelemendid saavutasid normaalsed töötingimused ca 3 minuti peale käivitust.
Toyota Mirai kütuseelement sisaldab 370 elementi.
Sellel on 4.0Ah mahtuvus. Kaal 44.6kg ja hetkeline võimsus 25.5kW x 10 sekundi jooksul
DC/DC võimendi
Osad FCEV tootjad (Toyota, Honda) kasutavad sõidukite järskudel kiirendustel ja käivitamistel kütuseelemendi inertse reageerimise vältimiseks kütuseelementide poolt toodetud alalisvoolu (DC) võimendamist- (DC/DC booster)
Pinge tõstmise tagajärjel:
saab veelgi kiiremini/lihtsamini ühtlustada kütuseelementide tööd
saab kasutada võimsamat mootorit
kütuseelement töötab ühtlasemas reziimis
ei vajata niipalju veoakust tulevat lisa energiat - aku võib olla väiksem
saab vähendada kütuseelementide arvu/suurust/kaalu
suureneb kasutegur ja töökindlus
Pildil Toyota Mirai DC/DC võimendi. Kütuseelemendist tulev pinge suurendatakse 650 voldini.
Pildi allikas: https://autoprovanews.files.wordpress.com/2018/12/Boost-converter.png?w=1200
DC/DC võimendi tööpõhimõte
Olemasoleva pinge suurendamiseks kasutatakse võimendeid.
Kõige klassikalisem DC/DC voolu võimendi sisaldab endas indiktiivpooli, transistorit, dioodi ja kondensaatorit.
Hästi lihtsalt võib selle tööpõhimõtte lahti seletada alljärgnevalt:
Transistor lülitab vooluringi sisse. Selle käigus tekib induktiivpoolis magnetväli. Kui nüüd transistor vooluringi katkestab, laeb induktiivpool enda umber magnetväljana "kogunenud" pinge maha juhtmesse. Tekkinud pinge on hetkeväärtusena suurem kui esialgu induktiivpoolis magnetvälja tekkimiseks vajaminev pinge. Kogu see protsess leiab aset mitu tuhat korda sekundis (1kHz). Sellega tagatakse pinge sujuv ja pidev muutmine.
Ahelas on ka väike diood voolu suuna kontrollimiseks ning kondensaator lülitushetkede sujuvamaks muutmiseks.
OLULINE!
Igasuguse võimendi puhul kehtib reegel sisseminev võimsus = väljund võimsus.
Ehk Ohmi seaduse järgi P = U x I Kui pinge V tõuseb, siis voolutugevus A väheneb.
Näiteks: 50V 10A on peale võimendust 100V ja 5A.
Toyota Mirai puhul suurendatakse vesinikelemendi pinge 650 voldini.
Kuna tehnoloogia on uus ja tihtipeale kõiki andmeid ei avaldata võime läbi teha umbkaudse võimendus teguri.
370 kütuseelementi ca 0,7V ehk 370 x 0,7= 260V
650/260= ca 2,5X
Seejuures väljund voolutugevus?
370 x 0,6A = 222A
222/2,5=90A
Mirai mootori võimsus 90A?
650V x 90A=ca 60kw
Mirai mootori võimsus on 114kW. Kus tuleb ülejäänud energia?
(tegemist on umbkaudse arvutusega. Reaalses elus võivad arvud olla teised. Siiski on loogika ja mõttekäik samad)
Pildi allikas: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f2/Boost_converter_anim.gif/350px-Boost_converter_anim.gif
Juhtplokk ja vaheldi
Elektrimootori juhtplokk ja vaheldi on kaks erinevad seadet. Küll aga on nad tihtipeale kokku ehitatud töötama ühtse elektrisõiduki juhtimiskeskusena.
Juhtplokk (PCU- power control unit)- otsustab millal kasutada akusse salvestatud energiat, millal kütuseelementidest tulevat.
Vaheldi (Inverter) - muundab akust/kütuseelementidelt tuleva alalisvoolu mootorile sobivaks vahelduvvooluks. Samuti vastupidi (töötab alaldina) regenereeriva pidurduse ajal.
Enamus elektrisõidukitel on eelmainitud seadmed ehitatud kokku, toimima ühtse voolu jaotus/juhtimis/muundamise moodulina.
Tasub veel ära mainida, et vaheldis voolu muundamise teel tekib ca 20% elektrisõiduki energiakadudest.
Pildi allikas: https://autoprovanews.files.wordpress.com/2018/12/PCU.png
Elektrimootor (elektrimasin)
Elektrimootorite kohta üksikasjalikult saad lugeda peatükist "Elektri mootorid"
Vesinikkütuseelemendiga sõidukites kasutatakse sarnaselt teiste elektrisõidukitega püsimagnetitega sünkroonmootorieid.
Eelised:
kiirus ei sõltu koormusest - töötab väga ühtlaselt
pöördemomenti ja kiirust saab lihtsalt muuta- sageduse muutusega
efektiivne
oma suuruse kohta võimas
lihtne generaatorina tööle panna- kasutada regenereerivat pidurdust
Staatori mähistes tekitatakse pöördmagnetväli, ning rootor hakkab kaasa liikuma vastavalt mähistes tekkivale magnetväljale. Rootori mähise magnet poolused "lukustavad" ennast staatori pöördmagnetvälja külge ja nii rootor kui staator liiguvad ühe kiirusega- sellest ka nimi sünkroonmootor.
Mähistes tekkivat magnetvälja juhitakse faaside sageduse muutmisega - elektrisõidukites "gaasi" andmine.
Puudused:
püsimagnet ei kannata vibratsiooni, kõrget temperatuuri ja ülekoormust.
aja jooksul magnetiseeritus ning seega mootori võimsus võib väheneda
püsimagnetites kasutatav magnet (üldjuhul neodüüm) on haruldane muldmetall- selle saadavus ja hind on pidevas muutuses
asünkroonmootorist keerukam ehitus
mootori stardiks/töötamiseks on vaja keerukat juhtimissüsteemi ning resolverit/sünkroandurit.
Pildi allikas: https://autoprovanews.files.wordpress.com/2018/12/The-motor.png
Vesiniku täitmine
Eesti seni ainus (2021) avalik vesiniku tankla asub Keilas. Seegi on kahjuks ajutine ning katsetuste faasis.
Vesiniku hind on ca 10 eurot kg, mis teeb 100km hinnaks ligikaudu 10 eurot - samaväärne sisepõlemismootoriga sõidukile.
VESINIKU TOOTMINE
Vesinikku saab toota väga paljudel viisidel.
Tootmisviisi järgi eristatakse kolme tüüpi vesinikku:
Hall vesinik- suurem osa vesinikust toodetakse maagaasist ja muudest fossiilkütustest. See protsess tekitab aga süsihappegaasi, mis paiskub õhku. Seetõttu nimetatakse selle protsessiga toodetud vesinikku halliks vesinikuks.
Sinine vesinik- see vesinik on hallist vesinikust puhtam, sest süsihappegaas püütakse kinni ja kasutatakse ära.
Roheline vesinik- Kõige puhtam tootmisviis põhineb taastuvatel energiaallikatel. Praegu on neist kõige odavam hall vesinik, kuid aja jooksul peaks puhas ehk roheline vesinik muutuma oluliselt konkurentsivõimelisemaks.
Peale tootmist tuleb seda tarnida ja ladustada spetsiaalsetes tankurites, mis muudab aga tema süsiniku jalajäle veelgi suuremaks!
Kordamisküsimused:
Mille poolest erineb vesinikauto tavapärasest elektrisõidukist?
Millised tegurid piiravad vesinikkütuseelementide laialdast kasutuselevõttu?
Milleks on vesiniksõidukil paagid?
Milliseid ohutusnõudeid tuleb jälgida vesiniksõidukiga töötamisel?