Orka og Eldsneyti

Rafmagnsbílar eru ekki með hefðbundnum vélum heldur knúnir áfram af rafmótorum með orku frá rafhlöðum. Hægt að segja að rafbílarnir séu byggðir eins og fjarstýrðir leikfangabílar, bara risastórir.

Rafbílar voru til fyrir rúmum 100 árum síðan en urðu ekki vinsælir því þeir fóru miklu hægar en bensínbílarnir. Það var svo ekki fyrr en um 1990 sem rafbílar fóru aftur að verða góður kostur.

Í dag eru rafbílar orðnir langdrægir og hagkvæmir í rekstri. Rafbílar nýta orkuna vel en 85 til 90% af rafmagninu nýtist beint sem orka.

Nánar hægt að lesa og læra um virkni rafgeyma í kaflanum um rafhlöður hér neðar á þessari síðu.

Metan gas verður til við rotnun lífræns úrgangs, til dæmis á ruslahaugum. Sorpa safnar saman metangasi sem verður til á þeirra ruslahaugum og selja í samstarfi við N1.

 Metan gas er með svipað en örlítið lægra orkuinnihald en bensín. Hægt er að brenna metan í vélum sem brenna bensíni eða olíu. 

Dæmi um Metan ökutæki á Íslandi eru strætóar og ruslabílarnir í Reykjavík. 

Eins og bensín og díeselvélar þá er orkunýtni metanvéla lítil, aðeins um 20-30%.

Vetni má brenna í flestum gerðum núverandi véla sem brenna bensíni eða olíu, til dæmis hreyflum geimflauga, þotuhreyflum, bensínvélum og dísilvélum. En vetni má einnig brenna í nýrri gerð véla, sem nú er í örri þróun, svonefndum efnarafölum.

Þegar vetni er brennt í efnarafölum breytist efnaorka þess í raforku. Þá getur fræðileg orkunýtni eldsneytisins verið allt að 100%, en í efnarafölum sem þegar hafa verið smíðaðir hefur tekist að ná yfir 60% orkunýtni.

Efnarafalar eru í megindráttum lítið frábrugðnir venjulegum rafgeymum. Þegar rafskautin í blýgeymi hvarfast við raflausnina, sem er brennisteinsýrulausn, skilar geymirinn raforku. Í efnarafölum taka rafskautin ekki þátt í efnahvarfinu, heldur eru það vetni og súrefni andrúmsloftsins sem hvarfast og mynda vatn, en við það skilar efnarafallinn raforku. Í þeirri gerð efnarafala, sem nú eru taldir álitlegastir til að knýja farartæki, PEM efnarafölum, er raflausnin örþunn plasthimna. Efnarafalabílar eru í raun rafbílar. 

Á Vísindavefnum er þessi kafli um rafhlöður:

Áður en rafalar og raforkukerfið kom til sögunnar var rafmagn aðallega fengið frá rafhlöðum (e. battery). Árið 1780 krufði ítalski eðlis- og efnafræðingurinn Luigi Galvani (1737-1798) frosk sem var fastur við koparkrók. Þegar hann snerti fótinn á frosknum með járnhníf kipptist froskurinn til. Galvani trúði að orkan kæmi frá frosknum sjálfum en starfsbróðir hans og landi, Alessandro Volta (1745-1827), var ósammála. Volta sagði að orkan kæmi vegna þess að tveir málmar væru sameinaðir með röku millilagi. Hann hóf að rannsaka þetta fyrirbæri og 20 árum seinna fann hann upp fyrstu eiginlegu rafhlöðuna.

Rafhlöður hafa hins vegar breyst mikið með tímanum þó svo að grunnlögmálið sé hið sama. Rafhlöður breyta efnaorku í raforku og geta geymt orku í ákveðin tíma. Inni í rafhlöðu er sella sem inniheldur tvö rafskaut og rafvökva á milli rafskautanna. Til öryggis er sellan yfirleitt pökkuð inn í málm- eða plasthulstur. Munurinn á sellu og rafhlöðu er að rafhlaða inniheldur yfirleitt margar sellur tengdar saman.

Þegar rafhlaða er tengd, til dæmis sett í vasaljós, taka rafskautin og rafvökvinn þátt í efnahvarfi og mynda jónir. Á sama tíma og jónir færast yfir í rafvökvann ferðast rafeindir frá öðru rafskautinu yfir í hitt rafskautið og gefa rafmagn. Þá kviknar á vasaljósinu. Þetta ferli heldur áfram þangað til rafvökvinn er óvirkur og getur því ekki borið fleiri jónir í gegnum vökvann. Á þeim tímapunkti hætta rafeindir að ferðast á milli rafskauta og rafhlaðan er tóm.

Rafhlöðum er hægt að skipta í tvö undirflokka, einnota og endurhlaðanleg. Einnota rafhlöður endast yfirleitt lengur í hvert skipti og geta geymt meiri orku en eru ekki umhverfisvænar.

Heimildir:

• How do batteries work? A simple introduction - Explain that Stuff. (Skoðað 02.03.2017).

• Battery (electricity) - Wikipedia. (Skoðað 02.03.2017).

• Fyrirlestrarnótur í Energy Materials I. Höfundur: Aliaksandr Bandarenka, prófessor, Technische Universität München.

Mynd:

• How do batteries work? A simple introduction - Explain that Stuff. Myndatexti íslenskaður af ritstjórn. Myndin er birt undir Creative Commons-leyfi. (Sótt 06.03.2017).

Eitt vinsælasta eldsneyti á fólksbíla og bifhjól er bensín. Bensín er rokgjarnt, en það þýðir að það gufar hratt upp ef það er ekki geymt í lokuðu íláti. Uppgufunin af bensíni er eldfimasti og hættulegasti hluti bensíns. Bensín er mjög eldfimt og með mikið orkuinnihald og hentar því vel sem orkugjafi í vélar. 

Bensínvélar eru mjög óhagkvæmir orkugjafar því að þær nýta aðeins um 20-30% af eldsneytinu til orku. 70-80% af eldsneytinu verður að hita.

Bensín er með græna eða rauða handfangið á bensínstöðvunum.

Annar orkugjafi er dísilolía. Við tengjum gjarnan dísilolíu við stórar vélar og tæki eins og traktora, vinnuvélar, vörubíla og járnbrautarlestar. En dísilolía er að verða vinsælasti orkugjafinn í fjölskyldubílum í dag vegna minni mengunar. Eins og bensín er dísilolía unnin úr jarðolíu. Helsti munurinn er að dísilolía brennur ekki eins auðveldlega og bensín. dísilvél notast við þrýsting til að kveikja í eldsneytisblöndunni (sjá kafla um bílvélar).

Díselvélar eru mjög óhagkvæmir orkugjafar því að þær nýta aðeins um 30% af eldsneytinu til orku. 70% af eldsneytinu verður að hita. 

Dísilolían er með svörtu handfangi á bensínstöðvunum.

Á Vísindavefnum er þessi kafli um bruna efna:

Blossamark (e. flash point), brunamark (e. fire point) og íkveikjumark (e. ignition tempterature, einnig kallað sjálfsíkveikjumark, e. autoignition temperature) eru allt hugtök sem hafa með bruna efna að gera. Við tölum um bruna þegar efni hvarfast við súrefni þannig að úr verður eldur, það er að segja það myndast ljós og varmi. Til að bruni geti átt sér stað þarf brennanlegt efni, súrefni og hita í réttum hlutföllum; það þarf sem sagt ákveðið mikla orku til að koma efnahvarfinu af stað milli brennanlega efnisins og súrefnis.

Fyrsta skrefið í íkveiku á efni er að hita það að blossamarki þess. Við hitunina losna brennanlegar gastegundir úr efninu. Því meira sem efnið er hitað, þeim mun hraðar losna gastegundirnar frá efninu. Þegar nægilega mikið af þeim hefur losnað er hægt að kveikja í gasinu með varmagjafa, til dæmis loga eða neista; hitastigið sem efnið er við núna kallast blossamark þess. Blossamark efnis er sem sagt lægsta hitastig efnisins þar sem hægt er kveikja í brennanlegu gastegundunum sem losna frá því. Blossamark er afar misjafnt eftir efnum. Annað einkenni blossamarks er að eldurinn kulnar þegar varmagjafinn er fjarlægður. Það er sem sagt ekki vökvinn sjálfur eða fasta efnið sem brennur, heldur brennanlegu gastegundirnar sem losna þaðan. Því lægra sem blossamark efnis er, því auðveldara er að kveikja í því. Blossamark efna er því notað við röðun efna í áhættuflokk, það getur nefnilega verið varhugavert að geyma efni við hitastig nálægt blossamarki efnisins því lítill neisti gæti kveikt í efninu.

Til að bruni geti átt sér stað þarf brennanlegt efni, súrefni og hita í réttum hlutföllum; það þarf sem sagt ákveðið mikla orku til að koma efnahvarfinu af stað milli brennanlega efnisins og súrefnis.

Ef hitastig efnisins er aukið kemur að þeim punkti þar sem uppgufun þessara eldfimu gastegunda er nægilega mikil til að viðhalda brunanum. Þetta hitastig er kallað brunamark efnisins og einkennist af því að eldurinn slokknar ekki þegar varmagjafinn er fjarlægður. Við þetta hitastig losnar nefnilega nægileg orka við brunann, það er að segja við efnahvarfið milli súrefnis og gastegundanna, sem viðheldur uppgufun eldfimu gastegundanna. Eldurinn logar því áfram af sjálfsdáðum þar til uppgufun eldfimu gastegundanna dvínar, súrefnið minnkar verulega (hvort sem það er vegna þess að súrefnið klárast í brunanum eða aðgengi súrefnis er heft, til dæmis með því að breiða eldvarnarteppi yfir eldinn) eða efnið er kælt niður fyrir brunamark efnisins (til dæmis með því að hella vatni á það). Brunamark efnis er yfirleitt bara nokkrum gráðum hærra en blossamark þess.

Íkveikjumark efnis er hitastigið sem efni er við þegar kviknar af sjálfsdáðum í brennanlegum lofttegundum efnisins. Við íkveikjumark efnis þarf sem sagt ekki utanaðkomandi hitagjafa (eins og eld eða neista) til að kveikja í þessum brennanlegu lofttegundum. Íkveikjumark efnis er töluvert hærra en blossamark þess.

Sjálfsíkveikja getur orðið í efnum sem oxast auðveldlega. Ef varminn, sem myndast við efnahvarfið, kemst ekki burt frá efninu hitnar efnið og oxunin gengur hraðar; við þetta myndast enn meiri varmi. Nái efnið að hitna að íkveikjumarki sínu mun kvikna í því. Dæmigerð sjálfsíkveikja er til dæmis þegar kviknar í hlöðum eða olíublautum tuskum.

Flest í kringum okkur er brennanlegt en það þarf mismikinn hita til að kvikni í hlutum. Sem dæmi er blossamark bensíns í kringum -40°C en blossamark jurtaolíu er 327°C. Þetta segir okkur að bensín gefur frá sér nægilega mikið af brennanlegum lofttegundum við -40°C en það þarf að hita matarolíu upp í 327°C til að hægt sé að kveikja í brennanlegum lofttegundum hennar; það er því mun auðveldara að kveikja í bensíni en matarolíu.

Sjálfsíkveikjuhitastig bensíns liggur á bilinu 280°C og 470°C á meðan sjálfsíkveikjumark jurtaolíu er 424°C.

Heimildir og frekara lesefni:

• Mannvirkjastofnun. Slökkvistarf, kafli 2.

• Wikipedia. Flash point.

• Wikipedia. Autoignition temperature.

• Wikipedia. Spontaneous combustion.

• Skolkemi. Experiment.