Как цилиндрите с метални хидриди правят възможни скутерите с водородно гориво

Принцип на съхранение на водород чрез сплави на метални хидриди

Съхранението на водород в цилиндри с метални хидриди работи чрез химическо свързване на газа със специални сплави като смеси от магнезий и никел или такива, съдържащи лантанови съединения. При налягане между около 10 и 30 бара тези материали всъщност улавят водорода в кристалната си структура. Резултатът? Обем за съхранение, който е приблизително два до три пъти по-голям в сравнение с традиционните резервоари за компресиран газ, работещи при налягане от 500 бара. За градски скутери конкретно това означава, че могат да съдържат достатъчно водород, за да бъдат полезни, без да се нуждаят от обемисти, тежки контейнери под налягане, които обикновено са необходими. Напълно логично, ако се има предвид компактните превозни средства, при които теглото и наличното пространство винаги са основен проблем.

Предимства на цилиндрите с метални хидриди за градски двуколесни превозни средства

Ключови предимства, които насърчават внедряването:

• Безопасност : Работа при само 15% от налягането на конвенционалните водородни резервоари значително намалява риска от експлозии (Доклад за безопасност при съхранение на енергия 2023)
• Ефективност на пространството : Изисква площ, която е с 50% по-малка в сравнение с комбинираните резервоари при еквивалентен обсег
• Издръжливост : Извършва повече от 8000 цикъла на зареждане с загуба на капацитет под 5% — представя се по-добре от литиево-йонните батерии

Тези характеристики са особено ценни за парковете доставки и услугите за споделена мобилност, където минимизирането на простоюването и разходите за инфраструктура е от съществено значение.

Клинично проучване: Реална интеграция в прототипи на търговски електрически скутери

Наскоро някои европейски компании тестваха скутери с тези специални металнохидридни резервоари с тегло 1,2 кг. Какво установиха? Тези скутери изминават около 180 километра с един резервоар – което е приблизително с 40% повече в сравнение с обикновените батерийни скутери, налични в момента. И ето още нещо интересно: презареждането отнема само около 12 минути на станциите за водород с ниско налягане, които все по-често се появяват в градовете. Това е особено удобно за хора, живеещи в гъсто населени градски райони, където понякога е истински кошмар да се намери свободно място за зареждане. Освен това тестовете, проведени през горещите летни месеци, също показаха доста впечатляващи резултати. Системите запазват топлинната си стабилност на около 98% дори и при високи температури, което означава, че те работят надеждно дори когато температурите рязко се покачват в натоварените централни зони.

Материална наука и производителност на сплави от метални хидриди

Ключови свойства: капацитет на абсорбция, обратимост и стабилност

Съхранението на водород в сплави на метални хидриди се осъществява чрез процеси на хемосорбция, като обикновено се постигат капацитети за съхранение между 1,2 и 3,5 тегловни процента според доклада на Агенцията за енергия от 2023 г. Възможността този процес да бъде обърнат означава, че водородът може ефективно да се освобождава, когато е необходим, което има голямо значение за постоянното захранване на електрически скутери по време на тяхната експлоатация. Когато разгледаме наноструктурирани материали като магнезиево-никелови сплави, те всъщност показват по-добра производителност с течение на времето. Тези напреднали структури намаляват деградацията на материала с около една трета в сравнение с обикновените версии, налични на днешния пазар. Такава издръжливост прави цялата разлика за устройства, които изпитват постоянно износване при ежедневно каране по натоварени градски улици.

Термодинамично и кинетично поведение при работни условия

Начинът, по който се освобождава водородът, всъщност зависи от баланса между температура и налягане за различните сплави. Когато се имат предвид типичните работни температури на скутери – приблизително между 25 градуса Целзий и около 60 градуса – лантановите материали се представят най-добре при отделяне на водород със скорост от около 0,8 грама в секунда, без да губят стабилността си при нагряване. Умните инженери могат да настройват тези метални смеси така, че те да променят фазите си точно както трябва, което намалява досадните проблеми с хистерезиса. В резултат на това ефективността на възстановяване достига около 92 процента, когато скутерите спират и презареждат системите си. Правилното настройване на тези термодинамични параметри означава, че тези превозни средства могат да функционират надеждно независимо от градското време – от горещи летни дни до студени зимни утрини.

Компромиси между ефективността на съхранение и цикличната издръжливост

Сплавките с висока вместимост (над 2,5 тегловни процента) имат склонност да се разрушават след около 500 до 800 цикъла на зареждане, което е приблизително с 35 процента по-малко в сравнение с вариантите с по-ниска вместимост от 1,8 тегловни процента. Инженерите са предложили хибридни решения за този проблем. Тези системи комбинират резервоари за съхранение на метални хидриди, които осигуряват нормалната работа, с резерви от компресиран водород, предназначени специално за моментите на допълнителна мощност по време на ускорение. Според данни от текущите тестови модели, тази комбинация изглежда удължава общия срок на живот на тези системи до около 3200 пълни цикъла. Доста впечатляващо, като се има предвид, че те все още запазват плътност на енергията от приблизително 1,8 киловатчаса на килограм, което отговаря на производителността на алтернативите с по-ниска вместимост, но с много по-дълъг живот.

Инженерни предизвикателства за резервоари с метални хидриди в скутери

Топлинен контрол в компактни превозни средства

Запазването на ниската температура продължава да бъде една от най-големите предизвикателства при монтирането на цилиндри с метални хидриди в скутери. Когато водородът се абсорбира, се отделя значително количество топлина, понякога повишавайки температурата с около 25 градуса по Целзий. След това има и обратният процес, при който се изисква външна топлина за освобождаване на водорода, което води до постоянни температурни колебания, способни с времето сериозно да износят компонентите. Според някои скорошни изследвания, публикувани миналата година в Energy Storage Materials, рамата на скутерите не се справят добре с отвеждането на топлина в сравнение с обикновените автомобили – те всъщност загубват около 40% повече топлина. Това означава, че инженерите са принудени да измислят креативни решения, като например микроскопични охлаждащи канали или специални материали, които променят агрегатното си състояние при нагряване. Въпреки това цялата система става баланс между противоположни изисквания. Всеки грам, добавен за регулиране на температурата, намалява пространството за съхранение. Видяхме това в проучване от Journal of Power Sources още през 2023 г., показващо, че просто добавянето на 300 грама регулираща апаратура намалява капацитета за съхранение с почти 12%. Далеч не идеално, когато всяка частица има значение при компактните превозни средства.

Съответствие със стандарти за безопасност и налягане за употреба на борда

Системите с метални хидриди все още изискват специално внимание по отношение на безопасността, въпреки че работят при много по-ниски налягания между 10 и 30 бара. Според проучване на SAE International от миналата година, скутерите, използвани в градовете, получават механични ударни натоварвания около три пъти повече в сравнение с обикновените леки коли. Това означава, че производителите трябва да проектират тези системи така, че да издържат на всички видове вибрации. За предотвратяване на течове компаниите разчитат на изключително качествени уплътнения, които могат да издържат хиляди цикли — понякога над 5000. Най-новите правила на ЕС изискват вече и непрекъснато следене на нивата на водород, което добавя допълнително около 18 до 25 щатски долара за всеки един агрегат само за сензори. Но има надежда. Изследвания, проведени във Fraunhofer ISE, показаха нещо впечатляващо: техните прототипи постигнаха почти 99,97% степен на плътност благодарение на клапани с уплътнителни седалки, подсилени с графен. Така че въпреки че спазването на тези стандарти може да изглежда трудно, изглежда възможно без да се компрометира удобството или потребителската привлекателност на крайния продукт.

Технически изисквания за приложения с двуколесни превозни средства

Показатели за производителност: скорост на зареждане, плътност на енергията и срок на живот

За да бъдат приложими в градска среда, двуколесните превозни средства, задвижвани от водород, трябва да постигат зареждане за 3 минути и да надхвърлят плътност на енергията от 1,5 kWh/кг (Национална лаборатория за възобновяема енергия, 2023). Скорошни прототипи, използващи напреднали сплави от метални хидриди LaNi5, демонстрират повече от 500 цикъла на зареждане с по-малко от 15% деградация на капацитета — изпълнявайки изискванията за дълготрайност при ежедневна употреба от пътници.

Интеграция с хибридни задвижвания и батерийни системи

Хибридните задвижвания получават подкрепа от цилиндри с метални хидриди, които допомагат на литиево-йонните батерии при ускорение. Използването на двата източника на енергия намалява значително върховете в търсенето на енергия от батерията с около 40 до 60 процента, според проучване, публикувано в списание Journal of Power Sources през 2023 година. Това всъщност помага да се удължи животът на компонентите, преди да се наложи подмяната им. Новите цилиндри с плосък профил днес лесно се вписват в рамата на скутерите, без да заемат ценна площ за краката отдолу, където водачите се нуждаят от пространство. Освен това те управляват много добре топлината, като вградените системи за охлаждане постигат ефективност между 96 и 98 процента. За компании, управляващи големи паркове от скутери чрез услуги за споделено превозване, оптималните конфигурации включват бързи скорости на отделяне на газ от поне 0,12 грама в секунда при температури от 60 градуса Целзий, както и вградени системи за безопасност. Такива комбинации означават по-малко проблеми с поддръжката с течение на времето — точно това, което операторите на паркове искат да чуят.

Хидрид на метал срещу компресиран водород: Избор на правилното решение

Сравнение по безопасност, икономия на пространство и употреба в градска среда

Системите с метални хидриди работят при почти атмосферно налягане (10–30 бара), като по този начин изключват риска от експлозии, свързан с цистерни под 700 бара. Твърдотелното съхранение избягва обемисти касети от въглеродно влакно и податливи на течовентили, освобождавайки 40–60% повече пространство в рамите на скутерите. Тази компактност подобрява маневреността, без да се жертва капацитетът за водород, и отговаря на стандарта ISO 16111 за безопасност на двуколесни превозни средства.

Въздействие върху жизнения цикъл, разходи и поддръжка

Компресираните водородни резервоари може първоначално да са по-евтини, около 800 до 1200 щатски долара всеки, но системите с метални хидриди всъщност спестяват пари на дълга сметка. Тези системи могат да издържат повече от 5000 цикъла на зареждане с много малко изтичане на водород с течение на времето. Според някои изследвания на Департамента за енергетика това означава разходи за съхранение от само два цента на киловатчас в продължение на десетилетие, което е около половината от разходите при компресирани варианти. Разходите за поддръжка също намаляват приблизително с 30 процента, тъй като има по-малко сложни термични неща, за които да се притеснявате, и никой вече няма нужда да проверява налягането редовно.

ЧЗВ

Какво представляват цилиндрите с метални хидриди?

Цилиндрите с метални хидриди са устройства за съхранение, които използват сплави на метални хидриди за съхранение на водород чрез химическо свързване в кристалната структура на материала.

Как работи съхранението на водород в метални хидриди?

Водородът се съхранява в метални хидриди чрез свързване със специални сплави, които го абсорбират в своята кристална решетка при определени налягания.

Какви са предимствата от използването на цилиндри с метални хидриди за скутери?

Те осигуряват безопасност чрез работа при по-ниски налягания, заемат по-малко пространство в сравнение с обикновените резервоари и са изключително дълготрайни, като издържат много цикли на зареждане.

Защо цилиндрите с метални хидриди са подходящи за градски двуколесни превозни средства?

Компактните им размери и намалената маса ги правят идеални за скутери, където пространството и теглото са ограничени.

За колко време се презарежда водороден скутер с цилиндри с метални хидриди?

Презареждането отнема около 12 минути на станции за ниско налягане водород.