Hogyan teszik lehetővé a fémhidrid hengerek a hidrogénnel hajtott robogókat

A hidrogén tárolásának elve fémhidrid ötvözetek segítségével

A hidrogén tárolása fémhidrid palackokban úgy működik, hogy vegyileg köti a gázt speciális ötvözetekkel, mint például magnézium- és nikkelkeverékek vagy a lantánvegyületeket tartalmazó ötvözetek. Amikor 10 és 30 bar közötti nyomásnak vannak kitéve, ezek az anyagok valójában hidrogént húznak a kristályszerkezetükbe. Mi lett az eredménye? A tárolási kapacitás kb. 2-3-szor nagyobb, mint amit a hagyományos sűrített gáztartályok 500 bar nyomáson működnek. Különösen a városi robogók esetében ez azt jelenti, hogy elegendő hidrogént tudnak tartani, hogy hasznosak legyenek, anélkül, hogy szükségük lenne a általában szükséges nagy és nehéz nyomástartályokra. Teljesen logikus, ha kompakta járművekről gondolunk, ahol a súly és a rendelkezésre álló hely mindig a legfontosabb.

A fémhidrid palackok előnyei a városi kétkerekű járművek számára

A főbb előnyök, amelyek a gyermekvállalást ösztönzik:

• Biztonság a hidrogéntartályok nyomása mindössze 15%-a a hagyományos hidrogéntartályok nyomásának megfelelő, ami jelentősen csökkenti a robbanásveszélyeket (Energy Storage Safety Report 2023)
• Helytakarékosság : 50%-kal kisebb helyigényű, mint a kompozit tartályok azonos hatótávolság esetén
• Hosszútartamú használhatóság : Több mint 8 000 töltési ciklust bír el 5%-nál kisebb kapacitásvesztéssel – teljesítménye felülmúlja a lítium-ion akkumulátorokét

Ezek a jellemzők különösen értékesek futárszolgálatok és megosztott közlekedési szolgáltatások számára, ahol a leállások és infrastrukturális költségek minimalizálása elengedhetetlen

Esettanulmány: Valós alkalmazás kereskedelmi e-központos prototípusokban

Egy európai cég nemrég kipróbált pár motorost speciális, 1,2 kg-os fémhidrid tartályokkal felszerelve. Mit tapasztaltak? Ezek a járművek körülbelül 180 kilométert tudtak megtenni egyetlen tartánnyal – ez nagyjából 40%-kal több, mint a jelenleg elérhető akkumulátoros motorosok. És itt jön a legérdekesebb: az újratöltés csupán körülbelül 12 percig tart az alacsony nyomású hidrogén töltőállomásokon, amelyek egyre gyakrabban bukkannak fel a városokban. Ez különösen előnyös lehet sűrűn lakott városi területeken élők számára, ahol a töltőhelyek megtalálása néha rémálommá válhat. Emellett a forró nyári hónapok során végzett tesztek is lenyűgöző eredményeket hoztak. A rendszerek termikusan is stabilak maradtak, körülbelül 98%-os szinten az egész hőség alatt, ami azt jelenti, hogy megbízhatóan működnek akkor is, amikor a hőmérséklet jelentősen emelkedik a zsúfolt belvárosi övezetekben.

Anyagtudomány és a fémhidrid ötvözetek teljesítménye

Kulcstulajdonságok: abszorpciós kapacitás, visszafordíthatóság és stabilitás

A hidrogén tárolása fémhidrid ötvözetekben kémiai adszorpció folyamatokon keresztül történik, és általában 1,2 és 3,5 súlyszázalék közötti tárolókapacitást ér el az 2023-as Nemzetközi Energiaügynökség jelentése szerint. Ennek a folyamatnak a megfordíthatósága azt jelenti, hogy a hidrogén hatékonyan felszabadítható, amikor szükség van rá, ami különösen fontos az elektromos robogók folyamatos üzemeltetése során. Ha nanostrukturált anyagokra, például magnézium-nikkel ötvözetekre tekintünk, azok valójában idővel jobban teljesítenek. Ezek az innovatív szerkezetek kb. harmadával csökkentik az anyagok degradációját a jelenleg a piacon elérhető hagyományos változatokhoz képest. Ilyen tartósság döntő fontosságú az olyan eszközök számára, amelyek nap mint nap intenzív használatnak vannak kitéve, miközben forgalmas városi utcákon közlekednek.

Termikus és Kinetikai Viselkedés Üzemi Körülmények Között

A hidrogén felszabadulása nagyban függ attól, hogyan viszonyul egymáshoz a hőmérséklet és a nyomás különböző ötvözetek esetében. Amikor tipikus robogó üzemi hőmérsékleteket vizsgálunk, körülbelül 25 °C-tól kb. 60 °C-ig, akkor a lantánalapú anyagok bizonyulnak a legalkalmasabbnak a hidrogén kibocsátására körülbelül 0,8 gramm/másodperc sebességgel anélkül, hogy instabillá válnának magasabb hőmérsékleten. Az okos mérnökök finomhangolhatják ezeket a fémalapú keverékeket, így pontosan megfelelő fázisátalakulást érhetnek el, amely csökkenti az idegesítő hiszterézis jelenségeket. Ennek eredményeként a visszanyert hatásfok körülbelül 92 százalékra emelkedik fékezéskor, amikor a rendszer újratöltődik. A termodinamikai paraméterek pontos beállítása lehetővé teszi, hogy ezek a járművek megbízhatóan működjenek bármilyen városi időjárás mellett, akár forró nyári napokon, akár hideg téli reggeleken.

A tárolási hatékonyság és az élettartam közötti kompromisszumok

A nagy kapacitású ötvözetek (több mint 2,5 tömegszázalék) általában 500 és 800 töltési ciklus között kezdenek elromlani, ami körülbelül 35 százalékkal rövidebb, mint az alacsonyabb kapacitású, 1,8 tömegszázalékos változatok esetében tapasztalt élettartam. A mérnökök hibrid megoldásokat dolgoztak ki erre a problémára. Ezek a rendszerek fémhidrid tárolótartályokat kombinálnak, amelyek a normál üzemeltetést végzik, valamint sűrített hidrogén tartalékokkal, amelyek kifejezetten a gyorsítási fázisok során fellépő extra teljesítményigényt hivatottak kielégíteni. A jelenlegi tesztmodelleket tekintve ez a kombináció úgy tűnik, hogy a rendszerek teljes élettartamát körülbelül 3200 teljes ciklusra növeli. Elég lenyűgöző eredmény, figyelembe véve, hogy továbbra is fenntartják az energia-sűrűséget kb. 1,8 kilowattóra/kilogramm szinten, így teljesítményük az alacsonyabb kapacitású alternatívákhoz hasonló, de lényegesen hosszabb ideig tartanak.

Fémhidrid-tartályok tervezési kihívásai motoros robogókon

Hőkezelés kompakt járműplatformokon

A hűtés továbbra is az egyik legnagyobb kihívás, amikor hidridhengereket próbálnak beépíteni a robogókba. Amikor a hidrogén elnyelődik, jelentős hő keletkezik, néha akár körülbelül 25 Celsius-fokkal megemelve a hőmérsékletet. Aztán ott van a fordított folyamat is, amikor külső hőre van szükség a hidrogén felszabadításához, ami állandó hőmérséklet-ingadozásokhoz vezet, és idővel komolyan terhelheti az alkatrészeket. Néhány tavaly Energy Storage Materials című folyóiratban közzétett kutatás szerint a robogókeretek lényegesen rosszabbul vezetik el a hőt, mint a hagyományos autók – körülbelül 40%-kal több hőt veszítenek el. Ez azt jelenti, hogy a mérnököknek kreatív megoldásokat kellett kitalálniuk, például apró hűtőcsatornákat vagy olyan speciális anyagokat, amelyek hő hatására állapotot váltanak. Ugyanakkor ez az egész egyensúlyozó feladattá válik. Minden gramm, amit a hőmérsékletszabályozáshoz adnak, csökkenti a tárolóteret. Ezt egy 2023-as Journal of Power Sources tanulmány is bemutatta, amely kimutatta, hogy csupán 300 gramm szabályozóberendezés hozzáadása majdnem 12%-kal csökkenti a tárolókapacitást. Nem éppen ideális, amikor minden gramm számít a kompakt járműveknél.

A biztonsági és nyomás-szabványok teljesítése az járműveken való használathoz

A fémhidrid rendszerek biztonsági szempontból továbbra is különleges figyelmet igényelnek, annak ellenére, hogy lényegesen alacsonyabb nyomáson, 10 és 30 bar között működnek. A városokban használt robogók mechanikai terhelése mintegy háromszor nagyobb, mint a személygépkocsiké, ezt az SAE International tavalyi kutatása állapította meg. Ez azt jelenti, hogy a gyártóknak olyan rendszereket kell építeniük, amelyek különböző rezgéseknek is ellenállnak. A szivárgások megakadályozására a vállalatok kiváló minőségű tömítésekre támaszkodnak, amelyek akár 5000 cikluson is túlélhetők. Az újabb EU-s előírások most már folyamatos hidrogénszint-figyelést is követelnek meg, ami kizárólag a szenzorok miatt kb. 18–25 USD többletköltséget jelent egységenként. De van remény. A Fraunhofer ISE által végzett tesztek lenyűgöző eredményt mutattak: prototípusaik majdnem 99,97%-os szivárgásmentes teljesítményt értek el, köszönhetően a grafénnel megerősített szelepszékeknek. Így bár ezeknek az előírásoknak a teljesítése nehéznek tűnhet, úgy néz ki, hogy lehetséges anélkül, hogy az végső termék kényelmét vagy felhasználóbarát mivoltát romlani hagyná.

Műszaki követelmények kétkerekű járművek alkalmazásához

Teljesítménymutatók: Tankolási sebesség, energiasűrűség és élettartam

A városi alkalmazhatóság érdekében a hidrogénnel hajtott kétkerekű járműveknek 3 percen belüli tankolást kell elérniük, valamint túllépniük kell az 1,5 kWh/kg energiasűrűséget (National Renewable Energy Lab, 2023). A fejlett LaNi5 fémhidrid ötvözeteket használó legújabb prototípusok több mint 500 töltési ciklust mutatnak 15%-nál kisebb kapacitásromlás mellett – ezzel eleget téve a napi ingázóhasználat hosszú élettartamra vonatkozó követelményeinek.

Hibrid meghajtási rendszerekkel és akkumulátorrendszerekkel történő integráció

A hibrid meghajtások fokozatot kapnak a fémhidrid hengerektől, amelyek segítik a lítium-ion akkumulátorokat a gyorsítás során. A két energiaforrás együttes használata körülbelül 40–60 százalékkal csökkenti az akkumulátor-terhelés nagy csúcsait, ahogyan azt a Journal of Power Sources 2023-ban közzétett kutatása is igazolja. Ez valójában hozzájárul az alkatrészek élettartamának meghosszabbításához a cseréig. Az új lapos profillal rendelkező hengertervek mára tökéletesen illeszkednek a motorháztetőkbe anélkül, hogy elvesznén a hasznos lábtér a vezetők számára. Emellett kiválóan kezelik a hőt, az integrált hűtőrendszerek hatásfoka 96 és 98 százalék között mozog. A vállalkozások számára, amelyek kölcsönzési szolgáltatásokon keresztül sok járművet üzemeltetnek, az ideális megoldások legalább 0,12 gramm/másodperc sebességű gázkiáramlást biztosítanak, amikor a hőmérséklet eléri a 60 °C-ot, továbbá beépített biztonsági mechanizmusokkal rendelkeznek. Ezek a kombinációk idővel kevesebb karbantartási problémát jelentenek, ami pontosan az, amit a flottakezelők hallani szeretnének.

Fémhidrid és sűrített hidrogén: A megfelelő megoldás kiválasztása

Biztonság, helyhatékonyság és városi használhatóság összehasonlítása

A fémhidrid rendszerek közel környezeti nyomáson (10–30 bar) működnek, így kiküszöbölik a 700 bar-os sűrített tartályokkal járó robbanásveszélyt. A szilárd halmazállapotú tárolás elkerüli a nagy méretű szénszálas burkolatokat és a szivárgásra hajlamos szelepeket, ami 40–60%-kal több helyet szabadít fel a motorcsontvázakban. Ez a kompakt szerkezet javítja a manőverezhetőséget anélkül, hogy csökkennene a hidrogénkapacitás, és megfelel az ISO 16111 biztonsági szabványnak kétkerekű járművekhez.

Élettartam-költség és karbantartási következmények

A sűrített hidrogéntartályok kezdetben olcsóbbak lehetnek, darabját körülbelül 800–1200 dollárért, de hosszú távon a fémhidrid rendszerek valójában költségmegtakarítást jelentenek. Ezek a rendszerek több mint 5000 töltési cikluson át működhetnek, miközben rendkívül kevés hidrogén szivárog ki idővel. Néhány Energiaügyi Minisztérium kutatás szerint ez azt jelenti, hogy a tárolási költség egy évtized alatt mindössze két cent kilowattóránként, ami körülbelül fele annak, amibe a sűrített rendszerek kerülnének. A karbantartási költségek is kb. 30 százalékkal csökkennek, mivel kevesebb bonyolult hőkezelési problémával kell foglalkozni, és senkinek sem kell többé rendszeresen nyomásvizsgálatokat végeznie.

GYIK

Mik azok a fémhidrid palackok?

A fémhidrid palackok olyan tárolóeszközök, amelyek fémhidrid ötvözeteket használnak a hidrogén anyag kristályszerkezetébe kémiai úton történő kötésével történő tárolására.

Hogyan működik a hidrogén-tárolás fémhidridekben?

A hidrogént fémhidridekben speciális ötvözetek kötik meg, amelyek bizonyos nyomások mellett felvegyék azt kristályrácsukba.

Milyen előnyökkel jár a fémhidrid hengerek használata motoros robogókon?

Biztonságot nyújtanak, mivel alacsonyabb nyomáson működnek, kisebb helyigényűek a hagyományos tartályokhoz képest, és rendkívül tartósak, sok töltési ciklust is elviselnek.

Miért alkalmasak a fémhidrid hengerek városi kétkerekűhöz?

Kompakt méretük és csökkentett súlyuk miatt ideálisak robogók számára, ahol a hely és a súly korlátozott.

Mennyi idő alatt lehet újratölteni egy fémhidrid hengeres hidrogénüzemű robogót?

Az újratöltés körülbelül 12 percig tart alacsony nyomású hidrogén töltőállomásokon.