Kaip Metalhidrido Cilindrai Leidžia Vežimėlius, Varomus Vandeniliu

Vandenilio Saugojimo Pagalba Metalhidrido Lydiniais Principas

Vandenilio saugojimas metalo hidrido balionuose veikia chemiškai susiejant dujas su specialiais lydiniais, tokiais kaip magnio ir nikelio mišiniai arba sudėtyje turintys lantanoidų junginių. Esant slėgiui nuo apie 10 iki 30 bar, šios medžiagos iš tikrųjų patraukia vandenilį į savo kristalinę struktūrą. Rezultatas? Saugojimo talpa, kuri yra maždaug du – tris kartus didesnė nei tradicinėse suspausto dujų talpose, veikiančiose 500 bar slėgyje. Konkretiems miesto mopedams tai reiškia, kad jie gali laikyti pakankamai vandenilio, kad būtų naudingi, nereikiant stambių, sunkių slėgio talpų, kurios paprastai būtinos. Tai visiškai logiška galvojant apie kompaktiškus transporto prietaisus, kuriuose svoris ir prieinamas plotas visada yra svarbus dalykas.

Metalo hidrido balionų privalumai miesto dviratėms

Pagrindiniai pranašumai, skatinantys naudojimą:

• Sauga : Veikiant tik 15 % nuo įprasto vandenilio bakų slėgio, žymiai sumažėja sprogimo rizika (Energijos kaupimo saugos ataskaita 2023)
• Erdvės efektyvumas : Reikalauja 50 % mažesnio pėdsako nei kompozitinės talpos, kad būtų pasiekiamas toks pat nuvažiavimo atstumas
• Patvarumas : Atlaiko daugiau nei 8 000 įkrovimo ciklų su mažiau nei 5 % talpos sumažėjimu – veikia geriau nei litio jonų baterijos

Šios savybės ypač vertingos pristatymo parkams ir bendro naudojimo judumui, kai svarbu sumažinti prastovų ir infrastruktūros sąnaudas

Atvejo studija: realaus pasaulio integracija komerciniuose elektrinių paspirtukų prototipuose

Viena iš Europos įmonių neseniai išbandė šiuos 1,2 kg metalo hidrido bakuose esančius riedučius. Ką jie atrado? Šie riedučiai vienu bakeliu nuvažiavo apie 180 kilometrų – tai maždaug 40 % geriau nei dabartiniai akumuliatoriais varomi riedučiai. Ir dar štai kas įdomaus: papildyti kuro atsargas užtrunka tik apie 12 minučių žemos slėgio vandenilio stotyse, kurios vis dažniau atsiranda miestuose. Tai yra prasmė gyvenantiems perpildytuose miesto rajonuose, kur kartais būna labai sunku rasti vietą įkrovimui. Be to, bandymai karštą vasarą taip pat parodė itin įspūdingus rezultatus. Sistemos išlaikė apie 98 % terminę stabilumą net ir didelėje kaitroje, o tai reiškia, kad jos patikimai veikia net tada, kai temperatūra smarkiai pakyla intensyviai naudojamuose miesto centruose.

Medžiagų mokslas ir metalo hidrido lydinių savybės

Pagrindinės savybės: sugerties talpa, atvirkštinumas ir stabilumas

Vandenilio saugojimas metalo hidrido lydiniuose vyksta per chemisorbcijos procesus, pasak Tarptautinės energetikos agentūros 2023 metų ataskaitos, paprastai pasiekiant saugojimo talpą tarp 1,2 ir 3,5 svorio procentų. Šio proceso atvirkštinumas leidžia efektyviai išleisti vandenilį, kai jis reikalingas, kas yra labai svarbu elektriniams riedlentėms ilgą laiką išlaikyti pastovią energijos tiekimą per visą jų veikimo trukmę. Tiriant nanostruktūrinius medžiagų tipus, tokius kaip magnio-nikelio lydiniai, matyti, kad jie laikui bėgant veikia geriau. Šios pažangios struktūros sumažina medžiagos nusidėvėjimą maždaug trečdaliu, palyginti su įprastomis šiandien rinkoje esančiomis versijomis. Toks ilgaamžiškumas daro didelį skirtumą prietaisams, kurie kasdien važinėjant per užtvindytus miesto gatvių tinklus patiria nuolatinį dėvėjimąsi.

Termodinaminis ir kinetinis elgesys veikimo sąlygomis

Tai, kaip vandenilis išsiskiria, labai priklauso nuo temperatūros ir slėgio pusiausvyros skirtingiems lyiniams. Įprastinėms mopedų darbo temperatūroms svyruojant tarp apie 25 laipsnių Celsijaus ir apie 60 laipsnių, lantanu pagrįsti medžiagai veikia geriausiai, leisdamos išsiskirti vandeniliui maždaug 0,8 g/s greičiu, neprarandant stabilumo šildymo metu. Protingi inžinieriai gali derinti šias metalų mišinių sudėtis taip, kad jos kauptųsi tinkamai fazėse, todėl sumažinant erzinančias histerezės problemas. Dėl to atkūrimo efektyvumas pasiekia apie 92 procentus, kai mopedai stabdo ir perkrauna savo sistemas. Šią termodinamiką tinkamai sureguliavus reiškia, kad šie transporto priemonės patikimai veiks nepaisant kokio miesto oro jiems kliudys – nuo karštų vasaros dienų iki šaltų žiemos rytų.

Saugojimo efektyvumo ir ciklinio ilgaamžiškumo kompromisai

Didželės talpos (daugiau nei 2,5 svorio procento) lydiniai turi linkę susidėvėti po 500–800 įkrovimo ciklų, kas yra maždaug 35 procentais trumpiau nei mažesnės talpos variantams su 1,8 svorio procento. Inžinieriai sukūrė hibridinius šios problemos sprendimus. Šie sprendimai sujungia metalo hidrido saugyklas, kurios atlieka įprastas operacijas, su suspausto vandenilio atsargomis, skirtomis papildomai galiai greitėjant. Remiantis dabartiniais bandomaisiais modeliais, tokia kombinacija padidina šių sistemų visuminį eksploatacijos laiką iki apie 3 200 pilnų ciklų. Nemažai, atsižvelgiant, kad jie išlaiko energijos tankį apie 1,8 kilovatvalandžių kilogramui, prilygstantį žemesnės talpos alternatyvų našumui, tačiau tarnauja daug ilgiau.

Metalo hidrido bakų konstravimo iššūkiai mopedams

Šilumos valdymas kompaktiniuose transporto priemonių platformose

Viena didžiausių problemų, kurią tenka spręsti talpinant metalhidrido cilindrus įgrečiuose, yra temperatūros palaikymas. Kai vandenilis absorbuojamas, išsiskiria nemažai šilumos – kartais temperatūra pakyla apie 25 laipsnius Celsijaus. O tada atsiranda priešingas procesas, kai norint išlaisvinti vandenilį reikia išorinės šilumos, dėl ko pastoviai kinta temperatūra, o tai ilgainiui gali stipriai susidėvėti komponentus. Pagal paskutinius praėjusiais metais žurnale „Energy Storage Materials“ paskelbtus tyrimus, grebėčių rėmai šilumą išsklaido kur kas blogiau nei įprasti automobiliai – jie iš tikrųjų praranda apie 40 % daugiau šilumos. Tai reiškia, kad inžinieriams teko sukurti kūrybiškus sprendimus, tokius kaip mažyčiai aušinimo kanalėliai ar specialios medžiagos, keičiančios būseną esant aukštesnei temperatūrai. Tačiau visa tai tampa pusiausvyros aktu. Kiekvienas gramas, pridedamas temperatūrai reguliuoti, sumažina saugojimo vietą. Apie tai liudijo 2023 m. žurnale „Journal of Power Sources“ paskelbtas tyrimas, parodęs, kad paprasčiausias 300 gramų reguliavimo įrangos pridėjimas sumažina saugojimo talpą beveik 12 %. Tai visai neidealus variantas, kai kompaktiškuose transporto priemonėse svarbus kiekvienas kubinis centimetras.

Atitinka saugos ir slėgio standartus naudojimui transporto priemonėje

Metalo hidrido sistemos vis dar reikalauja ypatingo dėmesio saugai, net jei jos veikia žymiai mažesniu slėgiu – tarp 10 ir 30 bar. Pagal SAE International praėjusiais metais atliktą tyrimą, miestuose naudojami škuteriai patiria apie tris kartus daugiau mechaninių smūgių nei įprasti lengvieji automobiliai. Tai reiškia, kad gamintojai turi šias sistemas kurti taip, kad jos atlaikytų įvairiausius virpesius. Kad būtų užkirstas kelias nutekėjimui, įmonės remiasi labai geromis sandaromis, kurios išlaiko tūkstančius ciklų, kartais net virš 5 000. Naujausios ES taisyklės dabar taip pat reikalauja nuolatinio vandenilio lygio stebėjimo, kas kiekvienam vienetui papildomai prideda apie 18–25 JAV dolerių tik jutikliams. Tačiau yra vilties. Fraunhofer ISE atlikti bandymai parodė kažką įspūdingo: jų prototipai pasiekė beveik 99,97 % sandarumo rodiklį dėka grafitu sustiprintų vožtuvų sėdymo vietų. Taigi, nors šių standartų laikymasis gali atrodyti sudėtingas, matyt, įmanoma tai padaryti neatemant galutinio produkto patogumo ar naudojimo paprastumo.

Techniniai reikalavimai dviratėms transporto priemonėms

Našumo rodikliai: degalų papildymo greitis, energijos tankis ir tarnavimo laikas

Norint užtikrinti mieste naudojamos vandeniliu varomos dviratės transporto priemonės gyvybingumą, būtina pasiekti 3 minučių degalų papildymo trukmę ir viršyti 1,5 kWh/kg energijos tankį (National Renewable Energy Laboratory, 2023). Naujausi prototipai, naudojantys pažangius LaNi5 metalo hidrido lydinius, parodė daugiau nei 500 įkrovimo ciklų su mažiau nei 15 % talpos sumažėjimu – tai atitinka ilgo tarnavimo laiko reikalavimus kasdieniems vežimams.

Integracija su hibridiniais varikliais ir akumuliatorių sistemomis

Hibridinės varomosios sistemos gauna pagalbą iš metalo hidrido cilindrų, kurie padeda litio jonų baterijoms greitėjant. Abiejų energijos šaltinių naudojimas sumažina didelius baterijos apkrovos šuolius apie 40–60 procentų, kaip nurodyta 2023 m. žurnale „Journal of Power Sources“ paskelbtame tyrime. Tai iš tikrųjų padeda pailginti komponentų tarnavimo laiką iki pakeitimo. Šiuolaikiniai plokšti cilindrų profiliai puikiai telpa tiesiai į riedučių rėmus, neatsiimdami vertingos kojų vietos apačioje, kur vairuotojams reikia erdvės. Be to, jie puikiai valdo šilumą, o integruotos aušinimo sistemos pasiekia 96–98 procentų efektyvumą. Kompanijoms, eksploatuojančioms daug riedučių bendro naudojimo paslaugose, geriausios konfigūracijos apima greitą dujų išsiskyrimo greitį – ne mažiau kaip 0,12 g per sekundę esant 60 °C temperatūrai – kartu su integruotais saugumo mechanizmais. Tokios kombinacijos ilgainiui reiškia mažesnius techninio aptarnavimo rūpesčius, ką būtent ir nori girdėti parko operatoriai.

Metalų hidridai ir suspaustas vandenilis: teisingo sprendimo pasirinkimas

Saugos, vietos naudojimo efektyvumo ir miesto naudojimo palyginimas

Metalų hidridų sistemos veikia beveik aplinkos slėgyje (10–30 bar), pašalinant sprogimo pavojus, susijusius su 700 bar slėgio talpyklomis. Kietosios būsenos saugojimas išvengia gabios anglies pluošto apvalkalų ir nutekėjimui linkusių vožtuvų, taupydamas 40–60 % daugiau vietos ramentuose. Ši kompaktiškumas padidina manevringumą, neprarandant vandenilio talpos ir atitinkantis ISO 16111 saugos standartus dviratėms transporto priemonėms.

Gyvavimo ciklo sąnaudos ir techninės priežiūros pasekmės

Suspausto vandenilio bakai gali būti pradiniu etapu pigesni, kainuojantys apie 800–1200 JAV dolerių už vienetą, tačiau metalo hidrido sistemos ilguoju laikotarpiu iš tikrųjų sutaupo pinigų. Šios sistemos gali išlaikyti daugiau nei 5 000 įkrovimo ciklų, o laikui bėgant pro jas prasiskverbia labai mažai vandenilio. Pagal kelis Jungtinių Valstijų energetikos departamentų tyrimus, tai reiškia, kad saugojimo sąnaudos per dešimtmetį sudaro tik du centus kilovatvalandę, kas yra apie pusę to, ką kainuotų suspaustos saugojimo galimybės. Taip pat techninės priežiūros išlaidos sumažėja maždaug 30 procentų, nes nereikia tiek dėmesio skirti sudėtingai šiluminei sistemai, o slėgio nebeprireikia tikrinti reguliariai.

DUK

Kas yra metalo hidrido balionai?

Metalo hidrido balionai – tai saugojimo prietaisai, kurie naudoja metalo hidrido lydinius vandeniliui saugoti, chemiškai rišdami jį su medžiagos kristalinės struktūros elementais.

Kaip veikia vandenilio saugojimas metalo hidriduose?

Vandenilis saugomas metalo hidriduose surišant jį su specialiais lydiniais, kurie jo prisigeria į savo kristalinę gardelę tam tikromis slėgio sąlygomis.

Kokie yra metalhidridinių balionų naudojimo privalumai vežimėliuose?

Jie užtikrina saugumą, veikdami žemesniu slėgiu, užima mažesnį tūrį lyginant su įprastais balionais ir yra labai patvarūs, gebantys išlaikyti daug įkrovos ciklų.

Kodėl metalhidridiniai balionai tinka miesto dviračiams?

Dėl kompaktiško dydžio ir sumažinto svorio jie puikiai tinka vežimėliams, kuriuose ribotas erdvės ir svorio tūris.

Kiek laiko trunka vandeniliu varomo vežimėlio papildymas naudojant metalhidridinius balionus?

Papildymas užtrunka apie 12 minučių stotyse su žemu vandenilio slėgiu.