Kako cilindri iz kovinskih hidridov omogočajo delovanje skuterjev na vodikovo gorivo

Načelo shranjevanja vodika z uporabo zlitin kovinskih hidridov

Shranjevanje vodika v cilindrih iz kovinskih hidridov deluje tako, da se plin kemično veže na posebne zlitine, kot so mešanice magnezija in niklja ali sestavine, ki vsebujejo lantanove spojine. Ko so te materiale izpostavljene tlakom med približno 10 in 30 bar, dejansko privlečejo vodik v svoje kristalne strukture. Rezultat? Kapaciteta shranjevanja približno dva do trikrat višja kot pri tradicionalnih stisnjenih plinskih rezervoarjih, ki delujejo pri tlaku 500 bar. Za mestne skuterje to pomeni, da lahko shranijo dovolj vodika za uporabnost, ne da bi potrebovali tiste velike, težke tlačne posode, ki so običajno potrebne. To popolnoma logično izhaja iz razmišljanja o kompaktnih vozilih, kjer sta teža in razpoložljiv prostor vedno glavni skrb.

Prednosti cilindrov iz kovinskih hidridov za mestna dvokolesa

Ključne prednosti, ki spodbujajo sprejetje:

• Varnost : Delovanje pri le 15 % tlaka konvencionalnih vodikovih rezervoarjev znatno zmanjša tveganje eksplozije (Poročilo o varnosti shranjevanja energije 2023)
• Učinkovitost prostora : Zahteva 50 % manjšo površino kot kompozitni rezervoarji za enak domet
• Trajnost : Zdrži več kot 8.000 ciklov polnjenja z izgubo zmogljivosti pod 5 % – prekašnjuje litij-ionske baterije

Te lastnosti so še posebej pomembne za vozila za dostavo in storitve skupne mobilnosti, kjer je bistveno zmanjšanje prostojnih časov in stroškov infrastrukture ključno.

Primer primera: Deležna integracija v prototipe komercialnih e-skuterjev

Nekajn evropski podjetji so pred kratkim testiralo skuterje s posebnimi 1,2 kg jeklenkami za kovinske hidride. Kaj so ugotovili? Ti skuterji lahko prevozijo približno 180 kilometrov z eno polnitvijo – kar je okoli 40 % več kot običajni baterijski skuterji trenutno na voljo. In tukaj je nekaj zanimivega: ponovno polnjenje traja le približno 12 minut na stanicah nizkotlačnega vodika, ki se pojavljajo po mestih. To ima smisel za ljudi, ki živijo v gosto poseljenih mestnih območjih, kjer je iskanje mest za polnjenje včasih nočna mora. Poleg tega so testi, opravljeni med vročimi poletnimi meseci, pokazali precej impresivne rezultate. Sistemi so termično ostali stabilni pri približno 98 % celotnega časa, kar pomeni, da zanesljivo delujejo tudi ob visokih temperaturah v prometnih mestnih središčih.

Materialoznanstvene lastnosti in zmogljivost zlitin kovinskih hidridov

Ključne lastnosti: kapaciteta absorpcije, obrnljivost in stabilnost

Shranjevanje vodika v zlitinah kovinskih hidridov poteka prek procesov kemiadsorpcije in običajno dosega zmogljivost shranjevanja med 1,2 in 3,5 težnostnega procenta, kar ustreza poročilu Mednarodne agencije za energijo iz leta 2023. Možnost obratovanja tega procesa pomeni, da se vodik lahko učinkovito sprosti, kadar je to potrebno, kar je zelo pomembno za stalno napajanje električnih koles na ves čas njihove uporabe. Ko pogledamo nanostrukturirane materiale, kot so zlitine magnezija in niklja, dejansko s časom delujejo bolje. Te napredne strukture zmanjšajo degradacijo materiala za približno tretjino v primerjavi s konvencionalnimi različicami, ki so trenutno na voljo na trgu. Takšna vzdržljivost naredi veliko razliko za naprave, ki so vsak dan izpostavljene stalnemu obrabljanju med vožnjo po prometnih mestnih ulicah.

Termodinamsko in kinetično vedenje pri obratovalnih pogojih

Način sproščanja vodika zelo zavisi od ravnotežja med temperaturo in tlakom za različne zlitine. Pri pogonskih temperaturah tipičnih za skuterje, ki segajo približno od 25 stopinj Celzija do okoli 60 stopinj, delujejo lantanove osnove najbolje za sproščanje vodika s hitrostjo približno 0,8 grama na sekundo, pri čemer ohranjajo stabilnost ob segrevanju. Pametni inženirji lahko prilagajajo te kovinske zlitine tako, da spremenijo fazo natanko pravilno, kar zmanjša moteče probleme histerze. Posledično učinkovitost regeneracije dosega približno 92 odstotkov, ko skuterji zavirajo in ponovno polnijo svoje sisteme. Če termodinamiko pravilno nastavimo, pomeni to, da se ta vozila lahko zanesljivo uporabljajo ne glede na vrsto mestnega vremena – od vročih poletnih dni do mrzlih zimskih jutranjih ur.

Kompromisi med učinkovitostjo shranjevanja in trdnostjo ciklov

Zlitine z visoko zmogljivostjo (več kot 2,5 težnostne odstotke) se običajno pokvarijo po približno 500 do 800 ciklusih polnjenja, kar je približno za 35 odstotkov krajše v primerjavi s tistimi z nižjo zmogljivostjo pri 1,8 težnostnega odstotka. Inženirji so za to težavo razvili hibridne rešitve. Ti sistemi združujejo rezervoarje za shranjevanje kovinskih hidridov, ki upravljajo redne obratovalne procese, s stislimi vodikovimi zalogami, namenjenimi izključno dodatni moči med pospeševanjem. Pri pregledu trenutnih testnih modelov se zdi, da ta kombinacija podaljša skupno pričakovano življenjsko dobo teh sistemov na približno 3.200 popolnih ciklusov. Precej impresivno, glede na to, da ohranjajo gostoto energije okoli 1,8 kilovatnih ur na kilogram, kar ustreza zmogljivosti alternativ z nižjo zmogljivostjo, vendar trajajo veliko dlje.

Konstrukcijske težave pri rezervoarjih s kovinskimi hidridi za skuterje

Upravljanje toplote v kompaktnih vozilskih platformah

Ohranjanje hladu ostaja ena največjih glavnobol pri vgradnji cilindrov na osnovi kovinskih hidridov v skuterje. Ko se vodik absorbira, nastane precej toplote, kar lahko pomeni povečanje temperature za okoli 25 stopinj Celzija. Nato pa obstaja še obratni proces, pri katerem potrebujemo zunanjo toploto za sprostitev vodika, kar povzroča stalne nihanja temperature, ki s časom resno obremenjujejo komponente. Glede na nekaj nedavnih raziskav, objavljenih lansko leto v reviji Energy Storage Materials, okvirji skuterjev niso dobri pri odvajanju toplote v primerjavi s standardnimi avtomobili – dejansko izgubijo okoli 40 % več toplote. To pomeni, da so inženirji morali iznašati ustvarjalne rešitve, kot so majhni kanali za hlajenje ali posebni materiali, ki spremenijo svoje agregatno stanje ob segrevanju. Vendar postane celoten sistem ravnotežje. Vsak gram, dodan za nadzor temperature, zmanjšuje prostor za shranjevanje. To smo videli v raziskavi iz Journal of Power Sources iz leta 2023, ki je pokazala, da preprosto dodajanje 300 gramov regulacijske opreme zmanjša zmogljivost shranjevanja za skoraj 12 %. Kar pa ni ravno idealno, kadar v kompaktnih vozilih vsak del šteje.

Izpolnjevanje standardov za varnost in tlak za uporabo na krovu

Sistemi na kovinski hidrid še vedno zahtevajo posebno pozornost glede varnosti, čeprav delujejo pri veliko nižjih tlakih med 10 in 30 bar. Kolesa, uporabljana v mestih, prejmejo približno trikrat več mehanskih udarcev kot običajna osebna vozila, kar kaže raziskava SAE International iz lanskega leta. To pomeni, da morajo proizvajalci te sisteme zasnovati tako, da bodo zdržali vse vrste vibracij. Za preprečevanje uhajanja podjetja uporabljajo zelo dobre tesnilne elemente, ki zdržijo tisoče ciklov, včasih celo več kot 5.000. Najnovejša pravila EU sedaj zahtevajo tudi stalno spremljanje ravni vodika, kar dodatno poveča stroške za vsako enoto za približno 18 do 25 dolarjev samo zaradi senzorjev. Vendar obstaja upanje. Testi, opravljeni na Fraunhofer ISE, so pokazali nekaj impresivnega: njihovi prototipi so dosegli skoraj 99,97-odstotno nepropustnost zaradi sedežev ventilov, okrepitih s grafenom. Torej, čeprav izpolnjevanje teh standardov morda zveni težko, izgleda izvedljivo brez poslabšanja udobja ali prijaznosti do uporabnika končnega izdelka.

Tehnične zahteve za uporabo na dvojemnih vozilih

Kazalniki zmogljivosti: hitrost polnjenja, gostota energije in življenjska doba

Za uporabnost v mestih morajo biti dvojemna vozila na vodik opremljena s polnjenjem v treh minutah in preseči gostoto energije 1,5 kWh/kg (National Renewable Energy Lab, 2023). Najnovejši prototipi, ki uporabljajo napredne zlitine LaNi5 kovinskih hidridov, kažejo več kot 500 ciklov polnjenja z manj kot 15 % izgube zmogljivosti – s čimer izpolnjujejo zahteve po dolgotrajnosti za vsakodnevno uporabo med potovanji na delo.

Vključitev v hibridne pogonske sisteme in baterijske sisteme

Hibridni pogonski sistemi dobijo dodatni sunek z jeklenkami iz kovinskih hidridov, ki pomagajo litij-ionskim baterijam pri pospeševanju. Uporaba obeh virov energije zmanjša močne vrhove obremenitve baterij za približno 40 do 60 odstotkov, kar kaže raziskava, objavljena v reviji Journal of Power Sources leta 2023. To dejansko podaljša življenjsko dobo komponent, preden jih je treba zamenjati. Novi cilindri s ploščatim profilom se danes brez težav prilegajo v okvirje skuterjev, ne da bi zmanjševali dragoceno prostor za noge voznikov. Poleg tega zelo učinkovito upravljajo s temperaturo, saj notranji sistemi hlajenja dosegajo učinkovitost med 96 in 98 odstotki. Za podjetja, ki upravljajo z velikimi parki skuterjev prek storitev deljenja vozil, so najboljše rešitve tiste, ki združujejo hitre stopnje sproščanja plina vsaj 0,12 gramov na sekundo pri temperaturah do 60 stopinj Celzija ter vgrajene varnostne mehanizme. Takšna kombinacija pomeni manj težav s servisiranjem skozi čas – kar je natanko to, kar si želijo upravljavci vozilnih parkov.

Hidridi kovin v primerjavi s stislim vodikom: Izbira prave rešitve

Primerjava varnosti, učinkovitosti pri uporabi prostora in uporabnosti v mestih

Sistemi na osnovi hidridov kovin delujejo pri tlakih blizu okoljskih (10–30 bar), s čimer se izognejo nevarnosti eksplozije, povezane s stisnjenimi rezervoarji pri 700 bar. Shranjevanje v trdnem stanju omogoča izogibanje gabljavim ohišjem iz ogljikovih vlaken in ventilom, ki so nagnjeni k uhajanju, ter sprosti 40–60 % več prostora v okvirjih skuterjev. Ta kompaktnost izboljša vodljivost, ne da bi zmanjšala kapaciteto shranjevanja vodika, hkrati pa sledi varnostnim standardom ISO 16111 za dvoosne vozila.

Posledice za stroške življenjske dobe in vzdrževanje

Stisnjeni vodikovi rezervoarji so lahko na začetku cenejši, okoli 800 do 1.200 dolarjev vsak, vendar se sistemih na osnovi kovinskih hidridov denar resnično prihrani na dolgi rok. Ti sistemi lahko preživijo več kot 5.000 polnilnih ciklov in pri tem izgubijo zelo malo vodika skozi čas. Glede na raziskave ministrstva za energijo to pomeni stroške shranjevanja le dve centa na kilovaturodo, kar je približno polovica tistega, kar bi stali stisnjeni sistemi. Tudi stroški vzdrževanja padajo za približno 30 odstotkov, saj ni treba skrbeti za zapletene termalne sisteme in nihče več ne mora redno preverjati tlaka.

Pogosta vprašanja

Kaj so valji iz kovinskih hidridov?

Valji iz kovinskih hidridov so naprave za shranjevanje, ki uporabljajo zlitine kovinskih hidridov za shranjevanje vodika s kemičnim vezanjem znotraj kristalne strukture materiala.

Kako deluje shranjevanje vodika v kovinskih hidridih?

Vodik se v kovinskih hidridih shrani tako, da se veže na posebne zlitine, ki ga absorbirajo v svojo kristalno mrežo pri določenih tlakih.

Kakšne so prednosti uporabe cilindrov iz kovinskih hidridov za skuterje?

Ponujajo varnost zaradi delovanja pri nižjih tlakih, zavzamejo manj prostora v primerjavi s konvencionalnimi rezervoarji in so zelo trpežni ter zmožni prenesti veliko število polnilnih ciklov.

Zakaj so cilindri iz kovinskih hidridov primerni za mestne dvo-kolesnike?

Njihova kompaktna velikost in zmanjšana teža jih naredita idealne za skuterje, kjer sta prostor in teža omejena.

Kako dolgo traja polnjenje skuterja na vodik s cilindri iz kovinskih hidridov?

Polnjenje traja približno 12 minut na postajah z nizkim tlakom vodika.