Eli vetyhän taitaa tällä hetkellä olla parhaita tapoja varastoida suuria määriä energiaa. Esim jos käytetään aurinko- tai tuulivoimaa.
Tuli mieleeni teoria vedyntuotantolaitoksen rakentamisesta. Eli täysin automatisoitu minikokoinen laitos joka ottaisi virran aurinkopaneelista/paneeleista ja valmistaisi vetyä elektrolyysin avulla. Voimalan tarkoitus olisi olla mahdollisimman vähän virtaa kuluttava ja siksi vetyseoksen annettaisiinkin jäädä tässä vaiheessa hyvin epäpuhtaaksi ja vedyn valmistustavaksi juuri elektrolyysi.
Tarkoitus ei olisi valmistaa tiettyä vetymäärää päivässä vaan esim vuoden/ kahden periodilla. Siksi tiedustelisinkin että millainen mahtaa olla vedyntuotannon hyötysuhde käyttäen elektrolyysiä? Paljonko energiaa saadaan suhteutettuna kulutukseen. Entäs jos käytettäisiin esim 60W:n paneelia, niin mikä olisi teoreettinen vedyntuotantokapasiteetti?
Täällä laskelmia paneelien sähköntuotantokapasiteeteista:
http://www.glenergy.fi/Sunwind/EnergiaTuotteet/Aurinko/VoimalanKoko.html
Tuli mieleeni teoria vedyntuotantolaitoksen rakentamisesta. Eli täysin automatisoitu minikokoinen laitos joka ottaisi virran aurinkopaneelista/paneeleista ja valmistaisi vetyä elektrolyysin avulla. Voimalan tarkoitus olisi olla mahdollisimman vähän virtaa kuluttava ja siksi vetyseoksen annettaisiinkin jäädä tässä vaiheessa hyvin epäpuhtaaksi ja vedyn valmistustavaksi juuri elektrolyysi.
Tarkoitus ei olisi valmistaa tiettyä vetymäärää päivässä vaan esim vuoden/ kahden periodilla. Siksi tiedustelisinkin että millainen mahtaa olla vedyntuotannon hyötysuhde käyttäen elektrolyysiä? Paljonko energiaa saadaan suhteutettuna kulutukseen. Entäs jos käytettäisiin esim 60W:n paneelia, niin mikä olisi teoreettinen vedyntuotantokapasiteetti?
Täällä laskelmia paneelien sähköntuotantokapasiteeteista:
http://www.glenergy.fi/Sunwind/EnergiaTuotteet/Aurinko/VoimalanKoko.html
Vastaukset 12
Vanhimmat
http://www.tkk.fi/Units/AES/courses/crspages/Tfy-56.170_03/Tfy-56.170_03-Loppuraportti.pdf
"Eli vetyhän taitaa tällä hetkellä olla parhaita tapoja varastoida suuria määriä energiaa"
Eipä taida olla. Jerrykannullinen bensaa sisältää n. 600 MJ energiaa, saman verran nestevetyä alle 200MJ. Lisäksi nestevety pitää jäähdyttää -253 asteeseen, johon kuluu huomattava osa sen sisältämästä energiasta. Taitaa se termosjerrykin olla huomattavsti painavampi ja kalliimpi kuin bensajerry.Elektrolyysin hyötysuhde on kai n. 60%, ja aurinkopaneeleita kalliimpaa yleiseti käytettyä sähköntuotantotapaa en ihan heti keksi.
100% hyötysuhteella 60W elektrolyysi tuottaa laskujeni mukaan n. 2g eli n. 20 litraa normaalipaineista vetykaasua tunnissa. Energiasisällöltään se vastaa alle ruokalusikallista bensaa.
Että silleen.
Bensiinin lämpöarvo on noin 43 MJ/kg, vedyllä 119 MJ/kg.
Bensiinin kemiallisen energian muuttaminen muuhun, hyödynnettävissä olevaan, muotoon ei ole kovin tehokasta, esim. polttomoottorin hyötysuhde parhaimmillaan noin 37%. Jos halutaan sähköä, niin vielä generaattorin hyötysuhde tähän mukaan. Vedystä saadaan polttokennolla sähköä jopa 80% hyötysuhteella. Jos tarvitaan mekaanista energiaa, niin silloinkin päästään noin 70% kokonaishyötysuhteeseen.
Vedyn varastointi on tietysti ongelma, mutta ei sitä tarvitse välttämättä nesteyttää vaan voidaan myös säilyttää korkeapaineisessa säiliössä.
Siinä missä väitettiin vedyn olevan parhaita tapoja varastoida energiaa.
"Bensiinin lämpöarvo on noin 43 MJ/kg, vedyllä 119 MJ/kg."
Tämä on totta, mutta arkielämässä massalla ei olekaan suurta merkitystä. Tilavuus ym. seikat ovat tärkeämpiä. Massalla on suuri merkitys ainoastaan raketeissa, ja niissähän vetyä käytetäänkin. Jos ajatellaan auton voimanlähdettä, taitaa vetysäiliö sisältöineen ja lämpöeristeineen olla painavampi kuin vastaavan energian sisältävä bensatankki.
"polttomoottorin hyötysuhde parhaimmillaan noin 37%"
Oikeastaan yli 50% isoilla laivadieseleillä. Nämä kuuluvat jokapäiväiseen, esim. henkilöautokäyttöön yhtä paljon kuin sinun 80% polttokennosi. "Kuluttajaystävällisen", siis edullisen, kevyen, vaihtelevaa tehoa monenlaisissa olosuhteissa tuottavan polttokennon hyötysuhde taitaa olla lähempänä 50%:a. Vai onko sitä edes olemassa?
"Vedyn varastointi on tietysti ongelma, mutta ei sitä tarvitse välttämättä nesteyttää vaan voidaan myös säilyttää korkeapaineisessa säiliössä"
Silloin tilavuusvaatimus pompsahtaa vielä monta kertaluokkaa, ja painesäiliöt ne vasta painavatkin.
Ei tuo polttokennoauto + vedyn varastointi niin kaukana arkielämästä ole:
http://www.tekniikanmaailma.fi/?y=2007&p=14&id=2052059
http://world.honda.com/news/2007/4070108FCXConcept/
Tuolla siis on ilmoitettu auton prototyypin hyötysuhteeksi 60% polttoaineesta mekaaniseen energiaan. Hondan vertauksen mukaan 3 kertaa parempi kuin polttomoottoriautolla, tosin tässä saattaa olla hieman liioittelua.
Tuossa bensiinissä (tai muissa fossiiliperäisissä aineissa) energiavarastona on se huono puoli, että tavalla tai toisella tuotetun energian "lataaminen" bensiiniin on hieman vaikeaa.
Tämän hetkisten öljyvarojen muodostumiseen meni ilmeisesti joitakin miljoonia vuosia kun maatuneet kasvi- ja eläinjäänteet pikkuhiljaa muhivat maankuoren paineessa ja lämmössä.
Toisaalta myös vedyn tehokas tuottaminen on suurin este sen hyödyntämiselle energiavarastona. Ketjun aloituksessa ilmeisesti ajateltiin tuotannon hajauttamista teholtaan pieniin, mutta lukumääräisesti suuriin yksiköihin ongelman ratkaisemiseksi.
Mitenkäs onnistuisi aurinkokennon tuottaman sähköenergian jalostaminen bensiiniksi?
Kyllähän tuollainen tekemään pystytään kun oikein yritetään. Hondan sivulta poimittua ja pääteltyä:
Vetysäiliöt 171 litraa 350 atm = max 5 kg vetyä, vastaa hyötysuhde huomioon ottaen n. 50 litraa dieseliä. Tavaratilan kokoa ei yllättäen ole ilmoitettu.
127 hv, huippunopeus 160 km/h? Meikäläisen nokivasara kulkee 90 hv:lla n. 190, taitaa Honda painaa n. 3 tonnia. Tähän viittaa myös uuden voimanlähteen paino, joka on 180 kg vähemmän kuin edellisen mallin (jäljellä vielä 1000 kg?), sekä kulutus, toimintamatka 400km. Minä pääsen saman matkan 20 litralla dieseliä, jonka energiasisältö on sama kuin Hondaan mahtuvan vedyn. Mihin katosi hyötysuhde?
Mielestäni koko vetytalous yritetään myydä kuluttajilla muka-puhtaudella (vettä pakokaasuna) ym. epäselvällä imagolla. Kun laitetaan luvut alekkain ja katsotaan mitä jää viivan alle, ei koko hommassa ole muuta järkeä kuin että autotehtaat ja öljy-yhtiöt (jotka vedyn valmistaisivat esim. maakaasusta) keräävät voitot.
Vielä tuohon toiseen vastaukseen, että bensiiniä on hankala valmistaa keinotekoisesti. Niin onkin, mutta muita sen veroisia nestemäisiä (= helppokäytttöisiä) polttoaineita voitaneen tehdä miltei mistä energiasta hyvänsä.
Hybridiauto, jossa on riittävän suuri polttomoottori. Riittävän suuri tarkoittaa tehoa, jolla pääsee n. 120 km/h tasaista nopeutta, olisiko 30hv. Tehokkaamman polttomoottorin saisi isolla rahalla. Suuremmat nopeudet, kiihdytykset ja lyhyet ajot hoituisivat akkusähköllä, jonka pitäisi riittää 50km nättiin ajoon. Tällainen akkupaketti ei olisi vielä kovin suuri tai painava. Akut ladattaisiin verkkosähköllä, jarrutusenergialla sekä viimeisessä hädässä polttomoottorilla. 50km akut riittäisivät suureen osaan työ- ja maitokauppamatkoja, joten polttomoottoria tarvittaisiin harvoin.
Visioni edellyttäisi sähköpistoketta joka parkkipaikan nurkalle, mikä lienee utopistinen ajatus ns. suurissa automaissa. Öljy-yhtiöt jäisivät myös nuolemaan näppejään kun bisnes menisi sähköyhtiöille.
Vastaava diesel määrä 5 kg * 119 MJ/kg / 43 MJ/kg / 0,85 kg/l = 16,3 l
Eli siis Hondan kulutus diesel öljyksi muutettuna on 16,3 l tuolla maksimi toimintasäteellä. Honda ilmoitti itse asiassa max toimintasäteeksi 570 km. Ei taida perusdiesel sentään vielä noihin lukemiin päästä? Siis 2,9 l/100 km.
Ao. sivuilla on kuva Hondan polttokennoauton pohjalevystä, johon siis myös vetysäiliöt on sijoitettu. Näistä näkyy, etteivät säiliöt itse asiassa kovin paljoa rajoita tavaratilan kokoa. Tuolta (part 2) löytyy myös kuva tavaratilasta.
http://www.autobloggreen.com/2006/11/15/honda-fcx-concept-fuel-cell-car-pt-1-the-new-fuel-cell-stack/
Mistähän energiasta ja raaka-aineesta bensiinin veroisia polttoaineita helposti tehdään? Biodiesel? Pontikkapannu-etanolitehdas? Hakataan metsät biodieseliksi? Tai kenties peltopinta-ala satakertaistetaan?
Vedyn valmistus tänä päivänä onkin taloudellista vain maakaasusta, mutta tutkimus vaihtoehtoisista valmistustavoista on aktiivista. Eräs lupaava menetelmä on korkeassa lämpötilassa toimiva kemiallinen kiertoprosessi:
http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/production/water_splitting.html
Tässä siis tarvitaan vain lämpöenergiaa sekä raaka-aineeksi vettä. Lämpöenergian lähteenä voi sitten olla esimerkiksi ydinreaktori, auringon lämpösäteily tai vaikka maalämpö (tulivuoret tms.)
Välimuotona varmaankin hybridi-autot yleistyvät. Lopulta sähköauto olisi paras vaihtoehto, mutta akkutekniikka on vielä hieman keskeneräistä tätä ajatellen. Siksi siis energia "ladataan" vetyyn, jolloin se on helpommin liikkuvassa kalustossa hyödynnettävissä.
Toimintamatka (ei säde, se tarkoittaa edestakaista matkaa) on 270 mailia eli 434 km. Se 570 km ensimmäisessä lukijakommentissa oli väärin laskettu.
"Näistä näkyy, etteivät säiliöt itse asiassa kovin paljoa rajoita tavaratilan kokoa"
No ei todellakaan näy, tosi pieneltä näyttää. Jutun ensimmäisessä osassa näkyy että vetysäiliöiden yläpinta on takarenkaiden yläpinnan tasalla. Kuvittele auton tavaratilan lattia sille korkeudelle ja mieti mitä jää jäljelle. Koko artikkeli on mainos, jolla puffataan vetytaloutta, koska se olisi kannattavaa Hondalle ja öljyteollisuudelle, ei kuluttajille.
"Mistähän energiasta ja raaka-aineesta bensiinin veroisia polttoaineita helposti tehdään?"
Riippuu mitä tarkoitat helpolla. Mielestäni ei mistään niin helposti kuin nykyään maasta pumppaamalla. Helpommin kuitenkin kuin mitä on jakaa vetyä joka ajoneuvoon. Ymmärtääkseni levien biomassan tuotantokyky on omaa luokkaansa, eli ei peltopintaa ihan satakertaistaa tarvitse.
"Siksi siis energia "ladataan" vetyyn, jolloin se on helpommin liikkuvassa kalustossa hyödynnettävissä."
Edelleen olen helppoudesta eri mieltä. Vetytalouden jokaisessa portaassa (valmistus, varastointi, jakelu, loppukäyttö) on häviöitä niin paljon, että kokonaishyötysuhde on surkea. Sen sijaan vetyä (muun muassa) voidaan käyttää nestemäisten polttoaineiden raaka-aineena. Islanti saattaa olla tulevaisuuden energiasuurvalta. Se on niitä harvoja paikkoja maailmassa, jossa taloudellisesti hyödynnettävää puhdasta energiaa on yllin kyllin jopa vedyn elektrolyysiä varten. Sieltäkään energiaa ei kannattane kuljettaa vetynä, vaan jatkojalostettuna helpommin käsiteltäväksi.
"Välimuotona varmaankin hybridi-autot yleistyvät. Lopulta sähköauto olisi paras vaihtoehto, mutta akkutekniikka on vielä hieman keskeneräistä tätä ajatellen"
Epäilen (ja toivon) kuitenkin, että nämä suuntaukset kehittyvät ennen kuin tarvittava infrastruktuuri vetyä varten on rakennettu. Nykyinen systeemi ei luultavasti korvaudu yhdellä järjestelmällä, vaan sähkö-, hybridi- ja julkiset kulkuneuvot saavat kukin osansa kakusta. Ehkä siellä seassa on muutama "puhdas" vetyautokin.
http://world.honda.com/news/2007/4070306GenevaMotorShow/
... "Vehicle range 570 km (Honda calculations when driven in LA4 mode)"
Myönnettäköön, että termi toimintasäde oli väärin.
"Mielestäni ei mistään niin helposti kuin nykyään maasta pumppaamalla"
Entäpä jos öljyä riittääkin vain 20-30 vuodeksi? Sen jälkeen ei olekaan niin helppoa, kun jäljellä olevat öljyvarat ovat epäpuhtaita ja vaativat kallista prosessointia jo ennenkuin se kelpaa jalostamolle. Ei sekään kuluttajalle kovin halpaa taida olla.
"Sen sijaan vetyä (muun muassa) voidaan käyttää nestemäisten polttoaineiden raaka-aineena"
Mikä nestemäinen polttoaine vedystä syntyy? Ja mikä sen prosessin hyötysuhde on?
"Vetytalouden jokaisessa portaassa (valmistus, varastointi, jakelu, loppukäyttö) on häviöitä niin paljon, että kokonaishyötysuhde on surkea"
Lainaus Tekniikka & Talous 29/07:
"USA:ssa tehtyjen selvitysten mukaan sadan bioetanolilitran valmistukseen kuluu yli sata litraa fossiiliöljyä."
Ei tuossakaan hyötysuhteessa hurraamista ole.
Nykyinen nestemäisten polttoaineiden kulutus on luokkaa 13 miljardia litraa päivässä.
http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/oil.html
Em. mainitusta T&T artikkelista vielä: "Yhdestä hakekuutiosta saa 100 litraa öljyä". Jos levämassalla mennään samalla suhteella, niin vuodessa pitäisi korjata "satoa" vajaa 50 miljardia kuutiota. Vertailukohtana esim. koko maailman kaikkien metsien biomassa on noin 400 miljardia kuutiota.
http://www.fao.org/forestry/site/fra/en/
Eli 10 vuodessa olisi kaikki maailman metsät hakattu bensatankkeihin. Kestävä korjuumäärä on ehkä noin 10% biomassasta.
Ja sen jälkeen se pitää vielä jalostaa biodieseliksi. Ja biodieselin energiasisältöhän ei ole yhtä suuri kuin fossiilipohjaisella, joten ei taida tuo määrä ihan riittää.
Ei taida tuo bio-massa infrastruktuurikaan ihan valmis olla; ei levän korjuun suhteen eikä jalostamojenkaan suhteen. Paljonko mahtaa sitten levänkorjuutankkerit kuluttaa löpöä?
Biomassalla tuotetun energian lisäksi pitää sitten etsiä apuja aurinkoenergiasta, aaltoenergiasta, geotermisestä energiasta, ydinenergiasta jne. ...Mutta miten se saadaan sitten liikkuvan kaluston käyttöön?
Loppujen lopuksi on varmaan todellakin tarpeen yhdistellä kaikkia mahdollisia teknologioita.
Toivottavasti akkutekniikka kehittyy siten, että niiden energiatiheydessä päästään esim. henkilöautojen toiminta_matkassa_ vaikkapa tuolle 434 km tasolle. Silloin ei energian pakkaus vetyyn ole enää kovin viisasta.
Löytyipä näköjään sittenkin menetelmä tai ainakin kaikki osaprosessit, synteettisen nestepolttoaineen valmistamiseen:
bioage.typepad.com/greencarcongress/docs/H2__Synfuel_poster.pdf
Houkutteleva tapaus on tuo, missä ilman hiilidioksidista ja vedestä valmistetaan polttoainetta. Tarvitaan siis välivaiheena vedyn valmistus.
Tällä menetelmällä olisi kaikenkaikkiaan mahdollista saada sähköenergiaa konvergoitua nestemäiseksi polttoaineeksi. Raaka-aineethan tässä siis kiertävät ilmasta ilmaan.
Halpaa ei tuokaan ole, ovat saaneet valmistuskustannuksiksi noin 1,25 €/l. Sitten suomen bensaverot ( dieselvero) päälle niin kuluttajahinta on siinä 5 €/l...