Vodíkem poháněný traktor a koncept energeticky nezávislé farmy
Nejčastější dotazy ke konceptu NH2 Co znamená předvedená „koncepce traktoru NH2“ navrhovaná firmou New Holland? Za prvé tím ukazuje, že vodíkovou technologii je možné použít u běžného traktoru. Je skutečností, že jde převážně o běžnou konstrukci "traktoru", jeho celkovou konstrukci stejně tak jako jeho hlavních částí (kromě spalovacího motoru). To ukazuje, že tato technologie je vhodná pro traktory. To je, nicméně, pouze začátek nové epochy, ve které by se zemědělství mohlo postupně odpojit od fosilních paliv. Jaká je cena tohoto traktoru? Toto je prototyp a jako takový nemá obchodní cenu. Jde o první krok, založený na plánovaném postupu technologie výroby palivového článku a vodíku, je tedy možné, že tento výrobek by se mohl stát obchodně životaschopným během příštích 5 roků. Budeme v předstihu pokračovat na vývoji a budeme na předním místě této nové vzrušující technologie při jejím vývoji. New Holland chce ukázat proveditelnost vodíkem poháněného traktoru jako integrované součásti energeticky nezávislého zemědělství. V následujících obdobích budou vyvinuty vyspělejší prototypy. Není „NH2 koncepce traktor – koncepce traktoru NH2" pouze studií bez obchodní budoucnosti? Rozhodně ne! Zatím je ale pravda, že NH2 je koncepce, základní prvky technologie však existují a jsou v různých stupních obchodního vývoje. Kdy to bude obchodně dostupné? Ano, technologie je již zde. S postupným technologickým vývojem dojde k dalšímu snížení nákladů a to umožní její stále větší obchodní dostupnost. Je všechna technologie, potřebná pro zavedení na energii nezávislého hospodářství (Energy Independent Farm), k dispozici? Ano, technologie je již zde. Při dalším technologickém vývoji dojde k opětovnému snížení nákladů a tím se stane obchodně dostupnější. Bude budoucnost traktorů New Holland vypadat jako NH2? Toto je koncepční konstrukce tohoto revolučního traktoru a my nemáme v úmyslu, že v budoucnosti budou vypadat traktory New Holland nějak takhle. Byl již traktor zkoušený na skutečné farmě?
Ne, zkoušky začnou v roce 2010. Je zde nějaké omezení výkonu s ohledem na vodík jako palivo traktoru? Ne, není žádné omezení výkonu traktoru s vodíkovým palivem. Ale doposud jsme se soustředili na střední řadu traktorů, s přibližně 130 k. Proč nepoužíváte raději metan? Obrázek níže objasní proč. Porovnává účinnost 2 zdrojů energie. Vodík je efektivnějším řešením než metan. Dnes je v automobilovém odvětví hlavní překážkou k jeho realizaci cena dílů a rozvodné sítě. To určuje cenám trend, ale my věříme, že toto může být překonané a distribuce nepředstavuje pro zemědělce problém.
Obrázek Pramen: CRF
Proč není raději elektrický a nebo hybridní, když výrobci automobilů pravděpodobně přijmou právě toto řešení? Elektrické řešení může být vhodné pro městská prostředí, kde vozidla neustále zrychlují a brzdí. V tomto procesu je energie rekuperovaná a výkonnost tohoto řešení se zvyšuje, stává se životaschopné. Pro využívání v zemědělství se ale toto nehodí. Akumulátory by musely být obrovské a samostatnost provozu traktoru by byla snížena na několik minut.
Například, uvážíme-li traktor 50 kW s akumulátory, které jsou v současné době používány výrobci automobilů, samostatný provoz s akumulátory o velikosti 170 litrů by byl pouze 3 minuty! Je pravda, že technologie použitá New Holland v jeho "NH2 traktoru" vypouští do ovzduší pouze vodu? Ano. Vypouští pouze vodu a páru. Palivový článek reaguje tímto způsobem: H2 +1/2 O2 —► H2O (voda) + elektrony. Kromě toho má vodík nejvyšší obsah energie na jednotku hmotnosti jakéhokoliv známého paliva (120,7 kJ/g). A spaluje se čistě. Když se vodík spaluje s kyslíkem, zplodiny jsou pouze teplo a voda. Když se spaluje se vzduchem, který obsahuje asi přibližně 78% dusíku, vytvoří se některé oxidy dusíku. Proces přeměny vodíku na energii za použití motoru nebo palivových článků je mnohém účinnější, než srovnatelné řešení s benzínem. Pramen: US department of Energy
Jaké jsou zásadní výhody NH2? Nehledě na nulové emise, má toto řešení další výhody: - bez zjistitelného hluku (55 dbA) - je to konečným řešením CVT : žádné převodové stupně, žádné ztráty výkonu - výkon je dodávaný pouze podle potřeby, proto tedy spoří energii - není třeba žádný PowerShuttle : pouze zpětný chod elektromotoru (změna průtoku elektrického proudu) - otáčky PTO (vývodové hřídele) se mohou měnit od 0 až po 1000 ot/min Jaké jsou jiné různé druhy energie, které mohou být využity v zemědělství na energii nezávislé farmě? To závisí na obnovitelných zdrojích, na které se farmář soustředí. Vodík může být získáván z různých zdrojů energie: například z biomasy, větru, slunce a odpadů. Používání H2 v traktoru je ekologické, ale nezpůsobí výroba H2 vypouštění CO2 ? Ano i ne. V současné době nejvíce komerčně vyrobeného vodíku je získáno postupy, které emitují CO2. Ale koncepce na energii nezávislé farmy (Energy Independent Farm – EIF) podporuje a staví na životaschopné výrobě H2 z obnovitelných zdrojů, produkujících při své výrobě velmi malá množství nečistot. Ale vodík a palivový článek jsou technologie, které nebudou k dispozici dříve než za 10 až 20 let. Naprosto ne! Ceny hlavních dílů se rychle snižují. Rovněž specialisté věří, že v blízké budoucnosti může být tato technologie životaschopná. A Evropská unie také tlačí v tomto
směru, Evropský cíl "3 x 20", platný pro všechny členské státy, předpokládá snížit emise jejich skleníkových plynů od nynějška do roku 2020 o 20% oproti stavu roku 1990; zlepšení účinnosti využití energie o 20%; a využití 20% obnovitelných zdrojů energie při její výrobě. Jsou podporované zdroje, jako například elektřina, vodík a další obnovitelné zdroje energie. Odhadujeme, že během 5 let příprav, bude na energii nezávislá farma komerčně životaschopná. Investice se může splatit v průběhu několika let. Jak se vodík vyrábí? Vodík je nejvíce se vyskytujícím prvkem na světě. Nicméně je vždy vázaný na něco jiného, jako je např. kyslík (vytváří vodu) nebo uhlík (je součástí všech rostlin). Vodík je všude kolem nás, ale pro jeho využití ho musíme nejdříve oddělit z jeho vazeb. Jednou z výhod vodík je, že je ho možné vyrobit z různých místních zdrojů jako je např. voda, rostliny, uhlí, zemní plyn a dokonce řasy. New Holland přistupuje k jeho produkci z obnovitelných zdrojů. Níže uvedený obrázek vysvětluje naši představu:
H2 je nositelem energie. Energie pro jeho výrobu by pocházela z jakýchkoliv obnovitelných zdrojů, jako je odpad, biomasa, slunce (například se současnou technologií by pro výrobu energie, dostatečné pro NH2, bylo zapotřebí 600 m2 fotovoltaických panelů) nebo síla větru. Potom, z vody, by byla vyrobena elektřina postupem, nazývaným elektrolýza. Vodík by byl uskladněný a využívaný k pohonu strojů nebo by mohl být opět převedený na elektrický proud a pohánět jiná zařízení. Je to perfektní doplněk jiných zdrojů, které nejsou schopné nestále dodávat energii, jako je slunce a nebo vítr, protože mohou být účelně uloženy ve vodíku.
Jak vyrábí elektrolyzér vodík z vody? Elektrolyzér využívá pro rozložení vody do složek – na vodík a kyslík – stejnosměrný elektrický proud. Vodík je zachycený na katodě a kyslík je zachycován na anodě. Funkce elektrolizéru je v podstatě opačným postupem palivového článku. Je zde také možnost výroby umělých hnojiv? To může být další výhoda energeticky nezávislé farmy (EIF). Vytvářený vodík může být prostřednictvím zachycení dusíku a vodíku využívaný k produkci čpavku, známým jako proces Haber-Bosch. To by mohlo představovat hlavní výhodu pro zemědělce, protože umělá hnojiva představují další důležité náklady vstupů. Jsou zde některé instituce, které pracují na procesech menšího rozsahu tak, aby byly schůdné také pro malé zemědělce. V USA jsou některá družstva, která s těmito procesy experimentují. Kolik vody je používáno k výrobě vodíku? Elektrolýza nevyžaduje významné množství vody. Vodík, získaný z 1 litru vody za použití generátoru vodíku, by mohl pohánět vodíkový palivový článek vozidla a ujet s ním tak daleko jako dnes s benzínovým vozidlem za 1 litr benzínu. Zajímavé analýzy byly rovněž provedeny v USA. Položili si tuto otázku: jestliže by všechny automobily jezdily na vodík a všechen vodík by byl vyroben z vody, mohli bychom spotřebovat vodu? Převod současné flotily automobilů USA na vozidlový palivový článek by vyžadoval pro zajištění potřebného množství vodíku asi 300 miliard litrů vody/rok. Nicméně, dnes je nějakých 900 miliard litrů vody/rok využíváno pro výrobu benzínu. Proto tedy při porovnání se současnou potřebou vody, využívanou při produkci fosilních paliv, by toto řešení uspořilo významné množství vody. Pramen Hydrogenappliances.com
Jak dlouho pracuje New Holland na tomto projektu? Kdo pracoval na projektu? New Holland zahájil tento projekt v průběhu roku 2008 a uskutečnil se ve velmi krátké době. Postavení prvního prototypu zabralo pouze čtyři měsíce. To bylo možné pouze proto, protože se těžilo z let výzkumu provedených skupinou Fiat a jeho partnery. Proč byl vybrán vodík a ne jiné technologie? K dispozici je mnoho technologií, které se liší emisemi a dostupností. Obrázek na další straně to shrnuje. Třebaže používání palivových článků H2 je náročnější než některých jiných technologií, výhody nízkých emisí, které poskytují, jsou jednoznačné. A v prostředí farmy, tam není problém se sítí dodávky vodíku.
Pramen: GM R&D Center
Jaký je rozdíl oproti vodíku, používaného v raketách Ariane 5? V Ariane 5 byla využívána směs pohonných látek (ergols), mezi kterými je vodík. Je ale používaný ve své tekuté podobě a je kombinovaný s dalšími okysličovadly, umožňujícími dokonalejší spálení a získání více energie. V NH2 je výkon získán prostřednictvím palivového článku, bez spalování, je tvořen úplně odlišným procesem. Kolik je potřeba pro realizaci energeticky nezávislé farmy – EIF peněz? To určitě závisí na situaci každého zemědělce. Pro zemědělce již vyrábějích elektřinu z jiných zdrojů, například bioplynu, by náklady realizace byly nižší než u jiných, kteří by chtěli zavést kompletní systém využívající sluneční nebo větrnou energii. Nicméně, v průběhu několika let bude investice, vyžadovaná pro takový systém, dostupná a náš odhad je, že by ji bylo možno splatit v průběhu 3 let a nebo kratší době. Jaký je točivý moment? A samostatnost? Točivý moment tohoto traktoru je 300 Nm. Současný samostatný provoz tohoto traktoru, se 110 litrovou nádrží uskladněného vodíku při 350 barech, je mezi 1,5 a 2 hodinami. Upozorňujeme, že toto je první prototyp a je zde prostor pro zlepšení. Například zvýšením tlaku a velikosti nádrže může samostatný provoz v budoucích prototypech dosáhnout přijatelných hodnot.
Proč vodík? Není zde příliš mnoho omezení? Jestliže máte na mysli řešení s vodíkem pro automobilový průmysl, tam je pro zavedení této alternativy mnoho překážek. Mezi nimi je hlavním problémem všeho umístění distribuční sítě. Pro energeticky nezávislé farmy – EIF – to nepředstavuje žádný problém. Jsou tam také další problémy, které jsou snadněji řešitelné v souvislosti traktor/farma než automobil/městské prostředí. Níže uvedená tabulka je shrnuje.
Problémy s H2 při využití v automobilech
Využití traktor/farma
Distribuční síť Skladovací prostor paliva Nádrž H2 vestavěná do vozidla Cena palivového článku v poměru k ceně vozidla Samostatný provoz Palivové články ve srovnání s akumulátory
Výroba i spotřeba v místě Prostor k dispozici na farmách Velikost traktoru usnadní vestavbu Cena traktoru napomáhá vstřebání nákladů Traktor zůstává blízko farmy Při normálním používání traktoru je samostatný provoz na akumulátory neobyčejně malý. Žádné brzdění, žádné dobíjení.
Jestliže má vodík větší stupeň hořlavosti než benzín, nebude nebezpečné jeho používání? Zatímco vodík má širší rozsah hořlavosti než benzín, je to pouze část pravdy, jestliže uvažujeme o pravděpodobnosti vzniku ohně, vyplývajícího z úniku vodíku do ovzduší. Každé palivo má různé vlastnosti, které se musí uvážit spolu se stupněm hořlavosti. Například: omezený stupeň hořlavosti benzínu je klamný, protože tento stupeň může být snadno a často dosažen během normální manipulace s benzínem u spotřebitele a určitě při jeho rozlití. Tam mohou ovšem být benzínem způsobené požáry, ale protože jak víme, požár určitě vždy nenastane, když se uvolní benzínové páry v otevřeném prostoru do vzduchu, protože pára včas nenalezne zdroj vznícení. Vodík má širší stupeň hořlavosti, ale protože je lehčí než vzduch (50 krát lehčí než benzínové páry a dokonce lehčí než hélium) a rozptýlí se 12 krát rychleji než dokáží benzínové páry, je velmi obtížné nalézt vhodný zdroj zapálení vodíkového plynu v otevřeném prostředí, jako je stanice doplňování paliva. Systémy použité pro doplňování vozidla vodíkovým palivem jsou navrženy tak, aby zajistily bezpečnost veřejnosti zrovna tak, jako jsou navrženy systémy benzínové. Zatímco obě
palivové soustavy využívají únik hadicemi, ventily a monitorovací systémy, systémy s vodíkem jdou o krok dále. Systémy doplňování vodíkem jsou navrženy jako "uzavřené" systémy, jejichž významem je, že palivo není vystaveno působení atmosféry – na rozdíl od benzínu, který může být během tankování rozlitý dosti snadno. Tato uzavřená konstrukce systému připojení zadrží vodík vždy v příslušné ochranné obálce a nedovolí, aby se kyslík nebo vzduch smísil s palivem, tím vyloučí jeden z požadovaných prvků hoření, potřebných pro vznik požáru. Tím dále zmírní malou schopnost vzplanutí vodíku, ve srovnání s benzínem, nikdy neumožní, aby zdroj jiskření nebo vzplanutí měl jakoukoliv možnost vzájemně reagovat s plynným vodíkem. Pramen Shell Hydrogen LLC
Je vodík škodlivý dýchání? Náhodné nadýchání malého množství vodíku Vás nepoškodí. Vodík není jedovatý lidem, zvířatům a prostředí. Jako jiné normálně používané plyny, vodík zaujme místo nebo vytlačí kyslík. Protože se vodík rozptyluje (vzlíná a rozšíří se) velmi rychle, je velmi malé nebezpečí příliš velkého nadýchání. Není elektřina přece jenom vhodnější? Zdá se, že není logické vyrábět elektřinu, přeměnit ji na vodík, ten pak použít v traktoru, ve kterém se opět změní na elektřinu. To je dobrá otázka a pro odpověď na ní dovolte rozdělit problém na dva: nejdříve budeme hovořit o účinnosti převodu energie a potom budeme hovořit o proveditelnosti výroby elektrických traktorů. Stručně řečeno: v některých situacích může být přeměna energie přímo na elektrický proud efektivnější (ale ne vždy). Nicméně, není uskutečnitelná výroba elektrického zemědělského traktoru. Jeho akumulátory by měly hmotnost více než 7 tun! Pro začátek dovolte, abychom předpokládali, že máme 100 kWh obnovitelné elektřiny, která může být převedena buď na vodík pro pohon traktoru NH2 nebo může jít do elektrického vozidla. Níže uvedený obrázek ukazuje obě dvě alternativy: Účinnost přeměny ze zdroje obnovitelné elektřiny
AC elektricity - STŘÍDAVÝ PROUD (100 kWh) AC-DC conversion - Přeměna STŘÍDAVÝ PROUD-STEJNOSMĚRNÝ PROUD Electrolysis - Elektrolýza Compression - Stlačení Fuel Cell - Palivový článek AC via Grid - STŘÍDAVÝ PROUD přes elektrickou síť AC – DC conversion and battery charging – Převod STŘÍDAVÝ PROUDSTEJNOSMĚRNÝ PROUD a nabíjení akumulátoru Battery Discharge - Vybití akumulátoru Electric Tractor - Elektrický traktor 35 kWh - 46 kWh
Stručně řečeno, vidíme, že ze stejného zdroje elektřiny můžeme díky rozdílné účinnosti každého kroku procesu získat 46 kWh pro elektrický traktor a 35 kWh pro vodíkem poháněný traktor. To je významný 30% rozdíl a je to důležitý bod. Nicméně, potřebuje být vyzdvižen jeden důvod. Nejdříve dovolte, abychom si vzali skutečný příklad farmáře, který produkuje metan. Má dvě cesty přeměny energie. Může vyrábět elektřinu NEBO může přímo, za používání zařízení nazvaného parní reformátor (Steam Reformer), vyrábět H2. Na dolním obrázku je postup zobrazený: Účinnost přeměny ze zdroje obnovitelné elektřiny
ICE AC electricity - STŘÍDAVÝ PROUD 100kWh) AC-DC conversion – Přeměna STŘÍDAVÝ PROUD-STEJNOSMĚRNÝ PROUD Electrolysis - Elektrolýza Compression - Stlačení Fuel Cell - Palivový článek
Alternative 1: 35 kWh - Alternative 2: 88 kWh Methane - Metan (CH4 ) Steam Reformer - Parní reformování 2. Alternativa 1. Alternativa Rozdíl v účinnosti je významný. Tento proces je o 150% účinnější. Závěr je: pokud začneme od elektřiny, bylo by účinnější používání elektrického traktoru (asi o 30%). Nicméně, pokud začneme například od metanu, stává se výhodnějším vodík. Nyní ale přejděme ke druhému důvodu: i když je elektřina efektivnější, je možné vyrobit zemědělský elektrický traktor? Můžeme stručně odpovědět: ne! Odpověď spočívá ve využití traktoru. Denně na farmě, při osmi hodinách pracovní doby, spotřebuje kolem 368 kWh. Aby mohl akumulátor dodávat energii pro různé druhy činnosti, při používání nejmodernějších akumulátorů by jejich velikost byla kolem 3,2 m3! (současná nádrž na vodík má 0,1m3). Hmotnost tohoto akumulátoru by byla kolem 6,5 tun! Tím se stává prakticky nemožné vyvinout traktor s akumulátorem této velikosti a hmotnosti. A jsou zde rovněž další problémy: - tyto akumulátory ztratí 20% své kapacity každým rokem. Po 5 letech by se jejich kapacita snížila na pouze 40% - rychlé doplnění paliva by bylo prakticky nemožné: pro opětovné nabití traktoru za 1 hodinu by byla potřebná střední elektrárna 600 kW. A opětovné nabití akumulátoru tímto výkonem by možná znamenalo jeho poškození. - a nakonec přirozeně vyplyne jedna otázka: kam bychom umístili 6 tunový akumulátor? Z těchto důvodů nejsou akumulátory pro traktory výhledovým řešením. Akumulátory mohou být vhodné při využívání v automobilech, protože se mohou používat na krátké vzdálenosti, minimální dobu pracují při plném výkonu, využívají systémů rekuperace při brzdění a doplnění palivem se může provést přes noc rozumnou rychlostí. To ale není případ traktorů. Je NH2 první traktor poháněný vodíkem? Ano! Toto je první zemědělský traktor poháněný vodíkem. V minulosti byly další iniciativy, používající jiné druhy palivových článků, ale žádný s vodíkem. V roce 1959 pracovaly traktory Allis Chalmers na alkalické palivové články. Nicméně, je důležité upozornit, že byly poháněné propanem, ne vodíkem. Palivové články Kdy byl palivový článek vynalezen? Palivové články byly nejprve předvedeny v roce 1839 sirem Villiamem Grove. Nicméně, skutečně práce schopný palivový článek byl představený až v roce 1959. Po použití ve
vesmírném programu NASA zájem o palivové články se poněkud snížil až do roku 1990, kdy započal výzkum a vývoj vedoucí k nadějnějším vyhlídkám komercializace. Pramen : fuelcelltoday.com
Jaké jsou druhy palivových článků? Je řada druhů palivových článků, které jsou normálně významný elektrolytu, který obsahují. Nejznámějšími druhy jsou alkalický, s roztavenými uhličitany, kyselina fosforečná, s membránou umožňující výměna protonů a tuhý oxid. Rozsáhlý je také výzkum přímého využití metanolu a rekuperačních palivových článků. Pramen : fuelcelltoday.com
Co to je palivový článek? Palivový článek je elektrochemické zařízení, které produkuje elektrický proud a teplo z paliva (často vodíku) a kyslíku. Na rozdíl od konvenčního motoru to dělá bez spalování paliva, a proto může být účinnější a čistší. Pramen : fuelcelltoday.com
Jaký je rozdíl mezi palivovým článkem a akumulátorem? Zatímco akumulátor elektrický proud chemickou reakcí uloží a dodá, palivový článek produkuje energii reakcí paliva se vzduchem. Z akumulátoru se tedy vyčerpá proud a musí být dobíjen a nebo vyměněn. Palivový článek však bude pokračovat v činnosti a produkovat proud, pokud bude dodáváno palivo a kyslík. Pramen : fuelcelltoday.com
Jsou palivové články obnovitelným zdrojem energie? Palivové články samy o sobě nejsou zdrojem energie: pro produkci energie spíše využijí palivo. Jestliže je toto palivo získáno z obnovitelných zdrojů, potom mohou být palivové články důležitou součástí v řetězci zdrojů energie, třeba při použití vodíku mohou být využívány k uložení energie z občasně využitelných zdrojů a palivové články přemění tento vodík v případě potřeby zpět na elektřinu. Pramen : fuelcelltoday.com
