1)nimipinge voltides (V) 2)mahtuvus ampertundides (Ah) elektrihulk, mida värske element on võimeline andma kindlatel tühjendustingimustel. 3)säilimisaeg ajavahemik, mille lõpul on toatemperatuuril säilitatud allikas alles veel kindel osa (nt. 90 %) mahtuvusest. Säilitamise piiraeg on elemendile märgitud. Kütuseelement Kütuseelemendi tööpõhimõtte avastas juba 1839.a uelslasest jurist ja füüsik sir William Robert Grove (1811-1896). Kütuseelemendis toimub kütuse elektrokeemiline oksüdatsioon (nn külmpõlemine), mille tulemusena saadakse nii elektrit kui ka soojust. Kütusena kasutatakse kõige enam põlevgaase, nagu vesinik, süsinikoksiid, süsivesinikud, aga kasutatakse ka vedel- (hüdrasiin) ning tahkekütuseid (süsi). Oksüdeerijaks on tavaliselt hapnik nii puhtal kujul kui ka õhu või vesinikperoksiidi koostises. Kütuseelement koosneb
ostaks. Vesinik kui kütus on muidugi odav, aga kütuseelementi kuuluv plaatina on vägagi kallis.100 g plaatina maksab umbes 36000 krooni. Pealegi ei jätkuks seda vesinikautode massiliseks toodanguks, sest lihtsalt ei jõuta piisavalt plaatina kaevandada ning erinevalt vesinikust peavad plaatina varud kunagi lõppema. Lisanduvad veel ka energia kulutused vesiniku transportimisele, kokkupressimisele ning ka kütuseelemendis toimuvale elektrolüüsile. Probleemid jätkuvad 1) Pole piisavalt vesiniktanklaid 2) Ei teata kuidas vesinikku paagis hoida, sest midagi ei tohi välja minna. See võibolla väga ohtlik. Seepärast hoitakse vesinikku rõhu all spetsiaalses tsisternis vedelal kujul ning selle pumpamisel peab olema ülimalt ettevaatlik. Üheks ideeks on aga tehnoloogia, mis hoiaks vesinikku pulbrisarnases olekus: imeväikesed süsinikukapslid
ioone katoodilt anoodile või prootoneid anoodilt katoodile. Et protsess tasakaalustuks, liiguvad elektronid välist vooluringi mööda anoodilt tagasi katoodile, tekitades elektronide voo ehk elektri. Elektroodides toimuvate elektrokeemiliste protsesside ja elektrolüüdi takistuse tõttu tekib ka soojus. 12 Puhta vesiniku saamine ja kasutamine on täna veel liiga kulukas ning praktikas kasutatakse kütuseelemendis erinevaid vesinikku sisaldavaid aineid nagu maagaas, bensiin, metanool jne. Paraku tekib nende ainete kasutamisel kütuselemendis ka jääkaineid, kuid oluliselt vähem kui tavapärase elektritootmise puhul. Kuna kütuseelemendis muundatakse keemiline energia otse elektrienergiaks, jättes vahele tavapärased põlemis- ja mehhaanilised protsessid, siis on kütuseelemendi kasutegur võrreldes tänapäeval kommertskasutuses olevate seadmetega tunduvalt suurem
kütuseelemendi tüübist juhib anoodi ja katoodi vahel paiknev elektrolüüt kas hapniku ioone katoodilt anoodile või prootoneid anoodilt katoodile. Et protsess tasakaalustuks, liiguvad elektronid välist vooluringi mööda anoodilt tagasi katoodile, tekitades elektronide voo ehk elektri. Elektroodides toimuvate elektrokeemiliste protsesside ja elektrolüüdi takistuse tõttu tekib ka soojus. Puhta vesiniku saamine ja kasutamine on täna veel liiga kulukas ning praktikas kasutatakse kütuseelemendis erinevaid vesinikku sisaldavaid aineid nagu maagaas, bensiin, metanool jne. Paraku tekib nende ainete kasutamisel kütuselemendis ka jääkaineid, kuid oluliselt vähem kui tavapärase elektritootmise puhul. Kuna kütuseelemendis muundatakse keemiline energia otse elektrienergiaks, jättes vahele tavapärased põlemis- ja mehhaanilised protsessid, siis on kütuseelemendi kasutegur võrreldes tänapäeval kommertskasutuses olevate seadmetega tunduvalt suurem
a. on -1 • molekulaarne vesinik-püsiv, atomaarne-ebapüsiv • puhas H2 põleb õhus sinaka leegiga, moodustades vee, temp. Kuni 2000oc • segu õhu või O2-ga plahvatusohtlik! • Vesiniku saamine a) tööstuses: 2H20 (elektrolüüs) -> 2H2 + O2 b) laboris: Metall+hape -> sool + vesinik nt. Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 (reageeriv metall peab reageerima happega!) • kasutatakse raketikütusena, autode kütuseelemendis, metallurgias metallide reduts. oksiididest, ammoniaagi ja org. ainete tootmisel. Halogeenid - F2, Cl2, Br2, I2 • gaasid • o.a. enamasti -1 • sublimeeruvad ehk muutuvad tahkest ainest kohe gaasiks (jood) • madala kt-ga • lihtainena tugevalt mürgised! • Cl ja Br – vee puhastamine • I – haavade ümbruse desinfitseerimine KONTROLLTÖÖ KORDAMISÜLESANDED nr 6. TEEMA: Mittemetallid 1
tegemiseks. See tõstab süsteemis kütuse oksüdeerumise summaarset kasutegurit olulisel määral. Kui näiteks kütuseelement on mõeldud maja kütmiseks, saab ka elektrienergia kõrval eralduva soojuse ära kasutada. Autodes aga on madaltemperatuursed energiaallikad sobivamad. Ent üldiselt on oluline kütuseelemendi kasuteguri ja omahinna suhe. Kuidas kütuseelement töötab? Vesiniku põlemisel peavad vesinik ja hapnik kontakteeruma ning vahetama elektrone. Kütuseelemendis on elektronide vahetus eraldatud aatomite kontaktist. Kahte elementi eraldav elektrolüüt lubab ühte kahest, kas vesiniku või hapniku ioonil läbida elektroodidevaheline vahemik. Reaktsiooniks vajalik elektronide vahetus vesiniku ja hapniku vahel ei toimu mitte läbi elektrolüüdi, vaid välist elektriringi pidi. Tekib alalisvool. Sobiva elektrolüüdi leidmine, mis lubaks liikuda hapniku või vesiniku aatomitel, kuid väldiks
erineb kütuseelement galvaanielemendist. Kütuseelementides, nagu tavalistes galvaanielementideski, on elektroodid, millele juhitakse redutseerija ja oksüdeerija, eraldatud ioonjuhtivusega elektrolüüdi abil. Anoodile juhitakse pidevalt kütust, katoodile oksüdeerijat. Gaasiliste ainete kasutamisel valmistatakse elektroodid tavaliselt õõnsate torude või plaatidena. Voolu tekitav protsess toimub elektroodi ja elektrolüüdi kokkupuutepinnal. Saadustena tekivad CO2 ja H2O, seega on kütuseelemendis toimuvad keemilised protsessid sarnased põlemisega, ainult temperatuur on enamasti madalam, millest tuleneb ka ,,leegita põlemine". Pinge elektroodide vahel on tavaliselt umbes 1V. Võrreldes tavalise kütuse põletamist kütuseelemendi kasutamisega soojuselektrijaamas, on kütuseelemendi eeliseks konstruktsiooni lihtsus ja palju suurem kasutegur (kuni 70%). Kuna keemiline energia muutub elektrienergiaks vahetult, ilma soojusenergia ja mehaanilise energia vahenduseta
läbi vaid positiivsed laengud (H+). Negatiivsed ioonid või elektronid juhitakse läbi alalisvooluahela, toites vahetult elektriseadmeid. Katoodi juures saavad kokku vesinik (H+) ja O2 ¿ hapnik ( , mis ühinevad veeks. Metanooli kasutades on lisaks produktiks süsihappegaas. Metanooli kasutamisel on miinuseks see, et osa metanoolist liigub läbi membraani katoodi poole ning selle võrra langeb kütuseelemendi efektiivsus. Samuti on säärases kütuseelemendis kasutatavad materjalid kallid või paljud membraanid on alles arenduse faasis. Hetkel toodab keskmine vesinik-hapnik kütuseelement 1-1,5V voolu 25 kraadi juures. Metanool mootorikütusena Metanooli on võimalik kasutada ka sisepõlemismootorite käitamiseks ning peetakse loodussõbralikumaks alternatiiviks (eelnimetatud põhjustel). Metanooli kütteväärtus on küll poole väiksem bensiinist, (ca. 40-41 MJ/kg) ja diislist (ca. 45 MJ/kg) kuid ottomootorite
Näiteks Saksamaal sõidab juba kaks aastat 17 prooviautot, Isalandis on juba kuus aastat tagasi avatud vesinikutankla ja seal sõidavad vesinikukütust kasutavad proovibussid ning Islandisse on tekkinud ka vesinikuautode jaoks autopood ning kütusetootja.(4) Vesinikuauto mootori tööpõhimõte (7) Hind Vesinikuauto katalüsaatorina kasutatakse väärismetalle, nagu plaatinat, mille hind ületab mõistlikkuse piire. Selleks, et autot ostetaks, tuleks kütuseelemendis kasutatava plaatina hulk oluliselt vähenema, see aga ei annaks sama keskkonnasõbraliku auto tulemust. Samuti, kui hakataks vesinikukütust kasutama, ammenduks maailma plaatinavarud 70 aastaga, mis tooks ühe probleemi asemel teise kaasa. Praegu maksavad esimesed vesinikuautod vähemalt 7,5 miljonit krooni ja sellise hinnaga autot ei saa endale väga paljud lubada.(1) Vesinikuauto BMW H2R (6)
vaid pigem on see patareisarnane energiakandja: vesiniku tootmiseks läheb vaja eelnevalt jõujaamade toodetud energiat. Kui selleks kasutada ainult taastuv- või tuumaenergiat, oleks süsinikdioksiidi paiskumine atmosfääri olematu. Praegu ei ole see aga reaalne, hoolimata vesiniku küllusest. Vesinikul töötav auto muundab oma mootoris vesiniku keemilise energia mehaaniliseks, seda kas põletamise abil nagu sisepõlemismootorites või erilises kütuseelemendis aset leidva elektrokeemilise muundamise kaudu. Vesinikelemendis reageerivad vesinik ja hapnik elektrolüüdi juuresolekul tulemuseks on kasutatav elektrienergia. TechnologyReview kohaselt ei ole aga vesinikkütusest lähemal ajal loota lahendust inimkonda painavatele energiaprobleemidele, ükskõik kui geniaalsed vesinikul liikuvate autode lahendused ka oleks. Summaarselt paiskab kütuseks kasutatava vesiniku tootmisprotsess õhku lihtsalt veelgi rohkem saastet kui tavaline auto oma eluajal
Seda omadust kasutatakse ameerika teadlase Irvin Langmuri keevitusaparaadis (Langmuri põleti). Sellises seadmes tõuseb temperatuur umbes 4000 °C, mistõttu sulatatakse Langmuri põletiga rasksulavaid materjale ja sulameid (sellel temperatuuril sulavad kõik metallid) · vesiniku põlemisel vabaneb 3-4 korda rohkem energiat kui sama koguse söe või nafta põlemisel, seetõttu on väga perspektiivne vesiniku kasutamise kütuseelemendis. See on eri tüüpi galvaanielement, milles toimub vesiniku aeglane leegita põlemine õhus või hapnikus. Selle tulemusel vabaneb energia elektrienergiana. Kütuseelement on keskkonnasõbralik, sest reaktsioonisaaduseks on ainult vesi (veeauruna). Samuti võib vesinikku saada veest, mille varud on aga lõpmatud. Kahjuks on vesiniku tootmine veest kallis, sest selleks tuleb kasutada elektrienergiat (elektrolüüs).
efektiivsuseni. Ainult 24 protsenti vesiniku tootmiseks kulutatud energiast läheb autokütusena asja ette kolmveerand läheb tühja. ,,Miks ei ole vesinikust kütusena asja saanud?" ;Viilu Päärt ; Äripäev; 01.12.2008 http://www.4energia.ee/index.php/article/860 ; viimati alla laetud 12.04.2010 Hind Kuid sellega probleemid ei lõppe. Vesinikuauto katalüsaatorina kasutatakse väärismetalle, nagu plaatinat, mille hind ületab mõistlikkuse piire. Selleks, et autot ostetaks, tuleks kütuseelemendis kasutatava plaatina hulk oluliselt vähenema, see aga ei annaks sama keskkonnasõbraliku auto tulemust. Samuti, kui hakataks vesinikukütust kasutama, ammenduks maailma plaatinavarud 70 aastaga, mis tooks ühe probleemi asemel teise kaasa. Praegu maksavad esimesed vesinikuautod vähemalt 7,5 miljonit krooni ja sellise hinnaga autot ei saa endale väga paljud lubada. ,,Miks ei ole vesinikust kütusena asja saanud?" ;Viilu Päärt; Äripäev ;01.12.2008 http://www.4energia.ee/index
efektiivsuseni. Ainult 24 protsenti vesiniku tootmiseks kulutatud energiast läheb autokütusena asja ette kolmveerand läheb tühja. ,,Miks ei ole vesinikust kütusena asja saanud?" ;Viilu Päärt ; Äripäev; 01.12.2008 http://www.4energia.ee/index.php/article/860 ; viimati alla laetud 16.05.2009 Hind Kuid sellega probleemid ei lõppe. Vesinikuauto katalüsaatorina kasutatakse väärismetalle, nagu plaatinat, mille hind ületab mõistlikkuse piire. Selleks, et autot ostetaks, tuleks kütuseelemendis kasutatava plaatina hulk oluliselt vähenema, see aga ei annaks sama keskkonnasõbraliku auto tulemust. Samuti, kui hakataks vesinikukütust kasutama, ammenduks maailma plaatinavarud 70 aastaga, mis tooks ühe probleemi asemel teise kaasa. Praegu maksavad esimesed vesinikuautod vähemalt 7,5 miljonit krooni ja sellise hinnaga autot ei saa endale väga paljud lubada. ,,Miks ei ole vesinikust kütusena asja saanud?" ;Viilu Päärt; Äripäev ;01.12.2008 http://www.4energia.ee/index
Sisuliselt ongi vesinikautode puhul tegemist elektriautodega ainult energia salvestina ei kasutata akusid, vaid energia ,,toodetakse" jooksvalt. Lisaks keskkonnasõbralikkusele on vesinikautod ka vaiksemad ning erksamad, gaasipedaali vajutades ei ole viivitust nagu sisepõlemismootoritega autodel. Aga, et vesinikautod muutuksid tänavatel tavaliseks peavad teadlased lahendama mitmeid probleeme. Kõigepealt tuleb märkida vesinikautode kõrge hinna. Auto kütuseelemendis leidub kuni 100 grammi plaatina.Hinna alandamiseks tuleb leida mõni muu katalüsaator ja/või vähendada oluliselt kasutatava plaatina hulka. Kui hinda mitte arvestada siis tänaste plaatina kaevandamisvõimsuste korral ei ole mõeldavgi massiline vesinikautode tootmine, sest lihtsalt ei jõuta piisavalt plaatina kaevandada. Tänasel päeval toodetakse vesiniku peamiselt metaanist, ning protsessis vabaneb CO. Seega pole saadud vesinik karvavõrdki keskkonnasõbralik
Tõepoolest - vesinikkütuse loomiseks on meil ju vaja vaid elektrit ja vett, lihtne! Aga et saada elektrit ... Paraku baseerub enamik meie elektritootmisest siiski fossiilkütusel. Ning kui võtta kogu asi lahti algosakesteks, siis - kust tuleks energia, et neid vesinikautosid ehitada? Ühe auto ehitamiseks vajamineva energia tootmiseks kulub ühtekokku üle 10 tuhande liitri naftat. Vesinikukütuselemendi puhul kasutatakse katalüsaatorina väärismetalle, näiteks plaatina. Auto kütuseelemendis leidub kuni 100 grammi plaatina, tänastes hindades on see metallikogus väärt üle 36 000 krooni. Selleks, et vesinikul põhinev majandus saaks kunagi reaalsuseks peab kütuseelementides kasutatava plaatina hulk oluliselt langema. Plaatina hulk võiks selleks ajaks, kui vesinikuautosid hakatakse turustama, olla 20 grammini auto kohta, lubab Martin Green firmast Johnson Matthew, mis toodab komponente autotööstuses kasutatavatele kütuseelementidele
katalüsaatorit, mis lagundab kütust ja aktiveerib hapnikku. Elektroodide vahel on elektrolüüt (2) niisiis lahus või sulatis, vastavalt elemendi töötemperatuurile, mis võib ulatuda toatemperatuurist 1000°C ja suuremakski. Kütusena lisatakse H 2 või vesinikurikkaid gaase (CH4 jt madalamad alkaanid), CO ning mõnikord ka vedelkütuseid. Oksüdeerijaks on puhas hapnik või õhk. Saadustena tekivad CO2 ja H2O, seega on kütuseelemendis toimuvad keemilised protsessid sarnased põlemisega, ainult temperatuur on enamasti madalam, millest tuleneb ka ,,leegita põlemine". Pinge elektroodide vahel on tavaliselt umbes 1V. Võrreldes tavalise kütuse põletamist kütuseelemendi kasutamisega soojuselektrijaamas, on kütuseelemendi eeliseks konstruktsiooni lihtsus ja palju suurem kasutegur (kuni 70%). Kuna keemiline energia muutub elektrienergiaks vahetult, ilma soojusenergia ja mehaanilise energia vahenduseta. Tavalise
katalüsaatorit, mis lagundab kütust ja aktiveerib hapnikku. Elektroodide vahel on elektrolüüt (2) – niisiis lahus või sulatis, vastavalt elemendi töötemperatuurile, mis võib ulatuda toatemperatuurist 1000°C ja suuremakski. Kütusena lisatakse H 2 või vesinikurikkaid gaase (CH4 jt madalamad alkaanid), CO ning mõnikord ka vedelkütuseid. Oksüdeerijaks on puhas hapnik või õhk. Saadustena tekivad CO2 ja H2O, seega on kütuseelemendis toimuvad keemilised protsessid sarnased põlemisega, ainult temperatuur on enamasti madalam, millest tuleneb ka „leegita põlemine”. Pinge elektroodide vahel on tavaliselt umbes 1V. Võrreldes tavalise kütuse põletamist kütuseelemendi kasutamisega soojuselektrijaamas, on kütuseelemendi eeliseks konstruktsiooni lihtsus ja palju suurem kasutegur (kuni 70%). Kuna keemiline energia muutub elektrienergiaks vahetult, ilma soojusenergia ja mehaanilise energia vahenduseta. Tavalise
mehhaanilist ega soojuslikku kontakti. Adiabaatne süsteem soojusvahetus väliskeskkonnaga puudub Eksotermiline protsess soojus eraldub Endotermiline protsess soojus neeldub Adiabaatne protsess puudub soojusvahetus Isotermiline protsess temperatuur konstantne Isobaariline protsess rõhk konstantne Isokooriline protsess ruumala konstantne Paisumistöö töö, mis on tingitud ruumalamuutusest Kasulik töö töö. mis ei ole seotud rummalamuutusega (näiteks akus või kütuseelemendis toimuva keemilise reaktsiooni töö) Soojusmahtuvus C on soojushulk, mis kulub, et tõsta keha soojust 1 kraadi võrra Erisoojus Ce soojushulk, mis kulub 1 g aine temperatuuri tõstmiseks 1° võrra Moolsoojus Cm soojushulk, mis kulub 1 mooli aine temperatuuri tõstmiseks 1° võrra. Siseenergia muut ( qv = U ) on võrdne soojusefektiga konstantsel ruumalal Entalpia muut ( qp = H )on soojusefekt konstantsel rõhul
Protsessi kõrvalproduktideks on soojus ja puhas vesi. Enamik kütuseelemente tarbib kütusena vesinikku. Kütuseelemendil pole liikuvaid osi ja ta võib remondita töötada pikka aega, palju kauem kui turbiin või sisepõlemismootor. Kütuseelemendis muutub kütuse keemiline energia suhteliselt madalal temperatuuril otse elektrienergiaks. On välja töötatud mitmeid kütuseelemendi tüüpe, kuid esialgu on nad energiaallikana kallid. Siiski on juba kasutusel sadu pooltööstuslikke kütuseelemente. Võtmeküsimuseks on keemia- ja füüsikaalased fundamentaaluuringud uute materjalide, struktuuride ning tehnoloogiliste lahenduste leidmiseks. Kõrge hinna
Villu Vares Energia ja keskkond või teistest süsivesinikest elektrienergiat. Enamik kütuseelemente tarbib kütusena vesinikku. Vesinikku saab toota maagaasist, või ka elektrienergiat kasutades vee hüdrolüüsimisel. Viimasel juhul on tegemist energia salvestamisega. Auru- ja gaasiturbiinides ning sisepõlemismootoris muudetakse kütuse keemilise energia algul soojuseks, siis mehaaniliseks ja lõpuks elektrienergiaks. Kütuseelemendis muutub kütuse keemiline energia suhteliselt madalal temperatuuril otse elektrienergiaks. Kui juhtida elektrit vette, paigutades sinna kaks elektroodi, siis tekib vees keemiline reaktsioon, ühel elektroodil eraldub vesinik, teisel hapnik. Pöördprotsessi, kütuse keemilise energia otse elektrienergiaks muutmise võimaluse avastas vesinik-hapnik kütuseelemendil 1839. aastal Sir William Grove. Vesinik reageerib ühel ja hapnik teisel elektroodil ja tekib elektrivool
annaabi.ee 
