31. ledna 2017 v 5:00 | Petr
|
Minule jsem psal, že automobilkami stále omílaná "
vodíková auta" jsou nesmysl. Nikoliv fyzikální, ale ekonomický, protože vodík je extrémně lehký atom, tudíž se jako plyn velice obtížně stlačuje / zkapalňuje a i v kapalné formě je energeticky chudý - navzdory tomu, že se kvůli vysoké teplotě hoření a vysoké pohyblivosti lehké molekuly spalin ( vody ) používá jako to nejvýkonnější raketové palivo.
Tragédie vodíkového auta je tedy tato - litr kapalného vodíku paradoxně obsahuje méně vodíku ( a tím méně energie ) než litr jakéhokoliv jiného kapalného paliva - ať už mluvíme o zkapalněnlých plynech ( methan až buthan, zemní plyn ), nebo o látkách, které jsou kapalné za atmosférického tlaku a pokojové teploty ( benzín, nafta, řepkový olej, sádlo, máslo, methanol až buthanol ). Doufám, že moji čtenářové nemají s touto úvahou žádný problém a prostě to berou jako fyzikální realitu.
Pak je tady ale jiná věc, kterou jsem minule nakousl a kterou musím dnes probrat na plnou hubu. Dovolil bych si tedy přednést dva "drzé výroky"
- Akumulátory nebudou NIKDY energeticky srovnatelné s kapalnými palivy.
- Akumulátory o vysoké energetické hustotě ( Li-Ion a spol ) budou VŽDY ( poněkud ) nebezpečné - o to více čím budou mít vyšší kapacitu v menším objemu hmoty akumulátoru
Ani jedno ani druhé není můj názor, ale je to fyzikální fakt daný tím jak příroda funguje, což se pokusím vysvětlit.
Ad 1. Nevýkonné akumulátory
Mohl bych klidně napsat, že důvod je v tom, že štěpení kovalentních vazeb ( při hoření uhlovodíků ) je o dva řády energeticky bohatší než oxidačně redukční reakce které drží elektrony v akumulátorech a tím bych mohl skončit, ale to by asi čtenářům bylo málo, proto je nutné probrat věc poněkud podrobněji.
Paradoxně spalování benzínu ( vodíku, nafty, uhlí, buthanolu, řepkového oleje, dřeva, PET flašek, milenčiny paruky.... ) je z chemického hlediska daleko podobnější chemii baterie, než by si Euro-blbouni mohli myslet. Obojí jsou
oxidačně - redukční reakce. V případě hoření benzínu se jedná o jednosměrnou oxidaci uhlovodíkového skeletu molekul vzdušným kyslíkem, který přijímá odštěpené elektrony za vzniku CO
2 a H
2O. U baterií se jedná o vratnou oxidaci "
nějaké sloučeniny" - odnětím elektronů ze záporné elektrody, které pak procházejí elektrickým obvodem a skončí redukcí materiálu kladné elektrody. Naopak nabíjení je "
redukce" materiálu záporné elektrody a oxidace kladné elektrody elektrony z nabíječky.
Tím se dostáváme k jádru pudla - v "
olověnce" se mění
PbO2 na PbSO4 a zpět, přitom se přesouvají
2 elektrony. Přitom PbSO
4 má
molekulovou hmotnost 303 ( = 303 protonů a neutronů neboli gramů na
mol ). Hrubě zjednodušeně to znamená že do kila aktivní hmoty elektrod se vejde maximálně 2 elektrony * 1000 gramů / 303 gramů na mol =
6,6 molů elektronů. Když spálíme nějaký ulovodík - pro jednoduchost vezměmě třeba methan - CH
4, který má
molekulovou hmotnost 16 na 2x H
2O + CO
2 - vymění si svá místa celkem
4 elektronové páry. Což znamená že do kila paliva se vejde 8 * 1000 / 16 =
500 mol elektronů. Hrubě nepřesně je rozdíl "
energetické hustoty" 500 : 6,6 neboli
75 : 1 ve prospěch methanu
. Pro hnidopichy a inženýry bych ještě jmenovitě uvedl tři hrubá zjednodušení, kterých jsem se dopustil :
- PbSO4 netvorí 100% váhy olověnky, ale jenom nepatrnou frakci "aktivní vrstvy" na povrchu olověné elektrody.
- Přesun elektronu v methanu vede k většímu uvolnění energie než přesun elektronu v PbSO4. Důvodem je to, že přesun elektronu z nekonečna ( = z druhého atomu ) do blízkosti jader malých atomů ( uhlíku, vodíku, kyslíku ) je energeticky mnohem bohatší než přesuny elektronů někde na vzdálené periferii obrovského elektronového obalu olova.
- Nezapomeňme na to, že elektrony z akumulátoru jsou dále využity elektromotorem téměř na 100% zatímco energie přesunutých elektronů v methnanu je proplýtvána tepelným ( = spalovacím ) motorem, který má účinnost jen kolem 35%
Teď jsem původně chtěl napsat - proto nepřepočítávejte moly elektronů z příkladu na reálnou kapacitu, ale zkusme to. Náboj
1 molu elektronů je dán
Faradayovou konstantou a je to přibližně
27 Ampér-hodin takže naše virtuální olověnka s kilem "
aktivní hmoty" by měla kapacitu 177 ampérhodin - to není úplně nereálná kapacita pro olověný akumulátor, který při 6 takových článcích v sérii váží 50 kilo. Neboli aktivní hmota je kolem 10% celkové váhy ne ?
Nicméně i přes hrubá zjednodušení na obou stranách - základní řádový rozdíl zůstává - spalováním uhlovodíků kyslíkem uvolní se na kilo aktivní hmoty asi 100x více energie než při vybíjení akumulátoru. Jasné ?
Šťouralové se jistě ptají "a co Li-Ionka" - tím se dostáváme k
Ad 2. Nebezpečné akumulátory
Pokud chtěli konstruktéři akumulátorů zlepšit účinnost a "hmotnostní hustotu" energie v akumulátoru museli něco dělat s velikou molekulovou hmotností olova a jeho solí. Takže teď je vám jistě jasné proč vývoj šel směrem k "lehkým kovům" cestou Olovo -> NiCd -> NiMH -> Li-Ion. Olovo má 82 protonů a molekulovou hmotnost 272. Lithium má 3 protony a molekulovou hmotnost 6,9. Touto úvahou - pokud budeme ( hrubě nepřesně ) předpokládat, olovo při hmotnosti 272 g/mol ( 303 u celého síranu ) zadržuje 2 elektrony zatímco Lithium s hmotností 7 zadržuje 1 elektron. Li-Ion akumulátory by teoreticky měly být 20x kapacitnější než "Olověnka" a měly by se svou energetickou hustotou blížít spalování kapalných uhlovodíků ne ?
Bohužel ne - olovo můžete o vánocíh roztavit a lít do vody. Lithium - to by byl jiný bengál. Lithium na vzduchu prudce reaguje s kyslíkem za vzniku Li
2O a s vodou stejně prudce ( explozivně ) reaguje za vzniku LiOH. Proto vás se
Samsungem Galaxy Note 7 ani nepustí do letadla a problémy s hořícími lithiovými baterkami u různých zařízení jsou na denním pořádku. Proto máme tuto volbu: buď bude baterka energeticky vysoce efektivní, tím budou sloučeniny v ní potenciálně nestabilní a nebezpečné, třeba chlorečnan lithný, LiClO
3, který bouchá ještě ochotněji než jeho
draselný bratranec používaný v ohňostrojích, nebo bude v baterce nějaká bezpečná sůl typu
LiFePO4, která ale má molekulovou hmotnost 155 - čímž se blíží k PbS0
4 z olověných akumulátorů.
Tedy zopakujeme na plnou hubu, co bylo naznačeno : čím více se molekulová hmotnost "nějaké molekuly", která drží elektrony v baterce blíží molekulové hmotnosti hořících uhlovodíků - tím více se i průběh vybíjení a nabíjení takového akumulátoru chemicky blíží hoření - se všemi výhodami a riziky z toho vyplývajícími !
Teoreticky ještě lepší než Lithiové akumulátory by byly
vodíkové články, ale to bychom se dostali téměř tam, kam jsme se dostat nechtěli s vodíkovým motorem. Problém tedy není v "
technických detailech" ale v principu. Pokud chcete do nějaké hmoty uložit spoustu energie, tak aby se zase dala snadno uvolnit - musíte počítat s tím, že tato energie se může snadno uvolnit i jindy než chce uživatel = výbuch + požár ! Což mě vede k odkazu na
věšteckou scénu z filmu Terminátor 3 - která to vysvětluje naprosto lapidárně a fyzikálně správně. Štouralové budou namítat že Arnold tam předvádí nějaký futuristický "
fůzní článek" - Kubáč ovšem namítá, že mnoho energie stěsnané v malém prostoru je "
granát" bez ohledu na fyzikálně-chemickou podstatu uložení této energie. I péro v autíčku na klíček vám při přetažení může vystřelit oko. Proto berte za fakt, že riziko výbuchů vysokokapacitních baterií už nikdy neklesne a budeme rádi, když poroste pomaleji než jejich kapacita. Nebo jiným pohledem - dnes jsou akumulátory minimálně 20x energeticky "
řidší" než kapalná paliva, přesto už jsou poněkud nebezpečné. Až se jim v energetické hustotě vyrovnají, což umožní "
pohodlnou" konstrukci elektromobilu bez kompromisů - budou "
nehody" s nimi vypadat téměř jako video s Terminátorem.
Mimochodem chybí obvyklé srovnání jaké baterky používá matička příroda - její elektronový přenašeč se jmenuje FAD - "
flavin-adenin-dinukleotid". Přenáší 2 elektrony, syntezuje se z riboflavinu ( vitaminu B2 ) a váží ......... 785 g/mol - skoro 3x těžší než síran olovnatý v olověnce - zase se inženýři ( chemici ? ) mohou poplácat po ramenou, že jsou lepší - až na to, že celá molekula je jenom z COHN - uhlíku, kyslíku, vodíku a dusíku ( žádné jedovaté olovo a výbušné lithium ). Navíc je tato molekula totálně bezpečná ( 4 miliardy let bez výbuchu ) a navíc slouží skutečně jenom jako přenašeč elektronů - nikoliv jako jejich sklad.
Je to totálně jasné ?
Aby to nevypadalo, že jen tak planě teoretizuju - na závěr "public announcement" : kdo mě první sveze v kapalným vodíkem hnané Dacii - s tím budu chlastat 7 dní a 7 nocí na můj účet !!! Vodíkový pohon v této ultra-konzumí značce pro vidláky chudé jak kostelní myš je totiž nepochybným důkazem, že jsem se mýlil, a že vodík je prakticky použitelný k pohonu vozidel !
Dostal jsem nějaké maily s dotazy k "chemii v automobilismu", proto výjimečně nechávám diskusi povolenou - avšak moderovanou, aby čtenářové mohli napsat poznámku k věci !
( Jsem na cestách komentáře schválím a zodpovím večer. )
Poznámka při druhém čtení - Li-Ion technologie je velmi vágní marketingový pojem - baterie od různých výrobců, nebo z různých sérií stejného výrobce mohou obsahovat různé soli. Tím se riziko, že baterka vám "při nehodě" spálí střechu nad hlavou dramaticky liší kus od kusu !! Proto výjimečně doporučuju nekupovat laciné no-name ( nebo padělky ) v čínském e-shopu, ale držet se solidních výrobců a prodejců.
Pěkně jste to té budoucnosti pokazil!