Vehiculele cu hidrogen sunt diverse vehicule care folosesc hidrogen ca combustibil . Acestea pot fi vehicule cu motoare cu ardere internă , motoare cu turbină cu gaz și celule de combustibil cu hidrogen .
În 1806 François Isaac de Rivaz (1752-1828) a creat primul motor cu ardere internă alimentat cu hidrogen. Inventatorul a produs hidrogen prin electroliza apei.
În 1941, în Leningradul asediat , benzina era insuficientă , dar hidrogenul era disponibil în cantități mari. Tehnicianul militar Boris Shelishch a sugerat utilizarea unui amestec aer-hidrogen pentru a opera baloane de baraj . Motoarele cu ardere internă ale troliurilor cu baloane au fost transferate la hidrogen . În timpul blocadei, aproximativ 600 de mașini au circulat cu hidrogen în oraș. [unu]
Utilizarea hidrogenului ca purtător de energie va reduce atât în mod semnificativ consumul de hidrocarburi fosili, cât și va face progrese semnificative în rezolvarea problemei de mediu a poluării aerului urban prin componente nocive pentru sănătatea umană ale gazelor de eșapament ale mașinilor și locomotivelor diesel [2] .
În 2009, aproximativ 25% din emisiile de dioxid de carbon în atmosfera Pământului au fost produse ca urmare a funcționării diferitelor tipuri de transport [3] . Potrivit AIE , acest număr se va dubla până în 2050 și va continua să crească pe măsură ce numărul de mașini private crește în țările în curs de dezvoltare [4] . Pe lângă dioxidul de carbon , în atmosferă sunt emiși oxizi de azot , responsabili de creșterea incidenței astmului bronșic , oxizi de sulf, responsabili de ploile acide etc.
În transportul maritim, se folosesc adesea combustibili ieftini de calitate scăzută. Transportul maritim emite de 700 de ori mai mulți oxizi de sulf decât transportul rutier . Potrivit Organizației Maritime Internaționale, emisiile de CO 2 din marina comercială au ajuns la 1,12 miliarde de tone pe an [5] .
Un alt motiv pentru interesul crescut pentru transportul hidrogenului este creșterea prețurilor la energie (în prezent, marea majoritate a acestora sunt cărbune, petrol și derivate ale acestora), penuria de combustibil și dorința diferitelor țări de a câștiga independență energetică [2] .
Hidrogenul poate fi folosit ca combustibil într-un motor convențional cu ardere internă [6] . În acest caz, puterea motorului este redusă la 65% - 82% în comparație cu versiunea pe benzină . Cu toate acestea, dacă efectuați mici modificări la sistemul de aprindere, puterea motorului crește la 117% față de versiunea pe benzină, dar în acest caz, producția de oxizi de azot va crește din cauza temperaturii mai ridicate din camera de ardere [7] și probabilitatea de ardere a supapelor și pistoanelor va crește atunci când se lucrează îndelungat la putere mare [8] . În plus, hidrogenul, la temperaturile și presiunile care sunt create în motor, este capabil să reacționeze cu materialele structurale ale motorului și lubrifianții, ducând la uzură rapidă [7] . De asemenea, hidrogenul este foarte volatil, motiv pentru care, atunci când se folosește un sistem convențional de alimentare cu carburator, poate pătrunde în galeria de evacuare, unde se aprinde și din cauza temperaturii ridicate [6] . Motoarele tradiționale cu combustie internă alternativă sunt slab adaptate pentru a funcționa pe hidrogen. De obicei, un motor rotativ cu ardere internă este utilizat pentru a funcționa pe hidrogen , deoarece în acesta galeria de evacuare este îndepărtată semnificativ din galeria de admisie.
Vehiculele pe bază de hidrogen sunt deja produse. Printre companiile care produc astfel de vehicule se numără Toyota , Honda și Hyundai . Vehiculele pe bază de hidrogen sunt dezvoltate și de Daimler , Audi , BMW , Ford , Nissan și alții.
În 2016, primul tren cu hidrogen , Coradia iLint de la Alstom , a fost introdus în Germania , iar trenul va începe să circule pe ruta Buxtehude- Cuxhaven din Saxonia Inferioară din decembrie 2017. Se presupune că în final vor înlocui 4.000 de trenuri regionale diesel care operează în Germania pe tronsoane neelectrificate de cale ferată. Alstom raportează că și Țările de Jos, Danemarca și Norvegia și-au exprimat interesul pentru astfel de trenuri. [9]
Disponibil în cantități limitate:
Compania Boeing dezvoltă o aeronavă fără pilot pentru altitudini mari și durată lungă de zbor (High Altitude Long Endurance (HALE). Aeronava este echipată cu HICE fabricat de Ford Motor Company [12] .
Introducerea pe scară largă a combustibilului cu hidrogen este încă constrânsă de prețul mai mare al hidrogenului în comparație cu combustibilii lichizi și gazosi convenționali și de lipsa infrastructurii necesare. Amestecuri de combustibil tradițional cu hidrogen pot deveni o soluție intermediară. Hidrogenul poate fi utilizat pentru a îmbunătăți inflamabilitatea amestecurilor slabe din motoarele cu ardere internă care funcționează cu combustibili convenționali [6] . De exemplu, HCNG este un amestec de hidrogen și gaz natural.
La bordul vehiculului se realizează instalații care produc hidrogen din apă distilată. Hidrogenul este apoi adăugat la motorină. Astfel de instalații sunt echipate cu camioane grele și echipamente miniere. Se crede că acest lucru face posibilă reducerea consumului de combustibil și creșterea puterii motorului și reducerea riscului de mediu al emisiilor [13] , deși există și alte puncte de vedere [14] .
La începutul anilor 1980 , biroul de proiectare al lui N. Kuznetsov ( Samara ) a dezvoltat motoare de avioane concepute pentru aeronavele de pasageri Tupolev . Aceste motoare cu hidrogen au fost testate pe banc ca parte a lui Tu-155 . Evenimentele din Rusia de la sfârșitul anilor 1980 și începutul anilor 1990 nu au permis ca lucrările lui N. Kuznetsov privind motoarele de avioane cu hidrogen să fie utilizate pe scară largă în aviația de transport și pasageri. Până în prezent, în depozitele biroului de proiectare din Samara s-au păstrat mai multe motoare de aeronave operaționale de N. Kuznetsov [15] .
Pe 3 aprilie 2008, Boeing a efectuat teste de zbor ale unei aeronave ușoare Dimona cu două locuri cu o centrală electrică cu pile de combustibil cu hidrogen [16] .
Pilele de combustie cu hidrogen pot produce energie electrică pentru un motor electric la bordul unui vehicul, înlocuind astfel motorul cu ardere internă sau pot fi utilizate pentru alimentarea la bord.
Primul vehicul cu celule de combustibil a fost creat în 1959 de către Allis-Chalmers Manufacturing Company ( SUA ). Pilele de combustibil alcaline (AFC) au fost montate pe tractor . În 1962 - pe o mașină de golf. În 1967 , Union Carbide (SUA) a instalat pile de combustie pe o motocicletă . În 1982, în URSS a fost dezvoltat un microbuz experimental cu hidrogen „ Kvant-RAF ” cu acționare electrică pe celule de combustibil alcaline.
Principalul avantaj al introducerii pilelor de combustibil în vehiculele terestre (de ex. mașini): randamentul ridicat așteptat . Eficiența unui motor modern cu ardere internă a automobilului ajunge la 35%, iar eficiența unei celule de combustibil cu hidrogen este de 45% sau mai mult. În timpul testelor unui autobuz cu pile de combustibil cu hidrogen de către compania canadiană Ballard Power Systems , a fost demonstrată o eficiență de 57%. [17] . Eficiența unei baterii clasice cu plumb este mai mare - până la 70-90%. Dar principalul factor care împiedică producția în masă a vehiculelor electrice este costul ridicat și imperfecțiunea bateriilor. De asemenea, o direcție promițătoare este utilizarea supercondensatorilor în vehiculele hibride și electrice .
De regulă, celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEM) sunt instalate pe mașini și autobuze . Principalele lor avantaje sunt: compactitate, greutate redusă, temperatură scăzută a procesului.
În 2002, Departamentul de Energie al SUA și-a stabilit obiectivul de a reduce costul pilelor de combustie la 45 USD per 1 kW de capacitate instalată până în 2010 și la 30 USD pe 1 kW până în 2015 (în dolari din 2002, excluzând inflația). Aceasta înseamnă că sursa de energie electrică la bord pentru centrala electrică cu o capacitate de 100 kW. (134 CP) va costa 3.000 USD, ceea ce este comparabil cu costul unui motor cu ardere internă [18] .
Vehiculele cu celule de combustibil cu hidrogen sunt fabricate și testate:
și alte exemplare unice în Brazilia , China , Republica Cehă etc.
Prima mașină de producție din lume va fi pusă în vânzare la sfârșitul anului 2014 [21] :
Din 2003 până în 2006, 36 de autobuze Clean Urban Transport for Europe au acoperit peste 2 milioane de km și au transportat 6 milioane de pasageri. În ianuarie 2021, Aberdeen a lansat linia Wright StreetDeck , primele autobuze cu etaj pe hidrogen din lume , fiecare costând aproximativ 500.000 de lire sterline [22] .
În 2021, primele autobuze cu etaj cu hidrogen din lume au intrat oficial în funcțiune în Aberdeen, Scoția. [23]
Consumul de combustibilOpel Zafira cu o centrală electrică cu pile de combustie cu hidrogen de 94 kW în condițiile de la Washington consumă 1,83 kg de hidrogen la 100 mile (160 km) de parcurs, adică 6,4 litri echivalent benzină . Analogul de benzină al lui Opel Zafira cu un motor de 1,6 litri cu o putere de 85 kW consumă 5,8 litri de benzină la 100 km pe autostradă.
Laboratorul Național de Energie Regenerabilă (SUA) în calculele sale folosește o autonomie medie a autoturismelor de 12.000 mile pe an (19.200 km), consumul de hidrogen este de 1 kg la 60 mile (96 km) de parcurs. Adică, o mașină de pasageri cu pile de combustibil cu hidrogen necesită 200 kg de hidrogen pe an, sau 0,55 kg pe zi. Un kilogram de hidrogen este considerat egal ca valoare energetică cu un galon (3,78 litri) de benzină [24] .
Sistemele de propulsie feroviară trebuie să dezvolte o putere destul de mare, în timp ce compactitatea sistemelor de propulsie feroviară este mai puțin importantă decât în transportul rutier. Transportul feroviar reprezintă o piață uriașă pentru centralele electrice cu pile de combustibil cu hidrogen. În prezent, aproximativ 60% din transportul feroviar de marfă la nivel mondial este transportat de locomotive diesel. O alta oportunitate profitabila este construirea, cu ajutorul celulelor de combustie, a locomotivelor care sa combine avantajele unei locomotive diesel si ale unei locomotive electrice (capacitatea de a fi alimentata de o retea de contact pe linii electrificate si autonomie la trecerea neelectrificate). secțiuni).
La 18 februarie 2004, Institutul Japonez de Cercetare Tehnică a Căilor Ferate a testat pentru prima dată în lume un prototip de tren cu pile de combustibil cu hidrogen [25] .
În Statele Unite, funcționarea unei locomotive cu pile de combustibil cu hidrogen cu o capacitate de 2 mii de litri. Cu. trebuia să înceapă în 2009 [26] . Locomotiva a fost creată din 2003 cu participarea Departamentului de Apărare al SUA (DoD) în scopuri militare netactice și pentru utilizare comercială [27] .
În Danemarca, un tren cu hidrogen circulă între Vemb, Lemvig și Thyboron. Lungimea traseului este de 59 km, care este limitată de capacitatea rezervoarelor de hidrogen. Proiectul a fost numit Proiectul Danish Hydrogen Train [28] .
Materialul rulant cu hidrogen este dezvoltat și în Japonia de către Hitachi [29] și Kinki Sharyo [30] .
Institutul Fraunhofer pentru Sisteme de Transport și Infrastructură ( Germania ) a creat un prototip de tramvai și autobuz hibrid . AutoTram este echipat cu o pilă de combustie cu hidrogen și un volant care se încarcă la frânare și accelerează mașina la pornire. Prototipul are 18 metri lungime, dar institutul spune că este posibil să se creeze mașini de 56 de metri cu o capacitate de 300 de pasageri. Pilă de combustie de la Ballard Power Systems, volantă de la CCM Nuenen. 10 kg de hidrogen sunt depozitate pe acoperiș. AutoTram dezvoltă o viteză de 60 km/h. [31] Un tramvai cu pile de combustibil cu hidrogen operează și în China.
În Germania, în 2018, a fost lansat primul tren de pasageri alimentat cu hidrogen, Coradia iLint. Până în 2021, sunt programate să fie lansate alte 14 astfel de trenuri [32] .
La 8 aprilie 2021 a fost făcut public un contract semnat de regiunile franceze Auvergne-Rhone-Alpes, Burgundy-Franche-Comté, Grand Est și Occitania pentru achiziționarea a 12 trenuri hibride electrice de la Alstom (4 vagoane fiecare, aproximativ 220). scaune) care pot primi energie electrică atât de la rețeaua de contact, cât și de la pile de combustie cu hidrogen. Potrivit Alstom, autonomia pe combustibilul cu hidrogen va fi de 600 km [33] .
Pentru a introduce pile de combustibil cu hidrogen în transportul maritim în Europa , în 2003 a fost înființat consorțiul FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships) [34] . Consorțiul FellowSHIP include Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik și Wärtsilä Automation Norway.
Tot în Europa a creat:
Germania produce submarine clasa U-212 cu celule de combustie produse de Siemens AG . U-212 sunt în serviciu cu Germania, au fost primite comenzi din Grecia , Italia , Coreea , Israel . Sub apă, barca merge pe hidrogen și aproape că nu face zgomot.
Constructorul naval spaniol Navantia, SA intenționează să înceapă producția de submarine din clasa S-80 cu propulsie PEM cu pile de combustibil pe hidrogen de 300 kW. Hidrogenul este produs la bordul submarinului din etanol . Furnizorul de celule de combustibil este UTC Power ( SUA ). S-80 sunt proiectate pentru a proteja coasta. Utilizarea pilelor de combustibil cu hidrogen va reduce nivelul de zgomot și va crește timpul petrecut sub apă.
Operațiunea Zemships a început în vara anului 2008 .
Islanda plănuiește să transforme toate navele de pescuit în hidrogen . Pentru producerea hidrogenului se va folosi energie geotermală și hidroenergie.
Primul zbor cu echipaj al unei aeronave cu o centrală cu pile de combustie PEM de 20 kW a avut loc pe 3 aprilie 2008 [35] . Proiectul a fost dezvoltat de Boeing și un grup de companii europene. Pile de combustie - fabricate de UQM Technologies (SUA).
Institutul Fraunhofer (Germania) dezvoltă un elicopter fără pilot cu o centrală electrică cu pile de combustie cu hidrogen (greutatea celulei de combustie - 30 de grame. Putere - 12 wați). [36] .
Vehiculele aeriene fără pilot cu celule de combustie sunt, de asemenea, dezvoltate de companii americane și israeliene.
Transportul auxiliar a operat în spații restrânse: depozite, aerodromuri, mari fabrici industriale, baze militare etc.
Cele mai active celule de combustie cu hidrogen sunt instalate pe stivuitoare de depozit. Puțin mai puțin de jumătate din noile celule de combustibil instalate în vehicule în 2006 au fost instalate în camioane de depozit. Înlocuirea bateriilor cu celule de combustibil va reduce semnificativ suprafața ocupată de magazinele de baterii. Pentru întreținerea bateriilor a 12 camioane sunt necesari 370 de metri pătrați. m., în timp ce stația de alimentare cu hidrogen acoperă o suprafață de 18,5 mp. ( Date de testare Wal-Mart ). Este nevoie de doar aproximativ 2 minute pentru a alimenta un camion cu hidrogen.
Centrele mari de distribuție de 90.000 m² necesită 100-300 de camioane și trei seturi de baterii per camion. Bateriile sunt schimbate de 300 de ori pe zi. Marile lanțuri de retail ( Wal-Mart , Kroger , Target , Sysco , SuperValu , Ahold , etc.) operează o flotă de 5.000-20.000 de camioane de depozit.
În 2009, Statele Unite au început o conversie activă a camioanelor de depozitare la hidrogen. Companiile au început să-și transforme stivuitoarele în hidrogen: Nestle [37] , lanțul de retail HEB (Texas) [38] , Anheuser Busch [39] , Nissan [40] , GENCO [41] , Coca-Cola [42] și altele.
Pilele de combustibil cu hidrogen sunt instalate pe biciclete , motociclete , scutere , submarine, troleibuze etc.
Pilele de combustibil cu hidrogen pot fi, de asemenea, utilizate pentru alimentarea la bord pentru avioane, nave și camioane mari . Pilele de combustibil SOFC pot fi utilizate pentru alimentarea la bord .
În 2006, producătorii de celule de combustie, împreună cu Agenția Europeană pentru Siguranța Aviației (EASA), au început să dezvolte standarde de certificare pentru pilele de combustibil pentru avioane .
Airbus coordonează proiectul European New Configured Aircraft (CELINA). Proiectul lucrează la reducerea greutății și dimensiunilor pilelor de combustibil de 400-600 kW. Airbus A330-300 va genera 40% din electricitate în pile de combustibil cu hidrogen . Dezvoltatorii și-au stabilit un obiectiv - creșterea acestui număr la 60%.
Primele teste de zbor ale unei centrale electrice în zbor cu pile de combustibil cu hidrogen de 20 kW. realizat de Airbus în februarie 2008 pe un Airbus A320 [43] .
Utilizarea centralelor electrice cu celule de combustie cu hidrogen pe aeronave va reduce nivelul de zgomot, consumul de combustibil și emisiile de gaze periculoase pentru mediu.
Boeing dezvoltă, de asemenea, celule de combustibil pentru zbor SOFC . Centrală electrică cu o capacitate de 440 kW. va reduce consumul de kerosen cu 75% în timp ce stați pe pământ. Boeing intenționează să finalizeze dezvoltarea până în 2015 .
În martie 2008, în timpul expediției STS-123 a navetei Endeavour, pilele de combustibil ale UTC Power au depășit pragul de 100.000 de ore de funcționare în spațiu [44] . Pilele de combustibil cu hidrogen produc energie la bordul navetelor spațiale din 1981 .
Pericolul folosirii hidrogenului ca combustibil este asociat cu doi factori: volatilitatea ridicată a hidrogenului, datorită căreia acesta pătrunde prin goluri foarte mici, și ușurința aprinderii [6] . Pe de altă parte, atunci când un rezervor de combustibil este perforat, benzina se revarsă pe suprafață într-o băltoacă, în timp ce hidrogenul scapă sub forma unui jet direcționat [47] . Cu toate acestea, există pericolul de a umple spațiul închis al interiorului vehiculului cu hidrogen.
La 10 iunie 2019, a avut loc o explozie masivă la stația de alimentare cu hidrogen Uno-X din Sannvik, Norvegia, cauzată de o scurgere de hidrogen dintr-un cilindru de înaltă presiune. Nu au existat morți în urma exploziei, dar impactul exploziei a fost atât de mare încât a fost simțit ca un cutremur pe o rază de 28 de kilometri [48] . Până la stabilirea cauzei exploziei, Toyota și Hyundai au suspendat vânzările vehiculelor lor cu hidrogen [49] și toate stațiile de hidrogen din Norvegia au fost închise [50] .
Până la începutul anilor 2020, producătorii de automobile care aveau anterior programe pentru studierea tehnologiilor cu hidrogen renunță la utilizarea hidrogenului în mașinile de pasageri, considerând această direcție „nepromițătoare” [58] [59] .