Automobilul cu hidrogen

Vehiculele cu sisteme de propulsie electrică sunt din ce în ce mai des echipate cu soluții care îmbunătățesc eficiența sistemului de propulsie. În acest articol vom prezenta cel mai recent model de vehicul cu sistem hibrid cu pile de combustie – Toyota Mirai. Designul acestui vehicul este similar cu cel al vehiculelor hibride din multe puncte de vedere.

Strategia de dezvoltare a transporturilor, aprobată pentru implementare de către Comisia Europeană, prevede reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră din sectorul transporturilor. Realizarea acestor ipoteze cu sistemele de acționare convenționale nu va fi posibilă. Constructorii de automobile de frunte, conștienți de provocările cu care se confruntă, să lucreze intenționat la sisteme de acționare alternative pentru vehiculele de pasageri. Introducerea unui sistem de propulsie hibrid în 1997 de către principalul producător de automobile, Toyota, a fost efectul acestei noi strategii de cercetare.
Combinația dintre un sistem de propulsie electric și convențional a făcut posibilă reducerea semnificativă a emisiilor de CO2 în atmosferă. La prima generație a modelului Toyota Prius, media emisiilor de CO2 era de 120 g/km, în timp ce ultima versiune a celei de-a patra generații produce doar 70 de grame pe kilometru . Această companie estimează că, de la introducerea modelului Prius, înlocuirea a 10 milioane de mașini diesel de tip convențional cu 10 milioane de mașini hibride a redus emisiile de CO2 cu peste 77 de milioane de tone. Faptul că din ce în ce mai mulți producători folosesc propulsoare hibride în Europa, America de Nord și Asia reprezintă o confirmare a potențialului acestei unități.
În ciuda popularității acestui tip de sistem de propulsie, cerințele stabilite de Comisia Europeană pentru reducerea emisiilor de dioxid de carbon vor fi în continuare imposibil de atins. Doar sarcina de a crea un vehicul cu emisii zero, pusă în sarcina producătorilor de automobile, va permite, în cele din urmă, punerea în aplicare a acestei strategii de dezvoltare a transporturilor. Toți producătorii importanți doresc să atingă aceste obiective prin introducerea în producția de masă a vehiculelor cu propulsie electrică. Principala problemă este: care va fi suportul energetic – baterie auto sau hidrogen.
Hidrogenul ca purtător de energie permite unui vehicul – la o presiune standard de realimentare de 70 MPa și o masă de hidrogen de 5 kg – să parcurgă o distanță de până la 550 km. Utilizarea unei presiuni atât de ridicate necesită modele speciale de rezervoare care sunt deja produse în serie. Standardele de realimentare cu hidrogen stabilite pentru autoturisme necesită, de asemenea, o investiție mai mare în construcția de stații de realimentare cu hidrogen. Principalul avantaj al acestui standard este timpul de realimentare cu 5 kilograme de hidrogen, adică umplerea rezervorului de la 0 la 100%, care durează aproximativ 3 minute. Acesta este principalul argument în favoarea acestui tip de purtător de energie, spre deosebire de încărcarea îndelungată a vehiculelor electrice. Siguranța utilizării vehiculelor alimentate cu pile de combustie este, de asemenea, susținută de faptul că acestea sunt realimentate de către șoferi fără nicio super-viziune. Construcția de stații de autoservire a fost adoptată ca soluție standard.

Oferă deja acest purtător de energie o alternativă clară și lipsită de ambiguitate la propulsia convențională? Procesul de producere a hidrogenului în sine este cunoscut și popular. Acesta poate fi produs din cărbune, prin electroliza apei curate, chiar și prin compostarea deșeurilor municipale. Provocarea rămâne găsirea și popularizarea unei metode care să îndeplinească două criterii care se exclud reciproc: puritatea hidrogenului și prețul acestuia. În prezent, costul hidrogenului este de aproximativ 9 euro pe kilogram, ceea ce face ca costul de exploatare să fie comparabil cu costurile de exploatare ale unui vehicul cu un motor pe benzină cu o cilindree de 1.800 cm3.
Utilizarea pe scară largă a hidrogenului ca sursă de energie necesită, în unele părți ale lumii, dezvoltarea în continuare a infrastructurii stațiilor de realimentare cu hidrogen și, în multe alte părți, construirea și stabilirea acestei infrastructuri de la zero.

Utilizarea unei baterii de înaltă tensiune ca purtător de energie pentru automobile necesită găsirea unor soluții la problemele fundamentale ale autonomiei vehiculului și ale timpului de încărcare a bateriei. Cu toate că cercetările care vizează eliminarea acestor probleme sunt în desfășurare de peste un secol, ele nu au fost încă depășite în mod eficient. Baterii de ultimă generație, utilizate nu numai de Tesla, oferă o autonomie de 150-200 km după doar 30 de minute de încărcare. Autonomia maximă a vehiculului este de până la 450 km, dar este nevoie de cel puțin câteva ore pentru a încărca bateria la capacitate maximă (cu alimentare trifazică) sau chiar de până la 30 de ore (pentru o utilizare casnică normală). Pentru a ajunge la o autonomie de 200 km după o încărcare de numai 30 de minute, devine necesară utilizarea încărcătoarelor super-rapide.
Timpul de încărcare al acestora scurtează timpul de reîncărcare completă la 4,5 ore. Cu toate acestea, necesarul de energie pentru o stație este de 480 V/ 200 A×3.

Fără îndoială, construcția de stații de încărcare rapidă, denumite în mod obișnuit „supraîncărcătoare”, și utilizarea supercondensatoarelor sunt considerate în prezent ca fiind cea mai bună soluție pentru obținerea unei autonomii mari a vehiculului cu o baterie complet încărcată. Cu toate acestea, această tehnologie necesită, de asemenea, construirea unei infrastructuri de stații de încărcare. Este, de asemenea, extrem de important să se furnizeze energie pentru ca infrastructura să își facă treaba. Este necesar să se construiască o rețea electrică cu o sursă de curent foarte eficientă – ceea ce reprezintă, de asemenea, o provocare tehnică și economică.
Pentru o persoană care deține și conduce o mașină, cei mai importanți sunt parametrii precum: prețul combustibilului, autonomia vehiculului, disponibilitatea combustibilului și ușurința de realimentare. Pentru purtătorii de energie avuți în vedere, prețul actual și disponibilitatea vorbelor pentru utilizarea bateriilor. Acest lucru se datorează faptului că inițiativa de construire a infrastructurii de încărcare a vehiculelor electrice a fost deja întreprinsă, precum și stimulentului sub forma unei reîncărcări cu costuri reduse sau chiar a surselor gratuite de energie electrică care au fost furnizate.
În schimb, hidrogenul, ca purtător de energie care este distribuit la pilele de combustie din industria auto, are un avantaj indubitabil sub forma unei realimentări rapide și a unei autonomii mult mai mari a vehiculului după realimentare. Slaba disponibilitate a stațiilor de realimentare cu hidrogen se datorează istoriei foarte scurte a acestei tehnologii și ca urmare a dezvoltării sale dinamice. Hidrogenul ca și combustibil pare să aibă un viitor uriaș în față, doar prin simplul fapt că este posibil să fie produs în procesul de eliminare a deșeurilor, iar deșeurile reprezintă o mare problemă pentru civilizația noastră.

Producția vehiculelor Toyota Mirai a început în Japonia în decembrie 2014, iar vânzările în SUA în anul următor. În Europa, primele vehicule au fost vândute în 2015 în Marea Britanie, Germania și Danemarca, iar în 2016 și în Belgia.
În același an, Toyota Mirai a fost lansată în Norvegia și Suedia. Suedia are stații de realimentare cu hidrogen în Stockholm, Göteborg și Malmo. Pe baza datelor Toyota, în 2023 au fost vândute 3.737 de vehicule alimentate cu hidrogen cu o creștere de 3,9% față de 2022.
În vehiculul Toyota Mirai au fost utilizate două rezervoare de hidrogen cu o presiune de 70 MPa (Fig. 3).
Astfel, s-a obținut cea mai mare densitate masică unitară a hidrogenului comprimat. Tensiunea de la stiva de pile de combustie este convertită la 650 de volți și alimentată la motorul electric de curent alternativ.

Cele mai recente soluții de acționare cu pile de combustie includ mai multe comenzi electronice decât predecesorii lor. Versiunile anterioare de dezvoltare a acționării (Fig. 4) aveau o pilă de combustie și un invertor care se conectau direct la motorul electric și erau alimentate cu aceeași tensiune. Soluția actuală utilizează un amplificator de tensiune, care permite creșterea tensiunii de alimentare a motorului electric până la 650 V.

În noua generație de pile de combustie, unele părți au fost eliminate, iar altele consolidate semnificativ, ceea ce a simplificat întreaga structură a dispozitivului .
Toyota Fuel Cell System (TFCS) este primul sistem de pile de combustie din lume care nu are un umidificator extern. Controlul stivei de pile de combustie și sistemul de control au fost perfecționate astfel încât apa formată în partea de jos a catodului să fie transportată în partea din față a părții superioare a catodului prin circulație internă prin anod.
Elementul caracteristic al sistemului de pile de combustie utilizat este reprezentat de cele trei injectoare de hidrogen, care funcționează în funcție de sarcina sistemului.

Figura 7 prezintă posibilele moduri de conducere ale primului vehicul cu pile de combustie produs în serie. Aceste moduri sunt analoge modurilor din vehiculele hibride, cu excepția faptului că funcția generatorului de energie este de a umple stiva de pile de combustie (spre deosebire de motorul diesel din vehiculele HEV). Modurile sunt: încărcare în staționare, pornire, conducere normală, frânare (recuperare de energie) și accelerare. Diagramele bloc indică sistemele utilizate pentru a conduce vehiculul atunci când se află în modul de conducere. Sunt posibile două direcții ale fluxului de energie: utilizarea energiei – sub formă de hidrogen sau de electricitate stocată într-o baterie de înaltă tensiune și recuperarea energiei pentru a încărca bateria HV.

Toyota Mirai este primul vehicul produs în serie care dispune de trei injectoare de hidrogen independente pentru pilele de combustie.

O analiză a sistemului de pile de combustie din vehicul în condiții tipice de trafic permite identificarea aspectelor cheie ale funcționării acestui sistem:

1. Valoarea maximă a tensiunii pilei de combustie (315 V) la trecerea de la zero se obține după aproximativ 4 secunde în timpul pornirii vehiculului.
2. Puterea maximă a pilei de combustie pentru accelerarea vehiculului este disponibilă după aproximativ 3,5 secunde de la oprirea vehiculului (condiții fixe de funcționare a pilei de combustie).
3. Utilizarea a trei injectoare de hidrogen permite o gamă largă de moduri posibile de obținere a fluxului dorit de hidrogen pentru alimentarea pilei de combustie; Cel de-al treilea injector este activat numai în timpul unor valori ridicate ale sarcinii pilei de combustie la 75- 100% din poziția pedalei de accelerație. Analiza rezultatelor indică faptul că al treilea injector funcționează numai la viteze care depășesc 35 km/h.
4. Echiparea sistemului de gestionare a energiei cu un circuit de amplificare a voltajului pentru alimentarea cu energie a motorului electric permite creșterea tensiunii de la 315 V la 650 V. Condițiile de conducere care necesită funcționarea așa-numitului boost este accelerarea rapidă a vehiculului, indiferent de nivelul de încărcare a bateriilor de înaltă tensiune.