Continuăm articolul destinat vehiculelor care folosesc alte tipuri de combustibili decât cei clasici.
HIDROGENUL
Hidrogenul, atunci când este utilizat într-o pilă de combustie pentru a furniza energie electrică, este un combustibil alternativ cu zero emisii de gaze de eșapament, produs din diverse surse de energie. În prezent, șoferii de vehicule electrice ușoare cu pile de combustie (FCEV) pot face plinul la stațiile de distribuție în mai puțin de 5 minute și pot obține o autonomie de peste 500 km. Sunt în curs de desfășurare eforturi de cercetare și comerciale pentru a extinde infrastructura limitată de alimentare cu hidrogen și pentru a crește producția de vehicule FCEV.
Hidrogenul (H2) este un combustibil alternativ care poate fi produs din diverse resurse interne. Deși piața hidrogenului ca și combustibil pentru transporturi se află la început, autoritățile publice și industria lucrează pentru a obține o producție și o distribuție a hidrogenului care să fie curate, economice și sigure, în vederea utilizării pe scară largă în vehiculele electrice cu pile de combustie (FCEV). Vehiculele FCEV ușoare sunt disponibile în prezent în cantități limitate pe piața de consum în regiuni localizate din țară și din întreaga lume. De asemenea, piața este în curs de apariție pentru autobuze, echipamente de manipulare a materialelor (cum ar fi stivuitoarele), echipamente de asistență la sol, camioane de capacitate medie și mare, nave maritime și aplicații staționare.
Hidrogenul este abundent în mediul nostru înconjurător. Este stocat în apă (H2O), hidrocarburi (cum ar fi metanul, CH4) și alte materii organice. O provocare a utilizării hidrogenului ca și combustibil este extragerea eficientă a acestuia din acești compuși.
În prezent, reformarea cu abur – combinarea aburului la temperaturi înalte cu gazele naturale pentru a extrage hidrogenul – reprezintă majoritatea hidrogenului produs la nivel mondial. De asemenea, hidrogenul poate fi produs din apă prin electroliză. Acest procedeu necesită mai multă energie, dar poate fi realizat cu ajutorul energiei regenerabile, cum ar fi energia eoliană sau solară, evitându-se astfel emisiile nocive asociate cu alte tipuri de producție de energie.
Aproape tot hidrogenul produs în lume în fiecare an este utilizat pentru rafinarea petrolului, tratarea metalelor, producerea de îngrășăminte și prelucrarea alimentelor.
Deși producția de hidrogen poate genera emisii care afectează calitatea aerului, în funcție de sursă, un FCEV care funcționează cu hidrogen emite doar vapori de apă și aer cald ca gaz de eșapament și este considerat un vehicul cu emisii zero. Eforturile majore de cercetare și dezvoltare vizează transformarea acestor vehicule și a infrastructurii acestora în vehicule practice pentru o utilizare pe scară largă. Acest lucru a dus la lansarea vehiculelor ușoare către consumatorii cu amănuntul, precum și la punerea în aplicare inițială a autobuzelor și camioanelor medii și grele .
Hidrogenul ca și combustibil alternativ
Hidrogenul este considerat un combustibil alternativ . Interesul pentru hidrogen ca și combustibil alternativ pentru transporturi se datorează capacității sale de a alimenta pilele de combustie din vehiculele cu emisii zero, potențialului său de producție internă, precum și timpului rapid de umplere și eficienței ridicate a vehiculelor electrice cu pile de combustie. De fapt, o celulă de combustibil cuplată cu un motor electric este de două până la trei ori mai eficientă decât un motor cu combustie internă care funcționează cu benzină. Hidrogenul poate servi, de asemenea, drept combustibil pentru motoarele cu combustie internă. Cu toate acestea, spre deosebire de FCEV-uri, acestea produc emisii la țeava de eșapament și sunt mai puțin eficiente. Aflați mai multe despre pilele de combustie.
Energia dintr-un kilogram de hidrogen gazos este aproximativ aceeași cu energia din 2,8 kilograme de benzină. Deoarece hidrogenul are o densitate energetică volumetrică scăzută, acesta este stocat la bordul unui vehicul sub formă de gaz comprimat pentru a obține autonomia de deplasare a vehiculelor convenționale. Majoritatea aplicațiilor actuale utilizează rezervoare de înaltă presiune capabile să stocheze hidrogenul la 350 sau 700 bar. De exemplu, FCEV-urile produse de producătorii de automobile și disponibile la dealeri au rezervoare de 700 bar.
Sursa foto © Artelia UK
Distribuitoarele cu amănuntul, care sunt în mare parte amplasate în stațiile de benzină, pot umple aceste rezervoare în 3-5 minute. Autobuzele electrice cu pile de combustie folosesc în prezent rezervoare de 350 bar, a căror umplere durează 10-15 minute. Sunt în curs de dezvoltare și alte modalități de stocare a hidrogenului, inclusiv legarea chimică a hidrogenului cu un material precum hidrura metalică sau materiale absorbante la temperaturi scăzute.
Producătorii de autovehicule oferă FCEV doar consumatorilor care locuiesc în regiuni în care există stații de alimentare cu hidrogen. De asemenea, în Europa, stațiile care nu sunt destinate comercializării cu amănuntul continuă să deservească flote de FCEV, inclusiv autobuze.
Mai multe centre de distribuție folosesc hidrogenul pentru a alimenta vehiculele de manipulare a materialelor în cadrul operațiunilor lor normale. În plus, au fost făcute mai multe anunțuri cu privire la producția de vehicule grele, cum ar fi camioanele de transport de linie, care vor necesita stații de alimentare cu capacități mult mai mari decât cele existente pentru vehicule ușoare.
Cum funcționează un vehicul cu pila de combustie ?
La fel ca și vehiculele complet electrice, vehiculele electrice cu pile de combustie (FCEV) utilizează electricitatea pentru a alimenta un motor electric.
Spre deosebire de alte vehicule electrice, FCEV-urile produc electricitate cu ajutorul unei pile de combustie alimentate cu hidrogen, în loc să tragă electricitate doar de la o baterie. În timpul procesului de proiectare a vehiculului, producătorul vehiculului definește puterea vehiculului în funcție de mărimea motorului (motoarelor) electric(e) care primește energie electrică de la combinația de pile de combustie și baterii de dimensiuni corespunzătoare.
Deși constructorii de automobile ar putea proiecta un FCEV cu capacități de conectare la priză pentru a încărca bateria, majoritatea FCEV-urilor din prezent utilizează bateria pentru a recupera energia de frânare, pentru a furniza energie suplimentară în timpul unor scurte accelerări și pentru a regla energia furnizată de pila de combustie, cu opțiunea de a lăsa la ralanti sau de a opri pila de combustie în cazul în care aceasta are nevoie de puțină energie.
Cantitatea de energie stocată la bord este determinată de dimensiunea rezervorului de combustibil pe bază de hidrogen.
Acest lucru este diferit față de un vehicul complet electric, unde cantitatea de putere și energia disponibilă sunt ambele strâns legate de dimensiunea bateriei.
Componentele principale ale vehiculelor cu pilă de combustie
Baterie (auxiliară): La un vehicul cu propulsie electrică, bateria auxiliară de joasă tensiune furnizează energie electrică pentru pornirea autovehiculului înainte de a fi activată bateria de tracțiune; de asemenea, aceasta alimentează accesoriile vehiculului.
Baterie: Această baterie de înaltă tensiune stochează energia generată de frânarea regenerativă și furnizează energie suplimentară pentru motorul electric de tracțiune.
Convertor CC/CC: Acest dispozitiv convertește energia de curent continuu de tensiune mai mare de la bateria de tracțiune în energie de curent continuu de tensiune mai mică, necesară pentru funcționarea accesoriilor vehiculului și pentru reîncărcarea bateriei auxiliare.
Motorul electric de tracțiune (FCEV): Utilizând energia de la pila de combustie și de la pachetul de baterii de tracțiune, acest motor acționează roțile vehiculului. Unele vehicule utilizează motoare generatoare care îndeplinesc atât funcția de tracțiune, cât și cea de regenerare.
Stiva de pile de combustie: Un ansamblu de electrozi cu membrană individuală care utilizează hidrogenul și oxigenul pentru a produce energie electrică.
Bușonul de umplere: O duză de la un distribuitor de combustibil se atașează la recipientul de pe vehicul pentru a umple rezervorul.
Rezervor de combustibil (hidrogen): Stochează hidrogenul gazos la bordul vehiculului până când este necesar pentru celula de combustibil.
Controler electronic de putere (FCEV): Această unitate gestionează fluxul de energie electrică furnizat de pila de combustie și de bateria de tracțiune, controlând viteza motorului electric de tracțiune și cuplul pe care îl produce.
Sistem termic (răcire) – (FCEV): Acest sistem menține un interval adecvat de temperatură de funcționare a pilei de combustie, a motorului electric, a sistemului electronic de putere și a altor componente.
Transmisie (electrică): Transmisia transferă puterea mecanică de la motorul electric de tracțiune pentru a acționa roțile.
Metode de producție a hidrogenului
Deși abundă pe Pământ ca element, hidrogenul se găsește aproape întotdeauna ca parte a unui alt compus, cum ar fi apa (H2O) sau metanul (CH4), și trebuie separat în hidrogen pur (H2) pentru a fi utilizat în vehiculele electrice cu pile de combustie. Combustibilul hidrogen se combină cu oxigenul din aer prin intermediul unei pile de combustie, creând electricitate și apă printr-un proces electrochimic.
Hidrogenul poate fi produs din diverse resurse interne, inclusiv combustibili fosili, biomasă și electroliza apei cu energie electrică. Impactul asupra mediului și eficiența energetică a hidrogenului depind de modul în care acesta este produs. Mai multe proiecte sunt în curs de desfășurare pentru a reduce costurile asociate cu producția de hidrogen.
Există mai multe căi de producere a hidrogenului:
● Reformarea/gazificarea gazelor naturale: Gazul de sinteză – un amestec de hidrogen, monoxid de carbon și o cantitate mică de dioxid de carbon – este creat prin reacția gazului natural cu abur la temperaturi ridicate. Monoxidul de carbon reacționează cu apă pentru a produce hidrogen suplimentar. Această metodă este cea mai ieftină, cea mai eficientă și cea mai răspândită. Reformarea gazelor naturale cu ajutorul aburului reprezintă majoritatea hidrogenului produs anual în lume. Încorporarea captării și stocării carbonului în acest proces poate produce hidrogen cu emisii mai reduse de dioxid de carbon.Un gaz de sinteză poate fi, de asemenea, creat prin reacția cărbunelui sau a biomasei cu abur la temperaturi înalte și oxigen într-un gazificator sub presiune. Astfel, cărbunele sau biomasa se transformă în componente gazoase – un proces numit gazificare. Gazul de sinteză rezultat conține hidrogen și monoxid de carbon, care este supus unei reacții cu abur pentru a separa hidrogenul.
● Electroliza: Un curent electric descompune apa în hidrogen și oxigen. În cazul în care energia electrică este produsă din surse regenerabile, cum ar fi energia solară sau eoliană, hidrogenul rezultat va fi, de asemenea, considerat regenerabil și va avea numeroase beneficii în ceea ce privește emisiile. Proiectele de transformare a energiei în hidrogen sunt în plină dezvoltare, utilizând excesul de energie electrică din surse regenerabile, atunci când este disponibil, pentru a produce hidrogen prin electroliză.
● Reformarea lichidelor derivate din biomasă: Combustibilii lichizi regenerabili, cum ar fi etanolul, sunt reacționați cu abur la temperaturi înalte pentru a produce hidrogen în apropierea punctului de utilizare finală.
● Conversia microbiană a biomasei: Biomasa este transformată în materii prime bogate în zahăr care pot fi fermentate pentru a produce hidrogen.
Sunt în curs de dezvoltare mai multe metode de producere a hidrogenului:
● Separarea termochimică a apei: Temperaturile ridicate generate de concentratoarele solare sau de reactoarele nucleare determină reacții chimice care scindă apa pentru a produce hidrogen.
● Separarea fotobiologică a apei: Microbii, cum ar fi algele verzi, consumă apă în prezența luminii solare și produc hidrogen ca produs secundar.
● Separarea fotoelectrochimică a apei: Sistemele fotoelectrochimice produc hidrogen din apă cu ajutorul unor semiconductori speciali și a energiei provenite din lumina solară.
În prezent, aproape tot hidrogenul produs în lume este utilizat pentru rafinarea petrolului, tratarea metalelor, producerea de îngrășăminte și prelucrarea alimentelor.
