En España, donde ahora vivo, hay muchos vehículos eléctricos, los encuentro casi todos los días, tanto en las carreteras como en las estaciones de carga. Y cada año hay cada vez más coches eléctricos (no solo en España, por supuesto). Pero existe una alternativa: los automóviles alimentados con hidrógeno, que tampoco contaminan la naturaleza, ya que su escape es agua. El tema de referencia de hoy son las máquinas de hidrógeno, el principio de su funcionamiento y perspectivas.
¿Cuándo aparecieron los primeros autos de hidrógeno?
Inventó el motor de combustión interna impulsado por hidrógeno, François Isaac de Rivaz en 1806. Recibió hidrógeno por electrólisis de agua. El motor de pistón que creó el inventor se llama motor De Rivaz.
El encendido fue chispa, el motor tenía un sistema de biela-pistón. Bueno, el cilindro fue impulsado por la detonación de una mezcla de hidrógeno y oxígeno con una chispa eléctrica; tuvo que generarse manualmente en el momento en que se bajó el pistón. Dos años después, el mismo inventor construyó un dispositivo autopropulsado con un motor de hidrógeno.
Pero el hidrógeno más o menos ampliamente utilizado para la operación de motores de automóviles comenzó muchos años después. En 1941, en el asediado Leningrado, los motores de automóviles GAZ-AA fueron modificados por el ingeniero teniente B. I. Shelish. Los motores controlaban el cabrestante de los globos de bombardeo (estaban llenos de hidrógeno, y había muchas reservas de gas en Leningrado), pero estos eran motores de automóviles. Además, se modificaron varios cientos de motores en automóviles.
Desde la década de 1980, varios países, incluidos Estados Unidos, Japón, Alemania, la URSS y Canadá, han comenzado la producción experimental de automóviles impulsados por hidrógeno, mezclas de gas-hidrógeno y mezclas de hidrógeno con gas natural.
En 1982, la refinería de petróleo de Kvant y la planta de RAF
desarrollaron el primer minibús de hidrógeno Kvant-RAF experimental del mundo con una planta de energía combinada basada en una celda de combustible de hidrógeno-aire de 2 kW y una batería de níquel-zinc de 5 kW *.
Con los años, estos automóviles se desarrollaron en diferentes países, principalmente como un experimento. Después de que el concepto de automóvil verde se hizo popular, grandes corporaciones como Toyota se interesaron en los automóviles de hidrógeno. A partir de la década de 2000, las compañías automotrices comenzaron a desarrollar conceptos para vehículos comerciales.
¿Dónde conseguir hidrógeno?
El hidrógeno se puede obtener por varios métodos:
- conversión de vapor de metano y gas natural;
- gasificación de carbón;
- electrólisis de agua;
- pirólisis
- biotecnología
La forma más económica de producir hidrógeno ahora se considera la conversión de vapor. Esto se llama la producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos ligeros (metano, fracción de propano-butano) mediante reformado con vapor. La reforma es el proceso de conversión catalítica de hidrocarburos en presencia de vapor de agua. El vapor de agua se mezcla con metano a alta temperatura (700–1000 ° C) y alta presión usando un catalizador.
En la conversión de vapor, es más barato producir hidrógeno que usar cualquier otro método, incluida la electrólisis.
El método más inofensivo para producir hidrógeno es la electrólisis, la producción de hidrógeno a partir del agua mediante corriente eléctrica. La pureza del rendimiento de hidrógeno es cercana al 100%. Además de la contaminación por electricidad, tales plantas son casi amigables con el medio ambiente, ya que solo se liberan hidrógeno y oxígeno durante la operación.
Otra forma ecológica de producir hidrógeno es un reactor de biomasa.
FuenteEl hidrógeno se puede producir tanto en una gran fábrica como en una empresa relativamente pequeña. Cuanto mayor es la producción, menor es el costo del gas. Pero en el primer caso, el costo de entregar hidrógeno a los lugares de reabastecimiento de combustible aumenta.
¿Cómo funciona el sistema de combustible y cuáles son las opciones?
Es mejor considerar el principio de funcionamiento de dicho sistema en el ejemplo de los automóviles de hidrógeno en serie Toyota Mirai. La base es una pila de combustible, un sistema electroquímico que convierte partículas de hidrógeno y oxígeno en agua. Dentro de dicho elemento hay una membrana de polímero conductor de protones que separa el ánodo y el cátodo. Por lo general, estas son placas de carbono con un catalizador soportado.
En el catalizador del ánodo, el hidrógeno molecular pierde electrones, los cationes pasan a través de la membrana al cátodo y los electrones se transfieren al circuito externo. En el catalizador del cátodo, las moléculas de oxígeno se combinan con el electrón y el protón para formar agua. Vapor o líquido es el único producto de reacción.
La ventaja de las celdas de combustible basadas en membranas de intercambio de protones es su alta potencia específica y su temperatura de funcionamiento relativamente baja. Se calientan rápidamente y comienzan a producir energía casi inmediatamente después del inicio.
Mirai utiliza celdas de combustible con una alta potencia específica por unidad de volumen (3,2 kW / l), y su potencia máxima es de 124 kW. La corriente continua producida por la celda de combustible se convierte en corriente alterna con un aumento simultáneo de voltaje a 650 V. La electricidad se suministra a la batería de iones de litio. Para el movimiento, la máquina consume la energía almacenada en ella.
El hidrógeno en la celda de combustible Mirai proviene de cilindros de alta presión (aproximadamente 700 atm). La unidad de control en el automóvil controla el funcionamiento de la celda de combustible y la carga / descarga de la batería.
Según Toyota, se necesitan hasta 750 gramos de hidrógeno por cada 100 km de vía Mirai. Los propietarios de Mirai
dicen aproximadamente un kilogramo de hidrógeno por cada 100 kilómetros .
¿Son peligrosos esos autos? Por qué
Dado que el hidrógeno es un gas combustible, debe transportarse y almacenarse con cuidado. Necesitamos analizadores de gases altamente sensibles que puedan dar una señal en caso de fuga. Es cierto que el hidrógeno es un gas muy volátil (después de todo, es el elemento químico más ligero) y cuando ingresa a la atmósfera, el hidrógeno se eleva rápidamente.
Se quema muy rápido. La aeronave Hindenburg se quemó por solo 32 segundos. Debido a la fugacidad del incendio, no todos los pasajeros murieron, sobrevivieron 62 de las 97 personas que estaban en la góndola de la aeronave.
Sin embargo, si habrá muchos automóviles de hidrógeno, se requerirán nuevas medidas de seguridad vial. Los autos ICE también son peligrosos: en caso de un accidente y una avería del tanque, la gasolina o el combustible diesel se escapan a la carretera y pueden encenderse. Si se perfora un tanque con hidrógeno, el
gas se evaporará muy rápidamente . Pero si una fuente de llamas abiertas o chispas está cerca, el hidrógeno puede encenderse.
Mirai y otros autos de hidrógeno usan tanques de hidrógeno muy duraderos. Toyota hizo sus tanques a prueba de balas, sus paredes hechas de fibra resistente pueden soportar disparos de armas de gran calibre. Para las pruebas, la compañía contrató francotiradores y solo una bala de calibre .50 pudo penetrar el tanque después de golpearlo dos veces en el mismo lugar.
Si observa medidas de seguridad, los automóviles de hidrógeno no son más peligrosos que los automóviles con motores de combustión interna.
¿Cuál es la vida útil de las celdas de combustible?
Hasta ahora, dicha información es solo para Mirai. Toyota dice que una celda está garantizada para trabajar por 250,000 km. Luego, si el rendimiento de la celda se deteriora, puede reemplazarse en un centro de servicio.
¿Qué compañías ya están produciendo o van a producir automóviles de hidrógeno?
Los autos de hidrógeno son desarrollados por Honda, Toyota, Mercedes-Benz y Hyundai; estas compañías ya tienen vehículos prefabricados. Otros hasta ahora muestran solo conceptos (sin embargo, trabajadores) o simplemente imágenes bellamente representadas. Entre los primeros están Audi y Ford, y los últimos son BMW (para ser justos, hay que decir que en 2007 BMW lanzó un lote de 100 modelos experimentales de hidrógeno que siguieron siendo un experimento) y Lexus.
Hasta ahora, solo Toyota Mirai y Honda Clarity se han lanzado a la serie. Se pueden comprar en los Estados Unidos y Europa.
Cuanto cuesta
Por el momento, los automóviles de hidrógeno son un poco más caros que los convencionales en términos de operación. Entonces, cuando se viaja en Europa con una longitud de 480 km, el costo del combustible para el propietario de un automóvil ordinario será de aproximadamente $ 45, pero el propietario de Mirai pagará alrededor de $ 57. Y esto a pesar del hecho de que el gobierno de algunos países subsidia la producción de hidrógeno para automóviles. El costo de 1 kg de hidrógeno es en promedio $ 11.45.
¿Por qué los coches de hidrógeno son mejores que los coches eléctricos?
En realidad, la pregunta no es del todo correcta. El hecho es que un automóvil impulsado por hidrógeno con una celda de combustible y un automóvil eléctrico "limpio" son automóviles eléctricos. Solo en un caso, el automóvil se alimenta con hidrógeno, en el segundo, con electricidad.
Si compara el costo de la mayoría de los vehículos eléctricos y el Toyota Mirai, entonces son comparables, esto es varias decenas de miles de dólares estadounidenses. El costo de la celda de combustible Hyundai ix35 es de aproximadamente $ 53 mil, Toyota Mirai - $ 57 mil, Honda Clarity - $ 59 mil. El costo de los autos eléctricos Tesla comienza en $ 45 mil (la configuración básica con un precio de $ 35 mil todavía está disponible solo para pre-pedido). Los autos eléctricos de BMW cuestan alrededor de $ 50 mil.
Los autos de hidrógeno se reabastecen rápidamente: solo toma de 3 a 5 minutos, a diferencia de los autos eléctricos, donde toma de media hora a varias horas recargarse.
La principal ventaja del transporte de hidrógeno es que las celdas de combustible duran muchos años y prácticamente no requieren mantenimiento. Si toma un automóvil eléctrico “limpio” con su enorme batería, su vida útil es de solo 1–1.5 mil ciclos, es decir, de 3-5 años. Además, el automóvil de hidrógeno funcionará sin problemas en el frío (incluido el viento), pero la batería de un vehículo eléctrico perderá su carga.
¿Cuáles son las perspectivas para los automóviles de hidrógeno y cuándo se pueden ver en la carretera?
Los autos de hidrógeno ya circulan por las carreteras de Europa y los EE. UU. (Puede haber copias aisladas en otras regiones). Pero hay pocos de ellos, varios miles, que no se pueden llamar una introducción masiva.
El problema que actualmente obstaculiza la propagación de los vehículos de hidrógeno es la falta de infraestructura (hace solo unos años, un problema similar era relevante para los vehículos eléctricos). Necesitamos fábricas especializadas para la producción de hidrógeno, sistemas de transporte para hidrógeno y reabastecimiento de combustible.
Estaciones de llenado de hidrógeno en 2019 ( fuente )Además, el hidrógeno es bastante costoso, por lo que si se compran autos eléctricos, en particular, para ahorrar combustible, en el caso de una máquina de hidrógeno, esta no es una opción. Con el surgimiento masivo de fábricas que producen hidrógeno para automóviles, así como la infraestructura de servicio, uno puede esperar que un número mucho mayor de vehículos de hidrógeno ingrese a las vías públicas.
Pero no hay garantía de que esto suceda o no, todavía no está claro. Los fabricantes de automóviles como Toyota están promoviendo activamente sus automóviles y los beneficios del hidrógeno en el sector del transporte. Pero la competencia es demasiado grande, tanto entre los autos comunes con motores de combustión interna como entre los vehículos eléctricos.