In Spanien, wo ich jetzt lebe, gibt es ziemlich viele Elektrofahrzeuge - ich treffe sie fast jeden Tag, sowohl auf der Straße als auch an Ladestationen. Und jedes Jahr gibt es immer mehr Elektroautos (natürlich nicht nur in Spanien). Aber es gibt eine Alternative - wasserstoffbetriebene Autos, die auch die Natur nicht verschmutzen, da ihre Abgase Wasser sind. Das Thema der heutigen Referenz sind Wasserstoffmaschinen, das Prinzip ihres Betriebs und Perspektiven.
Wann sind die ersten Wasserstoffautos aufgetaucht?
Erfand 1806 den wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor François Isaac de Rivaz. Er erhielt Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser. Der vom Erfinder entwickelte Kolbenmotor heißt De Rivaz-Motor.
Die Zündung war Funken, der Motor hatte ein Pleuel-Kolben-System. Nun, der Zylinder wurde durch die Detonation eines Gemisches aus Wasserstoff und Sauerstoff mit einem elektrischen Funken angetrieben - er musste manuell erzeugt werden, sobald der Kolben abgesenkt wurde. Zwei Jahre später baute derselbe Erfinder ein selbstfahrendes Gerät mit einem Wasserstoffmotor.
Aber mehr oder weniger weit verbreiteter Wasserstoff für den Betrieb von Automotoren begann viele Jahre später. Im belagerten Leningrad wurden 1941 GAZ-AA-Automotoren von Ingenieurleutnant B. I. Shelish modifiziert. Die Motoren kontrollierten die Winde der Sperrballons (sie waren mit Wasserstoff gefüllt und es gab viele Gasreserven in Leningrad), aber dies waren Automotoren. Darüber hinaus wurden mehrere hundert Motoren in Autos modifiziert.
Seit den 1980er Jahren haben mehrere Länder, darunter die USA, Japan, Deutschland, die UdSSR und Kanada, mit der experimentellen Produktion von Autos begonnen, die mit Wasserstoff, Gas-Wasserstoff-Gemischen und Gemischen von Wasserstoff mit Erdgas betrieben werden.
1982 entwickelten die Kvant-Raffinerie und das RAF-Werk
den weltweit ersten experimentellen Kvant-RAF-Wasserstoff-Kleinbus mit einem Kombikraftwerk auf Basis einer 2-kW-Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle und einer 5-kW * -Nickel-Zink-Batterie.
Im Laufe der Jahre wurden solche Autos in verschiedenen Ländern entwickelt, meist als Experiment. Nachdem das Konzept der umweltfreundlichen Autos populär wurde, interessierten sich große Unternehmen wie Toyota für Wasserstoffautos. Ab den 2000er Jahren begannen Automobilunternehmen, Konzepte für Nutzfahrzeuge zu entwickeln.
Woher bekommt man Wasserstoff?
Wasserstoff kann durch verschiedene Verfahren erhalten werden:
- Dampfumwandlung von Methan und Erdgas;
- Kohlevergasung;
- Elektrolyse von Wasser;
- Pyrolyse;
- Biotechnologie.
Der wirtschaftlichste Weg zur Herstellung von Wasserstoff wird heute als Dampfumwandlung angesehen. Dies wird als Herstellung von Wasserstoff aus leichten Kohlenwasserstoffen (Methan, Propan-Butan-Fraktion) mittels Dampfreformierung bezeichnet. Reformieren ist der Prozess der katalytischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf. Wasserdampf wird mit Methan bei hoher Temperatur (700–1000 ° C) und hohem Druck unter Verwendung eines Katalysators gemischt.
Bei der Dampfumwandlung ist die Herstellung von Wasserstoff billiger als bei anderen Verfahren, einschließlich der Elektrolyse.
Die harmloseste Methode zur Erzeugung von Wasserstoff ist die Elektrolyse - die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser mit elektrischem Strom. Die Reinheit der Wasserstoffausbeute liegt nahe bei 100%. Abgesehen von der Verschmutzung der Elektrizität sind solche Anlagen nahezu umweltfreundlich, da im Betrieb nur Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt werden.
Ein weiterer umweltfreundlicher Weg zur Herstellung von Wasserstoff ist ein Biomasse-Reaktor.
QuelleWasserstoff kann sowohl in einer großen Fabrik als auch in einem relativ kleinen Unternehmen hergestellt werden. Je größer die Produktion, desto niedriger die Gaskosten. Im ersten Fall steigen jedoch die Kosten für die Lieferung von Wasserstoff an die Tankstellen.
Wie funktioniert das Kraftstoffsystem und welche Möglichkeiten gibt es?
Es ist am besten, das Funktionsprinzip eines solchen Systems am Beispiel von seriellen Wasserstoffautos von Toyota Mirai zu betrachten. Basis ist eine Brennstoffzelle, ein elektrochemisches System, das Wasserstoff- und Sauerstoffpartikel in Wasser umwandelt. In einem solchen Element befindet sich eine protonenleitende Polymermembran, die Anode und Kathode trennt. Üblicherweise sind dies Kohlenstoffplatten mit einem Trägerkatalysator.
Am Anodenkatalysator verliert molekularer Wasserstoff Elektronen, Kationen werden durch die Membran zur Kathode geleitet und Elektronen werden in den externen Stromkreis übertragen. Auf dem Kathodenkatalysator verbinden sich Sauerstoffmoleküle mit dem Elektron und dem Proton, um Wasser zu bilden. Dampf oder Flüssigkeit ist das einzige Reaktionsprodukt.
Der Vorteil von Brennstoffzellen auf Basis von Protonenaustauschmembranen ist ihre hohe spezifische Leistung und relativ niedrige Betriebstemperatur. Sie erwärmen sich schnell und beginnen fast unmittelbar nach dem Start Energie zu produzieren.
Mirai verwendet Brennstoffzellen mit einer hohen spezifischen Leistung pro Volumeneinheit (3,2 kW / l) und einer maximalen Leistung von 124 kW. Der von der Brennstoffzelle erzeugte Gleichstrom wird bei gleichzeitiger Spannungserhöhung auf 650 V in Wechselstrom umgewandelt. Die Lithium-Ionen-Batterie wird mit Strom versorgt. Für die Bewegung verbraucht die Maschine die darin gespeicherte Energie.
Der Wasserstoff in der Mirai-Brennstoffzelle stammt aus Hochdruckflaschen (ca. 700 atm). Das Steuergerät im Auto steuert den Betrieb der Brennstoffzelle und das Laden / Entladen der Batterie.
Laut Toyota werden pro 100 km Mirai-Strecke bis zu 750 Gramm Wasserstoff benötigt. Mirai-Besitzer
sagen etwa ein Kilogramm Wasserstoff pro 100 Kilometer .
Sind solche Autos gefährlich? Warum?
Da Wasserstoff ein brennbares Gas ist, muss es sorgfältig transportiert und gelagert werden. Wir brauchen hochempfindliche Gasanalysatoren, die im Falle eines Lecks ein Signal geben können. Wasserstoff ist zwar ein sehr flüchtiges Gas (schließlich ist es das leichteste chemische Element), und wenn es in die Atmosphäre gelangt, steigt Wasserstoff schnell an.
Es brennt sehr schnell. Das Hindenburg-Luftschiff brannte nur 32 Sekunden. Aufgrund der Vergänglichkeit des Feuers starben nicht alle Passagiere, 62 von 97 Personen, die sich in der Gondel des Luftschiffs befanden, überlebten.
Wenn es jedoch viele Wasserstoffautos geben wird, sind neue Verkehrssicherheitsmaßnahmen erforderlich. ICE-Autos sind ebenfalls gefährlich - im Falle eines Unfalls und einer Panne des Tanks lecken Benzin oder Dieselkraftstoff auf die Straße und können sich entzünden. Wenn ein Tank mit Wasserstoff durchbohrt
wird, verdunstet das
Gas sehr schnell . Wenn sich jedoch eine Quelle offener Flammen oder Funken in der Nähe befindet, kann sich Wasserstoff entzünden.
Mirai und andere Wasserstoffautos verwenden sehr langlebige Wasserstofftanks. Toyota hat seine Panzer kugelsicher gemacht, ihre Wände aus Hochleistungsfasern halten Schüssen von großkalibrigen Waffen stand. Für Tests stellte das Unternehmen Scharfschützen ein und nur eine Kugel vom Kaliber .50 konnte in den Panzer eindringen, nachdem er ihn an derselben Stelle doppelt getroffen hatte.
Wenn Sie Sicherheitsmaßnahmen einhalten, sind Wasserstoffautos nicht gefährlicher als Autos mit Verbrennungsmotor.
Was ist die Lebensdauer der Brennstoffzellen?
Bisher sind solche Informationen nur für Mirai. Laut Toyota funktioniert eine Zelle garantiert 250.000 km. Wenn sich die Leistung der Zelle verschlechtert, kann sie in einem Servicecenter ausgetauscht werden.
Welche Unternehmen produzieren bereits oder werden Wasserstoffautos produzieren?
Wasserstoffautos werden von Honda, Toyota, Mercedes-Benz und Hyundai entwickelt - diese Unternehmen haben bereits fertige Fahrzeuge. Andere zeigen bisher nur Konzepte (jedoch Arbeiter) oder einfach wunderschön gerenderte Bilder. Zu den ersteren zählen Audi und Ford, und die letzteren sind BMW (fairerweise muss man sagen, dass BMW 2007 eine Charge von 100 experimentellen Wasserstoffmodellen herausgebracht hat, die ein Experiment geblieben sind) und Lexus.
Bisher wurden nur Toyota Mirai und Honda Clarity in die Serie aufgenommen. Sie können in den USA und in Europa gekauft werden.
Wie viel kostet das?
Derzeit sind Wasserstoffautos in Bezug auf den Betrieb etwas teurer als herkömmliche. Wenn Sie in Europa mit einer Länge von 480 km reisen, betragen die Kraftstoffkosten für den Besitzer eines normalen Autos ungefähr 45 US-Dollar, für den Besitzer von Mirai jedoch ungefähr 57 US-Dollar. Und das trotz der Tatsache, dass die Regierung einiger Länder die Produktion von Wasserstoff für Autos subventioniert. Die Kosten für 1 kg Wasserstoff betragen durchschnittlich 11,45 USD.
Warum sind Wasserstoffautos besser als Elektroautos?
Eigentlich ist die Frage nicht ganz richtig. Tatsache ist, dass ein wasserstoffbetriebenes Auto mit einer Brennstoffzelle und ein „sauberes“ Elektroauto Elektroautos sind. Nur in einem Fall wird das Auto mit Wasserstoff betrieben, im zweiten mit Strom.
Wenn man die Kosten der meisten Elektrofahrzeuge und des Toyota Mirai vergleicht, dann sind sie vergleichbar, das sind mehrere Zehntausend US-Dollar. Die Kosten für die Hyundai ix35-Brennstoffzelle betragen ca. 53.000 USD, für Toyota Mirai - 57.000 USD, für Honda Clarity - 59.000 USD. Die Kosten für Tesla-Elektroautos beginnen bei 45.000 USD (die Grundkonfiguration mit einem Preis von 35.000 USD ist nur noch vorbestellbar). Elektroautos von BMW kosten etwa 50.000 US-Dollar.
Wasserstoffautos tanken schnell auf - im Gegensatz zu Elektroautos, bei denen das Aufladen zwischen einer halben Stunde und mehreren Stunden dauert, dauert es nur 3-5 Minuten.
Der Hauptvorteil des Wasserstofftransports besteht darin, dass Brennstoffzellen viele Jahre halten und praktisch keine Wartung erfordern. Wenn Sie ein „sauberes“ Elektroauto mit einer riesigen Batterie nehmen, beträgt die Lebensdauer nur 1–1,5 Tausend Zyklen, dh 3-5 Jahre. Darüber hinaus funktioniert das Wasserstoffauto problemlos bei Kälte (einschließlich Aufwickeln), aber die Batterie eines Elektrofahrzeugs verliert ihre Ladung.
Was sind die Aussichten für Wasserstoffautos und wann sind sie auf der Straße zu sehen?
Wasserstoffautos fahren bereits auf den Straßen Europas und der USA (in anderen Regionen gibt es möglicherweise vereinzelte Kopien). Aber es gibt nur wenige von ihnen - mehrere Tausend, was nicht als Masseneinführung bezeichnet werden kann.
Das Problem, das derzeit die Verbreitung von Wasserstofffahrzeugen behindert, ist der Mangel an Infrastruktur (noch vor wenigen Jahren war ein ähnliches Problem für Elektrofahrzeuge relevant). Wir brauchen spezialisierte Fabriken für die Herstellung von Wasserstoff, Transportsysteme für Wasserstoff und das Betanken.
Wasserstofftankstellen im Jahr 2019 ( Quelle )Darüber hinaus ist Wasserstoff ziemlich teuer. Wenn also Elektroautos gekauft werden, um insbesondere Kraftstoff zu sparen, ist dies im Fall einer Wasserstoffmaschine keine Option. Mit dem massiven Aufkommen von Fabriken, die Wasserstoff für Autos produzieren, sowie der Service-Infrastruktur kann man erwarten, dass eine viel größere Anzahl von Wasserstoff-Fahrzeugen auf öffentliche Straßen fährt.
Es gibt jedoch keine Garantie dafür, dass dies überhaupt geschieht oder nicht - es ist noch nicht klar. Autohersteller wie Toyota fördern aktiv ihre Autos und die Vorteile von Wasserstoff im Transportsektor. Die Konkurrenz ist jedoch zu groß, sowohl bei normalen Autos mit Verbrennungsmotor als auch bei Elektrofahrzeugen.