Hola Habr! En nuestro
último artículo sobre la energía del hidrógeno, usted escribió comentarios muy interesantes y justos, las respuestas a las que puede encontrar en este material dedicado al uso del hidrógeno en los automóviles.
De hecho, en comparación con la gasolina, el hidrógeno es un problema continuo: es muy difícil de almacenar y difícil de obtener, es explosivo, y los automóviles de hidrógeno son muchas veces más caros que los de gasolina. Pero al mismo tiempo, el hidrógeno se considera el combustible alternativo más prometedor para el transporte. Además, los inversores están dispuestos a gastar inversiones multimillonarias en la producción de automóviles de hidrógeno.
Sentencia por gas ya ha sido firmada
Según el último informe de la
Revisión estadística de BP
de World Energy 2018 , las reservas probadas de petróleo del mundo ascienden a 1.696 mil millones de barriles, que, si bien mantienen el nivel actual de consumo, durarán cincuenta años. Las reservas inexploradas de petróleo, presumiblemente, nos darán medio siglo de energía de hidrocarburos, pero el costo de su producción puede ser tal que el petróleo simplemente deje de ser rentable en comparación con otras fuentes de energía. Cuando se agotan los depósitos con producción conveniente, el precio de las materias primas aumentará automáticamente: si ahora
se estima que el costo de producir un barril en Rusia
sea de 2 a
3 dólares (según estimaciones alternativas,
18 dólares ), entonces para el petróleo de esquisto ya es de 30 a 50 dólares. Y por delante de la humanidad, existe una posibilidad real de cambiar a la producción de petróleo en alta mar y en el Ártico, cuyo precio será aún más alto.
El aumento en el interés en el transporte eléctrico en los años 70 del siglo XX surgió precisamente en el contexto de un aumento espasmódico en los precios del petróleo debido a la crisis política: no hubo escasez de materias primas, pero un aumento de cuatro veces en los precios hizo que los automóviles de gasolina y la energía del petróleo fueran un lujo.
Y obstáculos más controvertidos se interpusieron en el camino de los automóviles a gasolina: el cuidado del medio ambiente en las ciudades y países donde el escape de automóviles se ha convertido en un problema. Debido a esto, por ejemplo, Alemania adoptó una resolución que prohíbe la producción de automóviles con motores de combustión interna desde 2030. Francia y el Reino Unido prometen abandonar los combustibles de hidrocarburos para 2040. Países Bajos: hasta 2030. Noruega - hasta 2025. Incluso India y China esperan prohibir la venta de automóviles diesel y de gasolina desde 2030. París, Madrid, Atenas y México prohibirán el uso de automóviles diesel desde 2025.
Combustión de hidrógeno en ICE
La quema de hidrógeno en un motor de combustión interna convencional parece ser la forma más simple y lógica de usar gas, porque el hidrógeno se enciende fácilmente y se quema sin dejar rastro. Sin embargo, debido a la diferencia en las propiedades de la gasolina y el hidrógeno, no fue tan fácil transferir ICE a un nuevo tipo de combustible. Surgieron dificultades con el funcionamiento a largo plazo de los motores: el hidrógeno causó el sobrecalentamiento de las válvulas, el grupo de pistones y el aceite, debido al calor de la combustión que fue tres veces mayor que el de la gasolina (141 MJ / kg frente a 44 MJ / kg). El hidrógeno funcionó bien a bajas velocidades del motor, pero la detonación se produjo al aumentar la carga. Una posible solución al problema fue el reemplazo de hidrógeno con una mezcla de gasolina e hidrógeno, cuya concentración de gas disminuyó dinámicamente al aumentar la velocidad del motor.
El BMW Hydrogen 7 de combustible dual en el cuerpo E65 quema hidrógeno en ICE en lugar de gasolina
Fuente: Sachi Gahan / FlickrUno de los pocos automóviles de producción donde se quemó hidrógeno en un motor de combustión interna como otro combustible fue el BMW Hydrogen 7, que salió en solo 100 copias en 2006-2008. El ICE V12 modificado de seis litros funcionaba con gasolina o hidrógeno, el cambio entre combustibles era automático.
A pesar de la solución exitosa al problema del sobrecalentamiento de la válvula, este proyecto todavía le puso fin. En primer lugar, al quemar hidrógeno, la potencia del motor se redujo en aproximadamente un 20%, desde 260 litros. s gasolina hasta 228 litros s En segundo lugar, 8 kg de hidrógeno fueron suficientes para solo 200 km de recorrido, que es varias veces menos que en el caso de los elementos diesel. En tercer lugar, Hydrogen 7 apareció demasiado temprano, cuando los autos "verdes" aún no eran tan relevantes. Cuarto,
hubo rumores persistentes de que la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. No permitía llamar a Hydrogen 7 un automóvil sin gases nocivos, debido a las características específicas del motor de combustión interna, las partículas de aceite del motor cayeron en la cámara de combustión y se encendieron junto con hidrógeno.
El Mazda RX-8 Hydrogen RE es el caso cuando el hidrógeno arruinó toda la dinámica de un motor rotativo. Fuente: MazdaAnteriormente, en 2003, se presentó el Mazda RX-8 Hydrogen RE de combustible dual, que llegó a los clientes solo en 2007. Al cambiar a hidrógeno desde la potencia del legendario RX-8 rotativo, no quedaba rastro: la potencia cayó de 206 a 107 litros. seg., y la velocidad máxima es de hasta 170 km / h.
BMW Hydrogen 7 y Mazda RX-8 Hydrogen RE eran la canción del cisne de los ICE de hidrógeno: para cuando llegaron estos autos, había quedado claro que era mucho más eficiente usar hidrógeno en celdas de combustible conocidas que quemarse.
Celdas de combustible en autos
El primer experimento exitoso para crear un vehículo con celda de combustible de hidrógeno es el tractor Harry Karl, construido en 1959. Es cierto que reemplazar el motor diesel con una celda de combustible redujo la potencia del tractor a 20 litros. s
En el último medio siglo, el transporte de hidrógeno se ha producido en piezas. Por ejemplo, en 2001, el autobús de la Generación II apareció en los EE. UU., Para el cual se produjo hidrógeno a partir de metanol. Las celdas de combustible crearon una potencia de hasta 100 kW, es decir, aproximadamente 136 litros. s En el mismo año, el VAZ ruso introdujo el Niva en elementos de hidrógeno, conocido con el nombre de
Antel-1 . El motor eléctrico entregaba potencia de hasta 25 kW (34 hp), aceleraba el automóvil a un máximo de 85 km / hy trabajaba 200 km en una estación de servicio. El único automóvil producido fue el "laboratorio sobre ruedas".
Un automóvil ruso de pila de combustible de hidrógeno: en ese momento, la tecnología iba más allá del diseño. Fuente: AvtoVAZEn 2013, Toyota sacudió el mundo automotriz con la introducción del modelo de pila de combustible de hidrógeno Mirai. La singularidad de la situación era que Toyota Mirai no era un automóvil conceptual, sino un automóvil listo para la producción en masa, cuyas ventas comenzaron un año después. A diferencia de los vehículos eléctricos que funcionan con baterías, Mirai genera electricidad por sí mismo.
Toyota Mirai. Fuente: ToyotaEl motor eléctrico Mirai de tracción delantera tiene una potencia máxima de 154 litros. con un poco para un automóvil eléctrico moderno, pero no está mal en comparación con los automóviles de hidrógeno del pasado. El rango teórico de 5 kg de hidrógeno es de 500 km, el actual, unos 350 km. Tesla Model S según el pasaporte puede cubrir 540 km. Solo se necesitan 3 minutos para repostar un tanque de hidrógeno lleno, y una batería Tesla se carga hasta el 100% en 75 minutos en las estaciones Tesla Supercharger y hasta 30 horas desde una toma de corriente de 220 V.
La corriente continua de las 370 celdas de combustible de hidrógeno de Mirai se convierte en corriente alterna, y el voltaje aumenta a 650 V. La velocidad máxima del automóvil alcanza los 175 km / h, un poco en comparación con el combustible de hidrocarburos, pero más que suficiente para la conducción diaria. Para el almacenamiento de energía, se usa una batería de hidruro de níquel-metal de 21 kWh, a la cual se transmiten el exceso de celdas de combustible y la energía de frenado regenerativa. Dadas las realidades japonesas, en las que los asentamientos pueden verse afectados por un terremoto en cualquier momento, el baúl Mirai del año modelo 2016 tiene un conector CHAdeMO, a través del cual puede organizar la fuente de alimentación de una pequeña casa privada, lo que hace que el automóvil sea un generador sobre ruedas con una capacidad máxima de 150 kWh .
Por cierto, en solo unos años, Toyota logró reducir significativamente la masa del generador: si a principios de siglo en prototipos pesaba 108 kg y producía 122 litros. seg., luego en Mirai la pila de combustible es dos veces más compacta (37 litros) y pesa 56 kg. Será justo agregar a esto 87 kg de tanques de combustible.
A modo de comparación, el popular y moderno motor turbo Volkswagen 1.4 TSI es similar al Mirai con una potencia de 140–160 hp. Es famoso por su "ligereza" debido a su construcción de aluminio: pesa 106 kg más 38–45 kg de gasolina en el tanque. Por cierto, ¡la batería del Tesla Model S pesa 540 kg!
Para 4 km de recorrido, Mirai produce solo 240 ml de agua destilada, relativamente segura para beber; los entusiastas que han probado el "escape" de Mirai informaron solo un ligero sabor a plástico.
El agua potable escurrida de Mirai es segura, aunque al principio la vista es impactanteEl Toyota Mirai instaló dos tanques para hidrógeno a 60 y 62 litros, que contienen un total de 5 kg de hidrógeno a una presión de 700 atmósferas. Toyota ha estado desarrollando y produciendo tanques de hidrógeno por su cuenta durante 18 años. El tanque Mirai está hecho de varias capas de plástico con fibra de carbono y fibra de vidrio. El uso de tales materiales, en primer lugar, aumentó la resistencia de los almacenes a la deformación y penetración, y, en segundo lugar, resolvió el problema de la absorción de hidrógeno del metal, debido a que los tanques de acero perdieron sus propiedades, flexibilidad y se cubrieron con microgrietas.
Construye Toyota Mirai. Un motor eléctrico está ubicado en la parte delantera, la celda de combustible está oculta debajo del asiento del conductor, y los tanques y una batería están instalados debajo de la fila trasera y en el maletero. Fuente: Toyota¿Cuáles son las perspectivas?
Según las
estimaciones de Bloomberg , para 2040, los automóviles consumirán 1.900 teravatios hora en lugar de 13 millones de barriles por día, es decir, el 8% de la demanda de electricidad a partir de 2015. El 8% no es nada, considerando que ahora hasta el 70% del petróleo mundial se gasta en la producción de combustible para el transporte.
Las perspectivas del mercado para los vehículos eléctricos con batería son mucho más pronunciadas e impresionantes que en el caso de las pilas de combustible de hidrógeno. En 2017, el mercado de automóviles eléctricos
fue de $ 17.4 mil millones, mientras que el mercado de automóviles de hidrógeno se valoró en $ 2 mil millones. A pesar de esta diferencia, los inversores continúan interesados en la energía del hidrógeno y en financiar nuevos desarrollos.
Un ejemplo de esto es el Consejo de Hidrógeno, creado en 2017, que incluye 39 grandes compañías como Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Su objetivo es la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías de hidrógeno y su posterior implementación en nuestras vidas.