Mobil hidrogen. Apakah sudah waktunya untuk mengucapkan selamat tinggal pada bensin?

Halo, Habr! Untuk artikel terakhir kami tentang energi hidrogen Anda menulis komentar yang sangat menarik dan adil, jawaban yang dapat Anda temukan dalam materi ini dikhususkan untuk penggunaan hidrogen dalam mobil.

Memang, dibandingkan dengan bensin, hidrogen adalah salah satu masalah yang terus-menerus: sangat sulit untuk disimpan dan sulit diperoleh, itu meledak, dan mobil hidrogen jauh lebih mahal daripada yang bensin. Tetapi pada saat yang sama, hidrogen dianggap sebagai bahan bakar alternatif yang paling menjanjikan untuk transportasi. Selain itu, investor bersedia mengeluarkan investasi multi-miliar untuk produksi mobil hidrogen.

Kalimat untuk gas sudah ditandatangani

Menurut laporan terbaru dari Tinjauan Statistik BP Energi Dunia 2018 , cadangan minyak dunia yang terbukti berjumlah 1,696 miliar barel, yang, sambil mempertahankan tingkat konsumsi saat ini, akan bertahan selama lima puluh tahun. Cadangan minyak yang belum dieksplorasi, mungkin, akan memberi kita setengah abad energi hidrokarbon, tetapi biaya produksinya mungkin sedemikian rupa sehingga minyak menjadi tidak menguntungkan dibandingkan dengan sumber energi lain. Ketika simpanan dengan produksi yang mudah habis, harga bahan baku akan otomatis naik: jika sekarang biaya produksi per barel di Rusia diperkirakan sekitar 2-3 dolar (menurut perkiraan alternatif, 18 dolar ), maka untuk minyak serpih ini sudah 30-50 dolar. Dan di depan umat manusia ada prospek nyata untuk beralih ke produksi minyak lepas pantai dan Arktik, yang harganya akan lebih tinggi lagi.

Lonjakan minat pada transportasi listrik pada 70-an abad XX muncul justru dengan latar belakang kenaikan spasmodik harga minyak akibat krisis politik - tidak ada kekurangan bahan baku, tetapi kenaikan harga empat kali lipat langsung membuat mobil bensin dan energi minyak menjadi mewah.

Dan hambatan yang lebih kontroversial menghalangi mobil bensin - merawat lingkungan di kota-kota dan negara-negara di mana knalpot mobil menjadi masalah. Karena itu, misalnya, Jerman mengadopsi resolusi yang melarang produksi mobil dengan mesin pembakaran internal sejak 2030. Prancis dan Inggris berjanji untuk meninggalkan bahan bakar hidrokarbon pada tahun 2040. Belanda - sampai 2030. Norwegia - hingga 2025. Bahkan India dan Cina berharap untuk melarang penjualan mobil diesel dan bensin sejak 2030. Paris, Madrid, Athena dan Meksiko akan melarang penggunaan mobil diesel sejak 2025.

Pembakaran hidrogen dalam ICE

Membakar hidrogen dalam mesin pembakaran internal konvensional tampaknya merupakan cara termudah dan paling logis untuk menggunakan gas, karena hidrogen mudah dinyalakan dan terbakar tanpa bekas. Namun, karena perbedaan dalam sifat bensin dan hidrogen, tidak mudah untuk mentransfer ICE ke jenis bahan bakar baru. Kesulitan muncul dengan operasi jangka panjang dari mesin: hidrogen menyebabkan overheating pada katup, grup piston dan oli, karena panas pembakaran yang tiga kali lebih tinggi daripada bensin (141 MJ / kg berbanding 44 MJ / kg). Hidrogen bekerja dengan baik pada kecepatan engine rendah, tetapi ledakan terjadi dengan meningkatnya beban. Solusi yang mungkin untuk masalah ini adalah penggantian hidrogen dengan campuran bensin-hidrogen, konsentrasi gas di mana secara dinamis menurun dengan meningkatnya kecepatan mesin.


BMW Hydrogen 7 berbahan bakar ganda dalam tubuh E65 membakar hidrogen di ICE dan bukannya bensin
Sumber: Sachi Gahan / Flickr

Salah satu dari beberapa mobil produksi di mana hidrogen dibakar di mesin seperti bahan bakar lainnya adalah BMW Hydrogen 7, yang keluar hanya dalam 100 salinan pada tahun 2006-2008. ICE V12 enam liter yang dimodifikasi bekerja pada bensin atau hidrogen, pergantian antar bahan bakar otomatis.

Meskipun solusi sukses untuk masalah overheating katup, proyek ini masih mengakhiri itu. Pertama, ketika membakar hidrogen, tenaga mesin turun sekitar 20% - dari 260 liter. s bensin hingga 228 liter s Kedua, 8 kg hidrogen cukup untuk hanya 200 km, yang beberapa kali lebih sedikit dibandingkan dengan elemen diesel. Ketiga, Hydrogen 7 muncul terlalu dini - ketika mobil "hijau" belum begitu relevan. Keempat, ada desas - desus yang terus-menerus bahwa Badan Perlindungan Lingkungan AS tidak mengizinkan menyebut Hydrogen 7 mobil tanpa knalpot berbahaya - karena fitur spesifik dari mesin pembakaran internal, partikel-partikel oli mesin jatuh ke ruang bakar dan dinyalakan dengan hidrogen di sana.

Mazda RX-8 Hydrogen RE adalah kasus ketika hidrogen merusak seluruh dinamika mesin rotary. Sumber: Mazda

Sebelumnya, pada tahun 2003, bahan bakar ganda Mazda RX-8 Hydrogen RE diperkenalkan, menjangkau pelanggan hanya pada tahun 2007. Ketika beralih ke hidrogen dari kekuatan rotary RX-8 yang legendaris, tidak ada jejak yang tersisa - daya turun dari 206 menjadi 107 liter. detik, dan kecepatan maksimum hingga 170 km / jam.

BMW Hydrogen 7 dan Mazda RX-8 Hydrogen RE adalah lagu angsa dari ICE hidrogen: pada saat mobil-mobil ini tiba, akhirnya jelas bahwa jauh lebih efisien untuk menggunakan hidrogen dalam sel bahan bakar yang sudah lama dikenal daripada hanya dengan membakar.

Sel bahan bakar di mobil

Eksperimen sukses pertama untuk membuat kendaraan sel bahan bakar hidrogen adalah traktor Harry Karl, dibangun pada tahun 1959. Benar, mengganti mesin diesel dengan sel bahan bakar mengurangi daya traktor menjadi 20 liter. s

Dalam setengah abad terakhir, transpor hidrogen telah diproduksi dalam beberapa bagian. Misalnya, pada tahun 2001, bus Generasi II muncul di AS, tempat hidrogen diproduksi dari metanol. Sel bahan bakar menciptakan tenaga hingga 100 kW, yaitu sekitar 136 liter. s Pada tahun yang sama, VAZ Rusia memperkenalkan Niva pada unsur-unsur hidrogen, yang dikenal dengan nama Antel-1 . Motor listrik memberikan daya hingga 25 kW (34 hp), mempercepat mobil hingga maksimum 85 km / jam dan bekerja 200 km di satu pompa bensin. Satu-satunya mobil yang diproduksi adalah "laboratorium di atas roda."


Mobil sel bahan bakar hidrogen Rusia - pada waktu itu, teknologi melampaui desain. Sumber: AvtoVAZ

Pada 2013, Toyota mengguncang dunia otomotif dengan diperkenalkannya model sel bahan bakar hidrogen Mirai. Keunikan situasinya adalah bahwa Toyota Mirai bukan mobil konsep, tetapi mobil yang siap diproduksi massal, yang penjualannya dimulai setahun kemudian. Tidak seperti kendaraan listrik bertenaga baterai, Mirai sendiri menghasilkan listrik untuk dirinya sendiri.


Toyota Mirai. Sumber: Toyota

Motor listrik penggerak roda depan Mirai memiliki daya maksimum 154 liter. dengan yang sedikit untuk mobil listrik modern, tetapi tidak buruk dibandingkan dengan mobil hidrogen di masa lalu. Kisaran teoritis 5 kg hidrogen adalah 500 km, sebenarnya - sekitar 350 km. Tesla Model S sesuai dengan paspor dapat mencakup 540 km. Hanya membutuhkan 3 menit untuk mengisi ulang tangki hidrogen penuh, dan baterai Tesla mengisi hingga 100% dalam 75 menit di stasiun Tesla Supercharger dan hingga 30 jam dari outlet 220 V biasa.

Arus searah dari 370 sel bahan bakar hidrogen Mirai dikonversi menjadi arus bolak-balik, dan tegangan naik menjadi 650 V. Kecepatan maksimum mobil mencapai 175 km / jam - sedikit dibandingkan dengan bahan bakar hidrokarbon, tetapi lebih dari cukup untuk mengemudi sehari-hari. Untuk penyimpanan energi, baterai hidrida nikel-logam 21 kWh digunakan, tempat sel bahan bakar berlebih dan energi pengereman regeneratif ditransmisikan. Mengingat kenyataan Jepang di mana permukiman dapat dipengaruhi oleh gempa bumi kapan saja, bagasi Mirai tahun model 2016 memiliki konektor CHAdeMO, di mana Anda dapat mengatur catu daya ke rumah pribadi kecil, yang membuat mobil menjadi generator di atas roda dengan kapasitas maksimum 150 kWh .

Ngomong-ngomong, hanya dalam beberapa tahun Toyota berhasil mengurangi massa generator secara signifikan: jika pada awal abad dalam prototipe, beratnya 108 kg dan menghasilkan 122 liter. detik, kemudian di Mirai sel bahan bakar dua kali lebih kompak (37 liter) dan berat 56 kg. Adalah adil untuk menambah 87 kg tangki bahan bakar ini.

Sebagai perbandingan, mesin turbo modern Volkswagen 1.4 TSI populer mirip dengan Mirai dengan kekuatan 140-160 hp. Ini terkenal karena "ringan" karena konstruksi aluminium - beratnya 106 kg plus 38-45 kg bensin di dalam tangki. Omong-omong, baterai Tesla Model S memiliki berat 540 kg!

Untuk lari sejauh 4 km, Mirai hanya memproduksi 240 ml air suling yang relatif aman untuk diminum - para penggemar yang telah mencoba "buang" Mirai, hanya melaporkan sedikit aftertaste dari plastik.

Air minum yang dikeringkan dari Mirai aman, meskipun pada awalnya pemandangan itu mengejutkan

Toyota Mirai memasang dua tangki untuk hidrogen pada 60 dan 62 liter, yang mengandung total 5 kg hidrogen di bawah tekanan 700 atmosfer. Toyota telah mengembangkan dan memproduksi tangki hidrogen sendiri selama 18 tahun sekarang. Tangki Mirai terbuat dari beberapa lapisan plastik dengan serat karbon dan fiberglass. Penggunaan bahan-bahan tersebut, pertama, meningkatkan ketahanan penyimpanan terhadap deformasi dan penetrasi, dan, kedua, memecahkan masalah pickup hidrogen logam, karena tangki baja kehilangan sifat, fleksibilitas dan ditutupi dengan microcracks.

Bangun Toyota Mirai. Motor listrik terletak di bagian depan, sel bahan bakar disembunyikan di bawah kursi pengemudi, dan tangki serta baterai dipasang di bawah barisan belakang dan di bagasi. Sumber: Toyota

Bagaimana prospeknya?

Menurut perkiraan Bloomberg , pada tahun 2040, mobil akan mengkonsumsi 1.900 jam terawatt bukan 13 juta barel per hari, yaitu 8% dari permintaan listrik pada 2015. 8% tidak ada artinya, mengingat sekarang hingga 70% dari minyak dunia dihabiskan untuk produksi bahan bakar untuk transportasi.

Prospek pasar untuk kendaraan listrik baterai jauh lebih menonjol dan mengesankan daripada sel bahan bakar hidrogen. Pada 2017, pasar mobil listrik adalah $ 17,4 miliar, sementara pasar mobil hidrogen dihargai $ 2 miliar. Terlepas dari perbedaan ini, investor tetap tertarik pada energi hidrogen dan membiayai perkembangan baru.

Contohnya adalah Dewan Hidrogen, yang dibuat pada 2017, yang mencakup 39 perusahaan besar seperti Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Tujuannya adalah penelitian dan pengembangan teknologi hidrogen baru dan implementasi selanjutnya dalam kehidupan kita.