Di Spanyol, tempat saya tinggal sekarang, ada cukup banyak kendaraan listrik - saya bertemu mereka hampir setiap hari, baik di jalan maupun di stasiun pengisian. Dan setiap tahun ada semakin banyak mobil listrik (tidak hanya di Spanyol, tentu saja). Tapi ada alternatif - mobil berbahan bakar hidrogen, yang juga tidak mencemari alam, karena knalpotnya adalah air. Topik referensi hari ini adalah mesin hidrogen, prinsip operasi dan prospeknya.
Kapan mobil hidrogen pertama muncul?
Diciptakan mesin pembakaran internal bertenaga hidrogen, François Isaac de Rivaz pada tahun 1806. Dia menerima hidrogen dengan elektrolisis air. Mesin piston yang diciptakan sang penemu disebut mesin De Rivaz.
Kunci kontak adalah percikan, mesinnya memiliki sistem penghubung batang-piston. Nah, silinder itu didorong oleh ledakan campuran hidrogen dan oksigen dengan percikan listrik - itu harus dihasilkan secara manual pada saat piston diturunkan. Dua tahun kemudian, penemu yang sama membangun perangkat self-propelled dengan mesin hidrogen.
Tetapi hidrogen yang kurang lebih banyak digunakan untuk pengoperasian mesin mobil mulai bertahun-tahun kemudian. Pada tahun 1941, di Leningrad yang dikepung, mesin mobil GAZ-AA dimodifikasi oleh insinyur-letnan B. I. Shelish. Mesin-mesin mengendalikan winch dari balon-balon rentetan (mereka dipenuhi dengan hidrogen, dan ada banyak cadangan gas di Leningrad), tetapi ini adalah mesin mobil. Selain itu, beberapa ratus mesin di mobil dimodifikasi.
Sejak 1980-an, beberapa negara, termasuk Amerika Serikat, Jepang, Jerman, Uni Soviet, dan Kanada, telah memulai produksi eksperimental mobil bertenaga hidrogen, campuran gas-hidrogen, dan campuran hidrogen dengan gas alam.
Pada tahun 1982, kilang Kvant dan pabrik RAF
mengembangkan minibus hidrogen Kvant-RAF eksperimental pertama di dunia dengan pembangkit listrik gabungan berdasarkan sel bahan bakar hidrogen-udara 2 kW dan baterai nikel-seng 5 kW *.
Selama bertahun-tahun, mobil seperti itu dikembangkan di berbagai negara, sebagian besar sebagai percobaan. Setelah konsep mobil hijau menjadi populer, perusahaan besar seperti Toyota menjadi tertarik pada mobil hidrogen. Mulai tahun 2000-an, perusahaan mobil mulai mengembangkan konsep untuk kendaraan komersial.
Di mana mendapatkan hidrogen?
Hidrogen dapat diperoleh dengan berbagai metode:
- konversi uap metana dan gas alam;
- gasifikasi batubara;
- elektrolisis air;
- pirolisis;
- bioteknologi.
Cara paling ekonomis untuk menghasilkan hidrogen sekarang dianggap sebagai konversi uap. Ini disebut produksi hidrogen dari hidrokarbon ringan (metana, fraksi propana-butana) menggunakan steam reforming. Reformasi adalah proses konversi katalitik hidrokarbon di hadapan uap air. Uap air dicampur dengan metana pada suhu tinggi (700-1000) dan tekanan tinggi menggunakan katalis.
Dalam konversi uap, lebih murah untuk menghasilkan hidrogen daripada menggunakan metode lain, termasuk elektrolisis.
Metode yang paling tidak berbahaya untuk menghasilkan hidrogen adalah elektrolisis - produksi hidrogen dari air menggunakan arus listrik. Kemurnian hasil hidrogen mendekati 100%. Selain polusi untuk listrik, pembangkit semacam itu hampir ramah lingkungan, karena hanya hidrogen dan oksigen yang dilepaskan selama operasi.
Cara ramah lingkungan lainnya untuk menghasilkan hidrogen adalah reaktor biomassa.
SumberHidrogen dapat diproduksi baik di pabrik besar maupun di perusahaan yang relatif kecil. Semakin besar produksi, semakin rendah biaya gas. Namun dalam kasus pertama, biaya pengiriman hidrogen ke tempat pengisian bahan bakar mobil meningkat.
Bagaimana cara kerja sistem bahan bakar dan apa saja pilihannya?
Yang terbaik adalah mempertimbangkan prinsip pengoperasian sistem seperti itu pada contoh mobil hidrogen serial Toyota Mirai. Basisnya adalah sel bahan bakar, sistem elektrokimia yang mengubah partikel hidrogen dan oksigen menjadi air. Di dalam elemen seperti itu adalah membran polimer penghantar proton yang memisahkan anoda dan katoda. Biasanya ini adalah pelat karbon dengan katalis yang didukung.
Pada katalis anoda, molekul hidrogen kehilangan elektron, kation dilewatkan melalui membran ke katoda, dan elektron ditransfer ke sirkuit eksternal. Pada katalis katoda, molekul oksigen bergabung dengan elektron dan proton untuk membentuk air. Uap atau cairan adalah satu-satunya produk reaksi.
Keuntungan sel bahan bakar berdasarkan membran penukar proton adalah daya spesifiknya yang tinggi dan suhu operasinya yang relatif rendah. Mereka dengan cepat memanas dan mulai menghasilkan energi segera setelah memulai.
Mirai menggunakan sel bahan bakar dengan daya spesifik tinggi per unit volume (3,2 kW / l), dan daya maksimumnya adalah 124 kW. Arus searah yang dihasilkan oleh sel bahan bakar diubah menjadi arus bolak-balik dengan peningkatan tegangan simultan menjadi 650 V. Listrik disuplai ke baterai lithium-ion. Untuk gerakan, mesin mengkonsumsi energi yang tersimpan di dalamnya.
Hidrogen dalam sel bahan bakar Mirai berasal dari silinder tekanan tinggi (sekitar 700 atm). Unit kontrol di dalam mobil mengontrol pengoperasian sel bahan bakar dan pengisian / pemakaian baterai.
Menurut Toyota, hingga 750 gram hidrogen diperlukan per 100 km lintasan Mirai. Pemilik Mirai
mengatakan sekitar satu kilogram hidrogen per 100 kilometer .
Apakah mobil seperti itu berbahaya? Mengapa
Karena hidrogen adalah gas yang mudah terbakar, hidrogen harus diangkut dan disimpan dengan hati-hati. Kami membutuhkan penganalisa gas yang sangat sensitif yang dapat memberikan sinyal jika terjadi kebocoran. Benar, hidrogen adalah gas yang sangat mudah menguap (setelah semua, itu adalah unsur kimia paling ringan) dan ketika memasuki atmosfer, hidrogen dengan cepat naik.
Itu terbakar sangat cepat. Pesawat Hindenburg terbakar hanya selama 32 detik. Karena kefanaan api, tidak semua penumpang meninggal, 62 dari 97 orang yang ada di gondola pesawat selamat.
Namun demikian, jika akan ada banyak mobil hidrogen, maka langkah-langkah keselamatan jalan baru akan diperlukan. Mobil ICE juga berbahaya - jika terjadi kecelakaan dan kerusakan tangki, bensin atau bahan bakar diesel bocor ke jalan dan dapat terbakar. Jika tangki dengan hidrogen ditusuk,
gas akan menguap dengan sangat cepat . Tetapi jika sumber api atau percikan api terbuka sudah dekat, hidrogen bisa menyala.
Mirai dan mobil hidrogen lainnya menggunakan tangki hidrogen yang sangat tahan lama. Toyota membuat tank-tanknya anti-peluru, dindingnya terbuat dari serat tugas berat dapat menahan tembakan dari senjata kaliber besar. Untuk tes, perusahaan mempekerjakan penembak jitu dan hanya peluru kaliber .50 yang bisa menembus tangki setelah dua kali memukulnya di tempat yang sama.
Jika Anda mengamati langkah-langkah keamanan, mobil hidrogen tidak lebih berbahaya daripada mobil dengan mesin pembakaran internal.
Apa umur layanan sel bahan bakar?
Sejauh ini, informasi tersebut hanya untuk Mirai. Toyota mengatakan bahwa satu sel dijamin bekerja untuk 250.000 km. Kemudian, jika kinerja sel memburuk, itu bisa diganti di pusat layanan.
Perusahaan apa yang sudah memproduksi atau akan memproduksi mobil hidrogen?
Mobil hidrogen dikembangkan oleh Honda, Toyota, Mercedes-Benz dan Hyundai - perusahaan-perusahaan ini sudah memiliki kendaraan siap pakai. Lainnya sejauh ini hanya menunjukkan konsep (namun, pekerja) atau gambar yang disajikan dengan indah. Di antara yang pertama adalah Audi dan Ford, dan yang terakhir adalah BMW (dalam semua keadilan, harus dikatakan bahwa pada tahun 2007 BMW merilis batch 100 model hidrogen eksperimental yang tetap merupakan eksperimen) dan Lexus.
Sejauh ini, hanya Toyota Mirai dan Honda Clarity yang diluncurkan ke seri ini. Mereka dapat dibeli di AS dan Eropa.
Berapa biayanya?
Saat ini, mobil hidrogen sedikit lebih mahal daripada yang konvensional dalam hal operasi. Jadi, ketika bepergian di Eropa dengan panjang 480 km, biaya bahan bakar untuk pemilik mobil biasa adalah sekitar $ 45, tetapi pemilik Mirai akan membayar sekitar $ 57. Dan ini terlepas dari kenyataan bahwa pemerintah beberapa negara mensubsidi produksi hidrogen untuk mobil. Biaya 1 kg hidrogen rata-rata $ 11,45.
Mengapa mobil hidrogen lebih baik daripada mobil listrik?
Sebenarnya, pertanyaannya tidak sepenuhnya benar. Faktanya adalah mobil bertenaga hidrogen dengan sel bahan bakar dan mobil listrik "bersih" adalah mobil listrik. Hanya dalam satu kasus, mobil ini berbahan bakar hidrogen, yang kedua - dengan listrik.
Jika Anda membandingkan biaya sebagian besar kendaraan listrik dan Toyota Mirai, maka harganya sebanding, ini beberapa puluh ribu dolar AS. Biaya Hyundai ix35 Fuel Cell adalah sekitar $ 53 ribu, Toyota Mirai - $ 57 ribu, Honda Clarity - $ 59 ribu. Biaya mobil listrik Tesla mulai dari $ 45 ribu (konfigurasi dasar dengan harga $ 35 ribu masih tersedia hanya untuk pre-order). Mobil listrik dari BMW berharga sekitar $ 50 ribu.
Mobil hidrogen mengisi bahan bakar dengan cepat - hanya membutuhkan 3-5 menit, tidak seperti mobil listrik, yang membutuhkan pengisian ulang dari setengah jam hingga beberapa jam.
Keuntungan utama dari transportasi hidrogen adalah sel bahan bakar bertahan selama bertahun-tahun dan praktis tidak memerlukan perawatan. Jika Anda menggunakan mobil listrik "bersih" dengan baterai yang besar, maka masa kerjanya hanya 1-1,5 ribu siklus, yaitu 3-5 tahun. Selain itu, mobil hidrogen akan bekerja tanpa masalah di udara dingin (termasuk angin), tetapi baterai kendaraan listrik akan kehilangan dayanya.
Bagaimana prospek mobil hidrogen dan kapan mereka terlihat di jalan?
Mobil hidrogen sudah mengemudi di sepanjang jalan Eropa dan Amerika Serikat (mungkin ada salinan terisolasi di wilayah lain). Tetapi ada beberapa dari mereka - beberapa ribu, yang tidak bisa disebut pengantar massal.
Masalah yang saat ini menghambat penyebaran kendaraan hidrogen adalah kurangnya infrastruktur (hanya beberapa tahun yang lalu, masalah serupa juga relevan untuk kendaraan listrik). Kami membutuhkan pabrik khusus untuk produksi hidrogen, sistem transportasi untuk hidrogen dan pengisian bahan bakar.
Stasiun pengisian hidrogen pada 2019 ( sumber )Selain itu, hidrogen cukup mahal, jadi jika mobil listrik dibeli, khususnya, untuk menghemat bahan bakar, maka dalam kasus mesin hidrogen, ini bukan pilihan. Dengan munculnya besar-besaran pabrik yang memproduksi hidrogen untuk mobil, serta infrastruktur layanan, orang dapat mengharapkan jumlah kendaraan hidrogen yang jauh lebih besar untuk memasuki jalan umum.
Tetapi tidak ada jaminan bahwa ini akan terjadi sama sekali atau tidak - itu belum jelas. Pembuat mobil seperti Toyota secara aktif mempromosikan mobil mereka dan manfaat hidrogen di sektor transportasi. Tetapi persaingan terlalu besar, baik di antara mobil biasa dengan mesin pembakaran internal, dan di antara kendaraan listrik.