Carro de hidrogênio. É hora de dizer adeus à gasolina?

Olá Habr! Em nosso último artigo sobre energia de hidrogênio, você escreveu comentários muito interessantes e justos, cujas respostas você encontra neste material dedicado ao uso de hidrogênio em automóveis.

De fato, em comparação com a gasolina, o hidrogênio é um problema contínuo: é muito difícil armazenar e obter, é explosivo e os carros a hidrogênio são muitas vezes mais caros que os a gasolina. Mas, ao mesmo tempo, o hidrogênio é considerado o combustível alternativo mais promissor para o transporte. Além disso, os investidores estão dispostos a gastar bilhões de investimentos na produção de carros a hidrogênio.

A sentença por gás já foi assinada

De acordo com o relatório mais recente da BP Statistical Review of World Energy 2018 , as reservas comprovadas de petróleo do mundo somam 1,669 bilhão de barris, que, mantendo o atual nível de consumo, durarão cinquenta anos. As reservas inexploradas de petróleo, presumivelmente, nos fornecerão meio século de energia de hidrocarbonetos, mas o custo de sua produção pode ser tal que o petróleo simplesmente se torne inútil em comparação com outras fontes de energia. Quando os depósitos com produção conveniente se esgotam, o preço das matérias-primas sobe automaticamente: se agora o custo de produção de um barril na Rússia for estimado em cerca de 2 a 3 dólares (de acordo com estimativas alternativas, 18 dólares ), para o óleo de xisto já é de 30 a 50 dólares. E à frente da humanidade, existe uma perspectiva real de mudar para a produção de petróleo offshore e do Ártico, cujo preço será ainda mais alto.

O aumento do interesse no transporte elétrico nos anos 70 do século XX surgiu precisamente no contexto de um aumento espasmódico dos preços do petróleo devido à crise política - não houve escassez de matérias-primas, mas um aumento de quatro vezes nos preços transformou instantaneamente os carros a gasolina e a energia do petróleo em luxo.

E obstáculos mais controversos ficaram no caminho dos carros a gasolina - cuidando do meio ambiente nas cidades e países onde o escape de carros se tornou um problema. Por esse motivo, por exemplo, a Alemanha adotou uma resolução que proíbe a produção de carros com motores de combustão interna desde 2030. A França e o Reino Unido prometem abandonar os combustíveis de hidrocarbonetos até 2040. Países Baixos - até 2030. Noruega - até 2025. Até a Índia e a China esperam proibir a venda de carros a diesel e gasolina desde 2030. Paris, Madri, Atenas e México proibirão o uso de carros a diesel desde 2025.

Combustão de hidrogênio em ICE

A queima de hidrogênio em um motor de combustão interna convencional parece ser a maneira mais simples e lógica de usar gás, porque o hidrogênio é facilmente aceso e queima sem deixar vestígios. No entanto, devido à diferença nas propriedades da gasolina e do hidrogênio, não foi tão fácil transferir o ICE para um novo tipo de combustível. Surgiram dificuldades com a operação a longo prazo dos motores: o hidrogênio causou superaquecimento das válvulas, grupo de pistões e óleo, devido ao calor da combustão três vezes maior que o da gasolina (141 MJ / kg versus 44 MJ / kg). O hidrogênio teve um bom desempenho em baixas rotações do motor, mas a detonação ocorreu com o aumento da carga. Uma possível solução para o problema foi a substituição do hidrogênio por uma mistura gasolina-hidrogênio, cuja concentração de gás diminuiu dinamicamente com o aumento da velocidade do motor.


O BMW Hydrogen 7 bicombustível no corpo E65 queima hidrogênio em ICE em vez de gasolina
Fonte: Sachi Gahan / Flickr

Um dos poucos carros de produção em que o hidrogênio foi queimado em um motor de combustão interna como outro combustível foi o BMW Hydrogen 7, que saiu em apenas 100 cópias em 2006-2008. O ICE V12 de seis litros modificado trabalhava com gasolina ou hidrogênio, a alternância entre combustíveis era automática.

Apesar da solução bem-sucedida para o problema de superaquecimento de válvulas, este projeto ainda o encerra. Em primeiro lugar, ao queimar hidrogênio, a potência do motor caiu cerca de 20% - de 260 litros. s gasolina até 228 litros s Em segundo lugar, 8 kg de hidrogênio foram suficientes para apenas 200 km de corrida, o que é várias vezes menor do que no caso dos elementos diesel. Em terceiro lugar, o Hydrogen 7 apareceu muito cedo - quando os carros "verdes" ainda não eram tão relevantes. Quarto, havia rumores persistentes de que a Agência de Proteção Ambiental dos EUA não permitia chamar o Hydrogen 7 de carro sem escape prejudicial - devido às características específicas do motor de combustão interna, partículas de óleo do motor caíam na câmara de combustão e eram inflamadas por hidrogênio.

O Mazda RX-8 Hydrogen RE é o caso em que o hidrogênio arruinou toda a dinâmica de um motor rotativo. Fonte: Mazda

Antes, em 2003, o Mazda RX-8 Hydrogen RE foi introduzido, atingindo clientes apenas em 2007. Ao mudar para hidrogênio a partir da potência do lendário rotativo RX-8, não havia mais vestígios - a potência caiu de 206 para 107 litros. seg., e a velocidade máxima é de até 170 km / h.

O BMW Hydrogen 7 e o Mazda RX-8 Hydrogen RE eram o canto dos cisnes dos ICEs de hidrogênio: quando esses carros chegaram, ficou claro que era muito mais eficiente usar hidrogênio em células de combustível conhecidas do que simplesmente queimar.

Células a combustível em carros

O primeiro experimento bem-sucedido a criar um veículo com célula a combustível de hidrogênio é o trator Harry Karl, construído em 1959. É verdade que a substituição do motor diesel por uma célula de combustível reduziu a potência do trator para 20 litros. s

No último meio século, o transporte de hidrogênio foi produzido em pedaços. Por exemplo, em 2001, o ônibus da Geração II apareceu nos EUA, para o qual o hidrogênio foi produzido a partir de metanol. As células de combustível geram potência de até 100 kW, ou seja, cerca de 136 litros. s No mesmo ano, o VAZ russo introduziu o Niva em elementos de hidrogênio, conhecido sob o nome Antel-1 . O motor elétrico forneceu potência de até 25 kW (34 hp), acelerou o carro a um máximo de 85 km / he trabalhou 200 km em um posto de gasolina. O único carro produzido foi o "laboratório sobre rodas".


Um carro de célula de combustível de hidrogênio russo - naquela época, a tecnologia foi além do design. Fonte: AvtoVAZ

Em 2013, a Toyota abalou o mundo automotivo com a introdução do modelo de célula a combustível de hidrogênio Mirai. A singularidade da situação era que o Toyota Mirai não era um carro-conceito, mas um carro pronto para produção em massa, cujas vendas começaram um ano depois. Ao contrário dos veículos elétricos movidos a bateria, o próprio Mirai gerava eletricidade para si.


Toyota Mirai. Fonte: Toyota

O motor elétrico de tração dianteira Mirai tem uma potência máxima de 154 litros. com isso um pouco para um carro elétrico moderno, mas não é ruim em comparação com carros a hidrogênio do passado. O alcance teórico de 5 kg de hidrogênio é de 500 km, o real - cerca de 350 km. O Tesla Model S, de acordo com o passaporte, pode cobrir 540 km. Leva apenas 3 minutos para reabastecer um tanque cheio de hidrogênio, e uma bateria Tesla carrega até 100% em 75 minutos nas estações Tesla Supercharger e até 30 horas a partir de uma tomada normal de 220 V.

A corrente direta das 370 células de combustível de hidrogênio da Mirai é convertida em corrente alternada e a voltagem sobe para 650 V. A velocidade máxima do carro chega a 175 km / h - um pouco em comparação com o hidrocarboneto, mas mais do que suficiente para a condução diária. Para armazenamento de energia, é usada uma bateria de hidreto de níquel-metal de 21 kWh, para a qual são transmitidas células de combustível em excesso e energia de frenagem regenerativa. Dadas as realidades japonesas, nas quais os assentamentos podem ser afetados por um terremoto a qualquer momento, o porta-malas Mirai do ano modelo 2016 possui um conector CHAdeMO, através do qual você pode organizar a fonte de alimentação de uma pequena casa particular, o que torna o carro um gerador sobre rodas com capacidade máxima de 150 kWh .

A propósito, em apenas alguns anos a Toyota conseguiu reduzir significativamente a massa do gerador: se no início do século em protótipos pesava 108 kg e produzia 122 litros. seg., em Mirai a célula a combustível é duas vezes mais compacta (37 litros) e pesa 56 kg. Seria justo adicionar a esses 87 kg de tanques de combustível.

Para comparação, o popular motor moderno Volkswagen 1.4 TSI turbo é semelhante ao Mirai, com uma potência de 140–160 hp. É famosa por sua “leveza” devido à sua construção em alumínio - pesa 106 kg mais 38–45 kg de gasolina no tanque. A propósito, a bateria do Tesla Model S pesa 540 kg!

Por 4 km de corrida, a Mirai produz apenas 240 ml de água destilada, relativamente segura para beber água - entusiastas que tentaram o “escape” de Mirai relataram apenas um leve gosto de plástico.

A água potável drenada de Mirai é segura, embora a princípio a vista seja chocante

O Toyota Mirai instalou dois tanques de hidrogênio a 60 e 62 litros, contendo um total de 5 kg de hidrogênio sob uma pressão de 700 atmosferas. A Toyota desenvolve e produz tanques de hidrogênio por conta própria há 18 anos. O tanque Mirai é feito de várias camadas de plástico com fibra de carbono e fibra de vidro. O uso de tais materiais, em primeiro lugar, aumentou a resistência dos depósitos à deformação e penetração e, em segundo lugar, resolveu o problema da captação de hidrogênio no metal, devido a que os tanques de aço perdiam suas propriedades, flexibilidade e eram cobertos com microfissuras.

Construa o Toyota Mirai. Um motor elétrico está localizado na frente, a célula de combustível está oculta sob o banco do motorista, e tanques e uma bateria são instalados sob a fileira traseira e no porta-malas. Fonte: Toyota

Quais são as perspectivas?

Segundo as estimativas da Bloomberg , até 2040, os carros consumirão 1.900 terawatt-hora em vez de 13 milhões de barris por dia, ou seja, 8% da demanda de eletricidade a partir de 2015. 8% não é nada, considerando que agora até 70% do petróleo mundial é gasto na produção de combustível para transporte.

As perspectivas de mercado para veículos elétricos a bateria são muito mais pronunciadas e impressionantes do que no caso de células a combustível de hidrogênio. Em 2017, o mercado de carros elétricos foi de US $ 17,4 bilhões, enquanto o mercado de automóveis a hidrogênio foi avaliado em US $ 2 bilhões. Apesar dessa diferença, os investidores continuam interessados ​​em energia de hidrogênio e em financiar novos desenvolvimentos.

Um exemplo disso é o Conselho de Hidrogênio, criado em 2017, que inclui 39 grandes empresas como Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Seu objetivo é a pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias de hidrogênio e sua subsequente implementação em nossas vidas.