Na Espanha, onde moro agora, existem muitos veículos elétricos - encontro-os quase todos os dias, nas estradas e nas estações de carregamento. E a cada ano há mais e mais carros elétricos (não apenas na Espanha, é claro). Mas existe uma alternativa - carros movidos a hidrogênio, que também não poluem a natureza, já que o escapamento é a água. O tópico da referência atual são as máquinas de hidrogênio, o princípio de operação e as perspectivas.
Quando os primeiros carros a hidrogênio apareceram?
Inventou o motor de combustão interna movido a hidrogênio, François Isaac de Rivaz em 1806. Ele recebeu hidrogênio por eletrólise da água. O motor de pistão que o inventor criou é chamado de motor De Rivaz.
A ignição era faísca, o motor tinha um sistema de biela e pistão. Bem, o cilindro foi acionado pela detonação de uma mistura de hidrogênio e oxigênio com uma faísca elétrica - ele teve que ser gerado manualmente no momento em que o pistão foi abaixado. Dois anos depois, o mesmo inventor construiu um dispositivo de autopropulsão com um motor a hidrogênio.
Mas o hidrogênio mais ou menos utilizado para a operação de motores de automóveis começou muitos anos depois. Em 1941, em Leningrado, os motores de automóveis GAZ-AA foram modificados pelo engenheiro-tenente B. I. Shelish. Os motores controlavam o guincho dos balões de barragem (estavam cheios de hidrogênio e havia muitas reservas de gás em Leningrado), mas eram motores de automóveis. Além disso, várias centenas de motores nos carros foram modificados.
Desde a década de 80, vários países, incluindo Estados Unidos, Japão, Alemanha, URSS e Canadá, iniciaram a produção experimental de carros a hidrogênio, misturas gás-hidrogênio e misturas de hidrogênio com gás natural.
Em 1982, a refinaria de Kvant e a fábrica da RAF
desenvolveram o primeiro microônibus experimental de hidrogênio Kvant-RAF do mundo com uma usina combinada baseada em uma célula a combustível de hidrogênio-ar de 2 kW e uma bateria de níquel-zinco de 5 kW *.
Ao longo dos anos, esses carros foram desenvolvidos em diferentes países, principalmente como um experimento. Depois que o conceito de carro verde se tornou popular, grandes empresas como a Toyota se interessaram por carros a hidrogênio. A partir dos anos 2000, as montadoras começaram a desenvolver conceitos para veículos comerciais.
Onde conseguir hidrogênio?
O hidrogênio pode ser obtido por vários métodos:
- conversão a vapor de metano e gás natural;
- gaseificação de carvão;
- eletrólise da água;
- pirólise;
- biotecnologia.
A maneira mais econômica de produzir hidrogênio é agora considerada a conversão a vapor. Isso é chamado de produção de hidrogênio a partir de hidrocarbonetos leves (metano, fração propano-butano) usando reforma a vapor. Reforma é o processo de conversão catalítica de hidrocarbonetos na presença de vapor de água. O vapor de água é misturado com metano em alta temperatura (700–1000 ºC) e alta pressão usando um catalisador.
Na conversão de vapor, é mais barato produzir hidrogênio do que usar outros métodos, incluindo eletrólise.
O método mais inofensivo de produzir hidrogênio é a eletrólise - a produção de hidrogênio a partir da água usando corrente elétrica. A pureza do rendimento de hidrogênio é próxima de 100%. Além da poluição por eletricidade, essas usinas são quase ecologicamente corretas, pois somente hidrogênio e oxigênio são liberados durante a operação.
Outra maneira ambientalmente amigável de produzir hidrogênio é um reator de biomassa.
FonteO hidrogênio pode ser produzido em uma grande fábrica e em uma empresa relativamente pequena. Quanto maior a produção, menor o custo do gás. Mas, no primeiro caso, o custo de fornecer hidrogênio para os locais de reabastecimento de carros aumenta.
Como funciona o sistema de combustível e quais são as opções?
É melhor considerar o princípio de operação de um sistema desse tipo no exemplo de carros em série de hidrogênio Toyota Mirai. A base é uma célula de combustível, um sistema eletroquímico que converte partículas de hidrogênio e oxigênio em água. Dentro desse elemento existe uma membrana polimérica condutora de prótons que separa o ânodo e o cátodo. Normalmente, são placas de carbono com um catalisador suportado.
No catalisador do ânodo, o hidrogênio molecular perde elétrons, os cátions são passados através da membrana para o cátodo e os elétrons são transferidos para o circuito externo. No catalisador catódico, as moléculas de oxigênio combinam-se com o elétron e o próton para formar a água. Vapor ou líquido é o único produto da reação.
A vantagem de células de combustível baseadas em membranas de troca de prótons é sua alta potência específica e temperatura operacional relativamente baixa. Eles aquecem rapidamente e começam a produzir energia quase imediatamente após o início.
O Mirai usa células de combustível com uma alta potência específica por unidade de volume (3,2 kW / l) e sua potência máxima é de 124 kW. A corrente direta produzida pela célula de combustível é convertida em corrente alternada com um aumento simultâneo de tensão em 650 V. A eletricidade é fornecida à bateria de íons de lítio. Para o movimento, a máquina consome a energia armazenada nela.
O hidrogênio na célula de combustível Mirai vem de cilindros de alta pressão (cerca de 700 atm). A unidade de controle no carro controla o funcionamento da célula de combustível e o carregamento / descarregamento da bateria.
Segundo a Toyota, são necessários até 750 gramas de hidrogênio por 100 km de pista Mirai. Os proprietários da Mirai
dizem cerca de um quilograma de hidrogênio a cada 100 quilômetros .
Esses carros são perigosos? Porque
Como o hidrogênio é um gás combustível, ele deve ser transportado e armazenado com cuidado. Precisamos de analisadores de gás altamente sensíveis que possam emitir um sinal em caso de vazamento. É verdade que o hidrogênio é um gás muito volátil (afinal, é o elemento químico mais leve) e, quando entra na atmosfera, o hidrogênio sobe rapidamente.
Queima muito rapidamente. O dirigível Hindenburg queimou por apenas 32 segundos. Devido à transitoriedade do incêndio, nem todos os passageiros morreram, 62 de 97 pessoas que estavam na gôndola do dirigível sobreviveram.
No entanto, se houver muitos carros a hidrogênio, serão necessárias novas medidas de segurança no trânsito. Os carros ICE também são perigosos - em caso de acidente e quebra do tanque, vazamentos de gasolina ou diesel na estrada e podem inflamar-se. Se um tanque com hidrogênio for perfurado, o
gás evaporará muito rapidamente . Mas se uma fonte de chama aberta ou faíscas estiver próxima, o hidrogênio poderá inflamar-se.
Mirai e outros carros de hidrogênio usam tanques de hidrogênio muito duráveis. A Toyota fez seus tanques à prova de balas, suas paredes feitas de fibra resistente podem suportar tiros de armas de grande calibre. Para os testes, a empresa contratou franco-atiradores e apenas uma bala de calibre .50 poderia penetrar no tanque depois de atingi-lo duas vezes no mesmo local.
Se você observar as medidas de segurança, os carros a hidrogênio não são mais perigosos do que os carros com motores de combustão interna.
Qual é a vida útil das células de combustível?
Até agora, essas informações são apenas para a Mirai. A Toyota diz que é garantido que uma célula funcione por 250.000 km. Então, se o desempenho da célula se deteriorar, ela poderá ser substituída em um centro de serviço.
Quais empresas já estão produzindo ou vão produzir carros a hidrogênio?
Os carros a hidrogênio são desenvolvidos pela Honda, Toyota, Mercedes-Benz e Hyundai - essas empresas já possuem veículos prontos. Outros até agora mostram apenas conceitos (no entanto, trabalhadores) ou simplesmente imagens lindamente renderizadas. Entre os primeiros estão Audi e Ford, e os últimos BMW (com toda a justiça, deve-se dizer que em 2007 a BMW lançou um lote de 100 modelos experimentais de hidrogênio que permaneceram um experimento) e Lexus.
Até agora, apenas Toyota Mirai e Honda Clarity foram lançados na série. Eles podem ser adquiridos nos EUA e na Europa.
Quanto custa?
No momento, os carros a hidrogênio são um pouco mais caros que os convencionais em termos de operação. Portanto, ao viajar na Europa com 480 km de extensão, o custo do combustível para o proprietário de um carro comum será de aproximadamente US $ 45, mas o proprietário da Mirai pagará cerca de US $ 57. E isso apesar do fato de o governo de alguns países subsidiar a produção de hidrogênio para carros. O custo de 1 kg de hidrogênio é em média US $ 11,45.
Por que carros a hidrogênio são melhores que carros elétricos?
Na verdade, a questão não está totalmente correta. O fato é que um carro movido a hidrogênio com uma célula de combustível e um carro elétrico "limpo" são carros elétricos. Apenas em um caso, o carro é abastecido com hidrogênio, no segundo - com eletricidade.
Se você comparar o custo da maioria dos veículos elétricos e do Toyota Mirai, eles são comparáveis, isto significa várias dezenas de milhares de dólares. O custo do Hyundai ix35 Fuel Cell é de cerca de US $ 53 mil, o Toyota Mirai - US $ 57 mil, o Honda Clarity - US $ 59 mil.O custo dos carros elétricos da Tesla começa em US $ 45 mil (a configuração básica com um preço de US $ 35 mil ainda está disponível apenas para pré-venda). Os carros elétricos da BMW custam cerca de US $ 50 mil.
Os carros a hidrogênio reabastecem rapidamente - leva apenas 3-5 minutos, ao contrário dos carros elétricos, onde leva de meia hora a várias horas para recarregar.
A principal vantagem do transporte de hidrogênio é que as células de combustível duram muitos anos e praticamente não precisam de manutenção. Se você pegar um carro elétrico "limpo" com sua enorme bateria, sua vida útil será de apenas 1 a 1,5 mil ciclos, ou seja, de 3 a 5 anos. Além disso, o carro a hidrogênio funcionará sem problemas no frio (incluindo a parada), mas a bateria de um veículo elétrico perderá sua carga.
Quais são as perspectivas para carros a hidrogênio e quando eles podem ser vistos na estrada?
Os carros a hidrogênio já estão dirigindo pelas estradas da Europa e dos EUA (pode haver cópias isoladas em outras regiões). Mas existem alguns deles - vários milhares, que não podem ser chamados de introdução em massa.
O problema que atualmente está impedindo a propagação de veículos a hidrogênio é a falta de infraestrutura (apenas alguns anos atrás, um problema semelhante era relevante para veículos elétricos). Precisamos de fábricas especializadas para a produção de hidrogênio, sistemas de transporte para hidrogênio e reabastecimento.
Estações de abastecimento de hidrogênio em 2019 ( fonte )Além disso, o hidrogênio é bastante caro; portanto, se carros elétricos são comprados, em particular, para economizar combustível, no caso de uma máquina de hidrogênio, essa não é uma opção. Com o surgimento maciço de fábricas para a produção de hidrogênio para carros, bem como a infraestrutura de serviços, pode-se esperar o lançamento de um número muito maior de veículos a hidrogênio nas vias públicas.
Mas não há garantia de que isso aconteça ou não - ainda não está claro. Montadoras como a Toyota estão promovendo ativamente seus carros e os benefícios do hidrogênio no setor de transporte. Mas a concorrência é muito grande, tanto entre carros comuns com motores de combustão interna quanto entre veículos elétricos.