Vätgasfordon är olika fordon som använder väte som bränsle . Det kan vara fordon med både förbränningsmotorer , gasturbinmotorer och vätebränsleceller .
1806 François Isaac de Rivaz (1752-1828) skapade den första förbränningsmotorn som drevs av väte. Uppfinnaren producerade väte genom elektrolys av vatten.
1941, i det belägrade Leningrad , var bensin en bristvara , men väte fanns tillgängligt i stora mängder. Militärteknikern Boris Shelishch föreslog att man skulle använda en luft-väteblandning för att driva spärrballonger . Ballongvinscharnas förbränningsmotorer överfördes till vätgas . Under blockaden körde cirka 600 bilar på vätgas i staden. [ett]
Användningen av väte som energibärare kommer både att avsevärt minska förbrukningen av fossila kolvätebränslen och göra betydande framsteg när det gäller att lösa miljöproblemet med luftföroreningar i städerna genom skadliga komponenter för människors hälsa i avgaserna från bilar och diesellokomotiv [2] .
År 2009 producerades cirka 25 % av koldioxidutsläppen till jordens atmosfär som ett resultat av driften av olika typer av transporter [3] . Enligt IEA kommer detta antal att fördubblas till 2050 och kommer att fortsätta att växa i takt med att antalet privatbilar ökar i utvecklingsländerna [4] . Förutom koldioxid släpps kväveoxider ut i atmosfären , ansvariga för ökningen av förekomsten av astma , svaveloxider, ansvarig för surt regn, etc.
Inom sjötransporter används ofta lågkvalitativa billiga bränslekvaliteter. Sjötransporter släpper ut 700 gånger mer svaveloxider än vägtransporter . Enligt Internationella sjöfartsorganisationen har CO 2 -utsläppen från handelsflottan nått 1,12 miljarder ton per år [5] .
En annan orsak till det ökade intresset för vätgastransporter är ökningen av energipriserna (för närvarande är den stora majoriteten av dem kol, olja och deras derivat), bränslebrist och olika länders önskan att få energioberoende [2] .
Väte kan användas som bränsle i en konventionell förbränningsmotor [6] . I det här fallet reduceras motoreffekten till 65% - 82% jämfört med bensinversionen . Men om du gör små ändringar i tändsystemet ökar motoreffekten till 117 % jämfört med bensinversionen, men i det här fallet kommer produktionen av kväveoxider att öka på grund av den högre temperaturen i förbränningskammaren [7] och sannolikheten för att ventiler och kolvar brinner kommer att öka vid långt arbete med hög effekt [8] . Dessutom kan väte, vid temperaturer och tryck som skapas i motorn, reagera med motorns konstruktionsmaterial och smörjmedel, vilket leder till snabbt slitage [7] . Dessutom är väte mycket flyktigt, varför det, när man använder ett konventionellt förgasarkraftsystem, kan tränga in i avgasgrenröret, där det också antänds på grund av hög temperatur [6] . Traditionella fram- och återgående förbränningsmotorer är dåligt anpassade för att arbeta med vätgas. Vanligtvis används en roterande förbränningsmotor för att köra på väte , eftersom avgasgrenröret i den avlägsnas avsevärt från insugningsröret.
Vätgasdrivna fordon tillverkas redan. Bland företagen som tillverkar sådana fordon finns Toyota , Honda och Hyundai . Vätgasdrivna fordon utvecklas också av Daimler , Audi , BMW , Ford , Nissan och andra.
2016 introducerades det första vätgtåget , Alstoms Coradia iLint , i Tyskland , och tåget kommer att börja köra på sträckan Buxtehude -Cuxhaven i Niedersachsen från december 2017. Det antas att de i slutändan kommer att ersätta 4 000 dieselregionaltåg som körs i Tyskland på icke-elektrifierade delar av järnvägen. Alstom rapporterar att även Nederländerna, Danmark och Norge har uttryckt intresse för sådana tåg. [9]
Finns i begränsade mängder:
Boeing Company utvecklar ett obemannat flygplan för höga höjder och lång flygtid (High Altitude Long Endurance (HALE). Flygplanet är utrustat med HICE tillverkat av Ford Motor Company [12] .
Det utbredda införandet av vätebränsle begränsas fortfarande av det högre priset på väte jämfört med konventionella flytande och gasbränslen, och avsaknaden av den nödvändiga infrastrukturen. Blandningar av traditionellt bränsle med väte kan bli en mellanlösning. Väte kan användas för att förbättra brandfarligheten hos magra blandningar i förbränningsmotorer som körs på konventionella bränslen [6] . Till exempel är HCNG en blandning av väte och naturgas.
Installationer görs som producerar väte från destillerat vatten ombord på fordonet. Väte tillsätts sedan till dieselbränslet. Sådana installationer är utrustade med tunga lastbilar och gruvutrustning. Man tror att detta gör det möjligt att minska bränsleförbrukningen och öka motoreffekten och minska miljöfaran av utsläpp [13] , även om det finns andra synpunkter [14] .
I början av 1980 -talet utvecklade N. Kuznetsovs designbyrå ( Samara ) flygmotorer designade för Tupolev passagerarflygplan . Dessa vätgasdrivna motorer har bänktestats som en del av Tu-155 . Händelserna i Ryssland i slutet av 1980-talet och början av 1990 -talet tillät inte att N. Kuznetsovs arbete med vätgasmotorer för flygplan användes i stor utsträckning inom transport- och passagerarflyg. Hittills har flera malpåse operativa flygplansmotorer av N. Kuznetsov bevarats i lagerlokalerna hos designbyrån i Samara [15] .
Den 3 april 2008 genomförde Boeing flygtester av ett Dimona lätt tvåsitsflygplan med ett vätebränslecellskraftverk [16] .
Vätgasbränsleceller kan producera elektrisk energi till en elmotor ombord på ett fordon, och därigenom ersätta förbränningsmotorn, eller användas för kraft ombord.
Det första bränslecellsfordonet skapades 1959 av Allis-Chalmers Manufacturing Company ( USA ). Alkaliska bränsleceller (AFC) var traktormonterade . 1962 - på en golfbil. 1967 installerade Union Carbide (USA) bränsleceller på en motorcykel . 1982 utvecklades en experimentell väteminibuss " Kvant-RAF " med en elektrisk drivning på alkaliska bränsleceller i Sovjetunionen.
Den största fördelen med att introducera bränsleceller i markfordon (t.ex. bilar): den förväntade höga effektiviteten . Verkningsgraden för en modern bilförbränningsmotor når 35% och effektiviteten för en vätebränslecell är 45% eller mer. Under tester av en vätebränslecellsbuss av det kanadensiska företaget Ballard Power Systems visades en verkningsgrad på 57 %. [17] . Effektiviteten hos ett klassiskt blybatteri är högre - upp till 70-90%. Men den viktigaste faktorn som håller tillbaka massproduktionen av elfordon är batteriernas höga kostnader och ofullkomlighet. En lovande riktning är också användningen av superkondensatorer i hybrid- och elfordon .
Som regel installeras PEM-bränsleceller (proton-exchange membrane) på bilar och bussar . Deras främsta fördelar är: kompakthet, låg vikt, låg processtemperatur.
År 2002 satte det amerikanska energidepartementet upp ett mål att minska kostnaden för bränsleceller till 45 USD per 1 kW installerad kapacitet 2010 och till 30 USD per 1 kW 2015 (i 2002 dollar, exklusive inflation). Detta innebär att elkällan ombord för kraftverket med en kapacitet på 100 kW. (134 hk) kommer att kosta $3 000, vilket är jämförbart med kostnaden för en förbränningsmotor [18] .
Vätgasbränslecellsfordon tillverkas och testas:
och andra enstaka exemplar i Brasilien , Kina , Tjeckien , etc.
Världens första produktionsbil kommer att börja säljas i slutet av 2014 [21] :
Från 2003 till 2006 körde 36 Clean Urban Transport for Europe -bussar mer än 2 miljoner km och transporterade 6 miljoner passagerare. I januari 2021 lanserade Aberdeen Wright StreetDeck- linjen , världens första vätgasdubbeldäckare , som var och en kostade cirka 500 000 pund [22] .
År 2021 togs världens första vätgasdrivna dubbeldäckarbussar officiellt i trafik i Aberdeen, Skottland. [23]
BränsleförbrukningOpel Zafira med ett 94 kW vätebränslecellskraftverk i Washington -förhållanden förbrukar 1,83 kg väte per 100 miles (160 km) körning, det vill säga 6,4 liter bensinekvivalenter . Bensinanalogen till Opel Zafira med en 1,6-liters motor med en effekt på 85 kW förbrukar 5,8 liter bensin per 100 km på motorvägen.
National Renewable Energy Laboratory (USA) använder i sina beräkningar en genomsnittlig räckvidd för personbilar på 12 000 miles per år (19 200 km), väteförbrukningen är 1 kg per 60 miles (96 km) körning. Det vill säga att en personbil med vätgasbränsleceller kräver 200 kg väte per år, eller 0,55 kg per dag. Ett kilo väte anses i energivärde vara lika med en gallon (3,78 liter) bensin [24] .
Järnvägsframdrivningssystem måste utveckla en ganska stor effekt, medan kompaktheten hos järnvägsframdrivningssystem är mindre viktig än i vägtransporter. Järnvägstransporter representerar en enorm marknad för vätebränslecellskraftverk. För närvarande transporteras cirka 60 % av järnvägsgods över hela världen med diesellokomotiv. En annan lönsam möjlighet är att med bränsleceller bygga lok som kombinerar fördelarna med ett diesellokomotiv och ett elektriskt lok (möjligheten att drivas av ett kontaktnät på elektrifierade linjer och autonomi när man passerar icke-elektrifierade avsnitt).
Den 18 februari 2004 testade Japanese Railway Technical Research Institute en prototyp för vätebränslecelltåg [25] för första gången i världen .
I USA, driften av ett vätebränslecellslokomotiv med en kapacitet på 2 tusen liter. Med. var tänkt att starta 2009 [26] . Loket har skapats sedan 2003 med deltagande av US Department of Defense (DoD) för icke-taktiska militära ändamål och kommersiellt bruk [27] .
I Danmark går ett vätgaståg mellan Vemb, Lemvig och Thyboron. Ruttens längd är 59 km, vilket begränsas av vätgastankarnas kapacitet. Projektet fick namnet Danish Hydrogen Train Project [28] .
Vätgasrullande materiel utvecklas också i Japan av Hitachi [29] och Kinki Sharyo [30] .
Fraunhofer Institute for Transport and Infrastructure Systems ( Tyskland ) har skapat en prototyp av en hybrid spårvagn och buss . AutoTram är utrustad med en vätgasbränslecell och ett svänghjul som laddas vid inbromsning och accelererar bilen vid start. Prototypen är 18 meter lång, men institutet säger att det går att skapa 56-metersbilar med kapacitet för 300 passagerare. Bränslecell från Ballard Power Systems, svänghjul från CCM Nuenen. 10 kg väte lagras på taket. AutoTram utvecklar en hastighet på 60 km/h. [31] En spårvagn för vätgasbränsleceller fungerar också i Kina.
I Tyskland lanserades 2018 det första vätgasdrivna passagerartåget Coradia iLint. Till 2021 är ytterligare 14 sådana tåg planerade att lanseras [32] .
Den 8 april 2021 offentliggjordes ett kontrakt undertecknat av de franska regionerna Auvergne-Rhone-Alpes, Burgundy-Franche-Comté, Grand Est och Occitanien om köp av 12 elektriska hybridtåg från Alstom (4 bilar vardera, cirka 220 säten) som kan ta emot el både från kontaktnätet och från vätebränsleceller. Enligt Alstom kommer räckvidden på vätgasbränsle att vara 600 km [33] .
För att introducera vätebränsleceller i sjötransporter i Europa skapades konsortiet FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships) 2003 [34] . FellowSHIP-konsortiet inkluderar Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik och Wärtsilä Automation Norway.
Även i Europa skapat:
Tyskland tillverkar ubåtar av U-212- klassen med bränsleceller tillverkade av Siemens AG . U-212:or är i trafik med Tyskland, beställningar har tagits emot från Grekland , Italien , Korea , Israel . Under vatten går båten på vätgas och låter nästan ingenting.
Den spanska varvsbyggaren Navantia, SA planerar att påbörja produktionen av S-80-klassens ubåtar med 300kW PEM-vätebränslecellsframdrivning. Väte produceras ombord på ubåten från etanol . Bränslecellsleverantören är UTC Power ( USA ). S-80 är designade för att skydda kusten. Användningen av vätebränsleceller kommer att minska ljudnivån och öka tiden under vatten.
Driften av Zemships började sommaren 2008 .
Island planerar att omvandla alla fiskefartyg till vätgas . För produktion av väte kommer geotermisk energi och vattenkraft att användas.
Den första bemannade flygningen av ett flygplan med ett 20 kW PEM-bränslecellskraftverk ägde rum den 3 april 2008 [35] . Projektet utvecklades av Boeing och en grupp europeiska företag. Bränsleceller - tillverkade av UQM Technologies (USA).
Fraunhofer Institute (Tyskland) utvecklar en obemannad helikopter med ett vätebränslecellskraftverk (bränslecellvikt - 30 gram. Effekt - 12 watt). [36] .
Bränslecells obemannade flygfarkoster utvecklas också av amerikanska och israeliska företag.
Hjälptransporter som drivs i begränsade utrymmen: lager, flygfält, stora industrifabriker, militärbaser, etc.
De mest aktiva vätebränslecellerna är installerade på lagertruckar. Något mindre än hälften av de nya bränslecellerna som installerades i fordon 2006 installerades i lagerlastbilar. Att byta batterier mot bränsleceller kommer att avsevärt minska den yta som upptas av batteributiker. För att serva batterierna i 12 lastbilar krävs 370 kvadratmeter. m., medan vätgastankstationen täcker en yta på 18,5 kvm. ( Wal-Mart testdata ). Det tar bara cirka 2 minuter att tanka en lastbil med vätgas.
Stora distributionscentra på 90 000 m² kräver 100-300 lastbilar och tre uppsättningar batterier per lastbil. Batterierna byts 300 gånger om dagen. Stora detaljhandelskedjor ( Wal-Mart , Kroger , Target , Sysco , SuperValu , Ahold , etc.) driver en flotta på 5 000-20 000 lagerlastbilar.
2009 påbörjade USA en aktiv omställning av lagerlastbilar till vätgas. Företag började konvertera sina gaffeltruckar till vätgas: Nestle [37] , detaljhandelskedjan HEB (Texas) [38] , Anheuser Busch [39] , Nissan [40] , GENCO [41] , Coca-Cola [42] och andra.
Vätgasbränsleceller installeras på cyklar , motorcyklar , skotrar , ubåtar, trolleybussar , etc.
Vätgasbränsleceller kan också användas för kraft ombord för flygplan, fartyg och stora lastbilar . SOFC- bränsleceller kan användas för kraft ombord .
År 2006 började bränslecellstillverkare tillsammans med European Aviation Safety Agency (EASA) utveckla certifieringsstandarder för flygplansbränsleceller .
Airbus koordinerar projektet European New Configured Aircraft (CELINA). Projektet arbetar med att minska vikten och storleken på 400-600 kW bränsleceller. Airbus A330-300 kommer att generera 40 % av sin el i vätebränsleceller . Utvecklarna satte ett mål - att öka detta antal till 60%.
Första flygtester av ett 20 kW vätebränslecellskraftverk under flygning. utfördes av Airbus i februari 2008 på en Airbus A320 [43] .
Användningen av vätebränslecellskraftverk på flygplan kommer att minska bullernivåer, bränsleförbrukning och utsläpp av miljöfarliga gaser.
Boeing utvecklar också SOFC -bränsleceller under flygning. Kraftverk med en kapacitet på 440 kW. kommer att minska förbrukningen av fotogen med 75 % när du står på marken. Boeing planerar att slutföra utvecklingen till 2015 .
I mars 2008, under STS-123- expeditionen av skytteln Endeavour, passerade UTC Powers bränsleceller milstolpen 100 000 drifttimmar i rymden [44] . Vätebränsleceller har producerat energi ombord på rymdfärjor sedan 1981 .
Faran med att använda väte som bränsle är förknippad med två faktorer: vätets höga flyktighet, på grund av vilken det tränger in genom mycket små luckor, och lättheten att antända [6] . Å andra sidan, när en bränsletank punkteras, rinner bensin ut över ytan i en pöl, medan väte strömmar ut i form av en riktad stråle [47] . Det finns dock en risk att det slutna utrymmet i fordonsinteriören fylls med väte.
Den 10 juni 2019 inträffade en massiv explosion vid vätgastankstationen Uno-X i Sannvik, Norge, orsakad av en vätgasläcka från en högtryckscylinder. Det var inga dödsfall till följd av explosionen, men effekten av explosionen var så stor att den kändes som en jordbävning inom en radie av 28 kilometer [48] . Tills orsaken till explosionen fastställdes avbröt Toyota och Hyundai försäljningen av sina vätgasfordon [49] och alla vätgasstationer i Norge stängdes [50] .
I början av 2020-talet överger biltillverkare som tidigare hade program för att studera vätgasteknik användningen av väte i personbilar, och ser denna riktning som "olovande" [58] [59] .
Alternativa bränslefordon | |
---|---|
bränslecell |
|
Muskulös drivkraft |
|
solenergi |
|
Luftmotor | |
Elektriskt batteri och motor |
|
biobränslemotor _ | |
Väte |
|
Övrig | |
Multibränsle |
|
Dokumentärer |
|
se även |
|