Los vehículos de hidrógeno son varios vehículos que utilizan hidrógeno como combustible . Estos pueden ser vehículos con motores de combustión interna , motores de turbina de gas y celdas de combustible de hidrógeno .
En 1806 François Isaac de Rivaz (1752-1828) creó el primer motor de combustión interna propulsado por hidrógeno. El inventor produjo hidrógeno por electrólisis del agua.
En 1941, en la sitiada Leningrado , la gasolina escaseaba , pero el hidrógeno estaba disponible en grandes cantidades . El técnico militar Boris Shelishch sugirió usar una mezcla de aire e hidrógeno para operar globos de barrera . Los motores de combustión interna de los cabrestantes de globos fueron transferidos a hidrógeno . Durante el bloqueo, alrededor de 600 autos funcionaron con hidrógeno en la ciudad. [una]
El uso de hidrógeno como vector de energía reducirá significativamente el consumo de combustibles de hidrocarburos fósiles y hará un progreso significativo en la solución del problema ambiental de la contaminación del aire urbano por componentes nocivos para la salud humana de los gases de escape de automóviles y locomotoras diesel [2] .
En 2009, aproximadamente el 25% de las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera terrestre se produjeron como resultado de la operación de varios tipos de transporte [3] . Según la AIE , este número se duplicará para 2050 y seguirá creciendo a medida que aumente el número de automóviles privados en los países en desarrollo [4] . Además del dióxido de carbono , se emiten a la atmósfera óxidos de nitrógeno , responsables del aumento de la incidencia del asma , óxidos de azufre, responsables de la lluvia ácida, etc.
En el transporte marítimo, a menudo se utilizan grados de combustible baratos y de baja calidad. El transporte marítimo emite 700 veces más óxidos de azufre que el transporte por carretera . Según la Organización Marítima Internacional, las emisiones de CO 2 de la marina mercante han alcanzado los 1.120 millones de toneladas al año [5] .
Otro de los motivos del creciente interés por el transporte del hidrógeno es la subida de los precios de la energía (en la actualidad, la gran mayoría son el carbón, el petróleo y sus derivados), la escasez de combustibles y el deseo de varios países de lograr la independencia energética [2] .
El hidrógeno se puede utilizar como combustible en un motor de combustión interna convencional [6] . En este caso, la potencia del motor se reduce al 65% - 82% en comparación con la versión de gasolina . Sin embargo, si realiza pequeños cambios en el sistema de encendido, la potencia del motor aumenta un 117 % en comparación con la versión de gasolina, pero en este caso, la salida de óxidos de nitrógeno aumentará debido a la mayor temperatura en la cámara de combustión [7] y la probabilidad de quemar válvulas y pistones aumentará cuando se trabaje durante mucho tiempo a alta potencia [8] . Además, el hidrógeno, a las temperaturas y presiones que se crean en el motor, puede reaccionar con los materiales y lubricantes estructurales del motor, lo que provoca un desgaste rápido [7] . Además, el hidrógeno es muy volátil, por lo que, cuando se utiliza un sistema de alimentación de carburador convencional, puede penetrar en el colector de escape, donde también se enciende debido a la alta temperatura [6] . Los motores de combustión interna alternativos tradicionales están mal adaptados para trabajar con hidrógeno. Por lo general, un motor rotativo de combustión interna se usa para funcionar con hidrógeno , ya que en él el colector de escape se separa significativamente del colector de admisión.
Ya se están produciendo vehículos propulsados por hidrógeno. Entre las empresas que producen este tipo de vehículos se encuentran Toyota , Honda y Hyundai . Los vehículos propulsados por hidrógeno también están siendo desarrollados por Daimler , Audi , BMW , Ford , Nissan y otros.
En 2016, se introdujo en Alemania el primer tren de hidrógeno , Coradia iLint de Alstom , y el tren comenzará a circular en la ruta Buxtehude- Cuxhaven en Baja Sajonia a partir de diciembre de 2017. Se supone que al final reemplazarán 4.000 trenes regionales diésel que operan en Alemania en tramos de ferrocarril no electrificados. Alstom informa que los Países Bajos, Dinamarca y Noruega también han expresado interés en este tipo de trenes. [9]
Disponible en cantidades limitadas:
The Boeing Company está desarrollando un avión no tripulado para grandes altitudes y larga duración de vuelo (High Altitude Long Endurance (HALE). El avión está equipado con HICE fabricado por Ford Motor Company [12] .
La introducción generalizada del combustible de hidrógeno todavía se ve limitada por el precio más alto del hidrógeno en comparación con los combustibles líquidos y gaseosos convencionales, y la falta de la infraestructura necesaria. Las mezclas de combustible tradicional con hidrógeno pueden convertirse en una solución intermedia. El hidrógeno se puede utilizar para mejorar la inflamabilidad de las mezclas pobres en motores de combustión interna que funcionan con combustibles convencionales [6] . Por ejemplo, HCNG es una mezcla de hidrógeno y gas natural.
Se están realizando instalaciones que producen hidrógeno a partir de agua destilada a bordo del vehículo. Luego se agrega hidrógeno al combustible diesel. Tales instalaciones están equipadas con camiones pesados y equipos de minería. Se cree que esto permite reducir el consumo de combustible y aumentar la potencia del motor y reducir el peligro ambiental de las emisiones [13] , aunque existen otros puntos de vista [14] .
A principios de la década de 1980 , la oficina de diseño de N. Kuznetsov ( Samara ) desarrolló motores de avión diseñados para aviones de pasajeros Tupolev . Estos motores impulsados por hidrógeno han sido probados en banco como parte del Tu-155 . Los acontecimientos en Rusia a fines de la década de 1980 y principios de la de 1990 no permitieron que el trabajo de N. Kuznetsov sobre motores de aviones de hidrógeno se utilizara ampliamente en el transporte y la aviación de pasajeros. Hasta la fecha, se han conservado en los almacenes de la oficina de diseño en Samara [15] varios motores de aeronaves operacionales suspendidos por N. Kuznetsov .
El 3 de abril de 2008, Boeing realizó pruebas de vuelo de un avión biplaza ligero Dimona con una planta de energía de pila de combustible de hidrógeno [16] .
Las celdas de combustible de hidrógeno pueden producir energía eléctrica para un motor eléctrico a bordo de un vehículo, reemplazando así el motor de combustión interna, o usarse para energía a bordo.
El primer vehículo de pila de combustible fue creado en 1959 por Allis-Chalmers Manufacturing Company ( EE.UU. ). Las pilas de combustible alcalino (AFC) se montaban en tractores . En 1962 , en un carro de golf. En 1967 Union Carbide (EE.UU.) instaló pilas de combustible en una motocicleta . En 1982, se desarrolló en la URSS un minibús de hidrógeno experimental " Kvant-RAF " con accionamiento eléctrico sobre pilas de combustible alcalinas.
La principal ventaja de introducir pilas de combustible en vehículos terrestres (por ejemplo, automóviles): la alta eficiencia esperada . La eficiencia del motor de combustión interna de un automóvil moderno alcanza el 35 %, y la eficiencia de una celda de combustible de hidrógeno es del 45 % o más. Durante las pruebas de un autobús de pila de combustible de hidrógeno de la empresa canadiense Ballard Power Systems , se demostró una eficiencia del 57%. [17] . La eficiencia de una batería de plomo clásica es mayor, hasta un 70-90%. Pero el principal factor que frena la producción en masa de vehículos eléctricos es el alto costo y la imperfección de las baterías. También una dirección prometedora es el uso de supercondensadores en vehículos híbridos y eléctricos .
Como regla general, las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) se instalan en automóviles y autobuses . Sus principales ventajas son: compacidad, peso ligero, baja temperatura de proceso.
En 2002, el Departamento de Energía de EE. UU. fijó la meta de reducir el costo de las celdas de combustible a $45 por 1 kW de capacidad instalada para 2010 y a $30 por 1 kW para 2015 (en dólares de 2002, sin incluir la inflación). Esto significa que la fuente de electricidad a bordo para la planta de energía con una capacidad de 100 kW. (134 hp) costará $3000, que es comparable al costo de un motor de combustión interna [18] .
Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno se fabrican y prueban:
y otros ejemplares únicos en Brasil , China , República Checa , etc.
El primer coche de serie del mundo saldrá a la venta a finales de 2014 [21] :
Entre 2003 y 2006, 36 autobuses de Transporte Urbano Limpio para Europa cubrieron más de 2 millones de kilómetros y transportaron 6 millones de pasajeros. En enero de 2021, Aberdeen lanzó la línea Wright StreetDeck , los primeros autobuses de dos pisos de hidrógeno del mundo , cada uno con un costo de alrededor de £ 500,000 [22] .
En 2021, los primeros autobuses de dos pisos propulsados por hidrógeno del mundo entraron oficialmente en servicio en Aberdeen, Escocia. [23]
Consumo de combustibleEl Opel Zafira con una planta de energía de pila de combustible de hidrógeno de 94 kW en las condiciones de Washington consume 1,83 kg de hidrógeno por cada 100 millas (160 km) de recorrido, es decir, 6,4 litros de gasolina equivalente . El análogo de gasolina del Opel Zafira con un motor de 1.6 litros con una potencia de 85 kW consume 5.8 litros de gasolina cada 100 km en la carretera.
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (EE.UU.) en sus cálculos utiliza una autonomía media de turismos de 12.000 millas al año (19.200 km), el consumo de hidrógeno es de 1 kg cada 60 millas (96 km) de recorrido. Es decir, un automóvil de pasajeros con celda de combustible de hidrógeno requiere 200 kg de hidrógeno por año, o 0,55 kg por día. Un kilogramo de hidrógeno se considera igual en valor energético a un galón (3,78 litros) de gasolina [24] .
Los sistemas de propulsión ferroviaria deben desarrollar una potencia bastante grande, mientras que la compacidad de los sistemas de propulsión ferroviaria es menos importante que en el transporte por carretera. El transporte ferroviario representa un enorme mercado para las centrales eléctricas de pilas de combustible de hidrógeno. En la actualidad, alrededor del 60 % del transporte ferroviario de mercancías en todo el mundo se transporta en locomotoras diésel. Otra oportunidad rentable es construir, utilizando celdas de combustible, locomotoras que combinen las ventajas de una locomotora diesel y una locomotora eléctrica (capacidad de ser alimentada por una red de contacto en líneas electrificadas y autonomía al pasar no electrificada). secciones).
El 18 de febrero de 2004, el Instituto de Investigación Técnica Ferroviaria de Japón probó un prototipo de tren de pila de combustible de hidrógeno [25] por primera vez en el mundo .
En USA, la operación de una locomotora de pila de combustible de hidrógeno con una capacidad de 2 mil litros. Con. se suponía que comenzaría en 2009 [26] . La locomotora ha sido creada desde 2003 con la participación del Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) para fines militares no tácticos y uso comercial [27] .
En Dinamarca, un tren de hidrógeno circula entre Vemb, Lemvig y Thyboron. La longitud del recorrido es de 59 km, que está limitada por la capacidad de los depósitos de hidrógeno. El proyecto se denominó Proyecto Danés de Tren de Hidrógeno [28] .
Hitachi [29] y Kinki Sharyo [30] también están desarrollando material rodante de hidrógeno en Japón .
El Instituto Fraunhofer para Sistemas de Transporte e Infraestructura ( Alemania ) ha creado un prototipo de un tranvía y un autobús híbridos . AutoTram está equipado con una celda de combustible de hidrógeno y un volante que se carga al frenar y acelera el automóvil al arrancar. El prototipo mide 18 metros de largo, pero el instituto dice que es posible crear autos de 56 metros con capacidad para 300 pasajeros. Pila de combustible de Ballard Power Systems, volante de inercia de CCM Nuenen. En el techo se almacenan 10 kg de hidrógeno. AutoTram desarrolla una velocidad de 60 km/h. [31] Un tranvía de pila de combustible de hidrógeno también opera en China.
En Alemania, en 2018, se lanzó el primer tren de pasajeros impulsado por hidrógeno, Coradia iLint. Para 2021, está previsto el lanzamiento de otros 14 trenes de este tipo [32] .
El 8 de abril de 2021 se hizo público un contrato firmado por las regiones francesas de Auvergne-Rhone-Alpes, Burgundy-Franche-Comté, Grand Est y Occitania para la compra de 12 trenes eléctricos híbridos de Alstom (4 coches cada uno, unos 220 asientos) que pueden recibir electricidad tanto de la red de contacto como de pilas de combustible de hidrógeno. Según Alstom, la autonomía con combustible de hidrógeno será de 600 km [33] .
Con el fin de introducir las pilas de combustible de hidrógeno en el transporte marítimo en Europa , se creó en 2003 el consorcio FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships) [34] . El consorcio FellowSHIP incluye a Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik y Wärtsilä Automation Norway.
También en Europa creó:
Alemania fabrica submarinos de clase U-212 con pilas de combustible fabricados por Siemens AG . Los U-212 están en servicio con Alemania, se han recibido pedidos de Grecia , Italia , Corea e Israel . Bajo el agua, el barco funciona con hidrógeno y casi no hace ruido.
El astillero español Navantia, SA tiene previsto iniciar la producción de submarinos de la clase S-80 con propulsión de pila de combustible de hidrógeno PEM de 300kW. El hidrógeno se produce a bordo del submarino a partir del etanol . El proveedor de pilas de combustible es UTC Power ( EE.UU. ). Los S-80 están diseñados para proteger la costa. El uso de pilas de combustible de hidrógeno reducirá el nivel de ruido y aumentará el tiempo de permanencia bajo el agua.
La operación de Zemships comenzó en el verano de 2008 .
Islandia planea convertir todos los barcos pesqueros a hidrógeno . Para la producción de hidrógeno se utilizará energía geotérmica e hidroeléctrica.
El primer vuelo tripulado de un avión con una planta de energía de pila de combustible PEM de 20 kW tuvo lugar el 3 de abril de 2008 [35] . El proyecto fue desarrollado por Boeing y un grupo de empresas europeas. Celdas de combustible: fabricadas por UQM Technologies (EE. UU.).
El Instituto Fraunhofer (Alemania) está desarrollando un helicóptero no tripulado con una planta de energía de celda de combustible de hidrógeno (peso de la celda de combustible: 30 gramos. Potencia: 12 vatios). [36] .
Empresas estadounidenses e israelíes también están desarrollando vehículos aéreos no tripulados de pila de combustible.
Transporte auxiliar operado en espacios confinados: almacenes, aeródromos, grandes fábricas industriales, bases militares, etc.
Las pilas de combustible de hidrógeno más activas se instalan en carretillas elevadoras de almacén. Un poco menos de la mitad de las nuevas celdas de combustible instaladas en vehículos en 2006 se instalaron en camiones de almacén. Reemplazar las baterías con celdas de combustible reducirá significativamente el área ocupada por los talleres de baterías. Para dar servicio a las baterías de 12 camiones se requieren 370 metros cuadrados. m., mientras que la estación de servicio de hidrógeno tiene una superficie de 18,5 m2. ( Datos de prueba de Wal-Mart ). Se tarda sólo unos 2 minutos en repostar un camión con hidrógeno.
Los grandes centros de distribución de 90.000 m² requieren de 100 a 300 camiones y tres juegos de baterías por camión. Las baterías se cambian 300 veces al día. Las grandes cadenas minoristas ( Wal-Mart , Kroger , Target , Sysco , SuperValu , Ahold , etc.) operan una flota de 5.000 a 20.000 camiones de almacén.
En 2009, Estados Unidos inició una conversión activa de camiones de almacén a hidrógeno. Las empresas comenzaron a convertir sus carretillas elevadoras a hidrógeno: Nestlé [37] , la cadena minorista HEB (Texas) [38] , Anheuser Busch [39] , Nissan [40] , GENCO [41] , Coca-Cola [42] y otras.
Las pilas de combustible de hidrógeno se instalan en bicicletas , motocicletas , scooters , submarinos, trolebuses , etc.
Las celdas de combustible de hidrógeno también se pueden usar para la energía a bordo de aviones, barcos y camiones grandes . Las pilas de combustible SOFC se pueden utilizar para la energía a bordo .
En 2006, los fabricantes de celdas de combustible, junto con la Agencia Europea de Seguridad Aérea (EASA), comenzaron a desarrollar estándares de certificación para celdas de combustible de aeronaves .
Airbus está coordinando el proyecto CELINA (European New Configured Aircraft). El proyecto está trabajando en la reducción del peso y el tamaño de las pilas de combustible de 400-600 kW. El Airbus A330-300 generará el 40% de su electricidad en pilas de combustible de hidrógeno . Los desarrolladores establecieron un objetivo: aumentar este número al 60%.
Primeras pruebas de vuelo de una planta de energía en vuelo de pila de combustible de hidrógeno de 20 kW. realizado por Airbus en febrero de 2008 en un Airbus A320 [43] .
El uso de centrales eléctricas de pilas de combustible de hidrógeno en las aeronaves reducirá los niveles de ruido, el consumo de combustible y las emisiones de gases peligrosos para el medio ambiente.
Boeing también está desarrollando celdas de combustible en vuelo SOFC . Planta eléctrica con una capacidad de 440 kW. reducirá el consumo de queroseno en un 75% mientras está parado en el suelo. Boeing planea completar el desarrollo para 2015 .
En marzo de 2008, durante la expedición STS-123 del transbordador Endeavour, las pilas de combustible de UTC Power superaron el hito de las 100 000 horas de funcionamiento en el espacio [44] . Las celdas de combustible de hidrógeno han estado produciendo energía a bordo de los transbordadores espaciales desde 1981 .
El peligro de utilizar hidrógeno como combustible está asociado a dos factores: la alta volatilidad del hidrógeno, por lo que penetra por espacios muy pequeños, y la facilidad de ignición [6] . Por otro lado, cuando se pincha un depósito de combustible, la gasolina se derrama sobre la superficie formando un charco, mientras que el hidrógeno escapa en forma de chorro dirigido [47] . Sin embargo, existe el peligro de llenar el espacio cerrado del interior del vehículo con hidrógeno.
El 10 de junio de 2019, ocurrió una explosión masiva en la estación de servicio de hidrógeno Uno-X en Sannvik, Noruega, causada por una fuga de hidrógeno de un cilindro de alta presión. No hubo muertos como resultado de la explosión, pero el impacto de la explosión fue tan grande que se sintió como un terremoto en un radio de 28 kilómetros [48] . Hasta que se determinó la causa de la explosión, Toyota y Hyundai suspendieron las ventas de sus vehículos de hidrógeno [49] y se cerraron todas las estaciones de hidrógeno en Noruega [50] .
A principios de la década de 2020, los fabricantes de automóviles que anteriormente tenían programas para estudiar tecnologías de hidrógeno están abandonando el uso de hidrógeno en automóviles de pasajeros, considerando que esta dirección es "poco prometedora" [58] [59] .