A hidrogénüzemű járművek különféle járművek, amelyek hidrogént használnak üzemanyagként . Ezek lehetnek belső égésű motorral , gázturbinás motorral és hidrogén üzemanyagcellával felszerelt járművek .
1806-ban François Isaac de Rivaz (1752-1828) megalkotta az első hidrogénnel működő belső égésű motort . A feltaláló víz elektrolízisével állított elő hidrogént .
1941-ben az ostromlott Leningrádban benzinhiány volt , de a hidrogén nagy mennyiségben állt rendelkezésre . Boris Shelishch katonai technikus levegő-hidrogén keverék használatát javasolta a léggömbök működtetéséhez . A balloncsörlők belső égésű motorjait hidrogénre vitték át . A blokád alatt mintegy 600 autó futott hidrogénnel a városban. [egy]
A hidrogén energiahordozóként való felhasználása jelentősen csökkenti a fosszilis szénhidrogén üzemanyagok fogyasztását, és jelentős előrelépést tesz a városi légszennyezés környezeti problémájának megoldásában, amelyet a személygépkocsik és dízelmozdonyok kipufogógázainak az emberi egészségre káros összetevői okoznak [2] .
2009-ben a Föld légkörébe kerülő szén-dioxid-kibocsátás hozzávetőlegesen 25%-a különböző közlekedési módok működése következtében keletkezett [3] . Az IEA szerint ez a szám 2050-re megduplázódik, és tovább fog növekedni, ahogy a magángépkocsik száma növekszik a fejlődő országokban [4] . A szén-dioxidon kívül nitrogén-oxidok is kikerülnek a légkörbe , amelyek felelősek az asztma előfordulásának növekedéséért, a kén-oxidok, a savas esők stb.
A tengeri szállításban gyakran használnak alacsony minőségű, olcsó üzemanyagokat. A tengeri szállítás 700-szor több kén-oxidot bocsát ki, mint a közúti közlekedés. A Nemzetközi Tengerészeti Szervezet szerint a kereskedelmi tengeri hajók CO 2 -kibocsátása elérte az évi 1,12 milliárd tonnát [5] .
A hidrogénszállítás iránti megnövekedett érdeklődés másik oka az energiaárak emelkedése (jelenleg ezek túlnyomó többsége a szén, az olaj és származékaik), az üzemanyaghiány, valamint a különböző országok energiafüggetlensége iránti vágy [2] .
A hidrogén üzemanyagként használható a hagyományos belső égésű motorokban [6] . Ebben az esetben a motor teljesítménye 65-82%-ra csökken a benzines változathoz képest. Ha azonban apró változtatásokat hajt végre a gyújtásrendszeren, a motor teljesítménye 117%-ra nő a benzines változathoz képest, de ebben az esetben a nitrogén-oxidok kibocsátása megnő az égéstér magasabb hőmérséklete miatt [7] ill . a szelepek és a dugattyúk leégésének valószínűsége nő, ha hosszú ideig nagy teljesítményen dolgozik [8] . Ezenkívül a hidrogén a motorban létrejövő hőmérsékleten és nyomáson képes reagálni a motor szerkezeti anyagaival és kenőanyagaival, ami gyors kopáshoz vezet [7] . Ezenkívül a hidrogén nagyon illékony, ezért a hagyományos karburátoros energiarendszer használatakor behatol a kipufogócsonkba, ahol a magas hőmérséklet hatására meggyullad [6] . A hagyományos dugattyús belső égésű motorok rosszul alkalmasak a hidrogénnel való munkára. Általában egy forgó belső égésű motort használnak hidrogénnel történő működésre , mivel ebben a kipufogócsonk jelentősen eltávolítható a szívócsőről.
Már készülnek hidrogénüzemű járművek. Az ilyen járműveket gyártó cégek közé tartozik a Toyota , a Honda és a Hyundai . Hidrogénüzemű járműveket a Daimler , az Audi , a BMW , a Ford , a Nissan és mások is fejlesztenek.
2016 - ban Németországban bemutatták az első hidrogénvonatot , az Alstom Coradia iLint - et, amely 2017 decemberétől indul az alsó-szászországi Buxtehude- Cuxhaven útvonalon. A feltételezések szerint végül 4000 Németországban közlekedő dízel regionális vonatot váltanak ki a nem villamosított vasúti szakaszokon. Az Alstom jelentése szerint Hollandia, Dánia és Norvégia is érdeklődést mutatott az ilyen vonatok iránt. [9]
Korlátozott mennyiségben kapható:
A Boeing Company pilóta nélküli repülőgépet fejleszt nagy magasságokra és hosszú repülési időtartamra (High Altitude Long Endurance (HALE). A repülőgép a Ford Motor Company által gyártott HICE-vel van felszerelve [12] ) .
A hidrogénüzemanyag széles körű elterjedését továbbra is korlátozza a hidrogénnek a hagyományos folyékony és gázüzemanyagokhoz képest magasabb ára, valamint a szükséges infrastruktúra hiánya. Köztes megoldás lehet a hagyományos tüzelőanyag és hidrogén keveréke. A hidrogén segítségével javítható a szikár keverékek gyúlékonysága a hagyományos üzemanyaggal működő belsőégésű motorokban [6] . Például a HCNG hidrogén és földgáz keveréke.
Olyan berendezések készülnek, amelyek a jármű fedélzetén desztillált vízből hidrogént állítanak elő. Ezután hidrogént adnak a dízel üzemanyaghoz. Az ilyen létesítmények nehéz teherautókkal és bányászati berendezésekkel vannak felszerelve. Úgy gondolják, hogy ez lehetővé teszi az üzemanyag-fogyasztás csökkentését és a motor teljesítményének növelését, valamint a károsanyag-kibocsátás környezeti veszélyének csökkentését [13] , bár vannak más szempontok is [14] .
Az 1980-as évek elején N. Kuznyecov tervezőirodája ( Szamara ) a Tupolev utasszállító repülőgépekhez tervezett repülőgép -hajtóműveket fejlesztett ki . Ezeket a hidrogénüzemű motorokat a Tu-155 részeként próbapadon tesztelték . Az 1980-as évek végén és a 90-es évek elején az oroszországi események nem tették lehetővé, hogy N. Kuznyecov hidrogén-repülőgép-hajtóművekkel kapcsolatos munkáját széles körben alkalmazzák a közlekedésben és az utasszállító repülésben. A szamarai tervezőiroda raktáraiban a mai napig több, N. Kuznyecov által gyártott, molybolygós repülőgép-hajtóművet őriztek meg [15] .
2008. április 3- án a Boeing repülési teszteket hajtott végre egy Dimona könnyű kétüléses repülőgépen hidrogén üzemanyagcellás erőművel [16] .
A hidrogén üzemanyagcellák elektromos energiát állíthatnak elő egy járműben lévő villanymotor számára, ezáltal helyettesíthetik a belső égésű motort, vagy fedélzeti áramforrásként használhatók fel.
Az első üzemanyagcellás járművet 1959 -ben az Allis-Chalmers Manufacturing Company ( USA ) készítette. Az alkáli üzemanyagcellákat (AFC) traktorra szerelték . 1962- ben egy golfautón. 1967- ben a Union Carbide (USA) üzemanyagcellákat szerelt fel egy motorkerékpárba . 1982-ben a Szovjetunióban kifejlesztettek egy kísérleti hidrogén-minibuszt, a " Kvant-RAF " elektromos hajtású lúgos üzemanyagcellákat.
Az üzemanyagcellák földi járművekben (pl. autókban) történő bevezetésének fő előnye: az elvárt nagy hatásfok . A modern autók belső égésű motorjainak hatásfoka eléri a 35%-ot, a hidrogén üzemanyagcella hatékonysága pedig 45% vagy több. A kanadai Ballard Power Systems cég hidrogén üzemanyagcellás buszának tesztelése során 57%-os hatékonyságot mutattak ki. [17] . A klasszikus ólom akkumulátor hatékonysága magasabb - akár 70-90%. De az elektromos járművek tömeggyártását visszatartó fő tényező az akkumulátorok magas költsége és tökéletlensége. Szintén ígéretes irány a szuperkondenzátorok alkalmazása hibrid és elektromos járművekben .
A protoncserélő membrán (PEM) üzemanyagcellákat általában autókra és buszokra szerelik fel. Fő előnyei: tömörség, könnyű súly, alacsony folyamathőmérséklet.
2002-ben az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma célul tűzte ki, hogy az üzemanyagcellák költségét 2010 -re 1 kW-onként 45 dollárra, 2015 -re pedig 30 dollárra (2002-ben az infláció nélkül) 1 kW-ra csökkenti. Ez azt jelenti, hogy a 100 kW teljesítményű erőmű fedélzeti áramforrása. (134 LE) 3000 dollárba fog kerülni, ami egy belső égésű motor költségéhez hasonlítható [18] .
A hidrogén üzemanyagcellás járműveket gyártják és tesztelik:
és más egyedi példányok Brazíliában , Kínában , Csehországban stb.
A világ első sorozatgyártású autója 2014 végén kerül forgalomba [21] :
2003 és 2006 között 36 Clean Urban Transport for Europe autóbusz több mint 2 millió km-t tett meg, és 6 millió utast szállított. 2021 januárjában Aberdeen elindította a Wright StreetDeck vonalat , a világ első hidrogénüzemű emeletes buszait , amelyek mindegyike körülbelül 500 000 fontba kerül [22] .
2021-ben hivatalosan is forgalomba álltak a világ első hidrogénüzemű emeletes buszai Aberdeenben, Skóciában. [23]
Üzemanyag fogyasztásAz Opel Zafira egy 94 kW-os hidrogén üzemanyagcellás erőművel Washingtonban 1,83 kg hidrogént fogyaszt 100 mérföld (160 km) futásonként, azaz 6,4 liter benzin egyenértéket . Az Opel Zafira benzinanalógja 1,6 literes, 85 kW teljesítményű motorral 5,8 liter benzint fogyaszt 100 km-enként autópályán.
A National Renewable Energy Laboratory (USA) számításai során átlagosan 12 000 mérföld/év (19 200 km) személygépkocsi hatótávolságot használ, a hidrogénfogyasztás 1 kg/60 mérföld (96 km) futott. Vagyis egy hidrogénüzemanyagcellás személyautó évente 200 kg hidrogént igényel, vagyis napi 0,55 kg. Egy kilogramm hidrogén energiaértéke egyenlő egy gallon (3,78 liter) benzinnel [24] .
A vasúti hajtóműveknek meglehetősen nagy teljesítményt kell kifejleszteniük, míg a vasúti hajtásrendszerek tömörsége kevésbé fontos, mint a közúti közlekedésben. A vasúti közlekedés hatalmas piacot jelent a hidrogén üzemanyagcellás erőművek számára. Jelenleg világszerte a vasúti áruszállítás mintegy 60%-át dízelmozdonyok szállítják. Egy másik jövedelmező lehetőség olyan mozdonyok építése üzemanyagcellák felhasználásával, amelyek egyesítik a dízelmozdony és az elektromos mozdony előnyeit (a villamosított vonalakon érintkező hálózatról való meghajtás képessége és autonómia a nem villamosított mozdonyok elhaladásakor szakaszok).
2004. február 18- án a Japán Vasúti Műszaki Kutatóintézet a világon először tesztelt egy hidrogén üzemanyagcellás vonat prototípusát [25] .
Az USA-ban hidrogén üzemanyagcellás mozdony üzemeltetése 2 ezer liter kapacitással. Val vel. 2009 -ben kellett volna indulni [26] . A mozdonyt 2003 óta hozták létre az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumának (DoD) részvételével nem harcászati katonai célokra és kereskedelmi használatra [27] .
Dániában hidrogénvonat közlekedik Vemb, Lemvig és Thyboron között . Az útvonal hossza 59 km, amit a hidrogéntartályok kapacitása korlátoz. A projekt a Danish Hydrogen Train Project nevet kapta [28] .
Hidrogén gördülőállományt is fejleszt Japánban a Hitachi [29] és a Kinki Sharyo [30] .
A Fraunhofer Közlekedési és Infrastrukturális Rendszerek Intézete ( Németország ) megalkotta egy hibrid villamos és busz prototípusát . Az AutoTram hidrogén üzemanyagcellával és lendkerékkel van felszerelve, amely fékezéskor töltődik, és indításkor felgyorsítja az autót. A prototípus 18 méter hosszú, de az intézet szerint 56 méteres, 300 utas befogadására alkalmas autók is készíthetők. Üzemanyagcella a Ballard Power Systemstől, lendkerék a CCM Nuenentől. 10 kg hidrogént tárolnak a tetőn. Az AutoTram 60 km/h sebességet fejleszt. [31] Hidrogén üzemanyagcellás villamos is üzemel Kínában.
Németországban 2018-ban indult az első hidrogénüzemű személyvonat, a Coradia iLint. 2021-re további 14 ilyen vonat indulását tervezik [32] .
2021. április 8-án nyilvánosságra hozták a francia Auvergne-Rhone-Alpes, Burgundia-Franche-Comté, Grand Est és Occitania régiók által aláírt szerződést 12 hibrid elektromos vonat vásárlásáról az Alstomtól (egyenként 4 kocsi, kb. 220 darab). ülések), amelyek mind az érintkező hálózatról, mind a hidrogén üzemanyagcellákról képesek áramot fogadni. Az Alstom szerint a hatótáv hidrogén üzemanyaggal 600 km lesz [33] .
A hidrogén üzemanyagcellák európai tengeri közlekedésbe történő bevezetése érdekében 2003 - ban létrehozták a FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships) konzorciumot [34] . A FellowSHIP konzorcium tagja a Det Norske Veritas (DNV), az Eidesvik Offshore, az MTU CFC Solutions, a Vik-Sandvik és a Wärtsilä Automation Norway.
Európában is készült:
Németország U-212 osztályú tengeralattjárókat gyárt a Siemens AG által gyártott üzemanyagcellákkal . Az U-212-esek Németországban állnak szolgálatban, rendelések érkeztek Görögországból , Olaszországból , Koreából , Izraelből . A víz alatt a hajó hidrogénnel működik, és szinte semmi zajt nem ad.
A spanyol Navantia, SA hajóépítő S-80 osztályú tengeralattjárók gyártásának megkezdését tervezi 300 kW-os PEM hidrogén üzemanyagcellás meghajtással. A hidrogént a tengeralattjáró fedélzetén állítják elő etanolból . Az üzemanyagcella szállítója az UTC Power ( USA ). Az S-80-asokat a partok védelmére tervezték. A hidrogén üzemanyagcellák használata csökkenti a zajszintet és növeli a víz alatt töltött időt.
A Zemships üzemeltetése 2008 nyarán kezdődött .
Izland azt tervezi, hogy az összes halászhajót hidrogénre állítja át . A hidrogén előállításához geotermikus energiát és vízenergiát használnak majd.
A 20 kW-os PEM üzemanyagcellás erőművel rendelkező repülőgép első emberes repülésére 2008. április 3-án került sor [35] . A projektet a Boeing és egy európai vállalatcsoport fejlesztette ki. Üzemanyagcellák - az UQM Technologies (USA) gyártója.
A Fraunhofer Institute (Németország) pilóta nélküli helikoptert fejleszt hidrogén üzemanyagcellás erőművel (üzemanyagcella tömege - 30 gramm. Teljesítménye - 12 watt). [36] .
Üzemanyagcellás pilóta nélküli légi járműveket is fejlesztenek amerikai és izraeli cégek.
Szűk térben működő segédszállítás: raktárak, repülőterek, nagy ipari gyárak, katonai bázisok stb.
A legaktívabb hidrogén üzemanyagcellákat raktári targoncákra szerelik fel. A 2006 -ban járművekbe beépített új üzemanyagcelláknak valamivel kevesebb, mint fele raktári teherautókba került. Az akkumulátorok üzemanyagcellára cseréje jelentősen csökkenti az akkumulátorüzletek által elfoglalt területet. 12 kamion akkumulátorának szervizeléséhez 370 négyzetméter szükséges. m, míg a hidrogéntöltő állomás 18,5 nm-es területet foglal el. ( Wal-Mart tesztadatok ). Egy teherautó hidrogénnel való feltöltése mindössze 2 percet vesz igénybe.
A 90 000 m²-es nagy elosztóközpontokhoz teherautónként 100-300 teherautóra és három akkumulátorkészletre van szükség. Az elemeket naponta 300-szor cserélik. A nagy kereskedelmi láncok ( Wal-Mart , Kroger , Target , Sysco , SuperValu , Ahold stb.) 5000-20 000 raktári teherautóból álló flottát üzemeltetnek.
2009 -ben az Egyesült Államok megkezdte a raktári targoncák aktív hidrogénre átalakítását. Cégek kezdték el targoncáikat hidrogénre átalakítani: Nestle [37] , HEB (Texas) [38] kiskereskedelmi lánc , Anheuser Busch [39] , Nissan [40] , GENCO [41] , Coca-Cola [42] és mások.
Hidrogén üzemanyagcellákat szerelnek fel kerékpárokra , motorkerékpárokra , robogókra , tengeralattjárókra, trolibuszokra stb.
A hidrogén üzemanyagcellák repülőgépek, hajók és nagy teherautók fedélzeti áramellátására is használhatók . A SOFC üzemanyagcellák használhatók a fedélzeti áramellátáshoz .
2006- ban az üzemanyagcella-gyártók az Európai Repülésbiztonsági Ügynökséggel (EASA) közösen megkezdték a repülőgépek üzemanyagcelláira vonatkozó tanúsítási szabványok kidolgozását .
Az Airbus koordinálja a European New Configured Aircraft (CELINA) projektet. A projekt a 400-600 kW-os üzemanyagcellák tömegének és méretének csökkentésén dolgozik. Az Airbus A330-300 áramának 40%-át hidrogén üzemanyagcellákban állítja elő . A fejlesztők azt a célt tűzték ki, hogy ezt a számot 60%-ra növeljék.
Egy 20 kW-os hidrogén üzemanyagcellás repülési erőmű első repülési tesztjei. az Airbus 2008 februárjában egy Airbus A320 -ason [43] hajtotta végre .
A hidrogén üzemanyagcellás erőművek repülőgépeken történő alkalmazása csökkenti a zajszintet, az üzemanyag-fogyasztást és a környezetre veszélyes gázok kibocsátását.
A Boeing SOFC fedélzeti üzemanyagcellákat is fejleszt . 440 kW teljesítményű erőmű. 75%-kal csökkenti a kerozin fogyasztását a földön állva. A Boeing a fejlesztést 2015 -re tervezi befejezni .
2008 márciusában , az Endeavour sikló STS-123-as expedíciója során az UTC Power üzemanyagcellái átlépték a 100 000 űrben töltött üzemórás mérföldkövet [44] . A hidrogén üzemanyagcellák 1981 óta termelnek energiát az űrsiklók fedélzetén .
A hidrogén tüzelőanyagként való felhasználásának veszélye két tényezővel függ össze: a hidrogén nagy illékonyságával, ami miatt nagyon kis réseken áthatol, és a könnyű gyulladással [6] . Másrészt, ha egy üzemanyagtartály kilyukad, a benzin egy tócsában ömlik ki a felületre, miközben a hidrogén irányított sugár formájában távozik [47] . Fennáll azonban annak a veszélye, hogy a jármű belsejének zárt tere megtelik hidrogénnel.
2019. június 10-én hatalmas robbanás történt a norvégiai Sannvik városában található Uno-X hidrogéntöltő állomáson, amelyet egy nagynyomású palackból származó hidrogénszivárgás okozott. A robbanás következtében nem haltak meg, de a robbanás hatása akkora volt, hogy 28 kilométeres körzetben földrengésnek érezhető volt [48] . A robbanás okának megállapításáig a Toyota és a Hyundai felfüggesztette hidrogénüzemű járművei értékesítését [49] , és Norvégiában minden hidrogénállomást bezártak [50] .
A 2020-as évek elejére azok az autógyártók, amelyek korábban hidrogéntechnológiát tanulmányozó programokkal rendelkeztek, felhagynak a hidrogén személygépkocsikban történő használatával, és ezt az irányt „nem ígéretesnek” tartják [58] [59] .