Veículo de hidrogênio - Hydrogen vehicle

O Toyota Mirai 2015 é um dos primeiros veículos com célula de combustível a hidrogênio a ser vendido comercialmente. O Mirai é baseado no carro-conceito Toyota Fuel Cell Vehicle (FCV) (mostrado).

Um veículo a hidrogênio é um tipo de veículo de combustível alternativo que usa combustível de hidrogênio como força motriz . Os veículos a hidrogênio incluem foguetes espaciais movidos a hidrogênio , bem como automóveis e outros veículos de transporte. A energia é gerada pela conversão da energia química do hidrogênio em energia mecânica , seja pela reação do hidrogênio com o oxigênio em uma célula de combustível para alimentar motores elétricos ou, menos comumente, pela queima de hidrogênio em um motor de combustão interna .

Em 2021, havia dois modelos de carros a hidrogênio disponíveis publicamente em mercados selecionados: o Toyota Mirai (2014–), que é o primeiro veículo elétrico de célula de combustível dedicado produzido em massa (FCEV) do mundo, e o Hyundai Nexo (2018–) . O Honda Clarity foi produzido de 2016 a 2021. A maioria das empresas que testavam carros a hidrogênio mudou para carros elétricos a bateria; A Volkswagen expressou que a tecnologia não tem futuro no espaço automotivo, principalmente porque um veículo elétrico a célula de combustível consome cerca de três vezes mais energia do que um carro elétrico a bateria para cada quilômetro percorrido. A partir de Dezembro de 2020, havia 31.225 passageiros FCEVs movidos a hidrogênio nas estradas do mundo.

Em 2019, 98% do hidrogênio é produzido pela reforma do metano a vapor , que emite dióxido de carbono . Pode ser produzido por meios termoquímicos ou pirolíticos usando matérias-primas renováveis , mas os processos atualmente são caros. Várias tecnologias estão sendo desenvolvidas com o objetivo de entregar custos baixos o suficiente e quantidades grandes o suficiente para competir com a produção de hidrogênio usando gás natural.

Os benefícios da tecnologia do hidrogênio são o tempo de reabastecimento rápido (comparável à gasolina) e o longo alcance em um único tanque. As desvantagens do uso de hidrogênio são as altas emissões de carbono quando o hidrogênio é produzido a partir do gás natural, carga de custo de capital, baixo conteúdo de energia por unidade de volume em condições ambientais, produção e compressão de hidrogênio, o investimento necessário em postos de abastecimento para dispensar hidrogênio, transporte de hidrogênio aos postos de abastecimento e falta de capacidade de produzir ou dispensar hidrogênio em casa.

Veículos

Honda FCX Clarity , um veículo de demonstração de célula de combustível de hidrogênio lançado em 2008

Automóveis, ônibus , empilhadeiras, trens , bicicletas PHB , barcos de canal , bicicletas de carga , carrinhos de golfe , motocicletas , cadeiras de rodas , navios , aviões , submarinos e foguetes já podem funcionar com hidrogênio, em várias formas. A NASA usou hidrogênio para lançar ônibus espaciais ao espaço. Um modelo de carro de brinquedo funciona com energia solar , usando uma célula de combustível regenerativa para armazenar energia na forma de hidrogênio e gás oxigênio . Ele pode então converter o combustível de volta em água para liberar a energia solar. Desde o advento do fraturamento hidráulico, a principal preocupação para os veículos com célula de combustível de hidrogênio é a confusão entre os consumidores e as políticas públicas em relação à adoção de veículos movidos a gás natural a hidrogênio com pesadas emissões ocultas em detrimento do transporte ecologicamente correto.

Automóveis

O carro de produção Hyundai ix35 FCEV

Em 2021, havia dois carros a hidrogênio disponíveis publicamente em mercados selecionados: o Toyota Mirai e o Hyundai Nexo . O Honda Clarity foi produzido de 2016 a 2021.

O Hyundai Nexo é um crossover SUV movido a célula de combustível de hidrogênio

Em 2013 foi lançado o Hyundai Tucson FCEV , uma conversão do Tucson e disponível apenas com volante à esquerda e se tornou o primeiro veículo de produção em massa comercialmente produzido no mundo. Hyundai Nexo , que sucedeu o Tucson em 2018, foi selecionado como o "SUV mais seguro" pelo Euro NCAP em 2018 e foi classificado como "Bom" em um teste de colisão lateral conduzido pelo Instituto de Seguros para Segurança Rodoviária (IIHS)

A Toyota lançou o primeiro veículo de célula de combustível produzido em massa (FCV), o Mirai , no Japão no final de 2014 e iniciou as vendas na Califórnia, principalmente na área de Los Angeles e também em mercados selecionados na Europa, Reino Unido, Alemanha e Dinamarca no final de 2015. O carro tem um alcance de 312 mi (502 km) e leva cerca de cinco minutos para reabastecer seu tanque de hidrogênio. O preço de venda inicial no Japão foi de cerca de 7 milhões de ienes ($ 69.000). O ex-presidente do Parlamento Europeu, Pat Cox, estimou que a Toyota perderia inicialmente cerca de US $ 100.000 em cada Mirai vendida. No final de 2019, a Toyota havia vendido mais de 10.000 Mirais. Muitas empresas automobilísticas introduziram modelos de demonstração em números limitados (ver Lista de veículos com célula de combustível e Lista de veículos com motor de combustão interna a hidrogênio ).

Em 2013, a BMW alugou tecnologia de hidrogênio da Toyota e um grupo formado pela Ford Motor Company , Daimler AG e Nissan anunciou uma colaboração no desenvolvimento de tecnologia de hidrogênio. Em 2017, no entanto, a Daimler havia abandonado o desenvolvimento de veículos a hidrogênio, e a maioria das empresas automotivas que desenvolviam carros a hidrogênio mudaram seu foco para veículos elétricos a bateria.

Corridas de automóveis

Um recorde de 207,297 milhas por hora (333,612 km / h) foi estabelecido por um protótipo do Ford Fusion Hydrogen 999 Fuel Cell Car em Bonneville Salt Flats, em agosto de 2007, usando um grande tanque de oxigênio comprimido para aumentar a potência. O recorde de velocidade em terra para um veículo hidrogênio-powered de 286.476 milhas por hora (461,038 km / h) foi criado pela Ohio State University 's Buckeye Bala 2 , que alcançou uma velocidade 'vôo-milha' de 280.007 milhas por hora (450,628 km / h) em Bonneville Salt Flats em agosto de 2008.

Em 2007, a Hydrogen Electric Racing Federation foi formada como uma organização de corrida para veículos movidos a célula de combustível de hidrogênio. A organização patrocinou o Hydrogen 500, uma corrida de 500 milhas.

Ônibus

Ônibus Solaris Urbino 12 próximo à fábrica em Bolechowo, Polônia

Os ônibus de célula de combustível estão sendo testados por vários fabricantes em diferentes locais, por exemplo, o Ursus Lublin. Solaris Bus & Coach introduziu seus ônibus elétricos a hidrogênio Urbino 12 em 2019. Várias dezenas foram encomendadas e devem ser entregues em 2020 e 2021.

Bondes e trens

Em março de 2015, a China South Rail Corporation (CSR) demonstrou o primeiro bonde movido a célula de combustível de hidrogênio em uma instalação de montagem em Qingdao. O engenheiro-chefe da subsidiária CSR CSR Sifang Co Ltd. , Liang Jianying, disse que a empresa está estudando como reduzir os custos de funcionamento do bonde. As pistas para o novo veículo foram construídas em sete cidades chinesas. A China planeja gastar 200 bilhões de yuans (US $ 32 bilhões) até 2020 para aumentar os trilhos do bonde para mais de 1.200 milhas.

No norte da Alemanha, em 2018, os primeiros trens Coradia iLint movidos a célula de combustível foram colocados em serviço; o excesso de energia é armazenado em baterias de íon de lítio .

Um trem experimental "Hydroflex", British Rail Class 799 , começou os testes na Grã-Bretanha em junho de 2019.

Navios

A partir de 2019, as células de combustível de hidrogênio não são adequadas para propulsão em grandes navios de longa distância, mas estão sendo consideradas um extensor de alcance para navios elétricos menores, de curta distância e de baixa velocidade, como balsas. O hidrogênio na amônia está sendo considerado um combustível de longa distância.

Bicicletas

Bicicleta de hidrogênio PHB

Em 2007, a Pearl Hydrogen Power Source Technology Co de Xangai , China, demonstrou uma bicicleta a hidrogênio PHB . Em 2014, cientistas australianos da Universidade de New South Wales apresentaram seu modelo Hy-Cycle. No mesmo ano, a Canyon Bicycles começou a trabalhar na bicicleta conceito Eco Speed.

Em 2017, a Pragma Industries of France desenvolveu uma bicicleta que era capaz de viajar 100 km em um único cilindro de hidrogênio. Em 2019, a Pragma anunciou que o produto, "Alpha Bike", foi aprimorado para oferecer uma autonomia de pedalada eletricamente assistida de 150 km, e as primeiras 200 bicicletas serão fornecidas a jornalistas que cobrem o 45º encontro do G7 em Biarritz , França . Se for bem-sucedido, Lloyd Alter, da TreeHugger, respondeu ao anúncio, perguntando "por que ... se dar ao trabalho de usar eletricidade para produzir hidrogênio, apenas para transformá-lo de volta em eletricidade para carregar uma bateria para fazer funcionar a e-bike [ou] pegar um combustível que precisa de um posto de abastecimento caro que só pode lidar com 35 bicicletas por dia, quando você pode carregar uma bicicleta movida a bateria em qualquer lugar. [Se] você fosse um operador de frota cativo, por que [não] apenas trocar as baterias para obter o alcance e o rápido volume de negócios? "

Veículos militares

A divisão militar da General Motors , GM Defense , concentra-se em veículos com célula de combustível a hidrogênio. Seu SURUS (Silent Utility Rover Universal Superstructure) é uma plataforma elétrica de célula de combustível flexível com recursos autônomos. Desde abril de 2017, o Exército dos EUA tem testado o Chevrolet Colorado ZH2 comercial em suas bases nos EUA para determinar a viabilidade de veículos movidos a hidrogênio em ambientes táticos de missão militar.

Motocicletas e scooters

A ENV desenvolve motocicletas elétricas movidas a célula de combustível de hidrogênio, incluindo o Crosscage e o Biplane . Outros fabricantes, como a Vectrix, estão trabalhando em scooters a hidrogênio. Finalmente, scooters híbridos elétricos com célula de combustível de hidrogênio estão sendo fabricados, como a scooter de célula de combustível Suzuki Burgman e a FHybrid . O Burgman recebeu a aprovação de "tipo de veículo completo" na UE. A empresa taiwanesa APFCT conduziu um teste de rua ao vivo com 80 scooters de célula de combustível para o Bureau of Energy de Taiwan.

Riquixás de automóveis

Os veículos-conceito de riquixá a hidrogênio foram construídos por Mahindra HyAlfa e Bajaj Auto.

Quads e tratores

O H-Due da Autostudi Srl é um quadriciclo movido a hidrogênio, capaz de transportar de 1 a 3 passageiros. Foi proposto um conceito para um trator movido a hidrogênio.

Aviões

O Boeing Fuel Cell Demonstrator movido por uma célula de combustível de hidrogênio

Empresas como a Boeing , Lange Aviation e o German Aerospace Center buscam o hidrogênio como combustível para aviões tripulados e não tripulados. Em fevereiro de 2008, a Boeing testou um vôo tripulado de uma pequena aeronave movida a uma célula de combustível de hidrogênio. Aviões de hidrogênio não tripulados também foram testados. Para grandes aviões de passageiros, o Times relatou que "a Boeing disse que as células de combustível de hidrogênio dificilmente acionariam os motores de grandes aviões a jato de passageiros, mas poderiam ser usadas como unidades de reserva ou auxiliares a bordo."

Em julho de 2010, a Boeing revelou seu Phantom Eye UAV movido a hidrogênio , movido por dois motores de combustão interna da Ford que foram convertidos para funcionar com hidrogênio.

Na Grã-Bretanha, os Motores de reação A2 foram propostos para usar as propriedades termodinâmicas do hidrogênio líquido para atingir uma velocidade muito alta e um vôo de longa distância (antípodal), queimando-o em um motor a jato pré - resfriado .

Empilhadeiras

Uma empilhadeira com motor de combustão interna a hidrogênio (ou "HICE") ou empilhadeira HICE é uma empilhadeira industrial movida a motor de combustão interna movida a hidrogênio usada para levantar e transportar materiais. A primeira empilhadeira HICE de produção baseada no Linde X39 Diesel foi apresentada em uma exposição em Hannover em 27 de maio de 2008. Ela usava um motor de combustão interna a diesel de 2,0 litros, 43 kW (58 hp) convertido para usar hidrogênio como combustível com o uso de compressor e injeção direta .

Uma empilhadeira de célula de combustível (também chamada de empilhadeira de célula de combustível) é uma empilhadeira industrial movida a célula de combustível. Em 2013, havia mais de 4.000 empilhadeiras de célula de combustível usadas no manuseio de materiais nos EUA. O mercado global foi estimado em 1 milhão de empilhadeiras movidas a célula de combustível por ano para 2014–2016. As frotas estão sendo operadas por empresas em todo o mundo. A Pike Research declarou em 2011 que as empilhadeiras movidas a célula de combustível serão o maior impulsionador da demanda de combustível de hidrogênio até 2020.

A maioria das empresas na Europa e nos Estados Unidos não usa empilhadeiras movidas a petróleo, pois esses veículos funcionam em ambientes internos onde as emissões devem ser controladas e, em vez disso, usam empilhadeiras elétricas. As empilhadeiras movidas a célula de combustível podem oferecer benefícios em relação às empilhadeiras movidas a bateria, pois podem ser reabastecidas em 3 minutos. Podem ser utilizados em armazéns frigoríficos, pois seu desempenho não é prejudicado por temperaturas mais baixas. As unidades de célula de combustível são freqüentemente projetadas como substitutos imediatos.

Foguetes

Muitos foguetes grandes usam hidrogênio líquido como combustível, com oxigênio líquido como oxidante (LH2 / LOX). Uma vantagem do combustível de foguete de hidrogênio é a alta velocidade de escape efetiva em comparação com os motores a querosene / LOX ou UDMH / NTO . De acordo com a equação do foguete de Tsiolkovsky , um foguete com maior velocidade de escape usa menos propelente para acelerar. Além disso, a densidade de energia do hidrogênio é maior do que qualquer outro combustível. LH2 / LOX também apresenta a maior eficiência em relação à quantidade de propelente consumido, de qualquer propelente de foguete conhecido.

Uma desvantagem dos motores LH2 / LOX é a baixa densidade e baixa temperatura do hidrogênio líquido, o que significa que tanques de combustível maiores e isolados e, portanto, mais pesados ​​são necessários. Isso aumenta a massa estrutural do foguete, o que reduz seu delta-v significativamente. Outra desvantagem é a baixa capacidade de armazenamento dos foguetes movidos a LH2 / LOX: devido à constante ebulição do hidrogênio, o foguete deve ser abastecido pouco antes do lançamento, o que torna os motores criogênicos inadequados para ICBMs e outras aplicações de foguetes com a necessidade de preparações curtas de lançamento .

No geral, o delta-v de um estágio de hidrogênio normalmente não é muito diferente daquele de um estágio de combustível denso, mas o peso de um estágio de hidrogênio é muito menor, o que o torna particularmente eficaz para estágios superiores, uma vez que são transportados pelos inferiores estágios. Para os primeiros estágios, foguetes de combustível denso em estudos podem apresentar uma pequena vantagem, devido ao menor tamanho do veículo e menor resistência ao ar.

LH2 / LOX também foram usados ​​no ônibus espacial para operar as células de combustível que alimentam os sistemas elétricos. O subproduto da célula de combustível é a água, que é usada para beber e outras aplicações que requerem água no espaço.

Caminhões pesados

United Parcel Service começou a testar de um veículo de entrega movidos a hidrogénio em 2017. US híbrido , Toyota , e Kenworth também planejam testar Classe 8 drayage caminhões de células de combustível de hidrogênio.

Em 2020, a Hyundai iniciou a produção comercial de seus caminhões com célula de combustível Xcient e despachou dez deles para a Suíça . Ela planeja vender para outros mercados, incluindo os EUA até 2022.

Veículo de combustão interna

Os carros com motor de combustão interna a hidrogênio são diferentes dos carros com célula de combustível a hidrogênio. O carro de combustão interna a hidrogênio é uma versão ligeiramente modificada do carro com motor de combustão interna tradicional a gasolina . Esses motores a hidrogênio queimam combustível da mesma maneira que os motores a gasolina; a principal diferença é o produto de exaustão. A combustão da gasolina resulta em emissões de dióxido de carbono , monóxido de carbono , NOx, partículas e hidrocarbonetos não queimados, enquanto o principal produto de exaustão da combustão de hidrogênio é o vapor d'água.

Em 1807, François Isaac de Rivaz projetou o primeiro motor de combustão interna movido a hidrogênio . Em 1965, Roger Billings , então um estudante do ensino médio, converteu um Modelo A para funcionar com hidrogênio. Em 1970, Paul Dieges patenteou uma modificação nos motores de combustão interna que permitia que um motor movido a gasolina funcionasse com hidrogênio US 3844262  .

A Mazda desenvolveu motores Wankel que queimam hidrogênio, que são usados ​​no Mazda RX-8 Hydrogen RE . A vantagem de usar um motor de combustão interna, como os motores Wankel e a pistão, é o custo mais baixo de reequipamento para a produção.

As empilhadeiras HICE foram demonstradas com base em motores de combustão interna a diesel convertidos com injeção direta .

Célula de combustível

Custo da célula de combustível

As células de combustível de hidrogênio são relativamente caras de produzir, já que seus projetos requerem substâncias raras, como a platina , como catalisador . Em 2014, o ex-presidente do Parlamento Europeu, Pat Cox, estimou que a Toyota perderia inicialmente cerca de US $ 100.000 em cada Mirai vendida. Em 2020, pesquisadores do Departamento de Química da Universidade de Copenhagen estão desenvolvendo um novo tipo de catalisador que eles esperam diminuir o custo das células de combustível. Este novo catalisador usa muito menos platina porque as nanopartículas de platina não são revestidas sobre carbono que, em células de combustível de hidrogênio convencionais, mantém as nanopartículas no lugar, mas também faz com que o catalisador se torne instável e o desnatura lentamente, exigindo ainda mais platina . A nova tecnologia usa nanofios duráveis ​​em vez de nanopartículas. "O próximo passo dos pesquisadores é ampliar seus resultados para que a tecnologia possa ser implementada em veículos movidos a hidrogênio."

Condições de congelamento

Os problemas nos primeiros projetos de células de combustível em baixas temperaturas com relação às capacidades de alcance e partida a frio foram resolvidos de forma que "não podem mais ser vistos como empecilhos". Os usuários em 2014 disseram que seus veículos de célula de combustível funcionam perfeitamente em temperaturas abaixo de zero, mesmo com os aquecedores explodindo, sem reduzir significativamente o alcance. Estudos usando radiografia de nêutrons em inicialização a frio não assistida indicam a formação de gelo no cátodo, três estágios na inicialização a frio e condutividade iônica Nafion. Um parâmetro, definido como coulomb de carga, também foi definido para medir a capacidade de partida a frio.

Vida de serviço

A vida útil das células de combustível é comparável à de outros veículos. A vida útil da célula de combustível de membrana eletrolítica de polímero (PEM) é de 7.300 horas em condições de ciclo.

Hidrogênio

O hidrogênio não existe em reservatórios ou depósitos convenientes como combustíveis fósseis ou hélio . É produzido a partir de matérias-primas como gás natural e biomassa ou eletrolisado da água. Um benefício sugerido da implantação em larga escala de veículos a hidrogênio é que isso pode levar à redução das emissões de gases de efeito estufa e precursores de ozônio. No entanto, a partir de 2014, 95% do hidrogênio é feito de metano . Ele pode ser produzido por meios termoquímicos ou pirolíticos usando matérias-primas renováveis, mas esse é um processo caro. A eletricidade renovável pode, no entanto, ser usada para alimentar a conversão de água em hidrogênio: usinas integradas de vento para hidrogênio ( energia para gás ), usando eletrólise de água , estão explorando tecnologias para fornecer custos baixos o suficiente e quantidades grandes o suficiente para competir com fontes de energia tradicionais.

De acordo com a Ford Motor Company, um veículo com célula de combustível a hidrogênio geraria apenas três quintos do dióxido de carbono que um veículo comparável movido a gasolina misturada a 10% de etanol. Embora os métodos de produção de hidrogênio que não usam combustível fóssil sejam mais sustentáveis, atualmente a energia renovável representa apenas uma pequena porcentagem da energia gerada, e a energia produzida a partir de fontes renováveis ​​pode ser usada de forma mais eficiente em veículos elétricos e para aplicações não veiculares.

Os desafios enfrentados pelo uso de hidrogênio em veículos incluem principalmente seu armazenamento a bordo do veículo. Embora a eficiência do poço à roda para o hidrogênio a partir da maneira menos eficiente de produzi-lo (eletrólise) seja inferior a 25%, ela ainda excede a dos veículos baseados em motores de combustão interna.

Produção

O hidrogênio molecular necessário como combustível a bordo para veículos de hidrogênio pode ser obtido por meio de muitos métodos termoquímicos utilizando gás natural , carvão (por um processo conhecido como gaseificação de carvão), gás liquefeito de petróleo , biomassa ( gaseificação de biomassa ), por um processo chamado termólise ou como um produto residual microbiano denominado biohidrogênio ou produção biológica de hidrogênio . 95% do hidrogênio é produzido com gás natural e 85% do hidrogênio produzido é usado para remover o enxofre da gasolina. O hidrogênio também pode ser produzido a partir da água por eletrólise com eficiências de trabalho de 65–70%. O hidrogênio também pode ser obtido por redução química usando hidretos químicos ou alumínio. As tecnologias atuais para a fabricação de hidrogênio usam energia em várias formas, totalizando entre 25 e 50 por cento do valor de aquecimento mais alto do combustível hidrogênio, usado para produzir, comprimir ou liquefazer e transmitir o hidrogênio por oleoduto ou caminhão.

As consequências ambientais da produção de hidrogênio a partir de recursos de energia fóssil incluem a emissão de gases de efeito estufa , uma consequência que também resultaria da transformação do metanol em hidrogênio a bordo. As análises que comparam as consequências ambientais da produção e uso de hidrogênio em veículos de célula de combustível com o refino de petróleo e a combustão em motores de automóveis convencionais não concordam se resultaria em uma redução líquida de ozônio e gases de efeito estufa. A produção de hidrogênio usando recursos de energia renovável não criaria tais emissões, mas a escala de produção de energia renovável precisaria ser expandida para ser usada na produção de hidrogênio para uma parte significativa das necessidades de transporte. Em 2016, 14,9 por cento da eletricidade dos EUA foi produzida a partir de fontes renováveis. Em alguns países, as fontes renováveis ​​estão sendo usadas de forma mais ampla para produzir energia e hidrogênio. Por exemplo, a Islândia está usando energia geotérmica para produzir hidrogênio e a Dinamarca está usando o vento .

Armazenar

Marca de armazenamento de hidrogênio comprimido

O hidrogênio comprimido em tanques de hidrogênio a 350 bar (5.000 psi) e 700 bar (10.000 psi) é usado para sistemas de tanques de hidrogênio em veículos, com base na tecnologia de composto de carbono tipo IV.

O hidrogênio tem uma densidade de energia volumétrica muito baixa em condições ambientais, em comparação com a gasolina e outros combustíveis veiculares. Deve ser armazenado em um veículo como um líquido super-resfriado ou como um gás altamente comprimido, o que requer energia adicional para ser realizado. Em 2018, pesquisadores da CSIRO na Austrália equiparam um Toyota Mirai e Hyundai Nexo com hidrogênio separado da amônia usando uma tecnologia de membrana. A amônia é mais fácil de transportar com segurança em caminhões-tanque do que o hidrogênio puro.

A infraestrutura

Abastecimento de hidrogênio para carros
Abastecimento de hidrogênio

A infraestrutura de hidrogênio consiste em estações de abastecimento equipadas com hidrogênio, que são abastecidas com hidrogênio por meio de reboques de tubos de hidrogênio comprimido , caminhões-tanque de hidrogênio líquido ou produção local dedicada e algum transporte industrial de duto de hidrogênio . A distribuição de hidrogênio combustível para veículos nos Estados Unidos exigiria novas estações de hidrogênio que custariam entre 20 bilhões de dólares nos Estados Unidos (4,6 bilhões na UE). e meio trilhão de dólares nos Estados Unidos.

Em 2021, havia 49 postos de abastecimento de hidrogênio acessíveis ao público nos Estados Unidos, 48 ​​dos quais estavam localizados na Califórnia (em comparação com 42.830 postos de abastecimento elétrico). Em 2017, havia 91 postos de abastecimento de hidrogênio no Japão.

Códigos e padrões

Os códigos e padrões do hidrogênio , bem como os códigos e padrões técnicos para a segurança do hidrogênio e o armazenamento do hidrogênio , têm sido uma barreira institucional para a implantação de tecnologias de hidrogênio . Para permitir a comercialização de hidrogênio em produtos de consumo, novos códigos e padrões devem ser desenvolvidos e adotados pelos governos federal, estadual e local.

Suporte oficial

Iniciativas dos EUA

Em 2003, George W. Bush anunciou uma iniciativa para promover veículos movidos a hidrogênio. Em 2009, o presidente Obama e seu secretário de Energia, Steven Chu, retiraram o financiamento da tecnologia de células de combustível após concluir que a tecnologia ainda estava a décadas de distância. Sob fortes críticas, o financiamento foi parcialmente restaurado.

Em 2013, o senador Byron L. Dorgan disse que "O projeto de lei de dotações de energia e água faz investimentos nos esforços de nossa nação para desenvolver fontes de energia locais seguras que reduzirão nossa dependência do petróleo estrangeiro. E, porque a pesquisa e o desenvolvimento contínuos são necessários para o desenvolvimento tecnologias de mudança de jogo, este projeto de lei também restaura o financiamento para pesquisa de energia de hidrogênio. " No mesmo ano, o Departamento de Energia dos Estados Unidos deu 9 milhões de dólares em doações para acelerar o desenvolvimento de tecnologia, 4,5 milhões para membranas de células de combustível avançadas, US $ 3 milhões para 3M para trabalhar em membranas com durabilidade e desempenho aprimorados e 1,5 milhão para a Escola de Colorado de Minas para trabalhar em membranas de células de combustível mais simples e acessíveis. Os investimentos dos EUA em abastecimento foram planejados em 2014.

Outros esforços

No Japão, o hidrogênio deve ser obtido principalmente de fora do país.

A Noruega planeja uma série de postos de abastecimento de hidrogênio ao longo das estradas principais.

Crítica

Os críticos afirmam que o prazo para superar os desafios técnicos e econômicos para implementar o uso em larga escala de carros a hidrogênio deve durar pelo menos várias décadas. Eles afirmam que o foco no uso do carro a hidrogênio é um desvio perigoso de soluções mais prontamente disponíveis para reduzir o uso de combustíveis fósseis em veículos. Em maio de 2008, a Wired News informou que "os especialistas dizem que levará 40 anos ou mais antes que o hidrogênio tenha qualquer impacto significativo no consumo de gasolina ou no aquecimento global, e não podemos esperar tanto tempo. Nesse ínterim, as células de combustível estão se desviando recursos de soluções mais imediatas. "

As críticas aos veículos a hidrogênio são apresentadas no documentário de 2006, Who Killed the Electric Car? . De acordo com o ex -funcionário do Departamento de Energia dos Estados Unidos, Joseph Romm , "um carro a hidrogênio é uma das formas menos eficientes e mais caras de reduzir os gases do efeito estufa". Questionado sobre quando os carros a hidrogênio estarão amplamente disponíveis, Romm respondeu: "Não em nossa vida e muito possivelmente nunca." O Los Angeles Times escreveu, em 2009, "A tecnologia de célula de combustível de hidrogênio não funciona em carros ... De qualquer maneira, o hidrogênio é uma péssima maneira de mover carros." A revista The Economist , em 2008, citou Robert Zubrin , o autor de Energy Victory , dizendo: "O hidrogênio é 'quase o pior combustível possível para veículos'". A revista observou a retirada da Califórnia das metas anteriores: "Em [2008], o California Air Resources Board , uma agência do governo estadual da Califórnia e um termômetro para os governos estaduais em toda a América, mudou sua exigência para o número de veículos com emissão zero (ZEVs ) a ser construído e vendido na Califórnia entre 2012 e 2014. O mandato revisado permite que os fabricantes cumpram as regras construindo mais carros elétricos a bateria em vez de veículos com célula de combustível. " A revista também observou que a maior parte do hidrogênio é produzida por meio da reforma do metano a vapor, que cria pelo menos tanta emissão de carbono por quilômetro quanto alguns dos carros a gasolina de hoje. Por outro lado, se o hidrogênio pudesse ser produzido com energia renovável, “certamente seria mais fácil simplesmente usar essa energia para carregar as baterias de veículos totalmente elétricos ou híbridos plug-in”. Em 2019, 98% do hidrogênio é produzido pela reforma do metano a vapor , que emite dióxido de carbono.

Um estudo de 2009 da UC Davis , publicado no Journal of Power Sources , da mesma forma descobriu que, ao longo de suas vidas, os veículos a hidrogênio emitirão mais carbono do que os veículos a gasolina. Isso está de acordo com uma análise de 2014. O Washington Post perguntou em 2009: "[Por que] você gostaria de armazenar energia na forma de hidrogênio e, em seguida, usar esse hidrogênio para produzir eletricidade para um motor, quando a energia elétrica já está esperando para ser sugada das tomadas em toda a América e armazenados em baterias de automóveis "? O Motley Fool afirmou em 2013 que "ainda existem obstáculos de custo proibitivo [para carros a hidrogênio] relacionados ao transporte, armazenamento e, o mais importante, produção."

Rudolf Krebs, da Volkswagen, disse em 2013 que "não importa quão excelentes você faça os próprios carros, as leis da física impedem sua eficiência geral. A forma mais eficiente de converter energia em mobilidade é a eletricidade". Ele elaborou: "A mobilidade do hidrogênio só faz sentido se você usar energia verde", mas ... você precisa primeiro convertê-lo em hidrogênio "com baixa eficiência", onde "você perde cerca de 40 por cento da energia inicial". Você então deve comprimir o hidrogênio e armazená-lo sob alta pressão em tanques, o que usa mais energia. “E então você tem que converter o hidrogênio de volta em eletricidade em uma célula a combustível com outra perda de eficiência”. Krebs continuou: "no final, de seus 100 por cento originais de energia elétrica, você acaba com 30 a 40 por cento." O Business Insider comentou:

O hidrogênio puro pode ser derivado industrialmente, mas requer energia. Se essa energia não vier de fontes renováveis, os carros com células de combustível não serão tão limpos quanto parecem. ... Outro desafio é a falta de infraestrutura. Os postos de gasolina precisam investir na capacidade de reabastecer os tanques de hidrogênio antes que os FCEVs [veículos elétricos com células de combustível] se tornem práticos, e é improvável que muitos façam isso enquanto há tão poucos clientes nas estradas hoje. ... Para agravar a falta de infraestrutura, está o alto custo da tecnologia. As células de combustível são "ainda muito, muito caras".

Em 2014, Joseph Romm dedicou três artigos à atualização de suas críticas aos veículos a hidrogênio feitas em seu livro The Hype about Hydrogen . Ele afirmou que os veículos com células de combustível ainda não superaram o alto custo dos veículos, o alto custo de abastecimento e a falta de infraestrutura de entrega de combustível. "Seriam necessários vários milagres para superar todos esses problemas simultaneamente nas próximas décadas." Além disso, ele escreveu, "os FCVs não são verdes" por causa do escape de metano durante a extração do gás natural e quando o hidrogênio é produzido, como 95% dele, usando o processo de reforma a vapor. Ele concluiu que a energia renovável não pode ser economicamente usada para produzir hidrogênio para uma frota de FCV "agora ou no futuro." O analista da GreenTech Media chegou a conclusões semelhantes em 2014. Em 2015, a Clean Technica listou algumas das desvantagens dos veículos com célula de combustível a hidrogênio, assim como o Car Throttle . Outro redator da Clean Technica concluiu que "embora o hidrogênio possa ter um papel a desempenhar no mundo do armazenamento de energia (especialmente o armazenamento sazonal), ele parece um beco sem saída quando se trata de veículos convencionais". Um estudo de 2016 na edição de novembro da revista Energy por cientistas da Universidade de Stanford e da Universidade Técnica de Munique concluiu que, mesmo assumindo a produção local de hidrogênio, "investir em veículos totalmente elétricos a bateria é uma escolha mais econômica para reduzir as emissões de dióxido de carbono, principalmente devido ao seu custo mais baixo e eficiência energética significativamente maior. "

Uma análise de 2017 publicada na Green Car Reports concluiu que os melhores veículos de célula de combustível de hidrogênio consomem "mais de três vezes mais eletricidade por milha do que um veículo elétrico ... geram mais emissões de gases de efeito estufa do que outras tecnologias de trem de força ... [e têm ] custos de combustível muito altos. ... Considerando todos os obstáculos e requisitos para uma nova infraestrutura (estimada em US $ 400 bilhões), os veículos com células de combustível parecem ser, na melhor das hipóteses, uma tecnologia de nicho, com pouco impacto no consumo de petróleo dos EUA . O Departamento de Energia dos EUA concorda, para o combustível produzido pela rede elétrica via eletrólise, mas não para a maioria das outras vias de geração. Um vídeo de 2019 da Real Engineering observou que, apesar da introdução de veículos movidos a hidrogênio, usando hidrogênio como combustível para carros não ajuda a reduzir as emissões de carbono do transporte. 95% do hidrogênio ainda produzido a partir de combustíveis fósseis libera dióxido de carbono, e produzir hidrogênio a partir da água é um consumo de energia processo ming. Armazenar hidrogênio requer mais energia para resfriá-lo ao estado líquido ou para colocá-lo em tanques sob alta pressão, e entregar o hidrogênio aos postos de abastecimento requer mais energia e pode liberar mais carbono. O hidrogênio necessário para mover um FCV por quilômetro custa aproximadamente 8 vezes mais do que a eletricidade necessária para mover um BEV na mesma distância. Também em 2019, Katsushi Inoue, o presidente da Honda Europe, afirmou: "Nosso foco está em veículos híbridos e elétricos agora. Talvez os carros com célula de combustível a hidrogênio cheguem, mas essa é uma tecnologia para a próxima era."

Uma avaliação de 2020 concluiu que os veículos a hidrogênio ainda são apenas 38% eficientes, enquanto os VEs com bateria são 80% eficientes.

Segurança e abastecimento

O combustível hidrogênio é perigoso devido à baixa energia de ignição (veja também a temperatura de autoignição ) e à alta energia de combustão do hidrogênio, e porque tende a vazar facilmente dos tanques. Explosões em postos de abastecimento de hidrogênio foram relatadas. Os postos de abastecimento de hidrogênio geralmente recebem entregas de hidrogênio por caminhão de fornecedores de hidrogênio. Uma interrupção em uma instalação de abastecimento de hidrogênio pode fechar várias estações de abastecimento de hidrogênio.

Comparação com outros tipos de veículos de combustível alternativo

Os veículos a hidrogênio competem com várias alternativas propostas para a infraestrutura moderna de veículos movidos a combustível fóssil .

Híbridos plug-in

Os veículos elétricos híbridos plug-in , ou PHEVs, são veículos híbridos que podem ser conectados à rede elétrica e contêm um motor elétrico e também um motor de combustão interna . O conceito PHEV aumenta os veículos elétricos híbridos padrão com a capacidade de recarregar suas baterias de uma fonte externa, permitindo um maior uso dos motores elétricos do veículo enquanto reduz sua dependência dos motores de combustão interna. A infraestrutura necessária para carregar os PHEVs já está instalada e a transmissão de energia da rede para o carro é cerca de 93% eficiente. Esta, no entanto, não é a única perda de energia na transferência de energia da rede para as rodas. A conversão CA / CC deve ocorrer da alimentação CA da rede para o CC do PHEV. Isso é aproximadamente 98% eficiente. A bateria então deve ser carregada. Em 2007, a bateria de fosfato de ferro de lítio tinha entre 80 e 90% de eficiência no carregamento / descarregamento. A bateria precisa ser resfriada. Em 2009, "a eficiência total do poço às rodas com a qual um veículo com célula de combustível de hidrogênio pode utilizar eletricidade renovável é de aproximadamente 20%. ... A eficiência do poço às rodas de carregar uma bateria a bordo e depois descarregá-la para funcionar um motor elétrico em um PHEV ou EV, no entanto, é 80% ... quatro vezes mais eficiente do que as atuais vias de veículos com células de combustível de hidrogênio. " Um estudo de dezembro de 2009 na UC Davis descobriu que, ao longo de suas vidas, os PHEVs emitirão menos carbono do que os veículos atuais, enquanto os carros a hidrogênio emitirão mais carbono do que os veículos a gasolina.

Gás natural

Os veículos a gás natural comprimido (GNV), HCNG , GLP ou GNL ( veículos a gás natural ou GNVs ) com motor de combustão interna utilizam metano ( gás natural ou biogás ) diretamente como fonte de combustível. O gás natural tem uma densidade de energia mais alta do que o gás hidrogênio. Os GNVs que usam biogás são quase neutros em carbono . Ao contrário dos veículos a hidrogênio, os veículos a GNV estão disponíveis há muitos anos e há infraestrutura suficiente para fornecer postos de abastecimento comerciais e domésticos. No mundo, eram 14,8 milhões de veículos movidos a gás natural ao final de 2011. O outro uso do gás natural é na reforma a vapor, que é a forma comum de produzir gás hidrogênio para uso em carros elétricos com células a combustível.

Veículos totalmente elétricos

Um artigo da Technology Review de 2008 afirmou: "Carros elétricos - e carros híbridos plug-in - têm uma enorme vantagem sobre os veículos de célula de combustível de hidrogênio ao utilizar eletricidade de baixo carbono. Isso se deve à ineficiência inerente de todo o processo de abastecimento de hidrogênio, de gerar o hidrogênio com essa eletricidade para transportar esse gás difuso por longas distâncias, colocar o hidrogênio no carro e, em seguida, conduzi-lo por uma célula de combustível - tudo com o propósito de converter o hidrogênio de volta em eletricidade para acionar exatamente o mesmo motor elétrico que você ' vou encontrar em um carro elétrico. " Termodinamicamente, cada etapa adicional no processo de conversão diminui a eficiência geral do processo.

Uma comparação de 2013 de veículos elétricos a hidrogênio e bateria concordou com o valor de 25% de Ulf Bossel em 2006 e afirmou que o custo de uma bateria de veículo elétrico "está caindo rapidamente, e a lacuna vai aumentar ainda mais", enquanto há pouco "existente infra-estrutura para transportar, armazenar e entregar hidrogênio aos veículos e custaria bilhões de dólares para colocar no lugar, as tomadas de energia das famílias de todos são estações de "reabastecimento de veículos elétricos" e o "custo da eletricidade (dependendo da fonte) é pelo menos 75% mais barato do que o hidrogênio. "Em 2018, o custo das baterias EV caiu para menos de US $ 150 por kWh.

Os primeiros projetos de carros elétricos ofereciam autonomia limitada, causando ansiedade de alcance . Por exemplo, o Nissan Leaf 2013 tinha um alcance de 75 mi (121 km). Os modelos EV mais recentes geralmente têm um alcance consideravelmente maior; por exemplo, o 2020 Tesla Model S tem um alcance de mais de 400 mi (640 km). A maioria dos deslocamentos nos EUA é de 30-40 milhas (48-64 km) por dia, ida e volta, e na Europa, a maioria dos deslocamentos é de cerca de 20 quilômetros (12 mi) de ida e volta

Em 2013, John Swanton do California Air Resources Board , que viu EVs e veículos a hidrogênio como tecnologias complementares, afirmou que os EVs deram um salto nos automóveis de célula de combustível, que "são como os veículos elétricos eram há 10 anos. Os EVs são para consumidores reais, sem amarras. Com VEs você tem muita infraestrutura no lugar. O Business Insider , em 2013, comentou que se a energia para produzir hidrogênio "não vem de fontes renováveis, então os carros com célula de combustível não são tão limpos quanto parecem. ... Os postos de gasolina precisam investir na capacidade de reabastecer os tanques de hidrogênio antes que os FCEVs se tornem práticos, e é improvável que muitos façam isso enquanto há tão poucos clientes nas estradas hoje. ... Para agravar a falta de infraestrutura está o alto custo da tecnologia. As células de combustível são "ainda muito, muito caras", mesmo em comparação com os EVs movidos a bateria.

Veja também

Referências

links externos