Водородный автомобиль — это транспортное средство , которое использует водород для передвижения . Водородные транспортные средства включают некоторые автомобильные транспортные средства , железнодорожные транспортные средства , космические ракеты , вилочные погрузчики , корабли и самолеты . Движущая сила генерируется путем преобразования химической энергии водорода в механическую энергию , либо путем реакции водорода с кислородом в топливном элементе для питания электродвигателей , либо, реже, путем внутреннего сгорания водорода . [1]
Водород используется в качестве топлива для многих ракет и горит чище, чем другие виды топлива, такие как метан, но требует больших резервуаров. Ожидается, что водородные самолеты будут перевозить много пассажиров на дальние расстояния не раньше 2030-х годов. [2] [3]
По состоянию на 2019 год 98% водорода производится путём паровой конверсии метана , при котором выделяется углекислый газ . [4] Его можно производить электролизом воды , термохимическими или пиролитическими методами с использованием возобновляемого сырья , но эти процессы в настоящее время дороги. [5] Разрабатываются различные технологии, целью которых является обеспечение достаточно низких затрат и достаточно больших объемов, чтобы конкурировать с производством водорода с использованием природного газа. [6]
Транспортные средства, работающие на водородной технологии, обеспечивают большой запас хода на одной заправке, но имеют ряд недостатков: высокие выбросы углекислого газа при производстве водорода из природного газа, бремя капитальных затрат, высокие энергозатраты на производство, низкое содержание энергии на единицу объема при условия окружающей среды, производство и сжатие водорода, инвестиции, необходимые для строительства заправочной инфраструктуры по всему миру для выдачи водорода, а также транспортировка водорода. [7] [8] [9] Кроме того, утечка водорода оказывает глобальное потепление в 11,6 раз сильнее, чем CO₂. [10]
Для легковых автомобилей, включая легковые автомобили, внедрение водорода отстает от электромобилей с аккумуляторной батареей. Исследование 2022 года показало, что технологические разработки и экономия от масштаба в BEV по сравнению с развитием использования водорода сделали маловероятным, что водородные легкие автомобили будут играть значительную роль в будущем. [11] По состоянию на 2021 год [обновлять]на некоторых рынках публично доступны две модели водородных автомобилей: Toyota Mirai (2014–), первый в мире коммерчески производимый электромобиль на топливных элементах (FCEV), [12] [13] [14] и Hyundai Nexo (2018–). Есть также автобусы на топливных элементах .
Обоснование использования водородных транспортных средств заключается в их потенциале снижения зависимости от ископаемого топлива, связанных с ними выбросов парниковых газов и локального загрязнения воздуха от транспорта. [17] Это потребует чистого производства водорода для использования в секторах и приложениях, где более дешевые и более энергоэффективные альтернативы смягчения последствий ограничены.
Многие большие ракеты используют жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя (LH2/LOX). Преимуществом водородного ракетного топлива является высокая эффективная скорость истечения по сравнению с двигателями на керосине / LOX или НДМГ / НТО . Согласно уравнению ракеты Циолковского , ракета с более высокой скоростью истечения использует меньше топлива для ускорения. Кроме того, плотность энергии водорода выше, чем у любого другого топлива. [18] LH2/LOX также обеспечивает наибольшую эффективность по отношению к количеству потребляемого топлива среди всех известных ракетных топлив. [19]
Недостатком двигателей LH2/LOX является низкая плотность и низкая температура жидкого водорода, что означает необходимость больших и изолированных и, следовательно, более тяжелых топливных баков по сравнению с метаном, хотя метан более загрязняет окружающую среду. [20] Это увеличивает конструктивную массу ракеты, что значительно снижает ее дельта-v. Еще одним недостатком является плохая возможность хранения ракет с двигателями LH2/LOX: из-за постоянного выкипания водорода ракету необходимо заправлять незадолго до запуска, что делает криогенные двигатели непригодными для межконтинентальных баллистических ракет и других ракетных применений с необходимостью короткой подготовки к пуску. .
В целом, дельта-v водородной ступени обычно не сильно отличается от дельта-v ступени с плотным топливом, но вес водородной ступени намного меньше, что делает ее особенно эффективной для верхних ступеней, поскольку они переносятся нижними ступенями. этапы. На первых ступенях исследования ракеты с плотным топливом могут показать небольшое преимущество из-за меньшего размера транспортного средства и меньшего сопротивления воздуха. [21]
LH2/LOX также использовались в космическом корабле "Шаттл" для работы топливных элементов, питающих электрические системы. [22] Побочным продуктом топливного элемента является вода, которая используется для питья и других целей, требующих использования воды в космосе.
По состоянию на 2021 год [обновлять]на некоторых рынках будут доступны два водородных автомобиля: Toyota Mirai и Hyundai Nexo . [23] Honda Clarity производилась с 2016 по 2021 год. [24] Автомобили с водородным двигателем коммерчески недоступны. [ нужна цитата ] В сегменте легких дорожных транспортных средств к концу 2022 года во всем мире было продано 70 200 электромобилей на топливных элементах [25] по сравнению с 26 миллионами электромобилей с подключаемыми к сети модулями. [26] С быстрым развитием электромобилей и связанных с ними аккумуляторных технологий и инфраструктуры глобальные масштабы роли водорода в автомобилях сужаются по сравнению с прежними ожиданиями. [11] [27] Джон Макс из Hydrogen Fuel News считает, что водород, однако, может использоваться напрямую или в качестве сырья для топлива, для старинных и маслкаров. [28] [29] [30]
Первым дорожным транспортным средством , работающим на водородном топливном элементе, был Chevrolet Electrovan, представленный General Motors в 1966 году . автомобили на топливных элементах, [16] [15] [32] и Honda FCX Clarity , аренда которой началась в 2008 году, была первым в мире автомобилем на водородных топливных элементах, предназначенным для массового производства, а не адаптации существующей модели. [33] Honda создала первую в мире дилерскую сеть по автомобилям на топливных элементах в 2008 году и в то время была единственной компанией, которая могла сдавать в аренду автомобили на водородных топливных элементах частным клиентам. [34] [35]
Hyundai Tucson FCEV 2013 года , модифицированный Tucson, был представлен на рынке как автомобиль, предназначенный только для аренды, [36] [37] и Hyundai Motors заявила, что это первый в мире серийный автомобиль на водородных топливных элементах. [38] [39] [40] Однако из-за высоких цен и отсутствия зарядной инфраструктуры продажи оказались далеко от первоначальных планов: к концу мая 2015 года было продано всего 273 единицы. [38] Hyundai Nexo , преуспевающий Tucson в 2018 году был признан Euro NCAP «самым безопасным внедорожником» в 2018 году. [41]
В конце 2014 года Toyota выпустила первый в мире специализированный автомобиль на топливных элементах (FCV) массового производства Mirai в Японии [12] [13] [14] и начала продажи в Калифорнии, в основном в районе Лос-Анджелеса , а также в некоторых регионах. рынки Европы, Великобритании, Германии и Дании [42] позднее в 2015 году. [43] Запас хода автомобиля составляет 312 миль (502 км), а заправка водородного бака занимает около пяти минут. Первоначальная цена продажи в Японии составила около 7 миллионов иен (69 000 долларов США). [44] Бывший президент Европейского парламента Пэт Кокс подсчитал, что Toyota первоначально потеряет около 100 000 долларов на каждом проданном Mirai. [45] В конце 2019 года Toyota продала более 10 000 Mirais. [46] [4] Многие автомобильные компании представили демонстрационные модели в ограниченном количестве (см. Список автомобилей на топливных элементах и Список автомобилей с водородными двигателями внутреннего сгорания ). [47] [48]
В 2013 году BMW арендовала водородную технологию у Toyota , а группа, образованная Ford Motor Company , Daimler AG и Nissan , объявила о сотрудничестве в разработке водородных технологий. [49] В 2015 году Toyota объявила, что бесплатно предложит своим конкурентам все 5680 патентов, связанных с автомобилями на водородных топливных элементах и технологией зарядных станций на водородных топливных элементах, которые она исследует более 20 лет, чтобы стимулировать Рынок автомобилей с водородным двигателем. [50] Однако к 2017 году Daimler отказался от разработки водородных автомобилей, [51] и большинство автомобильных компаний, разрабатывающих водородные автомобили, переключили свое внимание на электромобили с аккумуляторной батареей. [52] К 2020 году все автомобильные компании, кроме трех, отказались от планов по производству водородных автомобилей. [53]
Сценарий Международного энергетического агентства с нулевыми выбросами в 2022 году предусматривает, что водород обеспечит примерно 30% потребности тяжелых грузовиков в энергии в 2050 году, в основном для тяжелых грузов на дальние расстояния (при этом электроэнергия аккумуляторов будет составлять около 60%). [54]
United Parcel Service начала испытания автомобиля для доставки на водородном топливе в 2017 году. [55] В 2020 году Hyundai начала коммерческое производство своих грузовиков на топливных элементах Xcient и отправила десять из них в Швейцарию . [56] [57] [58]
В 2022 году в Австралии пять грузовиков с водородными топливными элементами класса 8 были использованы для перевозки цинка с рудника Sun Metals в Таунсвилле в порт Таунсвилл , Квинсленд, для отправки по всему миру. [59]
Некоторые публикации предполагают, что водород может быть использован в судах [60] и реактивных самолетах, [61] в то время как другие предсказывают, что биотопливо и батареи будут иметь больший коммерческий успех. [62] Такие компании, как Boeing , Lange Aviation и Немецкий аэрокосмический центр , используют водород в качестве топлива для пилотируемых и беспилотных самолетов. В феврале 2008 года компания Boeing испытала пилотируемый полет небольшого самолета, работающего на водородных топливных элементах. Также были испытаны беспилотные водородные самолеты. [63] Что касается больших пассажирских самолетов, The Times сообщила, что «Boeing заявила, что водородные топливные элементы вряд ли будут приводить в действие двигатели больших пассажирских реактивных самолетов, но могут использоваться в качестве резервных или вспомогательных силовых установок на борту». [64]
В июле 2010 года компания Boeing представила свой водородный БПЛА Phantom Eye , оснащенный двумя двигателями внутреннего сгорания Ford, которые были переоборудованы для работы на водороде. [65]
По состоянию на 2019 год [обновлять]водородные топливные элементы не подходят для движения на больших кораблях дальнего следования, но они рассматриваются в качестве средства увеличения дальности полета для небольших тихоходных электрических судов на короткие расстояния, таких как паромы. [66] Водород в аммиаке рассматривается как топливо для дальних поездок. [67]
Автобусы на топливных элементах прошли испытания в Урсусе Люблине в 2017 году. [68] Solaris Bus & Coach представила свои водородные электрические автобусы Urbino 12 в 2019 году. Было заказано несколько десятков. [69] Первым городом в США, имеющим парк автобусов с водородным двигателем, был Шампейн , штат Иллинойс, когда в 2021 году район общественного транспорта Шампейн-Урбана заказал два сочлененных автобуса New Flyer XHE60 на водородных топливных элементах и еще 10 автобусов New Flyer XHE40. добавлено в 2024 году. [70] В 2022 году город Монпелье , Франция, расторг контракт на закупку 51 автобуса, работающего на водородных топливных элементах, когда обнаружил, что «стоимость эксплуатации водородных [автобусов] в 6 раз превышает стоимость электричество". [71]
Вилочный погрузчик с водородным двигателем внутреннего сгорания (или «HICE») или погрузчик HICE — это промышленный вилочный погрузчик с водородным двигателем внутреннего сгорания , используемый для подъема и транспортировки материалов. Первый серийный вилочный погрузчик HICE на базе Linde X39 Diesel был представлен на выставке в Ганновере 27 мая 2008 года. В нем использовался дизельный двигатель внутреннего сгорания объемом 2,0 литра и мощностью 43 кВт (58 л.с.), переоборудованный для использования водорода в качестве топлива с использование компрессора и непосредственный впрыск . [72] [73]
В 2013 году в США при погрузочно-разгрузочных работах использовалось более 4000 вилочных погрузчиков на топливных элементах . [74] По состоянию на 2024 год во всем мире эксплуатируется около 50 000 водородных вилочных погрузчиков (большая часть из которых находится в США) по сравнению с 1,2 миллиона аккумуляторных электрических вилочных погрузчиков, которые были приобретены в 2021 году. [75]
Большинство компаний в Европе и США не используют вилочные погрузчики с бензиновым двигателем, поскольку эти транспортные средства работают в закрытых помещениях, где необходимо контролировать выбросы, и вместо этого используют электрические вилочные погрузчики. [76] [77] Вилочные погрузчики на топливных элементах можно заправить за 3 минуты. Их можно использовать на холодильных складах, так как их производительность не ухудшается при понижении температуры. Блоки топливных элементов часто проектируются как замена. [78] [79]
В сценарии «Чистые нулевые выбросы » Международного энергетического агентства на 2022 год прогнозируется, что в 2050 году водород будет обеспечивать 2% спроса на энергию на железнодорожном транспорте, в то время как к тому времени ожидается, что 90% железнодорожных перевозок будет электрифицировано (по сравнению с 45% сегодня). Роль водорода в железнодорожной отрасли, скорее всего, будет сосредоточена на линиях, электрификация которых окажется сложной или дорогостоящей. [80]
В марте 2015 года China South Rail Corporation (CSR) продемонстрировала первый в мире трамвай, работающий на водородных топливных элементах, на сборочном предприятии в Циндао. [81] Гусеницы для нового автомобиля построены в семи городах Китая. [82]
В 2018 году на севере Германии были введены в эксплуатацию первые поезда Coradia iLint на топливных элементах ; Избыточная мощность сохраняется в литий-ионных батареях . [83]
В 2007 году компания Pearl Hydrogen Power Source Technology Co из Шанхая , Китай, продемонстрировала водородный велосипед PHB . [84] [85] В 2014 году австралийские учёные из Университета Нового Южного Уэльса представили свою модель Hy-Cycle. [86] В том же году Canyon Bicycles начала работу над концептуальным велосипедом Eco Speed. [87]
В 2017 году французская компания Pragma Industries разработала велосипед, способный проехать 100 км на одном водородном баллоне. [88] В 2019 году Pragma объявила, что продукт Alpha Bike был улучшен и теперь обеспечивает запас хода педалей с электроприводом в 150 км, а первые 200 велосипедов будут предоставлены журналистам, освещающим 45-й саммит G7 в Биарриц , Франция. [89]
В 2020 году компания Alles over Waterstof [90] разработала двухколесный самокат с водородным двигателем. Скутер имеет запас хода более 20 км на 15 граммах водорода. В нем используется сменный водородный баллон емкостью 1 литр и давлением 200 бар. В 2021 году компания разработала грузовой велосипед с водородным двигателем, в котором используется статический 3-литровый многоразовый водородный баллон с давлением 300 бар. Велосипед HydroCargo имеет запас хода до 100 км на 80 граммах водорода. [91]
Ллойд Альтер из TreeHugger отреагировал на это объявление, спросив: «Почему… приходится преодолевать трудности с использованием электричества для производства водорода только для того, чтобы превратить его обратно в электричество, чтобы зарядить батарею для запуска электронного велосипеда [или] выбрать топливо, которое требует дорогая заправочная станция, которая может обрабатывать только 35 велосипедов в день, когда вы можете заряжать велосипед с батарейным питанием где угодно. [Если] вы были оператором автопарка, почему бы [не] просто заменить батареи, чтобы увеличить запас хода и быстрый оборот?» [92]
Военное подразделение General Motors , GM Defense , специализируется на автомобилях на водородных топливных элементах. [93] Его SURUS (универсальная надстройка Silent Utility Rover) представляет собой гибкую электрическую платформу на топливных элементах с автономными возможностями. С апреля 2017 года армия США проводит испытания коммерческого автомобиля Chevrolet Colorado ZH2 на своих базах в США, чтобы определить жизнеспособность транспортных средств с водородным двигателем в тактических условиях военных миссий. [94]
ENV разрабатывает электрические мотоциклы, работающие на водородных топливных элементах, в том числе Crosscage и Biplane. Другие производители, такие как Vectrix, работают над водородными скутерами. [95] Наконец, производятся гибридные скутеры на водородных топливных элементах, такие как скутер на топливных элементах Suzuki Burgman [96] и FHybrid. [97] Burgman получил одобрение «целого типа транспортного средства» в ЕС. [98] Тайваньская компания APFCT провела уличные испытания 80 скутеров на топливных элементах для Тайваньского бюро энергетики. [99]
Концептуальные автомобили водородных авторикш были построены компаниями Mahindra HyAlfa и Bajaj Auto. [100] [101]
H-Due [102] компании Autostudi Srl — это квадроцикл с водородным двигателем, способный перевозить 1-3 пассажиров. Предложена концепция трактора, работающего на водороде. [103] [104]
Рекорд в 207,297 миль в час (333,612 км/ч) был установлен прототипом гоночного автомобиля Ford Fusion Hydrogen 999 на топливных элементах на солончаках Бонневиль в августе 2007 года с использованием большого баллона со сжатым кислородом для увеличения мощности. [105] Рекорд наземной скорости для автомобиля с водородным двигателем - 286,476 миль в час (461,038 км/ч) был установлен Buckeye Bullet 2 Университета штата Огайо , который достиг скорости "летающей мили" 280,007 миль в час. час (450,628 км/ч) на солончаках Бонневиль в августе 2008 года.
В 2007 году была создана Федерация водородных электрических гонок как гоночная организация для автомобилей, работающих на водородных топливных элементах. Организация спонсировала забег Hydrogen 500 на 500 миль. [106]
Автомобили с водородными двигателями внутреннего сгорания отличаются от автомобилей на водородных топливных элементах. Водородный автомобиль внутреннего сгорания представляет собой слегка модифицированную версию традиционного автомобиля с бензиновым двигателем внутреннего сгорания . Эти водородные двигатели сжигают топливо так же, как и бензиновые двигатели; Основное отличие – это выхлопной продукт. Сгорание бензина приводит к выбросам в основном углекислого газа и воды, а также следовых количеств угарного газа , NO x , твердых частиц и несгоревших углеводородов, [107] в то время как основным выхлопным продуктом сгорания водорода является водяной пар.
В 1807 году Франсуа Исаак де Рива спроектировал первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде . [108] В 1965 году Роджер Э. Биллингс, тогда еще ученик средней школы, переоборудовал модель А для работы на водороде. [109] В 1970 году Пол Дигес запатентовал модификацию двигателей внутреннего сгорания, которая позволила бензиновому двигателю работать на водороде. [110]
Компания Mazda разработала двигатели Ванкеля, работающие на водороде, которые используются в Mazda RX-8 Hydrogen RE . Преимущество использования двигателя внутреннего сгорания, подобно Ванкелю и поршневым двигателям, заключается в меньших затратах на переоснащение производства. [111]
Водородные топливные элементы относительно дороги в производстве, поскольку их конструкция требует редких веществ, таких как платина , в качестве катализатора . [112] В 2014 году бывший президент Европейского парламента Пэт Кокс подсчитал, что Toyota первоначально потеряет около 100 000 долларов на каждом проданном Mirai. [45] В 2020 году исследователи химического факультета Копенгагенского университета разрабатывают новый тип катализатора, который, как они надеются, снизит стоимость топливных элементов. [113] В этом новом катализаторе используется гораздо меньше платины, поскольку наночастицы платины не покрыты углеродом, который в обычных водородных топливных элементах удерживает наночастицы на месте, но также приводит к нестабильности катализатора и его медленной денатурации, требуя еще больше платины. В новой технологии вместо наночастиц используются прочные нанопроволоки. «Следующим шагом исследователей станет масштабирование результатов, чтобы эту технологию можно было внедрить в водородные автомобили». [114]
Проблемы ранних конструкций топливных элементов при низких температурах, касающиеся дальности полета и возможности холодного запуска, были решены, так что их «больше нельзя рассматривать как препятствия». [115] В 2014 году пользователи заявили, что их автомобили на топливных элементах безупречно работают при температурах ниже нуля, даже при включенных обогревателях, без существенного уменьшения дальности хода. [116] Исследования с использованием нейтронной радиографии при холодном запуске без посторонней помощи указывают на образование льда на катоде, [117] три стадии холодного запуска [118] и ионную проводимость нафиона. [119] Для измерения возможности холодного запуска также был определен параметр, определяемый как кулон заряда. [120]
Срок службы топливных элементов сопоставим со сроком службы других транспортных средств. [121] [ нужны разъяснения ] Срок службы топливных элементов с полимерно-электролитной мембраной (ПЭМ) составляет 7300 часов в условиях циклического использования. [122]
Водород не существует в удобных резервуарах или месторождениях, таких как ископаемое топливо или гелий . [123] Его производят из такого сырья, как природный газ и биомасса, или электролизом из воды. [124] Предполагаемое преимущество крупномасштабного внедрения водородных транспортных средств заключается в том, что это может привести к снижению выбросов парниковых газов и предшественников озона. [125] Однако по состоянию на 2014 год 95% водорода производится из метана . Его можно производить термохимическими или пиролитическими методами с использованием возобновляемого сырья, но это дорогостоящий процесс. [5]
Однако возобновляемую электроэнергию можно использовать для преобразования воды в водород: комплексные установки по производству энергии из ветра в водород ( энергия в газ ), использующие электролиз воды , изучают технологии, позволяющие обеспечить достаточно низкие затраты и достаточно большие объемы, чтобы конкурировать с ними. традиционные источники энергии. [126] Проблемы, с которыми сталкивается использование водорода в транспортных средствах, включают его хранение на борту транспортного средства. По состоянию на сентябрь 2023 года водород стоил 36 долларов за килограмм на общественных заправочных станциях в Калифорнии, что в 14 раз дороже за милю для Mirai по сравнению с Tesla Model 3. [127]
Молекулярный водород, необходимый в качестве бортового топлива для водородных транспортных средств, может быть получен многими термохимическими методами с использованием природного газа , угля (процесс, известный как газификация угля), сжиженного нефтяного газа , биомассы ( газификация биомассы ), с помощью процесса, называемого термолизом или как микробные отходы, называемые биоводородом или производством биологического водорода . 95% водорода производится с использованием природного газа. [128] Водород можно получать из воды электролизом с КПД 65–70%. [129] Водород можно получить путем химического восстановления с использованием химических гидридов или алюминия. [130] Современные технологии производства водорода используют энергию в различных формах, что составляет от 25 до 50 процентов высшей теплоты сгорания водородного топлива, используемого для производства, сжатия или сжижения, а также передачи водорода по трубопроводу или грузовиком. [131]
Экологические последствия производства водорода из ископаемых энергетических ресурсов включают выбросы парниковых газов , последствия, которые также могут возникнуть в результате преобразования метанола в водород на борту судна. [132] Производство водорода с использованием возобновляемых источников энергии не приведет к таким выбросам, но масштабы производства возобновляемой энергии необходимо будет расширить, чтобы использовать его при производстве водорода для значительной части транспортных нужд. [133] В некоторых странах возобновляемые источники энергии используются более широко для производства энергии и водорода. Например, Исландия использует геотермальную энергию для производства водорода, [134] а Дания использует ветер . [135]
Сжатый водород в водородных баках при давлении 350 бар (5000 фунтов на квадратный дюйм) и 700 бар (10000 фунтов на квадратный дюйм) используется для систем водородных баков в транспортных средствах, основанных на технологии углеродных композитов типа IV. [136]
Водород имеет очень низкую объемную плотность энергии в условиях окружающей среды по сравнению с бензином и другими автомобильными видами топлива. [137] Его необходимо хранить в транспортном средстве либо в виде переохлажденной жидкости, либо в виде сильно сжатого газа, для чего требуется дополнительная энергия. [138] В 2018 году исследователи из CSIRO в Австралии заправили Toyota Mirai и Hyundai Nexo водородом, отделенным от аммиака с помощью мембранной технологии. Аммиак легче безопасно перевозить в цистернах, чем чистый водород. [139]
Чтобы обеспечить доставку водородного топлива конечным потребителям транспорта, необходим широкий спектр инвестиций, в том числе, по данным Международного энергетического агентства (МЭА), «строительство и эксплуатация новой портовой инфраструктуры, буферных хранилищ, трубопроводов, судов, заправочные станции и заводы для преобразования водорода в более легко транспортируемый товар (и, возможно, обратно в водород)». [140] В частности, МЭА отмечает, что заправочные станции потребуются в местах, подходящих для грузовых перевозок на дальние расстояния, таких как промышленные центры, и определяет необходимость инвестиций в инфраструктуру аэропортов для хранения и доставки водорода. МЭА считает требования к инфраструктуре использования водорода в судоходстве более сложными, обращая внимание на «необходимость крупных инвестиций и скоординированных усилий поставщиков топлива, портов, судостроителей и грузоотправителей». [141]
По состоянию на 2021 год [обновлять]в США действовало 49 общедоступных водородных заправочных станций, 48 из которых располагались в Калифорнии (по сравнению с 42 830 электрозаправочными станциями). [142] [143] К 2017 году в Японии насчитывалась 91 водородная заправочная станция. [144]
Водородные кодексы и стандарты, а также кодексы и технические стандарты безопасности и хранения водорода стали институциональным барьером для внедрения водородных технологий . Чтобы обеспечить коммерциализацию водорода в потребительских товарах, необходимо разработать новые кодексы и стандарты, которые будут приняты федеральными властями, правительствами штатов и местными властями. [145]
Поддерживаются автобусы на топливных элементах. [146]
Управление энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк (NYSERDA) создало стимулы для электрических грузовиков и автобусов на водородных топливных элементах. [147]
Критики утверждают, что временные рамки для преодоления технических и экономических проблем, связанных с широкомасштабным использованием водорода в автомобилях, вероятно, составят как минимум несколько десятилетий. [148] [149] Они утверждают, что акцент на использовании водородных автомобилей является опасным отходом от более доступных решений по сокращению использования ископаемого топлива в транспортных средствах. [150] В 2008 году журнал Wired News сообщил, что «эксперты говорят, что пройдет 40 или более лет, прежде чем водород окажет какое-либо значимое влияние на потребление бензина или глобальное потепление, и мы не можем позволить себе ждать так долго. Тем временем топливные элементы отвлекают ресурсы от более срочных решений». [151]
В документальном фильме 2006 года « Кто убил электромобиль?» Бывший чиновник Министерства энергетики США Джозеф Ромм заявил: «Водородный автомобиль — один из наименее эффективных и самых дорогих способов сокращения выбросов парниковых газов». [152] Он также утверждал, что стоимость создания общенациональной сети водородных заправочных станций будет непомерно высокой. [153] Он придерживался тех же взглядов в 2014 году. [154] [155] В 2009 году газета Los Angeles Times написала, что «водород — паршивый способ передвижения автомобилей». [156] Роберт Зубрин , автор книги «Энергия победы» , заявил: «Водород — это «почти худшее автомобильное топливо»». [157] The Economist отметил, что большая часть водорода производится посредством паровой реформации метана , которая создает по крайней мере такой же объем выбросов углерода на милю, как некоторые современные бензиновые автомобили, но если бы водород можно было производить с использованием возобновляемых источников энергии, «это, несомненно, было бы проще использовать эту энергию для зарядки аккумуляторов полностью электрических или гибридных транспортных средств». [157] За время своего существования водородные автомобили будут выделять больше углерода, чем бензиновые. [158] [9] В 2009 году газета Washington Post спросила: «Почему вы хотите хранить энергию в форме водорода, а затем использовать этот водород для производства электроэнергии для двигателя, когда электрическая энергия уже ждет, чтобы ее высосали?» из розеток по всей Америке и хранится в автомобильных аккумуляторах»? [128] [159]
Рудольф Кребс из Volkswagen заявил в 2013 году, что «независимо от того, насколько превосходны вы сами по себе автомобили, законы физики снижают их общую эффективность. Самый эффективный способ преобразования энергии в мобильность — это электричество». Он уточнил: «Мобильность водорода имеет смысл только в том случае, если вы используете экологически чистую энергию», но... вам необходимо сначала преобразовать его в водород «с низким КПД», при этом «вы теряете около 40 процентов исходной энергии». Затем вам придется сжимать водород и хранить его под высоким давлением в резервуарах, что требует больше энергии. «А затем вам придется преобразовывать водород обратно в электричество в топливном элементе с еще одной потерей эффективности». Кребс продолжил: «В конце концов, из ваших первоначальных 100 процентов электрической энергии у вас останется от 30 до 40 процентов». [160] В 2015 году CleanTechnica перечислила некоторые недостатки автомобилей на водородных топливных элементах . в автомобилях с полностью электрическими аккумуляторами является более экономичным выбором для снижения выбросов углекислого газа». [163]
Анализ 2017 года, опубликованный в Green Car Reports, пришел к выводу, что лучшие автомобили на водородных топливных элементах потребляют «более чем в три раза больше электроэнергии на милю, чем электромобиль… производят больше выбросов парниковых газов , чем другие технологии силовых агрегатов… [и ] очень высокие затраты на топливо ... Принимая во внимание все препятствия и требования к новой инфраструктуре (стоимость которой оценивается в 400 миллиардов долларов), автомобили на топливных элементах, вероятно, в лучшем случае будут нишевой технологией, мало влияющей на потребление нефти в США. [144] Министерство энергетики США соглашается с тем, что топливо производится с помощью электролиза, но не для большинства других способов производства. [164] В видеоролике Real Engineering , опубликованном в 2019 году , отмечается, что несмотря на появление транспортных средств, работающих на водороде. 95% водорода, который до сих пор производится из ископаемого топлива, выделяет углекислый газ, а производство водорода из воды является энергозатратным процессом. Хранение водорода требует больше энергии либо для его охлаждения до жидкого состояния, либо для помещения его в резервуары под высоким давлением, а доставка водорода на заправочные станции требует больше энергии и может выделять больше углерода. Водород, необходимый для перемещения FCV на километр, стоит примерно в 8 раз дороже, чем электричество, необходимое для перемещения BEV на такое же расстояние. [165] Также в 2019 году Кацуши Иноуэ, президент Honda Europe, заявил: «Сейчас мы сосредоточены на гибридных и электромобилях. Возможно, появятся автомобили на водородных топливных элементах, но это технология следующей эпохи». [166]
Оценки, проведенные с 2020 года, показали, что водородные автомобили по-прежнему эффективны только на 38%, тогда как эффективность электромобилей с аккумулятором составляет от 80% до 95%. [167] [168] Оценка CleanTechnica , проведенная в 2021 году , пришла к выводу, что помимо того факта, что водородные автомобили гораздо менее эффективны, чем электромобили, подавляющее большинство производимого водорода загрязняет серый водород , а для доставки водорода потребуется строительство огромного и Дорогая новая инфраструктура, оставшиеся два «преимущества транспортных средств на топливных элементах – больший запас хода и быстрое время заправки – быстро сводятся на нет из-за совершенствования аккумуляторов и технологий зарядки». [53] Исследование Nature Electronics, проведенное в 2022 году , подтвердило это. [169] В другой статье 2022 года в Recharge News говорилось, что корабли, скорее всего, будут работать на аммиаке или метаноле, чем на водороде. [170] Также в 2022 году немецкий Институт Фраунгофера пришел к выводу, что водород вряд ли будет играть важную роль в автомобильном транспорте. [27]
Исследование Центра международных исследований климата и окружающей среды (CICERO), проведенное в 2023 году, показало, что утечка водорода оказывает глобальное потепление в 11,6 раз сильнее, чем CO₂. [10]
Водородное топливо опасно из-за низкой энергии воспламенения (см. также температуру самовоспламенения ) и высокой энергии сгорания водорода, а также из-за того, что оно имеет тенденцию легко вытекать из резервуаров из-за своего небольшого молекулярного размера . [171] Водородное охрупчивание также является проблемой для материала резервуара для хранения, а также для деталей автомобиля, окружающих резервуар, если присутствует хроническая утечка. Водород не имеет запаха, поэтому утечки нелегко обнаружить без специальных детекторов. [172]
Сообщалось о взрывах на водородных заправочных станциях. [173] Водородные заправочные станции обычно получают водород грузовиками от поставщиков водорода. Перебои в работе системы подачи водорода могут привести к остановке нескольких водородных заправочных станций. [174]
Водородные автомобили конкурируют с различными предлагаемыми альтернативами современной автомобильной инфраструктуре с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими на ископаемом топливе . [112]
Транспортные средства , работающие на сжатом природном газе (КПГ), HCNG , LPG или LNG на базе ДВС , называемые транспортными средствами на природном газе (NGV), используют метан , полученный из природного газа или биогаза, в качестве источника топлива. Метан имеет более высокую плотность энергии, чем водород, а природный газ, получаемый из биогаза, почти углеродно-нейтрален . [175] В отличие от транспортных средств на водороде, технология транспортных средств, работающих на КПГ, доступна уже многие десятилетия, и на существующих заправочных станциях имеется достаточная инфраструктура для обеспечения как коммерческой, так и домашней заправки. К концу 2011 года во всем мире насчитывалось 14,8 миллионов автомобилей, работающих на природном газе, в основном это автомобили, работающие на двух видах топлива . [176] Другое применение природного газа — паровой риформинг , который является распространенным способом производства газообразного водорода для использования в электромобилях с топливными элементами. [4]
Метан также является альтернативным ракетным топливом . [177]
Гибридные электромобили с подзарядкой от сети (PHEV) — это гибридные электромобили , которые можно подключать к электрической сети для подзарядки бортового аккумуляторного блока , вместо того, чтобы полагаться исключительно на двигатель внутреннего сгорания для приведения в действие генератора для питания электродвигателя и аккумулятора. пакет как в обычных гибридных автомобилях. Концепция PHEV повышает топливную экономичность автомобиля , позволяя больше ездить в режиме EV , в то же время уменьшая беспокойство по поводу запаса хода за счет использования двигателя внутреннего сгорания (обычно бензинового двигателя с турбонаддувом ) в качестве вспомогательной силовой установки или расширителя запаса хода .
В сегменте легких дорожных транспортных средств к 2023 году во всем мире было продано 26 миллионов электромобилей с аккумуляторной батареей [26] , а в Северной Америке существовало 65 730 общественных зарядных станций , а также была доступна зарядка дома и на рабочем месте через вилки и розетки переменного тока. . [178] Электрогрузовикам на дальние расстояния требуется более мощная зарядная инфраструктура . [179]
Исходя из этого, энергетическая плотность водорода низка (поскольку он имеет очень низкую плотность), хотя его соотношение энергии к весу является лучшим из всех видов топлива (потому что он очень легкий).
{{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )