Vetykäyttöiset ajoneuvot ovat erilaisia ajoneuvoja, jotka käyttävät vetyä polttoaineena . Nämä voivat olla ajoneuvoja , joissa on sekä polttomoottorit , kaasuturbiinimoottorit että vetypolttokennot .
Vuonna 1806 François Isaac de Rivaz (1752-1828) loi ensimmäisen vedyllä toimivan polttomoottorin . Keksijä tuotti vetyä veden elektrolyysillä .
Vuonna 1941 piiritetyssä Leningradissa bensiinistä oli pulaa , mutta vetyä oli saatavilla suuria määriä. Sotilasteknikko Boris Shelishch ehdotti ilma-vety-seoksen käyttöä padolle ilmapallojen ohjaamiseen . Ilmapallovinssien polttomoottorit siirrettiin vedylle . Saarron aikana noin 600 autoa ajoi vedyllä kaupungissa. [yksi]
Vedyn käyttö energian kantajana sekä vähentää merkittävästi fossiilisten hiilivetypolttoaineiden kulutusta että edistyy merkittävästi kaupunkien ilmansaasteiden ympäristöongelman ratkaisemisessa autojen ja dieselvetureiden pakokaasujen ihmisten terveydelle haitallisista komponenteista [2] .
Vuonna 2009 noin 25 % hiilidioksidipäästöistä maapallon ilmakehään syntyi erilaisten liikennemuotojen toiminnasta [3] . IEA:n mukaan tämä määrä kaksinkertaistuu vuoteen 2050 mennessä ja jatkaa kasvuaan henkilöautojen määrän kasvaessa kehitysmaissa [4] . Hiilidioksidin lisäksi ilmakehään vapautuu typen oksideja , jotka lisäävät astman ilmaantuvuutta , rikkioksideja, aiheuttavat happosadetta jne.
Meriliikenteessä käytetään usein huonolaatuisia halpoja polttoaineita. Meriliikenne tuottaa 700 kertaa enemmän rikkioksideja kuin tieliikenne . Kansainvälisen merenkulkujärjestön mukaan kauppalaivojen hiilidioksidipäästöt ovat nousseet 1,12 miljardiin tonniin vuodessa [ 5 ] .
Toinen syy lisääntyneeseen kiinnostukseen vetykuljetuksia kohtaan on energian hintojen nousu (tällä hetkellä valtaosa niistä on hiiltä, öljyä ja niiden johdannaisia), polttoainepula sekä eri maiden halu saada energiariippumattomuutta [2] .
Vetyä voidaan käyttää polttoaineena perinteisessä polttomoottorissa [6] . Tässä tapauksessa moottorin teho pienenee 65-82 prosenttiin verrattuna bensiiniversioon . Jos kuitenkin teet pieniä muutoksia sytytysjärjestelmään, moottorin teho nousee 117 prosenttiin verrattuna bensiiniversioon, mutta tässä tapauksessa typen oksidien tuotto kasvaa polttokammion korkeamman lämpötilan vuoksi [7] ja venttiilien ja mäntien palamisen todennäköisyys kasvaa pitkään työskennellessä suurella teholla [8] . Lisäksi vety pystyy reagoimaan moottorissa syntyvissä lämpötiloissa ja paineissa moottorin rakennemateriaalien ja voiteluaineiden kanssa, mikä johtaa nopeaan kulumiseen [7] . Lisäksi vety on erittäin haihtuvaa, minkä vuoksi se voi tavanomaista kaasuttimen tehojärjestelmää käytettäessä tunkeutua pakosarjaan, jossa se myös syttyy korkeasta lämpötilasta [6] . Perinteiset mäntäpolttomoottorit on huonosti sovitettu toimimaan vedyllä. Tyypillisesti pyörivää polttomoottoria käytetään vetykäyttöön , koska siinä pakosarja irtoaa merkittävästi imusarjasta.
Vetykäyttöisiä ajoneuvoja valmistetaan jo. Tällaisia ajoneuvoja valmistavien yritysten joukossa ovat Toyota , Honda ja Hyundai . Vetykäyttöisiä ajoneuvoja kehittävät myös Daimler , Audi , BMW , Ford , Nissan ja muut.
Vuonna 2016 ensimmäinen vetyjuna , Alstomin Coradia iLint , otettiin käyttöön Saksassa , ja juna alkaa liikennöidä Buxtehude- Cuxhaven -reitillä Ala -Saksissa joulukuusta 2017 alkaen. Niiden oletetaan lopulta korvaavan 4 000 diesel-seutujunaa, jotka liikennöivät Saksassa sähköistämättömillä rautatieosuuksilla. Alstomin mukaan myös Hollanti, Tanska ja Norja ovat ilmaisseet kiinnostuksensa tällaisia junia kohtaan. [9]
Saatavilla rajoitettu erä:
Boeing Company kehittää miehittämätöntä lentokonetta suuriin korkeuksiin ja pitkiin lentoihin (High Altitude Long Endurance (HALE). Kone on varustettu Ford Motor Companyn valmistamalla HICE:llä [12] ) .
Vetypolttoaineen laajaa käyttöönottoa rajoittaa edelleen vedyn korkeampi hinta verrattuna perinteisiin neste- ja kaasupolttoaineisiin sekä tarvittavan infrastruktuurin puute. Perinteisen polttoaineen ja vedyn seokset voivat muodostua väliratkaisuksi. Vetyä voidaan käyttää laihojen seosten syttyvyyden parantamiseen tavanomaisilla polttoaineilla toimivissa polttomoottoreissa [6] . Esimerkiksi HCNG on vedyn ja maakaasun seos.
Tehdään asennuksia, jotka tuottavat vetyä tislatusta vedestä ajoneuvossa. Sitten dieselpolttoaineeseen lisätään vetyä. Tällaiset laitokset on varustettu raskailla kuorma-autoilla ja kaivoslaitteilla. Tämän uskotaan mahdollistavan polttoaineen kulutuksen vähentämisen ja moottorin tehon lisäämisen sekä päästöjen ympäristövaaran vähentämisen [13] , vaikka on muitakin näkökulmia [14] .
1980 - luvun alussa N. Kuznetsovin suunnittelutoimisto ( Samara ) kehitti Tupolev - matkustajakoneisiin suunniteltuja lentokoneita . Nämä vetykäyttöiset moottorit on testattu osana Tu-155 :tä . Venäjän tapahtumat 1980-luvun lopulla ja 1990-luvun alussa eivät mahdollistaneet N. Kuznetsovin vetylentokoneiden moottoreiden käyttöä laajasti liikenteessä ja matkustajalentotoiminnassa. Tähän päivään mennessä Samaran suunnittelutoimiston varastoissa on säilynyt useita N. Kuznetsovin koirautaisia lentokoneiden moottoreita [15] .
Boeing suoritti 3. huhtikuuta 2008 lentokokeita Dimona-kevyellä kaksipaikkaisella lentokoneella, jossa oli vetypolttokennovoimalaitos [16] .
Vetypolttokennot voivat tuottaa sähköä ajoneuvossa olevaan sähkömoottoriin ja siten korvata polttomoottorin, tai niitä voidaan käyttää ajoneuvon sähkönlähteenä.
Ensimmäisen polttokennoajoneuvon loi vuonna 1959 Allis-Chalmers Manufacturing Company ( USA ). Alkalipolttokennot (AFC) asennettiin traktoriin . Vuonna 1962 - golfautolla. Vuonna 1967 Union Carbide (USA) asensi polttokennoja moottoripyörään . Vuonna 1982 Neuvostoliitossa kehitettiin kokeellinen vety-minibussi " Kvant-RAF ", jossa oli sähkökäyttöinen alkalisten polttokennojen käyttö.
Suurin etu polttokennojen käyttöönotosta maa-ajoneuvoissa (esim. autoissa): odotettu korkea hyötysuhde . Nykyaikaisen auton polttomoottorin hyötysuhde on 35%, ja vetypolttokennon hyötysuhde on 45% tai enemmän. Kanadalaisen Ballard Power Systemsin vetypolttokennoväylän testeissä osoitettiin 57 %:n hyötysuhde. [17] . Klassisen lyijyakun hyötysuhde on korkeampi - jopa 70-90%. Mutta tärkein sähköajoneuvojen massatuotantoa hidastava tekijä on akkujen korkea hinta ja epätäydellisyys. Lupaava suunta on myös superkondensaattorien käyttö hybridi - ja sähköautoissa .
Autoihin ja linja -autoihin asennetaan pääsääntöisesti protoninvaihtokalvon (PEM) polttokennoja . Niiden tärkeimmät edut ovat: tiiviys, kevyt paino, alhainen prosessilämpötila.
Vuonna 2002 Yhdysvaltain energiaministeriö asetti tavoitteeksi alentaa polttokennojen hintaa 45 dollariin per 1 kW asennettua kapasiteettia kohti vuoteen 2010 mennessä ja 30 dollariin per 1 kW vuoteen 2015 mennessä (vuonna 2002 dollariin, ilman inflaatiota). Tämä tarkoittaa, että 100 kW:n voimalaitoksen sisäinen sähkönlähde. (134 hv) maksaa 3 000 dollaria, mikä on verrattavissa polttomoottorin hintaan [18] .
Vetypolttokennoajoneuvot valmistetaan ja testataan:
ja muut yksittäiskappaleet Brasiliassa , Kiinassa , Tšekin tasavallassa jne.
Maailman ensimmäinen tuotantoauto tulee myyntiin vuoden 2014 lopussa [21] :
Vuosina 2003–2006 36 Clean Urban Transport for Europe -bussia ajoi yli 2 miljoonaa kilometriä ja kuljetti 6 miljoonaa matkustajaa. Tammikuussa 2021 Aberdeen toi markkinoille Wright StreetDeck -linjan , maailman ensimmäiset vetykäyttöiset kaksikerroksiset linja-autot , joista jokainen maksaa noin 500 000 puntaa [22] .
Vuonna 2021 maailman ensimmäiset vetykäyttöiset kaksikerroksiset bussit otettiin virallisesti käyttöön Skotlannin Aberdeenissä. [23]
Polttoaineen kulutusOpel Zafira 94 kW:n vetypolttokennovoimalaitoksella Washingtonissa kuluttaa 1,83 kg vetyä 100 mailia (160 km) ajoa kohden, eli 6,4 litraa bensiiniä. . Opel Zafiran bensiinianalogi 1,6 litran moottorilla, jonka teho on 85 kW, kuluttaa 5,8 litraa bensiiniä 100 kilometriä kohden maantiellä.
National Renewable Energy Laboratory (USA) käyttää laskelmissaan henkilöauton keskimääräistä ajomatkaa 12 000 mailia vuodessa (19 200 km), vedyn kulutus on 1 kg 60 mailia (96 km) ajoa kohden. Eli yksi vetypolttokennohenkilöauto vaatii 200 kg vetyä vuodessa eli 0,55 kg päivässä. Kilogramman vetyä katsotaan energia-arvoltaan yhtä suureksi kuin yksi gallona (3,78 litraa) bensiiniä [24] .
Rautateiden propulsiojärjestelmien tulee kehittää melko suurta tehoa, kun taas rautateiden propulsiojärjestelmien kompaktiudella on vähemmän merkitystä kuin tieliikenteessä. Rautatieliikenne muodostaa valtavat markkinat vetypolttokennovoimalaitoksille. Tällä hetkellä noin 60 % maailman rautateiden tavaraliikenteestä kuljetetaan dieselvetureilla. Toinen kannattava mahdollisuus on rakentaa polttokennoilla vetureita, joissa yhdistyvät dieselveturin ja sähköveturin edut (kyky saada virtaa sähköistettyjen ratojen kontaktiverkosta ja autonomia ohittaessaan sähköistämätöntä osiot).
Japanin rautateiden tekninen tutkimuslaitos testasi 18. helmikuuta 2004 vetypolttokennojunan prototyyppiä [25] ensimmäistä kertaa maailmassa .
Yhdysvalloissa vetypolttokennoveturi , jonka kapasiteetti on 2 tuhatta litraa . Kanssa. sen piti alkaa vuonna 2009 [26] . Veturi on luotu vuodesta 2003 lähtien Yhdysvaltain puolustusministeriön (DoD) kanssa ei-taktisiin sotilaallisiin tarkoituksiin ja kaupalliseen käyttöön [27] .
Tanskassa vetyjuna kulkee Vembin, Lemvigin ja Thyboronin välillä . Reitin pituus on 59 km, jota rajoittaa vetysäiliöiden kapasiteetti. Hanke nimettiin Tanskan vetyjunaprojektiksi [28] .
Hitachi [29] ja Kinki Sharyo [30] kehittävät myös vetykalustoa Japanissa .
Fraunhofer Institute for Transport and Infrastructure Systems ( Saksa ) on luonut prototyypin hybridiraitiovaunusta ja linja -autosta . AutoTram on varustettu vetypolttokennolla ja vauhtipyörällä, joka latautuu jarrutettaessa ja kiihdyttää autoa käynnistettäessä. Prototyyppi on 18 metriä pitkä, mutta instituutin mukaan on mahdollista luoda 56-metrisiä autoja, joihin mahtuu 300 matkustajaa. Polttokenno Ballard Power Systemsiltä, vauhtipyörä CCM Nuenen. 10 kg vetyä varastoidaan katolle. AutoTram kehittää 60 km/h nopeutta. [31] Kiinassa toimii myös vetypolttokennovaunu.
Saksassa lanseerattiin vuonna 2018 ensimmäinen vetykäyttöinen matkustajajuna Coradia iLint. Vuoteen 2021 mennessä on tarkoitus käynnistää vielä 14 tällaista junaa [32] .
8. huhtikuuta 2021 julkistettiin Ranskan Auvergne-Rhône-Alpesin, Burgundy-Franche-Comtén, Grand Estin ja Occitanian alueiden allekirjoittama sopimus 12 hybridisähköjunan ostamisesta Alstomilta (4 autoa kussakin noin 220 kappaletta). istuimet), jotka voivat vastaanottaa sähköä sekä kontaktiverkosta että vetypolttokennoista. Alstomin mukaan kantama vetypolttoaineella on 600 km [33] .
Vetypolttokennojen käyttöönottamiseksi Euroopan meriliikenteessä perustettiin vuonna 2003 konsortio FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships) [34] . FellowSHIP-konsortioon kuuluvat Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik ja Wärtsilä Automation Norway.
Myös Euroopassa luotu:
Saksa valmistaa U-212- luokan sukellusveneitä , joissa on Siemens AG :n valmistamia polttokennoja . U-212 :t ovat liikenteessä Saksan kanssa, tilauksia on saatu Kreikasta , Italiasta , Koreasta , Israelista . Veden alla vene kulkee vedyllä eikä aiheuta melua.
Espanjalainen laivanrakentaja Navantia, SA suunnittelee aloittavansa S-80-luokan sukellusveneiden tuotannon, joissa on 300 kW PEM-vetypolttokenno. Vetyä tuotetaan sukellusveneessä etanolista . Polttokennotoimittaja on UTC Power ( USA ). S-80:t on suunniteltu suojelemaan rannikkoa. Vetypolttokennojen käyttö vähentää melutasoa ja lisää veden alla vietettyä aikaa.
Zemshipsin toiminta alkoi kesällä 2008 .
Islanti aikoo muuttaa kaikki kalastusalukset vedyksi . Vedyn tuotantoon käytetään geotermistä energiaa ja vesivoimaa.
Ensimmäinen 20 kW PEM-polttokennovoimalaitoksella varustetun lentokoneen miehitetty lento tapahtui 3. huhtikuuta 2008 [35] . Projektin ovat kehittäneet Boeing ja ryhmä eurooppalaisia yrityksiä. Polttokennot - valmistaja UQM Technologies (USA).
Fraunhofer Institute (Saksa) kehittää miehittämätöntä helikopteria , jossa on vetypolttokennovoimalaitos (polttokennon paino - 30 grammaa. Teho - 12 wattia). [36] .
Myös yhdysvaltalaiset ja israelilaiset yritykset kehittävät polttokennollisia miehittämättömiä ilma-aluksia.
Apukuljetukset toimivat ahtaissa tiloissa: varastot, lentokentät, suuret teollisuustehtaat, sotilastukikohdat jne.
Aktiivisimmat vetypolttokennot asennetaan varastotrukkeihin. Hieman alle puolet vuonna 2006 ajoneuvoihin asennetuista uusista polttokennoista asennettiin varastotrukkiin. Akkujen vaihtaminen polttokennoihin vähentää merkittävästi akkukauppojen pinta-alaa. 12 kuorma-auton akkujen huoltoon tarvitaan 370 neliömetriä. m., kun taas vetyn tankkausaseman pinta-ala on 18,5 neliömetriä. ( Wal-Martin testitiedot ). Yhden kuorma-auton tankkaus vedyllä kestää vain noin 2 minuuttia.
Suuret 90 000 m²:n jakelukeskukset vaativat 100-300 kuorma-autoa ja kolme akkusarjaa per kuorma-auto. Paristot vaihdetaan 300 kertaa päivässä. Suuret vähittäiskauppaketjut ( Wal-Mart , Kroger , Target , Sysco , SuperValu , Ahold jne.) käyttävät 5 000-20 000 varastotrukin kalustoa.
Vuonna 2009 Yhdysvallat aloitti varastotrukkien aktiivisen muuntamisen vedyksi. Yritykset alkoivat muuttaa trukkejaan vetykäyttöisiksi: Nestle [37] , vähittäismyyntiketju HEB (Texas) [38] , Anheuser Busch [39] , Nissan [40] , GENCO [41] , Coca-Cola [42] ja muut.
Vetypolttokennoja asennetaan polkupyöriin , moottoripyöriin , skoottereihin , sukellusveneisiin, johdinautoihin jne.
Vetypolttokennoja voidaan käyttää myös lentokoneissa, laivoissa ja suurissa kuorma -autoissa . SOFC - polttokennoja voidaan käyttää laivan sähkönlähteenä .
Vuonna 2006 polttokennovalmistajat alkoivat yhdessä Euroopan lentoturvallisuusviraston (EASA) kanssa kehittää lentokoneiden polttokennojen sertifiointistandardeja .
Airbus koordinoi CELINA-projektia (European New Configured Aircraft). Hankkeessa pyritään vähentämään 400-600 kW polttokennojen painoa ja kokoa. Airbus A330-300 tuottaa 40 prosenttia sähköstään vetypolttokennoissa . Kehittäjät asettivat tavoitteen - nostaa tämä luku 60 prosenttiin.
Ensimmäiset lentokokeet 20 kW vetypolttokennovoimalaitokselle lennon aikana. Airbus suoritti helmikuussa 2008 Airbus A320 :lla [43] .
Vetypolttokennovoimaloiden käyttö lentokoneissa vähentää melutasoa, polttoaineen kulutusta ja ympäristölle haitallisten kaasujen päästöjä.
Boeing kehittää myös SOFC -polttokennoja lennon aikana. Voimalaitos, jonka teho on 440 kW. vähentää kerosiinin kulutusta 75 % maassa seisten. Boeing suunnittelee saavansa kehityksen päätökseen vuoteen 2015 mennessä .
Maaliskuussa 2008 Endeavour-sukkulan STS-123- matkan aikana UTC Powerin polttokennot ylittivät 100 000 käyttötunnin virstanpylvään avaruudessa [44] . Vetypolttokennot ovat tuottaneet energiaa avaruussukkuloissa vuodesta 1981 lähtien .
Vedyn käytön vaara polttoaineena liittyy kahteen tekijään: vedyn korkeaan haihtuvuuteen, jonka vuoksi se tunkeutuu hyvin pienten rakojen läpi, ja syttymisen helppouteen [6] . Toisaalta, kun polttoainesäiliö puhkaistaan, bensiiniä roiskuu pinnan yli lätäkönä, kun taas vety poistuu suunnatun suihkun muodossa [47] . On kuitenkin olemassa vaara, että ajoneuvon sisätilojen suljettu tila täyttyy vedyllä.
10.6.2019 Uno-X:n vetytäyttöasemalla Sannvikissa Norjassa tapahtui massiivinen räjähdys, joka aiheutti korkeapainesylinterin vetyvuotoa. Räjähdys ei aiheuttanut kuolonuhreja, mutta räjähdyksen vaikutus oli niin suuri, että se tuntui maanjäristykseltä 28 kilometrin säteellä [48] . Kunnes räjähdyksen syy selvitettiin, Toyota ja Hyundai keskeyttivät vetykäyttöisten ajoneuvojensa myynnin [49] ja kaikki Norjan vetyasemat suljettiin [50] .
2020-luvun alkuun mennessä autonvalmistajat, joilla oli aiemmin vetyteknologian tutkimusohjelmia, ovat luopumassa vedyn käytöstä henkilöautoissa ja näkevät tämän suunnan "lupaamattomana" [58] [59] .
| Vaihtoehtoisia polttoaineita käyttävät ajoneuvot | |
|---|---|
| polttoainekenno |
|
| Lihasvoima |
|
| aurinkoenergia |
|
| Ilmamoottori | |
| Sähköakku ja moottori | |
| biopolttoainemoottori _ | |
| Vety |
|
| Muut | |
| Monipolttoaine |
|
| Dokumentit |
|
| Katso myös |
|