Vodíková vozidla jsou různá vozidla, která používají vodík jako palivo . Mohou to být vozidla se spalovacími motory , motory s plynovou turbínou a vodíkovými palivovými články .
V roce 1806 François Isaac de Rivaz (1752-1828) vytvořil první spalovací motor poháněný vodíkem. Vynálezce vyráběl vodík elektrolýzou vody.
V roce 1941 byl v obleženém Leningradu nedostatek benzínu , ale vodík byl k dispozici ve velkém množství. Vojenský technik Boris Shelishch navrhl použití směsi vzduchu a vodíku k ovládání balonů . Spalovací motory balónových navijáků byly převedeny na vodík . Během blokády jezdilo ve městě asi 600 aut na vodík. [jeden]
Využitím vodíku jako nosiče energie dojde jednak k výraznému snížení spotřeby fosilních uhlovodíkových paliv, jednak k výraznému pokroku v řešení ekologického problému znečištění městského ovzduší škodlivými lidskými složkami výfukových plynů automobilů a dieselových lokomotiv [2] .
V roce 2009 bylo přibližně 25 % emisí oxidu uhličitého do zemské atmosféry vyprodukováno v důsledku provozu různých druhů dopravy [3] . Podle IEA se toto číslo do roku 2050 zdvojnásobí a bude dále růst s tím, jak v rozvojových zemích přibývá soukromých automobilů [4] . Kromě oxidu uhličitého jsou do atmosféry emitovány oxidy dusíku , zodpovědné za nárůst výskytu astmatu , oxidy síry, zodpovědné za kyselé deště atd.
V námořní dopravě se často používají nekvalitní levné druhy paliva. Námořní doprava vypouští 700krát více oxidů síry než silniční doprava. Podle Mezinárodní námořní organizace dosáhly emise CO 2 z obchodních lodí 1,12 miliardy tun ročně [5] .
Dalším důvodem zvýšeného zájmu o přepravu vodíku je růst cen energií (v současnosti je to naprostá většina uhlí, ropy a jejich derivátů), nedostatek paliv a touha různých zemí získat energetickou nezávislost [2] .
Vodík lze použít jako palivo v běžném spalovacím motoru [6] . V tomto případě je výkon motoru snížen na 65 % - 82 % oproti benzínové verzi. Pokud však provedete drobné změny v systému zapalování, výkon motoru se oproti benzínové verzi zvýší na 117 %, ale v tomto případě se díky vyšší teplotě ve spalovacím prostoru zvýší výkon oxidů dusíku [7] a pravděpodobnost spálení ventilů a pístů se zvýší při dlouhé práci na vysoký výkon [8] . Kromě toho je vodík při teplotách a tlacích, které vznikají v motoru, schopen reagovat s konstrukčními materiály motoru a mazivy, což vede k rychlému opotřebení [7] . Vodík je také velmi těkavý, a proto při použití konvenčního pohonného systému karburátoru může proniknout do výfukového potrubí, kde se také vznítí vlivem vysoké teploty [6] . Tradiční pístové spalovací motory jsou pro práci na vodík špatně přizpůsobeny. Typicky se pro provoz na vodík používá rotační spalovací motor , protože v něm je výfukové potrubí výrazně odstraněno ze sacího potrubí.
Vozidla na vodíkový pohon se již vyrábějí. Mezi společnosti, které vyrábějí taková vozidla, jsou Toyota , Honda a Hyundai . Vozidla na vodíkový pohon vyvíjejí také Daimler , Audi , BMW , Ford , Nissan a další.
V roce 2016 byl v Německu představen první vodíkový vlak Coradia iLint společnosti Alstom a od prosince 2017 začne vlak jezdit na trase Buxtehude- Cuxhaven v Dolním Sasku . Předpokládá se, že nakonec nahradí 4000 dieselových regionálních vlaků jezdících v Německu na neelektrifikovaných úsecích železnic. Alstom uvádí, že o takové vlaky projevilo zájem také Nizozemsko, Dánsko a Norsko. [9]
K dispozici v omezeném množství:
Společnost Boeing vyvíjí bezpilotní letoun pro velké výšky a dlouhé trvání letu (High Altitude Long Endurance (HALE). Letoun je vybaven HICE od Ford Motor Company [12] .
Široké zavádění vodíkového paliva je stále omezováno vyšší cenou vodíku ve srovnání s konvenčními kapalnými a plynnými palivy a nedostatkem potřebné infrastruktury. Směsi tradičního paliva s vodíkem se mohou stát přechodným řešením. Vodík lze použít ke zlepšení hořlavosti chudých směsí ve spalovacích motorech na konvenční paliva [6] . Například HCNG je směs vodíku a zemního plynu.
Provádějí se zařízení, která vyrábějí vodík z destilované vody na palubě vozidla. Do motorové nafty se pak přidává vodík. Taková zařízení jsou vybavena těžkými nákladními automobily a důlním zařízením. Předpokládá se, že to umožňuje snížit spotřebu paliva a zvýšit výkon motoru a snížit nebezpečí emisí pro životní prostředí [13] , i když existují i jiné úhly pohledu [14] .
Na počátku 80. let vyvinula konstrukční kancelář N. Kuzněcova ( Samara ) letecké motory určené pro osobní letadla Tupolev . Tyto vodíkem poháněné motory byly testovány jako součást Tu-155 . Události v Rusku na konci 80. a na začátku 90. let neumožnily, aby se práce N. Kuzněcova o vodíkových leteckých motorech široce uplatnily v dopravě a v osobním letectví. Dodnes se ve skladech konstrukční kanceláře v Samaře dochovalo několik zakonzervovaných provozních leteckých motorů N. Kuzněcova [15] .
3. dubna 2008 provedl Boeing letové testy lehkého dvoumístného letounu Dimona s elektrárnou na vodíkové palivové články [16] .
Vodíkové palivové články mohou produkovat elektrickou energii pro elektrický motor na palubě vozidla, čímž nahrazují spalovací motor, nebo mohou být použity pro pohon na palubě.
První vozidlo s palivovými články bylo vytvořeno v roce 1959 společností Allis-Chalmers Manufacturing Company ( USA ). Alkalické palivové články (AFC) byly namontovány na traktoru . V roce 1962 - na golfovém autě. V roce 1967 Union Carbide (USA) nainstaloval palivové články na motocykl . V roce 1982 byl v SSSR vyvinut experimentální vodíkový minibus „ Kvant-RAF “ s elektrickým pohonem na alkalické palivové články.
Hlavní výhoda zavedení palivových článků do pozemních vozidel (např. automobilů): očekávaná vysoká účinnost . Účinnost moderního automobilového spalovacího motoru dosahuje 35 % a účinnost vodíkového palivového článku je 45 % nebo více. Při testech autobusu s vodíkovými palivovými články kanadské společnosti Ballard Power Systems byla prokázána účinnost 57 %. [17] . Účinnost klasické olověné baterie je vyšší - až 70-90%. Ale hlavním faktorem, který brání masové výrobě elektrických vozidel , je vysoká cena a nedokonalost baterií. Slibným směrem je také použití superkondenzátorů v hybridních a elektrických vozidlech .
Palivové články s protonovou výměnnou membránou (PEM) se zpravidla instalují na automobily a autobusy . Jejich hlavní výhody jsou: kompaktnost, nízká hmotnost, nízká procesní teplota.
V roce 2002 si Ministerstvo energetiky USA stanovilo za cíl snížit náklady na palivové články do roku 2010 na 45 USD za 1 kW instalované kapacity a do roku 2015 na 30 USD za 1 kW (v dolarech roku 2002, bez inflace). To znamená, že palubní zdroj elektřiny pro elektrárnu o výkonu 100 kW. (134 k) bude stát 3 000 USD, což je srovnatelné s cenou spalovacího motoru [18] .
Vozidla s vodíkovými palivovými články jsou vyráběna a testována:
a další jednotlivé kopie v Brazílii , Číně , České republice atd.
První sériové auto na světě se začne prodávat na konci roku 2014 [21] :
Od roku 2003 do roku 2006 ujelo 36 autobusů Clean Urban Transport for Europe více než 2 miliony km a přepravilo 6 milionů cestujících. V lednu 2021 uvedl Aberdeen na trh řadu Wright StreetDeck , první vodíkové dvoupatrové autobusy na světě , z nichž každý stojí přibližně 500 000 liber [22] .
V roce 2021 byly ve skotském Aberdeenu oficiálně uvedeny do provozu první dvoupatrové autobusy na světě s vodíkovým pohonem. [23]
Spotřeba palivaOpel Zafira s 94 kW elektrárnou na vodíkové palivové články ve Washingtonu spotřebuje 1,83 kg vodíku na 100 mil (160 km) jízdy, tedy 6,4 litru ekvivalentu benzinu. . Benzinový obdob Opelu Zafira s 1,6litrovým motorem o výkonu 85 kW spotřebuje na dálnici 5,8 litru benzinu na 100 km.
National Renewable Energy Laboratory (USA) ve svých výpočtech používá průměrný dojezd osobních automobilů 12 000 mil za rok (19 200 km), spotřeba vodíku je 1 kg na 60 mil (96 km) jízdy. To znamená, že jeden osobní automobil s vodíkovými palivovými články vyžaduje 200 kg vodíku za rok, neboli 0,55 kg za den. Jeden kilogram vodíku se energeticky rovná jednomu galonu (3,78 litru) benzínu [24] .
Železniční pohonné systémy musí vyvinout dosti velký výkon, zatímco kompaktnost železničních pohonných systémů je méně důležitá než v silniční dopravě. Železniční doprava představuje obrovský trh pro elektrárny na vodíkové palivové články. V současnosti je celosvětově asi 60 % železniční nákladní dopravy přepravováno dieselovými lokomotivami. Další výhodnou příležitostí je postavit pomocí palivových článků lokomotivy, které kombinují výhody dieselové lokomotivy a elektrické lokomotivy (možnost napájení kontaktní sítí na elektrifikovaných tratích a autonomie při průjezdu neelektrifikovanými sekce).
18. února 2004 japonský železniční technický výzkumný ústav poprvé na světě testoval prototyp vlaku s vodíkovým palivovým článkem [25] .
V USA provoz lokomotivy na vodíkové palivové články o objemu 2 tisíce litrů. S. měla začít v roce 2009 [26] . Lokomotiva vzniká od roku 2003 za účasti Ministerstva obrany USA (DoD) pro netaktické vojenské účely a komerční využití [27] .
V Dánsku jezdí vodíkový vlak mezi Vemb, Lemvig a Thyboron. Délka trasy je 59 km, která je omezena kapacitou vodíkových nádrží. Projekt dostal název Dánský vodíkový vlakový projekt [28] .
Hitachi [29] a Kinki Sharyo [30] vyvíjejí také vodíková kolejová vozidla v Japonsku .
Fraunhoferův institut pro dopravu a infrastrukturní systémy ( Německo ) vytvořil prototyp hybridní tramvaje a autobusu . AutoTram je vybaven vodíkovým palivovým článkem a setrvačníkem, který se nabíjí při brzdění a zrychluje vůz při rozjezdu. Prototyp je dlouhý 18 metrů, ale podle institutu je možné vytvořit 56metrové vozy s kapacitou pro 300 cestujících. Palivový článek od Ballard Power Systems, setrvačník od CCM Nuenen. Na střeše je uloženo 10 kg vodíku. AutoTram vyvine rychlost 60 km/h. [31] Tramvaj na vodíkové palivové články funguje také v Číně.
V Německu v roce 2018 vyjel první osobní vlak Coradia iLint na vodíkový pohon. Do roku 2021 je naplánováno spuštění dalších 14 takových vlaků [32] .
dubna 2021 byla zveřejněna smlouva podepsaná francouzskými regiony Auvergne-Rhone-Alpes, Burgundsko-Franche-Comté, Grand Est a Occitania na nákup 12 hybridních elektrických vlaků od společnosti Alstom (každý 4 vozy, asi 220 sedadla), které mohou přijímat elektřinu jak z kontaktní sítě, tak z vodíkových palivových článků. Podle Alstomu bude dojezd na vodíkové palivo 600 km [33] .
Za účelem zavedení vodíkových palivových článků do námořní dopravy v Evropě bylo v roce 2003 vytvořeno konsorcium FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships) [34] . Konsorcium FellowSHIP zahrnuje Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik a Wärtsilä Automation Norway.
V Evropě také vznikly:
Německo vyrábí ponorky třídy U-212 s palivovými články vyráběnými společností Siemens AG . U-212 jsou v provozu s Německem, objednávky byly přijaty z Řecka , Itálie , Koreje , Izraele . Pod vodou jede loď na vodík a nevydává téměř žádný hluk.
Španělský stavitel lodí Navantia, SA plánuje zahájit výrobu ponorek třídy S-80 s pohonem na vodíkové palivové články PEM o výkonu 300 kW. Vodík se vyrábí na palubě ponorky z etanolu . Dodavatelem palivových článků je společnost UTC Power ( USA ). S-80 jsou určeny k ochraně pobřeží. Použití vodíkových palivových článků sníží hladinu hluku a prodlouží dobu strávenou pod vodou.
Provoz Zemships byl zahájen v létě 2008 .
Island plánuje přeměnit všechna rybářská plavidla na vodík . Pro výrobu vodíku bude využívána geotermální energie a vodní energie.
První pilotovaný let letounu s 20 kW PEM elektrárnou s palivovými články se uskutečnil 3. dubna 2008 [35] . Projekt vyvinula společnost Boeing a skupina evropských společností. Palivové články - výrobce UQM Technologies (USA).
Fraunhoferův institut (Německo) vyvíjí bezpilotní vrtulník s elektrárnou na vodíkové palivové články (hmotnost palivového článku - 30 gramů. Výkon - 12 wattů). [36] .
Americké a izraelské společnosti vyvíjejí také bezpilotní letouny s palivovými články.
Pomocná doprava provozovaná ve stísněných prostorách: sklady, letiště, velké průmyslové továrny, vojenské základny atd.
Nejaktivnější vodíkové palivové články jsou instalovány na skladových vysokozdvižných vozíkech. O něco méně než polovina nových palivových článků instalovaných ve vozidlech v roce 2006 byla instalována do skladových vozů. Nahrazením baterií palivovými články se výrazně zmenší plocha, kterou zabírají prodejny baterií. Pro údržbu baterií 12 nákladních vozidel je zapotřebí 370 metrů čtverečních. m., zatímco vodíková čerpací stanice se rozkládá na ploše 18,5 m2. ( Data testu Wal-Mart ). Natankování vodíku do jednoho kamionu trvá jen asi 2 minuty.
Velká distribuční centra o rozloze 90 000 m² vyžadují 100–300 kamionů a tři sady baterií na jeden kamion. Baterie se mění 300krát denně. Velké obchodní řetězce ( Wal-Mart , Kroger , Target , Sysco , SuperValu , Ahold atd.) provozují flotilu 5 000-20 000 skladových vozů.
V roce 2009 zahájily Spojené státy aktivní přestavbu skladových vozů na vodík. Společnosti začaly přestavovat své vysokozdvižné vozíky na vodík: Nestle [37] , maloobchodní řetězec HEB (Texas) [38] , Anheuser Busch [39] , Nissan [40] , GENCO [41] , Coca-Cola [42] a další.
Vodíkové palivové články se instalují na jízdní kola , motocykly , skútry , ponorky, trolejbusy atd.
Vodíkové palivové články lze také použít pro palubní napájení letadel, lodí a velkých nákladních automobilů . Palivové články SOFC lze použít pro napájení na palubě .
V roce 2006 začali výrobci palivových článků společně s Evropskou agenturou pro bezpečnost letectví (EASA) vyvíjet certifikační normy pro palivové články pro letadla .
Airbus koordinuje projekt European New Configured Aircraft (CELINA). Projekt pracuje na snížení hmotnosti a velikosti palivových článků 400-600 kW. Airbus A330-300 bude vyrábět 40 % elektřiny ve vodíkových palivových článcích . Vývojáři si stanovili cíl – zvýšit toto číslo na 60 %.
První letové testy palubní elektrárny na vodíkové palivové články o výkonu 20 kW. provedl Airbus v únoru 2008 na Airbusu A320 [43] .
Použití elektráren s vodíkovými palivovými články v letadlech sníží hladinu hluku, spotřebu paliva a emise ekologicky nebezpečných plynů.
Boeing také vyvíjí palivové články SOFC za letu. Elektrárna o výkonu 440 kW. sníží spotřebu petroleje o 75 % při stání na zemi. Boeing plánuje dokončit vývoj do roku 2015 .
V březnu 2008, během expedice STS-123 raketoplánu Endeavour, překonaly palivové články UTC Power milník 100 000 provozních hodin ve vesmíru [44] . Vodíkové palivové články vyrábějí energii na palubách raketoplánů od roku 1981 .
Nebezpečí použití vodíku jako paliva je spojeno se dvěma faktory: vysokou těkavostí vodíku, díky které proniká velmi malými mezerami, a snadností vznícení [6] . Na druhou stranu při proražení palivové nádrže se benzín rozlévá po hladině v louži, zatímco vodík uniká ve formě usměrněného paprsku [47] . Existuje však nebezpečí zaplnění uzavřeného prostoru interiéru vozidla vodíkem.
Dne 10. června 2019 došlo na vodíkové čerpací stanici Uno-X v norském Sannviku k masivní explozi způsobené únikem vodíku z vysokotlaké láhve. V důsledku výbuchu nedošlo k žádnému úmrtí, ale dopad výbuchu byl tak velký, že byl pociťován jako zemětřesení v okruhu 28 kilometrů [48] . Dokud nebyla zjištěna příčina exploze, Toyota a Hyundai pozastavily prodej svých vodíkových vozidel [49] a všechny vodíkové stanice v Norsku byly uzavřeny [50] .
Na začátku 20. let 20. století automobilky, které dříve měly programy pro studium vodíkových technologií, opouštějí používání vodíku v osobních automobilech a považují tento směr za „neperspektivní“ [58] [59] .