Auto a Idrogeno Vantaggi e Svantaggi della Cella a Combustibile

Quindi mentre sappiamo che investire sull’idrogeno può essere un affare, cerchiamo di capire questo approccio in stile “ibrido” rappresenta un vantaggio o uno svantaggio per le auto a idrogeno? L’uso dell’idrogeno come fonte di carburante (che può essere altamente infiammabile) è un grosso difetto? Rispondiamo a queste e altre domande in questo articolo sui pro e contro.

Sommario

• 10 vantaggi
  • 1. Nessuna emissione di veicoli nocivi
  • 2. Efficienza / autonomia del carburante molto migliori
  • 3. Il tempo di rifornimento è molto inferiore a quello delle auto elettriche
  • 4. L’idrogeno può essere generato in modo ecologico
  • 5. Molti meno prodotti chimici alla pompa
  • 6. Si adatta all’attuale infrastruttura di benzina
  • 7. Le celle a combustibile a idrogeno sono durevoli
  • 8. Costo in calo costante
  • 9. Molte misure di sicurezza in atto
  • 10. Già provato
• 11 Svantaggi
  • 1. Prezzo già in ritardo rispetto alle auto elettriche
  • 2. Al momento pochi posti dove fare rifornimento
  • 3. Carburante attualmente più costoso della benzina
  • 4. Costoso immagazzinare e trasportare l’idrogeno
  • 5. Molte emissioni di gas serra (attualmente)
  • 6. Difficile da inserire nell’attuale infrastruttura (adesso)
  • 7. Altamente infiammabile
  • 8. Auto a idrogeno difficili da acquistare a causa dei limiti di offerta
  • 9. Auto a celle a combustibile relativamente poco provate
  • 10. Combustibili fossili necessari per produrre celle a combustibile a idrogeno
  • 11. Le auto elettriche sono complessivamente più efficienti

Come funzionano le auto ad idrogeno

Come abbiamo accennato nel nostro le migliori auto elettriche,, molti di noi sono cresciuti intorno alle auto a benzina con un motore a combustione interna, quindi abbiamo familiarità con il loro funzionamento. Tuttavia, il modo in cui funzionano le auto ecologiche è a volte visto come un mistero, in particolare le auto a idrogeno (perché le persone avranno utilizzato dispositivi elettrici molte volte, ma probabilmente non dispositivi alimentati a idrogeno!)

Quindi abbiamo scritto questo articolo per guardare esattamente cosa succede dopo che i conducenti premono il pedale dell’acceleratore, per far andare avanti l’auto. Tieni presente che useremo spesso termini come FCEV (Fuel-Cell Electric Vehicle) o FCV (Fuel-Cell Vehicle) al posto di “macchina a idrogeno”, ma significano tutti la stessa cosa, come mostra la sezione Breve panoramica !

• La cella a combustibile (pila)
• Componenti complessivi per auto a celle a combustibile a idrogeno

Le auto ad idrogeno: breve riassunto

Le auto a idrogeno sono anche conosciute come auto a “celle a combustibile” o auto elettriche a celle a combustibile. Questo perché mentre tali auto sono alimentate da idrogeno (immagazzinato all’interno di un serbatoio di carburante ), la reazione chimica effettiva che converte questo carburante in energia avviene all’interno di una cella a combustibile , che è un’idea simile a un motore a combustione interna.

In altre parole, idrogeno [carburante] e ossigeno [reagente ossidante] (viene convertito in) elettricità [energia] e acqua [prodotto di scarto] come mostrato in questo pratico video della Toyota Mirai:

La reazione chimica che converte l’idrogeno (e l’ossigeno) in elettricità (e acque reflue) avviene continuamente ed è per questo che le auto a idrogeno sono talvolta chiamate veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) o veicoli a celle a combustibile (FCV).

Quindi, per molti versi, le auto a idrogeno sono un po ‘una via di mezzo tra le auto elettriche e le auto a benzina tradizionali: la prima funziona interamente con l’elettricità e il suo motore elettrico (come le auto a idrogeno dopo la reazione chimica), mentre la seconda si basa su un continuo generazione di una fonte di carburante basata su una reazione chimica (come per le auto a idrogeno tramite l’idrogeno che viene “immesso” nella cella a combustibile).

La cella a combustibile (pila)

Ogni cella a combustibile vede l’ idrogeno interagire con un elettrodo negativo, per cui il catalizzatore provoca una reazione chimica che utilizza l’ ossigeno e produce elettricità , insieme alle acque reflue . Mentre le batterie sono una riserva di energia elettrica già generata, le celle a combustibile non “immagazzinano” nulla: sono puramente una cella elettrochimica che produce continuamente un’uscita (elettricità) tramite un ingresso (idrogeno e ossigeno).

Poiché ogni cella a combustibile a idrogeno produce solo 1 volt o meno di elettricità, ma le automobili hanno bisogno di centinaia di volt di elettricità per funzionare, più celle a combustibile vengono combinate insieme in una pila di celle a combustibile .

Componenti complessivi per auto a celle a combustibile a idrogeno

Ora che abbiamo esaminato la principale differenza di un’auto a idrogeno (la cella a combustibile), vale la pena guardare i componenti complessivi che compongono un veicolo a celle a combustibile a idrogeno – grazie a afdc.energy.gov :

• Il serbatoio dell’idrogeno è uno dei componenti più importanti qui. Si tratta di serbatoi di stoccaggio ad alta pressione per impieghi gravosi che si collegano direttamente alla porta di rifornimento del carburante . Di solito si trovano sotto il pavimento del veicolo, sotto i sedili posteriori o il bagagliaio / bagagliaio dell’auto. Questi serbatoi di solito immagazzinano idrogeno a 5.000 o 10.000 psi e sono molto pesanti. Ad esempio, i serbatoi della Toyota Mirai immagazzinano idrogeno a 10.000 psi e pesano circa 44 kg (97 libbre) ciascuno. Di solito tengono solo circa 5 kg ciascuno di carburante – in altre parole, un’auto a idrogeno può contenere fino a 10 kg di carburante a idrogeno, nonostante i loro serbatoi pesino quasi 9 volte questo!
• Potresti notare un pacco batteria vicino ai serbatoi dell’idrogeno. Questo immagazzina l’elettricità che è stata generata dalla frenata, in un processo noto come frenata rigenerativa . Questa elettricità può essere utilizzata per aiutare l’accelerazione, al posto della potenza dell’idrogeno …
• .. il processo di utilizzo dell’idrogeno o della batteria è gestito dal controllore (chiamato anche centralina di potenza ). Questo è il “cuore” di un’auto a idrogeno (ed elettrica) ed è collegato ai pedali di accelerazione (e freno). Essenzialmente quando il guidatore accelera, piccoli sensori chiamati potenziometri “dicono” al controller quanta potenza è necessaria. Il controller gestirà quindi le fonti di alimentazione disponibili (principalmente la potenza dall’idrogeno, tramite la pila di celle a combustibile; ma anche dal pacco batterie) e “passerà” questa potenza al motore.
• Il motore elettrico è il componente che effettivamente fa avanzare l’auto. Dopo aver ricevuto l’alimentazione, le forze del campo magnetico iniziano ad interagire con il motore, che poi gira l’uscita (l’ albero motore , in questo caso). L’albero di trasmissione è collegato alle ruote , il che significa naturalmente che una volta che il motore gira, le ruote girano e l’auto avanza!

Concludere

Questo è praticamente tutto ciò che c’è da fare. È abbastanza interessante vedere le somiglianze sia con le auto elettriche che con le auto a benzina. E in un certo senso, questo è il potenziale vantaggio degli FCEV: supponendo che i prezzi delle celle a combustibile e dei serbatoi di stoccaggio diminuiscano, le case automobilistiche dovrebbero essere in grado di produrre auto a idrogeno in modo abbastanza conveniente. Dopo tutto, la loro configurazione / design e molti dei componenti sono gli stessi della “vecchia” tecnologia nelle auto a benzina, e anche la nuova tecnologia delle auto elettriche.

Ma naturalmente l’idrogeno come fonte di carburante è abbondante: le stime dicono che fino al 90% dell’universo è a base di idrogeno. Naturalmente non tutto ciò che può essere utilizzato per alimentare gli FCV e l’attuale costo della produzione di idrogeno da pompare nella tua auto è costoso. Tuttavia, se questi costi possono essere superati, le auto a idrogeno sembrano avere molti vantaggi dal punto di vista del design.

10 vantaggi dell’uso delle celle a combustibile di idrogeno

1. Nessuna emissione di gas nocivi

Il processo dell’auto a idrogeno che converte l’idrogeno in elettricità (tramite le celle a combustibile) produce zero emissioni nocive del veicolo; solo acqua come sottoprodotto. C’è anche relativamente poca acqua prodotta, non è che le strade si allagassero!

A causa di questa mancanza di emissioni di gas serra durante la guida di un’auto a idrogeno, potrebbe essere realizzata una riduzione sostanziale delle emissioni di carbonio. Nel 2016, i veicoli americani hanno prodotto 1,9 miliardi di tonnellate di emissioni di anidride carbonica, più emissioni di CO ₂ che le fabbriche americane hanno prodotto allora. Quindi le auto a idrogeno potrebbero essere utili per aiutare a invertire la tendenza su tali emissioni.

2. Efficienza / autonomia del carburante molto migliori

L’idrogeno può essere fino a due volte più efficiente della benzina: in altre parole, si potrebbe arrivare a raddoppiare l’autonomia miglia / km rispetto a un’auto tradizionale. Ciò è aiutato dal fatto che le celle a combustibile a idrogeno sono efficienti del 40-60% (quando generano elettricità), rispetto ai motori a combustione interna che sono efficienti del 30-35%.

3. Il tempo di rifornimento è molto inferiore a quello delle auto elettriche

Il rifornimento di un’auto a idrogeno a una pompa richiede 5 minuti o meno; molto simile al rifornimento di benzina. Questo è paragonabile alle auto elettriche che possono richiedere 6-8 ore per un caricabatterie di livello 2 (il tipo più comune attualmente), fino a 30 minuti per il caricabatterie di livello 3/4 molto più veloce (e più raro).

Volte ricarica per auto elettriche probabilmente saranno cadono, ma quasi certamente non sarà così veloce come i 3-5 minuti di idrogeno.

4. L’idrogeno può essere generato in modo ecologico

Come esplorato nel nostro ‘Da dove viene il carburante a idrogeno? ‘articolo, mentre il modo più comune di produrre combustibile a idrogeno in questo momento non è molto ecologico, ci sono una serie di opzioni più ecologiche disponibili. Il metodo più commercialmente praticabile è attualmente l’elettrolisi:

una corrente elettrica viene fatta passare attraverso l’acqua, scindendo le molecole d’acqua in idrogeno e ossigeno. Il processo di elettrolisi in sé non produce esternalità negative, ad esempio emissioni di gas serra. Ma naturalmente la fonte dell’elettricità potrebbe produrre cattive emissioni: cioè se prodotta bruciando carbone. Tuttavia, quando l’elettricità viene prodotta attraverso fonti di energia rinnovabile (solare, eolica, biomassa, ecc.), Ci sono zero emissioni nocive del riscaldamento globale. L’elettrolisi è un processo abbastanza leggero che non richiederebbe apparecchiature complesse e quindi è possibile una generazione più locale.

5. Molti meno prodotti chimici alla pompa

Quando si riempie un’auto tradizionale con benzina alla pompa, entriamo in stretto contatto con una serie di sostanze chimiche nocive, tra cui:

• Benzene
• toluene
• etilbenzene
• xilene

Queste sostanze chimiche, denominate BTEX, possono potenzialmente aumentare il rischio di cancro e problemi respiratori in caso di esposizione ripetuta. In effetti, due diversi articoli di ricerca dal Brasile hanno trovato alcuni preoccupanti problemi di salute per gli addetti alla produzione di stazioni di servizio / benzina . Uno ha detto quanto segue del rischio di cancro :

Il rischio di cancro è molto alto, perché i valori rilevati sono circa 40 – 378 volte superiori al limite accettabile e rafforzano la necessità di adottare misure urgenti per ridurre o eliminare l’esposizione dei lavoratori ai composti BTEX.

L’altro documento di ricerca ha detto quanto segue sul potenziale danno al DNA :

Il 16,6% della popolazione studiata ha mostrato frequenze elevate di anomalie cromosomiche, che è altamente probabile che sia correlata alla loro esposizione a BTX durante il loro lavoro.

Il rifornimento con idrogeno alla pompa è più pulito e richiede molti meno prodotti chimici.

6. Si adatta all’attuale infrastruttura di benzina

Uno dei potenziali problemi con l’idrogeno è che è costoso da trasportare su strada o per mare. Tuttavia il trasporto dell’idrogeno tramite condutture è possibile, quindi i gasdotti esistenti potrebbero essere riutilizzati e utilizzati invece per l’idrogeno (se / quando la benzina viene utilizzata di meno, cioè – in questo momento è la principale fonte di carburante nella maggior parte dei paesi).

Inoltre, l’idrogeno può essere potenzialmente generato da fonti come il biogas (spiegato anche nell’articolo precedente). E il biogas è un comune “prodotto di scarto” di industrie come gli impianti di trattamento delle acque reflue. Quindi, potenzialmente, questo “prodotto di scarto” potrebbe essere trasformato in uno dei componenti chiave di un gasdotto per il rifornimento di idrogeno.

7. Le celle a combustibile a idrogeno sono durevoli

Le celle a combustibile – l’equivalente del motore a combustione interna delle auto a benzina – sembrano abbastanza resistenti sulla base di test approfonditi con la Toyota Mirai. Nel complesso Toyota ha guidato veicoli basati su celle a combustibile per oltre 1 milione di miglia durante i test, inclusi vari test in aree ad alta temperatura (Death Valley, California), basse temperature (Yellowknife, Canada) e viaggi ad alta e bassa quota.

Questi test andavano bene e suggerivano che la cella a combustibile doveva essere praticabile oltre l’importantissima soglia di 100.000 miglia.

8. Costo in calo costante

I dati dello stato californiano affermano che il prezzo medio dell’idrogeno era di $ 13,99 / kg nel 2015, che dovrebbe scendere a $ 8-10 / kg nel periodo 2020-2025. A questo costo, un’auto a benzina costerebbe $ 0,13 per miglio per correre, rispetto a $ 0,12 per miglio con un’auto a idrogeno (a $ 8 / kg).

Inoltre, anche il costo delle celle a combustibile a idrogeno sta diminuendo. Il loro prezzo per kWh è diminuito di circa il 50% nell’ultimo decennio e sembra destinato a diminuire ulteriormente.

9. Molte misure di sicurezza in atto

Le auto a idrogeno sono molto sicure , essendo state progettate da zero per garantire che tutti gli aspetti (in particolare i serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno) siano al sicuro da perdite, perforazioni e usura generale.

I test ufficiali (ad esempio, dall’agenzia Euro NCAP) hanno dato alla prossima Hyundai Nexo 5/5 stelle complete per la sua sicurezza, e Toyota ha anche assicurato che anche la sua auto a celle a combustibile Mirai sia completamente sicura.

10. Già provato

L’idrogeno è già una fonte di carburante comprovata, essendo stato utilizzato dalla NASA dal 1958 per vari viaggi e prove spaziali. L’idrogeno è più di tre volte più potente della benzina (quando viene bruciata) è un grande motore per questo.

È quindi positivo sapere che l’idrogeno ha portato avanti vari test spaziali ed è stato fondamentale per il loro successo, perché rafforza il fatto che non si tratta di una fonte di carburante vaga e sperimentale, ma di qualcosa con successi definiti in più decenni.

11 Svantaggi

1. Prezzo già in ritardo rispetto alle auto elettriche

Il prezzo per l’acquisto / il leasing di un’auto a idrogeno è leggermente superiore a quello delle auto elettriche. Ad esempio, la Toyota Mirai costa $ 57.500 da acquistare, mentre un’auto simile a una berlina potrebbe costare circa $ 25.000 come benzina e $ 35.000- $ 45.000 come puramente elettrica.

Inoltre, il costo per miglio di un’auto elettrica può essere di soli 3-4 ¢, rispetto ai 25 ¢ / miglio per le auto a idrogeno attualmente, con un possibile calo a 18 ¢ entro il 2020-2025.

Tali differenze di prezzo significative potrebbero essere difficili da superare per le auto a idrogeno, soprattutto quando si prevede che le auto elettriche potrebbero diminuire di prezzo in modo abbastanza sostanziale nei prossimi anni. Le auto a idrogeno possono “colmare il divario” o i veicoli elettrici le batteranno semplicemente sul piedistallo verde dell’auto?

2. Al momento pochi posti dove fare rifornimento

Ci sono relativamente pochi posti per rifornire di carburante attualmente, tanto che le auto a idrogeno sono attualmente vendute in stati / regioni limitati che sono stati conosciuti per avere alcune stazioni di rifornimento di idrogeno (come California, Germania e Giappone).

La situazione sta migliorando, con 64 nuove stazioni pubbliche di idrogeno aperte nel 2017 (che portano a oltre 300 in tutto il mondo).

3. Carburante attualmente più costoso della benzina

Come visto nel nostro ottavo vantaggio, l’idrogeno è attualmente più costoso della benzina – ed è solo nel 2020-2025 che potrebbe diventare più economico di esso, di un solo centesimo per miglio.

Sebbene l’idrogeno possa avere alcuni utili vantaggi per il settore energetico, è discutibile se il piccolo vantaggio finanziario (rispetto alle auto a benzina) varrà mai la pena di passare alle auto a idrogeno.

4. Costoso immagazzinare e trasportare l’idrogeno

Se l’idrogeno viene prodotto in un sito centrale tipo “centrale elettrica”, deve essere immagazzinato e poi trasportato alle varie stazioni di rifornimento. Questo non è un processo economico: spostare grandi quantità di idrogeno attraverso la strada o il mare è molto più costoso che spostare la benzina. L’uso di condutture sarebbe una buona opzione, ma al momento ci sono solo 2.575 km di condutture per l’idrogeno in tutta l’America. Ciò si confronta con 2.400.000 miglia (ovvero 2,4 milioni) di gasdotti.

Quindi la mancanza generale di infrastrutture è un difetto definitivo con l’idrogeno attualmente.

5. Molte emissioni di gas serra (attualmente)

Sebbene l’idrogeno possa essere generato in modo ecologico (vantaggio n. 4 sopra), il metodo principale per produrlo attualmente è noto come steam methane reforming . E sfortunatamente, questo processo emette prima monossido di carbonio (un’emissione indesiderabile) e dopo un’ulteriore elaborazione, viene emessa anidride carbonica, ovvero il gas principale che causa il cambiamento climatico.

Questo processo si traduce in emissioni di gas serra inferiori del 34-50% rispetto alla produzione di benzina, ma non è ancora così verde come potrebbe essere.

6. Difficile da inserire nell’attuale infrastruttura (adesso)

Il rovescio della medaglia del vantaggio n. 6 – che dice che l’idrogeno può adattarsi abbastanza facilmente all’attuale infrastruttura a base di benzina (come i gasdotti) – è che questo può essere fatto logicamente solo quando la benzina non viene più utilizzata su larga scala!

Dopotutto, se tutti i gasdotti fossero chiusi e convertiti in gasdotti per l’idrogeno, in questo momento la maggior parte del mondo si fermerebbe!

L’alternativa è costruire molte condutture specifiche per l’idrogeno, ma questa non sarebbe attualmente un’opzione commercialmente sensata.

7. Altamente infiammabile

Non importa quanto siano sicure le auto a celle a combustibile a idrogeno (e come abbiamo visto dal vantaggio n.9, sono molto sicure!), L’idrogeno è fondamentalmente un gas rischioso: le sue qualità chimiche significano che è suscettibile di perdite, è dieci volte più infiammabile della benzina … e venti volte più esplosivo!

Questo è in parte il motivo per cui il costo della distribuzione dell’idrogeno (come per lo svantaggio n. 4) sulla strada o sul mare è così costoso e la stessa produzione di idrogeno comporta dei rischi.

Quindi, mentre l’idrogeno è un buon carburante perché è piuttosto esplosivo (dopotutto, maggiore è la “qualità” esplosiva di qualcosa, migliore è il carburante!), È comunque un elemento chimico rischioso.

8. Auto a idrogeno difficili da acquistare a causa dei limiti di offerta

Proprio come le prime auto elettriche, le auto a idrogeno sono attualmente prodotte in quantità molto limitate. Solo 3.000 unità Toyota Mirai sono state prodotte nel 2017, il che non è male … finché non si considera che questa è probabilmente l’auto a idrogeno più ampiamente disponibile in questo momento! Il modello a celle a combustibile Hyundai ix35 ha avuto solo 1.000 unità prodotte in totale, dal suo lancio nel 2013!

Anche se questo cambierà col passare del tempo (ovvero quando le persone si allontaneranno dalle auto a benzina, verso alternative più ecologiche), significa ancora che le auto a idrogeno sono quasi allo stesso stadio iniziale dei veicoli elettrici di 10 anni fa.

9. Auto a celle a combustibile relativamente poco provate

Sebbene la Toyota abbia testato molto la sua Mirai in base al vantaggio n. 7, a causa del basso numero di auto a idrogeno sulla strada in questo momento, sono ancora relativamente non provate, soprattutto rispetto a quanto siano ovviamente le auto a benzina collaudate.

Quindi, a causa della mancanza di dati, è difficile prevedere se le auto a idrogeno saranno percorribili per oltre 100.000 miglia o meno. Toyota pensa che lo saranno e le ha testate fino a 60.000 miglia in soli 5 mesi, ma c’è sempre la possibilità che le auto a idrogeno paghino costi di manutenzione piuttosto costosi verso la fine della loro vita.

10. Combustibili fossili necessari per produrre celle a combustibile a idrogeno

Mentre l’idrogeno come carburante può essere prodotto in modo ecologico (ma non lo è attualmente!), La produzione delle celle a combustibile effettive che entrano nelle auto non è eccessivamente ecologica.

Questo perché i prodotti a base di petrolio sono utilizzati nella produzione delle celle a combustibile, portando a emissioni di gas serra. Le emissioni complessive sarebbero inferiori con l’idrogeno (rispetto a un’auto a benzina), ma c’è ancora un’impronta.

11. Le auto elettriche sono complessivamente più efficienti

Sebbene le auto a idrogeno possano essere più efficienti delle auto a benzina, non possono competere con l’efficienza delle auto elettriche. Secondo il gruppo di ricerca Transport & Environment del Regno Unito, il quale afferma che l’efficienza lungo l’intera “ catena ” (generazione di potenza utilizzabile, quindi un’auto che la converte in movimento) è:

• Auto elettriche: efficienza al 73%
• Auto a celle a combustibile a idrogeno: efficienza del 22%
• Auto a benzina: efficienza del 13%

Ciò si basa sull’idea che la generazione stessa di elettricità sia più efficiente dei processi per la generazione (e il trasporto) di idrogeno o benzina. E poi un’auto puramente elettrica ha un’efficienza maggiore tra il pacco batteria, il motore elettrico e la trasmissione rispetto alle auto a idrogeno e benzina tra la loro centrale elettrica e la trasmissione.

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