Prós e contras de carros de hidrogênio

Tenho a vantagem de escrever esta resposta em 2017, quando parte da tecnologia se estabilizou. É claro que os veículos elétricos a bateria venceram esta batalha.

Intervalo: Um empate. Os carros elétricos de célula de combustível e bateria têm um alcance de cerca de 350 milhas.

Estações de reabastecimento:

Vitória clara para carros elétricos. Qualquer tomada doméstica pode carregar um carro elétrico (lentamente). Qualquer acampamento de RV pode cobrar um EV (velocidade média). A Tesla tem mais de 900 locais de SuperCharger com mais de 6100 carregadores e muito mais sendo construídos.

Supercharger | Tesla

Outros fabricantes também têm redes de carregamento, embora muito menores. Finalmente, muitas lojas, hotéis e empregadores têm cobrança disponível.

Existem exatamente

37.

postos públicos de abastecimento de hidrogênio nos EUA

Locais das estações de abastecimento de hidrogênio

Eles estão na Califórnia, Carolina do Sul, Massachusetts e Connecticut.

Viagens de cross country: vitória clara para carros elétricos. Um Tesla permite facilmente viagens de cross-country, direcionando você pelas estações do SuperCharger. Uma parada de 30 a 40 minutos a cada 150 a 200 milhas e você está a caminho. Um veículo a célula de combustível não pode deixar o estado. Ele não pode dirigir mais de 150 milhas de uma das 37 estações de hidrogênio. Outros veículos elétricos além de Tesla seriam mais difíceis de dirigir em todo o país, mas você pode fazê-lo se estiver determinado.

Conveniência: vitória clara para carros elétricos. Você sai com o carro "cheio" todos os dias a partir de uma tarifa noturna. Você não precisa sair do seu caminho para um posto de gasolina. Com apenas 1 posto de hidrogênio em alguns estados, você pode percorrer um longo caminho para encontrar o estação de abastecimento!

Custo: vitória clara para carros elétricos. O hidrogênio não é realmente um mercado aberto, uma vez que existem tão poucas estações, mas os fabricantes costumam comparar o custo do reabastecimento de hidrogênio com o abastecimento de gasolina (ou mais). Os carros elétricos geralmente custam cerca de um terço do custo por quilômetro dos carros a gasolina. Ambos os carros são caros. Opções de cobrança gratuitas também estão disponíveis para carros elétricos.

Eficiência:

Um empate ou uma vitória clara para carros elétricos. Se começar com gás natural, a eficiência líquida é quase igual. As perdas resultantes da criação de hidrogênio ou geração de eletricidade são semelhantes. Se começar com eletricidade da geração eólica, solar, hídrica ou nuclear, o carro elétrico terá o dobro das milhas do carro da célula de combustível para a mesma energia de entrada. Existem muitas perdas em eletrólise, compressão, resfriamento e distribuição de hidrogênio. Há mais perdas na célula de combustível. A distribuição de eletricidade através da rede possui apenas cerca de 5% de perdas.

Quanta eletricidade é perdida na transmissão e distribuição nos Estados Unidos?

Então, apesar de tudo, fica claro por que você vê veículos elétricos na estrada, mas não veículos a célula a combustível de hidrogênio, a menos que você esteja no sul da Califórnia. Lá, você pode ver um, raramente.

Com a crescente conscientização da poluição ambiental causada pelos carros, a responsabilidade recai sobre os fabricantes de automóveis para produzir veículos que não emitem menos gases de efeito estufa. Veículos elétricos têm sido um sucesso estrondoso. Eles são uma visão comum em todo o mundo.

Os veículos elétricos também apresentam algumas desvantagens. Recarregá-los leva idades e o alcance que eles oferecem é, na maioria das vezes, insatisfatório. Eles também são mais caros em comparação com carros normais. Seus motores não são tão potentes e restringiram seu uso apenas a carros de passageiros de pequeno a médio porte.

Diz-se que os veículos com células de combustível (FCVs) são a próxima grande novidade em veículos ecológicos. Eles usam células de combustível que contêm o gás hidrogênio altamente combustível. O gás alimenta a bateria queimando na presença de oxigênio. Isso aciona um motor semelhante ao encontrado em veículos elétricos (VEs).

Então, o que há de tão especial neles? Bem, para começar, você não terá nenhum daqueles momentos embaraçosos em que está atrasando sua partida enquanto espera seu carro carregar. O reabastecimento de FCVs leva no máximo 10 minutos. Além disso, o alcance da maioria dos FCVs é quase o dobro de seus contemporâneos elétricos. Eles têm uma potência melhor e podem ser usados ​​em vários tipos de veículos. Suas únicas emissões são calor e vapor puro.

Então qual é o problema? Bem, existem vários. Para iniciantes, enquanto esses automóveis ecológicos podem não estar vazando poluentes para a atmosfera; o mesmo não se pode dizer do hidrogênio que os alimenta. O hidrogênio pode ser obtido de maneira limpa, revertendo o processo de eletrólise da água. Isso, no entanto, requer uma quantidade enorme de energia, o que afeta diretamente e significativamente os custos operacionais. A maneira como a maioria dos combustíveis de hidrogênio é obtida atualmente é através da reforma do metano. Esse processo possui subprodutos nocivos, como monóxido de carbono e dióxido de carbono. Sabe-se que vazamentos de metano - que são 86 vezes mais potentes que o CO2 que um gás de efeito estufa - ocorreram durante a produção de hidrogênio.

Em seguida é o custo. A Toyota planeja lançar sua primeira oferta de FCV no estado da Califórnia por US $ 499 por mês em um contrato de arrendamento de 3 anos. Os EVs da Toyota podem ser alugados por menos da metade desse preço. O reabastecimento pode ser uma atividade complicada. Os centros de recarga de VE são onipresentes. Os FCVs podem ser reabastecidos em apenas 50 locais em todo o país. Embora esse número deva aumentar no futuro, será uma provação difícil. O hidrogênio é notoriamente difícil de manusear e armazenar. Ele não pode ser armazenado no subsolo e é armazenado em tanques acima do solo em estado líquido a temperaturas variando em torno de -250 ° C (-418 ° F). Todo esse lugar faz da manutenção de um FCV funcional um exercício muito caro. Em média, uma estação de carregamento de EV custa cerca de US $ 300.000. Barato em comparação com US $ 1-2 milhões para uma estação de reabastecimento de hidrogênio.

Tudo isso dito, o hidrogênio combustível para carros ainda é um conceito em sua infância. Há espaço para muito desenvolvimento da tecnologia. Já estão sendo realizados testes sobre o uso de energia solar para separar a água. Esse processo tornará a produção de hidrogênio limpo consideravelmente mais barata. Podem não ser as melhores opções disponíveis no momento, mas os FCVs certamente governarão as estradas daqui a alguns anos.

Combustível de hidrogênio - bênção, maldição ou esperança? - Emissões

A maioria das pessoas já sabe o que é um carro elétrico. É um carro que funciona com um motor elétrico movido a bateria. Ao contrário da maioria dos carros nas ruas hoje, ele não possui um motor de combustão interna e usa a eletricidade como combustível, e não a gasolina. Como não queima combustíveis fósseis para funcionar, não produz poluição enquanto está em operação. Isso, pelo menos em teoria, faz dos carros elétricos uma forma de transporte muito verde. Mas o que no mundo é um carro com célula de combustível a hidrogênio? Também é um tipo de carro elétrico. Funciona com um motor alimentado por eletricidade. O que o diferencia de um veículo elétrico a bateria (ou BEV) é a origem da eletricidade. Em vez de uma bateria, um carro com célula a combustível de hidrogênio tem, bem, uma célula a combustível de hidrogênio. Este é um dispositivo que pega o hidrogênio, o elemento mais abundante do universo, e gera eletricidade a partir dele enquanto o carro está funcionando. Com efeito, uma célula a combustível de hidrogênio é um tipo de bateria que produz eletricidade em tempo real. Para ver como isso funciona, vamos fazer um rápido curso de reciclagem em química do ensino médio. (Não se preocupe; faremos isso o mais indolor possível.) O hidrogênio é o átomo menor e mais leve que existe. Um átomo de hidrogênio de emissão padrão consiste em duas coisas: um próton (que tem uma carga elétrica positiva) e um elétron (que tem uma carga elétrica negativa). A célula de combustível de hidrogênio separa essas duas coisas, para que os elétrons estejam livres para seguir seu próprio caminho e se tornarem a eletricidade que aciona o motor do carro. (A eletricidade não é mais um fluxo contínuo de elétrons.) Enquanto isso, o próton se torna um íon hidrogênio - ou seja, um átomo de hidrogênio com uma carga elétrica positiva - e se liga a qualquer átomo de oxigênio nas proximidades para formar água. (Água - ou H2O, como dizem os geeks da química - nada mais é do que dois íons de hidrogênio com um átomo de oxigênio conectado.) Esse processo libera muito calor, de modo que a água se torna vapor e o vapor se torna o escapamento da célula a combustível de hidrogênio . A grande coisa - e a coisa verde - dos carros elétricos e das células a combustível de hidrogênio é que eles não produzem poluição no tubo de escape (a menos que você considere o vapor produzido pela célula a hidrogênio como uma forma de poluição) . Portanto, não importa se você decide comprar um carro elétrico ou um carro a célula de combustível a hidrogênio (embora esse último provavelmente não esteja amplamente disponível para os clientes por alguns anos), você ajudará a salvar a atmosfera da Terra, certo? Bem, não exatamente. Enquanto nenhum tipo de carro produz poluição no tubo de escape, ambos têm o potencial de produzir poluição quando seu "combustível" é criado. O combustível em que um carro elétrico é alimentado é a eletricidade (que é usada para carregar as baterias) e o combustível que é movido por um carro a célula de combustível a hidrogênio é o hidrogênio (que é usado para gerar eletricidade). Essa eletricidade e esse hidrogênio têm que vir de algum lugar. A eletricidade virá principalmente de usinas de energia que, na maioria dos casos, estão queimando combustíveis fósseis para produzir essa eletricidade e esses combustíveis fósseis causarão a mesma poluição que o carro elétrico pretende evitar. O hidrogênio para o veículo a célula de combustível provavelmente será produzido no futuro por eletrólise, que envolve a passagem de eletricidade pela água. E essa eletricidade virá das mesmas fontes potencialmente poluidoras que a eletricidade usada para carregar as baterias do carro elétrico. A verdade é que os carros elétricos e os de célula a combustível de hidrogênio têm o potencial de serem formas de transporte maravilhosamente não poluentes, mas para torná-los realmente verdes, precisamos nos afastar dos métodos de produção de eletricidade que queimam combustíveis fósseis. Em vez de queimar carvão para gerar eletricidade, precisamos nos concentrar em métodos ambientalmente limpos, como energia hidrelétrica, energia solar, energia eólica e energia nuclear, que produzem pouca ou nenhuma emissão poluidora. Quando chega o dia em que a maior parte de nossa eletricidade vem dessas fontes, o carro elétrico e o carro a célula de combustível a hidrogênio serão formas quase perfeitas de transporte verde e não poluente.

Como foi apontado, ambos têm vantagens e, como estão atualmente, merecem ser usados ​​como tecnologias complementares. No entanto, gostaria de acrescentar algumas observações técnicas que não foram elaboradas em outras respostas:

  • BEVs e HFCVs são superiores aos ICEVs atuais - mesmo aqueles que utilizam biogás -, pois a combustão de qualquer substância orgânica leva inevitavelmente à formação de compostos genotóxicos (por exemplo, BTEX, formaldeído) como subprodutos, embora esse problema pareça não existir. as tecnologias alternativas.
  • A poluição atmosférica particulada ainda decorre do desgaste dos pneus, freios e superfícies da estrada. Isso é afetado por muitos fatores, mas o que é mais relevante para a discussão atual é a massa do veículo, pois outros fatores podem ser iguais entre BEVs e HFCVs.
  • Em termos de massa, em comparação com as baterias de íon de lítio atuais, as células a combustível de hidrogênio são melhor dimensionadas para uso em veículos mais pesados ​​e de longo alcance (100+ milhas). Mesmo quando a massa do tanque é levada em consideração, o gás hidrogênio é muito mais denso em energia (por kg) do que as baterias de íon de lítio. Como a eficiência depende muito da massa do veículo, isso limita a utilidade das tecnologias atuais de baterias para carros de longo alcance, veículos mais pesados, aviões e navios.
  • Isso pode ser observado comparando o carro de hidrogênio mais leve com um alcance de 300 milhas, o protótipo “Rasa” da Riversimple, que pesa 580 kg / 1278 lbs, com um BEV com um alcance semelhante (por exemplo, Tesla Model 3, versão de longo alcance ), que pesa 3x mais. Uma otimização adicional deve ser possível, mas, mesmo assim, um aumento de 100% a 150% em massa devido à própria bateria parece inevitável neste momento.
  • Novas tecnologias de bateria estão em desenvolvimento, por exemplo, aquelas que incorporam grafeno, que devem atingir densidades de carga significativamente mais altas e melhorar os tempos de carga. Também foram realizadas pesquisas sobre maneiras de incorporar uma "bateria" no chassi de fibra de carbono de um veículo.

Por fim, deve-se notar que, para transporte pessoal de curta distância, as bicicletas e as bicicletas elétricas são ótimas em termos de eficiência energética e emissões de partículas devido à sua massa mínima.

Deixe-me esclarecer algumas coisas: o hidrogênio não é tóxico, não é cancerígeno e não reage com o ar ou o oxigênio até que você o acenda com uma fonte de alta energia (por exemplo, faísca ou chama). O hidrogênio precisa de uma proporção de mistura de 2-5 com oxigênio antes que possa inflamar. Portanto, se você abrir um buraco em um tanque de compósitos com um revestimento de alumínio cheio de hidrogênio de alta pressão (bola ou esfera AP), você fará um furo nele. Não haverá explosão ou incêndio. O gás hidrogênio em fuga nem se acenderá se você colocar a tocha perto da abertura até movê-la para cerca de 5 a 5 m de distância, onde o hidrogênio se difundiu suficientemente com o ar para obter a proporção de mistura de 2 a 5 para a ignição.

Se você foi colocado em uma sala com 100% de hidrogênio, não será envenenado até a morte. Você morrerá de asfixia (falta de oxigênio) se ficar lá por tempo suficiente. Se você estivesse em uma sala de 2 a 5 partes de hidrogênio a 1 parte de oxigênio, não iria querer acender um cigarro ou criar uma faísca. Ao contrário dos vapores da gasolina, o hidrogênio não gruda no tecido ou na piscina ao seu redor; subirá ao céu o mais rápido possível.

O hidrogênio é muito mais seguro que a gasolina. Passei muitas horas em um laboratório trabalhando no armazenamento de hidrogênio.

Agora, que o básico está fora do caminho, passemos aos prós / contras dos FCEVs e EVs. FCEVs são EVs com uma fonte de energia diferente; em vez de baterias, supercapacitores ou um sistema híbrido-elétrico. Portanto, a comparação é realmente entre FC, baterias, supercaps e híbridos.

Os FCs são 50% eficientes, difíceis de encontrar H2, contaminação potencial de CO2, precisam de um nível correto de umidade no lado de O2, e Nafion e a carga de platina o tornam caro.

Os preços do íon-lítio estão caindo, então deve ser quase razoável em alguns anos. A segunda vida útil do Li-ion pode ser para armazenamento renovável, UPS, etc.

As supercaps de nova geração provavelmente substituirão muitas baterias em muitos setores, porque recarregam em segundos a minutos, 1-2 milhões de ciclos de vida, menos caras que o Li-ion.

O novo motor rotativo da Orbital Power buscará muitas receitas nos pacotes híbridos-elétricos; e é 37% eficiente, além de ser menor, mais suave e silencioso. Apenas 5 partes móveis, emissão limpa, sem substituição de vedantes. Menos de 1 hora para derrubar e substituir todas as vedações e rolamentos, se isso faz você se sentir melhor.

Portanto, a principal desvantagem dos FCEVs é a infraestrutura de suprimento de hidrogênio. Muito má ideia de produzir hidrogênio a partir de combustíveis de carbono, como a reforma do gás natural. Se o hidrogênio é produzido a partir da energia solar (eletrólise), como o uso de água salobra no deserto, então não há pele fora do nariz de ninguém.

Ótima pergunta - principalmente porque oferece a oportunidade de quebrar um mito comum de que a célula de combustível substitui o mecanismo do IC. O seguinte esquema genérico para todos os 'veículos eletrificados' ajudará a entender que não - pelo menos não completamente, pois os motores elétricos (designados por EM) ainda são necessários para a tração.

Em seguida, vamos colocar esquemas típicos de EV e FCV próximos um do outro. Tentei ser o mais consistente possível usando os dados da Mercedez Benz em domínio público.

Outro mito menor preso no esquema do FCV é que o FCV também precisa de uma bateria - embora menor que os VEs. E eles precisam de armazenamento de H2 a bordo.

Com esse entendimento básico, é muito mais fácil discutir prós e contras.

1. Custo total de propriedade: EV +

1a. Custo inicial: EV + FCVs sempre custam o mesmo ou mais do que (de fato, igual a 'igual a') EVs a serem construídos, pois o FC praticamente é um componente adicional. Mesmo se encontrarmos uma substância metálica não preciosa como catalisador viável, ainda espero alguma diferença de preço.

1b. Custo de operação: Espera-se que o FCV + hidrogênio seja barato por um futuro bastante previsível e a geração de energia a partir de combustível seja feita a bordo com eficiência decente, reduzindo assim as despesas gerais.

1c. Custo de manutenção: EV + Pelo simples motivo de o armazenamento de FC e hidrogênio ser sistemas adicionais a serem mantidos.

2. Faixa: FCV + FC atua mais como um carregador de bordo, usando a energia química do hidrogênio. E a densidade de energia do hidrogênio é muito melhor do que a melhor das baterias de hoje. De fato, tem uma densidade de energia muito melhor do que a gasolina e o diesel. Se comprimida adequadamente, a densidade volumétrica de energia de H2 também é menos preocupante.

3. Tempo para reabastecer: FCV + Reabastecimento de hidrogênio deve ser bastante semelhante ao reabastecimento de gasolina ou diesel

4. Potência para ponderar: EV + Como os FCVs sempre terão passivos adicionais de massa de FC e armazenamento 'seguro' para hidrogênio altamente pressurizado, espero que sejam tipicamente mais pesados.

5. Uso de energia renovável: EV = FCV Embora atualmente o hidrogênio seja extraído de recursos não renováveis, ele pode ser sintetizado a partir da hidrólise da água usando a eletricidade gerada a partir de fontes renováveis. E os FCVs emitem vapor de água como emissão do tubo de escape.

6. Pegada de emissão de GEE: atualmente FCV +, mas eventualmente EV = FCV O motivo da vantagem atual do FCV são as gerações fixas de eletricidade, as perdas de transmissão e reconversão em um VE são muito maiores e a geração fixa ainda é pesada em combustíveis fósseis.

Espero não ter perdido nenhum fator importante.

Os respondentes anteriores a esta pergunta capturaram a maioria dos pontos positivos e negativos, e na maioria das vezes o fizeram com precisão. Algumas ideias a acrescentar:

  • Se os consumidores não compram o veículo, realmente não faz diferença o quão limpo ele é. Os FCVs podem ter uma vantagem sobre os VEs se uma rede nacional de estações de hidrogênio puder ser desenvolvida.
  • Os EVs têm muitos pontos positivos, mas os tempos de alcance e carregamento ainda são muito negativos (eu falo como proprietário, usuário e grande fã dos mesmos).
  • Não é preciso, como afirma um entrevistado, dizer que o tempo de carregamento do VE é de 45 minutos a 1 hora. Eles podem ser carregados parcialmente (cerca de 80%) em uma estação de carga rápida CC em cerca de 30 minutos, mas você não pode colocar um carregador rápido CC em sua garagem; eles consomem muita energia para uma instalação doméstica. Para o carregamento completo de todos os VE no mercado hoje nos carregadores de nível 2 (240 volts) muito mais comuns, o tempo decorrido ao iniciar com uma bateria totalmente descarregada estará na faixa de 3-5 horas.
  • Enquanto o carregamento de um EV é "transparente" na maioria das vezes devido ao carregamento noturno em casa, essa vantagem desaparece se você precisar usá-lo para uma longa viagem. Ou se você mora em um apartamento ou prédio e não tem acesso a uma unidade de carregamento doméstico.
  • Hoje, um FCV não é tão eficiente ou "verde" quanto um EV, porque é preciso mais eletricidade para produzir combustível de hidrogênio do que carregar uma bateria de EV da rede. No entanto, com eletricidade renovável, a produção de hidrogênio seria tão limpa quanto o uso da eletricidade para carregar uma bateria.
  • Os FCVs e os EVs são mais limpos e mais eficientes do que os veículos a gasolina e diesel em uma base de roda a roda - usando a média nacional de emissões de GEE na produção de eletricidade.
  • Os FCVs usam baterias muito menores que os EVs, e a pilha de células de combustível é bastante leve. No geral, eles pesam não mais do que um EV de tamanho equivalente e equipado.
  • Os sistemas de células de combustível são mais escaláveis ​​do que os sistemas elétricos de bateria, por isso é provável que um dia vejamos captadores de células de combustível e carros de tamanho normal, segmentos que a eletricidade das baterias até agora não pode atender devido ao peso das baterias necessárias para impulsionar o motor. veículos em tamanho real.
  • Haverá um lugar no mercado para EVs e FCVs e é bobagem para fãs de um continuar criticando o outro. O melhor cenário nos fará usar a bateria elétrica para a maioria das viagens diárias, e para muitos carros e caminhões interurbanos para transporte de pessoas e pessoas, além de células e combustíveis para viagens e necessidades mais longas.
  • E, finalmente, os veículos a células de combustível têm tanto direito de serem chamados de veículos elétricos quanto os veículos a bateria. A célula de combustível e os tanques de hidrogênio nos veículos de célula de combustível simplesmente substituem a maior parte da bateria maior que um veículo elétrico a bateria usa. Quando os elétrons começam a fluir, os dois tipos de veículo são movidos da mesma maneira, por motores elétricos. Portanto, é mais preciso chamar os veículos elétricos da bateria de BEVs e veículos elétricos de células de combustível de FCEVs e usar o "EV" para incluir ambos, assim como o PEV aceita veículos elétricos-híbridos e elétricos-híbridos.