1. Hidrogenul – o alternativa a combustibilului conventional

Cu mai bine de sapte decenii în urma, cunoscutul savant Svante Arrhenius afirma pesimist ca mentinând actualul ritm de consum, omenirea risca sa ramâna fara combustibili fosili (petrol, carbune, gaze naturale) spre sfârsitul secolului. Depasirea anilor ’70 pare sa fi atenuat febra penuriei combustibilului. Totusi, în perspectiva epuizarii combustibililor conventionali se cauta noi alternative energetice. Una dintre aceste alternative sunt motoarele cu hidrogen. Mari firme producatoare de autovehicule (Ford, Daimler- Chrysler , Renault, Mercedes-Benz, BMW, Toyota stc.) sunt deja angajate în vaste programe de cercetare în acest domeniu. Exista cel putin trei motive pentru care ideea utilizarii hidrogenului este preferata combustibililor traditionali: pretul redus, faptul ca hidrogenul este practic nepoluant si ca se gaseste în naturå în cantitati practic nelimitate.

Evolutia

Spre deosebire de hidrocarburi, prin arderea completa a hidrogenului nu se produce decât apa. Micile cantitati de hidrocarburi nearse si monoxid de carbon care apar la esapament sunt rezultatul arderii partiale a uleiului patruns în spatiul de ardere

din cilindru, ceea ce se poate remedia tehnic. Singurul poluant la evacuare îl constituie oxizii de azot (azotul intra în componenta aerului) al caror nivel poate fi usor scazut, reducând temperatura de ardere. Puterea calorica a hidrogenului (121 000 kJ/kg) este superioara celei a benzinei (43 700 kJ/kg).

    În privinta aprinderii si arderii, domeniul de inflamabilitate este considerabil mai larg fata de al benzinei la temperatura si presiuni normale, ceea ce face ca pornirea motorului, chiar în conditii de clima aspra, sa fie usoara. Un oarecare neajuns îl poate constitui viteza de ardere mult mai ridicata, de peste 6 ori mai ridicata decât cea a benzinei, fapt ce se traduce printr-o functionare mai „dura“ a motorului. În sfârsit, faptul ca hidrogenul este mult mai rezistent la detonatie permite marirea substantiala a raportului de comprimare si deci a randamentului motorului.

2.Hidrogenul1

Atom de hidrogen este format din un proton şi un electron. Este cel mai simplu element din tabelul periodic al lui Mendeleev. Hidrogenul este cel mai usor cu o masa atomica de 1,0. Hidrogenul lichid are o densitate de 0,07 grame pe centimetru cub, apa are o densitate de 1,0 g / cc şi benzină aproximativ 0,75 g / cc.

Se gaseste in apa ( ), in multi compusi organici in speciali, hidrocarburi.

Avantajul hidrogenului, stochează aproximativ 2,6 ori de energie pe unitate de masa fata de benzină, iar dezavantajul este că are nevoie de un volum de aproximativ 4 ori mai mare pentru aceeasi cantitate de energie. Puterea calorica a hidrogenului (121 000 kJ/kg) este superioara celei a benzinei (43 700 kJ/kg).1 Note de curs “prof .N. Badea”

1

3. Producerea hidrogenului2

Hidrogenul poate fi produs în instalaţii centralizate sau descentralizate, prin diferite procedee: electroliza apei, reformare, gazificare, cicluri termo-chimice, productie biologica.

Producerea hidrogebului prin electroliza apei (celula de combustie) este un procedeu simplu si usor de folosit, este disponobil in comert, produce concentratie de hidrogen de inalta puritate si poate folosi energia electrica regenerabila (eoliana, fotovoltaica).

Celula de combustie

Producerea hidrogenului prin reformare, sunt unitati pe scara mica nu sunt disponibile in comert, se obtine un cost scazut pe litrul de hidrogen daca se obtine din gaze naturale, cu dezavantajul impuritatilor de dioxid de carbon.

Producerea hidrogenului prin gazifiere a combustibililor solizi sunt unitati mici si foarte rare.

2 Note de curs “prof N BADEA”

Producerea hidrogenului prin cicluri termo-chimice, proces complex care utilizează temperatură înaltă din energie solară concentrata sau energie nucleară, sunt in faza de cercetare.

Producerea hidrogenului prin productie biologica cu ajutorul algelor de mare si bacteriilor, procedeu lent sunt in curs de cercetare pentru gasirea organismelor adecvate.

4.Stocarea hidrogenului3

Hidrogenul gaz poate fi stocat la presiune înalta. Tancurile pentru stocarea gazului presurizat au o constructie care difera în functie de tipul de aplicatiecare determina nivelul de presiune solicitat. Pentru marea majoritate a tancurilor stationare, presiunea este relativ joasa (cca350 bari). Cerintele pentru aplicatii le care presupun tancuri mobile difera în mod substantial, presiunea din tanc în acestea plicatii ajungând pâna la 700 bari. Tancurile sub presiune sunt fabricate din otel, aceasta solutie fiind aplicata pentru aproape toate tancurile de hidrogen utilizate în vehiculele existente. Dar, aceste tancuri sunt costisitoare, incommode si grele. Tancurile moderne sub presiune sunt fabricate din materiale compozite. O alta posibilitate de stocarea hidrogenului consta în utilizarea hidrurilor metalice compuse din metale si hidrogen, care, în anumite conditii de temperatura si presiune, pot elibera moleculele de hidrogen. Aceasta tehnologie de stocare utilizeaza anumite aliaje metalice care absorb hidrogenul ca

3 http://www.fmcsa.dot.gov/facts-research/research-technology/report/guidelines-h2-fuel-in-cmvs-nov2007.pdf

2

un burete. Astfel metalul formeaza hidruri metalice absorbind hidrogenul. In ceea ce priveste volumul, hidrurile metalice au o capacitate de stocare foarte ridicata, dar fiind un mijloc de stocare foarte greu, nu se recomanda sa fie utilizat în aplicatiile mobile. Este posibil sa se stocheze hidrogenul si în stare lichida. Aceasta metoda de stocare se poate aplica, cu un mare consum energetic, pentru racirea hidrogenului la o temperature de – . Tancurile criogenice fabricate în prezent sunt de foarte buna calitate. Pierderile rezultate din încalzirea treptata a hidrogenului în stare lichida din tanc se pot mentine în limite reduse.

Rezervor de hidrogeno (experimental)

Stocarea în stare lichida este recomandata

pentru aplicatiile mobile deoarece spatiul de

depozitarea tancurilor de gaz lichid este cel mai redus.

5. Automobile cu hidrogen

Pe lângă potentialul pentru o mai bună economie de combustibil datorită cresterii eficientei, hidrogen oferă si alte avantaje

asupra motoare pe benzină si diesel, inclusiv emisiile de gaze de esapament reduse. Deoarece nu există carbon în combustibil, un vehicul propulsat de un ICE hidrogen ar avea zero emisii de CO2 de gaze cu efect de seră. Emisiile la teava de evacuare de oxizi de azot si hidrocarburi organici volatili ar fi, de asemenea mai mica.

În plus fată de Ford, si alte companii de renume au dezvoltat ICE hidrogen pentru automobile, fie ca prototipuri sau produse comerciale (CHHN, 2004). Există, de asemenea, paisprezece autobuze care functionează în prezent în Berlin, Germania, iar unul in Palms, California, care sunt alimentate cu hidrogen ICE (Chandler și Eudy, 2006).

Sisteme de injectie pe bază de hidrogen

Un sistem de injectie pe bază de hidrogen pentru un motor diesel produce cantitati mici de hidrogen si oxigen, la cerere, de către electroliza apei efectuate la bordul vehiculului. Energia electrică necesară este furnizată de alternator motorului sau a sistemului electric 12/24-volt. Hidrogen si oxigen sunt injectate în colectorul de admisie a aerului motorului, în cazul în care acestea se amesteca cu aerul de admisie. În teorie, proprietătile de ardere ale hidrogenului, produce arderea completa a combustibilului diesel în motor, reducerea emisiilor de la teava de evacuare si economiea de combustibil. Testele de laborator ne demonstreaza, sistemul de injectie pe bază de hidrogen instalat pe un motor diesel mai vechi a unui camion operat la o serie de viteze constante a arătat o reducere de 4 la suta in utilizarea de

3

combustibil si o reducere de 7 la suta a emisiilor de particule cu sistemul pe (ETVC, 2005)

Un sistem de injectie pe bază de hidrogen pentru un motor diesel, produce hidrogen în mod semnificativ mai putin de o celulă de combustibil pe bază de hidrogen si nu necesită hidrogen lichid la bord. Sistemul este proiectat pentru a produce hidrogen numai atunci când este necesar, ca răspuns la comenzile soferului, a clapetei de acceleratie.

Publicat in 20 martie 2009 de BMW

BMW hidrogen 7

BMW4 Group Forschung und Technik, în cooperare cu cercetătorii din Graz şi Viena (Austria) – implicaţi în proiectul “H2BVplus” -, a reuşit să dezvolte un motor care funcţionează cu hidrogen monovalent, cu geometrie specifică versiunilor diesel şi tehnologie de injecţie directă progresivă, de mare presiune. S-a realizat astfel un nivel de eficienţă de 42 de procente, atingându-se performanţa propulsoarelor turbodiesel. Partenerii în acest proiect sponsorizat de Ministrul Federal al Transporturilor, Inovaţiilor şi Tehnologiei din Austria (BMVIT) .

4 BMW Group, Munich; MicroNova AG

Mercedes-Benz5 pregăteşte debutul primului său vehicul alimentat cu hidrogen în anul 2014, Cele patru motoare electrice ale lui Mercedes-Benz F125 furnizează un vârf de 313 CP şi o putere constantă de 231 CP, suficient pentru un timp 0-100 km/h de numai 4.9 secunde şi o viteză maximă de 220 km/h. Cu un plin de hidrogen, modelul are o autonomie de aproape 1000 de kilometri. Graţie bateriei de la bord, Mercedes F125 poate să parcurgă 50 de kilometri în modul 100% electric, fără a folosi energia înmagazinată în celulele cu hidrogen.

Mercedes F125

Produsa in Japonia, Honda Clarity6 va fi lansata in California, acolo unde guvernatorul Arnold Schwarzenegger a introdus deja un program de realizare a unui lant de „benzinarii” bazate strict pe hidrogen. Oficialii Honda spera ca eco-masina sa aiba un succes mare la Hollywood, aceasta fiind, in opinia lor, cea

5 http://www.automarket.ro/stiri/mercedes-benz-f125-hydrogen-gullwing-a-debutat-la-frankfurt-40454.html

6 http://automobiles.honda.com/fcx-clarity/

4

mai buna metoda de promovare a masinii ecologice in randul oamenilor.

Propulsor Honda

Honda a anuntat ca va produce, initial, 70 de masini pe an, la un pret de 48.000 de dolari/unitate. In ciuda pretului piperat, producatorii japonezi anunta ca pentru a-si recupera costurile din ultimii 20 de ani de cercetari, costul unei asemenea masini ar fi trebuit sa fie de aproximativ 2 milioane de dolari.

6. Concluzii

Atunci când hidrogenul este ars, se obtin emisii de vapori de apă, astfel încât un avantaj cheie al hidrogenului este că, atunci când arde, dioxid de carbon (CO2), nu se produce. Hidrogenul are avantaj in fata combustibilului conventional deoarece randamentul este mai bun, aceeasi cantitate de hidrogen va propulsa automobilul de doua ori mai mult, distanta in kilometri fata de aceeasi cantitate de benzina care produce noxe.

Singura problema majora a automobilelor cu hidrogen este stocarea acestuia. Au fost studiate riguros: stocarea sub presiune, stocarea în rezervoare criogenice si stocarea în recipiente cu hidruri metalice. Cum aceste

modalitati sunt costisitoare si impun precautii severe de securitate.

5