سيارة خلايا الوقود
تعتبر مركبة خلية الوقود (FCV) أو السيارة الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEV) نوعًا من المركبات الكهربائية التي تستخدم خلية وقود ، بدلاً من بطارية ، أو بالاقتران مع بطارية أو supercapacitor ، لتشغيل المحرك الكهربائي على متنها. تعمل خلايا الوقود في المركبات على توليد الكهرباء لتشغيل المحرك ، وعادةً ما تستخدم الأكسجين من الهواء والهيدروجين المضغوط. تصنف معظم مركبات خلايا الوقود على أنها مركبات ذات انبعاثات صفرية لا تنبعث منها سوى المياه والحرارة. بالمقارنة مع مركبات الاحتراق الداخلي ، تقوم مركبات الهيدروجين بتركيز الملوثات في موقع إنتاج الهيدروجين ، حيث يكون الهيدروجين مشتقًا عادةً من الغاز الطبيعي المعدل. قد يؤدي أيضًا نقل وتخزين الهيدروجين إلى إنتاج ملوثات.
استخدمت خلايا الوقود في مختلف أنواع المركبات بما في ذلك الرافعات الشوكية ، خاصة في التطبيقات الداخلية حيث تكون انبعاثاتها النظيفة مهمة لجودة الهواء وفي التطبيقات الفضائية. أول سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين المنتجة تجاريا ، تم طرح تويوتا ميراي في عام 2015 ، وبعد ذلك دخلت هيونداي وهوندا السوق. كما يجري تطوير واختبار خلايا الوقود في الشاحنات والحافلات والقوارب والدراجات البخارية والدراجات ، من بين أنواع أخرى من المركبات.
اعتبارا من عام 2017 ، كانت هناك بنية تحتية محدودة للهيدروجين ، مع 36 محطة لتزويد الهيدروجين بالوقود للسيارات في الأماكن العامة في الولايات المتحدة ، ولكن المزيد من محطات الهيدروجين مخطط لها ، خاصة في كاليفورنيا. توجد بعض محطات تغذية الهيدروجين العامة ، ويجري التخطيط لإنشاء محطات جديدة في اليابان وأوروبا وأماكن أخرى. يشك النقاد فيما إذا كان الهيدروجين سيكون فعالا أو فعالا من حيث التكلفة للسيارات ، بالمقارنة مع غيرها من تكنولوجيات الانبعاثات الصفرية.
وصف والغرض من خلايا الوقود في المركبات
تتكون جميع خلايا الوقود من ثلاثة أجزاء: إلكتروليت ، أنود ، وكاثود. من حيث المبدأ ، تعمل خلية وقود الهيدروجين مثل البطارية ، وتنتج الكهرباء ، والتي يمكنها تشغيل محرك كهربائي. ولكن بدلاً من طلب إعادة الشحن ، يمكن إعادة تعبئة خلية الوقود بالهيدروجين. تتضمن الأنواع المختلفة لخلايا الوقود خلايا غشاء بوليمر المنحل بالكهرباء (PEM) ، وخلايا وقود الميثانول المباشر ، وخلايا وقود حامض الفوسفوريك ، وخلايا وقود كربونات المنصهر ، وخلايا وقود الأكسيد الصلب ، وخلية وقود الميثانول المعدلة وخلايا الوقود التجديدي.
التاريخ
تم عرض مفهوم خلية الوقود لأول مرة من قبل همفري ديفي في عام 1801 ، ولكن اختراع أول خلية وقود عامل يرجع إلى ويليام جروف ، الكيميائي والمحامي والفيزيائي. أثبتت تجارب جروف مع ما أسماه “بطارية فولتية غازية” في عام 1842 أنه يمكن إنتاج تيار كهربائي بواسطة تفاعل كهروكيميائي بين الهيدروجين والأكسجين عبر محفز بلاتيني. كانت أول سيارة حديثة تعمل بخلايا الوقود عبارة عن جرار زراعي معدّل من طراز Allis-Chalmers ، مزود بخلية وقود 15 كيلواط ، حوالي عام 1959. قاد سباق الفضاء في الحرب الباردة المزيد من التطوير لتكنولوجيا خلايا الوقود. اختبر مشروع الجوزاء خلايا الوقود لتوفير الطاقة الكهربائية أثناء بعثات الفضاء المأهولة. استمر تطوير خلية الوقود مع برنامج أبولو. استخدمت أنظمة الطاقة الكهربائية في كبسولات أبولو والوحدات القمرية خلايا وقود قلوية. في عام 1966 ، طورت جنرال موتورز أول سيارة تعمل بخلايا الوقود وهي شفروليه إلكتروفان. كان لديها خلية وقود PEM ، مجموعة من 120 ميلا وسرعة قصوى تبلغ 70 ميلا في الساعة. كان هناك مقعدان فقط ، حيث استهلكت مجموعة خلايا الوقود وخزانات كبيرة من الهيدروجين والأكسجين الجزء الخلفي من السيارة. تم بناء واحد فقط ، حيث تم اعتبار المشروع باهظ التكلفة.
تابع جنرال الكتريك وآخرون العمل على خلايا الوقود PEM في 1970s. ولا تزال مداخن خلايا الوقود محدودة بشكل رئيسي للتطبيقات الفضائية في الثمانينات ، بما في ذلك مكوك الفضاء. ومع ذلك ، فإن إغلاق برنامج أبولو أرسل العديد من خبراء الصناعة إلى الشركات الخاصة. وبحلول التسعينيات ، كان مصنعو السيارات يهتمون بتطبيقات خلايا الوقود ، وتم إعداد مركبات العرض. في عام 2001 ، تم عرض أول خزان 700 الهيدروجين (10000 PSI) ، مما يقلل من حجم خزانات الوقود التي يمكن استخدامها في المركبات وتوسيع النطاق.
تطبيقات
هناك مركبات خلايا الوقود لجميع وسائل النقل. أكثر سيارات خلايا الوقود انتشارًا هي السيارات والحافلات والرافعات الشوكية ومركبات مناولة المواد.
سيارات
تم طرح سيارة هوندا FCX Clarity في عام 2008 للتأجير من قبل العملاء في اليابان وجنوب كاليفورنيا وتوقفت بحلول عام 2015. من 2008 إلى 2014 ، استأجرت هوندا ما مجموعه 45 وحدة FCX في الولايات المتحدة. تم إصدار ما يزيد عن 20 طرازًا من سيارات FCEVs وسيارات تجريبية أخرى في تلك الفترة ، بما في ذلك GM HydroGen4 و Mercedes-Benz F-Cell.
تم توفير سيارة هيونداي إيكس 35 FCEV Fuel Cell للإيجار منذ عام 2014 ، عندما تم تأجير 54 وحدة.
بدأت مبيعات تويوتا ميراي إلى العملاء الحكوميين والشركات في اليابان في ديسمبر 2014. بدأت الأسعار عند 6،700،000 (~ 57،400 دولار أمريكي) قبل الضرائب وحافزًا حكوميًا بقيمة 2،000،000 (حوالي 19،600 دولار أمريكي). قدّر رئيس البرلمان الأوروبي السابق بات كوكس أن شركة تويوتا ستخسر في البداية 100000 دولار على كل جهاز ميرا يباع. اعتبارا من ديسمبر 2017 ، بلغ إجمالي المبيعات العالمية 5،300 ميرايس. كانت الأسواق الأكثر مبيعاً في الولايات المتحدة مع 2،900 وحدة ، واليابان بـ 2100 وحدة وأوروبا ب 200.
بدأت عمليات البيع بالتجزئة لخلية هوندا Clarity Fuel 2017 في كاليفورنيا في ديسمبر 2016. تتمتع خلية الوقود Clarity ، التي تبلغ مساحتها 366 ميل (589 كلم) ، بأعلى تصنيف لسلسلة EPA من أي مركبة انبعاثات صفرية في الولايات المتحدة ، بما في ذلك الوقود المركبات الكهربائية الخلية والبطارية. تتمتع “كلاريتي” أيضاً بأعلى تصنيفات اقتصادية مجتمعة للوقود في المدن بين جميع سيارات خلايا الوقود الهيدروجينية التي تم تقييمها من قبل وكالة حماية البيئة ، مع تصنيف المدينة / الطريق السريع المشترك الذي يبلغ 67 ميلاً للغالون الواحد من غاز البنزين (MPGe) ، و 68 ميجا بيكسل في قيادة المدينة.
في عام 2017 ، تخلصت دايملر من تطوير FCEV ، مشيرة إلى انخفاض تكاليف البطاريات وزيادة نطاق المركبات الكهربائية ، وقد حولت معظم شركات السيارات التي تعمل على تطوير سيارات الهيدروجين تركيزها إلى السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية.
اقتصاد الوقود
يقارن الجدول التالي اقتصاد الوقود الخاص بوكالة حماية البيئة المعبر عنه بالأميال لكل جالون مكافئ للبنزين (MPGe) لمركبات خلايا وقود الهيدروجين التي تم تقييمها من قبل وكالة حماية البيئة حتى ديسمبر 2016 ، وهي متوفرة فقط في كاليفورنيا.
خلايا الوقود مدعومة من قبل مصلح الإيثانول
في يونيو 2016 ، أعلنت نيسان عن خطط لتطوير سيارات تعمل بخلايا الوقود مدعومة بالإيثانول بدلاً من الهيدروجين. تدعي نيسان أن هذا النهج الفني سيكون أرخص ، وأنه سيكون من الأسهل نشر البنية التحتية للتزويد بالوقود أكثر من البنية التحتية للهيدروجين. وستشمل المركبة خزانًا يحمل مزيجًا من الماء والإيثانول ، يتم إدخاله إلى مصلح داخلي يقسمه إلى هيدروجين وثاني أكسيد كربون. ثم يتم تغذية الهيدروجين في خلية وقود أكسيد الصلب. ووفقًا لنيسان ، فإن الوقود السائل يمكن أن يكون مزيجًا من ماء الإيثانول بنسبة 55:45. تتوقع نيسان تسويق تكنولوجيتها بحلول عام 2020.
الباصات
هناك أيضا نماذج مظاهرة للحافلات ، وفي عام 2011 كان هناك أكثر من 100 من حافلات خلايا الوقود المنتشرة في جميع أنحاء العالم. تم إنتاج معظم هذه الحافلات من قبل UTC UTC و Toyota و Ballard و Hydrogenics و Proton Motor. وقد تراكمت الحافلات UTC أكثر من 970،000 كم (600،000 ميل) من القيادة. تتمتع حافلات خلايا الوقود بزيادة في استهلاك الوقود بنسبة 30-141٪ مقارنة بحافلات الديزل وحافلات الغاز الطبيعي. وقد تم نشر حافلات خلايا الوقود في ويسلر كندا ، سان فرانسيسكو الولايات المتحدة ، هامبورغ ألمانيا ، شنغهاي الصين ، لندن انكلترا ، ساو باولو البرازيل وعدة مدن أخرى. تم إيقاف مشروع Whistler في عام 2015. إن نادي Cell Cell Bus هو جهد تعاوني عالمي في حافلات خلايا الوقود التجريبية. المشاريع البارزة تشمل:
تم نشر 12 حافلة بخلايا الوقود في أوكلاند ومنطقة خليج سان فرانسيسكو في كاليفورنيا.
أكملت شركة دايملر إيه جي ، التي تعمل بستة وثلاثين حافلة تجريبية مدعومة بخلايا وقود شركة “بالارد باور سيستمز” ، تجربة ناجحة مدتها ثلاث سنوات ، في إحدى عشرة مدينة ، في عام 2007.
تم نشر أسطول من حافلات ثور مع خلايا الوقود UTC Power في كاليفورنيا ، تديرها شركة SunLine Transit Agency.
تم نشر أول نموذج أولي لحافلة وقود الهيدروجين في البرازيل في ساو باولو. تم تصنيع الحافلة في كاكسياس دو سول ، وكان من المقرر إنتاج وقود الهيدروجين في ساو برناردو دو كامبو من المياه من خلال التحليل الكهربائي. البرنامج ، المسمى “Ônibus Brasileiro a Hidrogênio” (البرازيلي Hydrogen Autobus) ، شمل ثلاث حافلات.
الرافعات الشوكية
رافعة شوكية لخلية الوقود (تسمى أيضًا شاحنة رفع خلايا الوقود أو رافعة شوكية لخلية الوقود) عبارة عن شاحنة رافعة شوكية صناعية تعمل بخلايا الوقود وتستخدم لرفع ونقل المواد. يتم تشغيل معظم خلايا الوقود المستخدمة في الرافعات الشوكية بواسطة خلايا وقود PEM.
في عام 2013 ، كان هناك أكثر من 4000 رافعة شوكية لخلية الوقود تستخدم في مناولة المواد في الولايات المتحدة ، منها 500 فقط حصلوا على تمويل من وزارة الطاقة (2012). يتم تشغيل أساطيل خلايا الوقود من قبل عدد كبير من الشركات ، بما في ذلك Sysco Foods و FedEx Freight و GENCO (في Wegmans و Coca-Cola و Kimberly Clark و Whole Foods) و HEB Grocers. وأظهرت أوروبا 30 رافعة شوكية لخلية الوقود مع شركة Hylift ومددتها مع HyLIFT-Europe إلى 200 وحدة ، مع مشاريع أخرى في فرنسا والنمسا. ذكرت شركة بايك ريسيرش في عام 2011 أن الرافعات الشوكية التي تعمل بخلايا الوقود ستكون المحرك الأكبر لطلب الوقود الهيدروجيني بحلول عام 2020.
توفر رافعات شوكية تعمل بالوقود من طراز PEM فوائد كبيرة على الرافعات الشوكية التي تعمل بالبترول حيث أنها لا تنتج أي انبعاثات محلية. يمكن أن تعمل الرافعات الشوكية لخلية الوقود من أجل التحول الكامل لمدة 8 ساعات على دبابة واحدة من الهيدروجين ، ويمكن إعادة التزود بالوقود في 3 دقائق ولها عمر من 8-10 سنوات. غالباً ما تستخدم رافعات شوكية تعمل بالوقود في المستودعات المبردة لأن أدائها لا يتدهور بفعل درجات الحرارة المنخفضة. في التصميم ، غالبًا ما يتم تصنيع وحدات FC كبديل للتسرب.
الدراجات النارية والدراجات
في عام 2005 ، أنتجت الشركة البريطانية Intelligent Energy أول دراجة نارية تعمل بالهيدروجين تعمل على الإطلاق تدعى ENV (الانبعاثات المحايدة). تحمل الدراجة البخارية ما يكفي من الوقود لتشغيلها لمدة أربع ساعات ، والسفر لمسافة 160 كم (100 ميل) في منطقة حضرية ، بسرعة قصوى تبلغ 80 كم / ساعة (50 ميلاً في الساعة). في 2004 طوّرت هوندا دراجة بخلايا الوقود التي استعملت هوندا FC Stack. هناك أمثلة أخرى للدراجات والدراجات مع محرك خلية وقود الهيدروجين. حصلت سوزوكي بورجمان على موافقة “نوع المركبة بالكامل” في الاتحاد الأوروبي. تجري الشركة التايوانية APFCT اختبار الشارع المباشر مع 80 خلية وقود تعمل بالوقود من أجل مكتب Taiwans للطاقة باستخدام نظام التزود بالوقود من Acta SpA الإيطالية.
الطائرات
قام باحثو بوينغ وشركاء الصناعة في جميع أنحاء أوروبا بإجراء اختبارات طيران تجريبية في فبراير / شباط 2008 لطائرة مأهولة تعمل فقط بخلية وقود وبطاريات خفيفة الوزن. استخدمت طائرة خلية الوقود Demonstrator ، كما تم استدعاؤها ، نظام خلايا الوقود / بطارية ليثيوم أيون الهجينة (PEM) لتزويد المحرك الكهربائي ، والذي كان مقترناً بمروحة تقليدية. في عام 2003 ، تم نقل أول طائرة مدفوعة بمحرك في العالم بالكامل بواسطة خلية وقود. كانت خلية الوقود عبارة عن تصميم مكدس فريد من نوع FlatStack والذي سمح بتكامل خلية الوقود مع الأسطح الأيروديناميكية للطائرة.
كان هناك العديد من خلايا الوقود التي تعمل بالطاقة بدون طيار المركبات الجوية (الطائرات بدون طيار). حددت طائرة بدون طيار تابعة لخلية الوقود الأفقية تدفقاً لمسافة قياسية لطائرة بدون طيار صغيرة في عام 2007. يهتم الجيش بشكل خاص بهذا التطبيق بسبب الضوضاء المنخفضة والتوقيع الحراري المنخفض والقدرة على تحقيق ارتفاعات عالية. في عام 2009 ، استخدم مختبر الأبحاث البحرية (NRL) Ion Tiger خلية وقود تعمل بالهيدروجين وحلقت لمدة 23 ساعة و 17 دقيقة. وتستكمل بوينغ اختباراتها على “فانتوم آي” (Phantom Eye) ، وهي منطقة ذات ارتفاعات عالية ، وقوة تحمل طويلة (HALE) لاستخدامها في إجراء الأبحاث والمراقبة على مسافة 20000 متر (65000 قدم) لمدة تصل إلى أربعة أيام في المرة الواحدة. كما تستخدم خلايا الوقود لتوفير الطاقة الإضافية للطائرات ، لتحل محل مولدات الوقود الأحفوري التي كانت تستخدم في السابق لتشغيل المحركات والطاقة على متن الاحتياجات الكهربائية. يمكن لخلايا الوقود أن تساعد الطائرات على الحد من انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون وغيره من الملوثات والضوضاء.
قوارب
استخدم أول زورق بخزان الوقود في العالم HYDRA نظام AFC بصافي ناتج 6.5 كيلو واط. لكل لتر من الوقود المستهلك ، ينتج محرك خارجي متوسط 140 مرة أقل من الهيدروكربونات التي تنتجها السيارة الحديثة المتوسطة. تتمتع محركات خلايا الوقود بكفاءة أعلى في مجال الطاقة مقارنة بمحركات الاحتراق ، وبالتالي فهي توفر نطاقًا أفضل وتخفيضًا كبيرًا في الانبعاثات. تعهدت آيسلندا بتحويل أسطول الصيد الواسع لاستخدام خلايا الوقود لتوفير طاقة إضافية بحلول عام 2015 ، وفي نهاية المطاف ، لتوفير الطاقة الأولية في قواربها. قدمت أمستردام مؤخراً أول زورق يعمل بخلايا الوقود يقوم بنقل الأشخاص حول قنوات المدينة الشهيرة والجميلة.
الغواصات
أول تطبيق غاطس لخلايا الوقود هو الغواصة الألمانية من النوع 212. يحتوي كل نوع 212 على تسع خلايا وقود PEM منتشرة في جميع أنحاء السفينة ، وتوفر ما بين 30 كيلوواط و 50 كيلو واط لكل من الطاقة الكهربائية. هذا يسمح للبقاء على النوع 212 لمدة أطول ويزيد من صعوبة اكتشافها. كما أن الغواصات التي تعمل بخلايا الوقود هي أيضاً أسهل لتصميمها وتصنيعها وصيانتها من الغواصات التي تعمل بالطاقة النووية.
القطارات
في مارس 2015 ، عرضت شركة السكك الحديدية الجنوبية الصينية (CSR) أول عربة ترام تعمل بخلايا الوقود الهيدروجينية في العالم في منشأة تجميع في تشينغداو. وقال كبير مهندسي شركة CSR Sifang Co Ltd ، Liang Jianying ، إن الشركة تدرس كيفية تقليل تكاليف الترام. تم بناء ما مجموعه 83 ميلا من المسارات للسيارة الجديدة في سبع مدن صينية. تخطط الصين لإنفاق 200 مليار يوان (32 مليار دولار) على مدى السنوات الخمس المقبلة لزيادة مسارات الترام إلى أكثر من 1200 ميل.
في عام 2016 ، أطلقت ألستوم لأول مرة Coradia iLint ، وهو قطار إقليمي مدعوم بخلايا الوقود الهيدروجينية التي ستكون أول مركبة في العالم تعمل بالطاقة الهيدروجينية. ستتمكن محطة Coradia iLint من الوصول إلى 140 كيلومترًا في الساعة (87 ميلاً في الساعة) والسفر من 600 إلى 800 كيلومتر (370-500 ميل) على خزان كامل من الهيدروجين. من المتوقع أن تدخل شركة Coradia iLint الأولى الخدمة في ديسمبر 2017 على خط Buxtehude-Bremervörde-Bremerhaven-Cuxhaven في ساكسونيا السفلى ، ألمانيا.
البنية الهيدروجينية
صرح إيبرلي وريتمار فون هلمولت في عام 2010 بأن التحديات لا تزال قائمة قبل أن تصبح السيارات التي تعمل بخلايا الوقود قادرة على المنافسة مع تقنيات أخرى ، وتشير إلى الافتقار إلى بنية تحتية مكثفة للهيدروجين في الولايات المتحدة: اعتبارًا من يوليو 2017 ، كان هناك 36 محطة للتزويد بالوقود بالهيدروجين يمكن الوصول إليها بشكل عام في الولايات المتحدة. ، 32 منها كانت موجودة في ولاية كاليفورنيا. في عام 2013 ، وقع الحاكم جيري براون على AB 8 ، وهو مشروع قانون لتمويل 20 مليون دولار سنويا لمدة 10 سنوات لبناء ما يصل إلى 100 محطة. في عام 2014 ، قامت لجنة كاليفورنيا للطاقة بتمويل 46.6 مليون دولار لبناء 28 محطة.
حصلت اليابان على أول محطة تجارية لتزويد الهيدروجين بالوقود في عام 2014. وبحلول مارس 2016 ، كان لدى اليابان 80 محطة لتزويد الهيدروجين بالوقود ، وتهدف الحكومة اليابانية إلى مضاعفة هذا العدد إلى 160 محطة بحلول 2020. في مايو 2017 ، كان هناك 91 محطة لتزويد الهيدروجين بالوقود في اليابان. كان لدى ألمانيا 18 محطة تزويد عام بالوقود الهيدروجيني في يوليو 2015. وكانت الحكومة الألمانية تأمل في زيادة هذا العدد إلى 50 محطة بنهاية عام 2016 ، ولكن 30 محطة فقط كانت مفتوحة في يونيو 2017.
الرموز والمعايير
مركبة خلية الوقود هي تصنيف في رموز ومعايير FC الهيدروجين ورموز ومعايير الخلية الوقودية المعايير الرئيسية الأخرى هي تطبيقات خلايا الوقود الثابتة وتطبيقات خلايا الوقود المحمولة.
برامج الولايات المتحدة
في عام 2003 ، اقترح الرئيس الأمريكي جورج بوش مبادرة وقود الهيدروجين (HFI). يهدف HFI إلى زيادة تطوير خلايا وقود الهيدروجين وتقنيات البنية التحتية لتسريع الإدخال التجاري لمركبات خلايا الوقود. بحلول عام 2008 ، ساهمت الولايات المتحدة بمليار دولار لهذا المشروع. في عام 2009 ، أكد ستيفن تشو ، وزير الطاقة الأمريكي آنذاك ، أن مركبات الهيدروجين “لن تكون عملية خلال السنوات العشر إلى العشرين القادمة”. ولكن في عام 2012 ، ذكر تشو أنه رأى سيارات خلايا الوقود أكثر جدوى من الناحية الاقتصادية مع انخفاض أسعار الغاز الطبيعي وتحسن تقنيات إصلاح الهيدروجين. في يونيو 2013 ، منحت لجنة كاليفورنيا للطاقة 18.7 مليون دولار لمحطات وقود الهيدروجين. في عام 2013 ، وقع الحاكم براون على AB 8 ، وهو مشروع قانون لتمويل 20 مليون دولار سنويا لمدة 10 سنوات لما يصل إلى 100 محطة. في عام 2013 ، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية عن تخصيص ما يصل إلى 4 ملايين دولار من أجل “التطوير المستمر لأنظمة تخزين الهيدروجين المتقدمة”. في 13 مايو 2013 ، أطلقت وزارة الطاقة H2USA ، والتي تركز على تطوير البنية التحتية للهيدروجين في الولايات المتحدة.
كلفة
بحلول عام 2010 ، أدت التطورات في تكنولوجيا خلايا الوقود إلى تقليل حجم ووزن وتكلفة المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود. في عام 2010 ، قدرت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) أن تكلفة خلايا وقود السيارات قد انخفضت بنسبة 80٪ منذ عام 2002 وأن خلايا الوقود يمكن تصنيعها مقابل 51 دولار / كيلوواط ، على افتراض توفير كبير في تكلفة التصنيع. وقد تم إنتاج السيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود بـ “مدى قيادة يزيد عن 250 ميلاً بين التزود بالوقود”. يمكن إعادة تزويدها بالوقود في أقل من 5 دقائق. تمتلك حافلات خلايا الوقود المنتشرة اقتصاديًا في استهلاك الوقود بنسبة 40٪ مقارنة بحافلات الديزل. يزعم برنامج تقنيات خلايا الوقود التابع لشركة EERE أن خلايا الوقود حققت ، اعتبارًا من عام 2011 ، كفاءة مركبات كهربائية تعمل بخلايا الوقود بنسبة 42 إلى 53٪ بكامل طاقتها ، ومتانة تزيد عن 75،000 ميل مع انخفاض جهد الفلطية بنسبة 10٪ ، وهو ضعف ما تحقق في عام 2006. في عام 2012 ، أصدرت شركة Lux Research، Inc. تقريرًا خلص إلى أن “التكلفة الرأسمالية … ستحد من الاعتماد إلى 5.9 غيغاواط فقط” بحلول عام 2030 ، مما يوفر “حاجزًا لا يمكن التغلب عليه تقريبًا تجاه التبني ، إلا في التطبيقات المتخصصة”. وخلص تحليل لوكس إلى أنه بحلول عام 2030 ، ستصل تطبيقات خلايا الوقود الثابتة PEM إلى مليار دولار ، في حين أن سوق المركبات ، بما في ذلك رافعات شاحنات الوقود ، ستصل إلى ما مجموعه 2 مليار دولار.
تأثير بيئي
يعتمد التأثير البيئي لمركبات خلايا الوقود على الطاقة الأولية التي تم إنتاج الهيدروجين منها. تعتبر مركبات خلايا الوقود حميدة بيئياً فقط عندما يتم إنتاج الهيدروجين بالطاقة المتجددة. إذا كانت هذه هي الحالة ، فإن سيارات خلايا الوقود أكثر نظافة وكفاءة من سيارات الوقود الأحفوري. ومع ذلك ، فهي ليست بنفس كفاءة السيارات الكهربائية التي تستهلك طاقة أقل بكثير. وعادة ما تستهلك سيارة تعمل بخلايا الوقود طاقة تزيد بمقدار 2.4 مرة عن طاقة السيارة الكهربائية ، لأن التحليل الكهربي وتخزين الهيدروجين أقل كفاءة بكثير من استخدام الكهرباء لتحميل البطارية مباشرة.
واعتبارًا من عام 2009 ، استخدمت المركبات الآلية معظم النفط المستهلك في الولايات المتحدة ، وأنتجت أكثر من 60٪ من انبعاثات أول أكسيد الكربون وحوالي 20٪ من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في الولايات المتحدة ، إلا أن إنتاج الهيدروجين للتكسير المائي المستخدم في إنتاج البنزين بين الاستخدامات الصناعية لها كانت مسؤولة عن ما يقرب من 10 ٪ من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري واسعة الأسطول. وعلى النقيض من ذلك ، فإن المركبة التي تعمل بالهيدروجين النقي تصدر القليل من الملوثات ، وتنتج الماء والحرارة بشكل رئيسي ، على الرغم من أن إنتاج الهيدروجين سيخلق الملوثات ما لم يتم إنتاج الهيدروجين المستخدم في خلية الوقود باستخدام الطاقة المتجددة فقط.
في تحليل Well-to-Wheels لعام 2005 ، قدرت وزارة الطاقة أن السيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود التي تستخدم الهيدروجين المنتج من الغاز الطبيعي ستؤدي إلى انبعاث ما يقرب من 55٪ من CO2 لكل ميل من محركات محرك الاحتراق الداخلي وتخفض الانبعاثات بنسبة 25٪ تقريبًا عن المركبات الهجينة. في عام 2006 ، ذكر Ulf Bossel أن الكمية الكبيرة من الطاقة اللازمة لعزل الهيدروجين من المركبات الطبيعية (الماء ، والغاز الطبيعي ، والكتلة الحيوية) ، وحزم الغاز الخفيف عن طريق الضغط أو التسييل ، ونقل حاملة الطاقة إلى المستخدم ، بالإضافة إلى الطاقة المفقودة عند يتم تحويلها إلى كهرباء مفيدة مع خلايا الوقود ، وتترك حوالي 25 ٪ للاستخدام العملي. “ريتشارد جيلبرت ، المؤلف المشارك لثورات النقل: نقل الناس والشحن بدون نفط (2010) ، تعليقات بالمثل ، أن إنتاج غاز الهيدروجين ينتهي به الأمر باستخدام بعض ثم يتم أخذ الطاقة عن طريق تحويل الهيدروجين مرة أخرى إلى كهرباء داخل خلايا الوقود. “” هذا يعني أن ربع الطاقة المتوفرة في البداية تصل إلى المحرك الكهربائي … … مثل هذه الخسائر في التحويل ” ر تكديس جيد ضد ، على سبيل المثال ، إعادة شحن سيارة كهربائية (EV) مثل نيسان ليف أو تشيفي فولت من مقبس حائط “. A 2010 تحليل عجلات عربات الوقود الهيدروجينية لعام 2010 تقرير من Argonne National Laborato يقول راي أن مسارات H2 المتجددة تقدم منافع غازات البيت الأخضر أكبر بكثير. تم تأكيد هذه النتيجة مؤخرًا. في عام 2010 افترضنا منشور DOE للعجلات أن كفاءة خطوة واحدة من ضغط الهيدروجين إلى 6،250 psi (43.1 ميجا باسكال) في محطة إعادة التزود بالوقود هي 94٪. خلصت دراسة أجريت عام 2016 في عدد نوفمبر من مجلة Energy من قبل علماء في جامعة ستانفورد والجامعة التقنية في ميونيخ إلى أنه حتى لو افترضنا إنتاج الهيدروجين المحلي ، فإن “الاستثمار في مركبات البطارية الكهربائية كلها خيار اقتصادي أكثر لخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، يرجع ذلك أساسا إلى انخفاض تكلفتها وكفاءة الطاقة أعلى بكثير. ”
نقد
في عام 2008 ، كتب البروفيسور جيريمي بي. مايرز ، في مجلة الجمعية الكهروكيميائية Interface ، “في حين أن خلايا الوقود فعالة بالنسبة لمحركات الاحتراق ، فهي ليست بنفس كفاءة البطاريات ، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى عدم كفاءة تفاعل تقليل الأكسجين … هي الأكثر منطقية للعملية المنفصلة عن الشبكة ، أو عندما يمكن توفير الوقود بشكل مستمر.للتطبيقات التي تتطلب بدء تشغيل متكرر وسريع نسبيا … حيث تكون الانبعاثات صفر مطلبًا ، كما هو الحال في الأماكن المغلقة مثل المستودعات ، و حيث يعتبر الهيدروجين متفاعلًا مقبولًا ، تصبح [خلية وقود PEM] خيارًا جذابًا بشكل متزايد [إذا كان تبادل البطاريات غير مريح] “. ومع ذلك ، ستظل التكلفة العملية لخلايا الوقود للسيارات مرتفعة ، إلى أن تتضمن أحجام الإنتاج وفورات الحجم وسلسلة التوريد المطورة جيدًا. وحتى ذلك الحين ، فإن التكاليف تكاد تكون واحدة من حيث الحجم أعلى من أهداف وزارة الطاقة.
أيضا في عام 2008 ، ذكرت “وايرد نيوز” أن “الخبراء يقولون إنه سيكون 40 سنة أو أكثر قبل أن يكون للهيدروجين أي تأثير ذي مغزى على استهلاك البنزين أو ارتفاع درجة حرارة الأرض ، ونحن لا نستطيع الانتظار كل هذا الوقت. وفي غضون ذلك ، يتم تحويل خلايا الوقود الموارد من حلول أكثر فورية “. مجلة “إيكونومست” ، في عام 2008 ، نقلاً عن روبرت زوبرين ، مؤلف كتاب “طاقة النصر” ، قوله: “الهيدروجين” هو مجرد أسوأ وقود سيارات ممكن “. وأشارت المجلة إلى أن معظم الهيدروجين يتم إنتاجه من خلال إصلاح البخار ، مما يخلق على الأقل انبعاثات الكربون لكل ميل كما هو الحال في بعض سيارات البنزين اليوم. من ناحية أخرى ، إذا كان من الممكن إنتاج الهيدروجين باستخدام الطاقة المتجددة ، “سيكون من الأسهل بالتأكيد استخدام هذه الطاقة لشحن البطاريات من السيارات الهجينة التي تعمل بالكهرباء بالكامل أو المكونات الكهربائية.” كتبت صحيفة لوس أنجلوس تايمز في عام 2009: “أي طريقة تنظر إليها ، فإن الهيدروجين هو طريقة رديئة لتحريك السيارات”. طلبت صحيفة واشنطن بوست في نوفمبر 2009 ، “هل تريد تخزين الطاقة في شكل هيدروجين ومن ثم استخدام ذلك الهيدروجين لإنتاج الكهرباء لمحرك ، عندما تنتظر الطاقة الكهربائية بالفعل للامتصاص من مآخذ في جميع أنحاء أمريكا وتخزينها في بطاريات السيارات …؟ ”
صرح Motley Fool في عام 2013 بأنه “لا تزال هناك عوائق باهظة التكلفة (للسيارات الهيدروجينية) تتعلق بالنقل والتخزين ، والأهم من ذلك ، الإنتاج”. وقال رودولف كريبس من فولكسفاجن في عام 2013: “بغض النظر عن مدى جودة صناعة السيارات بنفسك ، فإن قوانين الفيزياء تعيق كفاءتها بشكل عام. إن الطريقة الأكثر فعالية لتحويل الطاقة إلى التنقل هي الكهرباء”. وأوضح: “لا يمكن أن تكون حركية الهيدروجين منطقية إلا إذا كنت تستخدم الطاقة الخضراء” ، ولكن … تحتاج إلى تحويلها أولاً إلى هيدروجين “بكفاءة منخفضة” حيث “تخسر حوالي 40 بالمائة من الطاقة الأولية”. عليك بعد ذلك ضغط الهيدروجين وتخزينه تحت ضغط عالٍ في الخزانات ، التي تستخدم المزيد من الطاقة. “ومن ثم يتعين عليك تحويل الهيدروجين مرة أخرى إلى كهرباء في خلية وقود مع خسارة كفاءة أخرى”. وتابع كريبس: “في النهاية ، من الطاقة الأصلية 100 في المائة من الطاقة الكهربائية ، ينتهي بك الأمر بنسبة 30 إلى 40 في المائة”.
في عام 2014 ، نشر جوليان كوكس ، مستقبلي صناعة السيارات والطاقة الكهربائية ، تحليلاً استخدم بيانات الحكومة الأمريكية (NREL) ووكالة حماية البيئة (EPA) التي تدحض الافتراضات السياسية الواسعة النطاق المتعلقة بفوائد الانبعاثات المزعومة من استخدام الهيدروجين في النقل. وحسبت كوكس الانبعاثات الناتجة لكل ميل مدفوع بدورة EPA ، وعجلة جيدة ، وبواسطة مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية في الحقيقة والأرقام المجمعة من الأشخاص الخاضعين للاختبار المسجلين في دراسة NREL FCV طويلة المدى التي أجرتها وزارة الطاقة الأمريكية. وقد قدم التقرير بيانات رسمية تدحض بشدة ادعاءات المسوق عن أي منافع متأصلة لخلايا وقود الهيدروجين على قطارات محرك هجين مماثلة للبنزين التقليدي وحتى السيارات العادية ذات المحركات الصغيرة لأداء محرك نقل مكافئ بسبب كثافة انبعاثات الهيدروجين من الغاز الطبيعي. . واستمر التقرير في توضيح الحتمية الاقتصادية لاستمرار استخدام الميثان في إنتاج الهيدروجين بسبب تأثير تعثر تكلفة خلايا وقود الهيدروجين على الأميال المتجددة بسبب الخسائر في تحويل الكهرباء من وإلى الهيدروجين عند مقارنتها بالاستخدام المباشر للكهرباء في حالة عادية مركبة كهربائية. ويتناقض التحليل مع الادعاءات التسويقية لشركات تصنيع السيارات المشاركة في الترويج لخلايا وقود الهيدروجين والتي تنعكس مطالبها بشكل متكرر في بيانات السياسة العامة. أثبت التحليل أن السياسة العامة فيما يتعلق بخلايا وقود الهيدروجين قد تم تضليلها عن طريق التكافؤ الخاطئ لمركبات بنزين كبيرة جداً أو قديمة جداً أو عالية جداً لا تعكس بدقة خيارات تكنولوجيات خفض الانبعاثات المتاحة بسهولة من بين التكلفة الأقل والموجودة مسبقاً خيارات السيارات الجديدة المتاحة للمستهلكين ، وكذلك لدافعي الضرائب الذين قاموا بتمويل بنية تحتية للهيدروجين زائدة عن الحاجة على أساس أنه على أساس علمي غير صحيح في الواقع. وبدلاً من ذلك ، يمكن أن تثبت بيانات وزارة الطاقة الأمريكية الرسمية أن التسويق ، وبالتالي المطالبات المتعلقة بالسياسة العامة للهيدروجين ، مضللة للغاية. كتب كوكس في عام 2014 أن إنتاج الهيدروجين من الميثان “هو أكثر كثافة من الكربون لكل وحدة طاقة من الفحم. إن إزالة الهدروجين الأحفوري من التكسير الهيدروليكي للصخور لمسار طاقة مستدام بيئياً يهدد بتشجيع سياسات الطاقة التي من شأنها أن تخفف الجهود التي قد تعيق الجهود العالمية لمواجهة تغير المناخ بسبب خطر تحويل الاستثمار والتركيز من تقنيات المركبات المتوافقة اقتصاديًا مع الطاقة المتجددة “. علّق Business Insider في عام 2013:
يمكن أن يكون الهيدروجين النقي مشتقًا صناعياً ، ولكنه يتطلب طاقة. إذا كانت هذه الطاقة لا تأتي من مصادر متجددة ، فإن سيارات خلايا الوقود ليست نظيفة كما تبدو. … تحد آخر هو الافتقار إلى البنية التحتية. تحتاج محطات الوقود إلى الاستثمار في القدرة على إعادة تزويد صهاريج الهيدروجين بالوقود قبل أن تصبح عمليات FCEV عملية ، ومن غير المرجح أن يفعل الكثيرون ذلك بينما يوجد عدد قليل جدًا من العملاء على الطريق اليوم. … يضاعف الافتقار إلى البنية التحتية التكلفة العالية للتكنولوجيا. خلايا الوقود لا تزال “غالية جدا”.
في عام 2014 ، خصص المدون المناخي والمسؤول السابق في وزارة الطاقة جوزيف روم ثلاثة مقالات لانتقادات مركبات الهيدروجين. وذكر أن “أف.سي.في” ما زال لم يتغلب على القضايا التالية: ارتفاع تكلفة المركبات ، وارتفاع تكلفة الوقود ، ونقص البنية التحتية لإيصال الوقود. “سوف يتطلب الأمر عدة معجزات للتغلب على كل تلك المشاكل في وقت واحد في العقود القادمة.” وعلاوة على ذلك ، قال ، “FCVs ليست خضراء” بسبب الهروب من الميثان أثناء استخراج الغاز الطبيعي وعندما يتم إنتاج الهيدروجين ، كما هو 95 ٪ منه ، وذلك باستخدام عملية إصلاح البخار. وخلص إلى أن الطاقة المتجددة لا يمكن استخدامها اقتصاديًا لصنع الهيدروجين لأسطول FCV “سواء الآن أو في المستقبل”. توصل المحلل في GreenTech Media إلى نتائج مماثلة في عام 2014. في عام 2015 ، أدرجت شركة Clean Technica بعض عيوب مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية كما فعل Car Throttle. وخلص كاتب آخر من كلين تكنيكا إلى أنه “في حين أن الهيدروجين قد يكون له دور يلعبه في عالم تخزين الطاقة (خاصة التخزين الموسمي) ، فإنه يبدو وكأنه طريق مسدود عندما يتعلق الأمر بالمركبات الرئيسية”.
وقد وجد تحليل عام 2017 نُشر في مجلة Green Car Reports أن أفضل مركبات خلايا الوقود الهيدروجينية تستهلك “أكثر من ثلاثة أضعاف الكهرباء لكل ميل من السيارة الكهربائية … تولد المزيد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري مقارنة بتكنولوجيات توليد القوة الأخرى … [ولها] تكاليف الوقود مرتفعة للغاية … بالنظر إلى جميع العقبات والمتطلبات الخاصة ببنية تحتية جديدة (تقدر تكلفتها بما يصل إلى 400 مليار دولار) ، يبدو من المرجح أن تكون مركبات خلايا الوقود تكنولوجيا متخصصة في أحسن الأحوال ، مع تأثير ضئيل على استهلاك النفط الأمريكي. في عام 2017 ، كتب مايكل بارنارد ، الذي يكتب في مجلة فوربس ، العيوب المستمرة لسيارات خلايا وقود الهيدروجين ، وخلص إلى أنه “بحلول عام 2008 تقريبًا ، كان من الواضح جدًا أن الهيدروجين كان أقل من تكنولوجيا البطاريات ، كخزان للطاقة للمركبات. في عام 2025 ، من المرجح أن يكون آخر تعليق للخارج هو سحب أحلام خلايا الوقود الخاصة بهم.