Cum funcționează un vehicul pe hidrogen?

Deși denumirea de „pilă de combustie” poate da impresia unei tehnologii de vârf destul de greu de înțeles pentru publicul larg, secretul acestui nou mod de a produce energie constă într-o reacție chimică simplă, între oxigen și hidrogen. Care sunt, așadar, particularitățile unui vehicul pe hidrogen? Cum funcționează? Care sunt avantajele sale? Și, mai concret, care sunt utilizările posibile ale mașinii pe hidrogen?

Provocările legate de mașinile electrice pe bază de hidrogen

Câteva informații de context pentru început. Termenul „mașină electrică pe hidrogen” se referă la un vehicul alimentat cu o sursă de energie specială, hidrogenul, prin intermediul unui sistem specific: pilă de combustie. Mașina cu „pilă de combustie pe bază de hidrogen” face parte dinmarea familie a mașinilor electrice. Tracțiunea sa este, de fapt, asigurată de un grup motopropulsor electric.

În cazul unui vehicul electric cu baterie litiu-ion, energia electrică este stocată în baterie la fiecare reîncărcare de la rețeaua electrică. În schimb, în cazul unui vehicul pe hidrogen, energia electrică necesară funcționării grupului motopropulsor este furnizată atât de baterie, cât și de pilă de combustie, pe baza hidrogenului stocat la bord. Majoritatea vehiculelor pe hidrogen oferite în prezent de producătorii auto se bazează pe acest principiu.

Mașina pe hidrogen împărtășește, alături de mașina 100% electrică, ambiția de a circula cu un impact redus asupra mediului. Cu toate acestea, mai sunt încă numeroase provocări de depășit pentru a reduce la maximum impactul asupra mediului al producției de hidrogen. În prezent, metoda de extragere a acestei molecule se bazează pe reformarea compușilor organici carbonici. Se vorbește atunci de dihidrogen „gri”, deoarece este obținut printr-un proces de extracție a combustibililor fosili.
Există însă o altă modalitate de a obține hidrogen: prin electroliza apei. Dacă energia electrică necesară acestei electrolize provine dintr-o sursă durabilă, precum energia fotovoltaică sau eoliană, este posibilă producerea de hidrogen „verde”. Această metodă de extragere reprezintă o soluție de viitor.

Funcționarea unei mașini electrice pe hidrogen cu ajutorul pilei de combustie

Cum funcționează, concret, un vehicul cu pilă de combustie pe bază de hidrogen? Energia electrică a acestuia este furnizată de o pilă de combustie. Hidrogenul este stocat sub presiune în rezervoare speciale, la bordul vehiculului. Acest gaz (H2), împreună cu oxigenul (O2) din aerul ambiant, alimentează pila de combustie. Aceste două gaze suferă o reacție electrochimică în interiorul pilei. Această reacție produce electricitate, căldură și vapori de apă (H2O), care se degajă sub forma unui jet de apă printr-un țevar de eșapament amplasat sub vehicul.

Energia astfel produsă, împreună cu energia din baterie, alimenteazămotorul electric al mașinii. Aceasta se deplasează astfel în liniște, fără emisii de gaze poluante și fără emisii de CO2. Vehiculul poate fi realimentat cu hidrogen în stații specializate, grație unor pompe capabile să injecteze foarte rapid hidrogen (5 minute), sub formă de gaz sub presiune, în interiorul rezervorului.

Consumul unui vehicul cu pilă de combustie pe bază de hidrogen

Trebuie să ținem cont de faptul că atomul de hidrogen, care compune molecula de dihidrogen (H2), se numără printre cele mai simple și mai ușoare elemente naturale din tabelul periodic (adică din clasificarea care cuprinde toate elementele chimice prezente pe Pământ). Densitatea sa volumică este foarte mică. Pentru a obține cantitatea de hidrogen necesară bunei funcționări a unui vehicul, este necesar să se stocheze o cantitate mare de hidrogen, la presiuni ridicate, în rezervoare de mare capacitate.

Mașina electrică pe bază de hidrogen, conform Renault Group

Pentru Renault Group, o mașină electrică cu pilă de combustie pe bază de hidrogen este un vehicul electric care îmbină sub aceeași capotă o baterie de tip litiu-ion și o pilă de combustie. Optând pentru complementaritate, Renault combină cele mai bune caracteristici ale celor două tehnologii.

În această configurație standard, motorul electric este alimentat de bateria litiu-ion. Pila de combustibil constituie, la rândul său, o rezervă suplimentară de energie, care contribuie la creșterea razei de acțiune a vehiculului, oferind o autonomie mai mare și un timp de reîncărcare mai scurt.

Avantajele mașinii pe hidrogen

La bordul vehiculului său pe hidrogen, șoferul beneficiază în primul rând de o autonomie aproape dublă. Energia electrică produsă de pilă de combustie prin stocarea hidrogenului se adaugă la capacitatea de stocare a bateriei principale. În acest sens, sistemul pe hidrogen poate fi considerat un „extensor de autonomie”.
Cireașa de pe tort: rapiditatea reîncărcării. Pe lângă reîncărcarea electrică de la rețea, sunt suficiente câteva minute (maximum 5 minute) pentru a „face plinul” de hidrogen, astfel încât să alimenteze pila de combustie și să prelungească instantaneu autonomia.
Și acestea nu sunt singurele avantaje: vehiculul pe hidrogen păstrează toate avantajele legate de utilizarea unei mașini electrice, începând cu funcționarea silențioasă, confortul la conducere și accesul în zonele cu circulație restricționată din anumite centre urbane.

Reîncărcarea unui vehicul pe bază de hidrogen

Cum se desfășoară, concret, reîncărcarea unui automobil electric pe bază de hidrogen? Răspunsul diferă în funcție de producător. În soluția studiată de Renault Group, vehiculul oferă două opțiuni pentru reîncărcarea rezervelor de energie. În primul rând, reîncărcarea de la o stație de încărcare „clasică” pentru alimentarea bateriei litiu-ion (proces facilitat de numărul mare de stații accesibile). În al doilea rând, reîncărcarea la stația de hidrogen pentru a umple rezervoarele de gaz în câteva minute, dacă este necesar să se prelungească traseul.

Stocarea hidrogenului

Chiar dacă termenul de „mașină cu pilă de combustie” nu a intrat încă pe deplin în limbajul curent, acesta nu trebuie să sugereze existența vreunei tehnologii riscante. Desigur, hidrogenul, aflat sub presiune ridicată în rezervor, este un element inflamabil și volatil, dar acest lucru este valabil pentru orice combustibil. În cazul supraîncălzirii sau al opririi pilei, hidrogenul este dispersat și se detensionează în mai puțin de un minut.

De peste douăzeci de ani, tehnologiile care utilizează dihidrogenul au fost testate și aprobate în numeroase ocazii, adesea în condiții extreme (inginerie spațială, submarine, utilaje de construcții).

Renault Group lucrează, de asemenea, la sisteme de propulsie electrice bi-energie (baterie reîncărcabilă și pilă de combustie cu hidrogen), în special prin intermediul mărcii sale Renault și alprototipului Emblème.

Să menționăm, de asemenea, lucrările întreprinse de Alpine în domeniul hidrogenului, cu prototipurile AlpenglowHy4 și Hy6 prezentateîn 2024. 

Mașină pe hidrogen sau mașină electrică cu baterie litiu-ion: comparație

Aceste tehnologii par a fi diametral opuse, dar reprezintă două soluții de mobilitate complementare.Hidrogenul sau mașina electrică: alegerea depinde în primul rând de destinația de utilizare și de tipul vehiculului. În cazul unui vehicul utilitar ușor, cu o sarcină utilă mare, hidrogenul este o opțiune deosebit de potrivită. Chiar dacă rezervorul în care este stocat este voluminos, greutatea sa rămâne rezonabilă. Hidrogenul se pretează în special utilizărilor intensive în circuit închis, cu un loc de reîncărcare bine identificat și ușor accesibil în timpul unui traseu, sau chiar în incinta sediului companiei.
Vehiculele electrice echipate exclusiv cu baterii litiu-ion se adresează, la rândul lor, tuturor tipurilor de utilizări și de public, de la deplasările scurte în oraș până la drumurile principale. Dar când bateria este descărcată, singura soluție este reîncărcarea la rețea. Viteza de încărcare este mai mică decât în cazul hidrogenului, dar stațiile de încărcare sunt mai numeroase, atât în locuri private, cât și pe drumurile publice. Este ușor să profitați de staționarea vehiculului pentru a-l reîncărca.
Prin urmare, acestea sunt două tehnologii complementare în ceea ce privește utilizarea lor, ambele având ca obiectiv asigurarea unei mobilități durabile.

Vehiculele pe hidrogen: care este gradul de răspândire în Europa și în Franța?

În 2020, înmatriculările de vehicule cu pilă de combustie pe bază de hidrogen au avut loc în principal în Germania, urmată de Țările de Jos și Franța**. Stațiile de alimentare cu hidrogen se extind treptat în Europa. În Franța, în 2023, 23 de stații sunt în funcțiune, obiectivul fiind de 900 până în 2030. În Germania, sunt în curs de instalare 109 stații, urmând ca numărul acestora să ajungă la 300 până în 2030, iar în Spania sunt 3 stații, urmând ca numărul acestora să ajungă la 150 în 2030. Olanda numără în 2023 12 stații în funcțiune, cu un obiectiv de 150 până în 2025. Apariția primelor mașini electrice cu hidrogen de serie, inclusiv a vehiculelor profesionale care, deocamdată, se reîncarcă în principal în cadrul companiei, ar putea accelera dezvoltarea acestor infrastructuri și ar putea contribui la creșterea tehnologiei hidrogenului.

*WLTP: Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures. Ciclul standardizat WLTP cuprinde 57 % trasee urbane, 25 % trasee extraurbane și 18 % trasee pe autostradă. Valorile de autonomie indicate se bazează pe studiul protocolului WLTP. Acestea pot varia în funcție de condițiile reale de utilizare și de diferiți factori, precum: viteza, confortul termic la bordul vehiculului, stilul de conducere și temperatura exterioară. 

** Raportul privind al treilea trimestru al anului 2020 publicat de ACEA, Asociația Europeană a Constructorilor de Automobile

Drepturi de autor: Pagecran, Olivier Martin-Gambier, Yann Lefebvre (DPPI Media), Nicolas Lascourreges (La Company)