- ¿Qué es el repostaje de hidrógeno y en qué se diferencia de la carga convencional de gasolina o de vehículos eléctricos?
- ¿Cuáles son los retos asociados al establecimiento de una infraestructura de repostaje de hidrógeno?
- ¿Qué precauciones de seguridad hay para garantizar la manipulación y el repostaje seguros del hidrógeno?
- ¿Cuánto se tarda en repostar un vehículo de hidrógeno en comparación con el repostaje de un vehículo convencional de gasolina?
- ¿Cuál es el estado actual de la infraestructura de repostaje de hidrógeno a nivel mundial?
- ¿Son compatibles las estaciones de repostaje de hidrógeno con los modelos de vehículos existentes o requieren modificaciones?
- ¿Cuáles son los costes asociados al repostaje de hidrógeno para los propietarios de vehículos y los proveedores de infraestructuras?
- ¿Cuáles son algunos de los esfuerzos de investigación y desarrollo en curso para mejorar la tecnología de repostaje de hidrógeno?
- ¿Pueden integrarse las estaciones de repostaje de hidrógeno en las gasolineras existentes, o requieren instalaciones separadas?
- ¿Cuáles son las perspectivas para el repostaje de hidrógeno en el transporte pesado, como camiones y autobuses?
- ¿Hay historias de éxito notables o estudios de caso de implementaciones de reabastecimiento de hidrógeno en todo el mundo?
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¿Qué es el repostaje de hidrógeno y en qué se diferencia de la carga convencional de gasolina o de vehículos eléctricos?
Los vehículos convencionales de gasolina funcionan con combustible (gasolina o gasóleo) repostado en gasolineras. Los vehículos eléctricos funcionan con baterías de iones de litio, que suministran energía a los motores para accionar las distintas piezas del vehículo. El repostaje de hidrógeno consiste en llenar el depósito del vehículo con gas comprimido a una presión de 700 bar & 350 bar. Para los vehículos ligeros, es de 700 bar (H70) & para todos los demás vehículos, es de 350 bar (H35).
El hidrógeno puede transportarse por tuberías o camiones, o producirse in situ. Si el hidrógeno llega en forma líquida, hay que convertirlo en gas. Pasa por un vaporizador que convierte el líquido en gas & se dispensa a los vehículos.
Una estación de servicio de hidrógeno no es muy diferente de una estación convencional, pero la diferencia es que el hidrógeno se suministra a alta presión & es un gas extremadamente volátil, la conexión entre el receptáculo del vehículo ’s; bomba debe ser estanca. El hidrógeno se dispensa en los depósitos del vehículo, para alimentar la pila de combustible y generar electricidad para movilizar el vehículo. El tanque de almacenamiento de hidrógeno está por encima del suelo, mientras que la estación de gasolina está por debajo.
¿Cuáles son los retos asociados al establecimiento de una infraestructura de repostaje de hidrógeno?
Una de las principales consideraciones para el desarrollo de una infraestructura de repostaje de hidrógeno es adaptar la disponibilidad de combustible al creciente número de vehículos. La producción y el almacenamiento de combustible deben tener en cuenta el número de vehículos de la zona, de modo que la demanda local de combustible se utilice de forma eficiente. Si la estación es demasiado pequeña, aumenta el tiempo de espera de los usuarios y causa pérdidas a los propietarios. El aumento de la tecnología debe ser paralelo al de los vehículos. Las estaciones también deben estar lo suficientemente cerca de los clientes finales para permitir un tiempo de transporte práctico para repostar.
Al principio del despliegue de los vehículos, es decir, durante el lanzamiento inicial del vehículo, las estaciones de servicio pequeñas utilizaban la generación distribuida de hidrógeno de forma más eficaz. La solución para grandes plantas centralizadas es necesaria para dar servicio a múltiples estaciones para altas concentraciones de vehículos. Incluso los autobuses de pila de combustible pueden facilitar la entrada en el mercado, ya que varios autobuses pueden repostar diariamente. Otras aplicaciones incluyen carretillas elevadoras de pila de combustible para la manipulación de materiales, aplicaciones marinas, motocicletas, otros vehículos militares & aplicaciones aeroespaciales. Las estaciones se supone que sirven 80-1600 coches (o) 8-160 autobuses por día, el hidrógeno necesario es (0,1-2,0) millones scf/día.
Los requisitos para la estación de combustible también incluyen H35 & H70 capacidad de llenado rápido de combustible para servir a los vehículos. La estación de abastecimiento de combustible se establece con los códigos- ISO 22734 generadores de H2 que utilizan la electrólisis del agua. SAE J2799- FCEV (vehículo eléctrico de pila de combustible) a la comunicación de la estación.
¿Qué precauciones de seguridad hay para garantizar la manipulación y el repostaje seguros del hidrógeno?
La manipulación segura del hidrógeno es uno de los retos, ya que el riesgo de explosión es alto. Por ello, es necesario seguir ciertas precauciones de seguridad durante el mantenimiento de una estación de repostaje.
Las precauciones de seguridad estándar que deben seguirse en una estación de repostaje de hidrógeno son:
- NFPA 2 capítulo 10 GH2 instalaciones de repostaje de vehículos.
- Conexiones de repostaje en superficie de hidrógeno comprimido SAE J2600.
- Vigilancia constante de fugas de hidrógeno en la sala de compresores con detector de hidrógeno.
- Supervisión constante de llamas & chispas en la sala de compresores con un detector de llamas UV.
- Tanques aislados con válvulas de cierre automático para aislar el tanque de la estación.
- Monitorización constante del nivel de oxígeno en la sala de compresores.
- Detectores de humo detectan incendios en la sala de compresores & sala de control.
- Ventilación mecánica EX continua en las zonas de riesgo para evitar la aparición de atmósferas explosivas.
- Los componentes húmedos están hechos de materiales compatibles con el hidrógeno & componentes relevantes probados según EN ISO 11114-4 “método de prueba para la selección de materiales metálicos resistentes a la fragilización por H2”.
- Las tuberías de alta presión deben conectarse únicamente con accesorios de rosca cónica.
- L PLC de seguridad separado que garantice la supervisión de los procesos críticos para la seguridad durante el abastecimiento de combustible.
- Dispensador de hidrógeno con ruptura, sensor de inclinación y un sofisticado sistema de control de fugas.
- Liberación segura de hidrógeno en caso de peligro a través de escotillas y chimeneas.
- Multiple redundancia en parámetros críticos de seguridad y repostaje (sensores de presión y temperatura).
- Equipos de detección de gas y alarmas.
¿Cuánto se tarda en repostar un vehículo de hidrógeno en comparación con el repostaje de un vehículo de gasolina convencional?
El repostaje de un vehículo de hidrógeno proporciona una experiencia similar a la de los vehículos de gasolina convencionales, en términos de tiempo de repostaje y rendimiento. Aproximadamente 5-7 kg de hidrógeno en 3-5 minutos para los coches, 10 minutos para los autobuses. El hidrógeno se reposta a (-40 a 80) °C. La boquilla se comunica con el depósito del vehículo mediante señales infrarrojas para determinar la velocidad de llenado. Comparando el rendimiento del repostaje de dos métodos de repostaje, conocidos como el método de la tabla de consulta y el método de la fórmula MC dentro del protocolo SAE J2601, se consigue un repostaje rápido de los HFCEV en cuestión de minutos, pero el método de la fórmula MC aprovecha la medición activa de la temperatura de preenfriamiento para controlar dinámicamente el proceso de repostaje y, de este modo, se consigue un llenado más rápido del vehículo.
El método de la fórmula MC reduce enormemente el tiempo de repostaje en comparación con el método de la tabla de consulta. Aunque el método de tabla de consulta SAE J2601 se aplica actualmente para repostar vehículos de pila de combustible de hidrógeno, el método de fórmula MC proporciona un tiempo de repostaje significativo en la futura estación de servicio de hidrógeno para una mejor satisfacción del cliente con la experiencia de repostaje de HFCEVs.
Los vehículos eléctricos de pila de combustible suelen recorrer 482,8 km (300 millas) o más repostando en 3-5 minutos.
Ejemplo: Estación de repostaje de hidrógeno
¿Cuál es el estado actual de la infraestructura de repostaje de hidrógeno a nivel mundial?
El número de estaciones de servicio de hidrógeno está creciendo rápidamente. Todas están subvencionadas por los gobiernos, normalmente con un 50% de los costes. El Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) & National Renewable Energy Laboratory (NREL) informan de un total de 385 estaciones de repostaje de hidrógeno activas, 167 previstas para el próximo año. El censo del PNNL enumera sólo 28 estaciones de repostaje de H2 en China & 11 están previstas pero no en funcionamiento. El número de estaciones de H2 se duplicó cada año desde 2016 & había 52 estatinas activas en China a fines de 2019, & 72 más en construcción. PNNL informa de 80 estaciones activas en Alemania, y 100 estaciones en Alemania están planeando estar en construcción. De las 385 estaciones activas 268 están abiertas al público.
A finales de 2022, 455 estaciones H2 están operativas en Asia. 165 estaciones de H2 en Japón, 149 estaciones de H2 en Corea del Sur & de nuevo 45 nuevas estaciones de servicio para todos los vehículos eléctricos de pila de combustible. Norteamérica añadió 11 nuevas estaciones de servicio el año pasado. 70 estaciones H2 en California de un total de 89, el estado sigue siendo el Centro de gravedad en el continente.
La capacidad de muchas estaciones que dispensan hidrógeno a 70 MPa o ambos 70 & 35 MPa comprenden la gran mayoría. El estándar internacional de almacenamiento a bordo para turismos es de 70 MPa, mientras que los autobuses están diseñados para almacenar a 35 MPa.
¿Son compatibles las estaciones de repostaje de hidrógeno con los modelos de vehículos existentes o requieren modificaciones?
Los modelos de vehículos existentes no pueden ser repostados en estaciones de hidrógeno porque los combustibles son completamente diferentes & tienen propiedades diferentes. El GNC y el hidrógeno son gases comprimidos a 200-300bar, & 350-700bar respectivamente. Los vehículos de GNC funcionan con GNC, mientras que los FCEV funcionan con hidrógeno. Los dos tipos de vehículos funcionan con diferentes cámaras de combustión & sistemas de inyección de combustible. Los vehículos de GNC pueden ser modificados para funcionar con hidrógeno mezclado (HCNG) y están diseñados para funcionar con combustible de hidrógeno, lo que requiere la modificación del motor y el sistema de combustible. El vehículo debe estar equipado con un depósito de hidrógeno y un inyector de hidrógeno. Los vehículos alimentados con gas natural comprimido enriquecido con hidrógeno pueden reducir la contaminación.
Por lo tanto, no es posible modificar el vehículo de GNC existente para que funcione con combustible de hidrógeno puro. El motor & el sistema de combustible no son posibles para soportar hidrógeno a alta presión & el coste del vehículo es muy alto. La estación de repostaje de hidrógeno está equipada con bombas Cryo de alta presión para repostar el hidrógeno a 350-700 bar & puede repostar sólo vehículos de hidrógeno con el protocolo SAE J2601 en pocos minutos.
Los vehículos existentes puramente GNC no pueden repostar en las estaciones de hidrógeno, ni siquiera con modificaciones.
¿Cuáles son los costes asociados al repostaje de hidrógeno para los propietarios de vehículos y los proveedores de infraestructuras?
El coste asociado a los propietarios de vehículos incluye el coste de la pila de combustible de membrana de intercambio protónico, la durabilidad, la vida útil del vehículo, el coste del combustible de hidrógeno y el coste del sistema de almacenamiento de hidrógeno; sustituir la pila podría resultar económico. El coste de las reparaciones periódicas & aperiódicas son parámetros importantes en el balance económico del uso del vehículo en una distancia determinada y están en estudio. Equipamiento adicional del sistema de confort y seguridad. Servicios periódicos de reparación y mantenimiento. El coste del seguro está asociado en función del coste y tipo de vehículo.
El coste de la infraestructura se ve afectado por la economía de escala. Dependerá del tamaño de la flota (tamaño de la flota: número total de vehículos de propiedad común). A medida que el tamaño de la flota crece el coste de la infraestructura disminuye & es más favorable para el TCO (coste total de propiedad) de los vehículos eléctricos de pila de combustible puede ser obtained.
También se centran en la optimización de la producción de hidrógeno & proceso de entrega, la entrega de hidrógeno en estado líquido no es rentable ni factible debido al alto coste de licuefacción. Se trata principalmente de determinar la ubicación óptima de la estación y el coste total necesario para construir y explotar el sistema de suministro de hidrógeno. Gasto total de capital, por ejemplo, almacenamiento de hidrógeno a baja presión o compresor, gasto operativo fijo, mantenimiento, coste total de combustible/electricidad para generar hidrógeno a partir del electrolizador.
¿Cuáles son algunos de los esfuerzos de investigación y desarrollo en curso para mejorar la tecnología de repostaje de hidrógeno?
1. Tecnologías de almacenamiento para desarrollar tecnologías de almacenamiento de mayor capacidad y menor peso.
Esto significa almacenar el hidrógeno en cilindros ligeros a mayor presión. Los cilindros son fabricados por compuestos de fibra de carbono envueltos que están disponibles para almacenar hidrógeno a una presión de 700 bar & por encima. aumenta el porcentaje de peso de hidrógeno en ~ 6wt%. el almacenamiento ligero es beneficioso para Marina & aplicaciones de pilas de combustible.
2. Tecnologías de repostaje rápido para vehículos de pila de combustible.
Controlar con precisión el caudal másico en el proceso de repostaje rápido: Para conseguir un tiempo de repostaje corto, la tasa de llenado debe controlarse en un rango adecuado. Puede causar un rápido aumento de la temperatura interior del cilindro de almacenamiento, lo que puede disminuir el estado de carga (SOC), también dañar las paredes del tanque, la tasa de llenado de masa también aumenta & finalmente problemas de seguridad. El control preciso de la tasa de llenado es importante para satisfacer tanto el tiempo de llenado & aumento de la temperatura. Por lo tanto, la variación de la tasa de llenado podría controlar la temperatura mejor que la tasa de flujo constante. La temperatura del gas aumenta bruscamente al principio & luego lentamente mientras se mantienen constantes los parámetros de llenado. El aumento de temperatura se produce en el primer cuarto del tiempo de llenado. El caudal másico se controla lentamente al principio & luego rápidamente sin aumentar el tiempo total de llenado. La optimización del caudal másico requiere más investigación.
¿Se pueden integrar las estaciones de repostaje de hidrógeno en las gasolineras existentes, o requieren instalaciones separadas?
Las estaciones de repostaje de hidrógeno pueden integrarse en las gasolineras existentes, las oportunidades, costes, & beneficios de implementar el repostaje de hidrógeno en las estaciones de servicio de GNC existentes. El hidrógeno y el gas natural se utilizan en forma comprimida como combustible para vehículos y requieren equipos especiales para comprimir, almacenar y dispensar el combustible.
Compresor: En las estaciones de GNC y GH2, el compresor es uno de los elementos más importantes en el proceso de compresión, almacenamiento y suministro de ambos combustibles. El GNC utiliza un compresor alternativo horizontal accionado por un motor eléctrico que comprime el gas reduciendo su volumen. Los compresores alternativos son de dos tipos: lubricados y sin aceite. La infraestructura de GNC utiliza un compresor lubricado, el gas se utiliza para la combustión por lo que no hay necesidad de alta pureza, mientras que el compresor lubricado no es adecuado para el hidrógeno porque las pilas de combustible requieren 99,99% de hidrógeno de pureza. Por lo tanto, se utiliza un compresor de diafragma sin aceite o un intensificador hidráulico para presurizar (para 350 o 700 bar).
Tecnología de surtidores: Tanto los surtidores de GH2 como los de GNC tienen un aspecto y un funcionamiento similares. Los surtidores para todos los combustibles de vehículos tienen el mismo aspecto desde la interfaz de usuario & punto de venta. Las transacciones de repostaje con tarjetas de crédito son las mismas. El hardware de las tuberías, los componentes y la boquilla del GH2 están preparados para una presión más alta que la del GNC. El dispensador debe tener un sistema de detección de fugas y un sistema de medición que mida con precisión el gas dispensado. Se aplican normas de seguridad como la NFPA 2 para GH2 y la NFPA 52 para GNC. La dispensación de H2 está regulada por SAE J2601/J2799, que contiene códigos & normas para el cambio de presión, rango de temperatura permisible & flujo.
Materiales del recipiente de almacenamiento: Para los recipientes de almacenamiento a bordo de vehículos para GNC y GH2, el recipiente de almacenamiento es de tipo 3 o 4. El revestimiento interior del tipo 3 es de tipo 4. El revestimiento interior del tipo 3 es de aleación de aluminio 6061 & envuelto con fibra de carbono utilizado para GH2 a 350 bar, & GH2 en el revestimiento interior del tipo 4 es de plástico de polietileno & envuelto con carbono. El grosor de la envoltura del GH2 es mayor que el del cilindro de GNC debido al aumento de la presión normal de funcionamiento (248 -350 bar), lo que incrementa el coste del cilindro. Para los recipientes de almacenamiento en tierra, se puede utilizar el cilindro de Tipo 1. Es el mismo para ambos H2 & cilindros de GNC la diferencia es la resistencia a la tracción & índices de fluencia de acero en bruto. ex: un pequeño almacenamiento intermedio se utiliza para dispensar H2 a la presión de llenado requerido.
¿Cuáles son las perspectivas para el repostaje de hidrógeno en el transporte pesado, como camiones y autobuses?
Según las estadísticas, cerca del 50% del consumo total de petróleo procede de la industria del transporte. La emisión de NOx es del 74%, y la de partículas, del 52,4% del total de emisiones de los vehículos. La promoción de las pilas de combustible de hidrógeno en los camiones pesados contribuye a la conservación de la energía y a la reducción de las emisiones. Los camiones pesados requieren largas distancias de conducción, alta potencia, y el transporte de cargas pesadas con cero emisiones.
En comparación con los turismos, las rutas de operación de los camiones pesados son más fijas, & por esta disposición, la infraestructura de reabastecimiento de hidrógeno se reduce. Utilizando el almacenamiento de hidrógeno a 70 MPa en los depósitos de tipo 4 de los autobuses urbanos, la distancia de conducción puede aumentar a más de 500 km. Si la tecnología de almacenamiento de hidrógeno líquido o tecnologías avanzadas de almacenamiento de hidrógeno vienen, entonces la distancia de conducción se puede aumentar a 1000 km en vehículos pesados.
A través de, conservación de la energía, protección del medio ambiente, y largas distancias de conducción, se logra una mayor eficiencia. uso conveniente de camiones pesados de pila de combustible reduce el consumo de petróleo & emisiones contaminantes. 1 kg de hidrógeno conduce 60 millas mientras que un vehículo convencional corre 25 millas con un galón de gasolina.
Algunos casos de éxito notables en la implantación del repostaje de hidrógeno en todo el mundo son:
Los siguientes son algunos de ellos
- Alstom Coradia Lint- El primer tren de pasajeros del mundo propulsado por una pila de combustible de hidrógeno
- Generadores de pila de combustible de hidrógeno- Estos generadores se utilizan para ahorrar dinero & reducir las emisiones.
- Por ejemplo, en la República de Corea
- República de Corea- Tiene previsto fabricar 6,2 millones de vehículos basados en pilas de combustible de hidrógeno& construir 1200 estaciones de repostaje para 2040.
- China- el mayor productor de hidrógeno del mundo
- El tren de hidrógeno Coradia Lint (vehículo ferroviario de transporte local ligero e innovador) de Alstom circula por primera vez en Suecia.
En 2016, con el lanzamiento de Coradia Lint, un tren regional libre de emisiones de CO2 que representa una alternativa de tren de tracción diésel, Alstom se convirtió en el primer fabricante ferroviario del mundo en desarrollar un tren de pasajeros basado en la tecnología del hidrógeno. En primer lugar, los dos trenes 100% H2 Lint entraron en servicio comercial en 2018 en Alemania & recorrieron 1.00.000 km. Hasta la fecha, se han encargado 41 trenes en Alemania & se han realizado pruebas con éxito en Austria & en Países Bajos.
Facilita un sistema de transporte bajo en carbono; Alstom cuenta con varias soluciones de movilidad sostenible. El Coradia Lint se compromete a diseñar & ofrecer soluciones innovadoras & respetuosas con el medio ambiente: el Coradia Lint es el primer tren de pasajeros del mundo’propulsado por pilas de combustible de hidrógeno, que producen energía eléctrica para la tracción. Este tren de emisiones cero emite bajos niveles de ruido, con vapor de escape & agua condensada. Sus prestaciones se equiparan a las de un tren normal, con una velocidad máxima de 140 km/h y unas prestaciones de aceleración y frenado comparables. Iguala la capacidad de un tren de pasajeros con 300 pasajeros.
Esto es de gran importancia para el medio ambiente: la sustitución de un tren diesel por un tren de hidrógeno reducirá la emisión anual de CO2 equivalente a 400 coches.
Alstom es el mayor actor en el mercado ferroviario sueco, con más de 1000 trenes entregados.
Última actualización: 20.12.2023