Hidrojenle çalışan trenlerin avantaj ve dezavantajları

İNOVASYON 14 Nisan, 2021

Eski dizel trenler, tüm dünyada demiryolu ağlarından aşamalı olarak çıkarılırken, Birleşik Krallık, demiryollarının karbondan arındırılmasına yardımcı olabilecek yeni bir motor türünü - hidrojenle çalışan trenleri test ediyor.

Platformdan herhangi bir İngiliz banliyö trenine benziyordu. Ancak Long Marston'daki vagonlara binen yolcular alışılmadık bir manzarayla karşılaştı.

Vagonlardan birinde, yolcular, dört hidrojen yakıt deposu, bir yakıt hücresi ve iki lityum pilin etrafında oturmaya teşvik edildi. Trenin hidrojen güç sistemi, treni 50 ila 75 mil götürmek için yeterli güç üretiyor.

Hydroflex adlı tren, Birleşik Krallık'ın hidrojenle çalışan ilk trenidir ve ilk kez Haziran 2019'da halka gösterildi.
Hidrojenle çalışan trenlerin avantaj ve dezavantajları

Birmingham Üniversitesi ve İngiliz demiryolu şirketi Porterbrook'tan yeni treni geliştiren mühendisler, yolcuların trenin hidrojen yakıt hücrelerinin yanında oturmasını istedi.

Teknolojiye ne kadar çabuk alışırlarsa, kendilerini o kadar çabuk güvende hissederler, diye düşündüler.

İngiliz R101 ve Alman Hindenburg gibi hidrojenle dolu zeplinlerin talihsiz tarihi göz önüne alındığında, bir yakıt kaynağı olarak hidrojenin etrafındaki bazı endişeler belki anlaşılabilir. Ancak hidrojenle çalışan trenler, uygulanabilir - ve çok daha güvenli - bir ulaşım aracı olarak ortaya çıkıyor.

Atık ürün olarak yalnızca suyu serbest bırakan tren filolarına ne kadar yakınız?

Hidrojenin Hydroflex gibi bir trene güç verme şekli oldukça basittir.

Yakıt hücresi bir anot, bir katot ve bir elektrolit membrandan oluşur. Depolanan hidrojen, elektron ve protonlara bölündüğü anottan geçer. Elektronlar daha sonra lityum pillerde saklanabilen veya doğrudan trenin elektrik motoruna gönderilebilen bir elektrik yükü üreten bir devre boyunca zorlanır. Hidrojen molekülünün kalan kısmı katotta oksijen ile reaksiyona girer ve atık ürün olan su haline gelir.

Hydroflex’in hidrojen depoları, yakıt hücresi ve pilleri şu anda bir yolcu vagonunun içinde bulunuyor, ancak nihai plan daha fazla yolcu sığdırmak için bunları trenin altında depolamak.

Hidrojen elbette son derece yanıcıdır, ancak Hydroflex'te yolcuların güvenliğini sağlamak için bir dizi önlemden biri olan dört güvenli yüksek basınç tankında depolanır.

İklim krizinin ortasında, taşımacılık endüstrilerinde karbondan arındırma talebi arttı ve Hydroflex bunun sadece bir ürünü.

Almanya, 2016 yılında, geleneksel trenlerin bir dizel tankta ulaştığı mesafelere eşit olarak, tek bir yakıt deposu ile 600 mil boyunca gidebilen, dünyanın ilk hidrojenle çalışan treni olan Coradia iLint'i tanıttı.

ABD'deki mühendisler de eyaletlere bir "hydrail" versiyonu getirmek için çalışıyorlar.

Bununla birlikte, demiryolu halihazırda ulaşımda en düşük sera gazı yayıcıları arasında yer aldığından, raylı sistemlerin büyük çapta elden geçirilmesinin değerinin buna değip değmeyeceği henüz belli değil.

Makine Mühendisleri Enstitüsüne göre, Birleşik Krallık halihazırda yol millerinin %42'sine elektrik veriyor, yani bu trenler yenilenebilir bir güç kaynağı kullanırlarsa sıfır karbon olmaya hazır.

Hampshire'dan Londra'ya giden tek bir hat şu anda dünyada yalnızca güneş enerjisiyle çalışan tek hattır.

Bununla birlikte, İngiltere'deki hattın kalan %58'i henüz elektrikli değil, bu nedenle bu alanları demiryolu ile birbirine bağlı tutmak için dizel trenlere ihtiyaç var.

Hydroflex üzerinde çalışan mühendisler, hidrojenle çalışan trenlerin, rayını elektriklendirmenin yüksek maliyetine katlanmadan Birleşik Krallık'ın ray sistemini karbonsuzlaştırmanın cevabı olabileceğini söylüyor.
Hidrojenle çalışan trenlerin avantaj ve dezavantajları

İngiltere ve Avrupa ana karasındaki 20 hat üzerinde yapılan bir değerlendirmeye göre, tek bir kilometrelik yolu elektrikli hale getirmek 750.000 ila 1 milyon sterline (965.000 ila 1.3 milyon ABD Doları) mal olabilir.

Hidrojenle çalışan trenler daha ucuzdur çünkü büyük çaplı ray bakımları gerektirmezler ve mevcut dizel trenlerin yenilenmesiyle oluşturulabilirler. Bu, özellikle kat edilecek daha fazla milin olduğu, ancak masrafı haklı çıkarmak için daha az yolcunun olduğu kırsal alanlarda faydalıdır.

Ancak hidrojen trenleri dezavantajları ile gelir.

Birmingham Üniversitesi profesörü ve Hydroflex projesinin lideri Stuart Hillmansen, "Yaklaşık 20 kg hidrojen depoluyoruz ve bu da yakıt hücresini üç saat çalıştırmak için yeterli" diyor. Bu nedenle, daha uzun mesafeli yolculuklar henüz mümkün olmayacaktır.

Porterbrook’un Hydroflex’teki ortağı Birmingham Üniversitesi Demiryolu Araştırma ve Eğitim Merkezi’ndeki mühendisler, bu sınırları genişletmenin yolları üzerinde çalışıyorlar.

Mevcut hidrojen depolama teknolojilerimizle hidrojen, eşdeğer fosil yakıtlardan önemli ölçüde daha fazla yer kaplıyor.

Hidrojen yakıt hücreleri, dizel yakıt kadar enerji verimli olabilirken, gazı depolamak bir sorun olabilir.

Michigan Eyalet Üniversitesi Demiryolu Araştırma ve Eğitim Merkezi'nde yakıt alternatifleri araştırmacısı Raphael Isaac, "Hidrojen, süper hafif olduğu için kütle başına çok fazla enerjiye sahipken, aynı zamanda çok fazla hacim kaplıyor" diyor. "Mevcut hidrojen depolama teknolojilerimizle hidrojen, [eşdeğer] fosil yakıtlardan önemli ölçüde daha fazla yer kaplıyor." Hidrojen tipik olarak sıkıştırılmış olsa da, yine de birim hacim başına fosil yakıtlar kadar verimli değildir.

Aynı zamanda hidrojenli trenlerde bir de yer sorunu var

Örneğin Hydroflex'teki yakıt depoları, Viktorya dönemi demiryolu tünellerinden geçebilecek sıradan bir arabaya sığacak kadar küçük olmalıdır.

Bu alan kısıtlamaları, Porterbrook'un, Alstom'un Almanya'da yaptığı gibi tamamen yeni araçlar inşa etmek yerine, eski tren modellerini hidrojen yakıtlı güç sistemi ile yenilemeyi seçmesinin bir nedenidir - mevcut trenler, geçmek zorunda oldukları tüneller için yapılmıştır.

Hidrojen başka yöntemler kullanılarak ve yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilebilir.

Hidrojen yakıtının tek doğrudan atık ürünü su olsa da, bu tür bir gücü elde etmek ille de temiz anlamına gelmez. Porterbrook'ta inovasyon ve proje direktörü Helen Simpson, "Zorluk şu anda hidrojenin kimyasal süreçlerin bir yan ürünü olarak üretilmesi," diyor.

Şu anda en ucuz ve en yaygın yöntem, hidrojen üretmek için doğal gaz ve yüksek sıcaklıkta buhar kullanır. Hydroflex, doğal gaz kullanılarak üretilen bir hidrojen kombinasyonundan üretilen hidrojenle çalışıyor ancak tedarikçisi BOC, yenilenebilir seçenekler aradığını söylüyor.

Hidrojen enerjisinin gerçekten sürdürülebilir olması için, onu üretmenin fosil yakıtlara dayanmayan diğer yöntemlerinin ana akım haline gelmesi gerekir.

Michigan Üniversitesi'nde bir havacılık mühendisi olan Margaret S. Wooldridge, “Hidrojen, diğer yöntemler kullanılarak ve yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilebilir. örn. güneş fotovoltaiklerinden elektrik ve suyun elektrolizi” diyor.

Elektroliz, elektrik akımı kullanarak oksijeni sudan ayırır ve hidrojen oluşturur. Bu akım yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerji kullanılarak yaratılabilir, ancak henüz küçük test gösterilerinin dışında yapılması gerekiyor.

Gerçek anlamda yeşil bir seyahat biçimi olması için hidrojenin fosil yakıtlar yerine deniz üstü rüzgar çiftlikleri ve güneş şebekeleri gibi yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak yaratılması ve depolanması gerekir.

Hidrojenle çalışan trenlerle ilgili bir başka kalıcı çevresel sorun da lityum pillerin kullanılmasıdır.

Şu anda, lityum işleme çevredeki ortama büyük bir zarar veriyor. Örneğin, bir ton lityum madenciliği için 1900 ton su gerekir ve lityum madenciliği çeşitli çevresel bozulma önlemleriyle ilişkilendirilmiştir. Araştırmacılar, gelecekte güneş enerjisi kullanmak yerine deniz suyundan lityum çıkarmanın mümkün olabileceğini umuyorlar, ancak fikir deneysel olmaya devam ediyor.

Diğer tarafta, Hydroflex gibi trenlerin en büyük avantajlarından biri, iki modlu tren olma potansiyelleridir, yani hem elektrikli hem de geleneksel hatlarda çalışabilirler.

Dolayısıyla, hatların çoğunun - özellikle kırsal hatlar - elektrikli trenleri taşıyacak şekilde dönüştürülmesi gerekirken, hidrojenle çalışan yeni trenler inşa etmek (Alstrom hidrojen trenlerinden birinin maliyeti yaklaşık 5,19 milyon sterlin) veya eski trenleri yenilemenin kesinlikle bir masrafı olsa da, bunlar esnek bir alternatiftir.

Simpson, "Burası, hidrojen yakıtının gerçek maliyet-etkin ve değerli bir alternatif olarak geldiği ve düşük karbonlu bir demiryolu sunduğu gerçek bir alandır" diyor. "Çok fazla yolcu talebinin olmadığı tüm bu uzun rotalara sahip olduğumuzda, hatları elektriklendirmenin maliyet-faydası orada değil."

Yolculara da faydaları var. Elektrikli trenler gibi hidrojenle çalışan trenler de dizel muadillerine kıyasla inanılmaz derecede sessiz.

Ve elektrikli trenlerin aksine, ağ genelindeki kesintilere karşı daha dirençlidirler. Isaac, "Paylaşılan elektrik altyapısı, altyapıda hasar olması durumunda bir hattaki birçok trenin operasyonlarının etkileneceği anlamına geliyor" diyor. Örneğin, hidrojenle çalışan bir tren, elektrik hatları kesildiğinde yakıt hücrelerine geçebilir.

ABD gibi yolcu trenlerinin daha az popüler olduğu ülkelerde, yük trenlerini hidrojen enerjisine çevirme yeteneği, bunları seri üretime sokmanın anahtarı olacak.

ABD Enerji Bakanlığı ve Federal Demiryolu İdaresi tarafından desteklenen yakın tarihli bir rapor, yük trenlerine hidrojen ile güç sağlamak teknik olarak daha zor olsa da, sonuçta "en yüksek toplumsal değere" sahip olacağını belirtiyor.

Bununla birlikte, yük yolculardan daha ağırdır, bu nedenle, aynı yükü dizel yakıtlı yük trenlerinin halihazırda yönettiği mesafeye taşımak için daha fazla hidrojene veya daha verimli bir şekilde sıkıştırılmış hidrojene ihtiyaç duyacaktır.

Demiryoluna hidrojen sağlamak için altyapıyı geliştirmek açısından büyük bir zorluk var

Birmingham'daki mühendisler şu anda hidrojeni sıkıştırmanın daha verimli yolları üzerinde çalışıyorlar, Hydroflex'in hala gezinmesi gereken birkaç engelden biri. Hillmansen, "Demiryoluna hidrojeni sağlamak için altyapıyı geliştirmek açısından büyük bir zorluk var" diyor. "Bu teknoloji var, ancak bu işlemlerin ölçeğinde bir artış olması gerekecek."

Ancak mühendisler, uygulanabilir bir ticari tren haline gelmeye hazırlanan Hydroflex'in yalnızca hidrojen-güç teknolojisinin bir göstergesi olmadığını vurguluyor. Trenin ticari kullanım için güvenli sayılması için geçmesi gereken uzun bir onay listesi var, ancak projeye dahil olanlar Hydroflex'in bundan iki yıl sonra tamamen çalışır durumda olacağını tahmin ediyor.

Birleşik Krallık’ın 2040 yılına kadar sadece dizelle çalışan trenleri tamamen ortadan kaldırma hırsı ışığında, Hydroflex’in raylarda yapacağı ilkbahar testi, onu belki de ülkenin en çok beklenen varışlarından biri yapıyor.

Kaynak: bbc.com/future + birmingham.ac.uk

Alican Engin

İlginizi Çekilebilecek Odaklar

Facebook Yorumları

YORUMLAR