Motor cu hidrogen. Cum funcționează și dezavantaje

Motoarele cu ardere internă nu au apărut ca unități de putere separate dramatic. Mai degrabă, motorul clasic a apărut ca urmare a rafinării și îmbunătățirii motoarelor termice. Citiți despre cum a apărut treptat unitatea, pe care obișnuim să o vedem sub capota mașinilor. într-un articol separat.

Cu toate acestea, când a apărut prima mașină echipată cu un motor cu ardere internă, omenirea a primit un vehicul autopropulsat care nu necesita hrănire constantă, ca un cal. Multe lucruri s-au schimbat în motoare începând cu 1885, dar un dezavantaj rămâne neschimbat. În timpul arderii unui amestec de benzină (sau alt combustibil) și aer, sunt eliberate prea multe substanțe nocive care poluează mediul.

Dacă înainte de apariția vehiculelor autopropulsate, arhitecții țărilor europene se temeau că marile orașe se vor îneca în balegă de cal, astăzi locuitorii megalopoliilor respiră aer murdar.

Strângerea standardelor de mediu pentru transport obligă producătorii de vehicule să dezvolte un sistem de propulsie mai curat. Deci, multe companii au devenit interesate de tehnologia creată anterior de Anjos Jedlik - un cărucior autopropulsat de tracțiune electrică, care a apărut în 1828. Și astăzi această tehnologie a devenit atât de ferm stabilită în lumea automobilelor, încât nu vei surprinde pe nimeni cu o mașină electrică sau un hibrid.

Dar ceea ce este cu adevărat încurajator este centralele, a căror singură eliberare este apa potabilă. Este un motor cu hidrogen.

Ce este un motor cu hidrogen?

Acesta este un tip de motor care folosește hidrogenul ca combustibil. Utilizarea acestui element chimic va reduce epuizarea resurselor de hidrocarburi. Al doilea motiv al interesului pentru astfel de instalații este reducerea poluării mediului.

În funcție de ce tip de motor va fi utilizat în transport, funcționarea acestuia va diferi de motorul clasic cu ardere internă sau va fi identică.

Scurt istoric

Motoarele cu combustie internă cu hidrogen au apărut în aceeași perioadă în care principiul ICE a fost dezvoltat și îmbunătățit. Un inginer și inventator francez și-a proiectat propria versiune a unui motor cu ardere internă. Combustibilul pe care l-a folosit în dezvoltarea sa este hidrogenul, care apare ca urmare a electrolizei H₂A. În 1807, a apărut prima mașină cu hidrogen.

Isaac De Rivaz în 1807 a depus un brevet pentru dezvoltarea unui tractor pentru echipament militar. ca una dintre unitățile de putere, a sugerat utilizarea hidrogenului.

Unitatea de putere a fost cu piston, iar aprinderea din el s-a datorat formării unei scântei în cilindru. Este adevărat, prima creație a inventatorului avea nevoie de generarea manuală de scântei. După doar doi ani, și-a finalizat lucrarea și s-a născut primul vehicul cu hidrogen autopropulsat.

Cu toate acestea, în acea perioadă, dezvoltării nu i s-a acordat importanță, deoarece gazul nu este la fel de ușor de obținut și de stocat ca benzina. Motoarele cu hidrogen au fost utilizate practic în Leningrad în timpul blocadei din a doua jumătate a anului 1941. Deși, trebuie să recunoaștem că acestea nu erau exclusiv unități de hidrogen. Acestea erau motoare obișnuite cu combustie internă GAZ, doar că nu existau combustibil pentru ele, dar era multă gaz la acea vreme, deoarece erau alimentate cu baloane.

În prima jumătate a anilor 80, multe țări, și nu numai europene, ci și America, Rusia și Japonia s-au angajat să experimenteze acest tip de instalație. Așadar, în 1982, odată cu lucrările comune ale uzinei Kvant și ale întreprinderii de automobile RAF, a apărut un motor combinat, care funcționa pe un amestec de hidrogen și aer, și o baterie de 5 kW / h a fost utilizată ca sursă de energie.

De atunci, diferite țări au încercat să introducă vehicule „verzi” în liniile lor de model, dar în majoritatea cazurilor astfel de vehicule fie au rămas în categoria prototip, fie au avut o ediție foarte limitată.

Cum funcționează

Întrucât astăzi există multe motoare de funcționare din această categorie, în fiecare caz individual, instalația de hidrogen va funcționa conform propriului principiu. Luați în considerare modul în care funcționează o modificare care poate înlocui clasicul motor cu ardere internă.

Într-un astfel de motor, cu siguranță vor fi utilizate pilele de combustibil. Sunt un fel de generatoare care activează o reacție electrochimică. În interiorul dispozitivului, hidrogenul este oxidat, iar reacția are ca rezultat eliberarea de electricitate, vapori de apă și azot. Dioxidul de carbon nu este emis într-o astfel de instalație.

Un vehicul bazat pe o unitate similară este același vehicul electric, doar bateria din acesta este mult mai mică. Celula de combustibil generează suficientă energie pentru a opera toate sistemele vehiculului. Singura avertisment este că de la începutul procesului până la generarea de energie, poate dura aproximativ 2 minute. Dar puterea maximă a instalației începe după încălzirea sistemului, care durează de la un sfert de oră la 60 de minute.

Pentru ca centrala electrică să nu funcționeze degeaba și nu este necesar să pregătiți transportul pentru călătorie în avans, este instalată o baterie convențională în ea. În timp ce conduceți, acesta este reîncărcat din cauza recuperării și este necesar exclusiv pentru pornirea unei mașini.

O astfel de mașină este echipată cu un cilindru de volume diferite, în care este pompat hidrogen. În funcție de modul de conducere, de dimensiunea mașinii și de puterea instalației electrice, un kilogram de gaz poate fi suficient pentru 100 de kilometri de călătorie.

Tipuri de motoare cu hidrogen

Deși există mai multe modificări ale motoarelor cu hidrogen, toate se împart în două tipuri:

• Tipul unității cu celulă de combustibil;
• Motor cu ardere internă modificat, adaptat pentru a lucra pe hidrogen.

Să luăm în considerare fiecare tip separat: care sunt caracteristicile lor.

Centrale electrice pe bază de pile de combustie cu hidrogen

Celula de combustibil se bazează pe principiul unei baterii, în care are loc un proces electrochimic. Singura diferență între analogul de hidrogen este eficiența mai mare (în unele cazuri, mai mult de 45%).

Celula de combustibil este o singură cameră în care sunt plasate două elemente: catodul și anodul. Ambii electrozi sunt acoperiți cu platină (sau paladiu). O membrană este situată între ele. Împarte cavitatea în două camere. Oxigenul este furnizat cavității cu catodul, iar hidrogenul este furnizat celei de-a doua.

Ca urmare, are loc o reacție chimică, al cărei rezultat este combinarea moleculelor de oxigen și hidrogen cu eliberarea de electricitate. Un efect secundar al procesului este eliberarea de apă și azot. Electrozii cu pilă de combustibil sunt conectați la circuitul electric al mașinii, inclusiv la motorul electric.

Motoare cu combustie internă cu hidrogen

În acest caz, deși motorul se numește hidrogen, are o structură identică cu un ICE convențional. Singura diferență este că nu benzina sau propanul arde, ci hidrogenul. Dacă umpleți un cilindru cu hidrogen, atunci există o problemă - acest gaz va reduce eficiența unei unități convenționale cu aproximativ 60 la sută.

Iată câteva alte probleme legate de trecerea la hidrogen fără actualizarea motorului:

• Atunci când HTS este comprimat, gazul va intra într-o reacție chimică cu metalul din care sunt fabricate camera de ardere și pistonul și adesea acest lucru se poate întâmpla și cu uleiul de motor. Din această cauză, în camera de ardere se formează un alt compus, care nu diferă prin capacitatea specială de a arde bine;
• Lacunele din camera de ardere trebuie să fie perfecte. Dacă undeva sistemul de alimentare cu combustibil are cel puțin o scurgere minimă, gazul se va aprinde cu ușurință la contactul cu obiecte fierbinți.

Motor pentru Honda Clarity

Din aceste motive, este mai practic să folosiți hidrogenul ca combustibil în motoarele rotative (care este caracteristica lor, citiți aici). Galeriile de admisie și evacuare ale acestor unități sunt situate separat una de cealaltă, astfel încât gazul de la intrare nu se încălzește. Oricum ar fi, în timp ce motoarele sunt modernizate, astfel încât să ocolească problemele legate de consumul de combustibil mai ieftin și mai ecologic.

Cât durează durata de viață a pilelor de combustibil?

În întreaga lume astăzi, astfel de mașini sunt foarte rare și încă nu sunt în serie, este dificil de spus ce resursă are o anumită sursă de energie. Meșterii nu au încă experiență în acest sens.

Singurul lucru care se poate spune este că, potrivit reprezentanților Toyota, celula de combustibil a mașinii lor de producție Mirai este capabilă să genereze neîntrerupt energie până la 250 de mii de kilometri. După această etapă, trebuie să monitorizați eficacitatea dispozitivului. Dacă performanța sa a scăzut considerabil, celula de combustibil este schimbată la un centru de service autorizat. Este adevărat, ar trebui să ne așteptăm ca compania să ia o sumă decentă pentru această procedură.

Ce companii produc deja sau urmează să producă mașini cu hidrogen?

Multe companii sunt angajate în dezvoltarea unei unități de alimentare ecologice. Iată mărcile auto, în biroul de proiectare ale căror opțiuni de lucru sunt deja disponibile, pregătite să intre în serie:

• Mercedes-Benz este un crossover GLC F-Cell, al cărui început de vânzare a fost anunțat în 2018, dar până acum a fost achiziționat doar de câteva întreprinderi și ministere din Germania. Recent, a fost prezentat un prototip de unitate cu celule de combustibil cu hidrogen, GenH2;
• Prototipul Hyundai - Nexo introdus acum doi ani;
• BMW este un prototip al hidrogenului Hydrogen 7, care a fost lansat de pe linia de asamblare. Un lot de 100 de exemplare a rămas în etapa experimentală, dar acest lucru este deja ceva.

Printre mașinile de stoc care pot fi cumpărate în America și Europa se numără modelele Mirai și respectiv Clarity de la Toyota și respectiv Honda. Pentru restul companiilor, această dezvoltare este încă fie în versiunea de desen, fie ca un prototip care nu funcționează.

Toyota mirai

Claritatea Honda

Cât costă o mașină alimentată cu hidrogen?

Costul unei mașini cu hidrogen este decent. Motivul pentru aceasta este metalele prețioase care fac parte din electrozii celulelor de combustibil (paladiu sau platină). De asemenea, o mașină modernă este echipată cu nenumărate sisteme de securitate și stabilizare a funcționării elementelor electrice, care necesită și resurse materiale.

Deși întreținerea unei astfel de mașini (până în momentul în care celulele de combustibil sunt înlocuite) nu este mult mai scumpă decât o mașină obișnuită din ultimele generații. Există țări care sponsorizează producția de hidrogen, dar chiar și cu aceasta, va trebui să plătiți în medie 11 dolari și jumătate pe kilogram de gaz. În funcție de tipul de motor, acest lucru poate fi suficient pentru o distanță de aproximativ o sută de kilometri.

De ce sunt mai bune mașinile cu hidrogen decât mașinile electrice?

Dacă luăm o centrală de hidrogen cu pile de combustibil, atunci o astfel de mașină va fi identică cu mașina electrică pe care suntem obișnuiți să o vedem pe drumuri. Singura diferență este că mașina electrică este încărcată din rețea sau de la un terminal de la o benzinărie. Transportul de hidrogen în sine generează electricitate pentru sine.

În ceea ce privește costul unor astfel de mașini, acestea sunt mai scumpe. De exemplu, modelele de bază Tesla vor costa de la 45 de mii de dolari. Analogii de hidrogen din Japonia pot fi cumpărați pentru 57 de mii de unități. Bavarii, în schimb, își vând mașinile pe combustibil „verde” la un preț de 50 de dolari.

Dacă luăm în considerare caracterul practic, este mai ușor să realimentăm mașina cu gaz (va dura aproximativ cinci minute) decât să așteptăm o jumătate de oră (cu încărcare rapidă, care nu este permisă pentru toate tipurile de baterii) în parcare. Acesta este plusul plantelor cu hidrogen.

Un alt plus - celulele de combustie nu necesită în mod special întreținere, iar durata lor de lucru este destul de mare. În ceea ce privește vehiculele electrice, bateria lor uriașă va necesita înlocuire în aproximativ cinci ani, datorită faptului că are multe cicluri de încărcare-descărcare. La temperaturi de îngheț, bateria vehiculelor electrice este descărcată mult mai repede decât vara. Dar elementul din reacția de oxidare a hidrogenului nu suferă de acest lucru și produce în mod stabil electricitate.

Care sunt perspectivele pentru mașinile cu hidrogen și când vor fi văzute pe drum?

În Europa și Statele Unite, mașina cu hidrogen poate fi găsită deja. Cu toate acestea, ei se află încă în categoria curiozității. Și astăzi există puține perspective.

Principalul motiv pentru care acest tip de transport nu va umple curând drumurile din toate țările este lipsa capacității de producție. În primul rând, este necesar să se stabilească producția de hidrogen. Mai mult, este necesar să se atingă un astfel de nivel încât, pe lângă respectarea mediului, să fie și combustibil disponibil pentru majoritatea șoferilor. În plus față de producția acestui gaz, este necesar să se organizeze transportul acestuia (deși pentru aceasta puteți utiliza în siguranță autostrăzile de-a lungul cărora se transportă metanul), precum și să echipați multe stații de alimentare cu terminale adecvate.

În al doilea rând, fiecare producător de automobile va trebui să modernizeze serios liniile de producție, ceea ce necesită investiții considerabile. Într-o economie instabilă din cauza izbucnirii unei epidemii globale, puțini își vor asuma astfel de riscuri.

Dacă te uiți la ritmul dezvoltării transportului electric, procesul de popularizare a avut loc foarte repede. Cu toate acestea, motivul popularității mașinilor electrice este capacitatea de a economisi combustibil. Și acesta este adesea primul motiv pentru care sunt cumpărate și nu pentru a păstra mediul. În cazul hidrogenului, nu va fi posibil să economisiți bani (cel puțin acum), deoarece se cheltuie mult mai multă energie pentru producția sa.

Pro și principalele dezavantaje ale motoarelor cu hidrogen

Deci, să rezumăm. Avantajele motoarelor cu hidrogen includ următorii factori:

• Emisii ecologice;
• Funcționarea silențioasă a unității de putere (tracțiune electrică);
• În cazul utilizării unei celule de combustibil, nu este necesară întreținerea frecventă;
• Realimentare rapidă;
• În comparație cu vehiculele electrice, sistemul de propulsie și sursa de energie funcționează mai stabil chiar și la temperaturi de îngheț.

Deși dezvoltarea nu poate fi numită o noutate, totuși, are încă o serie de neajunsuri care îl determină pe șoferul mediu să o privească cu prudență. Aici sunt câțiva dintre ei:

• Pentru ca hidrogenul să se aprindă, acesta trebuie să fie într-o stare gazoasă. Acest lucru creează anumite dificultăți. De exemplu, sunt necesare compresoare scumpe speciale pentru comprimarea gazelor ușoare. Există, de asemenea, o problemă cu depozitarea și transportul adecvat al combustibilului, deoarece este foarte inflamabil;
• Cilindrul, care va fi instalat pe mașină, va trebui verificat periodic. Pentru aceasta, automobilistul va trebui să viziteze un centru specializat, iar acesta este un cost suplimentar;
• Într-o mașină cu hidrogen, nu se folosește o baterie uriașă, cu toate acestea, instalația cântărește încă decent, ceea ce afectează semnificativ caracteristicile dinamice ale vehiculului;
• Hidrogen - se aprinde la cea mai mică scânteie, deci un accident care implică o astfel de mașină va fi însoțit de o explozie gravă. Având în vedere atitudinea iresponsabilă a unor șoferi față de propria lor siguranță și viața altor utilizatori ai drumurilor, astfel de vehicule nu ar trebui încă eliberate pe drumuri.

Având în vedere interesul omenirii pentru un mediu curat, este de așteptat să se facă o descoperire în problema finalizării transportului „verde”. Dar când se va întâmpla acest lucru, doar timpul ne va spune.

Între timp, urmăriți recenzia video a Toyota Mirai:

Viitorul pe hidrogen? Toyota Mirai - REVIZIA COMPLETĂ și Specificațiile | LiveFEED®

Întrebări și răspunsuri:

De ce este periculos un motor cu hidrogen? În timpul arderii amestecului de hidrogen, motorul se încălzește mai mult decât în ​​timpul arderii benzinei. Ca urmare, există o probabilitate mare de ardere a pistoanelor, supapelor și supraîncărcării unității.

Cum se realimentează o mașină cu hidrogen? O astfel de mașină este alimentată cu hidrogen în stare gazoasă (gaz lichefiat sau comprimat). Pentru a stoca combustibil, acesta este comprimat la 350-700 de atmosfere, iar temperatura poate ajunge la -259 de grade.

Cum funcționează un motor cu combustie internă pe hidrogen? Mașina este echipată cu un fel de baterie. Oxigenul și hidrogenul trec prin plăci speciale. Rezultatul este o reacție chimică cu eliberarea de vapori de apă și electricitate.