لا تزال محركات الهيدروجين واحدة من الرهانات المستقبلية لصناعة السيارات. لقد منحها تشغيلها سلسلة من المزايا ، مما جعلها واقفة على قدميها على الرغم من إخفاقاتها. تحقيقا لهذه الغاية ، استثمرت تويوتا ، بي إم دبليو ، مازدا ، هيونداي ، فورد وغيرها من العلامات التجارية بكثافة في هذه التكنولوجيا. تشمل المحركات التي تستخدم الهيدروجين محركات الاحتراق الداخلي ومحركات تحويل خلايا الوقود. كثير من الناس لا يعرفون كيف يعمل محرك الهيدروجين ومزاياها وعيوبها.
لهذا السبب ، سنخصص هذه المقالة لإخبارك بكيفية عمل محرك الهيدروجين خطوة بخطوة ، وما هي خصائصه وأهميته لعالم المحركات.
كيف يعمل محرك احتراق الهيدروجين؟
تستخدم هذه المحركات الهيدروجين كبنزين. أي أنهم يحرقونها في غرفة الاحتراق لخلق انفجار (طاقة حركية وحرارة). لهذا السبب، يمكن تكييف محركات البنزين التقليدية لحرق الهيدروجين بالإضافة إلى غاز البترول المسال أو الغاز الطبيعي المضغوط.
تشغيل هذا المحرك مشابه جدًا لتشغيل محرك البنزين. يستخدم الهيدروجين كوقود والأكسجين كمؤكسد. يبدأ التفاعل الكيميائي بواسطة شرارة ويمكن أن تنتج شمعة الإشعال شرارة. الهيدروجين لا يحتوي على ذرات كربون ، لذا فإن التفاعل هو أن جزيئين من الهيدروجين يتحدان مع جزيء أكسجين واحد ، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة والماء.
نتيجة تفاعله الكيميائي هو ببساطة بخار الماء. ومع ذلك ، فإن محركات احتراق الهيدروجين تولد بعض الانبعاثات أثناء تشغيلها. على سبيل المثال ، كميات صغيرة من أكاسيد النيتروجين من الهواء والحرارة من غرفة الاحتراق ، أو انبعاثات من حرق بعض الزيت عبر حلقات المكبس.
نظرًا لأن الهيدروجين غاز ، يتم تخزينه في خزان بضغط 700 بار. وهذا يزيد بمقدار 350 إلى 280 مرة عن ضغط إطارات السيارة العادي. (2 إلى 2,5 بار). بالرغم من أن هناك أيضًا سيارات تخزن الهيدروجين بشكل سائل عند درجات حرارة منخفضة جدًا ، كما هو موضح أدناه.
تقدم محركات احتراق الهيدروجين بعض المزايا المثيرة للاهتمام مقارنة بمحركات الاحتراق التقليدية. على سبيل المثال ، يمكنهم نظريًا استخدام مخاليط دقيقة جدًا (Lambda قريبة من 2). أي أنه يمكنهم استخدام القليل جدًا من الوقود لاستخدام كل الهواء الداخل ويصبحوا فعالين للغاية.
مثال على كيفية عمل محرك احتراق الهيدروجين
من الأمثلة الجيدة على محرك الهيدروجين سيارة BMW 750hl ، التي ظهرت في الأسواق عام 2000. وعلى الرغم من أنها في الواقع محرك بنزين من BMW ، إلا أنها قادرة أيضًا على حرق الهيدروجين.
ومع ذلك ، فإن له عدة عيوب: أولاً ، يخزن الهيدروجين في شكل سائل. هذا يتطلب خزانًا مكلفًا للغاية مصنوعًا من مواد من قطاع الطيران للحفاظ على درجة حرارته أقل من -250 درجة مئوية. لا يمكن تحقيق ذلك إلا في غضون 12 إلى 14 يومًا ، وخلال هذه الفترة يتبخر الهيدروجين تدريجيًا ويتم إطلاقه بأمان في الغلاف الجوي. العيب الثاني هو أنه باستخدام الهيدروجين ، فإنك تفقد الكثير من القوة والكفاءة. حلت سيارة BMW Hydrogen 7 اللاحقة من عام 2005 هذه المشكلات جزئيًا وزادت ضغط الهيدروجين إلى 700 بار دون إبقائه باردًا.
مثال جيد آخر هو محرك الهيدروجين Aquarius. محرك يعمل بالوقود الأحفوري طورته شركة إسرائيلية مناسب لاستخدام الهيدروجين. تم تقديم أول نسخة وظيفية في عام 2014 ومنذ ذلك الحين ظهرت نسخة منقحة ومحسنة. وفقًا لمطوريها ، يمكن أن تعمل بدون زيت تشحيم ولها نظام تبادل الغازات لتقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن محرك الاحتراق الداخلي للهيدروجين خفيف وله أجزاء قليلة ، مما يجعل إنتاجه رخيصًا. يمكن استخدامه كموسع نطاق للسيارات الكهربائية أو كمولد للشبكة.
كيف يعمل محرك خلية وقود الهيدروجين؟
اسمها الكامل عبارة عن محرك هيدروجين تم تحويله إلى خلية وقود. على الرغم من كلمة "وقود" ، فإنهم لا يحرقون الهيدروجين. يستخدمونها لتوليد الكهرباء من خلال عملية التحليل الكهربائي العكسية. هذا هو السبب في أنها تحمل بطاريات للتفاعلات الكيميائية ، كما هو الحال في محرك احتراق الهيدروجين ، حيث يتم تخزين الهيدروجين في خزانات بضغط 700 بار.
إنه فقط بدلاً من إطعامه للمحرك ، فإنه يمر عبر الأنود والكاثود (مثل البطارية) إلى خلية الوقود. بمجرد الوصول إلى هناك ، يمر غاز الهيدروجين (H2) عبر الغشاء ويقسمه إلى أيوني هيدروجين. الهيدروجين واثنين من الإلكترونات الحرة. تمر هذه الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب للبطارية عبر دائرة خارجية مكونة تيارًا كهربائيًا. تتحد أيونات الهيدروجين الناتجة مع الأكسجين من الهواء لتكوين الماء.
لهذا السبب ، محرك خلية وقود الهيدروجين هو صفر انبعاثات ، لأنه لا ينتج أكاسيد النيتروجين أو الغازات التي يتم إنتاجها عند حرق الزيت مثل محرك الاحتراق الداخلي. الأغشية المستخدمة في هذه المحركات مصنوعة من البلاتين وهي باهظة الثمن. ومع ذلك ، هناك عمل لمعالجة هذه التكلفة العالية. على سبيل المثال ، في الجامعة التقنية في برلين ، طوروا سبيكة حديدية ، إذا تم وضعها في الإنتاج ، يمكن أن تقلل التكاليف بشكل كبير.
عيوب محركات الهيدروجين
- المحفزات المستخدمة في التفاعلات الكيميائية من محركات خلايا الوقود الهيدروجينية مصنوعة من مواد باهظة الثمن ، مثل البلاتين. على الأقل حتى يتم استبداله ببديل أرخص ، مثل ذلك المذكور في TU Berlin.
- للحصول على الهيدروجين ، يجب أن يتم ذلك عن طريق العمليات الحرارية الكيميائية للوقود الأحفوري أو عن طريق التحليل الكهربائي للماء ، الأمر الذي يتطلب استهلاك الطاقة. النقد الرئيسي لمحركات الهيدروجين ، لأنه يمكن تخزين الكهرباء مباشرة في بطارية السيارة الكهربائية لاستخدامها.
- بمجرد الحصول على الهيدروجين ، يجب إدخاله في خلية أو خزان ضغط. تتطلب هذه العملية أيضًا إنفاقًا إضافيًا للطاقة.
- بطاريات الهيدروجين غالية الثمن في الإنتاج ويجب أن تكون متينة للغاية لتحمل الضغوط العالية التي يجب تخزين الهيدروجين بها.
مزايا محركات الهيدروجين
- بطاريات الهيدروجين أخف من بطاريات السيارات الكهربائية. لهذا السبب يتم التحقيق في استخدامه في النقل الثقيل كبديل للشاحنات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات. لتتمكن من تغطية مسافات كبيرة ، فهي ثقيلة جدًا.
- اليوم ، أصبح شحن الهيدروجين أسرع من شحن بطارية السيارة الكهربائية.
- على عكس المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات ، لا تتطلب المركبات التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين بطاريات كبيرة. لذلك ، فهي تتطلب كمية أقل من الليثيوم أو المواد الأخرى التي قد يكون هناك نقص في المعروض. لا تتطلب محركات الاحتراق الداخلي للهيدروجين بطاريات ليثيوم أو بطاريات أخرى مماثلة.
- يمكن لخلايا الوقود إطالة عمر السيارة. على عكس البطاريات ، فإن استبدالها غالي الثمن بسبب حجمها وسعتها. البطاريات المرتبطة بمحركات الهيدروجين أصغر وبالتالي أقل تكلفة لاستبدالها.
- بالمقارنة مع محركات الوقود الأحفوري ، تستخدم محركات خلايا الوقود الهيدروجينية محركات كهربائية وبالتالي فهي هادئة جدًا.
الحكم الذاتي
عيب محركات الهيدروجين هو أن خزاناتها أو خلايا الوقود الخاصة بها يجب أن تحتوي على الهيدروجين تحت ضغوط عالية جدًا. هكذا، يجب أن تمتثل نقطة الإمداد أيضًا لضغط 700 بار الذي تدعمه.
وهذا يتطلب بناء بنية تحتية للإمداد لتكون قادرة على التزود بالوقود لهذا النوع من المركبات. ومع ذلك ، فإن لديها نفس مشاكل السيارات الكهربائية النقية. ومع ذلك ، فإن عملية إعادة التزود بالوقود أسرع بكثير من هذه ، حيث إنها مماثلة لسيارات LPG أو GLC.
السيارات المجهزة حاليًا بمحركات خلايا وقود الهيدروجين لها نطاق مشابه للبنزين. فمثلا، أعلنت تويوتا ميراي عن 650 كم ببطارية كاملة ، وهي هيونداي نيكسو 756 كم وسيارة BMW iX5 الهيدروجين 700 كم.
أعلن آخرون مثل Hopium Machina عن مدى يصل إلى 1.000 كيلومتر ، على الرغم من أنه سيتعين الآن تأكيد هذا الرقم عند حدوثه. على أي حال ، فإن الاستقلالية ليست بنفس أهمية البطارية ، لأن التزود بالوقود أسرع بكثير. الشيء الذي يجب مراعاته هو عدد نقاط الوقود.
هل هم بأمان؟
تعمل العلامات التجارية على هذا النوع من المحركات لسنوات لتحسين كفاءتها وتقليل التكاليف ، وبالطبع جعلها آمنة مثل تلك التي تعمل بالوقود الأحفوري.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن معايير السلامة المطلوبة من قبل أوروبا والولايات المتحدة واليابان هي ضمان سلامة المركبات التي تعمل بالهيدروجين. وغني عن القول ، أن تويوتا تروّج لذلك خزان الغاز في ميراي قوي بما يكفي ليكون مضادًا للرصاص.
هل سنرى يومًا تعمل فيه جميع السيارات بالهيدروجين؟ سيظهر الوقت كل شيء. من الواضح أن العلامات التجارية تواصل الاستثمار ولديها بعض المزايا التي تجعلها بديلاً معقولاً للنقل الصفري.
آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد حول كيفية عمل محرك الهيدروجين وخصائصه ومزاياه وعيوبه.