Водородните двигатели продължават да бъдат един от бъдещите залагания на автомобилната индустрия. Неговата работа му даде редица предимства, поддържайки го на повърхността въпреки неуспехите му. За тази цел Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford и други марки са инвестирали сериозно в тази технология. Двигателите, използващи водород, включват двигатели с вътрешно горене и двигатели за преобразуване на горивни клетки. Много хора не знаят как работи водородният двигател и съответните им предимства и недостатъци.
Поради тази причина ще посветим тази статия, за да ви разкажем как работи стъпка по стъпка водороден двигател, какви са неговите характеристики и значението му за света на моторите.
Как работи водородният двигател с вътрешно горене?
Тези двигатели използват водород като бензин. Тоест те го изгарят в горивна камера, за да създадат експлозия (кинетична енергия и топлина). Поради тази причина, конвенционалните бензинови двигатели могат да бъдат адаптирани да изгарят водород в допълнение към LPG или CNG.
Работата на този двигател е много подобна на тази на бензинов двигател. Водородът се използва като гориво, а кислородът като окислител. Химическата реакция се инициира от искра и запалителната свещ може да произведе искра. Водородът няма въглеродни атоми, така че реакцията е, че две водородни молекули се комбинират с една кислородна молекула, освобождавайки енергия и вода.
Резултатът от неговата химическа реакция е просто водна пара. Въпреки това, водородните двигатели с вътрешно горене генерират някои емисии по време на тяхната работа. Например, малки количества NOx от въздуха и топлина от горивната камера или емисии от изгаряне на малко масло през буталните пръстени.
Тъй като водородът е газ, той се съхранява в резервоар с налягане 700 bar. Това е 350 до 280 пъти по-високо от нормалното налягане в автомобилните гуми. (2 до 2,5 бара). Въпреки че има и автомобили, които съхраняват водород в течна форма при много ниски температури, както е показано по-долу.
Водородните двигатели с вътрешно горене предлагат някои интересни предимства пред конвенционалните двигатели с вътрешно горене. Например, те теоретично могат да използват много фини смеси (Lambda близо до 2). Тоест, те могат да използват много малко гориво, за да използват целия входящ въздух и да станат много ефективни.
Пример за това как работи водороден двигател с вътрешно горене
Добър пример за водороден двигател е BMW 750hl, който излезе на пазара през 2000 г. Въпреки че всъщност е бензинов двигател на BMW, той също е способен да изгаря водород.
Въпреки това, той има няколко недостатъка: Първо, той съхранява водород в течна форма. Това изисква много скъп резервоар, направен от материали от аерокосмическия сектор, за да поддържа температурата си под -250ºC. Това може да бъде постигнато само в рамките на 12 до 14 дни, през което време водородът постепенно се изпарява и безопасно се освобождава в атмосферата. Вторият недостатък е, че с помощта на водород губите много мощност и ефективност. По-късното BMW Hydrogen 7 от 2005 г. частично реши тези проблеми и увеличи налягането на водорода до 700 бара, без да го държи на студено.
Друг добър пример е водородният двигател Aquarius. Двигател за изкопаеми горива, разработен от израелска компания, подходящ за използване на водород. Първата функционална версия беше представена през 2014 г. и оттогава се появи преработена и подобрена версия. Според разработчиците му може да работи без смазочно масло и има газообменна система за намаляване на емисиите на NOx.
Освен това водородният двигател с вътрешно горене е лек и има малко части, което го прави евтин за производство. Може да се използва като разширител на обхват за електрически превозни средства или като генератор за мрежата.
Как работи двигателят с водородни горивни клетки?
Пълното му име е преобразуван водороден двигател с горивни клетки. Въпреки думата "гориво", те не изгарят водород. Те го използват за генериране на електричество чрез обратния процес на електролиза. Ето защо те носят батерии за химически реакции, като в двигател с вътрешно горене на водород, къде водородът се съхранява в резервоари с налягане 700 bar.
Просто вместо да го подава към двигателя, той преминава през анода и катода (като батерия) към горивната клетка. Веднъж там, водородният газ (H2) преминава през мембраната и я разгражда на два водородни йона. Водород и два свободни електрона. Тези електрони преминават от анода към катода на батерията през външна верига, създавайки електрически ток. Произведените водородни йони се комбинират с кислород от въздуха, за да образуват вода.
Поради тази причина двигателят с водородни горивни клетки е с нулеви емисии, тъй като не произвежда NOx или газовете, които се образуват при изгаряне на масло като двигател с вътрешно горене. Диафрагмите, използвани в тези двигатели, са направени от платина и са скъпи. Въпреки това има работа за справяне с тази висока цена. Например, в Техническия университет в Берлин са разработили феросплав, която, ако бъде пусната в производство, може значително да намали разходите.
Недостатъци на водородните двигатели
- Катализатори, използвани в химичните реакции двигателите с водородни горивни клетки са направени от скъпи материали, като платина. Поне докато не бъде заменен с по-евтина алтернатива, като споменатата в TU Berlin.
- За да се получи водород, това трябва да се извърши чрез термохимични процеси на изкопаеми горива или чрез електролиза на вода, което изисква консумация на енергия. Основната критика към водородните двигатели, тъй като електричеството може да се съхранява директно в батерията на електрическо превозно средство за използване.
- След като се получи водородът, трябва да се въведе в клетка или резервоар под налягане. Този процес също изисква допълнителен разход на енергия.
- Водородните батерии са скъпи за производство и трябва да бъдат много издръжливи, за да издържат на високото налягане, с което водородът трябва да се съхранява.
Предимства на водородните двигатели
- Водородните батерии са по-леки от акумулаторите на електрически превозни средства. Ето защо използването му в тежък транспорт се изследва като алтернатива на акумулаторните електрически камиони. За да могат да покриват големи разстояния, те са много тежки.
- Днес зареждането с водород е по-бързо от зареждането на акумулатор на електрически автомобил.
- За разлика от акумулаторните електрически превозни средства, превозните средства с водородни горивни клетки не изискват големи батерии. Следователно, той изисква по-малко литий или други материали, които може да са в недостиг. Водородните двигатели с вътрешно горене не изискват директно литиеви батерии или други подобни батерии.
- Горивните клетки могат да удължат живота на автомобила. За разлика от батериите, които са скъпи за смяна поради техния размер и капацитет. Батериите, свързани с водородните двигатели, са по-малки и следователно по-евтини за подмяна.
- В сравнение с двигателите на изкопаеми горива, двигателите с водородни горивни клетки използват електрически двигатели и поради това са много тихи.
автономия
Недостатъкът на водородните двигатели е, че техните резервоари или горивни клетки трябва да съдържат водород при много високо налягане. По този начин, захранващата точка също трябва да отговаря на налягането от 700 бара, което поддържа.
Това изисква изграждане на инфраструктура за доставка, за да може да се зарежда този тип превозно средство. Въпреки това има същите проблеми като чисто електрическите превозни средства. Въпреки това, операцията за зареждане е много по-бърза от тези, тъй като е същата като превозно средство с пропан-бутан или GLC.
Автомобилите, които в момента са оборудвани с двигатели с водородни горивни клетки, имат гама, подобна на бензиновата. Например, Toyota Mirai обяви 650 км с пълна батерия, Hyundai Nexo 756 км и BMW iX5 Hydrogen 700 км.
Други като Hopium Machina обявиха пробег от 1.000 км, въпреки че тази цифра сега ще трябва да бъде потвърдена, когато се случи. Във всеки случай автономността не е толкова важна, колкото батерията, защото зареждането е много по-бързо. Нещото, което трябва да имате предвид, е броят на горивните точки.
Те са в безопасност?
Марките работят върху този тип двигатели от години, за да подобрят ефективността си, да намалят разходите и, разбира се, да ги направят толкова безопасни, колкото тези, които работят на изкопаеми горива.
Освен това стандартите за безопасност, изисквани от Европа, Съединените щати и Япония, са гаранция за безопасността на превозните средства, задвижвани с водород. Излишно е да казвам, че Toyota рекламира това Резервоарът за газ на Mirai е достатъчно здрав, за да бъде устойчив на куршуми.
Ще видим ли ден, когато всички коли ще работят на водород? Времето ще покаже всичко. Ясно е, че марките продължават да инвестират и това има някои предимства, които го правят разумна алтернатива на транспорта с нулеви емисии.
Надявам се, че с тази информация можете да научите повече за това как работи един водороден двигател, неговите характеристики, предимства и недостатъци.