Wie funktioniert ein Wasserstoffmotor?

Wasserstoffmotoren gehören weiterhin zu den Zukunftswetten der Automobilindustrie. Sein Betrieb hat ihm eine Reihe von Vorteilen verschafft, die es trotz seiner Ausfälle über Wasser gehalten haben. Zu diesem Zweck haben Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford und andere Marken stark in diese Technologie investiert. Wasserstoff verwendende Motoren umfassen Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen-Umwandlungsmotoren. Viele Leute wissen es nicht wie funktioniert ein wasserstoffmotor und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile.

Aus diesem Grund widmen wir Ihnen in diesem Artikel, wie ein Schritt-für-Schritt-Wasserstoffmotor funktioniert, welche Eigenschaften er hat und welche Bedeutung er für die Motorwelt hat.

Wie funktioniert ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor?

Diese Motoren verwenden Wasserstoff als Benzin. Das heißt, sie verbrennen es in einer Brennkammer, um eine Explosion zu erzeugen (kinetische Energie und Wärme). Deshalb, herkömmliche Benzinmotoren können angepasst werden, um Wasserstoff zusätzlich zu LPG oder CNG zu verbrennen.

Der Betrieb dieses Motors ist dem eines Benzinmotors sehr ähnlich. Wasserstoff wird als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Die chemische Reaktion wird durch einen Funken ausgelöst und eine Zündkerze kann einen Funken erzeugen. Wasserstoff hat keine Kohlenstoffatome, Die Reaktion besteht also darin, dass sich zwei Wasserstoffmoleküle mit einem Sauerstoffmolekül verbinden und dabei Energie und Wasser freisetzen.

Das Ergebnis seiner chemischen Reaktion ist einfach Wasserdampf. Wasserstoff-Verbrennungsmotoren erzeugen jedoch während ihres Betriebs einige Emissionen. Zum Beispiel geringe Mengen an NOx aus der Luft und Wärme aus dem Brennraum oder Emissionen aus der Verbrennung von etwas Öl durch die Kolbenringe.

Da Wasserstoff ein Gas ist, wird er in einem Tank mit einem Druck von 700 bar gespeichert. Das ist 350- bis 280-mal höher als der normale Autoreifendruck. (2 bis 2,5 bar). Zwar gibt es auch Autos, die Wasserstoff in flüssiger Form bei sehr niedrigen Temperaturen speichern, wie unten gezeigt.

Wasserstoff-Verbrennungsmotoren bieten einige interessante Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Beispielsweise können sie theoretisch sehr feine Mischungen verwenden (Lambda nahe 2). Das heißt, sie können sehr wenig Kraftstoff verbrauchen, um die gesamte einströmende Luft zu nutzen, und werden sehr effizient.

Beispiel für die Funktionsweise eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors

Ein gutes Beispiel für einen Wasserstoffmotor ist der BMW 750hl, der im Jahr 2000 auf den Markt kam. Obwohl er eigentlich ein BMW Benziner ist, kann er auch Wasserstoff verbrennen.

Allerdings hat es mehrere Nachteile: Erstens speichert es Wasserstoff in flüssiger Form. Dies erfordert einen sehr teuren Tank aus Materialien der Luft- und Raumfahrtsektor, um seine Temperatur unter -250 °C zu halten. Dies kann nur innerhalb von 12 bis 14 Tagen erreicht werden, in denen der Wasserstoff allmählich verdunstet und sicher in die Atmosphäre abgegeben wird. Der zweite Nachteil ist, dass Sie durch die Verwendung von Wasserstoff viel Leistung und Effizienz verlieren. Der spätere BMW Hydrogen 7 aus dem Jahr 2005 löste diese Probleme teilweise und erhöhte den Wasserstoffdruck auf 700 bar, ohne ihn kalt zu halten.

Ein weiteres gutes Beispiel ist der Wasserstoffmotor Aquarius. Ein von einem israelischen Unternehmen entwickelter fossiler Motor, der für die Verwendung von Wasserstoff geeignet ist. Die erste funktionsfähige Version wurde 2014 vorgestellt und seitdem ist eine überarbeitete und verbesserte Version erschienen. Laut seinen Entwicklern kann und muss es ohne Schmieröl arbeiten ein Ladungswechselsystem zur Reduzierung der NOx-Emissionen.

Zudem ist der Wasserstoff-Verbrennungsmotor leicht und hat wenige Teile, wodurch er günstig in der Herstellung ist. Er kann als Range Extender für Elektrofahrzeuge oder als Generator für das Netz genutzt werden.

Wie funktioniert ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Motor?

Sein vollständiger Name ist ein Brennstoffzellen-konvertierter Wasserstoffmotor. Trotz des Wortes "Kraftstoff" verbrennen sie keinen Wasserstoff. Sie verwenden es, um Strom durch den umgekehrten Prozess der Elektrolyse zu erzeugen. Deshalb transportieren sie Batterien für chemische Reaktionen, wie in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor, wo Wasserstoff wird in Tanks mit einem Druck von 700 bar gespeichert.

Es ist nur so, dass es nicht zum Motor, sondern durch die Anode und Kathode (wie eine Batterie) zur Brennstoffzelle geleitet wird. Dort dringt Wasserstoffgas (H2) durch die Membran und zerlegt sie in zwei Wasserstoffionen. Wasserstoff und zwei freie Elektronen. Diese Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode der Batterie und erzeugen einen elektrischen Strom. Die entstehenden Wasserstoffionen verbinden sich mit Luftsauerstoff zu Wasser.

Aus diesem Grund ist ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Motor emissionsfrei, da es kein NOx oder die Gase erzeugt, die beim Verbrennen von Öl wie ein Verbrennungsmotor entstehen. Die in diesen Motoren verwendeten Membranen bestehen aus Platin und sind teuer. Es gibt jedoch Arbeit, um diese hohen Kosten anzugehen. An der Technischen Universität Berlin haben sie beispielsweise eine Ferrolegierung entwickelt, die, wenn sie in die Produktion gebracht wird, die Kosten erheblich senken könnte.

Nachteile von Wasserstoffmotoren

• Katalysatoren, die in chemischen Reaktionen verwendet werden von Wasserstoff-Brennstoffzellenmotoren werden aus teuren Materialien wie Platin hergestellt. Zumindest bis es durch eine billigere Alternative ersetzt wird, wie die in der TU Berlin erwähnte.
• Um Wasserstoff zu gewinnen, muss dies durch thermochemische Prozesse aus fossilen Brennstoffen oder durch Elektrolyse von Wasser erfolgen, was einen Energieverbrauch erfordert. Der Hauptkritikpunkt an Wasserstoffmotoren, weil der Strom direkt in der Batterie eines Elektrofahrzeugs gespeichert werden kann.
• Sobald der Wasserstoff erhalten ist, muss in eine Zelle oder einen Druckbehälter eingeführt werden. Auch dieser Vorgang erfordert zusätzlichen Energieaufwand.
• Wasserstoffbatterien sind teuer in der Herstellung und müssen sehr langlebig sein, um den hohen Drücken standzuhalten, mit denen Wasserstoff gespeichert werden muss.

Vorteile von Wasserstoffmotoren

• Wasserstoffbatterien sind leichter als Batterien von Elektrofahrzeugen. Deshalb wird der Einsatz im Schwerlastverkehr als Alternative zu batterieelektrischen Lkw untersucht. Um große Distanzen zurücklegen zu können, sind sie sehr schwer.
• Heute ist das Laden von Wasserstoff schneller als das Laden einer Elektroautobatterie.
• Im Gegensatz zu batterieelektrischen Fahrzeugen benötigen Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge keine großen Batterien. Daher benötigt es weniger Lithium oder andere Materialien, die möglicherweise knapp sind. Wasserstoff-Verbrennungsmotoren benötigen nicht direkt Lithiumbatterien oder ähnliche Batterien.
• Brennstoffzellen können die Lebensdauer eines Autos verlängern. Im Gegensatz zu Batterien, deren Austausch aufgrund ihrer Größe und Kapazität teuer ist. Die mit Wasserstoffmotoren verbundenen Batterien sind kleiner und daher kostengünstiger zu ersetzen.
• Im Vergleich zu Motoren mit fossilen Brennstoffen verwenden Wasserstoff-Brennstoffzellen-Motoren Elektromotoren und sind daher sehr leise.

Autonomie

Der Nachteil von Wasserstoffmotoren besteht darin, dass ihre Tanks oder Brennstoffzellen Wasserstoff mit sehr hohen Drücken enthalten müssen. Daher, Der Versorgungspunkt muss auch dem Druck von 700 bar entsprechen, den er unterstützt.

Dies erfordert den Aufbau einer Versorgungsinfrastruktur, um diese Art von Fahrzeugen betanken zu können. Allerdings hat es die gleichen Probleme wie reine Elektrofahrzeuge. Der Tankvorgang ist jedoch viel schneller als bei diesen, da es sich um dasselbe wie bei einem LPG- oder GLC-Fahrzeug handelt.

Autos, die derzeit mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-Motoren ausgestattet sind, haben eine ähnliche Reichweite wie Benziner. Zum Beispiel, der Toyota Mirai kündigte 650 km mit voller Batterie an, der Hyundai Nexo 756 km und der BMW iX5 Hydrogen 700 km.

Andere wie das Hopium Machina haben eine Reichweite von 1.000 km angekündigt, obwohl diese Zahl jetzt bestätigt werden muss, wenn sie eintritt. In jedem Fall ist die Autonomie nicht so wichtig wie die Batterie, da das Auftanken viel schneller ist. Was Sie beachten sollten, ist die Anzahl der Kraftstoffpunkte.

Sie sind sicher?

Marken arbeiten seit Jahren an dieser Art von Motoren, um ihre Effizienz zu verbessern, Kosten zu senken und sie natürlich genauso sicher zu machen wie diejenigen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden.

Darüber hinaus sind die von Europa, den Vereinigten Staaten und Japan geforderten Sicherheitsstandards der Garant für die Sicherheit von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen. Unnötig zu sagen, dass Toyota damit wirbt Der Benzintank des Mirai ist robust genug, um kugelsicher zu sein.

Werden wir eines Tages sehen, an dem alle Autos mit Wasserstoff fahren? Die Zeit wird alles zeigen. Es ist klar, dass Marken weiterhin investieren, und es hat einige Vorteile, die es zu einer vernünftigen Alternative zum emissionsfreien Transport machen.

Ich hoffe, dass Sie mit diesen Informationen mehr über die Funktionsweise eines Wasserstoffmotors, seine Eigenschaften, Vor- und Nachteile erfahren können.