Mesin hidrogen terus menjadi salah satu taruhan masa depan industri otomotif. Pengoperasiannya telah memberikan serangkaian keuntungan, membuatnya tetap bertahan meskipun mengalami kegagalan. Untuk tujuan ini, Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford dan merek lain telah banyak berinvestasi dalam teknologi ini. Mesin yang menggunakan hidrogen termasuk mesin pembakaran internal dan mesin konversi sel bahan bakar. Banyak orang yang tidak tahu bagaimana cara kerja mesin hidrogen serta kelebihan dan kekurangannya masing-masing.
Untuk alasan ini, kami akan mendedikasikan artikel ini untuk memberi tahu Anda cara kerja mesin hidrogen selangkah demi selangkah, apa karakteristiknya, dan pentingnya bagi dunia motor.
Bagaimana cara kerja mesin pembakaran hidrogen?
Mesin ini menggunakan hidrogen sebagai bensin. Artinya, mereka membakarnya di ruang bakar untuk menciptakan ledakan (energi kinetik dan panas). Untuk alasan ini, mesin bensin konvensional dapat diadaptasi untuk membakar hidrogen selain LPG atau CNG.
Pengoperasian mesin ini sangat mirip dengan mesin bensin. Hidrogen digunakan sebagai bahan bakar dan oksigen sebagai oksidan. Reaksi kimia diprakarsai oleh percikan api dan busi dapat menghasilkan percikan api. Hidrogen tidak memiliki atom karbon, jadi reaksinya adalah dua molekul hidrogen bergabung dengan satu molekul oksigen, melepaskan energi dan air.
Hasil reaksi kimianya hanyalah uap air. Namun, mesin pembakaran hidrogen memang menghasilkan beberapa emisi selama operasinya. Misalnya, sejumlah kecil NOx dari udara dan panas dari ruang bakar, atau emisi dari pembakaran beberapa oli melalui ring piston.
Karena hidrogen adalah gas, ia disimpan dalam tangki dengan tekanan 700 bar. Ini 350 hingga 280 kali lebih tinggi dari tekanan ban mobil normal. (2 hingga 2,5 bar). Meskipun ada juga mobil yang menyimpan hidrogen dalam bentuk cair pada suhu yang sangat rendah, seperti gambar di bawah ini.
Mesin pembakaran hidrogen menawarkan beberapa keunggulan menarik dibandingkan mesin pembakaran konvensional. Misalnya, mereka secara teoritis dapat menggunakan campuran yang sangat halus (Lambda mendekati 2). Artinya, mereka dapat menggunakan bahan bakar yang sangat sedikit untuk menggunakan semua udara yang masuk dan menjadi sangat efisien.
Contoh cara kerja mesin pembakaran hidrogen
Sebuah contoh yang baik dari mesin hidrogen adalah BMW 750hl, yang datang ke pasar pada tahun 2000. Meskipun sebenarnya mesin bensin BMW, ia juga mampu membakar hidrogen.
Namun, ia memiliki beberapa kelemahan: Pertama, ia menyimpan hidrogen dalam bentuk cair. Ini membutuhkan tangki yang sangat mahal yang terbuat dari bahan dari sektor kedirgantaraan untuk menjaga suhu di bawah -250ºC. Ini hanya dapat dicapai dalam 12 sampai 14 hari, selama waktu itu hidrogen secara bertahap menguap dan dilepaskan dengan aman ke atmosfer. Kerugian kedua adalah bahwa dengan menggunakan hidrogen Anda kehilangan banyak daya dan efisiensi. BMW Hydrogen 7 dari tahun 2005 memecahkan sebagian masalah ini dan meningkatkan tekanan hidrogen menjadi 700 bar tanpa membuatnya tetap dingin.
Contoh bagus lainnya adalah mesin hidrogen Aquarius. Sebuah mesin bahan bakar fosil yang dikembangkan oleh sebuah perusahaan Israel cocok untuk penggunaan hidrogen. Versi fungsional pertama diperkenalkan pada tahun 2014 dan sejak itu versi yang direvisi dan ditingkatkan telah muncul. Menurut pengembangnya, ia dapat bekerja tanpa minyak pelumas dan memiliki sistem pertukaran gas untuk mengurangi emisi NOx.
Selain itu, mesin pembakaran internal hidrogen ringan dan memiliki beberapa bagian, sehingga murah untuk diproduksi. Ini dapat digunakan sebagai range extender untuk kendaraan listrik atau sebagai generator untuk jaringan.
Bagaimana cara kerja mesin sel bahan bakar hidrogen?
Nama lengkapnya adalah mesin hidrogen yang diubah menjadi sel bahan bakar. Terlepas dari kata "bahan bakar", mereka tidak membakar hidrogen. Mereka menggunakannya untuk menghasilkan listrik melalui proses kebalikan dari elektrolisis. Itu sebabnya mereka membawa baterai untuk reaksi kimia, seperti di mesin pembakaran hidrogen, di mana hidrogen disimpan dalam tangki dengan tekanan 700 bar.
Hanya saja, alih-alih memasukkannya ke motor, ia melewati anoda dan katoda (seperti baterai) ke sel bahan bakar. Sesampai di sana, gas hidrogen (H2) melewati membran dan memecahnya menjadi dua ion hidrogen. Hidrogen dan dua elektron bebas. Elektron ini berpindah dari anoda ke katoda baterai melalui sirkuit eksternal, menciptakan arus listrik. Ion hidrogen yang dihasilkan bergabung dengan oksigen dari udara membentuk air.
Untuk alasan ini, mesin sel bahan bakar hidrogen adalah nol emisi, karena tidak menghasilkan NOx atau gas yang dihasilkan saat membakar oli seperti mesin pembakaran dalam. Diafragma yang digunakan dalam mesin ini terbuat dari platinum dan mahal. Namun, ada pekerjaan untuk mengatasi biaya tinggi ini. Misalnya, di Universitas Teknik Berlin mereka telah mengembangkan ferroalloy yang, jika dimasukkan ke dalam produksi, dapat sangat mengurangi biaya.
Kekurangan mesin hidrogen
- Katalis yang digunakan dalam reaksi kimia mesin sel bahan bakar hidrogen terbuat dari bahan mahal, seperti platinum. Setidaknya sampai diganti dengan alternatif yang lebih murah, seperti yang disebutkan di TU Berlin.
- Untuk memperoleh hidrogen, harus dilakukan dengan proses termokimia bahan bakar fosil atau dengan elektrolisis air, yang membutuhkan konsumsi energi. Kritik utama mesin hidrogen, karena listrik dapat disimpan langsung di baterai kendaraan listrik untuk digunakan.
- Setelah hidrogen diperoleh, harus dimasukkan ke dalam sel atau tangki tekanan. Proses ini juga membutuhkan pengeluaran energi tambahan.
- Baterai hidrogen mahal untuk diproduksi dan harus sangat tahan lama untuk menahan tekanan tinggi di mana hidrogen harus disimpan.
Keuntungan dari mesin hidrogen
- Baterai hidrogen lebih ringan dari baterai kendaraan listrik. Itulah mengapa penggunaannya dalam transportasi berat sedang diselidiki sebagai alternatif truk listrik baterai. Untuk dapat menempuh jarak yang jauh, mereka sangat berat.
- Saat ini, pengisian hidrogen lebih cepat daripada pengisian baterai mobil listrik.
- Tidak seperti kendaraan listrik baterai, kendaraan sel bahan bakar hidrogen tidak memerlukan baterai besar. Oleh karena itu, ia membutuhkan lebih sedikit litium atau bahan lain yang mungkin kekurangan pasokan. Mesin pembakaran internal hidrogen tidak secara langsung memerlukan baterai lithium atau baterai serupa lainnya.
- Sel bahan bakar dapat memperpanjang umur mobil. Tidak seperti baterai, yang mahal untuk diganti karena ukuran dan kapasitasnya. Baterai yang terkait dengan mesin hidrogen lebih kecil dan karenanya lebih murah untuk diganti.
- Dibandingkan dengan mesin bahan bakar fosil, mesin sel bahan bakar hidrogen menggunakan motor listrik dan karena itu sangat tenang.
Otonomi
Kerugian dari mesin hidrogen adalah tangki atau sel bahan bakarnya harus mengandung hidrogen pada tekanan yang sangat tinggi. Dengan demikian, titik suplai juga harus sesuai dengan tekanan 700 bar yang didukungnya.
Hal ini membutuhkan pembangunan infrastruktur pasokan untuk dapat mengisi bahan bakar kendaraan jenis ini. Konon, ia memiliki masalah yang sama dengan kendaraan listrik murni. Namun, operasi pengisian bahan bakar jauh lebih cepat dari ini, karena sama dengan kendaraan LPG atau GLC.
Mobil yang saat ini dilengkapi dengan mesin sel bahan bakar hidrogen memiliki kisaran yang mirip dengan bensin. Sebagai contoh, Toyota Mirai mengumumkan 650 km dengan baterai penuh, Hyundai Nexo 756 km dan BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Lainnya seperti Hopium Machina telah mengumumkan jangkauan 1.000 km, meskipun angka itu sekarang harus dikonfirmasi ketika itu terjadi. Bagaimanapun, otonomi tidak sepenting baterai, karena pengisian bahan bakar jauh lebih cepat. Hal yang perlu diingat adalah jumlah titik bahan bakar.
Mereka aman?
Merek telah bekerja pada jenis mesin ini selama bertahun-tahun untuk meningkatkan efisiensi, mengurangi biaya dan, tentu saja, membuatnya seaman yang menggunakan bahan bakar fosil.
Selain itu, standar keselamatan yang dipersyaratkan oleh Eropa, Amerika Serikat dan Jepang adalah jaminan keamanan kendaraan bertenaga hidrogen. Tak perlu dikatakan, Toyota memuji itu tangki bensin Mirai cukup kuat untuk tahan peluru.
Akankah kita melihat suatu hari ketika semua mobil menggunakan hidrogen? Waktu akan menunjukkan segalanya. Jelas bahwa merek terus berinvestasi dan memiliki beberapa keunggulan yang menjadikannya alternatif yang masuk akal untuk transportasi tanpa emisi.
Saya berharap dengan informasi ini Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang cara kerja mesin hidrogen, karakteristiknya, kelebihan dan kekurangannya.