Vandenilio varikliai ir toliau yra vienas iš ateities automobilių pramonės lažybų. Jo veikimas suteikė daug privalumų, išlaikant jį paviršiuje, nepaisant gedimų. Šiuo tikslu į šią technologiją daug investavo Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford ir kiti prekės ženklai. Vandenilį naudojantys varikliai apima vidaus degimo variklius ir kuro elementų konversijos variklius. Daugelis žmonių nežino kaip veikia vandenilinis variklis ir atitinkamus jų privalumus bei trūkumus.
Dėl šios priežasties šį straipsnį skirsime tam, kad papasakotume, kaip veikia laipsniškas vandenilio variklis, kokios jo charakteristikos ir svarba automobilių pasauliui.
Kaip veikia vandenilio degimo variklis?
Šie varikliai kaip benziną naudoja vandenilį. Tai yra, jie sudegina jį degimo kameroje, kad sukurtų sprogimą (kinetinę energiją ir šilumą). Dėl šios priežasties, įprasti benzininiai varikliai gali būti pritaikyti ne tik SND ar SGD, bet ir deginti vandenilį.
Šio variklio veikimas labai panašus į benzininio. Vandenilis naudojamas kaip kuras, o deguonis – kaip oksidatorius. Cheminę reakciją inicijuoja kibirkštis, o žvakė gali sukelti kibirkštį. Vandenilis neturi anglies atomų, taigi reakcija tokia, kad dvi vandenilio molekulės susijungia su viena deguonies molekule, išskirdamos energiją ir vandenį.
Jo cheminės reakcijos rezultatas yra tiesiog vandens garai. Tačiau vandenilio degimo varikliai eksploatuodami išmeta kai kurių išmetamųjų teršalų. Pavyzdžiui, nedideli NOx kiekiai iš oro ir šilumos iš degimo kameros arba išmetamieji teršalai deginant alyvą per stūmoklio žiedus.
Kadangi vandenilis yra dujos, jis laikomas rezervuare, kurio slėgis yra 700 barų. Tai yra 350–280 kartų didesnis slėgis nei įprastas automobilio padangų slėgis. (nuo 2 iki 2,5 baro). Nors yra ir automobilių, kuriuose vandenilis kaupiamas skystu pavidalu labai žemoje temperatūroje, kaip parodyta žemiau.
Vandenilio degimo varikliai turi keletą įdomių pranašumų, palyginti su įprastais vidaus degimo varikliais. Pavyzdžiui, teoriškai jie gali naudoti labai smulkius mišinius (Lambda beveik 2). Tai yra, jie gali naudoti labai mažai kuro, kad išnaudotų visą įeinantį orą ir taptų labai efektyvūs.
Pavyzdys, kaip veikia vandenilio degimo variklis
Geras vandenilinio variklio pavyzdys yra BMW 750hl, kuris rinkoje pasirodė 2000 m. Nors iš tikrųjų tai yra BMW benzininis variklis, jis taip pat gali deginti vandenilį.
Tačiau jis turi keletą trūkumų: Pirma, jis kaupia vandenilį skystu pavidalu. Tam reikia labai brangaus bako, pagaminto iš medžiagų iš aviacijos ir kosmoso sektoriuje, kad jo temperatūra būtų žemesnė nei -250ºC. Tai galima pasiekti tik per 12–14 dienų, per tą laiką vandenilis palaipsniui išgaruoja ir saugiai išleidžiamas į atmosferą. Antras trūkumas yra tas, kad naudojant vandenilį prarandama daug galios ir efektyvumo. Vėlesnis 7 m. BMW Hydrogen 2005 iš dalies išsprendė šias problemas ir padidino vandenilio slėgį iki 700 barų, nelaikydamas šalto.
Kitas geras pavyzdys – vandenilinis variklis „Aquarius“. Izraelio įmonės sukurtas iškastinio kuro variklis, tinkamas naudoti vandenilį. Pirmoji funkcinė versija buvo pristatyta 2014 m., o nuo tada pasirodė pataisyta ir patobulinta versija. Pasak jo kūrėjų, jis gali veikti be tepalinės alyvos ir turi dujų mainų sistema NOx emisijai sumažinti.
Be to, vandenilinis vidaus degimo variklis yra lengvas ir turi nedaug dalių, todėl jį pigu gaminti. Jis gali būti naudojamas kaip elektrinių transporto priemonių nuotolio didiklis arba kaip tinklo generatorius.
Kaip veikia vandenilio kuro elementų variklis?
Visas jo pavadinimas yra kuro elementu konvertuotas vandenilio variklis. Nepaisant žodžio „degalai“, jie nedegina vandenilio. Jie naudoja jį elektros energijai gaminti atvirkštinio elektrolizės proceso metu. Štai kodėl jie neša akumuliatorius cheminėms reakcijoms, pavyzdžiui, vandenilio degimo variklyje, kur vandenilis laikomas 700 barų slėgio talpyklose.
Tiesiog užuot tiekęs jį varikliui, jis per anodą ir katodą (kaip baterija) patenka į kuro elementą. Ten patekusios vandenilio dujos (H2) praeina pro membraną ir suskaido ją į du vandenilio jonus. Vandenilis ir du laisvieji elektronai. Šie elektronai pereina iš anodo į baterijos katodą per išorinę grandinę, sukurdami elektros srovę. Susidarę vandenilio jonai susijungia su deguonimi iš oro ir sudaro vandenį.
Dėl šios priežasties vandenilio kuro elementų variklis neišmeta teršalų, nes jis neišskiria NOx arba dujų, kurios susidaro deginant alyvą kaip vidaus degimo variklis. Šiuose varikliuose naudojamos membranos yra pagamintos iš platinos ir yra brangios. Tačiau yra darbo, siekiant sumažinti šią didelę kainą. Pavyzdžiui, Berlyno technikos universitete jie sukūrė ferolydinį, kuris, pradėtas gaminti, galėtų labai sumažinti išlaidas.
Vandenilio variklių trūkumai
- Katalizatoriai, naudojami cheminėse reakcijose vandenilio kuro elementų variklių yra pagaminti iš brangių medžiagų, tokių kaip platina. Bent jau iki tol, kol jį pakeis pigesnė alternatyva, kaip minėta Berlyno TU.
- Norint gauti vandenilį, tai turi būti atliekama naudojant termocheminius iškastinio kuro procesus arba vandens elektrolizę, kuriai reikia energijos sąnaudų. Pagrindinė kritika vandeniliniams varikliams, nes elektra gali būti kaupiama tiesiogiai elektromobilio akumuliatoriuje.
- Kai gaunamas vandenilis, turi būti įtrauktas į kamerą arba slėgio baką. Šis procesas taip pat reikalauja papildomų energijos sąnaudų.
- Vandenilio baterijas yra brangu gaminti ir jos turi būti labai patvarios, kad atlaikytų aukštą slėgį, su kuriuo turi būti laikomas vandenilis.
Vandenilio variklių privalumai
- Vandenilio akumuliatoriai yra lengvesni nei elektromobilių akumuliatoriai. Būtent todėl jo panaudojimas sunkiajame transporte tiriamas kaip alternatyva akumuliatoriniams elektriniams sunkvežimiams. Kad būtų galima įveikti didelius atstumus, jie yra labai sunkūs.
- Šiandien vandenilio įkrovimas yra greitesnis nei elektromobilio akumuliatoriaus įkrovimas.
- Skirtingai nuo akumuliatorinių elektrinių transporto priemonių, vandenilio kuro elementų transporto priemonėms nereikia didelių akumuliatorių. Todėl tam reikia mažiau ličio ar kitų medžiagų, kurių gali trūkti. Vandeniliniams vidaus degimo varikliams tiesiogiai nereikia ličio akumuliatorių ar kitų panašių akumuliatorių.
- Kuro elementai gali prailginti automobilio tarnavimo laiką. Skirtingai nuo baterijų, kurias brangu pakeisti dėl savo dydžio ir talpos. Akumuliatoriai, susiję su vandeniliniais varikliais, yra mažesni, todėl juos pakeisti pigiau.
- Palyginti su iškastinio kuro varikliais, vandenilio kuro elementų varikliai naudoja elektros variklius, todėl yra labai tylūs.
Autonomija
Vandenilinių variklių trūkumas yra tas, kad jų bakuose ar kuro elementuose turi būti labai aukšto slėgio vandenilio. Taigi, tiekimo taškas taip pat turi atitikti 700 barų slėgį, kurį jis palaiko.
Tam reikia sukurti tiekimo infrastruktūrą, kad būtų galima papildyti tokio tipo transporto priemones. Tai reiškia, kad jis turi tas pačias problemas kaip ir grynos elektrinės transporto priemonės. Tačiau degalų papildymas yra daug greitesnis nei šie, nes tai yra tas pats, kas suskystintų dujų arba GLC transporto priemonėje.
Automobilių, šiuo metu turinčių vandenilio kuro elementų variklius, diapazonas panašus į benzininių. Pavyzdžiui, Toyota Mirai paskelbė 650 km su pilna baterija, Hyundai Nexo 756 km ir BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Kiti, tokie kaip „Hopium Machina“, paskelbė apie 1.000 km atstumą, nors dabar šis skaičius turės būti patvirtintas, kai tai įvyks. Bet kokiu atveju autonomija nėra tokia svarbi kaip akumuliatorius, nes degalų papildymas vyksta daug greičiau. Reikėtų nepamiršti degalų taškų skaičiaus.
Jie saugūs?
Prekiniai ženklai jau daugelį metų dirba su šio tipo varikliais, kad pagerintų jų efektyvumą, sumažintų išlaidas ir, žinoma, kad jie būtų tokie pat saugūs kaip tie, kurie varomi iškastiniu kuru.
Be to, Europos, JAV ir Japonijos reikalaujami saugumo standartai yra vandeniliu varomų transporto priemonių saugumo garantija. Nereikia nė sakyti, kad Toyota tai skelbia „Mirai“ dujų bakas yra pakankamai tvirtas, kad būtų neperšaunamas.
Ar pamatysime dieną, kai visi automobiliai varys vandeniliu? Laikas viska parodys. Akivaizdu, kad prekės ženklai ir toliau investuoja, o tai turi tam tikrų pranašumų, todėl tai yra pagrįsta alternatyva nulinės emisijos transportui.
Tikiuosi, kad turėdami šią informaciją galėsite daugiau sužinoti apie vandenilio variklio veikimą, jo charakteristikas, pranašumus ir trūkumus.