Ūdeņraža dzinēji joprojām ir viena no autobūves nozares nākotnes iespējām. Tā darbība ir devusi virkni priekšrocību, noturot to virs ūdens, neskatoties uz kļūmēm. Šim nolūkam Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford un citi zīmoli ir ieguldījuši lielus līdzekļus šajā tehnoloģijā. Ūdeņradi izmantojošie dzinēji ietver iekšdedzes dzinējus un degvielas šūnu pārveidošanas dzinējus. Daudzi cilvēki nezina kā darbojas ūdeņraža dzinējs un to attiecīgās priekšrocības un trūkumi.
Šī iemesla dēļ mēs veltīsim šo rakstu, lai pastāstītu, kā pakāpeniski darbojas ūdeņraža dzinējs, kādi ir tā raksturlielumi un nozīme motoru pasaulē.
Kā darbojas ūdeņraža iekšdedzes dzinējs?
Šie dzinēji izmanto ūdeņradi kā benzīnu. Tas ir, viņi to sadedzina sadegšanas kamerā, lai radītu sprādzienu (kinētiskā enerģija un siltums). Šī iemesla dēļ, parastos benzīna dzinējus var pielāgot ūdeņraža sadedzināšanai papildus LPG vai CNG.
Šī dzinēja darbība ir ļoti līdzīga benzīna dzinēja darbībai. Ūdeņradi izmanto kā degvielu un skābekli kā oksidantu. Ķīmisko reakciju ierosina dzirkstele, un aizdedzes svece var radīt dzirksteli. Ūdeņradim nav oglekļa atomu, tātad reakcija ir tāda, ka divas ūdeņraža molekulas apvienojas ar vienu skābekļa molekulu, atbrīvojot enerģiju un ūdeni.
Tā ķīmiskās reakcijas rezultāts ir vienkārši ūdens tvaiki. Tomēr ūdeņraža iekšdedzes dzinēji to darbības laikā rada dažas emisijas. Piemēram, neliels NOx daudzums no gaisa un siltums no sadegšanas kameras vai emisijas, sadedzinot kādu eļļu caur virzuļa gredzeniem.
Tā kā ūdeņradis ir gāze, tas tiek uzglabāts tvertnē ar spiedienu 700 bāri. Tas ir 350 līdz 280 reizes augstāks nekā parastais automašīnas riepu spiediens. (2 līdz 2,5 bāri). Lai gan ir arī automašīnas, kas uzglabā ūdeņradi šķidrā veidā ļoti zemā temperatūrā, kā parādīts zemāk.
Ūdeņraža iekšdedzes dzinēji piedāvā dažas interesantas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajiem iekšdedzes dzinējiem. Piemēram, teorētiski var izmantot ļoti smalkus maisījumus (lambda tuvu 2). Tas ir, viņi var izmantot ļoti maz degvielas, lai izmantotu visu ienākošo gaisu un kļūtu ļoti efektīvi.
Piemērs, kā darbojas ūdeņraža iekšdedzes dzinējs
Labs ūdeņraža dzinēja piemērs ir BMW 750hl, kas tirgū nonāca 2000. gadā. Lai gan patiesībā tas ir BMW benzīna dzinējs, tas spēj arī sadedzināt ūdeņradi.
Tomēr tam ir vairāki trūkumi: pirmkārt, tas uzglabā ūdeņradi šķidrā veidā. Tam nepieciešama ļoti dārga tvertne, kas izgatavota no materiāliem no aviācijas un kosmosa sektorā, lai tā temperatūra būtu zem -250ºC. To var panākt tikai 12–14 dienu laikā, šajā laikā ūdeņradis pakāpeniski iztvaiko un tiek droši izlaists atmosfērā. Otrs trūkums ir tas, ka, izmantojot ūdeņradi, jūs zaudējat daudz jaudas un efektivitātes. Vēlākais 7. gada BMW Hydrogen 2005 daļēji atrisināja šīs problēmas un palielināja ūdeņraža spiedienu līdz 700 bāriem, neuzturot to aukstu.
Vēl viens labs piemērs ir Aquarius ūdeņraža dzinējs. Izraēlas uzņēmuma izstrādāts fosilā kurināmā dzinējs, kas piemērots ūdeņraža izmantošanai. Pirmā funkcionālā versija tika ieviesta 2014. gadā, un kopš tā laika ir parādījusies pārskatīta un uzlabota versija. Pēc tā izstrādātāju domām, tas var darboties bez smēreļļas un ir gāzu apmaiņas sistēma NOx emisiju samazināšanai.
Turklāt ūdeņraža iekšdedzes dzinējs ir viegls un tam ir maz detaļu, tāpēc tā ražošana ir lēta. To var izmantot kā attāluma paplašinātāju elektriskajiem transportlīdzekļiem vai kā tīkla ģeneratoru.
Kā darbojas ūdeņraža degvielas šūnu dzinējs?
Tā pilns nosaukums ir ūdeņraža dzinējs, kas pārveidots par degvielas šūnām. Neskatoties uz vārdu "degviela", tie nededzina ūdeņradi. Viņi to izmanto, lai ražotu elektroenerģiju apgrieztā elektrolīzes procesā. Tāpēc viņi pārvadā akumulatorus ķīmiskām reakcijām, piemēram, ūdeņraža iekšdedzes dzinējā, kur ūdeņradis tiek uzglabāts tvertnēs ar spiedienu 700 bāri.
Vienkārši tā vietā, lai to padotu motoram, tas caur anodu un katodu (piemēram, akumulators) nonāk degvielas šūnā. Kad tur atrodas, ūdeņraža gāze (H2) iziet cauri membrānai un sadala to divos ūdeņraža jonos. Ūdeņradis un divi brīvie elektroni. Šie elektroni no anoda pāriet uz akumulatora katodu caur ārēju ķēdi, radot elektrisko strāvu. Izgatavotie ūdeņraža joni savienojas ar skābekli no gaisa, veidojot ūdeni.
Šī iemesla dēļ ūdeņraža degvielas šūnu dzinējam nav izmešu, jo tas nerada NOx vai gāzes, kas rodas, sadedzinot eļļu, piemēram, iekšdedzes dzinējs. Šajos dzinējos izmantotās diafragmas ir izgatavotas no platīna un ir dārgas. Tomēr ir darbs, lai novērstu šīs augstās izmaksas. Piemēram, Berlīnes Tehniskajā universitātē viņi ir izstrādājuši dzelzs sakausējumu, kas, ja tas tiktu nodots ražošanā, varētu ievērojami samazināt izmaksas.
Ūdeņraža dzinēju trūkumi
- Katalizatori, ko izmanto ķīmiskajās reakcijās ūdeņraža degvielas šūnu dzinēji ir izgatavoti no dārgiem materiāliem, piemēram, platīna. Vismaz līdz brīdim, kad to nomainīs lētāka alternatīva, piemēram, TU Berlīnē minētā.
- Lai iegūtu ūdeņradi, tas jādara ar fosilā kurināmā termoķīmiskiem procesiem vai ar ūdens elektrolīzi, kas prasa enerģijas patēriņu. Galvenā kritika par ūdeņraža dzinējiem, jo elektroenerģiju var uzglabāt tieši elektromobiļa akumulatorā lietošanai.
- Kad ūdeņradis ir iegūts, jāievada kamerā vai spiediena tvertnē. Šis process prasa arī papildu enerģijas patēriņu.
- Ūdeņraža akumulatoru ražošana ir dārga, un tiem jābūt ļoti izturīgiem, lai izturētu augstu spiedienu, ar kādu ūdeņradis jāuzglabā.
Ūdeņraža dzinēju priekšrocības
- Ūdeņraža akumulatori ir vieglāki nekā elektrisko transportlīdzekļu akumulatori. Tāpēc tā izmantošana smagajā transportā tiek pētīta kā alternatīva akumulatoru elektriskajiem kravas automobiļiem. Lai varētu pārvarēt lielus attālumus, tie ir ļoti smagi.
- Mūsdienās ūdeņraža uzlāde ir ātrāka nekā elektromobiļa akumulatora uzlāde.
- Atšķirībā no akumulatoru elektriskajiem transportlīdzekļiem, ūdeņraža degvielas šūnu transportlīdzekļiem nav nepieciešami lieli akumulatori. Tāpēc tas prasa mazāk litija vai citu materiālu, kuru var pietrūkt. Ūdeņraža iekšdedzes dzinējiem nav tieši nepieciešamas litija baterijas vai citas līdzīgas baterijas.
- Degvielas šūnas var pagarināt automašīnas kalpošanas laiku. Atšķirībā no akumulatoriem, kuru nomaiņa ir dārga to izmēra un jaudas dēļ. Ar ūdeņraža dzinējiem saistītās baterijas ir mazākas, un tāpēc to nomaiņa ir lētāka.
- Salīdzinot ar fosilā kurināmā dzinējiem, ūdeņraža degvielas šūnu dzinēji izmanto elektromotorus, un tāpēc tie ir ļoti klusi.
Autonomija
Ūdeņraža dzinēju trūkums ir tāds, ka to tvertnēs vai degvielas šūnās jāsatur ūdeņradis ar ļoti augstu spiedienu. Tādējādi padeves punktam jāatbilst arī 700 bāru spiedienam, ko tas atbalsta.
Tam nepieciešams izveidot piegādes infrastruktūru, lai varētu uzpildīt šāda veida transportlīdzekļus. Tomēr tam ir tādas pašas problēmas kā elektriskajiem transportlīdzekļiem. Tomēr degvielas uzpildes darbība ir daudz ātrāka par šīm ierīcēm, jo tā ir tāda pati kā LPG vai GLC transportlīdzeklim.
Automašīnām, kas pašlaik ir aprīkotas ar ūdeņraža degvielas šūnu dzinējiem, ir līdzīgs benzīna diapazons. Piemēram, Toyota Mirai paziņoja par 650 km ar pilnu akumulatoru, Hyundai Nexo 756 km un BMW iX5 ūdeņraža 700 km.
Citi, piemēram, Hopium Machina, ir paziņojuši par 1.000 km diapazonu, lai gan šis skaitlis tagad būs jāapstiprina, kad tas notiks. Jebkurā gadījumā autonomija nav tik svarīga kā akumulators, jo degvielas uzpildīšana notiek daudz ātrāk. Lieta, kas jāpatur prātā, ir degvielas punktu skaits.
Viņi ir droši?
Zīmoli gadiem ilgi ir strādājuši pie šāda veida dzinējiem, lai uzlabotu to efektivitāti, samazinātu izmaksas un, protams, padarītu tos tikpat drošus kā tos, kas darbojas ar fosilo kurināmo.
Turklāt drošības standarti, ko pieprasa Eiropa, ASV un Japāna, ir ar ūdeņradi darbināmu transportlīdzekļu drošības garantija. Lieki piebilst, ka Toyota to izceļ Mirai gāzes tvertne ir pietiekami izturīga, lai būtu ložu necaurlaidīga.
Vai mēs redzēsim dienu, kad visas automašīnas darbosies ar ūdeņradi? Laiks visu rādīs. Ir skaidrs, ka zīmoli turpina investēt, un tam ir dažas priekšrocības, kas padara to par saprātīgu alternatīvu bezizmešu transportam.
Es ceru, ka ar šo informāciju jūs varat uzzināt vairāk par ūdeņraža dzinēja darbību, tā īpašībām, priekšrocībām un trūkumiem.