Silniki wodorowe nadal są jednym z przyszłych zakładów przemysłu motoryzacyjnego. Jego działanie dało mu szereg zalet, utrzymując go na powierzchni pomimo niepowodzeń. W tym celu Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford i inne marki zainwestowały w tę technologię. Silniki wykorzystujące wodór obejmują silniki spalinowe i silniki do konwersji ogniw paliwowych. Wiele osób nie wie jak działa silnik wodorowy oraz ich zalety i wady.
Z tego powodu zamierzamy poświęcić ten artykuł, aby opowiedzieć, jak krok po kroku działa silnik wodorowy, jakie są jego cechy i znaczenie dla świata motoryzacji.
Jak działa silnik spalinowy na wodór?
Silniki te wykorzystują wodór jako benzynę. Oznacza to, że spalają go w komorze spalania, aby wywołać eksplozję (energia kinetyczna i ciepło). Z tego powodu, konwencjonalne silniki benzynowe mogą być przystosowane do spalania wodoru oprócz LPG lub CNG.
Działanie tego silnika jest bardzo podobne do działania silnika benzynowego. Jako paliwo stosuje się wodór, a tlen jako utleniacz. Reakcja chemiczna jest inicjowana przez iskrę, a świeca zapłonowa może wytworzyć iskrę. Wodór nie zawiera atomów węgla, więc reakcja polega na tym, że dwie cząsteczki wodoru łączą się z jedną cząsteczką tlenu, uwalniając energię i wodę.
Wynikiem jego reakcji chemicznej jest po prostu para wodna. Jednak silniki spalinowe wodorowe generują pewne emisje podczas swojej pracy. Na przykład niewielkie ilości NOx z powietrza i ciepła z komory spalania lub emisje ze spalania części oleju przez pierścienie tłokowe.
Ponieważ wodór jest gazem, jest magazynowany w zbiorniku o ciśnieniu 700 barów. Jest to od 350 do 280 razy wyższe niż normalne ciśnienie w oponach samochodowych. (2 do 2,5 bara). Chociaż istnieją również samochody, które przechowują wodór w postaci płynnej w bardzo niskich temperaturach, jak pokazano poniżej.
Silniki spalinowe wodorowe oferują kilka interesujących zalet w porównaniu z konwencjonalnymi silnikami spalinowymi. Na przykład mogą teoretycznie używać bardzo drobnych mieszanek (Lambda blisko 2). Oznacza to, że mogą zużywać bardzo mało paliwa, aby wykorzystać całe wchodzące powietrze i stać się bardzo wydajnymi.
Przykład działania silnika spalinowego wodorowego
Dobrym przykładem silnika wodorowego jest BMW 750hl, które pojawiło się na rynku w 2000 roku. Chociaż w rzeczywistości jest to silnik benzynowy BMW, jest on również zdolny do spalania wodoru.
Ma jednak kilka wad: Po pierwsze, przechowuje wodór w postaci płynnej. Wymaga to bardzo drogiego zbiornika wykonanego z materiałów z sektor lotniczy, aby utrzymać temperaturę poniżej -250ºC. Można to osiągnąć tylko w ciągu 12 do 14 dni, w którym to czasie wodór stopniowo odparowuje i jest bezpiecznie uwalniany do atmosfery. Drugą wadą jest to, że stosując wodór tracisz dużo mocy i wydajności. Późniejsze BMW Hydrogen 7 z 2005 roku częściowo rozwiązało te problemy i podniosło ciśnienie wodoru do 700 barów, nie utrzymując go w niskiej temperaturze.
Innym dobrym przykładem jest silnik wodorowy Aquarius. Silnik na paliwo kopalne opracowany przez izraelską firmę, przystosowany do wykorzystania wodoru. Pierwsza funkcjonalna wersja została wprowadzona w 2014 roku i od tego czasu pojawiła się poprawiona i ulepszona wersja. Według jego twórców może pracować bez smarowania olejem i ma system wymiany gazowej w celu zmniejszenia emisji NOx.
Ponadto wodorowy silnik spalinowy jest lekki i składa się z niewielu części, co czyni go tanim w produkcji. Może być używany jako przedłużacz zasięgu dla pojazdów elektrycznych lub jako generator dla sieci.
Jak działa silnik z wodorowymi ogniwami paliwowymi?
Jego pełna nazwa to silnik wodorowy z ogniwem paliwowym. Mimo słowa „paliwo” nie spalają wodoru. Używają go do wytwarzania energii elektrycznej w odwrotnym procesie elektrolizy. Dlatego przewożą akumulatory do reakcji chemicznych, jak w silniku spalinowym na wodór, gdzie wodór jest magazynowany w zbiornikach o ciśnieniu 700 bar.
Tyle, że zamiast podawać go do silnika, przechodzi przez anodę i katodę (jak akumulator) do ogniwa paliwowego. Tam gazowy wodór (H2) przechodzi przez membranę i rozkłada ją na dwa jony wodorowe. Wodór i dwa wolne elektrony. Elektrony te przechodzą z anody do katody akumulatora przez obwód zewnętrzny, wytwarzając prąd elektryczny. Wytworzone jony wodoru łączą się z tlenem z powietrza, tworząc wodę.
Z tego powodu silnik na wodorowe ogniwa paliwowe jest zerowy, ponieważ nie wytwarza NOx ani gazów, które powstają podczas spalania oleju, jak silnik spalinowy. Membrany stosowane w tych silnikach są wykonane z platyny i są drogie. Jednak jest wiele pracy, aby rozwiązać ten wysoki koszt. Na przykład na Politechnice Berlińskiej opracowali żelazostop, który, jeśli zostanie wprowadzony do produkcji, może znacznie obniżyć koszty.
Wady silników wodorowych
- Katalizatory stosowane w reakcjach chemicznych silników z wodorowymi ogniwami paliwowymi jest wykonanych z drogich materiałów, takich jak platyna. Przynajmniej dopóki nie zostanie zastąpiona tańszą alternatywą, jak ta wspomniana w TU Berlin.
- Aby uzyskać wodór, trzeba to zrobić w procesach termochemicznych paliw kopalnych lub elektrolizie wody, co wymaga energochłonności. Główna krytyka silników wodorowych, ponieważ energia elektryczna może być przechowywana bezpośrednio w akumulatorze pojazdu elektrycznego do użytku.
- Po uzyskaniu wodoru, należy wprowadzić do komory lub zbiornika ciśnieniowego. Proces ten wymaga również dodatkowego wydatku energetycznego.
- Baterie wodorowe są drogie w produkcji i muszą być bardzo trwałe, aby wytrzymać wysokie ciśnienie, pod jakim musi być przechowywany wodór.
Zalety silników wodorowych
- Akumulatory wodorowe są lżejsze niż akumulatory do pojazdów elektrycznych. Dlatego jego zastosowanie w transporcie ciężkim jest badane jako alternatywa dla elektrycznych wózków akumulatorowych. Aby móc pokonywać duże odległości, są bardzo ciężkie.
- Obecnie ładowanie wodoru jest szybsze niż ładowanie akumulatora samochodu elektrycznego.
- W przeciwieństwie do pojazdów zasilanych bateriami, pojazdy zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi nie wymagają dużych akumulatorów. Dlatego wymaga mniej litu lub innych materiałów, których może brakować. Silniki wodorowe wewnętrznego spalania nie wymagają bezpośrednio baterii litowych lub innych podobnych baterii.
- Ogniwa paliwowe mogą przedłużyć żywotność samochodu. W przeciwieństwie do baterii, których wymiana jest droga ze względu na ich rozmiar i pojemność. Akumulatory związane z silnikami wodorowymi są mniejsze, a zatem tańsze w wymianie.
- W porównaniu z silnikami na paliwa kopalne silniki na wodorowe ogniwa paliwowe wykorzystują silniki elektryczne i dlatego są bardzo ciche.
Autonomia
Wadą silników wodorowych jest to, że ich zbiorniki lub ogniwa paliwowe muszą zawierać wodór pod bardzo wysokim ciśnieniem. Zatem, punkt zasilania musi również odpowiadać ciśnieniu 700 barów, które obsługuje.
Wymaga to zbudowania infrastruktury zasilającej, aby móc zatankować tego typu pojazd. To powiedziawszy, ma te same problemy, co pojazdy wyłącznie elektryczne. Jednak operacja tankowania jest znacznie szybsza niż te, ponieważ jest taka sama jak pojazd LPG lub GLC.
Samochody wyposażone obecnie w silniki na wodorowe ogniwa paliwowe mają zasięg zbliżony do benzyny. Na przykład, Toyota Mirai ogłosiła 650 km z pełną baterią, Hyundai Nexo 756 km, a BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Inne, takie jak Hopium Machina, ogłosiły zasięg 1.000 km, chociaż liczba ta będzie musiała zostać potwierdzona, kiedy to nastąpi. W każdym razie autonomia nie jest tak ważna jak akumulator, ponieważ tankowanie jest znacznie szybsze. Należy pamiętać o liczbie punktów paliwowych.
Czy są bezpieczne?
Marki od lat pracują nad tego typu silnikami, aby poprawić ich wydajność, obniżyć koszty i oczywiście uczynić je tak samo bezpiecznymi jak te, które są zasilane paliwami kopalnymi.
Dodatkowo, standardy bezpieczeństwa wymagane przez Europę, Stany Zjednoczone i Japonię są gwarancją bezpieczeństwa pojazdów napędzanych wodorem. Nie trzeba dodawać, że Toyota to zachwala zbiornik paliwa Mirai jest wystarczająco twardy, aby był kuloodporny.
Czy nadejdzie dzień, w którym wszystkie samochody będą napędzane wodorem? Czas pokaże wszystko. Oczywiste jest, że marki nadal inwestują i ma to pewne zalety, które sprawiają, że jest to rozsądna alternatywa dla transportu o zerowej emisji.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom można dowiedzieć się więcej o działaniu silnika wodorowego, jego charakterystykach, zaletach i wadach.