Motorji na vodik so še naprej ena od prihodnjih stav avtomobilske industrije. Njegovo delovanje mu je dalo vrsto prednosti, ki ga kljub napakam ohranja na površini. V ta namen so Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford in druge znamke veliko vlagale v to tehnologijo. Motorji, ki uporabljajo vodik, vključujejo motorje z notranjim zgorevanjem in motorje za pretvorbo gorivnih celic. Marsikdo ne ve kako deluje vodikov motor ter njihove prednosti in slabosti.
Iz tega razloga bomo ta članek posvetili temu, da vam povemo, kako deluje vodikov motor po korakih, kakšne so njegove značilnosti in pomen za svet motorjev.
Kako deluje motor z zgorevanjem na vodik?
Ti motorji uporabljajo vodik kot bencin. To pomeni, da ga sežgejo v zgorevalni komori, da ustvarijo eksplozijo (kinetična energija in toplota). Zaradi tega razloga, običajne bencinske motorje je mogoče prilagoditi za izgorevanje vodika poleg LPG ali CNG.
Delovanje tega motorja je zelo podobno delovanju bencinskega motorja. Vodik se uporablja kot gorivo, kisik pa kot oksidant. Kemično reakcijo sproži iskra in svečka lahko povzroči iskro. Vodik nima ogljikovih atomov, torej reakcija je, da se dve molekuli vodika združita z eno molekulo kisika, pri čemer se sprosti energija in voda.
Rezultat njegove kemične reakcije je preprosto vodna para. Vendar pa motorji z zgorevanjem vodika med svojim delovanjem ustvarijo nekaj emisij. Na primer majhne količine NOx iz zraka in toplote iz zgorevalne komore ali emisije zaradi zgorevanja olja skozi batne obroče.
Ker je vodik plin, je shranjen v rezervoarju s tlakom 700 barov. To je 350 do 280-krat višje od običajnega tlaka v avtomobilskih pnevmatikah. (2 do 2,5 bara). Čeprav obstajajo tudi avtomobili, ki hranijo vodik v tekoči obliki pri zelo nizkih temperaturah, kot je prikazano spodaj.
Motorji z zgorevanjem na vodik ponujajo nekaj zanimivih prednosti pred običajnimi motorji z notranjim zgorevanjem. Na primer, teoretično lahko uporabljajo zelo fine mešanice (Lambda blizu 2). To pomeni, da lahko porabijo zelo malo goriva, da izkoristijo ves vhodni zrak in postanejo zelo učinkoviti.
Primer delovanja motorja z zgorevanjem na vodik
Dober primer vodikovega motorja je BMW 750hl, ki je prišel na trg leta 2000. Čeprav je pravzaprav bencinski motor BMW, je sposoben tudi izgorevati vodik.
Vendar pa ima več pomanjkljivosti: Prvič, shranjuje vodik v tekoči obliki. To zahteva zelo drag rezervoar, izdelan iz materialov iz vesoljski sektor, da ohrani temperaturo pod -250 °C. To je mogoče doseči le v 12 do 14 dneh, v tem času pa vodik postopoma izhlapi in se varno sprosti v ozračje. Druga pomanjkljivost je, da z uporabo vodika izgubite veliko moči in učinkovitosti. Kasnejši BMW Hydrogen 7 iz leta 2005 je delno rešil te težave in povečal tlak vodika na 700 barov, ne da bi bil hladen.
Drug dober primer je vodikov motor Aquarius. Motor na fosilna goriva, ki ga je razvilo izraelsko podjetje, primeren za uporabo vodika. Prva funkcionalna različica je bila predstavljena leta 2014 in od takrat se je pojavila prenovljena in izboljšana različica. Po mnenju njegovih razvijalcev lahko deluje brez mazalnega olja in ima sistem izmenjave plina za zmanjšanje emisij NOx.
Poleg tega je vodikov motor z notranjim zgorevanjem lahek in ima malo delov, zaradi česar je poceni za proizvodnjo. Uporablja se lahko kot podaljševalnik dosega za električna vozila ali kot generator za omrežje.
Kako deluje motor na vodikove gorivne celice?
Njegovo polno ime je vodikov motor na gorivne celice. Kljub besedi "gorivo" ne gorijo vodika. Uporabljajo ga za proizvodnjo električne energije z obratnim postopkom elektrolize. Zato nosijo baterije za kemične reakcije, kot v motorju z izgorevanjem vodika, kjer vodik je shranjen v rezervoarjih s tlakom 700 barov.
Samo, namesto da bi ga napajal motorju, gre skozi anodo in katodo (kot baterija) do gorivne celice. Ko je tam, vodikov plin (H2) prehaja skozi membrano in jo razgradi na dva vodikova iona. Vodik in dva prosta elektrona. Ti elektroni prehajajo od anode do katode baterije skozi zunanji tokokrog in ustvarjajo električni tok. Proizvedeni vodikovi ioni se združujejo s kisikom iz zraka in tvorijo vodo.
Zaradi tega ima motor z vodikovimi gorivnimi celicami nič emisij, ker ne proizvaja NOx ali plinov, ki nastajajo pri zgorevanju olja, kot je motor z notranjim zgorevanjem. Diafragme, ki se uporabljajo v teh motorjih, so izdelane iz platine in so drage. Vendar pa obstaja delo za odpravo teh visokih stroškov. Na Tehnični univerzi v Berlinu so na primer razvili ferozlitino, ki bi lahko, če bi jo dali v proizvodnjo, močno znižala stroške.
Slabosti vodikovih motorjev
- Katalizatorji, ki se uporabljajo v kemičnih reakcijah motorji na vodikove gorivne celice so izdelani iz dragih materialov, kot je platina. Vsaj dokler ga ne bo nadomestila cenejša alternativa, kot je omenjena v TU Berlin.
- Za pridobitev vodika ga je treba izvesti s termokemičnimi procesi fosilnih goriv ali z elektrolizo vode, ki zahteva porabo energije. Glavna kritika vodikovih motorjev, ker se lahko električna energija shrani neposredno v baterijo električnega vozila za uporabo.
- Ko dobimo vodik, je treba vnesti v celico ali tlačno posodo. Ta proces zahteva tudi dodatne porabe energije.
- Vodikove baterije so drage za proizvodnjo in morajo biti zelo vzdržljive, da prenesejo visoke pritiske, s katerimi je treba hraniti vodik.
Prednosti vodikovih motorjev
- Vodikove baterije so lažje od baterij električnih vozil. Zato se njegova uporaba v težkem transportu raziskuje kot alternativa akumulatorskim električnim tovornjakom. Da bi lahko premagali velike razdalje, so zelo težki.
- Danes je polnjenje z vodikom hitrejše od polnjenja baterije električnega avtomobila.
- Za razliko od baterijskih električnih vozil, vozila na vodikove gorivne celice ne potrebujejo velikih baterij. Zato zahteva manj litija ali drugih materialov, ki jih morda primanjkuje. Vodikovi motorji z notranjim zgorevanjem ne potrebujejo neposredno litijevih baterij ali drugih podobnih baterij.
- Gorivne celice lahko podaljšajo življenjsko dobo avtomobila. Za razliko od baterij, ki jih je zaradi svoje velikosti in kapacitete drago zamenjati. Baterije, povezane z vodikovimi motorji, so manjše in zato cenejše za zamenjavo.
- V primerjavi z motorji na fosilna goriva motorji na vodikove gorivne celice uporabljajo električne motorje in so zato zelo tihi.
Avtonomija
Pomanjkljivost vodikovih motorjev je, da morajo njihovi rezervoarji ali gorivne celice vsebovati vodik pri zelo visokih tlakih. tako, dovodna točka mora ustrezati tudi tlaku 700 barov, ki ga podpira.
Za to je treba zgraditi oskrbovalno infrastrukturo, da bi lahko napolnili tovrstno vozilo. Kljub temu ima enake težave kot čisto električna vozila. Vendar pa je dolivanje goriva veliko hitrejše od teh, saj je enako kot pri vozilu LPG ali GLC.
Avtomobili, ki so trenutno opremljeni z motorji na vodikove gorivne celice, imajo podoben razpon kot bencinski. na primer Toyota Mirai je napovedala 650 km s polno baterijo, Hyundai Nexo 756 km in BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Drugi, kot je Hopium Machina, so napovedali doseg 1.000 km, čeprav bo to številko zdaj treba potrditi, ko se bo to zgodilo. Vsekakor pa avtonomija ni tako pomembna kot baterija, saj je dolivanje goriva veliko hitrejše. Kar je treba upoštevati, je število točk za gorivo.
So na varnem?
Znamke že leta delajo na tovrstnih motorjih, da bi izboljšale njihovo učinkovitost, znižale stroške in jih seveda naredile tako varne kot tiste, ki delujejo na fosilna goriva.
Poleg tega so varnostni standardi, ki jih zahtevajo Evropa, ZDA in Japonska, jamstvo za varnost vozil na vodikov pogon. Ni treba posebej poudarjati, da Toyota to reklamira rezervoar za plin Mirai je dovolj trden, da je neprebojen.
Bomo videli dan, ko bodo vsi avtomobili vozili na vodik? Čas bo vse pokazal. Jasno je, da blagovne znamke še naprej vlagajo in ima nekaj prednosti, zaradi katerih je razumna alternativa prevozu brez emisij.
Upam, da boste s temi informacijami lahko izvedeli več o delovanju vodikovega motorja, njegovih značilnostih, prednostih in slabostih.