Водневі двигуни продовжують залишатися однією з майбутніх ставок автомобільної промисловості. Його експлуатація надала йому низку переваг, утримуючи його на плаву, незважаючи на його невдачі. З цією метою Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford та інші бренди вклали значні кошти в цю технологію. Двигуни, що використовують водень, включають двигуни внутрішнього згоряння та двигуни на паливних елементах. Багато людей не знають як працює водневий двигун та їх відповідні переваги та недоліки.
З цієї причини ми збираємося присвятити цю статтю тому, щоб розповісти вам, як працює покроковий водневий двигун, які його характеристики та важливість для автомобільного світу.
Як працює двигун водневого згоряння?
Ці двигуни використовують водень як бензин. Тобто вони спалюють його в камері згоряння, щоб створити вибух (кінетична енергія і тепло). З цієї причини, звичайні бензинові двигуни можуть бути адаптовані для спалювання водню на додаток до LPG або CNG.
Робота цього двигуна дуже схожа на роботу бензинового двигуна. Водень використовується як паливо, а кисень – як окисник. Хімічна реакція ініціюється іскрою, і свічка запалювання може викликати іскру. Водень не має атомів вуглецю, тому реакція полягає в тому, що дві молекули водню з’єднуються з однією молекулою кисню, вивільняючи енергію та воду.
Результатом його хімічної реакції є просто водяна пара. Однак двигуни водневого згоряння під час роботи виділяють деякі викиди. Наприклад, невелика кількість NOx з повітря і тепла з камери згоряння або викиди від спалювання масла через поршневі кільця.
Оскільки водень є газом, він зберігається в баку з тиском 700 бар. Це в 350-280 разів вище, ніж звичайний тиск у автомобільних шинах. (від 2 до 2,5 бар). Хоча є й автомобілі, які зберігають водень у рідкому вигляді при дуже низьких температурах, як показано нижче.
Двигуни водневого згоряння мають деякі цікаві переваги перед звичайними двигунами внутрішнього згоряння. Наприклад, вони теоретично можуть використовувати дуже тонкі суміші (лямбда близька до 2). Тобто вони можуть використовувати дуже мало палива, щоб використати все надходить повітря і стати дуже ефективними.
Приклад того, як працює двигун водневого згоряння
Хорошим прикладом водневого двигуна є BMW 750hl, який з’явився на ринку в 2000 році. Хоча насправді це бензиновий двигун BMW, він також здатний спалювати водень.
Однак він має кілька недоліків: по-перше, він зберігає водень у рідкому вигляді. Для цього потрібен дуже дорогий резервуар, виготовлений з матеріалів аерокосмічний сектор, щоб підтримувати його температуру нижче -250ºC. Цього можна досягти лише протягом 12-14 днів, протягом цього часу водень поступово випаровується і безпечно викидається в атмосферу. Другим недоліком є те, що при використанні водню ви втрачаєте багато потужності та ефективності. Пізніший BMW Hydrogen 7 2005 року частково вирішив ці проблеми і підвищив тиск водню до 700 бар, не залишаючи його холодним.
Ще один хороший приклад — водневий двигун Aquarius. Двигун на викопному паливі, розроблений ізраїльською компанією, придатний для використання водню. Перша функціональна версія була представлена в 2014 році і з тих пір з'явилася перероблена і вдосконалена версія. За словами його розробників, він може працювати без мастила і має система газообміну для зменшення викидів NOx.
Крім того, водневий двигун внутрішнього згоряння легкий і має мало деталей, що робить його дешевим у виробництві. Його можна використовувати як розширювач діапазону для електромобілів або як генератор для мережі.
Як працює двигун на водневих паливних елементах?
Його повна назва — водневий двигун на паливних елементах. Незважаючи на слово «паливо», вони не спалюють водень. Вони використовують його для вироблення електроенергії шляхом зворотного процесу електролізу. Тому вони везуть батареї для хімічних реакцій, як у водневому двигуні згоряння, де водень зберігається в резервуарах з тиском 700 бар.
Просто замість того, щоб подавати його до двигуна, він проходить через анод і катод (як акумулятор) до паливного елемента. Опинившись там, газоподібний водень (H2) проходить крізь мембрану і розкладає її на два іони водню. Водень і два вільні електрони. Ці електрони проходять від анода до катода батареї через зовнішній ланцюг, створюючи електричний струм. Утворені іони водню з’єднуються з киснем повітря, утворюючи воду.
З цієї причини двигун на водневих паливних елементах має нульові викиди, оскільки він не виробляє NOx або гази, які утворюються при спалюванні масла, як двигун внутрішнього згоряння. Діафрагми, що використовуються в цих двигунах, виготовлені з платини і коштують дорого. Однак є робота, щоб подолати цю високу вартість. Наприклад, у Технічному університеті Берліна розробили феросплав, який у разі запуску у виробництво може значно знизити витрати.
Недоліки водневих двигунів
- Каталізатори, що використовуються в хімічних реакціях Двигуни на водневих паливних елементах виготовляються з дорогих матеріалів, таких як платина. Принаймні до тих пір, поки її не замінять дешевшою альтернативою, як згадана в TU Berlin.
- Щоб отримати водень, це необхідно зробити термохімічними процесами викопного палива або електролізом води, що вимагає споживання енергії. Основна критика водневих двигунів, адже електрику можна зберігати безпосередньо в акумуляторі електромобіля для використання.
- Після отримання водню, необхідно ввести в камеру або резервуар під тиском. Цей процес також вимагає додаткових витрат енергії.
- Водневі батареї дорогі у виробництві, і вони повинні бути дуже міцними, щоб витримувати високий тиск, з яким необхідно зберігати водень.
Переваги водневих двигунів
- Водневі батареї легші за акумулятори електромобілів. Саме тому його використання у великоваговому транспорті досліджується як альтернатива акумуляторним електровантажівкам. Щоб долати великі відстані, вони дуже важкі.
- Сьогодні зарядка воднем відбувається швидше, ніж зарядка акумулятора електромобіля.
- На відміну від акумуляторних електромобілів, транспортні засоби на водневих паливних елементах не потребують великих акумуляторів. Тому він вимагає менше літію або інших матеріалів, яких може бути дефіцит. Водневі двигуни внутрішнього згоряння безпосередньо не потребують літієвих або інших подібних батарей.
- Паливні елементи можуть продовжити термін служби автомобіля. На відміну від батарейок, заміна яких коштує дорого через їх розміри та ємність. Акумуляторні батареї, пов’язані з водневими двигунами, менші, і, отже, менш дорогі в заміні.
- У порівнянні з двигунами на викопному паливі, двигуни на водневих паливних елементах використовують електричні двигуни, тому вони дуже тихі.
Автономія
Недоліком водневих двигунів є те, що їх баки або паливні елементи повинні містити водень під дуже високим тиском. таким чином, точка подачі також повинна відповідати тиску 700 бар, який вона підтримує.
Це вимагає створення інфраструктури постачання, щоб мати можливість заправляти цей тип транспортних засобів. Тим не менш, він має ті ж проблеми, що й чисті електромобілі. Однак операція заправки набагато швидше, ніж ці, оскільки це те саме, що транспортний засіб на LPG або GLC.
Автомобілі, які зараз оснащені двигунами на водневих паливних елементах, мають діапазон, подібний до бензинових. Наприклад, Toyota Mirai анонсувала 650 км з повною батареєю, Hyundai Nexo 756 км і BMW iX5 Hydrogen 700 км.
Інші, як Hopium Machina, оголосили про запас ходу в 1.000 км, хоча тепер цю цифру потрібно буде підтвердити, коли це станеться. У будь-якому випадку автономність не так важлива, як акумулятор, адже заправка відбувається набагато швидше. Важливо пам’ятати про кількість паливних балів.
Вони в безпеці?
Бренди роками працювали над цим типом двигунів, щоб підвищити їх ефективність, знизити витрати і, звичайно, зробити їх такими ж безпечними, як і ті, що працюють на викопному паливі.
Крім того, стандарти безпеки, які вимагають Європа, Сполучені Штати та Японія, є гарантією безпеки транспортних засобів з водневим двигуном. Зрозуміло, що Toyota рекламує це Бензобак Mirai досить міцний, щоб бути куленепробивним.
Чи побачимо ми день, коли всі автомобілі працюватимуть на водні? Час все покаже. Зрозуміло, що бренди продовжують інвестувати, і це має деякі переваги, які роблять його розумною альтернативою транспорту з нульовими викидами.
Сподіваюся, що з цією інформацією ви зможете більше дізнатися про те, як працює водневий двигун, його характеристики, переваги та недоліки.