Motor d’hidrogen. Com funciona i desavantatges

Els motors de combustió interna no apareixien com a unitats de potència separades de manera espectacular. Més aviat, el motor clàssic va sorgir com a resultat del perfeccionament i millora dels motors tèrmics. Llegiu sobre com va aparèixer gradualment la unitat, que estem acostumats a veure sota el capó dels cotxes. en un article separat.

No obstant això, quan va aparèixer el primer cotxe equipat amb un motor de combustió interna, la humanitat va rebre un vehicle autopropulsat que no requeria una alimentació constant, com un cavall. Des del 1885, els motors han canviat moltes coses, però un inconvenient no ha canviat. Durant la combustió d’una mescla de gasolina (o un altre combustible) i aire, s’alliberen massa substàncies nocives que contaminen el medi ambient.

Si abans de l’aparició dels vehicles autopropulsats, els arquitectes dels països europeus temien que les grans ciutats s’ofegessin en fem de cavall, avui els habitants de les megaciutats respiren aire brut.

El reforçament de les normes mediambientals per al transport obliga els fabricants de vehicles a desenvolupar un propulsor més net. Per tant, moltes empreses es van interessar per la tecnologia prèviament creada d’Anjos Jedlik, un carro autopropulsat de tracció elèctrica, que va aparèixer el 1828. I avui aquesta tecnologia s’ha consolidat tan fermament al món de l’automoció que no sorprendrà ningú amb un cotxe elèctric o un híbrid.

Però el que realment és encoratjador són les centrals elèctriques, l’única que s’allibera és l’aigua potable. És un motor d’hidrogen.

Què és un motor d’hidrogen?

Es tracta d’un tipus de motor que utilitza hidrogen com a combustible. L’ús d’aquest element químic reduirà l’esgotament dels recursos d’hidrocarburs. El segon motiu de l’interès per aquestes instal·lacions és la reducció de la contaminació ambiental.

Segons el tipus de motor que s’utilitzarà en el transport, el seu funcionament serà diferent del clàssic motor de combustió interna o serà idèntic.

Breu història

Els motors de combustió interna d’hidrogen van aparèixer en el mateix període en què es desenvolupava i millorava el principi ICE. Un enginyer i inventor francès va dissenyar la seva pròpia versió d’un motor de combustió interna. El combustible que va utilitzar en el seu desenvolupament és l’hidrogen, que apareix com a resultat de l’electròlisi d’H₂R. El 1807 va aparèixer el primer cotxe d’hidrogen.

Isaac De Rivaz el 1807 va presentar una patent per al desenvolupament d'un tractor per a equipament militar. va proposar utilitzar l'hidrogen com una de les unitats de potència.

La unitat de potència era de pistó, i la seva ignició es deia a la formació d’una espurna al cilindre. És cert que la primera creació de l’inventor necessitava la generació manual d’espurnes. Després de només dos anys, va finalitzar el seu treball i va néixer el primer vehicle d’hidrogen autopropulsat.

Tanmateix, en aquell moment no es va donar importància al desenvolupament, perquè el gas no és tan fàcil d’obtenir i emmagatzemar com la gasolina. Els motors d’hidrogen es van utilitzar pràcticament a Leningrad durant el bloqueig de la segona meitat de 1941. Tot i que, hem d'admetre que no es tractava exclusivament d'unitats d'hidrogen. Es tractava de motors GAZ normals de combustió interna, només que no hi havia combustible per a ells, però hi havia molt gas en aquell moment, ja que eren alimentats per globus.

A la primera meitat dels anys vuitanta, molts països, no només europeus, sinó també Amèrica, Rússia i el Japó, es van comprometre a experimentar amb aquest tipus d’instal·lacions. Així, el 80, amb el treball conjunt de la planta Kvant i l’empresa automobilística RAF, va aparèixer un motor combinat que funcionava amb una barreja d’hidrogen i aire i es va utilitzar una bateria de 1982 kW / h com a font d’energia.

Des de llavors, diversos països han intentat introduir vehicles "verds" a les seves línies de models, però en la majoria dels casos aquests vehicles es mantenien en la categoria de prototips o tenien una edició molt limitada.

Com funciona?

Com que avui hi ha molts motors de funcionament d’aquesta categoria, la planta d’hidrogen funcionarà segons el seu propi principi en cada cas. Penseu en com funciona una modificació que pot substituir el clàssic motor de combustió interna.

En aquest motor, definitivament s’utilitzaran piles de combustible. Són una mena de generadors que activen una reacció electroquímica. Dins del dispositiu, l’hidrogen s’oxida i el resultat de la reacció és l’alliberament d’electricitat, vapor d’aigua i nitrogen. El diòxid de carboni no s’emet en una instal·lació d’aquest tipus.

Un vehicle basat en una unitat similar és el mateix vehicle elèctric, només la bateria que hi ha és molt més petita. La pila de combustible genera prou energia per fer funcionar tots els sistemes del vehicle. L’única advertència és que, des del començament del procés fins a la generació d’energia, poden trigar uns 2 minuts. Però la producció màxima de la instal·lació comença després que el sistema s’escalfi, que triga d’un quart d’hora a 60 minuts.

Perquè la central no funcioni en va i no sigui necessari preparar el transport per endavant, hi ha instal·lada una bateria convencional. Mentre condueix, es recarrega a causa de la recuperació i és necessari exclusivament per engegar un cotxe.

Un cotxe d’aquest tipus està equipat amb un cilindre de diferents volums, cap al qual es bomba hidrogen. Segons el mode de conducció, la mida del cotxe i la potència de la instal·lació elèctrica, un quilogram de gas pot ser suficient per a 100 quilòmetres de recorregut.

Tipus de motors d’hidrogen

Tot i que hi ha diverses modificacions dels motors d’hidrogen, tots es divideixen en dos tipus:

• Tipus d’unitat amb pila de combustible;
• Motor de combustió interna modificat, adaptat per funcionar amb hidrogen.

Considerem cada tipus per separat: quines són les seves característiques.

Centrals elèctriques basades en piles de combustible d’hidrogen

La pila de combustible es basa en el principi d’una bateria, en què té lloc un procés electroquímic. L'única diferència entre l'analògic d'hidrogen és la seva major eficiència (en alguns casos, més del 45%).

La pila de combustible és una sola cambra on es col·loquen dos elements: el càtode i l’ànode. Tots dos elèctrodes estan recoberts de platí (o pal·ladi). Una membrana es troba entre ells. Divideix la cavitat en dues cambres. L’oxigen s’administra a la cavitat amb el càtode i l’hidrogen a la segona.

Com a resultat, es produeix una reacció química, el resultat de la qual és la combinació de molècules d’oxigen i hidrogen amb l’alliberament d’electricitat. Un efecte secundari del procés és l'alliberament d'aigua i nitrogen. Els elèctrodes de les piles de combustible estan connectats al circuit elèctric del cotxe, inclòs el motor elèctric.

Motors de combustió interna amb hidrogen

En aquest cas, tot i que el motor s’anomena hidrogen, té una estructura idèntica a la d’un ICE convencional. L’única diferència és que no crema la gasolina ni el propà, sinó l’hidrogen. Si ompliu un cilindre d’hidrogen, hi ha un problema: aquest gas reduirà l’eficiència d’una unitat convencional al voltant d’un 60%.

A continuació, es mostren alguns altres problemes amb el canvi a l’hidrogen sense actualitzar el motor:

• Quan es comprimeix l’HTS, el gas entrarà en una reacció química amb el metall a partir del qual es fabriquen la cambra de combustió i el pistó, i sovint això també pot passar amb l’oli del motor. A causa d'això, es forma un altre compost a la cambra de combustió, que no es distingeix per una capacitat especial de cremar bé;
• Els buits de la cambra de combustió han de ser perfectes. Si en algun lloc el sistema de combustible té almenys una fuita mínima, el gas s’encendrà fàcilment en entrar en contacte amb objectes calents.

Motor per a Honda Clarity

Per aquests motius, és més pràctic utilitzar l’hidrogen com a combustible en motors rotatius (quina és la seva característica, llegiu aquí). Els col·lectors d'admissió i d'escapament d'aquestes unitats es troben separats entre si, de manera que el gas a l'entrada no s'escalfa. Sigui com sigui, mentre es modernitzen els motors per evitar els problemes d’utilitzar combustible més barat i respectuós amb el medi ambient.

Quant dura la vida útil de les piles de combustible?

Avui, a tot el món, aquests cotxes són molt rars i encara no apareixen a la sèrie, és difícil dir quin recurs té aquesta font d’energia. Els artesans encara no tenen experiència en aquest sentit.

L'únic que es pot dir és que, segons els representants de Toyota, la pila de combustible del seu cotxe de producció Mirai és capaç de generar energia de manera ininterrompuda fins a 250 mil quilòmetres. Després d’aquesta fita, heu de controlar l’eficàcia del dispositiu. Si el seu rendiment ha disminuït notablement, la pila de combustible es canvia en un centre de servei autoritzat. És cert que cal esperar que la companyia prengui una quantitat decent per a aquest procediment.

Quines empreses ja fabriquen o fabricaran cotxes d’hidrogen?

Moltes empreses es dediquen al desenvolupament d’una unitat de potència respectuosa amb el medi ambient. Aquí teniu les marques d’automòbils, a l’oficina de disseny de les quals ja hi ha opcions de treball, a punt per entrar en sèrie:

• Mercedes-Benz és un crossover GLC F-Cell, l’inici de les vendes del qual es va anunciar el 2018, però fins ara només algunes empreses i ministeris d’Alemanya l’han adquirit. Recentment es va donar a conèixer un prototip de tractor de cèl·lules de combustible d’hidrogen, GenH2;
• El prototip Hyundai - Nexo introduït fa dos anys;
• BMW és un prototip de l’hidrogen Hydrogen 7, que va sortir de la línia de muntatge. Un lot de 100 exemplars va romandre en la fase experimental, però això ja és una cosa.

Entre els cotxes d’estoc que es poden comprar tant a Amèrica com a Europa hi ha els models Mirai i Clarity de Toyota i Honda, respectivament. Per a altres empreses, aquest desenvolupament encara es troba en la versió de dibuix o bé com a prototip que no funciona.

toyota mirai

Claredat Honda

Quant costa un cotxe amb hidrogen?

El cost d’un cotxe d’hidrogen és decent. La raó d’això són els metalls preciosos que formen els elèctrodes de les piles de combustible (pal·ladi o platí). A més, un cotxe modern està equipat amb innombrables sistemes de seguretat i estabilització del funcionament dels elements elèctrics, que també requereixen recursos materials.

Tot i que el manteniment d’un cotxe d’aquest tipus (fins al moment en què es canvien les piles de combustible) no és molt més car que un cotxe normal de les darreres generacions. Hi ha països que patrocinen la producció d'hidrogen, però, fins i tot amb això, haurà de pagar una mitjana d'11 dòlars i mig per quilogram de gas. Depenent del tipus de motor, això pot ser suficient per a una distància d’uns cent quilòmetres.

Per què els cotxes d’hidrogen són millors que els cotxes elèctrics?

Si preneu una planta d’hidrogen amb piles de combustible, aquest cotxe serà idèntic al cotxe elèctric que estem acostumats a veure a les carreteres. L’única diferència és que el cotxe elèctric es carrega des de la xarxa o des d’una terminal d’una benzinera. El propi transport d’hidrogen genera electricitat per si mateix.

Pel que fa al cost d’aquests cotxes, són més cars. Per exemple, els models Tesla en la configuració bàsica costaran des de 45 mil dòlars. Es poden comprar anàlegs d'hidrogen del Japó per 57 m50. Els bavaresos, en canvi, venen els seus cotxes amb combustible "verd" a un preu de XNUMX mil dòlars.

Si tenim en compte la practicitat, és més fàcil repostar el cotxe amb gasolina (trigarà uns cinc minuts) que esperar mitja hora (amb una càrrega ràpida, que no està permesa per a tot tipus de bateries) a l’aparcament. Aquest és el plus de les plantes d’hidrogen.

Un altre avantatge: les piles de combustible no necessiten particularment manteniment i la seva vida laboral és bastant gran. Pel que fa als vehicles elèctrics, la seva enorme bateria necessitarà ser substituïda en uns cinc anys, ja que té molts cicles de càrrega-descàrrega. A temperatures gèlides, la bateria dels vehicles elèctrics es descarrega molt més ràpidament que a l’estiu. Però l’element de la reacció de l’oxidació de l’hidrogen no en pateix i produeix electricitat de manera estable.

Quines són les perspectives dels cotxes d’hidrogen i quan es veuran a la carretera?

A Europa i als Estats Units ja es pot trobar el cotxe d’hidrogen. Tot i això, continuen en la categoria de curiositat. I avui no hi ha moltes perspectives.

El principal motiu pel qual aquest tipus de transport no omplirà aviat les carreteres de tots els països és la manca de capacitat de producció. En primer lloc, cal establir la producció d’hidrogen. A més, és necessari arribar a un nivell que, a més de respectar el medi ambient, sigui també combustible disponible per a la majoria dels automobilistes. A més de la producció d’aquest gas, cal organitzar-ne el transport (tot i que per a això es poden utilitzar amb seguretat les autopistes per les quals es transporta el metà), així com equipar moltes estacions de servei amb terminals adequades.

En segon lloc, cada fabricant d'automòbils haurà de modernitzar seriosament les línies de producció, cosa que requereix una inversió considerable. En una economia inestable a causa de l’esclat d’una epidèmia mundial, pocs assumiran aquests riscos.

Si ens fixem en el ritme de desenvolupament del transport elèctric, el procés de popularització va tenir lloc molt ràpidament. Tot i això, la raó de la popularitat dels cotxes elèctrics és la possibilitat d’estalviar en combustible. I aquesta és sovint la primera raó per la qual es compren, i no per preservar el medi ambient. En el cas de l’hidrogen, no serà possible estalviar diners (almenys ara), ja que es gasten molts més recursos energètics per produir-lo.

Avantatges i principals desavantatges dels motors d’hidrogen

Per tant, resumim. Els avantatges dels motors alimentats amb hidrogen inclouen els següents factors:

• Emissió respectuosa amb el medi ambient;
• Funcionament silenciós de la unitat de potència (tracció elèctrica);
• En el cas d’utilitzar una pila de combustible, no cal un manteniment freqüent;
• Repostatge ràpid;
• En comparació amb els vehicles elèctrics, el sistema de propulsió i la font d’energia funcionen de manera més estable fins i tot a temperatures fredes.

Tot i que el desenvolupament no es pot anomenar novetat, no obstant això, encara presenta una sèrie de deficiències que indueixen l’automobilista mitjà a mirar-lo amb precaució. Aquí en teniu alguns:

• Perquè l’hidrogen s’encengui ha d’estar en estat gasós. Això crea certes dificultats. Per exemple, es necessiten compressors especials i cars per comprimir gasos lleugers. També hi ha un problema amb l’emmagatzematge i el transport adequats del combustible, ja que és altament inflamable;
• El cilindre, que s’instal·larà al cotxe, s’haurà de revisar periòdicament. Per fer-ho, l’automobilista haurà de visitar un centre especialitzat i això suposa un cost addicional;
• En un cotxe d’hidrogen no s’utilitza una bateria enorme, però la instal·lació encara pesa decentment, cosa que afecta significativament les característiques dinàmiques del vehicle;
• Hidrogen: s’encén a la mínima espurna, de manera que un accident que afecti un cotxe d’aquest tipus anirà acompanyat d’una greu explosió. Atesa l’actitud irresponsable d’alguns conductors davant la seva pròpia seguretat i la vida d’altres usuaris de la via, aquests vehicles encara no es poden alliberar a les carreteres.

Tenint en compte l'interès de la humanitat per un entorn net, s'espera que es produeixi un gran avenç en el tema de finalitzar el transport "verd". Però quan això passi, només el temps ho dirà.

Mentrestant, mireu la ressenya del vídeo al Toyota Mirai:

El futur de l'hidrogen? Toyota Mirai - REVISIÓ COMPLETA i especificacions | LiveFEED®

Preguntes i respostes:

Per què és perillós un motor d'hidrogen? Durant la combustió de la mescla d'hidrogen, el motor s'escalfa més que durant la combustió de la gasolina. Com a resultat, hi ha una alta probabilitat d'esgotament dels pistons, vàlvules i sobrecàrrega de la unitat.

Com reposar un cotxe d'hidrogen? Aquest cotxe s'alimenta amb hidrogen en estat gasós (gas liquat o comprimit). Per emmagatzemar combustible, es comprimeix a 350-700 atmosferes i la temperatura pot arribar a -259 graus.

Com funciona un motor de combustió interna d'hidrogen? El cotxe està equipat amb una mena de bateria. L'oxigen i l'hidrogen passen per plaques especials. El resultat és una reacció química amb l'alliberament de vapor d'aigua i electricitat.