Vodíkový motor. Ako to funguje a nevýhody

Spaľovacie motory sa dramaticky neprejavovali ako samostatné pohonné jednotky. Klasický motor vznikol skôr v dôsledku zdokonalenia a zdokonalenia tepelných motorov. Prečítajte si, ako sa postupne objavila jednotka, ktorú sme zvyknutí vídať pod kapotou automobilov. v samostatnom článku.

Keď sa však objavilo prvé auto vybavené spaľovacím motorom, ľudstvo dostalo samohybné vozidlo, ktoré nevyžadovalo neustále kŕmenie, ako napríklad kôň. Od roku 1885 sa v motoroch zmenilo veľa vecí, ale jedna nevýhoda zostáva nezmenená. Pri spaľovaní zmesi benzínu (alebo iného paliva) a vzduchu sa uvoľňuje príliš veľa škodlivých látok, ktoré znečisťujú životné prostredie.

Ak sa pred príchodom vozidiel s vlastným pohonom architekti európskych krajín obávali, že sa veľké mestá utopia v konskom truse, dnes obyvatelia megalopolí dýchajú špinavý vzduch.

Sprísnenie environmentálnych noriem v doprave núti výrobcov vozidiel vyvíjať čistejšie pohonné jednotky. Mnoho spoločností sa teda začalo zaujímať o predtým vytvorenú technológiu Anjosa Jedlika - samohybný vozík na elektrickú trakciu, ktorý sa objavil už v roku 1828. A dnes sa táto technológia v automobilovom svete udomácnila natoľko, že nikoho neprekvapíte elektromobilom alebo hybridom.

Čo je však skutočne povzbudivé, sú elektrárne, ktorých jediným uvoľňovaním je pitná voda. Je to vodíkový motor.

Čo je to vodíkový motor?

Jedná sa o typ motora, ktorý využíva ako palivo vodík. Použitie tohto chemického prvku zníži vyčerpanie zdrojov uhľovodíkov. Druhým dôvodom záujmu o tieto zariadenia je zníženie znečistenia životného prostredia.

V závislosti od toho, aký typ motora sa v doprave použije, sa jeho prevádzka bude líšiť od klasického spaľovacieho motora alebo bude rovnaká.

Stručná história

Vodíkové spaľovacie motory sa objavili v rovnakom období, keď sa vyvíjal a zdokonaľoval princíp ICE. Francúzsky inžinier a vynálezca skonštruoval svoju vlastnú verziu spaľovacieho motora. Palivom, ktoré použil pri svojom vývoji, je vodík, ktorý sa objavuje v dôsledku elektrolýzy H₂A. V roku 1807 sa objavilo prvé auto na vodík.

Isaac De Rivaz v roku 1807 podal patent na vývoj traktora pre vojenskú techniku. ako jedna z pohonných jednotiek navrhol použitie vodíka.

Pohonnou jednotkou bol piest a zapaľovanie v ňom bolo spôsobené tvorbou iskry vo valci. Je pravda, že prvý výtvor vynálezcu potreboval ručné generovanie iskier. Už po dvoch rokoch dokončil svoju prácu a prvé vodíkové vozidlo s vlastným pohonom bolo na svete.

V tom čase však vývoj nepripisoval dôležitosť, pretože plyn nie je také ľahké získať a uskladniť ako benzín. Počas blokády z druhej polovice roku 1941 sa v Leningrade prakticky používali vodíkové motory. Aj keď musíme uznať, že nešlo iba o vodíkové jednotky. Išlo o bežné spaľovacie motory GAZ, len pre ne nebolo palivo, ale v tom čase bolo dosť benzínu, keďže ich poháňali balóny.

V prvej polovici 80. rokov sa veľa krajín, nielen európskych, ale aj Ameriky, Ruska a Japonska zaviazalo experimentovať s týmto typom zariadení. V roku 1982 sa teda spoločnou prácou závodu v Kvante a automobilového podniku RAF objavil kombinovaný motor, ktorý bežal na zmes vodíka a vzduchu, a ako zdroj energie bola použitá batéria 5 kW / h.

Odvtedy sa rôzne krajiny pokúsili zaviesť do svojich modelových radov „zelené“ vozidlá, ale vo väčšine prípadov tieto vozidlá zostali buď v kategórii prototypov, alebo mali veľmi obmedzenú edíciu.

Ako to funguje

Pretože dnes existuje veľa prevádzkových motorov tejto kategórie, bude vodíkové zariadenie v každom jednotlivom prípade pracovať podľa svojho vlastného princípu. Zvážte, ako funguje jedna úprava, ktorá môže nahradiť klasický spaľovací motor.

V takomto motore budú palivové články určite použité. Sú to akési generátory, ktoré aktivujú elektrochemickú reakciu. Vo vnútri prístroja sa oxiduje vodík a výsledkom reakcie je uvoľnenie elektriny, vodnej pary a dusíka. Oxid uhličitý sa v takomto zariadení neuvoľňuje.

Vozidlo založené na podobnej jednotke je rovnaký elektromobil, len batéria v ňom je oveľa menšia. Palivový článok generuje dostatok energie na prevádzku všetkých systémov vozidla. Jedinou výhradou je, že od začiatku procesu do výroby energie môže trvať asi 2 minúty. Ale maximálny výkon inštalácie začína po zahriatí systému, čo trvá od štvrť hodiny do 60 minút.

Aby elektráreň nadarmo nepracovala a nie je potrebné vopred pripraviť dopravu na cestu, je v nej nainštalovaná konvenčná batéria. Počas jazdy sa nabíja z dôvodu rekuperácie a je potrebný výlučne na naštartovanie automobilu.

Takéto auto je vybavené valcom rôznych objemov, do ktorého sa čerpá vodík. V závislosti od jazdného režimu, veľkosti automobilu a výkonu elektrickej inštalácie môže jeden kilogram plynu vystačiť na 100 kilometrov cesty.

Typy vodíkových motorov

Aj keď existuje niekoľko modifikácií vodíkových motorov, všetky spadajú do dvoch typov:

• Typ jednotky s palivovým článkom;
• Upravený spaľovací motor prispôsobený na prácu s vodíkom.

Zvážme každý typ zvlášť: aké sú ich vlastnosti.

Elektrárne založené na vodíkových palivových článkoch

Palivový článok je založený na princípe batérie, v ktorej prebieha elektrochemický proces. Jediným rozdielom medzi vodíkovým analógom je jeho vyššia účinnosť (v niektorých prípadoch viac ako 45 percent).

Palivový článok je jedna komora, v ktorej sú umiestnené dva prvky: katóda a anóda. Obidve elektródy sú potiahnuté platinou (alebo paládiom). Medzi nimi je umiestnená membrána. Rozdeľuje dutinu na dve komory. Kyslík je dodávaný do dutiny s katódou a vodík do druhej.

V dôsledku toho dôjde k chemickej reakcii, ktorej výsledkom je kombinácia molekúl kyslíka a vodíka s uvoľňovaním elektriny. Vedľajším účinkom procesu je uvoľňovanie vody a dusíka. Elektródy palivových článkov sú pripojené k elektrickému obvodu automobilu vrátane elektromotora.

Vodíkové spaľovacie motory

V tomto prípade, aj keď sa motor nazýva vodík, má identickú štruktúru ako konvenčný ICE. Rozdiel je iba v tom, že nehorí benzín ani propán, ale vodík. Ak naplníte fľašu vodíkom, je tu jeden problém - tento plyn zníži účinnosť konvenčnej jednotky asi o 60 percent.

Tu je niekoľko ďalších problémov s prechodom na vodík bez modernizácie motora:

• Po stlačení HTS plyn vstúpi do chemickej reakcie s kovom, z ktorého je vyrobená spaľovacia komora a piest, a často sa to môže stať aj pri motorovom oleji. Z tohto dôvodu sa v spaľovacej komore vytvára ďalšia zlúčenina, ktorá sa nevyznačuje zvláštnou schopnosťou horieť dobre;
• Medzery v spaľovacej komore musia byť dokonalé. Ak niekde má palivový systém aspoň minimálny únik, plyn sa ľahko vznieti pri kontakte s horúcimi predmetmi.

Motor pre Hondu Clarity

Z týchto dôvodov je praktickejšie používať vodík ako palivo v rotačných motoroch (aké sú ich vlastnosti, prečítajte si tu). Sacie a výfukové potrubie takýchto jednotiek je umiestnené oddelene od seba, takže plyn na vstupe sa nezohrieva. Nech je to akokoľvek, pri modernizácii motorov tak, aby sa obišli problémy s používaním lacnejšieho a ekologickejšieho paliva.

Aká dlhá je životnosť palivových článkov?

Po celom svete sú dnes takéto autá veľmi zriedkavé a ešte nie sú v sérii, ťažko povedať, aký zdroj má daný zdroj energie. Remeselníci v tejto súvislosti zatiaľ nemajú skúsenosti.

Jediné, čo možno povedať, je, že podľa zástupcov spoločnosti Toyota je palivový článok ich sériového auta Mirai schopný nepretržite generovať energiu až 250 XNUMX kilometrov. Po tomto míľniku musíte sledovať účinnosť zariadenia. Ak sa jeho výkon výrazne zníži, palivový článok sa vymení v autorizovanom servisnom stredisku. Je pravda, že treba očakávať, že spoločnosť za tento postup vezme slušnú sumu.

Ktoré spoločnosti už vyrábajú alebo idú vyrábať vodíkové autá?

Mnoho spoločností sa zaoberá vývojom ekologickej pohonnej jednotky. Tu sú značky automobilov, v ktorých dizajnérskej kancelárii už existujú pracovné možnosti a sú pripravené na sériu:

• Mercedes-Benz je crossover GLC F-Cell, ktorého začiatok predaja bol ohlásený v roku 2018, ale zatiaľ ho získalo len niekoľko podnikov a ministerstiev Nemecka. Nedávno bol predstavený prototyp ťahača na vodíkové palivové články, GenH2;
• Prototyp Hyundai - Nexo predstavený pred dvoma rokmi;
• BMW je prototypom vodíka Hydrogen 7, ktorý bol uvoľnený z montážnej linky. Dávka 100 kópií zostala v experimentálnom štádiu, ale to je už niečo.

Medzi sériové vozidlá, ktoré je možné kúpiť v Amerike aj v Európe, patria modely Mirai a Clarity od spoločností Toyota a Honda. Pre ostatné spoločnosti je tento vývoj stále buď vo výkresovej verzii, alebo ako nepracujúci prototyp.

Toyota mirai

Čistota Honda

Koľko stojí auto na vodíkový pohon?

Náklady na vodíkové auto sú slušné. Dôvodom sú drahé kovy, ktoré sú súčasťou elektród palivových článkov (paládium alebo platina). Moderné auto je tiež vybavené nespočetnými bezpečnostnými systémami a stabilizáciou chodu elektrických prvkov, čo si vyžaduje aj materiálne zdroje.

Aj keď údržba takého automobilu (až do momentu výmeny palivových článkov) nie je oveľa nákladnejšia ako bežné auto posledných generácií. Existujú krajiny, ktoré sponzorujú výrobu vodíka, ale aj pri tomto budete musieť zaplatiť priemerne 11 a pol dolára za kilogram plynu. Podľa typu motora to môže stačiť na vzdialenosť asi sto kilometrov.

Prečo sú autá na vodík lepšie ako elektromobily?

Ak si vezmete vodíkovú elektráreň s palivovými článkami, potom bude také auto identické s elektromobilom, ktorý sme zvyknutí vidieť na cestách. Rozdiel je iba v tom, že elektromobil sa nabíja zo siete alebo z terminálu na čerpacej stanici. Samotný transport vodíka si sám vyrába elektrinu.

Pokiaľ ide o náklady na tieto autá, sú nákladnejšie. Napríklad základné modely Tesla budú stáť od 45-tisíc dolárov. Vodíkové analógy z Japonska je možné kúpiť za 57 tisíc kusov. Bavori naopak predávajú svoje autá na „zelenom“ palive za cenu 50 XNUMX dolárov.

Ak vezmeme do úvahy praktickosť, je jednoduchšie natankovať do auta benzín (bude to trvať asi päť minút), ako čakať pol hodiny (s rýchlym nabíjaním, ktoré nie je povolené pre všetky typy batérií) na parkovisku. To je plus vodíkových rastlín.

Ďalším plusom je, že palivové články zvlášť nevyžadujú údržbu a ich životnosť je dosť veľká. Pokiaľ ide o elektrické vozidlá, ich obrovská batéria si bude vyžadovať výmenu asi za päť rokov, pretože má veľa cyklov nabíjania a vybíjania. V mrazoch sa batéria v elektrických vozidlách vybíja oveľa rýchlejšie ako v lete. Ale prvok na reakciu oxidácie vodíka tým netrpí a stabilne vyrába elektrinu.

Aké sú vyhliadky pre vodíkové automobily a kedy ich uvidíme na ceste?

V Európe a Spojených štátoch sa vodíkové auto už dá nájsť. Stále sú však v kategórii kuriozít. A dnes je málo vyhliadok.

Hlavným dôvodom, že tento druh dopravy čoskoro nezaplní cesty všetkých krajín, je nedostatok výrobných kapacít. Najskôr je potrebné ustanoviť výrobu vodíka. Okrem toho je potrebné dosiahnuť takú úroveň, aby okrem šetrnosti k životnému prostrediu predstavoval pre väčšinu motoristov aj palivo. Okrem výroby tohto plynu je potrebné zorganizovať jeho prepravu (aj keď na to môžete bezpečne použiť diaľnice, po ktorých sa prepravuje metán), ako aj vybaviť mnohé čerpacie stanice príslušnými terminálmi.

Po druhé, každá automobilka bude musieť vážne modernizovať výrobné linky, čo si vyžaduje značné investície. V nestabilnej ekonomike v dôsledku vypuknutia globálnej epidémie málokto podstúpi také riziko.

Ak sa pozriete na tempo rozvoja elektrickej dopravy, proces popularizácie prebehol veľmi rýchlo. Dôvodom popularity elektromobilov je však schopnosť šetriť palivo. A to je často prvý dôvod, prečo sa kupujú, a nie z dôvodu ochrany životného prostredia. V prípade vodíka nebude možné ušetriť peniaze (aspoň teraz), pretože na jeho výrobu sa spotrebuje oveľa viac zdrojov energie.

Výhody a hlavné nevýhody vodíkových motorov

Takže poďme zhrnúť. Medzi výhody motorov na vodíkový pohon patria tieto faktory:

• Ekologické emisie;
• Tichá prevádzka pohonnej jednotky (elektrická trakcia);
• V prípade použitia palivového článku nie je potrebná častá údržba;
• Rýchle tankovanie;
• V porovnaní s elektrickými vozidlami funguje pohonný systém a zdroj energie stabilnejšie aj pri teplotách pod bodom mrazu.

Aj keď vývoj nemožno nazvať novinkou, napriek tomu má stále množstvo nedostatkov, ktoré nútia priemerného motoristu, aby sa na to pozrel opatrne. Tu sú niektoré z nich:

• Aby sa vodík vznietil, musí byť v plynnom stave. To vytvára určité ťažkosti. Napríklad na stlačenie ľahkých plynov sú potrebné špeciálne drahé kompresory. Existuje tiež problém so správnym skladovaním a prepravou paliva, pretože je vysoko horľavé;
• Valec, ktorý bude nainštalovaný na automobile, bude potrebné pravidelne kontrolovať. Z tohto dôvodu bude musieť motorista navštíviť špecializované stredisko, čo je za príplatok;
• V automobile na vodík sa obrovská batéria nepoužíva, napriek tomu inštalácia napriek tomu decentne váži, čo výrazne ovplyvňuje dynamické vlastnosti vozidla;
• Vodík - vznieti sa pri najmenšej iskre, takže nehodu s takýmto autom bude sprevádzať vážny výbuch. Vzhľadom na nezodpovedný prístup niektorých vodičov k vlastnej bezpečnosti a životom ostatných účastníkov cestnej premávky sa tieto vozidlá zatiaľ nemôžu uvoľniť na cesty.

Vzhľadom na záujem ľudstva o čistejšie prostredie môžeme očakávať, že dôjde k prielomu v otázke dokončenia „zelenej“ dopravy. Ale keď sa to stane, ukáže to iba čas.

Medzitým si pozrite videorecenziu modelu Toyota Mirai:

Budúcnosť na vodíku? Toyota Mirai – ÚPLNÁ RECENZIA a špecifikácie | LiveFEED®

Otázky a odpovede:

Prečo je vodíkový motor nebezpečný? Pri spaľovaní vodíkovej zmesi sa motor zahrieva viac ako pri spaľovaní benzínu. V dôsledku toho je vysoká pravdepodobnosť vyhorenia piestov, ventilov a preťaženia agregátu.

Ako natankovať vodíkové auto? Takéto auto je poháňané vodíkom v plynnom stave (skvapalnený alebo stlačený plyn). Na uskladnenie paliva sa stlačí na 350 - 700 atmosfér a teplota môže dosiahnuť -259 stupňov.

Ako funguje vodíkový spaľovací motor? Auto je vybavené akousi batériou. Kyslík a vodík prechádzajú cez špeciálne platne. Výsledkom je chemická reakcia s uvoľňovaním vodnej pary a elektriny.