Met waterstof technologie Er zijn verschillende soorten motoren ontstaan. Aan de ene kant hebben we voertuigen op waterstof die een brandstofcel gebruiken om de energie te produceren die nodig is om te circuleren en aan de andere kant hebben we waterstofverbrandingsmotoren. Dit roept veel vragen op, maar ze zijn heel verschillend.
Je zou moeten weten wat dit zijn verschillen en werking van deze twee extreem verschillende aspecten, maar die dezelfde brandstof gebruiken om te functioneren...
Voertuigen op waterstof-brandstofcellen
De brandstofcelvoertuigen, ook wel FCV's of FCEV's genoemd, zijn een type elektrisch voertuig dat een brandstofcel gebruikt als energiebron die wordt gebruikt om zijn motoren aan te drijven of om energie op te slaan in een batterij om deze te gebruiken wanneer dat nodig is.
brandstofcellen elektriciteit opwekken, meestal met behulp van zuurstof uit de lucht en gecomprimeerde waterstof in tanks. Er zijn echter andere brandstofcellen die andere elementen kunnen gebruiken om elektriciteit op te wekken, maar hier zijn we alleen geïnteresseerd in waterstof.
Deze voertuigen concentreren de verontreinigende stoffen van de waterstofproductie op de plaats waar de waterstof wordt geproduceerd (of tijdens het transport en de opslag van de waterstof, die ook verontreinigende stoffen kunnen genereren van de betrokken vrachtwagens en andere motoren), als het geen waterstof is. Dat wil zeggen, deze voertuigen zelf stoten geen enkele vorm van verontreinigende stoffen uit terwijl ze circuleren.
Alle brandstofcellen zijn gemaakt van drie fundamentele onderdelen:
- Elektrolyt: is een stof die in zijn samenstelling vrije ionen bevat, waardoor deze zich gedraagt als een elektrische geleider.
- Anode: Het is een elektrode of terminal van de batterij die een oxidatiereactie veroorzaakt waardoor het elektronen verliest. Daarom gedraagt het zich als een positieve pool.
- Kathode: Het is een elektrode of aansluiting van de batterij die een reductiereactie ondergaat, dat wil zeggen een reactie waarbij het elektronen ontvangt. Daarom gedraagt het zich als een negatieve pool.
Op deze manier wordt een waterstof brandstofcel Het werkt als een conventionele batterij en produceert elektrische energie om de motor aan te drijven of op te slaan in een batterij. Terwijl de batterij moet worden opgeladen, wordt de brandstofcel echter aangedreven door brandstof, in dit geval waterstof.
grootste uitdagingen
Een van de grootste uitdagingen Dit type voertuig wordt geconfronteerd met het feit dat het zeer veilige opslagtanks nodig heeft om hoge druk te weerstaan en lekken te voorkomen in het geval van een ongeval dat zeer gewelddadige reacties zou kunnen veroorzaken. Natuurlijk is de tankinfrastructuur ook niet wijdverbreid en is het moeilijk om waterstoftankpunten te vinden.
Aan dit alles moeten we toevoegen dat de eerste brandstofcelontwerpen een levenslange dienst verminderd, hoewel er op dit punt enige vooruitgang is geboekt. Polymeerelektrolytmembraan of PEM-cellen kunnen bijvoorbeeld tot 7300 uur meegaan onder cyclusomstandigheden.
Aan de andere kant moet worden opgemerkt dat waterstof brandstofcellen zijn ze zijn relatief duur produceren, omdat er dure materialen worden gebruikt, zoals platina, dat als katalysator werkt. Bovendien moet waterstof ook veilig worden geproduceerd en opgeslagen, wat deze technologie ook duurder maakt. Gelukkig worden momenteel nieuwe waterstofbrandstofcellen met nanodeeltjes ontwikkeld, waarvoor veel minder platina en lagere kosten nodig zijn.
Geschiedenis
Het brandstofcelconcept was een fenomeen dat voor het eerst werd gedemonstreerd in 1801 door Humphry Davy. De uitvinding is echter te danken aan Willem Grove. Door Grove's experimenten met wat hij een 'voltaïsche gasbatterij' noemde, toonden ze aan dat het mogelijk was om stroom te produceren uit waterstofgas en zuurstof. Dit was in 1842 bewees hij de elektrochemische reactie tussen waterstof en zuurstof over een platinakatalysator.
Later de ingenieur Franciscus Thomas Spek hij verbeterde het werk van Grove door tussen 1939 en 1959 verschillende alkalische brandstofcellen te maken. Het eerste voertuig dat deze brandstofcellen gebruikte, was een gemodificeerde Allis-Chalmers landbouwtractor uit die tijd, die tot 15 kW vermogen produceerde.
La ruimterace uit de koude oorlog het was ook een geweldige stimulans voor deze brandstofceltechnologieën om in ruimtemissies te worden gebruikt om elektrische stroom te produceren. Dit was een doorbraak, onder meer door het gebruik ervan in Apollo-capsules en maanmodules.
Het zou echter pas in 1966 duren, toen General Motors het eerste wegvoertuig ontwikkelde dat een brandstofcel gebruikte. was de beroemde chevrolet elektrische bestelwagen. Dit voertuig had een PEM-brandstofcel en kon tot 193 km rijden met een topsnelheid van 113 km/u. Het was een tweezitter, want er was geen ruimte voor meer, aangezien de benodigde brandstof was opgeslagen in twee grote waterstof- en zuurstoftanks die de achterkant van de truck in beslag namen. Er werd slechts één busje gebouwd en de prijs was onbetaalbaar.
In de jaren tachtig werden brandstofcellen teruggebracht voor ruimtetoepassingen, zoals die in de Space Shuttle. Maar afsluiting van het Apollo-programma het zorgde ervoor dat veel NASA-brandstofcelexperts naar particuliere bedrijven gingen, waar ze hun ontwikkelingen voortzetten om in latere decennia wat vruchten af te werpen.
voertuig met waterstofverbranding
El voertuig met interne verbrandingsmotor op waterstof, ook wel HICEV genoemd in het Engels, is een type waterstofvoertuig dat niet moet worden verward met een voertuig dat een brandstofcel gebruikt. In dit geval hebben we het niet meer over een elektrisch voertuig, maar over een verbrandingsmotor zoals benzine of diesel.
Terwijl voertuigen met brandstofcellen een elektrochemische reactie gebruiken om elektriciteit te produceren om elektromotoren aan te drijven, gebruiken voertuigen met verbranding een cyclus die vergelijkbaar is met die van fossiele brandstoffen. In feite is het een aanpassing van conventionele verbrandingsmotoren.
Alleen, in dit geval, in plaats van lucht te gebruiken om zuurstof en brandstof voor verbranding te leveren, worden waterstof en zuurstof gebruikt om de explosieve reactie op te wekken die de cilinderzuigers zal doen bewegen. Het verschil is dat tijdens deze reactie geen CO2, koolwaterstoffen of andere vervuilende deeltjes in de uitlaat worden geproduceerd, zoals bij fossiele brandstoffen. In dit geval wordt alleen water gegenereerd, dus de emissies van deze voertuigen zijn bijna nul.
En ze zijn niet voor niets helemaal nul, en dat is dat, terwijl de waterstof in brandstoftanks zuiver is, in het geval van lucht, het iets meer heeft dan zuurstof, zoals je weet. Om deze reden kunnen sommige van deze in de lucht aanwezige gassen reageren met waterstof en stikstofoxiden of NOx uitstoten. Deze emissies zijn echter veel minder problematisch dan die van andere brandstoffen.
Vervuilende emissies en andere problemen
Terwijl deze voertuigen hebben het voordeel dat ze niet worden beperkt door cycli zoals brandstofcellenNaast andere grote voordelen blijven ze hetzelfde probleem van waterstofproductie en -opslag hebben als de brandstofcelsystemen. Het is noodzakelijk om te benadrukken wat de emissies van deze voertuigen zijn.
Nou ja, de verbranding van waterstof met zuurstof produceert waterdamp als het enige product, wat echter een van de broeikasgassen is, kan worden opgevangen voor opslag en bij afkoeling vloeibaar worden gemaakt als water.
2H 2 + OF 2 → 2 uur 2 O
In plaats daarvan, zoals we al zeiden, de lucht heeft iets meer dan zuurstof. Dit is waar het probleem vandaan komt, want door waterstof en stikstof te combineren, kan de beroemde NOx worden geproduceerd die ik hierboven heb genoemd. Daarom kunnen ze geen zero-emissie worden genoemd. Dat wil zeggen, de formule van de chemische reactie zou in werkelijkheid meer op deze lijken:
H 2 + OF 2 + N 2 → H. 2 O + NEE x
Aan de andere kant moet er rekening mee worden gehouden dat motoren niet perfect zijn, en er kan wat smeermiddel in de verbrandingskamer komen zoals het ook gebeurt in benzine- of dieselmotoren. In dit geval kunnen de uitlaatgassen door verbranding ook olie of oliebijproducten bevatten.
Bovendien, zoals ik in de eerste alinea van deze sectie heb aangegeven, de waterstof vormt een ander probleem, en het is uw veilige opslag. Houd er rekening mee dat waterstof gemakkelijk ontbrandt in vergelijking met andere brandstoffen. Daarom zal, als het waterstofgas ontsnapt of er een ongeluk gebeurt, wanneer het in contact komt met lucht, een zeer krachtige explosieve reactie plaatsvinden.
Retrofit van bestaande motoren
De diferencias van een conventionele ICE-motor en een benzine- of dieselmotor zijn vooral gericht op aspecten als:
- Kleppen en klepzittingen gehard.
- Sterkere drijfstangen dan in traditionele motoren.
- De mix van een brandstofmotor heeft een lucht/brandstofverhouding van 29% waterstof en 71% lucht, waardoor een vermogen wordt gegenereerd dat tot 15% meer kan zijn dan benzinemotoren, of 15% minder, afhankelijk van het type. .
- De lucht en de brandstof (waterstof) worden in dit type motoren niet eerder gemengd, maar de verbrandingskamer wordt alleen gevuld met lucht en vervolgens wordt de waterstof erin geïnjecteerd. Anders zou de explosie buiten de cilinder plaatsvinden.
- Bougies met niet-platina punten.
- Bobine met hogere spanning.
- Brandstofinjectoren die aangepast moeten worden voor gas in plaats van vloeistof.
- Grotere krukasdemper.
- Sterkere koppakking.
- Gewijzigd inlaatspruitstuk voor de supercharger.
- Supercharger met positieve druk.
- Motorolie voor hoge temperaturen.
Dat wil zeggen, door deze te doen aanpassingen aan een conventionele benzinemotor Hij zou perfect kunnen worden aangepast om op waterstof te rijden, wat een ander groot voordeel is, omdat hij kan profiteren van de huidige technologie die voor dit type motor is ontwikkeld of klassieke motoren kan aanpassen zodat hij op een milieuvriendelijkere brandstof kan lopen.
Geschiedenis
Waterstof verbrandingsmotoren werden voor het eerst ontworpen in 1806 door François Isaac de Rivaz. De eerste stond bekend als de De Rivaz-motor, die een mengsel van waterstof en zuurstof gebruikte om te draaien. Later, in 1863, produceerde Étienne Lenoir ook de Hippomobile, een ander voertuig op waterstof.
In 1970 vond er nog een andere belangrijke gebeurtenis plaats, en dat is dat Paul Dieges patent aanvroeg op de manier waarop benzinemotoren met inwendige verbranding wijzigen om op waterstof te rijden. Dezelfde datum sinds de Universiteit van Tokio belang hechtte aan deze motoren en technologieën begon te ontwikkelen die verband houden met deze motoren en de voertuigen van de toekomst aandrijft, zowel auto's, vrachtwagens, vliegtuigen, schepen, enz.
Zoals u weet, de Japanse fabrikant Mazda ontwikkelde een Wankel-type motor die waterstof als brandstof gebruikte. Het voordeel van het gebruik van deze Wankel ICE is dat de aanpassing die deze motor nodig heeft veel minder is dan die van andere alternatieve ICE's. Andere Japanse fabrikanten hebben zich ook aangesloten bij waterstofauto's en zetten groot in, zoals in het geval van Toyota.
Tussen 2005 en 2007 was er in Europa ook een belangrijke stap, toen BMW zijn eerste luxe auto testte die op waterstof reed. Het draait allemaal om het model BMW Waterstof 7, die een topsnelheid van 301 km/u kon halen, was ruimer dan eerdere concepten en had een groot bereik. Vanaf hier begonnen andere Europese industrieën hetzelfde te doen met hun industriële en civiele voertuigen.
Voor- en nadelen van waterstofmotoren
Natuurlijk heeft het gebruik van waterstof als brandstof zijn voor- en nadelen Wat gaan we hier zien:
Voordelen
- Als de waterstof groen is, kan het een zeer schone en milieuvriendelijke brandstof zijn, aangezien de uitstoot nul of bijna verwaarloosbaar is en een van de producten die na de reactie worden geproduceerd H2O of water is.
- Het zijn motoren met efficiëntere technologieën. In bijna 200 jaar ontwikkeling is deze motor erin geslaagd om zijn maximale prestaties en optimalisatie te bereiken, met een efficiëntie van 80%. Dat wil zeggen, 80% van de waterstof wordt gebruikt om tractie te produceren. Terwijl bij motoren op fossiele brandstof dit rendement in veel gevallen kan variëren tussen de 20 en 40%.
- Het kan ook worden gebruikt voor zwaar transport zoals schepen, treinen, enz.
Nadelen
- Als het grijze waterstof is, vervuilt het bij de productie ervan. Helaas is een hoog percentage van de huidige waterstof grijs, omdat het het goedkoopste is om te produceren door verbranding van fossiele brandstoffen of gas. Er is echter ook blauwe waterstof en groene waterstof, waarbij groene waterstof wordt geproduceerd zonder uitstoot, omdat het hernieuwbare energie gebruikt voor de productie en de toekomst is.
- Het is een gevaarlijk gas om mee om te gaan. Zowel de opslag als het transport zijn gevaarlijk. Je hebt tanks nodig die bestand zijn tegen hoge drukken en ongevallen kunnen weerstaan, omdat er anders zeer heftige reacties zullen optreden in contact met de lucht die het leven van de bemanning kunnen beëindigen.
- Er is geen geweldige infrastructuur om waterstof bij te tanken, en er is er ook geen voor plug-in elektrische. In die zin moeten ze verder gaan om de bestaande tankstations in te halen.