З воднева технологія З'явилися різні типи двигунів. З одного боку маємо водневі транспортні засоби які використовують паливний елемент для виробництва енергії, необхідної для циркуляції, а з іншого боку, у нас є двигуни згоряння водню. Це викликає багато питань, але вони дуже різні.
Ви повинні знати, що це таке відмінності та експлуатація цих двох надзвичайно різних аспектів, але які використовують те саме паливо для функціонування...
Автомобілі на водневих паливних елементах
L автомобілі на паливних елементах, також відомі як FCV або FCEV, є типом електричного транспортного засобу, який використовує паливний елемент як джерело енергії, яке використовується для приводу двигунів або накопичення енергії в акумуляторі, щоб використовувати його за потреби.
паливні елементи виробляти електроенергію, як правило, використовуючи кисень з повітря та стиснений водень в танках. Однак існують інші паливні елементи, які можуть використовувати інші елементи для виробництва електроенергії, але тут нас цікавить лише водень.
Ці транспортні засоби концентрують забруднювачі водню на місці, де виробляється водень (або під час транспортування та зберігання водню, який також може утворювати забруднювачі від вантажівок та інших двигунів), якщо це не водень. зелений. Тобто самі ці транспортні засоби не виділяють жодного типу забруднюючих речовин поки вони циркулюють.
Усі паливні елементи складаються з три основні частини:
- Електроліт: це речовина, яка містить у своєму складі вільні іони, завдяки чому вона веде себе як електричний провідник.
- Анод: Це електрод або термінал батареї, який викликає реакцію окислення, через яку вона втрачає електрони. Тому він поводиться як позитивний полюс.
- катодний: Це електрод або термінал батареї, який зазнає реакції відновлення, тобто реакції, за допомогою якої він отримує електрони. Тому він поводиться як негативний полюс.
Таким чином, а водневий паливний елемент Він працює як звичайний акумулятор, виробляючи електричну енергію для живлення двигуна або накопичуючи її в акумуляторі. Однак поки батарею потрібно заряджати, паливний елемент живитиметься паливом, у даному випадку воднем.
найбільші виклики
один з найбільші виклики Цей тип транспортних засобів стикається з тим, що потрібні дуже безпечні резервуари для зберігання, щоб витримувати високий тиск і запобігати витокам у разі аварії, яка може спричинити дуже бурхливу реакцію. Звісно, заправна інфраструктура також не поширена, а водневі заправки знайти важко.
До всього цього ми повинні додати, що перші конструкції паливних елементів мали служба життя зменшився, хоча в цьому відношенні було досягнуто певного прогресу. Наприклад, клітини з полімерною електролітною мембраною (PEM) можуть працювати до 7300 годин в умовах циклічного циклу.
З іншого боку, слід зазначити, що водневі паливні елементи вони відносно дорогі для виробництва, оскільки використовуються дорогі матеріали, такі як платина, яка діє як каталізатор. Крім того, водень також потрібно виробляти та безпечно зберігати, що також робить цю технологію дорожчою. На щастя, зараз розробляються нові водневі паливні елементи з використанням наночастинок, які вимагають набагато менше платини та нижчих витрат.
історія
Концепція паливних елементів була феноменом, який вперше продемонстрував у 1801 році Гемфрі Деві. Однак винахід зумовлений Вільям Гроув. Завдяки експериментам Гроува з тим, що він назвав «газовою електричною батареєю», вони продемонстрували, що можна виробляти електроенергію з водню та кисню. У 1842 році він довів електрохімічну реакцію між воднем і киснем на платиновому каталізаторі.
Згодом інженер Френсіс Томас Бекон він вдосконалив роботу Гроува, створивши різні лужні паливні елементи між 1939 і 1959 роками. Першим транспортним засобом, який використовував ці паливні елементи, був модифікований сільськогосподарський трактор Allis-Chalmers того часу, який виробляв до 15 кВт потужності.
La космічна гонка холодної війни це також стало великим поштовхом для використання цих технологій паливних елементів у космічних місіях для виробництва електроенергії. Це був прорив, його використання в капсулах Apollo та місячних модулях, зокрема.
Однак це сталося лише в 1966 році, коли компанія General Motors розробила перший дорожній транспортний засіб з паливним елементом. був знаменитим електричний фургон chevrolet. Цей автомобіль мав паливний елемент PEM і міг проїхати до 193 км із максимальною швидкістю 113 км/год. Це був двомісний автомобіль, оскільки більше місця не було, тому що необхідне паливо зберігалося у двох великих баках для водню та кисню, які займали задню частину вантажівки. Був побудований лише один фургон, і його ціна була непомірно високою.
У 80-х роках паливні елементи були повернуті для застосування в космосі, наприклад, ті, що були включені в Space Shuttle. але закриття програми «Аполлон». це змусило багатьох експертів НАСА з паливних елементів піти в приватні компанії, де вони продовжили свої розробки, щоб принести певні плоди в наступні десятиліття.
автомобіль з водневим згорянням
El автомобіль з водневим двигуном внутрішнього згоряння, який також називається HICEV за абревіатурою англійською мовою, є типом водневого транспортного засобу, який не слід плутати з транспортним засобом, який використовує паливні елементи. У цьому випадку мова йде вже не про електромобіль, а про двигун внутрішнього згоряння, наприклад, бензиновий або дизельний.
У той час як транспортні засоби на паливних елементах використовують електрохімічну реакцію для виробництва електроенергії для живлення електродвигунів, транспортні засоби з двигуном внутрішнього згоряння використовують цикл, подібний до циклу викопного палива. По суті, це модифікація звичайних двигунів внутрішнього згоряння.
Тільки в цьому випадку замість використання повітря для забезпечення киснем і паливом для згоряння водень і кисень використовуються для створення вибухової реакції, яка рухатиме поршні циліндрів. Різниця полягає в тому, що під час цієї реакції у вихлопній трубі не утворюються CO2, вуглеводні чи інші забруднюючі частинки, як у викопному паливі. У цьому випадку утворюється лише вода, отже викиди від цих транспортних засобів близькі до нуля.
І вони не дорівнюють абсолютно нулю з певної причини, а це те, що хоча водень у паливних баках є чистим, у випадку з повітрям він містить щось більше, ніж кисень, як ви добре знаєте. З цієї причини деякі з цих газів, присутні в повітрі, можуть реагувати з воднем і виділяють оксиди азоту або NOx. Однак ці викиди є набагато менш проблемними, ніж викиди інших видів палива.
Забруднюючі викиди та інші проблеми
Поки ці транспортні засоби мають перевагу в тому, що вони не обмежені такими циклами, як паливні елементиНа додаток до інших великих переваг, вони продовжують мати ту саму проблему виробництва та зберігання водню, яку мали системи паливних елементів. Необхідно підкреслити, які викиди цих транспортних засобів.
Ну і горіння водню з киснем виробляє водяну пару як єдиний продукт, який є одним із парникових газів, однак його можна уловлювати для зберігання та зріджувати у вигляді води при охолодженні.
2H 2 + O 2 → 2Н 2 O
Натомість, як ми вже сказали, повітря містить щось більше, ніж кисень. Ось звідки виникає проблема, оскільки, поєднуючи водень і азот, можна отримати знаменитий NOx, про який я згадував вище. Тому їх не можна назвати нульовими викидами. Тобто формула хімічної реакції в реальності виглядала б більше так:
H 2 + O 2 + N 2 → H 2 АБО + НІ x
З іншого боку, необхідно враховувати, що двигуни не ідеальні, а частина мастила може потрапити в камеру згоряння як це також буває в бензинових або дизельних двигунах. У цьому випадку вихлопні гази також можуть містити нафту або побічні продукти згоряння.
Крім того, як я зазначив у першому абзаці цього розділу, водень представляє іншу проблему, і це ваше надійне сховище. Майте на увазі, що водень легко запалюється порівняно з іншими видами палива. Тому, якщо газоподібний водень витікає або трапиться аварія, коли він контактує з повітрям, відбудеться дуже потужна вибухова реакція.
Модернізація існуючих двигунів
The відмінності звичайного двигуна з ДВС і бензинового або дизельного двигуна особливо зосереджені на таких аспектах, як:
- Клапани та сідла клапанів загартовані.
- Міцніші шатуни, ніж у традиційних двигунах.
- Суміш паливного двигуна матиме співвідношення повітря/паливо 29% водню та 71% повітря, генеруючи потужність, яка може бути на 15% більшою, ніж у бензинових двигунів, або на 15% меншою, залежно від типу.
- Повітря і паливо (водень) в двигунах цього типу не змішуються раніше, але камера згоряння буде заповнюватися тільки повітрям, а потім в неї буде впорскуватися водень. Інакше вибух стався б поза циліндром.
- Свічки запалювання з неплатиновими наконечниками.
- Котушка запалювання з високою напругою.
- Паливні форсунки, які повинні бути адаптовані для газу замість рідини.
- Більший демпфер колінчастого вала.
- Міцніша прокладка головки.
- Модифікований впускний колектор для нагнітача.
- Нагнітач надлишкового тиску.
- Високотемпературна моторна олива.
Тобто, роблячи ці модифікації звичайного бензинового двигуна Він може бути ідеально адаптований для роботи на водні, що є ще однією великою перевагою, оскільки він може використовувати переваги поточної технології, розробленої для цього типу двигуна, або модифікувати класичні двигуни, щоб він міг працювати на більш екологічно чистому паливі.
історія
Водневі двигуни внутрішнього згоряння були вперше розроблені в 1806 році Франсуа Ісаак де Ріваз. Перший був відомий як двигун Де Ріваза, який використовував для роботи суміш водню та кисню. Пізніше, у 1863 році, Етьєн Ленуар також створив гіпомобіль, ще один водневий автомобіль.
У 1970 році також відбулася ще одна важлива подія, а саме те, що Пол Дігес запатентував спосіб, яким модифікувати бензинові двигуни внутрішнього згоряння працювати на водні. У той самий день Токійський університет надав значення цим двигунам і почав розробляти технології, пов’язані з цими двигунами та керувати транспортними засобами майбутнього, як автомобілями, вантажівками, літаками, кораблями тощо.
Як ви добре знаєте, Японський виробник Mazda розробив двигун типу Ванкеля, який використовував як паливо водень. Перевага використання цього ДВС Ванкеля полягає в тому, що модифікація, яка потрібна цьому двигуну, набагато менша, ніж потребує інших альтернативних ДВС. Інші японські виробники також приєдналися до водневих автомобілів, зробивши великі ставки, як у випадку з Toyota.
Між 2005 і 2007 роками в Європі також був важливий крок, коли BMW випробувала свій перший розкішний автомобіль, який працював на водні. Вся справа в моделі BMW Hydrogen 7, який міг розвивати максимальну швидкість 301 км/год, був більш просторим, ніж попередні концепти, і мав великий запас ходу. Звідси інші європейські галузі промисловості почали робити те саме зі своїми промисловими та цивільними транспортними засобами.
Переваги та недоліки водневих двигунів
Звичайно, використання водню як палива має його переваги та недоліки Що ми побачимо тут:
Перевага
- Якщо водень зеленого кольору, це може бути дуже чистим і екологічно чистим паливом, оскільки викиди нульові або майже незначні, а одним із продуктів, що утворюються після реакції, є H2O або вода.
- Це двигуни з більш ефективними технологіями. Майже за 200 років розробки цьому двигуну вдалося досягти максимальної продуктивності та оптимізації з ефективністю 80%. Тобто 80% водню використовується для виробництва тяги. Тоді як у двигунах, які працюють на викопному паливі, у багатьох випадках цей ККД може коливатися від 20 до 40%.
- Його також можна використовувати для важкого транспорту, такого як кораблі, поїзди тощо.
Недоліки
- Якщо це сірий водень, він забруднює при його виробництві. На жаль, високий відсоток нинішнього водню є сірим, оскільки його найдешевше виробляти шляхом спалювання викопного палива або газу. Однак існує також блакитний водень і зелений водень, причому зелений водень виробляється з нульовими викидами, оскільки для його виробництва використовується відновлювана енергія, і це майбутнє.
- Це небезпечний газ. Небезпечно як його зберігання, так і транспортування. Вам потрібні резервуари, які можуть витримувати високий тиск і можуть протистояти аваріям, оскільки інакше при контакті з повітрям виникнуть дуже бурхливі реакції, які можуть обірвати життя екіпажу.
- Немає великої інфраструктури для заправки воднем, а також для електричних. У цьому сенсі їм потрібно йти далі, щоб наздогнати існуючі АЗС.