Vodíkový motor. Jak to funguje a nevýhody

Spalovací motory se dramaticky nezdály jako samostatné hnací ústrojí. Spíše klasický motor vznikl v důsledku zdokonalení a vylepšení tepelných motorů. Přečtěte si, jak se jednotka, kterou jsme zvyklí vidět pod kapotou automobilů, postupně objevovala. v samostatném článku.

Když se však objevil první vůz vybavený spalovacím motorem, lidstvo dostalo samohybné vozidlo, které nevyžadovalo neustálé krmení, jako kůň. Od roku 1885 se v motorech změnilo mnoho věcí, ale jedna nevýhoda zůstává nezměněna. Při spalování směsi benzínu (nebo jiného paliva) a vzduchu se uvolňuje příliš mnoho škodlivých látek, které znečišťují životní prostředí.

Pokud se před příchodem vozidel s vlastním pohonem obávali architekti evropských zemí, že by se velká města utopila v koňském hnoji, dnes obyvatelé megalopolií dýchají špinavý vzduch.

Přísnější ekologické normy pro dopravu nutí výrobce vozidel vyvíjet čistší pohonné ústrojí. Mnoho společností se tedy začalo zajímat o dříve vytvořenou technologii Anjose Jedlika - samohybný vozík na elektrický pohon, který se objevil již v roce 1828. A dnes se tato technologie v automobilovém světě stala tak pevně zavedenou, že nikoho nepřekvapíte elektromobilem nebo hybridem.

Co je však opravdu povzbudivé, jsou elektrárny, jejichž jediným uvolněním je pitná voda. Je to vodíkový motor.

Co je to vodíkový motor?

Jedná se o typ motoru, který používá jako palivo vodík. Použití tohoto chemického prvku sníží vyčerpání zdrojů uhlovodíků. Druhým důvodem zájmu o tato zařízení je snížení znečištění životního prostředí.

V závislosti na tom, jaký typ motoru bude použit v dopravě, se jeho provoz bude lišit od klasického spalovacího motoru nebo bude stejný.

Stručná historie

Vodíkové spalovací motory se objevily ve stejném období, kdy byl vyvíjen a zdokonalován princip ICE. Francouzský inženýr a vynálezce navrhl vlastní verzi spalovacího motoru. Palivem, které použil při svém vývoji, je vodík, který se objevuje v důsledku elektrolýzy H₂A. V roce 1807 se objevilo první vodíkové auto.

Isaac De Rivaz v roce 1807 podal patent na vývoj traktoru pro vojenské vybavení. navrhl použít vodík jako jednu z pohonných jednotek.

Pohonnou jednotkou byl píst a zapalování v něm bylo způsobeno tvorbou jiskry ve válci. Je pravda, že první vytvoření vynálezce vyžadovalo ruční generování jisker. Po pouhých dvou letech dokončil svou práci a první vodíkové vozidlo s vlastním pohonem se narodilo.

V té době však vývoj nedostal důležitost, protože plyn není tak snadné získat a uskladnit jako benzín. Během blokády z druhé poloviny roku 1941 byly v Leningradu prakticky použity vodíkové motory. Musíme však připustit, že se nejednalo výlučně o vodíkové jednotky. Jednalo se o běžné motory s vnitřním spalováním GAZ, pouze pro ně nebylo palivo, ale v té době bylo spousta plynu, protože byly poháněny balónky.

V první polovině 80. let se mnoho zemí, nejen evropských, ale také Ameriky, Ruska a Japonska, zavázalo experimentovat s tímto typem instalace. V roce 1982 se tedy společně se závodem Kvant a automobilovým podnikem RAF objevil kombinovaný motor, který běžel na směs vodíku a vzduchu, a jako zdroj energie byla použita baterie 5 kW / h.

Od té doby se různé země pokusily zavést do svých modelových řad „zelená“ vozidla, ale ve většině případů taková vozidla buď zůstala v kategorii prototypů, nebo měla velmi omezenou edici.

Jak to funguje?

Protože dnes existuje mnoho provozních motorů této kategorie, bude vodíková elektrárna v každém jednotlivém případě fungovat podle svého vlastního principu. Zvažte, jak funguje jedna modifikace, která může nahradit klasický spalovací motor.

V takovém motoru budou palivové články určitě použity. Jsou jakýmsi generátorem, který aktivuje elektrochemickou reakci. Uvnitř zařízení je vodík oxidován a výsledkem reakce je uvolnění elektřiny, vodní páry a dusíku. V takovém zařízení se neuvolňuje oxid uhličitý.

Vozidlo založené na podobné jednotce je stejné elektrické vozidlo, pouze baterie v něm je mnohem menší. Palivový článek generuje dostatek energie pro provoz všech systémů vozidla. Jedinou výhradou je, že od začátku procesu do výroby energie může trvat asi 2 minuty. Maximální výkon instalace však začíná po zahřátí systému, což trvá od čtvrt hodiny do 60 minut.

Aby elektrárna nefungovala nadarmo a není nutné předem připravovat dopravu na cestu, je do ní nainstalována konvenční baterie. Během jízdy se dobíjí z důvodu rekuperace a je potřeba výhradně ke startování automobilu.

Takové auto je vybaveno válcem různých objemů, do kterého je čerpán vodík. V závislosti na jízdním režimu, velikosti automobilu a výkonu elektrické instalace může jeden kilogram plynu vystačit na 100 kilometrů jízdy.

Typy vodíkových motorů

Ačkoli existuje několik modifikací vodíkových motorů, všechny spadají do dvou typů:

• Typ jednotky s palivovým článkem;
• Modifikovaný spalovací motor, přizpůsobený pro práci na vodík.

Zvažme každý typ zvlášť: jaké jsou jejich vlastnosti.

Elektrárny založené na vodíkových palivových článcích

Palivový článek je založen na principu baterie, ve které probíhá elektrochemický proces. Jediným rozdílem mezi vodíkovým analogem je jeho vyšší účinnost (v některých případech více než 45 procent).

Palivový článek je jedna komora, ve které jsou umístěny dva prvky: katoda a anoda. Obě elektrody jsou potaženy platinou (nebo palladiem). Mezi nimi je umístěna membrána. Dělí dutinu na dvě komory. Kyslík je dodáván do dutiny katodou a vodík do druhé.

Výsledkem je chemická reakce, jejímž výsledkem je kombinace molekul kyslíku a vodíku s uvolněním elektřiny. Vedlejším účinkem procesu je uvolňování vody a dusíku. Elektrody palivových článků jsou připojeny k elektrickému obvodu vozidla, včetně elektromotoru.

Vodíkové spalovací motory

V tomto případě, i když se motor nazývá vodík, má stejnou strukturu jako konvenční ICE. Jediným rozdílem je, že nespaluje benzín ani propan, ale vodík. Pokud naplníte láhev vodíkem, je tu jeden problém - tento plyn sníží účinnost konvenční jednotky asi o 60 procent.

Zde je několik dalších problémů s přechodem na vodík bez upgradu motoru:

• Když je HTS stlačen, plyn vstoupí do chemické reakce s kovem, ze kterého je vyrobena spalovací komora a píst, což se často může stát také u motorového oleje. Z tohoto důvodu se ve spalovací komoře vytváří další sloučenina, která se nevyznačuje speciální schopností dobře hořet;
• Mezery ve spalovací komoře musí být dokonalé. Pokud někde má palivový systém alespoň minimální únik, plyn se snadno zapálí při kontaktu s horkými předměty.

Motor pro Honda Clarity

Z těchto důvodů je praktičtější používat vodík jako palivo v rotačních motorech (jaké jsou jejich vlastnosti, čtěte zde). Sací a výfukové potrubí těchto jednotek je umístěno odděleně od sebe, takže plyn na vstupu se nezahřívá. Ať je to jakkoli, při modernizaci motorů tak, aby nedocházelo k problémům s používáním levnějšího a ekologičtějšího paliva.

Jaká je životnost palivových článků?

Po celém světě jsou dnes taková auta velmi vzácná a dosud nejsou v sérii, je těžké říci, jaký zdroj daný zdroj energie má. Řemeslníci v tomto ohledu zatím nemají žádné zkušenosti.

Lze říci pouze to, že podle prohlášení zástupců společnosti Toyota je palivový článek jejich produkčního vozu Mirai schopen nepřerušeně generovat energii až 250 tisíc kilometrů. Po tomto milníku musíte sledovat účinnost zařízení. Pokud se jeho výkon znatelně snížil, je palivový článek vyměněn v autorizovaném servisním středisku. Je pravda, že by se mělo očekávat, že společnost za tento postup vezme slušnou částku.

Které společnosti již vyrábějí nebo budou vyrábět vodíková auta?

Mnoho společností se zabývá vývojem ekologické energetické jednotky. Zde jsou značky automobilů, v jejichž konstrukční kanceláři již existují pracovní možnosti, připravené jít do série:

• Mercedes-Benz je crossover GLC F-Cell, jehož zahájení prodeje bylo oznámeno v roce 2018, ale zatím jej zakoupily jen některé podniky a ministerstva Německa. Nedávno byl představen prototyp tahače s vodíkovými palivovými články, GenH2;
• Prototyp Hyundai - Nexo představený před dvěma lety;
• BMW je prototyp vodíku Hydrogen 7, který byl uvolněn z montážní linky. Dávka 100 kopií zůstala v experimentální fázi, ale to už je něco.

Mezi sériové vozy, které lze koupit v Americe i v Evropě, patří modely Mirai a Clarity od Toyota a Honda. Pro ostatní společnosti je tento vývoj stále buď ve výkresové verzi, nebo jako nepracující prototyp.

Toyota mirai

Jasnost Hondy

Kolik stojí auto na vodíkový pohon?

Náklady na vodíkové auto jsou slušné. Důvodem jsou drahé kovy, které jsou součástí elektrod palivových článků (palladium nebo platina). Moderní automobil je také vybaven nesčetnými bezpečnostními systémy a stabilizací provozu elektrických prvků, což vyžaduje také materiální zdroje.

Ačkoli údržba takového automobilu (až do okamžiku výměny palivových článků) není o moc dražší než běžné auto nejnovější generace. Existují země, které sponzorují výrobu vodíku, ale i když to vezmeme v úvahu, budete muset zaplatit v průměru 11 a půl dolaru za kilogram plynu. V závislosti na typu motoru to může stačit na vzdálenost asi sto kilometrů.

Proč jsou vodíková auta lepší než elektromobily?

Pokud si vezmete vodíkovou elektrárnu s palivovými články, pak bude takové auto identické s elektromobilem, který jsme zvyklí vidět na silnicích. Jediný rozdíl je v tom, že elektromobil se nabíjí ze sítě nebo z terminálu na čerpací stanici. Samotný transport vodíku si sám vyrábí elektřinu.

Pokud jde o náklady na taková auta, jsou dražší. Například modely Tesla v základní konfiguraci budou stát od 45 tisíc dolarů. Vodíkové analogy z Japonska lze zakoupit za 57 tisíc cu. Bavori naproti tomu prodávají svá auta na „zelené“ palivo za cenu 50 tisíc dolarů.

Pokud vezmeme v úvahu praktičnost, je snazší natankovat do auta benzín (bude to trvat asi pět minut), než čekat půl hodiny (s rychlým nabíjením, které není povoleno pro všechny typy baterií) na parkovišti. To je plus vodíkových rostlin.

Další plus - palivové články zvlášť nevyžadují údržbu a jejich životnost je poměrně velká. Pokud jde o elektrická vozidla, jejich obrovská baterie bude vyžadovat výměnu asi za pět let, protože má mnoho cyklů nabíjení a vybíjení. V mrazech se baterie v elektrických vozidlech vybíjí mnohem rychleji než v létě. Ale prvek na reakci oxidace vodíku tím netrpí a stabilně vyrábí elektřinu.

Jaké jsou vyhlídky na vodíková auta a kdy budou vidět na silnici?

V Evropě a ve Spojených státech lze vodíkové auto již najít. Stále však patří do kategorie zvědavosti. A dnes existuje jen málo vyhlídek.

Hlavním důvodem, že tento druh dopravy brzy nezaplní silnice všech zemí, je nedostatek výrobních kapacit. Nejprve je nutné zavést výrobu vodíku. Kromě toho je nutné dosáhnout takové úrovně, aby kromě šetrnosti k životnímu prostředí byla pro většinu motoristů k dispozici také jako palivo. Kromě výroby tohoto plynu je nutné zorganizovat jeho přepravu (i když k tomu můžete bezpečně použít dálnice, po kterých se přepravuje metan), a vybavit mnoho čerpacích stanic příslušnými terminály.

Zadruhé, každá automobilka bude muset vážně modernizovat výrobní linky, což vyžaduje značné investice. V nestabilní ekonomice způsobené vypuknutím globální epidemie málokdo podstoupí taková rizika.

Pokud se podíváte na tempo rozvoje elektrické dopravy, proces popularizace proběhl velmi rychle. Důvodem popularity elektromobilů je však schopnost šetřit palivo. A to je často první důvod, proč se kupují, a ne kvůli ochraně životního prostředí. V případě vodíku nebude možné ušetřit peníze (alespoň nyní), protože na jeho výrobu je vynaloženo mnohem více energetických zdrojů.

Výhody a hlavní nevýhody vodíkových motorů

Abych to shrnul. Mezi výhody vodíkových motorů patří následující faktory:

• Emise šetrné k životnímu prostředí;
• Tichý provoz pohonné jednotky (elektrická trakce);
• V případě použití palivového článku není nutná častá údržba;
• Rychlé tankování;
• Ve srovnání s elektrickými vozidly funguje pohonný systém a zdroj energie stabilněji i při mrazu.

I když vývoj nelze nazvat novinkou, stále má řadu nedostatků, které průměrného motoristu přimějí, aby se na něj podíval opatrně. Tady jsou některé z nich:

• Aby se vodík vznítil, musí být v plynném stavu. To vytváří určité potíže. Například ke stlačování lehkých plynů jsou zapotřebí speciální drahé kompresory. Existuje také problém se správným skladováním a přepravou paliva, protože je vysoce hořlavé;
• Válec, který bude nainstalován na vozidle, bude muset být pravidelně kontrolován. Za tímto účelem bude muset motorista navštívit specializované centrum, což je příplatek;
• V autě na vodík se velká baterie nepoužívá, instalace však stále váží slušně, což významně ovlivňuje dynamické vlastnosti vozidla;
• Vodík - vznítí se při sebemenší jiskře, takže nehodu takového automobilu doprovází vážný výbuch. Vzhledem k nezodpovědnému přístupu některých řidičů k jejich vlastní bezpečnosti a životům ostatních účastníků silničního provozu nemohou být tato vozidla na silnice dosud uvolněna.

Vzhledem k zájmu lidstva o čistší životní prostředí můžeme očekávat, že dojde k průlomu v otázce dokončení „zelené“ dopravy. Ale až se to stane, ukáže jen čas.

Mezitím se podívejte na video o Toyota Mirai:

Budoucnost na vodíku? Toyota Mirai - ÚPLNÁ RECENZE a specifikace | LiveFEED®

Otázky a odpovědi:

Proč je vodíkový motor nebezpečný? Při spalování vodíkové směsi se motor zahřívá více než při spalování benzínu. V důsledku toho je vysoká pravděpodobnost vyhoření pístů, ventilů a přetížení agregátu.

Jak natankovat vodíkové auto? Takové auto je poháněno vodíkem v plynném stavu (zkapalněný nebo stlačený plyn). Pro skladování paliva je stlačeno na 350-700 atmosfér a teplota může dosáhnout -259 stupňů.

Jak funguje vodíkový spalovací motor? Auto je vybaveno jakousi baterií. Kyslík a vodík prochází speciálními deskami. Výsledkem je chemická reakce s uvolňováním vodní páry a elektřiny.