محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

لم تظهر محركات الاحتراق الداخلي كوحدات طاقة منفصلة بشكل كبير. بدلا من ذلك ، جاء المحرك الكلاسيكي نتيجة صقل وتحسين المحركات الحرارية. اقرأ عن كيفية ظهور الوحدة ، التي اعتدنا على رؤيتها تحت غطاء السيارة ، تدريجياً. في مقال منفصل.

ومع ذلك ، عندما ظهرت أول سيارة مزودة بمحرك احتراق داخلي ، استلمت البشرية مركبة ذاتية الدفع لا تتطلب تغذية مستمرة ، مثل الحصان. لقد تغيرت أشياء كثيرة في المحركات منذ عام 1885 ، لكن عيبًا واحدًا لم يتغير. أثناء احتراق خليط من البنزين (أو غيره من الوقود) والهواء ، يتم إطلاق الكثير من المواد الضارة التي تلوث البيئة.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

إذا كان مهندسو الدول الأوروبية قبل ظهور المركبات ذاتية الدفع يخشون أن تغرق المدن الكبرى في روث الخيول ، فإن سكان المدن الكبرى اليوم يتنفسون الهواء الملوث.

 

إن تشديد المعايير البيئية للنقل يجبر مصنعي السيارات على تطوير مجموعة نقل حركة أنظف. لذلك ، أصبحت العديد من الشركات مهتمة بالتكنولوجيا التي تم إنشاؤها سابقًا لـ Anjos Jedlik - عربة ذاتية الدفع على الجر الكهربائي ، والتي ظهرت في عام 1828. واليوم ، أصبحت هذه التكنولوجيا راسخة بقوة في عالم السيارات لدرجة أنك لن تفاجئ أي شخص بسيارة كهربائية أو هجين.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

لكن ما هو مشجع حقًا هو محطات توليد الطاقة ، التي لا يتم إطلاق سوى مياه الشرب. إنه محرك هيدروجين.

ما هو محرك الهيدروجين؟

هذا نوع من المحركات يستخدم الهيدروجين كوقود. سيقلل استخدام هذا العنصر الكيميائي من استنفاد الموارد الهيدروكربونية. السبب الثاني للاهتمام بهذه المنشآت هو الحد من التلوث البيئي.

 

اعتمادًا على نوع المحرك الذي سيتم استخدامه في النقل ، سيختلف تشغيله عن محرك الاحتراق الداخلي الكلاسيكي أو سيكون متطابقًا.

لمحة تاريخية

ظهرت محركات الاحتراق الداخلي للهيدروجين في نفس الفترة التي تم فيها تطوير مبدأ ICE وتحسينه. صمم مهندس ومخترع فرنسي نسخته الخاصة من محرك الاحتراق الداخلي. الوقود الذي استخدمه في تطويره هو الهيدروجين ، والذي يظهر نتيجة التحليل الكهربائي لـ H.2ج. في عام 1807 ، ظهرت أول سيارة هيدروجين.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها
قدم إسحاق دي ريفاز في عام 1807 براءة اختراع لتطوير جرار للمعدات العسكرية. كواحدة من وحدات الطاقة ، اقترح استخدام الهيدروجين.

كانت وحدة الطاقة عبارة عن مكبس ، وكان الاشتعال فيها بسبب تكوين شرارة في الاسطوانة. صحيح أن أول ابتكار للمخترع كان بحاجة إلى توليد شرارة يدويًا. بعد عامين فقط ، أنهى عمله ، وولدت أول مركبة هيدروجين ذاتية الدفع.

ومع ذلك ، في ذلك الوقت ، لم يتم إعطاء أهمية للتطوير ، لأن الحصول على الغاز وتخزينه ليس سهلاً مثل البنزين. تم استخدام محركات الهيدروجين عمليًا في لينينغراد أثناء الحصار من النصف الثاني من عام 1941. على الرغم من أننا يجب أن نعترف بأن هذه لم تكن وحدات هيدروجين حصرية. كانت هذه محركات احتراق داخلي عادية من GAZ ، فقط لم يكن هناك وقود لها ، ولكن كان هناك الكثير من الغاز في ذلك الوقت ، حيث كانت تغذيها البالونات.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

في النصف الأول من الثمانينيات ، تعهدت العديد من الدول ، ليس فقط الدول الأوروبية ، ولكن أيضًا أمريكا وروسيا واليابان ، بتجربة هذا النوع من المنشآت. لذلك ، في عام 80 ، مع العمل المشترك لمصنع Kvant ومؤسسة RAF للسيارات ، ظهر محرك مشترك يعمل بمزيج من الهيدروجين والهواء ، واستخدمت بطارية 1982 كيلو واط / ساعة كمصدر للطاقة.

منذ ذلك الحين ، بذلت دول مختلفة محاولات لإدخال مركبات "خضراء" في خطوط طرازها ، ولكن في معظم الحالات ، بقيت هذه المركبات في فئة النماذج الأولية أو كان لها إصدار محدود للغاية.

 

كيف يعمل

نظرًا لوجود العديد من محركات التشغيل من هذه الفئة اليوم ، في كل حالة على حدة ، سيعمل مصنع الهيدروجين وفقًا لمبدأه الخاص. فكر في كيفية عمل تعديل واحد يمكن أن يحل محل محرك الاحتراق الداخلي الكلاسيكي.

سيستخدم هذا المحرك بالتأكيد خلايا الوقود. إنها نوع من المولدات التي تنشط تفاعل كهروكيميائي. داخل الجهاز ، يتأكسد الهيدروجين ، وينتج عن التفاعل إطلاق الكهرباء وبخار الماء والنيتروجين. لا ينبعث ثاني أكسيد الكربون في مثل هذا التركيب.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

السيارة التي تعتمد على وحدة مماثلة هي نفس السيارة الكهربائية ، فقط البطارية الموجودة فيها أصغر بكثير. تولد خلية الوقود طاقة كافية لتشغيل جميع أنظمة المركبات. التحذير الوحيد هو أنه من بداية العملية إلى توليد الطاقة ، يمكن أن يستغرق الأمر حوالي دقيقتين. لكن الحد الأقصى لإخراج التثبيت يبدأ بعد ارتفاع درجة حرارة النظام ، والتي تستغرق من ربع ساعة إلى 2 دقيقة.

حتى لا تعمل محطة الطاقة عبثًا ، وليس من الضروري تحضير النقل للرحلة مسبقًا ، يتم تثبيت بطارية تقليدية فيها. أثناء القيادة ، يتم إعادة شحنها بسبب فترة نقاهة ، وهي ضرورية حصريًا لبدء تشغيل السيارة.

تم تجهيز هذه السيارة بأسطوانة بأحجام مختلفة ، يتم ضخ الهيدروجين فيها. اعتمادًا على وضع القيادة وحجم السيارة وقوة التركيبات الكهربائية ، يمكن أن يكون كيلوغرام واحد من الغاز كافيًا لمسافة 100 كيلومتر من السفر.

أنواع محركات الهيدروجين

على الرغم من وجود العديد من التعديلات على محركات الهيدروجين ، إلا أنها تنقسم جميعها إلى نوعين:

  • نوع الوحدة بخلية وقود ؛
  • محرك احتراق داخلي معدل ، مكيف للعمل على الهيدروجين.

لنفكر في كل نوع على حدة: ما هي ميزاته.

محطات توليد الطاقة تعتمد على خلايا وقود الهيدروجين

تعتمد خلية الوقود على مبدأ البطارية ، حيث تحدث عملية كهروكيميائية. الفرق الوحيد بين نظير الهيدروجين هو كفاءته الأعلى (في بعض الحالات ، أكثر من 45 في المائة).

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

خلية الوقود عبارة عن غرفة واحدة يتم فيها وضع عنصرين: الكاثود والأنود. كلا القطبين من البلاتين (أو البلاديوم) مطلي. يوجد غشاء بينهما. يقسم التجويف إلى غرفتين. يتم تزويد الأكسجين إلى التجويف بالكاثود ، ويتم تزويد الهيدروجين بالثاني.

نتيجة لذلك ، يحدث تفاعل كيميائي ، ونتيجة لذلك هو مزيج من جزيئات الأكسجين والهيدروجين مع إطلاق الكهرباء. من الآثار الجانبية للعملية إطلاق الماء والنيتروجين. ترتبط أقطاب خلايا الوقود بالدائرة الكهربائية للسيارة ، بما في ذلك المحرك الكهربائي.

محركات الاحتراق الداخلي للهيدروجين

في هذه الحالة ، على الرغم من أن المحرك يسمى الهيدروجين ، إلا أنه له هيكل مماثل لمحرك ICE التقليدي. الفرق الوحيد هو أنه ليس البنزين أو البروبان هو الذي يحترق ، بل الهيدروجين. إذا قمت بملء الأسطوانة بالهيدروجين ، فهناك مشكلة واحدة - هذا الغاز سيقلل من كفاءة الوحدة التقليدية بحوالي 60 بالمائة.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

فيما يلي بعض المشكلات الأخرى المتعلقة بالتحول إلى الهيدروجين دون ترقية المحرك:

  • عندما يتم ضغط HTS ، سيدخل الغاز في تفاعل كيميائي مع المعدن الذي تصنع منه غرفة الاحتراق والمكبس ، وغالبًا ما يحدث هذا أيضًا مع زيت المحرك. لهذا السبب ، يتم تكوين مركب آخر في غرفة الاحتراق ، والذي لا يختلف في قدرة خاصة على الاحتراق جيدًا ؛
  • يجب أن تكون الفجوات في غرفة الاحتراق مثالية. إذا كان نظام الوقود في مكان ما به حد أدنى من التسرب على الأقل ، فسيشتعل الغاز بسهولة عند ملامسته للأجسام الساخنة.
محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها
محرك ل هوندا وضوح

لهذه الأسباب ، من الأكثر عملية استخدام الهيدروجين كوقود في المحركات الدوارة (ما هي ميزتها ، اقرأ هنا). توجد مشعبات السحب والعادم لهذه الوحدات بشكل منفصل عن بعضها البعض ، لذلك لا يسخن الغاز في المدخل. كن على هذا النحو ، بينما يتم تحديث المحركات لتفادي مشاكل استخدام وقود أرخص وأكثر ملاءمة للبيئة.

ما هي مدة خدمة خلايا الوقود؟

في جميع أنحاء العالم اليوم ، هذه السيارات نادرة جدًا ، ولم تدخل بعد في السلسلة ، من الصعب تحديد المصدر الذي يحتوي عليه مصدر الطاقة هذا. الحرفيين ليس لديهم خبرة في هذا الصدد حتى الآن.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

الشيء الوحيد الذي يمكن قوله حسب تصريحات الممثلين تويوتا إن خلية الوقود الخاصة بسيارة إنتاجهم Mirai قادرة على توليد الطاقة دون انقطاع حتى 250 ألف كيلومتر. بعد هذا الإنجاز ، تحتاج إلى مراقبة فعالية الجهاز. إذا انخفض أدائها بشكل ملحوظ ، يتم تغيير خلية الوقود في مركز خدمة معتمد. صحيح ، يجب على المرء أن يتوقع أن تأخذ الشركة مبلغًا مناسبًا لهذا الإجراء.

ما هي الشركات التي تصنع أو ستصنع سيارات الهيدروجين بالفعل؟

تعمل العديد من الشركات في تطوير وحدة طاقة صديقة للبيئة. فيما يلي العلامات التجارية للسيارات ، في مكتب التصميم الذي توجد به بالفعل خيارات عمل جاهزة للدخول في سلسلة:

  • مرسيدس-Benz هي سيارة كروس أوفر GLC F-Cell ، تم الإعلان عن بدء مبيعاتها في عام 2018 ، ولكن حتى الآن لم تحصل عليها سوى عدد قليل من الشركات والوزارات الألمانية. محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبهاتم الكشف مؤخرًا عن نموذج أولي لجرار خلية وقود الهيدروجين ، GenH2 ؛محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها
  • هيونداي - نموذج Nexo ، تم تقديمه قبل عامين ؛محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها
  • بي إم دبليو - نموذج أولي هيدروجين هيدروجين 7 ، والذي تم إطلاقه من الناقل. بقيت الدفعة المكونة من 100 نسخة في المرحلة التجريبية ، لكن هذا شيء بالفعل.محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

من بين السيارات التي يمكن شراؤها في أمريكا وأوروبا طرازي ميراي وكلاريتي من تويوتا وهوندا على التوالي. بالنسبة للشركات الأخرى ، لا يزال هذا التطوير إما في نسخة الرسم ، أو كنموذج أولي لا يعمل.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها
تويوتا ميراي
محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها
وضوح هوندا

كم تكلف السيارة التي تعمل بالهيدروجين؟

تكلفة سيارة الهيدروجين لائقة. والسبب في ذلك هو المعادن الثمينة التي هي جزء من أقطاب خلايا الوقود (البلاديوم أو البلاتين). كما أن السيارة الحديثة مزودة بعدد لا يحصى من أنظمة الأمان واستقرار تشغيل العناصر الكهربائية ، الأمر الذي يتطلب أيضًا موارد مادية.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

على الرغم من أن صيانة مثل هذه السيارة (حتى اللحظة التي يتم فيها استبدال خلايا الوقود) ليست أغلى بكثير من سيارة عادية من أحدث الأجيال. هناك دول ترعى إنتاج الهيدروجين ، لكن حتى مع هذا ، سيتعين عليك دفع 11 دولارًا ونصف في المتوسط ​​لكل كيلوغرام من الغاز. اعتمادًا على نوع المحرك ، يمكن أن يكون هذا كافيًا لمسافة حوالي مائة كيلومتر.

لماذا سيارات الهيدروجين أفضل من السيارات الكهربائية؟

إذا كنت تأخذ محطة هيدروجين بخلايا وقود ، فستكون هذه السيارة مماثلة للسيارة الكهربائية التي اعتدنا على رؤيتها على الطرق. الفرق الوحيد هو أن السيارة الكهربائية مشحونة من الشبكة أو من محطة بنزين. يولد نقل الهيدروجين الكهرباء لنفسه.

أما بالنسبة لتكلفة هذه السيارات فهي أغلى. على سبيل المثال ، ستتكلف طرازات Tesla الأساسية من 45 ألف دولار. يمكن شراء نظائر الهيدروجين من اليابان مقابل 57 ألف وحدة. من ناحية أخرى ، يبيع البافاريون سياراتهم بالوقود "الأخضر" بسعر 50 ألف دولار.

إذا أخذنا في الاعتبار التطبيق العملي ، فمن الأسهل إعادة تزويد السيارة بالوقود (سيستغرق حوالي خمس دقائق) بدلاً من الانتظار لمدة نصف ساعة (مع الشحن السريع ، وهو أمر غير مسموح به لجميع أنواع البطاريات) في ساحة انتظار السيارات. هذا هو زائد محطات الهيدروجين.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

ميزة أخرى - لا تحتاج خلايا الوقود إلى الصيانة بشكل خاص ، كما أن حياتها العملية كبيرة جدًا. أما بالنسبة للسيارات الكهربائية ، فإن بطاريتها الضخمة سوف تتطلب الاستبدال في حوالي خمس سنوات نظرًا لوجود العديد من دورات الشحن والتفريغ. في حالة الصقيع ، يتم تفريغ بطارية السيارات الكهربائية أسرع بكثير مما كانت عليه في الصيف. لكن العنصر الموجود في تفاعل أكسدة الهيدروجين لا يعاني من هذا وينتج الكهرباء بشكل ثابت.

ما هي احتمالات السيارات التي تعمل بالهيدروجين ومتى تظهر على الطريق؟

في أوروبا والولايات المتحدة ، يمكن بالفعل العثور على سيارة الهيدروجين. ومع ذلك ، لا يزالون في فئة الفضول. واليوم هناك احتمالات قليلة.

السبب الرئيسي في أن هذا النوع من النقل لن يملأ طرق جميع البلدان قريبًا هو نقص الطاقة الإنتاجية. أولاً ، من الضروري إنشاء إنتاج الهيدروجين. علاوة على ذلك ، من الضروري الوصول إلى هذا المستوى ، بالإضافة إلى الحفاظ على البيئة ، فهو أيضًا وقود متاح لمعظم سائقي السيارات. بالإضافة إلى إنتاج هذا الغاز ، من الضروري تنظيم نقله (على الرغم من أنه يمكنك استخدام الطرق السريعة التي يتم نقل الميثان على طولها بأمان) ، بالإضافة إلى تجهيز العديد من محطات التعبئة بمحطات مناسبة.

محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

ثانياً ، سيتعين على كل صانع سيارات أن يقوم بتحديث خطوط الإنتاج بجدية ، الأمر الذي يتطلب الكثير من الاستثمار. في ظل اقتصاد غير مستقر بسبب تفشي وباء عالمي ، سيتحمل القليل من الناس مثل هذه المخاطر.

إذا نظرت إلى وتيرة تطور النقل الكهربائي ، فإن عملية الترويج تمت بسرعة كبيرة. ومع ذلك ، فإن سبب شعبية السيارات الكهربائية هو قدرتها على توفير الوقود. وغالبًا ما يكون هذا هو السبب الأول لشرائها ، وليس من أجل الحفاظ على البيئة. في حالة الهيدروجين ، لن يكون من الممكن توفير المال (على الأقل الآن) ، لأنه يتم إنفاق المزيد من الطاقة على إنتاجه.

إيجابيات وسلبيات محركات الهيدروجين

لذا ، دعونا نلخص. تشمل مزايا المحركات التي تعمل بوقود الهيدروجين العوامل التالية:

  • انبعاثات صديقة للبيئة ؛
  • التشغيل الصامت لوحدة الطاقة (الجر الكهربائي) ؛
  • في حالة خلية الوقود ، لا يلزم إجراء صيانة متكررة ؛
  • التزود بالوقود بسرعة
  • بالمقارنة مع السيارات الكهربائية ، يعمل نظام الدفع ومصدر الطاقة بشكل أكثر ثباتًا حتى في درجات الحرارة المنخفضة.
محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

على الرغم من أنه لا يمكن تسمية التطوير بالجديد ، إلا أنه لا يزال لديه عدد من أوجه القصور التي تحث السائق العادي على النظر إليه بحذر. فيما يلي بعض منهم:

  • لكي يشتعل الهيدروجين ، يجب أن يكون في حالة غازية. هذا يخلق بعض الصعوبات. على سبيل المثال ، يلزم استخدام ضواغط خاصة باهظة الثمن لضغط الغازات الخفيفة. هناك أيضًا مشكلة في التخزين والنقل المناسبين للوقود ، حيث إنه سريع الاشتعال ؛
  • يجب فحص الأسطوانة التي سيتم تثبيتها على السيارة بشكل دوري. لهذا ، سيحتاج سائق السيارة إلى زيارة مركز متخصص ، وهذه تكلفة إضافية ؛
  • في سيارة الهيدروجين ، لا يتم استخدام بطارية ضخمة ، ومع ذلك ، لا يزال وزن التركيب لائقًا ، مما يؤثر بشكل كبير على الخصائص الديناميكية للسيارة ؛
  • الهيدروجين - يشتعل عند أدنى شرارة ، لذا فإن حادثًا يتضمن مثل هذه السيارة سيرافقه انفجار خطير. نظرًا للموقف غير المسؤول لبعض السائقين تجاه سلامتهم الشخصية وحياة مستخدمي الطريق الآخرين ، لا ينبغي إطلاق هذه المركبات على الطرق بعد.

نظرًا لاهتمام الجنس البشري ببيئة أنظف ، يمكننا أن نتوقع تحقيق تقدم كبير في مسألة إنهاء النقل "الأخضر". ولكن عندما يحدث هذا ، سيخبرنا الوقت فقط.

في غضون ذلك ، شاهد الفيديو الاستعراضي على تويوتا ميراي:

مستقبل الهيدروجين؟ 2019 تويوتا ميراي - استعراض كامل والمواصفات
مقالات مماثلة

اقرأ أيضا

رئيسي » مقالات » محرك الهيدروجين. كيف تعمل وعيوبها

إضافة تعليق