Wasserstoffmotor. Wie es funktioniert und Nachteile

Verbrennungsmotoren erschienen nicht dramatisch als separate Antriebsstränge. Der klassische Motor entstand vielmehr durch die Weiterentwicklung und Verbesserung von Wärmekraftmaschinen. Lesen Sie, wie die Einheit, die wir gewohnt sind, unter der Motorhaube von Autos zu sehen, allmählich auftauchte. in einem separaten Artikel.

Als jedoch das erste Auto mit Verbrennungsmotor erschien, erhielt die Menschheit ein selbstfahrendes Fahrzeug, das nicht ständig gefüttert werden musste, wie ein Pferd. Viele Dinge haben sich seit 1885 bei Motoren geändert, aber ein Nachteil bleibt unverändert. Bei der Verbrennung eines Gemisches aus Benzin (oder anderem Kraftstoff) und Luft werden zu viele Schadstoffe freigesetzt, die die Umwelt verschmutzen.

Wenn die Architekten europäischer Länder vor dem Aufkommen selbstfahrender Fahrzeuge befürchteten, dass Großstädte in Pferdemist ertrinken würden, atmen die Bewohner von Großstädten heute schmutzige Luft.

Die Verschärfung der Umweltstandards für den Transport zwingt die Fahrzeughersteller, einen saubereren Antriebsstrang zu entwickeln. So interessierten sich viele Unternehmen für die zuvor entwickelte Technologie von Anjos Jedlik - einem selbstfahrenden Wagen mit elektrischer Traktion, der bereits 1828 auf den Markt kam. Und heute ist diese Technologie in der Automobilwelt so fest etabliert, dass Sie niemanden mit einem Elektroauto oder einem Hybrid überraschen werden.

Aber was wirklich ermutigend ist, sind die Kraftwerke, deren einzige Freisetzung Trinkwasser ist. Es ist ein Wasserstoffmotor.

Was ist ein Wasserstoffmotor?

Dies ist ein Motortyp, der Wasserstoff als Kraftstoff verwendet. Die Verwendung dieses chemischen Elements verringert die Erschöpfung der Kohlenwasserstoffressourcen. Der zweite Grund für das Interesse an solchen Anlagen ist die Verringerung der Umweltverschmutzung.

Je nachdem, welcher Motortyp im Transport verwendet wird, unterscheidet sich sein Betrieb vom klassischen Verbrennungsmotor oder ist identisch.

Eine kurze Geschichte

Wasserstoff-Verbrennungsmotoren tauchten im gleichen Zeitraum auf, als das ICE-Prinzip entwickelt und verbessert wurde. Ein französischer Ingenieur und Erfinder entwarf seine eigene Version eines Verbrennungsmotors. Der Brennstoff, den er in seiner Entwicklung verwendete, ist Wasserstoff, der als Ergebnis der Elektrolyse von H auftritt₂A. 1807 erschien das erste Wasserstoffauto.

Isaac De Rivaz meldete 1807 ein Patent für die Entwicklung eines Traktors für militärische Ausrüstung an. Als eines der Aggregate schlug er die Verwendung von Wasserstoff vor.

Das Aggregat war ein Kolben, und die Zündung darin war auf die Bildung eines Funkens im Zylinder zurückzuführen. Die erste Kreation des Erfinders erforderte zwar eine manuelle Funkenerzeugung. Nach nur zwei Jahren beendete er seine Arbeit und das erste selbstfahrende Wasserstofffahrzeug war geboren.

Zu diesem Zeitpunkt wurde der Entwicklung jedoch keine Bedeutung beigemessen, da Gas nicht so leicht zu beschaffen und zu lagern ist wie Benzin. Während der Blockade ab der zweiten Hälfte des Jahres 1941 wurden in Leningrad praktisch Wasserstoffmotoren eingesetzt. Wir müssen jedoch zugeben, dass dies nicht ausschließlich Wasserstoffeinheiten waren. Dies waren gewöhnliche GAZ-Verbrennungsmotoren, nur gab es keinen Kraftstoff für sie, aber es gab zu dieser Zeit viel Gas, da sie mit Ballons betrieben wurden.

In der ersten Hälfte der 80er Jahre haben sich viele Länder, nicht nur europäische, sondern auch Amerika, Russland und Japan, verpflichtet, mit dieser Art von Installationen zu experimentieren. So entstand 1982 in Zusammenarbeit zwischen dem Werk Kvant und dem Automobilunternehmen RAF ein kombinierter Motor, der mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Luft betrieben wurde, und eine 5 kW / h-Batterie wurde als Energiequelle verwendet.

Seitdem haben verschiedene Länder versucht, "grüne" Fahrzeuge in ihre Modellreihen aufzunehmen, aber in den meisten Fällen blieben solche Autos entweder in der Kategorie der Prototypen oder hatten eine sehr begrenzte Auflage.

Wie es funktioniert

Da es heute viele Betriebsmotoren dieser Kategorie gibt, wird die Wasserstoffanlage in jedem Einzelfall nach ihrem eigenen Prinzip betrieben. Überlegen Sie, wie eine Modifikation funktioniert, die den klassischen Verbrennungsmotor ersetzen kann.

Ein solcher Motor wird definitiv Brennstoffzellen verwenden. Sie sind eine Art Generatoren, die eine elektrochemische Reaktion aktivieren. Im Inneren des Geräts wird Wasserstoff oxidiert und die Reaktion führt zur Freisetzung von Elektrizität, Wasserdampf und Stickstoff. In einer solchen Anlage wird kein Kohlendioxid freigesetzt.

Ein Fahrzeug, das auf einer ähnlichen Einheit basiert, ist dasselbe Elektrofahrzeug, nur die darin enthaltene Batterie ist viel kleiner. Die Brennstoffzelle erzeugt genug Energie, um alle Fahrzeugsysteme zu betreiben. Die einzige Einschränkung ist, dass es vom Beginn des Prozesses bis zur Energieerzeugung etwa 2 Minuten dauern kann. Die maximale Leistung der Installation beginnt jedoch nach dem Aufwärmen des Systems, was zwischen einer Viertelstunde und 60 Minuten dauert.

Damit das Kraftwerk nicht umsonst funktioniert und der Transport nicht im Voraus auf die Fahrt vorbereitet werden muss, ist eine konventionelle Batterie eingebaut. Während der Fahrt wird es aufgrund von Erholung aufgeladen und ausschließlich zum Starten eines Autos benötigt.

Ein solches Auto ist mit einem Zylinder mit unterschiedlichen Volumina ausgestattet, in den Wasserstoff gepumpt wird. Je nach Fahrmodus, Fahrzeuggröße und Leistung der Elektroinstallation kann ein Kilogramm Benzin für 100 Kilometer Fahrt ausreichen.

Wasserstoffmotortypen

Obwohl es verschiedene Modifikationen von Wasserstoffmotoren gibt, fallen alle in zwei Typen:

• Gerätetyp mit Brennstoffzelle;
• Modifizierter Verbrennungsmotor, angepasst an den Betrieb mit Wasserstoff.

Betrachten wir jeden Typ einzeln: Was sind ihre Merkmale?

Kraftwerke auf Basis von Wasserstoffbrennstoffzellen

Die Brennstoffzelle basiert auf dem Prinzip einer Batterie, in der ein elektrochemischer Prozess stattfindet. Der einzige Unterschied zwischen dem Wasserstoffanalogon ist seine höhere Effizienz (in einigen Fällen mehr als 45 Prozent).

Die Brennstoffzelle ist eine einzelne Kammer, in der zwei Elemente angeordnet sind: die Kathode und die Anode. Beide Elektroden sind mit Platin (oder Palladium) beschichtet. Zwischen ihnen befindet sich eine Membran. Es teilt den Hohlraum in zwei Kammern. Mit der Kathode wird dem Hohlraum Sauerstoff und dem zweiten Wasserstoff zugeführt.

Infolgedessen tritt eine chemische Reaktion auf, deren Ergebnis die Kombination von Sauerstoff- und Wasserstoffmolekülen mit der Freisetzung von Elektrizität ist. Ein Nebeneffekt des Prozesses ist die Freisetzung von Wasser und Stickstoff. Die Brennstoffzellenelektroden sind mit dem Stromkreis des Fahrzeugs einschließlich des Elektromotors verbunden.

Wasserstoff-Verbrennungsmotoren

In diesem Fall hat der Motor, obwohl er Wasserstoff genannt wird, eine identische Struktur wie ein herkömmlicher ICE. Der einzige Unterschied besteht darin, dass nicht Benzin oder Propan verbrennt, sondern Wasserstoff. Wenn Sie einen Zylinder mit Wasserstoff füllen, gibt es ein Problem: Dieses Gas verringert den Wirkungsgrad einer herkömmlichen Einheit um etwa 60 Prozent.

Hier sind einige andere Probleme beim Umschalten auf Wasserstoff ohne Aufrüstung des Motors:

• Wenn das HTS komprimiert wird, geht das Gas eine chemische Reaktion mit dem Metall ein, aus dem die Brennkammer und der Kolben bestehen, und dies kann häufig auch mit Motoröl geschehen. Aus diesem Grund bildet sich in der Brennkammer eine andere Verbindung, die sich nicht durch eine besondere Fähigkeit zum guten Brennen unterscheidet.
• Die Lücken in der Brennkammer müssen perfekt sein. Wenn das Kraftstoffsystem irgendwo mindestens eine minimale Leckage aufweist, entzündet sich das Gas bei Kontakt mit heißen Gegenständen leicht.

Motor für Honda Clarity

Aus diesen Gründen ist es praktischer, Wasserstoff als Kraftstoff in Rotationsmotoren zu verwenden (was ist ihr Merkmal, lesen Sie hier). Die Einlass- und Auslasskrümmer solcher Einheiten sind getrennt voneinander angeordnet, so dass sich das Gas am Einlass nicht erwärmt. Wie dem auch sei, während die Motoren modernisiert werden, um die Probleme der Verwendung von billigerem und umweltfreundlicherem Kraftstoff zu umgehen.

Wie lang ist die Lebensdauer von Brennstoffzellen?

Überall auf der Welt sind solche Autos heutzutage sehr selten und sie sind noch nicht in der Serie. Es ist schwer zu sagen, über welche Ressource diese Energiequelle verfügt. Die Handwerker haben diesbezüglich noch keine Erfahrung.

Das einzige, was man sagen kann, ist, dass die Brennstoffzelle ihres Serienautos Mirai laut Toyota-Vertretern in der Lage ist, bis zu 250 Kilometer ununterbrochen Energie zu erzeugen. Nach diesem Meilenstein müssen Sie die Wirksamkeit des Geräts überwachen. Bei spürbar nachlassender Leistung wird die Brennstoffzelle in einer autorisierten Servicestelle gewechselt. Es stimmt, man sollte damit rechnen, dass das Unternehmen für dieses Verfahren einen angemessenen Betrag einnimmt.

Welche Unternehmen stellen bereits Wasserstoffautos her oder werden sie herstellen?

Viele Unternehmen sind an der Entwicklung eines umweltfreundlichen Aggregats beteiligt. Hier sind die Automarken, in deren Designbüro bereits Arbeitsoptionen vorhanden sind, die in Serie gehen können:

• Mercedes-Benz ist ein GLC F-Cell Crossover, dessen Verkaufsstart 2018 angekündigt wurde, aber bisher nur von wenigen Unternehmen und Ministerien in Deutschland erworben wurde. Kürzlich wurde ein Prototyp eines Wasserstoff-Brennstoffzellentraktors, GenH2, vorgestellt.
• Hyundai - Nexo-Prototyp, der vor zwei Jahren eingeführt wurde;
• BMW ist ein Prototyp des Wasserstoffs Hydrogen 7, der vom Fließband freigegeben wurde. Eine Charge von 100 Exemplaren blieb im Versuchsstadium, aber das ist schon etwas.

Zu den Serienautos, die sowohl in Amerika als auch in Europa gekauft werden können, gehören die Modelle Mirai und Clarity von Toyota bzw. Honda. Für den Rest der Unternehmen befindet sich diese Entwicklung entweder noch in der Zeichnungsversion oder als nicht funktionierender Prototyp.

Toyota Mirai

Honda Klarheit

Was kostet ein wasserstoffbetriebenes Auto?

Die Kosten für ein Wasserstoffauto sind anständig. Der Grund dafür sind die Edelmetalle, aus denen die Elektroden von Brennstoffzellen bestehen (Palladium oder Platin). Außerdem ist ein modernes Auto mit unzähligen Sicherheitssystemen und einer Stabilisierung des Betriebs elektrischer Elemente ausgestattet, was auch materielle Ressourcen erfordert.

Obwohl die Wartung eines solchen Autos (bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Brennstoffzellen ausgetauscht werden) nicht viel teurer ist als ein gewöhnliches Auto der neuesten Generationen. Es gibt Länder, die die Produktion von Wasserstoff fördern, aber selbst wenn Sie dies berücksichtigen, müssen Sie durchschnittlich 11 Dollar pro Kilogramm Gas bezahlen. Dies kann je nach Motortyp für eine Entfernung von etwa hundert Kilometern ausreichen.

Warum sind Wasserstoffautos besser als Elektroautos?

Wenn Sie eine Wasserstoffanlage mit Brennstoffzellen nehmen, ist ein solches Auto identisch mit dem Elektroauto, das wir auf den Straßen gewohnt sind. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Elektroauto aus dem Netz oder von einem Terminal an einer Tankstelle aufgeladen wird. Der Wasserstofftransport selbst erzeugt Strom für sich.

Die Kosten solcher Autos sind teurer. Zum Beispiel kosten Tesla-Modelle in der Grundkonfiguration ab 45 US-Dollar. Wasserstoffanaloga aus Japan können für 57 Tausend cu gekauft werden. Bayern hingegen verkaufen ihre Autos mit "grünem" Kraftstoff zu einem Preis von 50 US-Dollar.

Wenn wir die Praktikabilität berücksichtigen, ist es einfacher, das Auto mit Benzin zu tanken (es dauert ungefähr fünf Minuten), als eine halbe Stunde (mit Schnellladung, die nicht für alle Batterietypen zulässig ist) auf dem Parkplatz zu warten. Dies ist das Plus von Wasserstoffanlagen.

Ein weiteres Plus: Brennstoffzellen sind nicht besonders wartungsbedürftig und haben eine recht lange Lebensdauer. Bei Elektrofahrzeugen muss die riesige Batterie in etwa fünf Jahren ausgetauscht werden, da sie viele Lade- und Entladezyklen aufweist. Bei Frost wird die Batterie in Elektrofahrzeugen viel schneller entladen als im Sommer. Das Element bei der Reaktion der Wasserstoffoxidation leidet jedoch nicht darunter und erzeugt stabil Elektrizität.

Was sind die Aussichten für Wasserstoffautos und wann werden sie auf der Straße gesehen?

In Europa und den USA ist das Wasserstoffauto bereits zu finden. Sie sind jedoch immer noch in der Kategorie Neugier. Und heute gibt es nur wenige Perspektiven.

Der Hauptgrund dafür, dass diese Art des Transports nicht bald die Straßen aller Länder füllen wird, ist die mangelnde Produktionskapazität. Zunächst muss die Wasserstoffproduktion hergestellt werden. Darüber hinaus muss ein solches Niveau erreicht werden, dass den meisten Autofahrern neben der Umweltfreundlichkeit auch Kraftstoff zur Verfügung steht. Neben der Produktion dieses Gases ist es notwendig, den Transport zu organisieren (obwohl Sie dafür die Autobahnen, auf denen Methan transportiert wird, sicher nutzen können) und viele Tankstellen mit geeigneten Terminals auszustatten.

Zweitens muss jeder Autohersteller die Produktionslinien ernsthaft modernisieren, was erhebliche Investitionen erfordert. In einer instabilen Wirtschaft aufgrund des Ausbruchs einer globalen Epidemie werden nur wenige solche Risiken eingehen.

Wenn man sich das Entwicklungstempo des elektrischen Verkehrs ansieht, hat der Prozess der Popularisierung sehr schnell stattgefunden. Der Grund für die Beliebtheit von Elektroautos ist jedoch die Möglichkeit, Kraftstoff zu sparen. Und dies ist oft der erste Grund, warum sie gekauft werden, und nicht, um die Umwelt zu schützen. Im Falle von Wasserstoff wird es (zumindest jetzt) ​​nicht möglich sein, Geld zu sparen, da viel mehr Energie für seine Produktion aufgewendet wird.

Vorteile und Hauptnachteile von Wasserstoffmotoren

Fassen wir also zusammen. Die Vorteile von Wasserstoffmotoren umfassen die folgenden Faktoren:

• Umweltfreundliche Emission;
• Leiser Betrieb des Aggregats (elektrische Traktion);
• Bei Verwendung einer Brennstoffzelle ist keine häufige Wartung erforderlich.
• Schnelles Auftanken;
• Im Vergleich zu Elektrofahrzeugen arbeiten das Antriebssystem und die Energiequelle auch bei Gefriertemperaturen stabiler.

Obwohl die Entwicklung nicht als Neuheit bezeichnet werden kann, weist sie dennoch eine Reihe von Mängeln auf, die den durchschnittlichen Autofahrer dazu veranlassen, sie mit Vorsicht zu betrachten. Hier sind einige davon:

• Damit sich Wasserstoff entzünden kann, muss er gasförmig sein. Dies schafft gewisse Schwierigkeiten. Beispielsweise sind spezielle teure Kompressoren erforderlich, um leichte Gase zu komprimieren. Es gibt auch ein Problem bei der ordnungsgemäßen Lagerung und beim Transport von Kraftstoff, da dieser leicht entflammbar ist.
• Der Zylinder, der am Auto installiert wird, muss regelmäßig überprüft werden. Dafür muss der Autofahrer ein spezialisiertes Zentrum aufsuchen, was zusätzliche Kosten verursacht.
• In einem Wasserstoffauto wird keine große Batterie verwendet, die Installation wiegt jedoch immer noch anständig, was die dynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs erheblich beeinflusst.
• Wasserstoff - entzündet sich beim geringsten Funken, sodass ein Unfall mit einem solchen Auto von einer schweren Explosion begleitet wird. Angesichts der verantwortungslosen Haltung einiger Fahrer zu ihrer eigenen Sicherheit und dem Leben anderer Verkehrsteilnehmer können solche Fahrzeuge noch nicht auf die Straße gebracht werden.

Unter Berücksichtigung des Interesses der Menschheit an einer sauberen Umwelt wird ein Durchbruch bei der Fertigstellung des "grünen" Verkehrs erwartet. Aber wenn dies passiert, wird nur die Zeit es zeigen.

In der Zwischenzeit sehen Sie sich das Video zum Toyota Mirai an:

Zukunft auf Wasserstoff? Toyota Mirai - VOLLSTÄNDIGE ÜBERPRÜFUNG und Technische Daten | LiveFEED®

Fragen und Antworten:

Warum ist ein Wasserstoffmotor gefährlich? Bei der Verbrennung des Wasserstoffgemisches erwärmt sich der Motor stärker als bei der Verbrennung von Benzin. Dadurch besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit des Durchbrennens von Kolben, Ventilen und Überlastung des Aggregats.

Wie tankt man ein Wasserstoffauto? Ein solches Auto wird mit Wasserstoff in gasförmigem Zustand (Flüssig- oder Druckgas) betankt. Um Kraftstoff zu speichern, wird er auf 350-700 Atmosphären komprimiert und die Temperatur kann -259 Grad erreichen.

Wie funktioniert ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor? Das Auto ist mit einer Art Batterie ausgestattet. Sauerstoff und Wasserstoff passieren spezielle Platten. Das Ergebnis ist eine chemische Reaktion unter Freisetzung von Wasserdampf und Elektrizität.