Motor de hidrógeno. Cómo funciona y desventajas

Los motores de combustión interna no aparecían como trenes de potencia separados de manera espectacular. Más bien, el motor clásico surgió como resultado del refinamiento y mejora de los motores térmicos. Lea acerca de cómo la unidad, que estamos acostumbrados a ver debajo del capó de los automóviles, apareció gradualmente. en un artículo separado.

Sin embargo, cuando apareció el primer automóvil equipado con un motor de combustión interna, la humanidad recibió un vehículo autopropulsado que no requería alimentación constante, como un caballo. Muchas cosas han cambiado en los motores desde 1885, pero un inconveniente permanece sin cambios. Durante la combustión de una mezcla de gasolina (u otro combustible) y aire, se liberan demasiadas sustancias nocivas que contaminan el medio ambiente.

Si antes de la llegada de los vehículos autopropulsados, los arquitectos de los países europeos temían que las grandes ciudades se ahogaran en estiércol de caballo, hoy los habitantes de las megaciudades respiran aire sucio.

Los estrictos estándares ambientales para el transporte están obligando a los fabricantes de vehículos a desarrollar un sistema de propulsión más limpio. Entonces, muchas empresas se interesaron en la tecnología creada anteriormente de Anjos Jedlik: un carro autopropulsado con tracción eléctrica, que apareció en 1828. Y hoy en día esta tecnología se ha establecido tan firmemente en el mundo de la automoción que no sorprenderá a nadie con un coche eléctrico o un híbrido.

Pero lo realmente alentador son las centrales eléctricas, cuya única salida es el agua potable. Es un motor de hidrógeno.

¿Qué es un motor de hidrógeno?

Este es un tipo de motor que utiliza hidrógeno como combustible. El uso de este elemento químico reducirá el agotamiento de los recursos de hidrocarburos. El segundo motivo del interés por este tipo de instalaciones es la reducción de la contaminación ambiental.

Dependiendo del tipo de motor que se utilice en el transporte, su funcionamiento será diferente al clásico motor de combustión interna o será idéntico.

Una breve historia

Los motores de combustión interna de hidrógeno aparecieron en el mismo período en que se estaba desarrollando y mejorando el principio ICE. Un ingeniero e inventor francés diseñó su propia versión de un motor de combustión interna. El combustible que utilizó en su desarrollo es el hidrógeno, que aparece como resultado de la electrólisis de H₂R. En 1807 apareció el primer coche de hidrógeno.

Isaac De Rivaz en 1807 presentó una patente para el desarrollo de un tractor para equipo militar. como una de las unidades de potencia, sugirió usar hidrógeno.

La unidad de potencia era de pistón y el encendido se debía a la formación de una chispa en el cilindro. Es cierto que la primera creación del inventor necesitaba la generación manual de chispas. Después de solo dos años, finalizó su trabajo y nació el primer vehículo autopropulsado de hidrógeno.

Sin embargo, en ese momento no se le dio importancia al desarrollo, porque el gas no es tan fácil de obtener y almacenar como la gasolina. Los motores de hidrógeno se utilizaron prácticamente en Leningrado durante el bloqueo de la segunda mitad de 1941. Aunque, debemos admitir que no se trataba exclusivamente de unidades de hidrógeno. Estos eran motores de combustión interna GAZ ordinarios, solo que no había combustible para ellos, pero había mucho gas en ese momento, ya que estaban alimentados por globos.

En la primera mitad de la década de los 80, muchos países, no solo europeos, sino también de América, Rusia y Japón, se comprometieron a experimentar con este tipo de instalaciones. Entonces, en 1982, con el trabajo conjunto de la planta de Kvant y la empresa automotriz RAF, apareció un motor combinado, que funcionaba con una mezcla de hidrógeno y aire, y se utilizó una batería de 5 kW / h como fuente de energía.

Desde entonces, varios países han intentado introducir vehículos "ecológicos" en sus líneas de modelos, pero en la mayoría de los casos dichos coches permanecieron en la categoría de prototipos o tuvieron una edición muy limitada.

Cómo funciona

Dado que hoy en día hay muchos motores en funcionamiento de esta categoría, la planta de hidrógeno funcionará según su propio principio en cada caso individual. Considere cómo funciona una modificación que puede reemplazar el motor de combustión interna clásico.

En un motor de este tipo, definitivamente se utilizarán pilas de combustible. Son una especie de generadores que activan una reacción electroquímica. Dentro del dispositivo, el hidrógeno se oxida y el resultado de la reacción es la liberación de electricidad, vapor de agua y nitrógeno. En una instalación de este tipo no se emite dióxido de carbono.

Un vehículo basado en una unidad similar es el mismo vehículo eléctrico, solo que la batería es mucho más pequeña. La celda de combustible genera suficiente energía para operar todos los sistemas del vehículo. La única salvedad es que desde el inicio del proceso hasta la generación de energía, puede tardar unos 2 minutos. Pero el rendimiento máximo de la instalación comienza después de que el sistema se calienta, lo que toma de un cuarto de hora a 60 minutos.

Para que la planta de energía no funcione en vano y no sea necesario preparar el transporte para el viaje con anticipación, se instala una batería convencional. Durante la conducción, se recarga debido a la recuperación y es necesario exclusivamente para arrancar un automóvil.

Dicho automóvil está equipado con un cilindro de diferentes volúmenes, en el que se bombea hidrógeno. Dependiendo del modo de conducción, el tamaño del automóvil y la potencia de la instalación eléctrica, un kilogramo de gasolina puede ser suficiente para 100 kilómetros de viaje.

Tipos de motores de hidrógeno

Aunque hay varias modificaciones de los motores de hidrógeno, todas se dividen en dos tipos:

• Tipo de unidad con pila de combustible;
• Motor de combustión interna modificado, adaptado para funcionar con hidrógeno.

Consideremos cada tipo por separado: cuáles son sus características.

Centrales eléctricas basadas en pilas de combustible de hidrógeno

La pila de combustible se basa en el principio de una batería, en la que tiene lugar un proceso electroquímico. La única diferencia entre el análogo de hidrógeno es su mayor eficiencia (en algunos casos, más del 45 por ciento).

La pila de combustible es una única cámara en la que se colocan dos elementos: el cátodo y el ánodo. Ambos electrodos están recubiertos de platino (o paladio). Entre ellos se encuentra una membrana. Divide la cavidad en dos cámaras. Se suministra oxígeno a la cavidad con el cátodo y se suministra hidrógeno a la segunda.

Como resultado, se produce una reacción química, cuyo resultado es la combinación de moléculas de oxígeno e hidrógeno con la liberación de electricidad. Un efecto secundario del proceso es la liberación de agua y nitrógeno. Los electrodos de la celda de combustible están conectados al circuito eléctrico del automóvil, incluido el motor eléctrico.

Motores de combustión interna de hidrógeno

En este caso, aunque el motor se llama hidrógeno, tiene una estructura idéntica a un ICE convencional. La única diferencia es que no es la gasolina ni el propano lo que se quema, sino el hidrógeno. Si llena un cilindro con hidrógeno, entonces hay un problema: este gas reducirá la eficiencia de una unidad convencional en aproximadamente un 60 por ciento.

Aquí hay algunos otros problemas al cambiar a hidrógeno sin actualizar el motor:

• Cuando se comprime el HTS, el gas entrará en una reacción química con el metal del que están hechos la cámara de combustión y el pistón y, a menudo, esto también puede suceder con el aceite de motor. Debido a esto, se forma otro compuesto en la cámara de combustión, que no difiere en una capacidad especial para quemar bien;
• Los huecos en la cámara de combustión deben ser perfectos. Si en algún lugar el sistema de combustible tiene al menos una fuga mínima, el gas se encenderá fácilmente al entrar en contacto con objetos calientes.

Motor para Honda Clarity

Por estas razones, es más práctico usar hidrógeno como combustible en motores rotativos (cuál es su característica, lea aquí). Los colectores de admisión y escape de tales unidades están ubicados por separado entre sí, por lo que el gas en la entrada no se calienta. Sea como fuere, mientras se modernizan los motores para sortear los problemas de utilizar combustibles más baratos y respetuosos con el medio ambiente.

¿Cuánto dura la vida útil de las pilas de combustible?

En todo el mundo hoy en día, estos autos son muy raros y aún no están en la serie, es difícil decir qué recurso tiene esta fuente de energía. Los artesanos aún no tienen experiencia al respecto.

Lo único que se puede decir es que según los representantes de Toyota, la celda de combustible de su automóvil de producción Mirai es capaz de generar energía ininterrumpidamente hasta 250 mil kilómetros. Después de este hito, debe controlar la efectividad del dispositivo. Si su rendimiento ha disminuido notablemente, la pila de combustible se cambia en un centro de servicio autorizado. Es cierto que uno debe esperar que la empresa tome una cantidad decente por este procedimiento.

¿Qué empresas ya están fabricando o van a fabricar coches de hidrógeno?

Muchas empresas se dedican al desarrollo de una unidad de potencia respetuosa con el medio ambiente. Aquí están las marcas de automóviles, en la oficina de diseño de las cuales ya hay opciones de trabajo, listas para entrar en serie:

• Mercedes-Benz es un crossover GLC F-Cell, cuyo inicio de ventas se anunció en 2018, pero hasta ahora ha sido adquirido por solo unas pocas empresas y ministerios de Alemania. Recientemente se dio a conocer un prototipo de tractor con pila de combustible de hidrógeno, el GenH2;
• Hyundai - prototipo Nexo introducido hace dos años;
• BMW es un prototipo del hidrógeno Hydrogen 7, que salió de la línea de montaje. Un lote de 100 copias quedó en etapa experimental, pero esto ya es algo.

Entre los stock cars que se pueden comprar en América y Europa se encuentran los modelos Mirai y Clarity de Toyota y Honda, respectivamente. Para el resto de empresas, este desarrollo todavía se encuentra en la versión de dibujo o como un prototipo que no funciona.

Toyota mirai

Claridad Honda

¿Cuánto cuesta un coche de hidrógeno?

El costo de un automóvil de hidrógeno es decente. La razón de esto son los metales preciosos que forman parte de los electrodos de las pilas de combustible (paladio o platino). Además, un automóvil moderno está equipado con innumerables sistemas de seguridad y estabilización del funcionamiento de elementos eléctricos, lo que también requiere recursos materiales.

Aunque el mantenimiento de un automóvil de este tipo (hasta el momento en que se reemplazan las celdas de combustible) no es mucho más costoso que un automóvil ordinario de las últimas generaciones. Hay países que patrocinan la producción de hidrógeno, pero aún así tendrás que pagar una media de 11 dólares y medio por kilogramo de gas. Dependiendo del tipo de motor, esto puede ser suficiente para una distancia de unos cien kilómetros.

¿Por qué los coches de hidrógeno son mejores que los eléctricos?

Si toma una planta de hidrógeno con pilas de combustible, entonces dicho automóvil será idéntico al automóvil eléctrico que estamos acostumbrados a ver en las carreteras. La única diferencia es que el coche eléctrico se carga desde la red o desde una terminal en una gasolinera. El transporte de hidrógeno en sí mismo genera electricidad.

En cuanto al costo de dichos autos, son más caros. Por ejemplo, los modelos de Tesla en la configuración básica costarán desde 45 mil dólares. Los análogos de hidrógeno de Japón se pueden comprar por 57 mil unidades. Los bávaros, por el contrario, venden sus coches con combustible "verde" a un precio de 50 dólares.

Si tenemos en cuenta la practicidad, es más fácil repostar el coche con gasolina (tardará unos cinco minutos) que esperar media hora (con carga rápida, que no está permitida para todo tipo de baterías) en el aparcamiento. Esta es la ventaja de las plantas de hidrógeno.

Otra ventaja es que las pilas de combustible no necesitan un mantenimiento especial y su vida útil es bastante larga. En cuanto a los vehículos eléctricos, su enorme batería deberá reemplazarse en unos cinco años debido a que tiene muchos ciclos de carga y descarga. En las heladas, la batería de los vehículos eléctricos se descarga mucho más rápido que en verano. Pero el elemento en la reacción de oxidación del hidrógeno no sufre esto y produce electricidad de forma estable.

¿Cuáles son las perspectivas de los coches de hidrógeno y cuándo se verán en la carretera?

En Europa y Estados Unidos ya se puede encontrar el coche de hidrógeno. Sin embargo, todavía están en la categoría de curiosidades. Y hoy no hay muchas perspectivas.

La principal razón por la que este tipo de transporte no llenará pronto las carreteras de todos los países es la falta de capacidad de producción. Primero, es necesario establecer la producción de hidrógeno. Además, es necesario alcanzar un nivel tal que, además de ser amigable con el medio ambiente, también sea un combustible disponible para la mayoría de los automovilistas. Además de la producción de este gas, es necesario organizar su transporte (aunque para ello se pueden utilizar con seguridad las carreteras por las que se transporta el metano), así como equipar muchas estaciones de servicio con terminales adecuadas.

En segundo lugar, cada fabricante de automóviles tendrá que modernizar seriamente las líneas de producción, lo que requiere una inversión considerable. En una economía inestable debido al estallido de una epidemia mundial, pocos correrán tales riesgos.

Si nos fijamos en el ritmo de desarrollo del transporte eléctrico, el proceso de popularización se llevó a cabo muy rápidamente. Sin embargo, la razón de la popularidad de los coches eléctricos es la capacidad de ahorrar combustible. Y esta es a menudo la primera razón por la que se compran, y no por preservar el medio ambiente. En el caso del hidrógeno, no será posible ahorrar dinero (al menos ahora), porque se gasta mucha más energía en su producción.

Pros y principales desventajas de los motores de hidrógeno.

Entonces, resumamos. Las ventajas de los motores de hidrógeno incluyen los siguientes factores:

• Emisión ecológica;
• Funcionamiento silencioso de la unidad de potencia (tracción eléctrica);
• En el caso de utilizar una pila de combustible, no se requiere un mantenimiento frecuente;
• Repostaje rápido;
• En comparación con los vehículos eléctricos, el sistema de propulsión y la fuente de energía funcionan de manera más estable incluso en temperaturas bajo cero.

Aunque el desarrollo no se puede llamar una novedad, sin embargo, todavía tiene una serie de deficiencias que inducen al automovilista medio a mirarlo con cautela. Éstos son algunos de ellos:

• Para que el hidrógeno se encienda, debe estar en estado gaseoso. Esto crea ciertas dificultades. Por ejemplo, se requieren compresores especiales y costosos para comprimir gases ligeros. También existe un problema con el almacenamiento y transporte adecuados de combustible, ya que es altamente inflamable;
• El cilindro, que se instalará en el automóvil, deberá revisarse periódicamente. Para ello, el automovilista deberá acudir a un centro especializado, y este es un costo adicional;
• En un automóvil de hidrógeno, no se usa una batería enorme, sin embargo, la instalación aún pesa decentemente, lo que afecta significativamente las características dinámicas del vehículo;
• Hidrógeno: se enciende a la menor chispa, por lo que un accidente que involucre un automóvil de este tipo irá acompañado de una explosión grave. Dada la actitud irresponsable de algunos conductores hacia su propia seguridad y la vida de otros usuarios de la vía, estos vehículos aún no pueden ser liberados en las vías.

Dado el interés de la humanidad en un medio ambiente más limpio, podemos esperar que se produzca un gran avance en la cuestión de finalizar el transporte "verde". Pero cuando esto suceda, solo el tiempo lo dirá.

Mientras tanto, mire la revisión en video del Toyota Mirai:

¿Futuro en el hidrógeno? Toyota Mirai - REVISIÓN COMPLETA y especificaciones | LiveFEED®

Preguntas y respuestas

¿Por qué es peligroso un motor de hidrógeno? Durante la combustión de la mezcla de hidrógeno, el motor se calienta más que durante la combustión de gasolina. Como resultado, existe una alta probabilidad de que se quemen los pistones, las válvulas y la sobrecarga de la unidad.

¿Cómo repostar un coche de hidrógeno? Dicho automóvil se alimenta con hidrógeno en estado gaseoso (gas licuado o comprimido). Para almacenar combustible, se comprime a 350-700 atmósferas y la temperatura puede alcanzar los -259 grados.

¿Cómo funciona un motor de combustión interna de hidrógeno? El coche está equipado con una especie de batería. El oxígeno y el hidrógeno pasan a través de placas especiales. El resultado es una reacción química con la liberación de vapor de agua y electricidad.