Motore a idrogeno. Come funziona e svantaggi

I motori a combustione interna non sono apparsi drammaticamente come unità di potenza separate. Piuttosto, il motore classico è nato come risultato del perfezionamento e del miglioramento dei motori termici. Leggi come l'unità, che siamo abituati a vedere sotto il cofano delle auto, è apparsa gradualmente. in un articolo separato.

Tuttavia, quando è apparsa la prima auto dotata di un motore a combustione interna, l'umanità ha ricevuto un veicolo semovente che non richiedeva un'alimentazione costante, come un cavallo. Molte cose sono cambiate nei motori dal 1885, ma un inconveniente rimane invariato. Durante la combustione di una miscela di benzina (o altro carburante) e aria vengono rilasciate troppe sostanze nocive che inquinano l'ambiente.

Se prima dell'avvento dei veicoli semoventi, gli architetti dei paesi europei temevano che le grandi città sarebbero annegate nello sterco di cavallo, oggi gli abitanti delle megalopoli respirano aria sporca.

L'inasprimento degli standard ambientali per il trasporto sta costringendo i produttori di veicoli a sviluppare una trasmissione più pulita. Quindi, molte aziende si interessarono alla tecnologia precedentemente creata di Anjos Jedlik: un carrello semovente a trazione elettrica, apparso nel 1828. E oggi questa tecnologia si è affermata così saldamente nel mondo automobilistico che non sorprenderai nessuno con un'auto elettrica o un'ibrida.

Ma ciò che è davvero incoraggiante sono le centrali elettriche, il cui unico rilascio è l'acqua potabile. È un motore a idrogeno.

Cos'è un motore a idrogeno?

Questo è un tipo di motore che utilizza l'idrogeno come carburante. L'uso di questo elemento chimico ridurrà l'esaurimento delle risorse di idrocarburi. La seconda ragione dell'interesse per tali installazioni è la riduzione dell'inquinamento ambientale.

A seconda del tipo di motore che verrà utilizzato nel trasporto, il suo funzionamento sarà diverso dal classico motore a combustione interna o sarà identico.

Una storia breve

I motori a combustione interna a idrogeno sono apparsi nello stesso periodo in cui il principio ICE veniva sviluppato e migliorato. Un ingegnere e inventore francese ha progettato la sua versione di un motore a combustione interna. Il carburante che ha usato nel suo sviluppo è l'idrogeno, che appare come risultato dell'elettrolisi di H.₂R. Nel 1807 apparve la prima automobile a idrogeno.

Isaac De Rivaz nel 1807 ha depositato un brevetto per lo sviluppo di un trattore per equipaggiamento militare. ha proposto di utilizzare l'idrogeno come una delle unità di potenza.

L'unità di potenza era a pistone e l'accensione in essa era dovuta alla formazione di una scintilla nel cilindro. È vero, la prima creazione dell'inventore necessitava della generazione manuale di scintille. Dopo soli due anni, ha portato a termine il suo lavoro, ed è nato il primo veicolo semovente a idrogeno.

Tuttavia, a quel tempo, allo sviluppo non veniva data importanza, perché il gas non è così facile da ottenere e immagazzinare come la benzina. I motori a idrogeno furono praticamente utilizzati a Leningrado durante il blocco della seconda metà del 1941. Tuttavia, dobbiamo ammettere che queste non erano esclusivamente unità di idrogeno. Questi erano normali motori a combustione interna GAZ, solo che non c'era carburante per loro, ma a quel tempo c'era molto gas, poiché erano alimentati da palloncini.

Nella prima metà degli anni '80 molti paesi, non solo europei, ma anche America, Russia e Giappone, si sono impegnati a sperimentare questo tipo di installazioni. Così, nel 1982, con il lavoro congiunto dello stabilimento di Kvant e dell'impresa automobilistica RAF, apparve un motore combinato, che funzionava con una miscela di idrogeno e aria, e una batteria da 5 kW / h fu utilizzata come fonte di energia.

Da allora, ci sono stati tentativi da parte di diversi paesi di introdurre veicoli "verdi" nelle loro linee di modelli, ma nella maggior parte dei casi tali auto o sono rimaste nella categoria dei prototipi o hanno avuto un'edizione molto limitata.

Come funziona

Poiché ad oggi sono molti i motori funzionanti di questa categoria, in ogni singolo caso l'impianto a idrogeno funzionerà secondo un proprio principio. Considera come funziona una modifica che può sostituire il classico motore a combustione interna.

In un motore del genere verranno sicuramente utilizzate celle a combustibile. Sono una sorta di generatori che attivano una reazione elettrochimica. All'interno del dispositivo, l'idrogeno viene ossidato e la reazione provoca il rilascio di elettricità, vapore acqueo e azoto. L'anidride carbonica non viene emessa in tale installazione.

Un veicolo basato su un'unità simile è lo stesso veicolo elettrico, solo la batteria al suo interno è molto più piccola. La cella a combustibile genera energia sufficiente per far funzionare tutti i sistemi del veicolo. L'unico avvertimento è che possono essere necessari circa 2 minuti dall'inizio del processo alla generazione di energia. Ma la potenza massima dell'installazione inizia dopo il riscaldamento del sistema, che richiede da un quarto d'ora a 60 minuti.

Affinché la centrale elettrica non funzioni invano e non sia necessario preparare in anticipo il trasporto per il viaggio, al suo interno è installata una batteria convenzionale. Durante la guida viene ricaricato per recupero ed è necessario esclusivamente per l'avviamento dell'auto.

Una macchina del genere è dotata di un cilindro di diversi volumi, in cui viene pompato l'idrogeno. A seconda della modalità di guida, delle dimensioni dell'auto e della potenza dell'impianto elettrico, un chilogrammo di gas può essere sufficiente per 100 chilometri di viaggio.

Tipi di motori a idrogeno

Sebbene ci siano diverse modifiche dei motori a idrogeno, si dividono tutte in due tipi:

• Tipo di unità con cella a combustibile;
• Motore a combustione interna modificato, adattato per funzionare a idrogeno.

Consideriamo ogni tipo separatamente: quali sono le loro caratteristiche.

Centrali elettriche basate su celle a combustibile a idrogeno

La cella a combustibile si basa sul principio di una batteria, in cui avviene un processo elettrochimico. L'unica differenza tra l'analogo dell'idrogeno è la sua maggiore efficienza (in alcuni casi, oltre il 45 percento).

La cella a combustibile è un'unica camera in cui sono posti due elementi: il catodo e l'anodo. Entrambi gli elettrodi sono rivestiti in platino (o palladio). Una membrana si trova tra di loro. Divide la cavità in due camere. L'ossigeno viene fornito alla cavità con il catodo e l'idrogeno viene fornito al secondo.

Di conseguenza, si verifica una reazione chimica, il cui risultato è la combinazione di molecole di ossigeno e idrogeno con il rilascio di elettricità. Un effetto collaterale del processo è il rilascio di acqua e azoto. Gli elettrodi della cella a combustibile sono collegati al circuito elettrico dell'auto, compreso il motore elettrico.

Motori a combustione interna a idrogeno

In questo caso, sebbene il motore si chiami idrogeno, ha una struttura identica a un ICE convenzionale. L'unica differenza è che non è la benzina o il propano a bruciare, ma l'idrogeno. Se si riempie la bombola di idrogeno, c'è un problema: questo gas ridurrà l'efficienza di un'unità convenzionale di circa il 60 percento.

Ecco alcuni altri problemi con il passaggio all'idrogeno senza aggiornare il motore:

• Quando l'HTS viene compresso, il gas entrerà in una reazione chimica con il metallo di cui sono fatti la camera di combustione e il pistone, e spesso ciò può avvenire anche con l'olio motore. Per questo motivo, nella camera di combustione si forma un altro composto, che non si distingue per una speciale capacità di bruciare bene;
• Le intercapedini nella camera di combustione devono essere perfette. Se da qualche parte il sistema di alimentazione ha almeno una perdita minima, il gas si accenderà facilmente al contatto con oggetti caldi.

Motore per Honda Clarity

Per questi motivi, è più pratico utilizzare l'idrogeno come combustibile nei motori rotativi (qual è la loro caratteristica, leggi qui). I collettori di aspirazione e di scarico di tali unità si trovano separatamente l'uno dall'altro, quindi il gas all'ingresso non si riscalda. Comunque sia, mentre i motori vengono modernizzati in modo da aggirare i problemi di utilizzo di carburante più economico e più rispettoso dell'ambiente.

Quanto dura la vita utile delle celle a combustibile?

In tutto il mondo oggi, tali auto sono molto rare e non sono ancora nella serie, è difficile dire quale risorsa abbia questa fonte di energia. Gli artigiani non hanno ancora esperienza al riguardo.

L'unica cosa che si può dire è che, secondo i rappresentanti della Toyota, la cella a combustibile della loro auto di serie Mirai è in grado di generare ininterrottamente energia fino a 250 mila chilometri. Dopo questo traguardo, è necessario monitorare l'efficacia del dispositivo. Se le sue prestazioni sono notevolmente diminuite, la cella a combustibile viene sostituita presso un centro di assistenza autorizzato. È vero, ci si dovrebbe aspettare che l'azienda prenda una quantità decente per questa procedura.

Quali aziende stanno già fabbricando o stanno per produrre auto a idrogeno?

Molte aziende sono impegnate nello sviluppo di un propulsore ecologico. Ecco i marchi automobilistici, nel design bureau di cui ci sono già opzioni funzionanti, pronti per andare in serie:

• Mercedes-Benz è un crossover GLC F-Cell, il cui inizio delle vendite è stato annunciato nel 2018, ma finora solo poche imprese e ministeri della Germania lo hanno acquisito. Recentemente è stato presentato un prototipo di trattore a celle a combustibile a idrogeno, il GenH2;
• Hyundai - prototipo Nexo introdotto due anni fa;
• La BMW è un prototipo dell'idrogeno Hydrogen 7, che è stato rilasciato dalla catena di montaggio. Un lotto di 100 copie è rimasto in fase sperimentale, ma questo è già qualcosa.

Tra le stock car acquistabili sia in America che in Europa ci sono rispettivamente i modelli Mirai e Clarity di Toyota e Honda. Per il resto delle aziende, questo sviluppo è ancora nella versione a disegno o come prototipo non funzionante.

Toyota Mirai

Chiarezza Honda

Quanto costa un'auto a idrogeno?

Il costo di un'auto a idrogeno è decente. La ragione di ciò sono i metalli preziosi che fanno parte degli elettrodi delle celle a combustibile (palladio o platino). Inoltre, un'auto moderna è dotata di innumerevoli sistemi di sicurezza e stabilizzazione del funzionamento degli elementi elettrici, che richiede anche risorse materiali.

Sebbene la manutenzione di un'auto del genere (fino alla sostituzione delle celle a combustibile) non sia molto più costosa di un'auto ordinaria delle ultime generazioni. Ci sono paesi che sponsorizzano la produzione di idrogeno, ma anche tenendo conto di ciò, dovrai pagare in media 11 dollari e mezzo per chilogrammo di gas. A seconda del tipo di motore, questo può essere sufficiente per una distanza di circa cento chilometri.

Perché le auto a idrogeno sono migliori delle auto elettriche?

Se prendi un impianto a idrogeno con celle a combustibile, un'auto del genere sarà identica all'auto elettrica che siamo abituati a vedere sulle strade. L'unica differenza è che l'auto elettrica viene caricata dalla rete o da un terminale di una stazione di servizio. Il trasporto dell'idrogeno stesso genera elettricità per se stesso.

Per quanto riguarda il costo di tali auto, sono più costosi. Ad esempio, i modelli Tesla di base costeranno da $ 45 mila. Gli analoghi dell'idrogeno dal Giappone possono essere acquistati per 57 mila cu. I bavaresi, invece, vendono le loro auto con carburante "verde" al prezzo di 50mila dollari.

Considerando la praticità, è più facile fare il pieno di gas (ci vorranno circa cinque minuti) che aspettare mezz'ora (con ricarica rapida, non consentita per tutti i tipi di batterie) nel parcheggio. Questo è il vantaggio degli impianti a idrogeno.

Un altro vantaggio: le celle a combustibile non necessitano particolarmente di manutenzione e la loro vita lavorativa è piuttosto ampia. Per quanto riguarda i veicoli elettrici, la loro enorme batteria richiederà la sostituzione in circa cinque anni a causa del fatto che ha molti cicli di carica-scarica. A temperature gelide, la batteria dei veicoli elettrici si scarica molto più velocemente che in estate. Ma l'elemento sulla reazione dell'ossidazione dell'idrogeno non ne risente e produce stabilmente elettricità.

Quali sono le prospettive per le auto a idrogeno e quando si vedranno su strada?

In Europa e negli Stati Uniti è già possibile trovare l'auto a idrogeno. Tuttavia, sono ancora nella categoria curiosità. E oggi non ci sono molte prospettive.

Il motivo principale per cui questo tipo di trasporto non riempirà presto le strade di tutti i paesi è la mancanza di capacità produttive. Innanzitutto, è necessario stabilire la produzione di idrogeno. Inoltre, è necessario raggiungere un livello tale che, oltre al rispetto dell'ambiente, sia anche carburante a disposizione della maggior parte degli automobilisti. Oltre alla produzione di questo gas, è necessario organizzare il suo trasporto (anche se per questo si possono utilizzare tranquillamente le autostrade lungo le quali viene trasportato il metano), nonché dotare molte stazioni di rifornimento di appositi terminali.

In secondo luogo, ogni casa automobilistica dovrà modernizzare seriamente le linee di produzione, il che richiede molti investimenti. In un'economia instabile a causa dello scoppio di un'epidemia globale, pochi si assumeranno tali rischi.

Se si guarda al ritmo di sviluppo del trasporto elettrico, il processo di divulgazione è avvenuto molto rapidamente. Tuttavia, il motivo della popolarità delle auto elettriche è la capacità di risparmiare carburante. E questo è spesso il primo motivo per cui vengono acquistati e non per salvaguardare l'ambiente. Nel caso dell'idrogeno non sarà possibile risparmiare (almeno adesso), perché molta più energia viene spesa per la sua produzione.

Pro e principali svantaggi dei motori a idrogeno

Quindi, riassumiamo. I vantaggi dei motori a idrogeno includono i seguenti fattori:

• Emissione rispettosa dell'ambiente;
• Silenziosità del motore (trazione elettrica);
• Nel caso di una cella a combustibile, non è richiesta una manutenzione frequente;
• Rifornimento veloce;
• Rispetto ai veicoli elettrici, il sistema di propulsione e la fonte di energia funzionano in modo più stabile anche a temperature gelide.

Sebbene lo sviluppo non possa essere definito una novità, tuttavia, presenta ancora una serie di carenze che inducono l'automobilista medio a guardarlo con cautela. Ecco qui alcuni di loro:

• Perché l'idrogeno si accenda, deve essere allo stato gassoso. Questo crea alcune difficoltà. Ad esempio, per comprimere gas leggeri sono necessari compressori speciali e costosi. C'è anche un problema con la corretta conservazione e trasporto del carburante, poiché è altamente infiammabile;
• Il cilindro, che verrà installato sull'auto, dovrà essere periodicamente controllato. Per fare ciò, l'automobilista dovrà visitare un centro specializzato, e questo è un costo aggiuntivo;
• In un'auto a idrogeno non viene utilizzata un'enorme batteria, tuttavia l'installazione pesa ancora in modo decente, il che influisce in modo significativo sulle caratteristiche dinamiche del veicolo;
• Idrogeno: si accende alla minima scintilla, quindi un incidente che coinvolge un'auto del genere sarà accompagnato da una grave esplosione. Dato l'atteggiamento irresponsabile di alcuni conducenti nei confronti della propria sicurezza e della vita di altri utenti della strada, tali veicoli non possono ancora essere rilasciati sulle strade.

Tenendo conto dell'interesse dell'umanità per un ambiente pulito, si prevede che verrà fatto un passo avanti nella questione della finalizzazione del trasporto "verde". Ma quando questo accadrà, solo il tempo lo dirà.

Nel frattempo, guarda la video recensione sulla Toyota Mirai:

Futuro sull'idrogeno? Toyota Mirai - REVISIONE COMPLETA e specifiche | LiveFEED®

Domande e risposte:

Perché un motore a idrogeno è pericoloso? Durante la combustione della miscela di idrogeno, il motore si riscalda più che durante la combustione della benzina. Di conseguenza, esiste un'alta probabilità di esaurimento di pistoni, valvole e sovraccarico dell'unità.

Come rifornire un'auto a idrogeno? Tale auto è alimentata con idrogeno allo stato gassoso (gas liquefatto o compresso). Per immagazzinare carburante, viene compresso a 350-700 atmosfere e la temperatura può raggiungere i -259 gradi.

Come funziona un motore a combustione interna a idrogeno? L'auto è dotata di una sorta di batteria. L'ossigeno e l'idrogeno passano attraverso speciali piastre. Il risultato è una reazione chimica con il rilascio di vapore acqueo ed elettricità.