Waterstofmotor. Hoe het werkt en nadelen

Interne verbrandingsmotoren verschenen niet dramatisch als afzonderlijke aandrijflijnen. De klassieke motor is eerder ontstaan ​​als resultaat van de verfijning en verbetering van warmtemotoren. Lees hoe de eenheid, die we gewend zijn te zien onder de motorkap van auto's, geleidelijk aan verscheen. in een apart artikel.

Toen de eerste auto met een verbrandingsmotor verscheen, kreeg de mensheid echter een zelfaangedreven voertuig dat niet constant moest worden gevoerd, zoals een paard. Sinds 1885 zijn er veel dingen veranderd in motoren, maar één nadeel blijft ongewijzigd. Bij de verbranding van een mengsel van benzine (of andere brandstof) en lucht komen te veel schadelijke stoffen vrij die het milieu vervuilen.

Als de architecten van Europese landen vóór de komst van zelfrijdende voertuigen vreesden dat grote steden zouden verdrinken in paardenmest, ademen de inwoners van megasteden vandaag vuile lucht in.

Aanscherping van de milieunormen voor transport dwingt autofabrikanten om een ​​schonere aandrijflijn te ontwikkelen. Veel bedrijven raakten dus geïnteresseerd in de eerder gecreëerde technologie van Anjos Jedlik - een zelfrijdende kar op elektrische tractie, die in 1828 verscheen. En vandaag de dag is deze technologie zo stevig verankerd in de autowereld dat je niemand meer zal verrassen met een elektrische auto of een hybride.

Maar wat echt bemoedigend is, zijn de energiecentrales, waarvan alleen drinkwater vrijkomt. Het is een waterstofmotor.

Wat is een waterstofmotor?

Dit is een type motor dat waterstof als brandstof gebruikt. Het gebruik van dit chemische element zal de uitputting van koolwaterstofbronnen verminderen. De tweede reden voor de interesse in dergelijke installaties is de vermindering van milieuverontreiniging.

Afhankelijk van het type motor dat bij het transport wordt gebruikt, zal de werking ervan verschillen van de klassieke verbrandingsmotor of identiek zijn.

Korte geschiedenis

Waterstofverbrandingsmotoren verschenen in dezelfde periode waarin het ICE-principe werd ontwikkeld en verbeterd. Een Franse ingenieur en uitvinder ontwierp zijn eigen versie van een verbrandingsmotor. De brandstof die hij gebruikte bij zijn ontwikkeling is waterstof, dat ontstaat als gevolg van elektrolyse van H.₂A. In 1807 verscheen de eerste waterstofauto.

Isaac De Rivaz diende in 1807 een patent in voor de ontwikkeling van een tractor voor militair materieel. hij stelde voor om waterstof als een van de krachtbronnen te gebruiken.

De krachtbron was een zuiger en de ontsteking daarin was te wijten aan de vorming van een vonk in de cilinder. Toegegeven, de eerste creatie van de uitvinder vereiste handmatige vonkopwekking. Na slechts twee jaar voltooide hij zijn werk en werd het eerste zelfrijdende waterstofvoertuig geboren.

Destijds kreeg ontwikkeling echter geen belang, omdat gas niet zo gemakkelijk te verkrijgen en op te slaan is als benzine. Waterstofmotoren werden praktisch gebruikt in Leningrad tijdens de blokkade van de tweede helft van 1941. Hoewel we moeten toegeven dat dit niet uitsluitend waterstofeenheden waren. Dit waren gewone GAZ-verbrandingsmotoren, alleen was er geen brandstof voor, maar op dat moment was er veel gas, omdat ze werden aangedreven door ballonnen.

In de eerste helft van de jaren tachtig hebben veel landen, niet alleen Europese, maar ook Amerika, Rusland en Japan, zich ertoe verbonden om met dit soort installaties te experimenteren. Dus in 80, met het gezamenlijke werk van de Kvant-fabriek en de RAF-auto-onderneming, verscheen een gecombineerde motor, die liep op een mengsel van waterstof en lucht, en een 1982 kW / u-batterij werd gebruikt als energiebron.

Sindsdien hebben verschillende landen pogingen ondernomen om "groene" voertuigen in hun modellijnen te introduceren, maar in de meeste gevallen bleven dergelijke voertuigen in de categorie prototypes of hadden ze een zeer beperkte oplage.

Hoe het werkt

Aangezien er tegenwoordig veel werkende motoren van deze categorie zijn, zal de waterstoffabriek in elk afzonderlijk geval volgens haar eigen principe werken. Overweeg hoe een wijziging werkt die de klassieke verbrandingsmotor kan vervangen.

Zo'n motor zal zeker brandstofcellen gebruiken. Het zijn een soort generatoren die een elektrochemische reactie activeren. In het apparaat wordt waterstof geoxideerd en de reactie resulteert in het vrijkomen van elektriciteit, waterdamp en stikstof. Bij een dergelijke installatie komt geen kooldioxide vrij.

Een voertuig op basis van een vergelijkbare eenheid is hetzelfde elektrische voertuig, alleen de batterij erin is veel kleiner. De brandstofcel wekt voldoende energie op om alle voertuigsystemen te laten werken. Het enige voorbehoud is dat het vanaf het begin van het proces tot het opwekken van energie ongeveer 2 minuten kan duren. Maar de maximale output van de installatie begint nadat het systeem is opgewarmd, wat een kwartier tot 60 minuten duurt.

Om ervoor te zorgen dat de energiecentrale niet voor niets werkt en het niet nodig is om het transport van tevoren voor de reis voor te bereiden, is er een conventionele batterij in geïnstalleerd. Tijdens het rijden wordt hij opgeladen om te herstellen en is hij uitsluitend nodig om een ​​auto te starten.

Zo'n auto is uitgerust met een cilinder met verschillende volumes, waarin waterstof wordt gepompt. Afhankelijk van de rijmodus, de grootte van de auto en het vermogen van de elektrische installatie kan één kilo gas voldoende zijn voor 100 kilometer rijden.

Waterstofmotortypen

Hoewel er verschillende wijzigingen zijn aan waterstofmotoren, vallen ze allemaal in twee typen:

• Type eenheid met brandstofcel;
• Aangepaste verbrandingsmotor, aangepast om op waterstof te werken.

Laten we elk type afzonderlijk bekijken: wat zijn hun kenmerken.

Energiecentrales op basis van waterstofbrandstofcellen

De brandstofcel is gebaseerd op het principe van een batterij, waarin een elektrochemisch proces plaatsvindt. Het enige verschil tussen de waterstofanaloog is het hogere rendement (in sommige gevallen meer dan 45 procent).

De brandstofcel is een enkele kamer waarin twee elementen zijn geplaatst: de kathode en de anode. Beide elektroden zijn met platina (of palladium) gecoat. Er zit een membraan tussen. Het verdeelt de holte in twee kamers. Zuurstof wordt geleverd aan de holte met de kathode en waterstof wordt geleverd aan de tweede.

Als gevolg hiervan vindt een chemische reactie plaats, met als resultaat de combinatie van zuurstof- en waterstofmoleculen met het vrijkomen van elektriciteit. Een bijwerking van het proces is het vrijkomen van water en stikstof. De brandstofcelelektroden zijn aangesloten op het elektrische circuit van de auto, inclusief de elektromotor.

Verbrandingsmotoren op waterstof

In dit geval, hoewel de motor waterstof wordt genoemd, heeft deze een identieke structuur als een conventionele ICE. Het enige verschil is dat niet benzine of propaan brandt, maar waterstof. Als u de cilinder met waterstof vult, is er één probleem: dit gas vermindert de efficiëntie van een conventionele eenheid met ongeveer 60 procent.

Hier zijn een paar andere problemen met het overschakelen op waterstof zonder de motor te upgraden:

• Bij het comprimeren van de HTS komt het gas in een chemische reactie met het metaal waaruit de verbrandingskamer en zuiger zijn gemaakt, en vaak kan dit ook gebeuren met motorolie. Hierdoor wordt een andere verbinding gevormd in de verbrandingskamer, die zich niet onderscheidt door een speciaal vermogen om goed te branden;
• De openingen in de verbrandingskamer moeten perfect zijn. Als ergens het brandstofsysteem minimaal lekt, zal het gas gemakkelijk ontbranden bij contact met hete voorwerpen.

Motor voor Honda Clarity

Om deze redenen is het praktischer om waterstof als brandstof in rotatiemotoren te gebruiken (wat is hun kenmerk, lees hier). De inlaat- en uitlaatspruitstukken van dergelijke units bevinden zich afzonderlijk van elkaar, zodat het gas bij de inlaat niet opwarmt. Hoe het ook zij, terwijl de motoren worden gemoderniseerd om de problemen van het gebruik van goedkopere en milieuvriendelijkere brandstof te omzeilen.

Hoe lang is de levensduur van brandstofcellen?

Zulke auto's zijn tegenwoordig over de hele wereld zeer zeldzaam, en ze zitten nog niet in de serie, het is moeilijk te zeggen welke bron een bepaalde energiebron heeft. De vakmensen hebben hier nog geen ervaring mee.

Het enige dat kan worden gezegd, is dat volgens de verklaringen van Toyota-vertegenwoordigers de brandstofcel van hun productieauto Mirai in staat is om ononderbroken energie op te wekken tot 250 duizend kilometer. Na deze mijlpaal moet u de effectiviteit van het apparaat bewaken. Als de prestaties merkbaar zijn afgenomen, wordt de brandstofcel vervangen door een erkend servicecentrum. Toegegeven, men zou verwachten dat het bedrijf een behoorlijk bedrag voor deze procedure zal nemen.

Welke bedrijven maken of gaan al waterstofauto's maken?

Veel bedrijven zijn bezig met de ontwikkeling van een milieuvriendelijke krachtbron. Hier zijn de automerken, in het ontwerpbureau waarvan er al werkende opties zijn, klaar om in serie te gaan:

• Mercedes-Benz is een cross-over van de GLC F-Cell, waarvan de start van de verkoop in 2018 werd aangekondigd, maar tot nu toe hebben slechts enkele ondernemingen en ministeries van Duitsland het gekocht. Een prototype van een trekker op waterstof-brandstofcellen, de GenH2, werd onlangs onthuld;
• Hyundai - Nexo-prototype twee jaar geleden geïntroduceerd;
• BMW is een prototype van de waterstof Hydrogen 7, die van de lopende band is gelost. De batch van 100 exemplaren bleef in de experimentele fase, maar dit is al iets.

Tot de stockauto's die in Amerika en Europa kunnen worden gekocht, behoren de Mirai- en Clarity-modellen van respectievelijk Toyota en Honda. Voor de rest van de bedrijven zit deze ontwikkeling nog in de tekenversie of als een niet werkend prototype.

Toyota Mirai

Honda duidelijkheid

Hoeveel kost een auto op waterstof?

De kosten van een waterstofauto zijn redelijk. De reden hiervoor zijn de edelmetalen die deel uitmaken van de elektroden van brandstofcellen (palladium of platina). Ook is een moderne auto uitgerust met talloze beveiligingssystemen en stabilisatie van de werking van elektrische elementen, waarvoor ook materiële middelen nodig zijn.

Al is het onderhoud van zo'n auto (tot het moment dat de brandstofcellen worden vervangen) niet veel duurder dan een gewone auto van de laatste generaties. Er zijn landen die de productie van waterstof sponsoren, maar zelfs hiermee moet je gemiddeld 11 dollar per kilo gas betalen. Afhankelijk van het type motor kan dit voldoende zijn voor een afstand van ongeveer honderd kilometer.

Waarom zijn waterstofauto's beter dan elektrische auto's?

Neem je een waterstoffabriek met brandstofcellen, dan is zo'n auto identiek aan de elektrische auto die we gewend zijn op de weg te zien. Het enige verschil is dat de elektrische auto wordt opgeladen vanaf het netwerk of vanaf een terminal bij een tankstation. Waterstoftransport wekt zelf elektriciteit op.

Wat betreft de kosten van dergelijke auto's, ze zijn duurder. De basismodellen van Tesla kosten bijvoorbeeld $ 45 duizend. Waterstofanalogen uit Japan kunnen worden gekocht voor 57 duizend eenheden. Aan de andere kant verkopen Beieren hun auto's op "groene" brandstof tegen een prijs van $ 50.

Als we rekening houden met de bruikbaarheid, is het gemakkelijker om de auto benzine bij te tanken (het duurt ongeveer vijf minuten) dan een half uur te wachten (met snelladen, wat niet voor alle soorten batterijen is toegestaan) op de parkeerplaats. Dit is het voordeel van waterstoffabrieken.

Nog een pluspunt: brandstofcellen hebben niet echt onderhoud nodig en hun levensduur is vrij lang. Wat elektrische voertuigen betreft, moet hun enorme batterij over ongeveer vijf jaar worden vervangen vanwege het feit dat deze veel laad-ontlaadcycli heeft. Bij vriestemperaturen wordt de batterij van elektrische voertuigen veel sneller ontladen dan in de zomer. Maar het element op de reactie van waterstofoxidatie heeft hier geen last van en produceert stabiel elektriciteit.

Wat zijn de vooruitzichten voor waterstofauto's en wanneer zullen ze op de weg te zien zijn?

In Europa en de Verenigde Staten is de waterstofauto al te vinden. Ze vallen echter nog steeds in de categorie nieuwsgierigheid. En vandaag zijn er weinig vooruitzichten.

De belangrijkste reden dat dit type transport niet snel de wegen van alle landen zal vullen, is het gebrek aan productiecapaciteit. Ten eerste is het noodzakelijk om waterstofproductie tot stand te brengen. Bovendien is het noodzakelijk om een ​​zodanig niveau te bereiken dat het naast milieuvriendelijkheid ook brandstof is voor de meeste automobilisten. Naast de productie van dit gas, is het noodzakelijk om het transport ervan te organiseren (hoewel u hiervoor veilig de snelwegen kunt gebruiken waarlangs methaan wordt getransporteerd), en om veel tankstations uit te rusten met geschikte terminals.

Ten tweede zal elke autofabrikant de productielijnen serieus moeten moderniseren, wat veel investeringen vereist. In een onstabiele economie als gevolg van het uitbreken van een wereldwijde epidemie, zullen maar weinigen dergelijke risico's nemen.

Als je kijkt naar het tempo van de ontwikkeling van elektrisch vervoer, dan verliep het proces van popularisering erg snel. De reden voor de populariteit van elektrische auto's is echter de mogelijkheid om brandstof te besparen. En dit is vaak de eerste reden waarom ze worden gekocht, en niet om het milieu te beschermen. In het geval van waterstof zal er (in ieder geval nu) geen geld bespaard kunnen worden, omdat er veel meer energie aan de productie wordt besteed.

Voors en belangrijkste nadelen van waterstofmotoren

Dus laten we het samenvatten. De voordelen van motoren op waterstof zijn onder meer de volgende factoren:

• Milieuvriendelijke emissie;
• Stille werking van de aandrijfeenheid (elektrische tractie);
• Bij gebruik van een brandstofcel is frequent onderhoud niet nodig;
• Snel tanken;
• In vergelijking met elektrische voertuigen werken het aandrijfsysteem en de energiebron zelfs bij vriestemperaturen stabieler.

Hoewel de ontwikkeling geen noviteit te noemen is, vertoont deze toch een aantal tekortkomingen die de gemiddelde automobilist ertoe aanzetten er met de nodige omzichtigheid naar te kijken. Hier zijn er een paar:

• Om waterstof te laten ontbranden, moet het in een gasvormige toestand zijn. Dit levert bepaalde moeilijkheden op. Er zijn bijvoorbeeld speciale dure compressoren nodig om lichte gassen te comprimeren. Er is ook een probleem met de juiste opslag en transport van brandstof, aangezien deze licht ontvlambaar is;
• De cilinder die op de auto wordt gemonteerd, moet periodiek worden gecontroleerd. Hiervoor moet de automobilist een gespecialiseerd centrum bezoeken en dit zijn extra kosten;
• Een waterstofauto gebruikt geen enorme batterij, maar de installatie weegt nog steeds behoorlijk, wat de dynamische eigenschappen van het voertuig aanzienlijk beïnvloedt;
• Waterstof - ontbrandt bij de minste vonk, dus een ongeval met een dergelijke auto gaat gepaard met een ernstige explosie. Gezien de onverantwoordelijke houding van sommige automobilisten ten opzichte van hun eigen veiligheid en het leven van andere weggebruikers, kunnen dergelijke voertuigen nog niet op de weg worden vrijgelaten.

Gezien het belang van de mensheid bij een schoner milieu, kunnen we verwachten dat er een doorbraak zal komen in de afronding van het "groene" transport. Maar als dit gebeurt, zal alleen de tijd het leren.

Bekijk in de tussentijd de videobeoordeling van de Toyota Mirai:

Toekomst op waterstof? Toyota Mirai - VOLLEDIGE REVIEW en specificaties | LiveFEED®

Vragen en antwoorden:

Waarom is een waterstofmotor gevaarlijk? Bij de verbranding van het waterstofmengsel warmt de motor meer op dan bij de verbranding van benzine. Als gevolg hiervan is er een grote kans op burn-out van zuigers, kleppen en overbelasting van de unit.

Hoe een waterstofauto tanken? Zo'n auto rijdt op waterstof in gasvormige toestand (vloeibaar of gecomprimeerd gas). Om brandstof op te slaan, wordt het gecomprimeerd tot 350-700 atmosfeer en kan de temperatuur -259 graden bereiken.

Hoe werkt een waterstof verbrandingsmotor? De auto is voorzien van een soort accu. Zuurstof en waterstof passeren speciale platen. Het resultaat is een chemische reactie waarbij waterdamp en elektriciteit vrijkomen.