Motor a hidrogênio. Como funciona e desvantagens

Os motores de combustão interna não aparecem dramaticamente como unidades de potência separadas. Em vez disso, o motor clássico surgiu como resultado do refinamento e da melhoria dos motores térmicos. Leia sobre como a unidade, que estamos acostumados a ver sob o capô dos carros, apareceu gradualmente. em um artigo separado.

Porém, quando surgiu o primeiro carro equipado com motor de combustão interna, a humanidade recebeu um veículo automotor que não necessitava de alimentação constante, como um cavalo. Muitas coisas mudaram nos motores desde 1885, mas uma desvantagem permanece inalterada. Durante a combustão de uma mistura de gasolina (ou outro combustível) e ar, muitas substâncias nocivas são liberadas e poluem o meio ambiente.

Se antes do advento dos veículos automotores os arquitetos dos países europeus temiam que as grandes cidades se afogassem em esterco de cavalo, hoje os habitantes das megacidades respiram ar sujo.

Os rígidos padrões ambientais para transporte estão forçando os fabricantes de veículos a desenvolver um trem de força mais limpo. Assim, muitas empresas se interessaram pela tecnologia anteriormente criada do Anjos Jedlik - um carrinho autopropelido com tração elétrica, que surgiu em 1828. E hoje essa tecnologia está tão firmemente estabelecida no mundo automotivo que você não vai surpreender ninguém com um carro elétrico ou híbrido.

Mas o que é realmente encorajador são as usinas, cuja única saída é água potável. É um motor a hidrogênio.

O que é um motor a hidrogênio?

Este é um tipo de motor que usa hidrogênio como combustível. O uso deste elemento químico reduzirá o esgotamento dos recursos de hidrocarbonetos. O segundo motivo do interesse em tais instalações é a redução da poluição ambiental.

Dependendo do tipo de motor a ser utilizado no transporte, seu funcionamento será diferente do clássico motor de combustão interna ou será idêntico.

Uma Breve História

Os motores de combustão interna a hidrogênio surgiram no mesmo período em que o princípio ICE estava sendo desenvolvido e aprimorado. Um engenheiro e inventor francês projetou sua própria versão de um motor de combustão interna. O combustível que utilizou em seu desenvolvimento é o hidrogênio, que surge como resultado da eletrólise do H₂A. Em 1807, o primeiro carro a hidrogênio apareceu.

Isaac De Rivaz em 1807 depositou uma patente para o desenvolvimento de um trator para equipamento militar. como uma das unidades de energia, ele sugeriu o uso de hidrogênio.

A unidade de força era de pistão, e a ignição nela se devia à formação de uma faísca no cilindro. É verdade que a primeira criação do inventor precisava da geração manual de faíscas. Após apenas dois anos, ele finalizou seu trabalho, e o primeiro veículo automotor a hidrogênio nasceu.

Porém, naquela época, o desenvolvimento não tinha importância, pois o gás não é tão fácil de obter e armazenar como a gasolina. Motores de hidrogênio foram praticamente usados ​​em Leningrado durante o bloqueio da segunda metade de 1941. Porém, devemos admitir que estas não eram unidades exclusivamente de hidrogênio. Eram motores de combustão interna GAZ comuns, só que não havia combustível para eles, mas havia bastante gás na época, já que eram abastecidos por balões.

Na primeira metade da década de 80, muitos países, não só europeus, mas também Estados Unidos, Rússia e Japão, se comprometeram a experimentar este tipo de instalações. Assim, em 1982, com o trabalho conjunto da fábrica Kvant e da empresa automobilística RAF, surgiu um motor combinado, que funcionava com uma mistura de hidrogênio e ar, e uma bateria de 5 kW / h foi usada como fonte de energia.

Desde então, houve tentativas de diferentes países para introduzir veículos "verdes" em suas linhas de modelos, mas na maioria dos casos esses carros permaneceram na categoria de protótipos ou tiveram uma edição muito limitada.

Como funciona

Como hoje existem muitos motores desta categoria em operação, em cada caso individual a planta de hidrogênio operará de acordo com seu próprio princípio. Considere como funciona uma modificação que pode substituir o motor de combustão interna clássico.

Esse motor definitivamente usará células de combustível. Eles são uma espécie de geradores que ativam uma reação eletroquímica. Dentro do dispositivo, o hidrogênio é oxidado e a reação resulta na liberação de eletricidade, vapor d'água e nitrogênio. O dióxido de carbono não é emitido em tal instalação.

Um veículo baseado em uma unidade semelhante é o mesmo veículo elétrico, apenas a bateria nele é muito menor. A célula de combustível gera energia suficiente para operar todos os sistemas do veículo. A única ressalva é que desde o início do processo até a geração de energia, pode demorar cerca de 2 minutos. Mas a produção máxima da instalação começa após o aquecimento do sistema, que leva de um quarto de hora a 60 minutos.

Para que a usina não funcione em vão, e não seja necessário preparar o transporte para a viagem com antecedência, é instalada uma bateria convencional. Durante a condução, é recarregado para recuperação, sendo necessário exclusivamente para dar partida no carro.

Esse carro é equipado com um cilindro de diferentes volumes, no qual o hidrogênio é bombeado. Dependendo do modo de condução, do tamanho do carro e da potência da instalação elétrica, um quilograma de gás pode ser suficiente para 100 quilômetros de viagem.

Tipos de motor a hidrogênio

Embora haja várias modificações nos motores a hidrogênio, todos eles se enquadram em dois tipos:

• Tipo de unidade com célula a combustível;
• Motor de combustão interna modificado, adaptado para funcionar com hidrogênio.

Vamos considerar cada tipo separadamente: quais são suas características.

Usinas de energia baseadas em células de combustível de hidrogênio

A célula a combustível é baseada no princípio de uma bateria, na qual ocorre um processo eletroquímico. A única diferença entre o análogo do hidrogênio é sua maior eficiência (em alguns casos, mais de 45 por cento).

A célula de combustível é uma única câmara na qual dois elementos são colocados: o cátodo e o ânodo. Ambos os eletrodos são revestidos de platina (ou paládio). Uma membrana está localizada entre eles. Ele divide a cavidade em duas câmaras. O oxigênio é fornecido para a cavidade com o cátodo, e o hidrogênio é fornecido para o segundo.

Como resultado, ocorre uma reação química, cujo resultado é a combinação de moléculas de oxigênio e hidrogênio com a liberação de eletricidade. Um efeito colateral do processo é a liberação de água e nitrogênio. Os eletrodos da célula de combustível são conectados ao circuito elétrico do carro, incluindo o motor elétrico.

Motores de combustão interna de hidrogênio

Nesse caso, embora o motor seja denominado hidrogênio, ele possui uma estrutura idêntica a um ICE convencional. A única diferença é que não é a gasolina ou o propano que queima, mas o hidrogênio. Se você encher o cilindro com hidrogênio, haverá um problema - esse gás reduzirá a eficiência de uma unidade convencional em cerca de 60%.

Aqui estão alguns outros problemas com a mudança para hidrogênio sem atualizar o motor:

• Quando o HTS é comprimido, o gás entra em uma reação química com o metal do qual a câmara de combustão e o pistão são feitos, e muitas vezes isso também pode acontecer com o óleo do motor. Por causa disso, outro composto é formado na câmara de combustão, que não difere na capacidade especial de queimar bem;
• As folgas da câmara de combustão devem ser perfeitas. Se em algum lugar o sistema de combustível tiver pelo menos vazamento mínimo, o gás irá inflamar facilmente ao entrar em contato com objetos quentes.

Motor para Honda Clarity

Por essas razões, é mais prático usar hidrogênio como combustível em motores rotativos (qual é a sua característica, leia aqui) Os coletores de admissão e exaustão dessas unidades estão localizados separadamente um do outro, de modo que o gás na entrada não aquece. Seja como for, enquanto os motores vão sendo modernizados para contornar os problemas de utilização de um combustível mais barato e amigo do ambiente.

Qual é a vida útil das células de combustível?

Em todo o mundo hoje, esses carros são muito raros e ainda não estão na série, é difícil dizer quais recursos uma determinada fonte de energia possui. Os artesãos ainda não têm experiência nesse sentido.

A única coisa que se pode dizer é que, segundo representantes da Toyota, a célula de combustível de seu carro de produção Mirai é capaz de gerar energia ininterruptamente até 250 mil quilômetros. Após este marco, você precisa monitorar a eficácia do dispositivo. Se seu desempenho diminuiu visivelmente, a célula de combustível é trocada em um centro de serviço autorizado. É verdade que se deve esperar que a empresa receba uma quantia decente por esse procedimento.

Quais empresas já estão fabricando ou vão fabricar carros a hidrogênio?

Muitas empresas estão empenhadas no desenvolvimento de uma unidade de energia que não agride o meio ambiente. Aqui estão as marcas de automóveis, no bureau de design das quais já existem opções em funcionamento, prontas para entrar em série:

• Mercedes-Benz é um crossover GLC F-Cell, cujo início de vendas foi anunciado em 2018, mas até agora apenas algumas empresas e ministérios da Alemanha o adquiriram. Um protótipo de unidade de trator com célula de combustível de hidrogênio, o GenH2, foi recentemente revelado;
• Hyundai - protótipo Nexo lançado há dois anos;
• BMW é um protótipo do hidrogênio Hydrogen 7, que saiu da linha de montagem. Um lote de 100 exemplares permaneceu em fase experimental, mas isso já é alguma coisa.

Entre os stock cars que podem ser adquiridos na América e na Europa estão os modelos Mirai e Clarity da Toyota e da Honda, respectivamente. Para o resto das empresas, este desenvolvimento ainda se encontra na versão em desenho ou como protótipo inoperante.

Toyota mirai

Clareza Honda

Quanto custa um carro movido a hidrogênio?

O custo de um carro a hidrogênio é decente. A razão para isso são os metais preciosos que fazem parte dos eletrodos das células a combustível (paládio ou platina). Além disso, um carro moderno é equipado com inúmeros sistemas de segurança e estabilização do funcionamento dos elementos elétricos, o que também requer recursos materiais.

Embora a manutenção de tal carro (até o momento em que as células de combustível sejam substituídas) não seja muito mais cara do que um carro comum das últimas gerações. Existem países que patrocinam a produção de hidrogênio, mas mesmo assim, você terá que pagar em média 11 dólares e meio por quilo de gás. Dependendo do tipo de motor, isso pode ser suficiente para uma distância de cerca de cem quilômetros.

Por que os carros a hidrogênio são melhores do que os elétricos?

Se você pegar uma usina de hidrogênio com células de combustível, esse carro será idêntico ao carro elétrico que estamos acostumados a ver nas estradas. A única diferença é que o carro elétrico é carregado na rede ou no terminal de um posto de gasolina. O próprio transporte de hidrogênio gera eletricidade para si mesmo.

Quanto ao custo desses carros, eles são mais caros. Por exemplo, os modelos básicos do Tesla custarão a partir de US $ 45 mil. Análogos de hidrogênio do Japão podem ser adquiridos por 57 mil unidades. Os bávaros, por outro lado, vendem seus carros com combustível "verde" a um preço de US $ 50.

Se levarmos em conta a praticidade, é mais fácil reabastecer o carro (levará cerca de cinco minutos) do que esperar meia hora (com recarga rápida, que não é permitida para todos os tipos de baterias) no estacionamento. Este é o ponto positivo das plantas de hidrogênio.

Outra vantagem - as células de combustível não precisam de manutenção, e sua vida útil é muito grande. Quanto aos veículos elétricos, sua enorme bateria precisará ser substituída em cerca de cinco anos devido ao fato de ter muitos ciclos de carga-descarga. Em temperaturas congelantes, a bateria dos veículos elétricos descarrega muito mais rápido do que no verão. Mas o elemento na reação de oxidação do hidrogênio não sofre com isso e produz eletricidade de forma estável.

Quais são as perspectivas para os carros a hidrogênio e quando eles serão vistos na estrada?

Na Europa e nos Estados Unidos, o carro a hidrogênio já pode ser encontrado. No entanto, eles ainda estão na categoria de curiosidade. E hoje existem poucas perspectivas.

A principal razão pela qual esse tipo de transporte não vai encher tão cedo as estradas de todos os países é a falta de capacidade de produção. Primeiro, é necessário estabelecer a produção de hidrogênio. Além disso, é necessário atingir um nível tal que, além do respeito ao meio ambiente, seja também combustível à disposição da maioria dos motoristas. Além da produção desse gás, é necessário organizar o seu transporte (embora para isso você possa utilizar com segurança as rodovias pelas quais o metano é transportado), bem como equipar diversos postos com terminais adequados.

Em segundo lugar, cada montadora terá que modernizar seriamente as linhas de produção, o que requer muito investimento. Em uma economia instável devido à eclosão de uma epidemia global, poucos assumirão esses riscos.

Se você olhar para o ritmo de desenvolvimento do transporte elétrico, o processo de popularização ocorreu muito rapidamente. No entanto, o motivo da popularidade dos carros elétricos é a capacidade de economizar combustível. E muitas vezes esse é o primeiro motivo pelo qual eles são comprados, e não por uma questão de preservação do meio ambiente. No caso do hidrogênio, não será possível economizar (pelo menos agora), pois gasta-se muito mais energia em sua produção.

Prós e principais desvantagens dos motores a hidrogênio

Então, vamos resumir. As vantagens dos motores movidos a hidrogênio incluem os seguintes fatores:

• Emissão ambientalmente correta;
• Operação silenciosa da unidade de potência (tração elétrica);
• No caso de uma célula de combustível, a manutenção frequente não é necessária;
• Reabastecimento rápido;
• Em comparação com os veículos elétricos, o sistema de propulsão e a fonte de energia operam de forma mais estável, mesmo em temperaturas de congelamento.

Embora o desenvolvimento não possa ser considerado uma novidade, ele ainda tem uma série de deficiências que induzem o motorista médio a olhar para ele com cautela. Aqui estão alguns deles:

• Para o hidrogênio entrar em ignição, ele deve estar em um estado gasoso. Isso cria certas dificuldades. Por exemplo, compressores especiais caros são necessários para comprimir gases leves. Também há um problema com o armazenamento e transporte adequados de combustível, pois é altamente inflamável;
• O cilindro, que será instalado no carro, precisará ser verificado periodicamente. Para isso, o motorista precisará visitar um centro especializado, e isso tem um custo adicional;
• Em um carro movido a hidrogênio, uma bateria enorme não é usada, no entanto, a instalação ainda pesa decentemente, o que afeta significativamente as características dinâmicas do veículo;
• Hidrogênio - inflama à menor faísca, portanto, um acidente envolvendo esse carro será acompanhado por uma explosão grave. Dada a atitude irresponsável de alguns motoristas em relação à sua própria segurança e à vida de outros usuários da estrada, esses veículos ainda não podem ser liberados nas estradas.

Dado o interesse da humanidade por um ambiente mais limpo, podemos esperar que um avanço seja feito na questão de finalizar o transporte "verde". Mas quando isso acontecer, só o tempo dirá.

Enquanto isso, assista ao vídeo da análise do Toyota Mirai:

Futuro no hidrogênio? Toyota Mirai - REVISÃO COMPLETA e especificações | LiveFEED®

Perguntas e Respostas:

Por que um motor a hidrogênio é perigoso? Durante a combustão da mistura de hidrogênio, o motor esquenta mais do que durante a combustão da gasolina. Como resultado, existe uma grande probabilidade de queima de pistões, válvulas e sobrecarga da unidade.

Como reabastecer um carro a hidrogênio? Esse carro é abastecido com hidrogênio em estado gasoso (gás liquefeito ou comprimido). Para armazenar combustível, ele é comprimido a 350-700 atmosferas, e a temperatura pode chegar a -259 graus.

Como funciona um motor de combustão interna a hidrogênio? O carro está equipado com uma espécie de bateria. O oxigênio e o hidrogênio passam por placas especiais. O resultado é uma reação química com liberação de vapor d'água e eletricidade.