Водородные двигатели: как они работают и почему они являются ключом к будущему
Водородные двигатели по-прежнему остаются одним из наиболее многообещающих вариантов будущего экологически чистого автомобилестроения. Несмотря на некоторые технические и логистические проблемы, эта технология вызвала растущий интерес к таким крупным брендам, как Toyota, BMW, Mazda, Hyundai и Ford, которые уже вложили значительные ресурсы в разработку этих систем. В настоящее время в промышленности выделяют два основных типа водородных двигателей: водородные двигатели внутреннего сгорания и двигатели на топливных элементах.
В этой статье мы объясним работа водородных двигателей, их основные характеристики, преимущества и недостатки каждой из систем, а также то, как они могут повлиять на будущее транспорта.
Как работает двигатель внутреннего сгорания на водороде?
Водородный двигатель внутреннего сгорания работает очень похоже на традиционный бензиновый или дизельный двигатель внутреннего сгорания, но с одним существенным отличием: в качестве топлива он использует водород вместо нефтепродуктов. В этом случае водород смешивается с кислородом внутри камеры сгорания и воспламеняется от искры, точно так же, как и в обычном двигателе. Этот процесс высвобождает энергию, которая приводит в движение поршни и создает механическое движение.
Одним из основных преимуществ двигателя этого типа является то, что он не производит углекислый газ (CO2), а выбрасывает его в атмосферу. водяной пар как побочный продукт. Однако из-за высоких температур, достигаемых во время сгорания, образуются оксиды азота (NOx), которые продолжают загрязнять окружающую среду. Чтобы смягчить эту проблему, некоторые решения включают впрыск воды в систему впуска - метод, который, как было показано, значительно снижает образование NOx.
Однако двигатели внутреннего сгорания на водороде также сталкиваются с проблемами, связанными с плотность энергии водорода, что ниже, чем у других жидких видов топлива. Это означает, что для выполнения той же работы, что и бензиновый двигатель, необходимо большее количество водорода. Хотя они могут работать на альтернативных видах топлива, таких как КПГ или СНГ, хранение остается проблемой, поскольку водород необходимо хранить при очень высоком давлении, обычно 700 бар, что предполагает использование очень дорогих специализированных резервуаров.
Примеры водородных двигателей
Ярким примером водородного двигателя является БМВ 750 гл, который был одним из первых транспортных средств, использующих жидкий водород в качестве топлива. Эта модель требовала чрезвычайно низких температур (-253°C) для эффективного хранения водорода в специальных резервуарах. Несмотря на то, что новые разработки превзошли его, он стал важной вехой в развитии этой технологии.
Другое дело - двигатель Водородный Водолей, разработанный израильской компанией. Этот двигатель отличается тем, что не требует смазочного масла, что упрощает его обслуживание. Кроме того, его инновационная система сводит к минимуму выбросы NOx, а благодаря своей легкости и низкой стоимости она представляет собой жизнеспособный вариант как для транспортных средств, так и для генераторов энергии.
Как работает водородный двигатель на топливных элементах
В отличие от двигателей внутреннего сгорания двигатели внутреннего сгорания топливная ячейка Они преобразуют водород в электричество посредством электрохимического процесса, называемого обратным электролизом. Когда водород, хранящийся в резервуарах, соединяется с кислородом в топливном элементе, вырабатывается электричество, которое приводит в действие электродвигатель, а единственным побочным продуктом является чистая вода.
Этот процесс гораздо более эффективен, чем сжигание водорода, и, что самое главное, не выделяет загрязняющих веществ. Однако высокая стоимость производства топливных элементов является ключевым препятствием. В настоящее время платина используется в качестве катализатора в этом процессе, но некоторые исследователи ищут более доступные альтернативы, такие как ферросплавы, чтобы снизить стоимость.
Отличным примером технологии топливных элементов является Тойота Мирай, который привлек внимание своими характеристиками и способностью преодолевать на водородном заряде до 650 км. Этот тип технологии идеально подходит для транспортных средств, которые путешествуют на большие расстояния, таких как грузовики или автобусы, благодаря большей автономности, которую они предлагают по сравнению с обычными электромобилями.
Преимущества и недостатки водородного двигателя
Водородные двигатели, как внутреннего сгорания, так и топливные элементы, предлагают ряд преимущество y проблемы, которые необходимо взвесить перед широким распространением:
- Преимущества:
- Время заправки водородом значительно короче (менее 5 минут) по сравнению с зарядкой электрических батарей.
- Выбросы намного ниже или нулевые, в зависимости от используемой системы.
- Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, что делает его долгосрочным устойчивым вариантом.
- Водородные автомобили, такие как Hyundai Nexo, могут очищать воздух, в котором они циркулируют, что способствует улучшению городской экологии.
- Недостатки:
- Стоимость производства топливных элементов и инфраструктуры хранения водорода остается высокой.
- Инфраструктура заправки водородом ограничена: в большинстве стран имеется несколько станций.
- Процесс производства водорода не всегда чист, особенно если он получен из невозобновляемых источников.
Автономность и безопасность водородных автомобилей
Водородные автомобили выделяются своими автономия, достигая показателей, сопоставимых с показателями бензиновых автомобилей. Такие модели, как Хендай Нексо Они обеспечивают запас хода до 666 км, тогда как у Toyota Mirai он превышает 650 км. Это делает водородные автомобили весьма конкурентоспособными с точки зрения мобильности на дальние расстояния.
Что же касается безопасностьКак уверяет Toyota в своей модели Mirai, баки с водородом спроектированы так, чтобы выдерживать очень высокое давление и даже пули. За последние годы инфраструктура и стандарты безопасности для водородных транспортных средств прошли долгий путь, в результате чего появились транспортные средства, которые так же безопасны, как их бензиновые или дизельные аналоги.
Будущее водорода в автомобильной промышленности продолжает развиваться. С развитием технологий внутреннего сгорания и топливных элементов, а также развитием более эффективной инфраструктуры мы, вероятно, увидим рост использования транспортных средств, работающих на водороде.