محرك السيارة الهيدروجيني: علاج لإدمان الزيت. بدأت شركة تويوتا في بيع سيارة تعمل بالهيدروجين كيف يعمل محرك الهيدروجين؟

الهيدروجين (H2) هو وقود بديل يتم الحصول عليه من الهيدروكربونات والكتلة الحيوية والنفايات. يتم وضع الهيدروجين في خلايا الوقود (مثل خزان الغاز للوقود) ويتم دفع السيارة باستخدام طاقة الهيدروجين.

في حين أن الهيدروجين لا يُنظر إليه حاليًا إلا كوقود بديل للمستقبل، تعمل الحكومة والصناعة على إنتاج الهيدروجين بشكل نظيف واقتصادي وآمن للسيارات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود (FCEVs). يتم طرح مركبات FCEV بالفعل في الأسواق في المناطق التي تكون فيها البنية التحتية للتزود بالوقود الهيدروجيني ضعيفة التطور. يتطور السوق أيضًا للمعدات الخاصة: الحافلات، ومعدات مناولة المواد (على سبيل المثال، الرافعات الشوكية)، ومعدات الدعم الأرضي، والشاحنات المتوسطة والكبيرة.

تظهر سيارات الهيدروجين من تويوتا وجنرال موتورز وهوندا وهيونداي ومرسيدس بنز تدريجياً في شبكات الوكلاء. تكلف هذه السيارات حوالي 4-6 ملايين روبل (تويوتا ميراي - 4 ملايين روبل، هوندا إف سي إكس كلاريتي - 4 ملايين روبل).

يتم إنتاج إصدارات محدودة:

  • BMW Hydrogen 7 و Mazda RX-8 هيدروجين هي سيارات ركاب تعمل بالوقود المزدوج (بنزين / هيدروجين). يستخدم الهيدروجين السائل.
  • Audi A7 h-tron quattro هي سيارة ركاب هجينة تعمل بالهيدروجين الكهربائي.
  • هيونداي توسان FCEV
  • فورد إي-450. حافلة.
  • حافلات المدينة MAN Lion City Bus.

تم اختباره:

  • شركة فورد للسيارات - التركيز FCV؛
  • هوندا - هوندا إف سي إكس؛
  • هيونداي نيكسو
  • نيسان - X-TRAIL FCV (خلايا الوقود من UTC Power)؛
  • تويوتا - تويوتا هايلاندر FCHV
  • فولكس فاجن - مساحة أكبر!
  • المحركات العامة؛
  • دايملر إيه جي - مرسيدس بنز الفئة أ؛
  • Daimler AG - Mercedes-Benz Citaro (خلايا الوقود من شركة Ballard Power Systems)؛
  • تويوتا - FCHV-BUS؛
  • ثور للصناعات - (خلايا الوقود من شركة يو تي سي باور)؛
  • Irisbus - (خلايا الوقود من شركة UTC Power)؛

الهيدروجين متوفر بكثرة في البيئة. ويتم تخزينه في الماء (H2O)، والهيدروكربونات (الميثان، CH4) والمواد العضوية الأخرى. ومشكلة الهيدروجين كوقود هي كفاءة استخلاصه من هذه المركبات.

عند استخراج الهيدروجين، اعتمادًا على المصدر، يتم إطلاق مواد ضارة في الغلاف الجوي. بيئةالانبعاثات. وفي الوقت نفسه، فإن السيارة التي تعمل بالهيدروجين تنبعث منها فقط بخار الماء والهواء الدافئ كغازات عادم، ولا تصدر عنها أي انبعاثات.

الهيدروجين كوقود بديل

يرجع الاهتمام بالهيدروجين كوقود بديل للنقل إلى:

  • القدرة على استخدام خلايا الوقود في مركبات FCEV عديمة الانبعاثات؛
  • إمكانية الإنتاج المحلي؛
  • التزود بالوقود السريع للسيارات (3-5 دقائق)؛
  • ومن حيث الاستهلاك والسعر، فإن خلايا الوقود أكثر كفاءة بنسبة تصل إلى 80 بالمائة من البنزين العادي

وفي أوروبا، ستكلف تكلفة إعادة تعبئة خزان هيدروجين كامل بسعة 4.7 كيلوغرام 3369 روبل (717 روبل لكل كيلوغرام). على خزان ممتلئ، تسير تويوتا ميراي في المتوسط ​​600 كيلومتر، أي ما مجموعه 561 روبل لكل 100 كيلومتر. وللمقارنة فإن سعر بنزين 95 هو 101 روبل أي. 10 لترات من البنزين ستكلف 1010 روبل أو 6060 روبل لمسافة 600 كيلومتر. الأسعار لعام 2018.

بيانات الهيدروجين بالتجزئة محطات الوقود، والتي تم جمعها وتحليلها بواسطة المختبر الوطني للطاقة المتجددة، تظهر أن متوسط ​​الوقت لتزويد مركبة FCEV بالوقود أقل من 4 دقائق.

تعتبر خلية الوقود المقترنة بمحرك كهربائي أسرع مرتين إلى ثلاث مرات وأكثر كفاءة في استهلاك الوقود من محرك الاحتراق الداخلي الذي يعمل بالبنزين. يستخدم الهيدروجين أيضًا كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي (BMW Hydrogen 7 وMazda RX-8 هيدروجين). ومع ذلك، على عكس محركات FCEV، تنتج هذه المحركات غازات عادم ضارة، وليست قوية مثل غازات الهيدروجين وتكون عرضة للتآكل بشكل أسرع.

يحتوي كيلوغرام واحد من غاز الهيدروجين على نفس الطاقة التي يتمتع بها جالون واحد من البنزين (6.2 رطل، 2.8 كجم). نظرًا لأن الهيدروجين يتمتع بكثافة طاقة حجمية منخفضة، يتم تخزينه على متن الطائرة عربةعلى شكل غاز مضغوط. في السيارات، يتم تخزين الهيدروجين في خزانات الضغط العالي (خلايا الوقود) القادرة على تخزين الهيدروجين عند 5000 أو 10000 رطل لكل بوصة مربعة (psi). على سبيل المثال، تبلغ سعة مركبات FCEV التي تنتجها شركات صناعة السيارات والمتوفرة في صالات العرض 10000 رطل لكل بوصة مربعة. موزعات التجزئة، والتي توجد بشكل رئيسي في محطات الوقود، تملأ هذه الخزانات في 5 دقائق. ويجري أيضًا تطوير تقنيات تخزين أخرى، بما في ذلك المزيج الكيميائي للهيدروجين مع هيدريد المعدن أو مواد الامتصاص ذات درجة الحرارة المنخفضة.

لا توجد تقريبًا محطات للتزود بالوقود للسيارات الهيدروجينية، اتبع الديناميكيات - في عام 2006 كان هناك 140 محطة للتزود بالوقود في العالم، وبحلول عام 2008 كان هناك 175 محطة. تشعر أنه تم بناء 35 محطة في عامين، 45٪ منها في العالم. الولايات المتحدة الأمريكية وكندا. وبحلول عام 2018، سيكون عدد المحطات حوالي 300 وحدة. وهناك أيضًا محطات متنقلة ومحطات منزلية لا يُعرف عددها بالتحديد.

كيف تعمل خلية الوقود

ومن خلال ضخ الأكسجين والهيدروجين عبر الكاثودات والأنودات التي تتلامس مع المحفز البلاتيني، يحدث تفاعل كيميائي ينتج عنه الماء والتيار الكهربائي. هناك حاجة إلى مجموعة من عدة عناصر (خلايا) لزيادة الشحن بمقدار 0.7 فولت في خلية واحدة، مما يؤدي إلى زيادة الجهد.

فيما يلي رسم تخطيطي لكيفية صنع خلية الوقود.


أين يتم ملء المركبات بالهيدروجين

لن تبدأ ثورة خلايا وقود الهيدروجين بدون وجود عدد كافٍ من محطات تعبئة الهيدروجين للمستهلكين، لذا فإن الافتقار إلى البنية التحتية لمحطات تعبئة الهيدروجين لا يزال يعيق تطوير الهيدروجين باعتباره مصدرًا للطاقة. لقد رأى الأمريكيون منذ فترة طويلة مركبات تعمل بخلايا الوقود في شوارعهم، مثل Honda FCX Clarity، تنقل الأشخاص من وإلى العمل كل يوم. لماذا لا يوجد حتى الآن محطات وقود؟

نود أن نشير إلى أن المقال يناقش السوق الأمريكية، لأنه في روسيا لا يوجد ما يمكن الحديث عنه حول وقود الهيدروجين للسيارات، فهو ببساطة غير موجود هنا. والسبب ليس لوبي أقطاب النفط، بل فقط أن روسيا ليس لديها الاقتصاد المناسب لشركة AVTOVAZ لبدء البحث في هذا المجال. لقد قامت اليابان وأمريكا، على عكس روسيا، بالبحث عن مصدر الوقود البديل هذا لفترة طويلة وقطعتا شوطا طويلا (ظهرت أول سيارة هيدروجينية في الولايات المتحدة الأمريكية عام 1959)

قد يضطر المواطن الأمريكي العادي، اعتمادًا على المكان الذي يعيش فيه، إلى الانتظار لفترة أطول قليلاً حتى تصبح محطات وقود الهيدروجين متاحة. قبل خمس سنوات فقط، اتفق الرأي العام على أن "الهيدروجين طرق السيارات» سوف تحفز المستقبل. وفي الولايات المتحدة الأمريكية، تم التخطيط لبناء محطات على طول ساحل كاليفورنيا، من ولاية ماين إلى ميامي.

اتجاه إنشاء محطات تعبئة الهيدروجين

أمريكا الشمالية، كندا

تم بناء خمس محطات في كولومبيا البريطانية (المقاطعة الغربية لكندا) منذ عام 2005. لن يتم بناء المزيد من المحطات في كندا، وانتهى المشروع في مارس 2011.

الولايات المتحدة

أريزونا: تم بناء نموذج أولي لمحطة التزود بالوقود الهيدروجيني وفقًا لمعايير صديقة للبيئة في فينيكس لإثبات جدوى بناء محطات التزود بالوقود هذه في المناطق الحضرية.

كاليفورنيا: في عام 2013، وقع الحاكم براون على مشروع قانون لتمويل 20 مليونًا سنويًا لمدة 10 سنوات لـ 100 محطة. خصصت لجنة الطاقة في كاليفورنيا مبلغ 46.6 مليون دولار لـ 28 محطة سيتم الانتهاء منها في عام 2016، مما يجعل شبكة التزود بالوقود في كاليفورنيا تقترب أخيرًا من علامة 100 محطة. اعتبارًا من أغسطس 2018، هناك 35 محطة مفتوحة في كاليفورنيا، ومن المتوقع وجود 29 محطة أخرى بحلول عام 2020.

افتتحت هاواي أول محطة هيدروجين لها في هيكاما في عام 2009. في عام 2012، افتتحت شركة ألوها موتور محطة هيدروجين في هونولولو.

ماساتشوستس: أكملت شركة Air Liquide الفرنسية بناء محطة جديدة للتزود بالوقود الهيدروجيني في مانسفيلد في أكتوبر 2018. تقع محطة وقود الهيدروجين الوحيدة في ماساتشوستس في بيليريكا (عدد سكانها 40243 نسمة)، في المقر الرئيسي لشركة Nuvera Fuel Cells، وهي شركة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين.

ميشيغان: في عام 2000، افتتحت شركة Ford وAir Products أول محطة هيدروجين في أمريكا الشمالية في ديربورن بولاية ميشيغان.

أوهايو: في عام 2007، تم افتتاح محطة لتزويد الوقود بالهيدروجين في حرم جامعة ولاية أوهايو في مركز أبحاث السيارات. الوحيد في كل ولاية أوهايو.

فيرمونت: محطة الهيدروجين التي بنيت عام 2004 في برلينجتون. تم تمويل المشروع جزئيًا من خلال برنامج مياه الهيدروجين التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.

آسيا

اليابان: بين عامي 2002 و2010، تم إدخال العديد من محطات التزود بالوقود الهيدروجيني في اليابان في إطار مشروع JHFC لاختبار تقنيات إنتاج الهيدروجين. وفي نهاية عام 2012، تم تركيب 17 محطة هيدروجين، وتم تركيب 19 محطة في عام 2015. وتتوقع الحكومة إنشاء ما يصل إلى 100 محطة هيدروجين. وخصصت الميزانية لهذا الغرض 460 مليون دولار أمريكي تغطي 50% من نفقات المستثمرين. قامت شركة JX Energy بتركيب 40 محطة بحلول عام 2015 و60 محطة أخرى بين عامي 2016-2018. قامت شركة Toho Gas وIwatani Corp بتركيب 20 محطة في عام 2015. أنشأت تويوتا وإير ليكيد مشروعًا مشتركًا لبناء محطتين للهيدروجين، تم بناؤهما في عام 2015. قامت أوساكا غاز ببناء محطتين في 2014-2015.

كوريا الجنوبية: في عام 2014، قامت كوريا الجنوبية بتشغيل محطة هيدروجين واحدة مع 10 محطات إضافية مخطط لها في عام 2020.

أوروبا

اعتبارًا من عام 2016، هناك أكثر من 25 محطة تعمل في أوروبا، قادرة على ملء 4-5 سيارات يوميًا.

الدنمارك: في عام 2015 كان هناك 6 محطات عامة في شبكة الهيدروجين. تقوم شركة H2 Logic، وهي جزء من NEL ASA، ببناء مصنع في هيرنينغ لإنتاج 300 محطة سنويًا، يمكن لكل منها إنتاج 200 كجم من الهيدروجين يوميًا و100 كجم في 3 ساعات.

فنلندا: في عام 2016، هناك 2+1 محطة عامة (Voikoski، Vuosaari) تعمل في فنلندا، إحداهما متنقلة. تملأ المحطة سيارة بخمسة كيلوغرامات من الهيدروجين في ثلاث دقائق. يعمل مصنع لإنتاج الهيدروجين في كوكولا، فنلندا.

ألمانيا: اعتبارًا من سبتمبر 2013، هناك 15 محطة هيدروجين متاحة للعامة قيد التشغيل. يتم تشغيل معظم هذه المحطات، وليس كلها، من قبل شركاء شراكة الطاقة النظيفة (CEP). وفي إطار مبادرة H2 Mobility، من المقرر أن يرتفع عدد المحطات في ألمانيا إلى 400 محطة في عام 2023. سعر المشروع 350 مليون يورو.

أيسلندا: تم افتتاح أول محطة هيدروجين تجارية في عام 2003 كجزء من مبادرة البلاد للتوجه نحو "اقتصاد الهيدروجين".

إيطاليا: منذ عام 2015، تم افتتاح أول محطة هيدروجين تجارية في بولزانو.

هولندا: افتتحت هولندا أول محطة وقود عامة لها في 3 سبتمبر 2014 في رون بالقرب من روتردام. وتستخدم المحطة الهيدروجين من خط أنابيب من روتردام إلى بلجيكا.

النرويج: تم افتتاح أول محطة لتعبئة الهيدروجين في النرويج، هينور، في فبراير 2007. وتخطط Uno-X، بالشراكة مع NEL ASA، لبناء ما يصل إلى 20 محطة بحلول عام 2020، بما في ذلك محطة تنتج الهيدروجين في الموقع من الطاقة الشمسية الزائدة.

المملكة المتحدة

وفي عام 2011، تم افتتاح أول محطة عامة في سويندون. في عام 2014، افتتحت HyTec محطة London Hatton Cross. في 11 مارس 2015، افتتح مشروع توسيع شبكة الهيدروجين في لندن أول سوبر ماركت له، والذي يقع في محطة تعبئة الهيدروجين في هندون في سينسبري.

تتصدر كاليفورنيا المنحنى في تمويل وبناء محطات وقود الهيدروجين لمركبات FCEV. اعتبارًا من منتصف عام 2018، كان هناك 35 محطة هيدروجين للبيع بالتجزئة مفتوحة في كاليفورنيا، مع 22 أخرى في مراحل مختلفة من البناء أو التخطيط. وتستمر كاليفورنيا في تمويل تشييد البنية التحتية، وتتمتع لجنة الطاقة بسلطة تخصيص ما يصل إلى 20 مليون دولار سنويا حتى عام 2024 حتى يتم تشغيل 100 محطة. هناك خطط لبناء 12 محطة بيع بالتجزئة للولايات الشمالية الشرقية. سيتم افتتاح الأول بحلول نهاية عام 2018. تخدم المحطات غير التجارية في كاليفورنيا والمحطات المبنية في بقية الولايات المتحدة سيارات الركاب والحافلات FCEV، وتستخدم أيضًا لأغراض البحث والعرض التوضيحي.

تكاليف صيانة محطات الهيدروجين

لا يمكن لمحطات الهيدروجين أن تحل بسهولة محل الشبكة الواسعة من محطات الوقود (168.000 نقطة في أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية في عام 2004). استبدال محطات البنزين بمحطات الهيدروجين يكلف تريليون ونصف تريليون دولار أمريكي. وفي الوقت نفسه، يمكن أن يكون سعر إنشاء شبكة وقود الهيدروجين في أوروبا أقل بخمس مرات من سعر شبكة تعبئة السيارات الكهربائية. سعر محطة EV واحدة هو من 200000 إلى 1500000 روبل. سعر محطة الهيدروجين 3 مليون دولار. وفي الوقت نفسه، ستظل شبكة الهيدروجين أرخص من شبكة محطات السيارات الكهربائية من حيث الاسترداد. والسبب هو التزود بالوقود السريع للسيارات الهيدروجينية (3 إلى 5 دقائق). هناك عدد أقل من محطات الهيدروجين المطلوبة لكل مليون مركبة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين مقارنة بمحطات الشحن لكل مليون مركبة كهربائية تعمل بالبطارية.

في المستقبل، سيتم تحديد مسألة التزود بالوقود الهيدروجيني للشخص حسب مكان إقامته. ستقوم محطات الوقود بملء السيارات بالهيدروجين الذي يتم توصيله بواسطة ناقلات من مصانع إصلاح الوقود الكبيرة. لن تكون الإمدادات من هذه الشركات بأي حال من الأحوال أقل شأنا من إمدادات البنزين من مصافي النفط. وفي المستقبل، ستتعلم مصانع الهيدروجين المحلية كيفية الاستفادة من الموارد المحلية ومصادر الطاقة المتجددة.

طرق إنتاج الهيدروجين

  • إصلاح البخار للميثان والغاز الطبيعي؛
  • التحليل الكهربائي للمياه.
  • تغويز الفحم؛
  • الانحلال الحراري.
  • أكسدة جزئية
  • التكنولوجيا الحيوية

إصلاح غاز الميثان بالبخار

تنطبق طريقة فصل الهيدروجين عن طريق إعادة تشكيل الميثان بالبخار على الوقود الأحفوري، على سبيل المثال، الغاز الطبيعي - حيث يتم تسخينه وإضافة محفز. الغاز الطبيعي ليس مصدر طاقة متجددة، لكنه في الوقت الحالي متوفر ويتم استخراجه من أحشاء الأرض. وتقول وزارة الطاقة إن السيارات التي تعمل بالهيدروجين المعدل تنتج نصف انبعاثات السيارات التي تعمل بالبنزين. إن إنتاج الهيدروجين المصلح يجري بالفعل على قدم وساق، ومن الأرخص إنتاج الهيدروجين بهذه الطريقة مقارنة بالهيدروجين من مصادر أخرى.

تغويز الكتلة الحيوية

يتم إنتاج الهيدروجين أيضًا من الكتلة الحيوية - النفايات الزراعية والنفايات الحيوانية ومياه الصرف الصحي. وباستخدام عملية تسمى التغويز، يتم تعريض الكتلة الحيوية للحرارة والبخار والأكسجين لتكوين غاز، والذي ينتج بعد المعالجة الإضافية هيدروجينًا نقيًا. يقول جيمس وارنر، مدير السياسات في جمعية أبحاث الطاقة الهيدروجينية وخلايا الوقود: "هناك مدافن نفايات زراعية بأكملها - مصادر جاهزة للهيدروجين - يتم الاستهانة بإمكانياتها وإهدارها".

التحليل الكهربائي

التحليل الكهربائي هو عملية فصل الهيدروجين عن الماء باستخدام التيار الكهربائي. تبدو هذه الطريقة أبسط من العبث بالوقود الأحفوري وفضلات الحيوانات، لكن لها عيوبها. يعد التحليل الكهربائي تنافسيًا في المناطق التي تكون فيها الكهرباء رخيصة (في روسيا يمكن أن تكون منطقة إيركوتسك - 8 محطات طاقة لكل منطقة، 1 روبل و6 كوبيل لكل كيلووات في الساعة).

تستخدم محطات الهيدروجين الشمسية التابعة لشركة هوندا طاقة الشمس والمحلل الكهربائي لفصل "H" من "O" إلى H2O. بعد الانفصال، يتم تخزين الهيدروجين في خزان تحت ضغط 34.47 ميجاباسكال. باستخدام الطاقة الشمسية فقط، تنتج المحطة 5700 لتر من الهيدروجين سنويًا (هذا الوقود يكفي لسيارة واحدة بمتوسط ​​عدد الكيلومترات السنوية). وعند ربطها بالشبكة الكهربائية تنتج المحطة ما يصل إلى 26 ألف لتر سنويا.

يقول جيمس وارنر، مدير السياسات في جمعية أبحاث الطاقة الهيدروجينية وخلايا الوقود: "بمجرد أن يصبح للهيدروجين مكانة مناسبة في سوق الوقود، وبمجرد أن يكون هناك طلب عليه، فسوف يصبح من الواضح أي طريقة مربحة لاستخراج الهيدروجين". "ستتطلب بعض طرق إنتاج الهيدروجين قوانين جديدة لتنظيم إنتاجه. إذا كان هناك طلب مستمر على الهيدروجين، فسوف ترى كيف سيتم تنظيم قواعد استخدام النفايات الزراعية والمياه للتحليل الكهربائي.

يتم استخدام الجزء الأكبر من الهيدروجين المستخرج في الولايات المتحدة كل عام في تكرير البترول ومعالجة المعادن وإنتاج الأسمدة وتصنيع الأغذية.

تكنولوجيا السيارات الهيدروجينية الرخيصة وتطويرها

هناك عقبة أخرى أمام مصنعي سيارات الهيدروجين وهي سعر تكنولوجيا الهيدروجين. على سبيل المثال، اعتمدت مجموعة متنوعة من خلايا الوقود للسيارات حتى الآن على البلاتين كمحفز. إذا اضطررت إلى شراء خاتم من البلاتين لمن تحب، فأنت تعرف ارتفاع سعر المعدن.

لقد أثبت علماء من مختبر لوس ألاموس الوطني أن استبدال هذا المعدن الباهظ بمعدن أكثر شيوعًا - الحديد أو الكوبالت - كمحفز أمر ممكن. وقام علماء من جامعة كيس ويسترن ريزيرف بتطوير محفز مصنوع من أنابيب الكربون النانوية، وهي أرخص بـ 650 مرة من البلاتين. إن استبدال البلاتين كمحفز في خلايا الوقود سوف يقلل بشكل كبير من تكلفة تكنولوجيا خلايا وقود الهيدروجين.

البحث عن تحسين خلية وقود الهيدروجين لا ينتهي عند هذا الحد. تعمل مرسيدس على تطوير تقنية لضغط الهيدروجين إلى ضغط يبلغ 68.95 ميجا باسكال (ميجا باسكال) لاستيعاب المزيد من الوقود على متن السيارة، مع تخزين طاقة إضافي متطور. "إذا سارت الأمور على ما يرام، فسيصل مدى سيارات الهيدروجين إلى أكثر من 1000 كيلومتر." يقول الدكتور هربرت كوهلر، نائب رئيس شركة دايملر إيه جي.

وتقول وزارة الطاقة الأمريكية إن تكاليف تجميع مركبات خلايا الوقود انخفضت بنسبة 30 بالمائة خلال السنوات الثلاث الماضية وبنسبة 80 بالمائة خلال العقد الماضي. لقد تضاعف عمر خدمة خلايا الوقود، لكن هذا لا يكفي. لكي تتمكن من المنافسة مع السيارات الكهربائية، يجب مضاعفة عمر خدمة خلايا الوقود. تدوم المركبات الحالية التي تعمل بخلايا الوقود الهيدروجيني حوالي 2500 ساعة (أو حوالي 120 ألف كيلومتر)، لكن هذا ليس كافيًا. يقول أحد أعضاء المجلس العلمي للبرنامج الوزاري لخلايا الوقود: "للتنافس مع التقنيات الأخرى، عليك تحقيق نتيجة لا تقل عن 5000 ساعة".

سيؤدي تطوير تقنيات خلايا الوقود الهيدروجيني إلى تقليل تكلفة إنتاج السيارات من خلال تبسيط الآليات والأنظمة، لكن الشركات المصنعة لن تستفيد إلا من الإنتاج التسلسلي. من العوائق أمام الإنتاج الضخم لسيارات الهيدروجين هو عدم وجود توريد بالجملة لقطع غيار السيارات المزودة بخلية وقود الهيدروجين. حتى FCX Clarity، الذي هو قيد الإنتاج بالفعل، لا يتم تزويده بقطع غيار إضافية بأسعار الجملة (ببساطة لم يستخدموا البحث من). يقوم صانعو السيارات بحل المشكلة بطريقتهم الخاصة، حيث يقومون بتركيب خلايا وقود الهيدروجين في نماذج باهظة الثمن للاختبار. يتم إنتاج السيارات باهظة الثمن بكميات أقل من السيارات ذات الميزانية المحدودة، مما يعني عدم وجود مشاكل في توريد قطع الغيار لها. "نحن نقوم بإدخال تكنولوجيا الهيدروجين في السيارات الفاخرة ونراقب كيفية أدائها في الممارسة العملية. في حين أن السوق يقبل سيارات الهيدروجين، تماما كما كان يقبل التكنولوجيا الهجينة قبل 10 سنوات، فإن شركات صناعة السيارات تعمل على زيادة كميات نماذج الهيدروجين أسفل السلسلة إلى السيارات ذات الميزانية المحدودة، كما يقول ستيف إليس، مدير مبيعات مركبات خلايا الوقود في شركة هوندا.

خلايا الوقود بالوقود الهيدروجيني في الظروف الميدانية

ابتداءً من عام 2008، بدأت شركة هوندا برنامج تأجير محدود لعدد 200 سيارة سيدان من طراز FCX Clarity، والتي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين. ونتيجة لذلك، قام 24 عميلاً فقط من جنوب كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية بدفع رسوم شهرية قدرها 600 دولار لمدة ثلاث سنوات. وفي عام 2011، انتهى عقد الإيجار، وجددت شركة هوندا عقودها مع هؤلاء العملاء وأدرجت عملاء جدد في الحملة البحثية. إليك ما تعلمته الشركة جديدًا خلال بحثها:

  1. لم يواجه سائقو FCX Clarity أي مشكلة في السفر لمسافات قصيرة عبر مدينة لوس أنجلوس وخارجها (تدعي هوندا أن FCX لديها نطاق قيادة يصل إلى 435 كم).
  2. يعد الافتقار إلى البنية التحتية اللازمة عيبًا كبيرًا للمستأجرين الذين يعيشون بعيدًا عن محطات وقود الهيدروجين في كاليفورنيا. وتقع معظم المحطات بالقرب من لوس أنجلوس، حيث تربط المركبات بمنطقة طولها 240 كيلومترًا.
  3. في المتوسط، قطع السائقون 19.5 ألف كيلومتر في السنة. لقد تجاوز أحد المستأجرين الأوائل للتو علامة 60 ألف كيلومتر.
  4. يخضع البائعون الذين يستأجرون سيارات FCX Clarity لتدريب خاص حول "كيفية تدريب العملاء على التعامل مع سيارة الهيدروجين". يقول ستيف إليس، مدير مبيعات وتسويق خلايا الوقود في شركة هوندا: "يتم طرح أسئلة على مندوبي المبيعات كما لم يسمعوا بها من قبل".

هل سيحصل برنامج الهيدروجين على الدعم الحكومي؟

ويتفق مصنعو السيارات وبناة محطات الوقود على أنه لن يكون من الممكن خفض التكاليف على المدى القصير دون تدخل الحكومة. ومع ذلك، يبدو الأمر غير مرجح في الولايات المتحدة، مع كل عمليات الحقن النقدي الموصوفة من الإدارة المحلية للولايات والوزارات.

وفي عهد وزير الطاقة ستيفن تشو، حاولت إدارة أوباما مرارا وتكرارا خفض التمويل لبرنامج خلايا وقود الهيدروجين، ولكن حتى الآن تم إلغاء كل هذه التخفيضات من قبل الكونجرس.

يبدو التركيز على تكنولوجيا البطاريات قصير النظر في نظر المدافعين عن الهيدروجين. يقول ستيف إليس، المتحدث باسم شركة هوندا: "إنها تقنيات تكميلية". على سبيل المثال، يتم أيضًا نشر التكنولوجيا التي تم تطويرها لسيارة FCX في السيارة الكهربائية Fit. "نعتقد أن خلايا الوقود الهيدروجيني، إلى جانب السيارات الكهربائية، سوف تتفوق على جميع مصادر الطاقة البديلة في نهاية هذا العقد."

أولئك الذين يدفعون من جيوبهم الخاصة لبناء محطات وقود جديدة غير راضين أيضًا. ويقولون إنهم لن يرفضوا المساعدة الحكومية حتى يزداد الطلب على وقود الهيدروجين وتنخفض تكاليف مصادر الطاقة المتجددة.

يؤمن توم سوليفان باستقلالية الطاقة لدرجة أنه استثمر كل الأموال التي حصل عليها من سلسلة المتاجر الكبرى في شركة SunHydro، وهي شركة تقوم ببناء محطات تعبئة الهيدروجين التي تعمل بالطاقة الشمسية. ويعتقد توم أن التخفيضات الضريبية المستهدفة يمكن أن تشجع رجال الأعمال على الاستثمار في بناء محطات الهيدروجين التي تعمل بالطاقة الشمسية. يقول توم: "يجب أن يكون هناك حافز لحث الناس على الاستثمار في هذا النوع من الأعمال". "ربما لن يستثمر الأشخاص ذوو العقول السليمة الأموال في بناء محطات التزود بالوقود الهيدروجيني."

بالنسبة لشركة هوندا، ستيف إليس، فإن القضية عملية وسياسية في نفس الوقت. يقول ستيف: "تساعد تكنولوجيا الوقود الهيدروجيني المجتمع على توفير الوقود والحفاظ على البيئة. إذا كان الأمر كذلك، فهل سيساعد المجتمع نفسه في التحول إلى وقود بديل؟"

ومن عيوب مصادر الوقود البديلة المستخدمة بالفعل في السيارات مثل زيت نباتي(المزيد حول هذا هنا) أو الغاز الطبيعي، حيث أنه غير متجدد، على عكس وقود الهيدروجين.

نتيجة

عيوب وقود الهيدروجين:

  • إن إنتاج الهيدروجين ليس مثالياً بعد ويلوث البيئة؛
  • إن إنشاء شبكة من محطات تعبئة الهيدروجين أمر مكلف (واحد ونصف تريليون دولار أمريكي)؛
  • أصحاب السيارات مقيدون بمحطات الوقود (أنت رهينة ولاية كاليفورنيا، لا يمكنك الذهاب أبعد من ذلك).

الايجابيات وقود الهيدروجين:

  • سيارات الهيدروجين لا تصدر أي انبعاثات، ونحن نحمي البيئة؛
  • التزود بالوقود السريع (من 3 إلى 5 دقائق)؛
  • ومن الناحية الاقتصادية، يتفوق الهيدروجين سيارات البنزينبسعر استهلاك الوقود (600 كيلومتر مقابل 3369 روبل للهيدروجين مقابل 6060 روبل للسفر بالبنزين).

حان الآن وقت الفيديو العلمي!

تتطور صناعة السيارات الحديثة مع التركيز على إنتاج سيارات أكثر صداقة للبيئة. ويرجع ذلك إلى النضال العالمي من أجل الحصول على هواء نظيف عن طريق تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. كما أن الارتفاع المستمر في أسعار البنزين يجبر الشركات المصنعة على البحث عن مصادر أخرى للطاقة. تنتقل العديد من اهتمامات تصنيع السيارات الرائدة تدريجياً إلى الإنتاج الضخم للسيارات التي تعمل بالوقود البديل، الأمر الذي سيؤدي في المستقبل القريب جداً إلى ظهور عدد كافٍ على طرقات العالم ليس فقط السيارات الكهربائية، ولكن أيضاً السيارات ذات المحركات مدعوم بوقود الهيدروجين.

كيف تعمل سيارات الهيدروجين

تم تصميم السيارة التي تعمل بالهيدروجين لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وكذلك الشوائب الضارة الأخرى إلى الغلاف الجوي. يمكن استخدام الهيدروجين لدفع المركبات ذات العجلات بطريقتين مختلفتين:

  • استخدام محرك الاحتراق الداخلي الهيدروجيني (HICE)؛
  • تركيب وحدة طاقة كهربائية تعمل بخلايا الهيدروجين (HE).

بينما اعتدنا على تعبئة البنزين أو ديزلسيارتك، معجزة جديدة - تعمل بالعنصر الأكثر شيوعًا في الكون - الهيدروجين

تعد محركات الاحتراق المحمولة جواً بمثابة نظير للمحركات المستخدمة على نطاق واسع اليوم، والتي يستخدم البروبان الوقود لها. يعد طراز المحرك هذا هو الأسهل لإعادة تكوينه ليعمل بالهيدروجين. مبدأ عملها هو نفس مبدأ محرك البنزينيدخل الهيدروجين المسال فقط إلى غرفة الاحتراق بدلاً من البنزين. إن السيارة ذات مصدر الطاقة المتجددة هي في الواقع سيارة كهربائية. يعمل الهيدروجين هنا فقط كمادة خام لتوليد الكهرباء اللازمة لتشغيل محرك كهربائي.

يتكون عنصر الهيدروجين من الأجزاء التالية:

  • المساكن.
  • غشاء يسمح بمرور البروتونات فقط - فهو يقسم الحاوية إلى قسمين: الأنود والكاثود؛
  • الأنود المطلي بمحفز (البلاديوم أو البلاتين)؛
  • الكاثود مع نفس المحفز.

يعتمد مبدأ تشغيل VE على تفاعل فيزيائي وكيميائي يتكون مما يلي:


وبالتالي، عندما تتحرك السيارة، لا ينبعث ثاني أكسيد الكربون، بل ينبعث فقط بخار الماء والكهرباء وأكسيد النيتروجين.

الخصائص الرئيسية لسيارات الهيدروجين

لدى اللاعبين الرئيسيين في سوق السيارات بالفعل نماذج أولية لمنتجاتهم التي تستخدم الهيدروجين كوقود. من الممكن بالفعل تحديد الخصائص التقنية الفردية لهذه الآلات بالتأكيد:

  • السرعة القصوى تصل إلى 140 كم/ساعة؛
  • يبلغ متوسط ​​\u200b\u200bعدد الكيلومترات من عملية التزود بالوقود 300 كيلومتر (بعض الشركات المصنعة، على سبيل المثال، تويوتا أو هوندا، تدعي ضعف هذا الرقم - 650 أو 700 كيلومتر، على التوالي، على الهيدروجين وحده)؛
  • وقت التسارع إلى 100 كم/ساعة من الصفر إلى 9 ثوانٍ؛
  • قوة محطة توليد الكهرباء تصل إلى 153 حصانا.

وتستطيع هذه السيارة التسارع إلى 179 كم/ساعة، وتتسارع السيارة إلى 100 كم/ساعة في 9.6 ثانية، والأهم من ذلك أنها تستطيع قطع مسافة 482 كم دون التزود بالوقود الإضافي.

معلمات جيدة جدًا حتى بالنسبة لمحركات البنزين. لم يكن هناك حتى الآن تحول نحو محركات الاحتراق المحمولة جوا والتي تستخدم الهيدروجين المسال أو مركبات الطاقة المتجددة، وليس من الواضح أي من هذه الأنواع من المحركات سيحقق الأفضل الخصائص التقنيةوالمؤشرات الاقتصادية. ولكن اليوم، تم إنتاج المزيد من نماذج الآلات التي تعمل بالكهرباء والتي تعمل بمصادر الطاقة المتجددة، والتي توفر كفاءة أكبر. على الرغم من أن استهلاك الهيدروجين لإنتاج 1 كيلو واط من الطاقة يكون أقل في محرك الاحتراق الداخلي.

بالإضافة إلى ذلك، فإن إعادة تجهيز محرك الاحتراق الداخلي للهيدروجين لزيادة الكفاءة يتطلب تغيير نظام الإشعال في المنشأة. مشكلة الاحتراق السريع للمكابس والصمامات بسبب ارتفاع درجة حرارة احتراق الهيدروجين لم يتم حلها بعد. سيتم تحديد كل شيء هنا من خلال التطوير الإضافي لكلتا التقنيتين، بالإضافة إلى ديناميكيات الأسعار أثناء الانتقال إلى الإنتاج الضخم.

إيجابيات وسلبيات السيارات التي تعمل بالهيدروجين

من بين المزايا الرئيسية للمركبات الهيدروجينية ما يلي:

  • صداقة بيئية عالية، تتكون في غياب معظم المواد الضارة في العادم، وهي سمة من سمات تشغيل محرك البنزين - ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون، وأكاسيد وثاني أكسيد الكبريت، والألدهيدات، والهيدروكربونات العطرية؛
  • كفاءة أعلى مقارنة بسيارات البنزين.

بشكل عام السيارة لديها طموحات لغزو العالم كله
  • انخفاض مستوى الضوضاء من تشغيل المحرك؛
  • والافتقار إلى أنظمة إمدادات الوقود والتبريد المعقدة وغير الموثوقة؛
  • إمكانية استخدام نوعين من الوقود.

بالإضافة إلى ذلك، فإن السيارات التي تعمل بمحرك سحب الهواء لها وزن أقل وحجم مفيد أكثر، على الرغم من الحاجة إلى تركيب أسطوانات الوقود.

تشمل عيوب مركبات الهيدروجين ما يلي:

  • ضخامة محطة توليد الكهرباء عند استخدام خلايا الوقود، مما يقلل من قدرة السيارة على المناورة؛
  • ارتفاع تكلفة عناصر الهيدروجين نفسها بسبب ما تحتويه من البلاديوم أو البلاتين؛
  • التصميم غير المثالي وعدم اليقين في المواد المستخدمة لتصنيع خزانات وقود الهيدروجين؛
  • نقص تكنولوجيا تخزين الهيدروجين.
  • عدم وجود محطات تعبئة الهيدروجين، والبنية التحتية التي تم تطويرها بشكل سيء للغاية في جميع أنحاء العالم.

ومع ذلك، مع الانتقال إلى الإنتاج الضخم للسيارات المجهزة بمحطات الطاقة الهيدروجينية، سيتم بالتأكيد القضاء على معظم هذه العيوب.

ما هي السيارات التي تعمل بالهيدروجين والتي يتم إنتاجها بالفعل؟

تعمل شركات السيارات الرائدة في العالم مثل BMW و Mazda و Mercedes و Honda و MAN و Toyota و Daimler AG و General Motors في إنتاج سيارات وقود الهيدروجين. ومن بين النماذج التجريبية، وبعض الشركات المصنعة لديها بالفعل نماذج صغيرة الحجم، هناك سيارات تعمل بالهيدروجين فقط، أو مع إمكانية استخدام نوعين من الوقود، ما يسمى بالهجينة.

يتم بالفعل إنتاج النماذج التالية من مركبات الهيدروجين:

  • فورد فوكس FCV؛
  • مازدا RX-8 الهيدروجين.
  • مرسيدس بنز الفئة أ؛
  • هوندا إف سي إكس؛
  • تويوتا ميراي؛
  • الحافلات MAN Lion City Bus وFord E-450؛
  • سيارة BMW Hydrogen 7 الهجينة ذات الوقود المزدوج.

اليوم يمكننا أن نقول بالتأكيد أنه على الرغم من الصعوبات القائمة (الأشياء الجديدة تجد طريقها دائما بصعوبة)، فإن المستقبل ينتمي إلى سيارات أكثر صداقة للبيئة. السيارات التي تعمل بوقود الهيدروجين ستوفر منافسة جيدة للسيارات الكهربائية.

تعمل شركات السيارات على تطوير أنواع جديدة من المحركات لسيارات المستقبل. يعتمد بعض الأشخاص على المحركات الكهربائية، بينما يقوم البعض الآخر بتطوير محركات الهيدروجين. دعونا نلقي نظرة على محرك الهيدروجين ومزاياه.

كيف يعمل؟

تحتوي السيارة التي تعمل بوقود الهيدروجين على ما يسمى بخلية الوقود أو بشكل علمي المولد الكهروكيميائي. هذا نوع من البطاريات "الأبدية"، حيث يحدث تفاعل أكسدة الهيدروجين ويخرج بخار الماء النقي والنيتروجين والكهرباء. أولئك. إن عادم هذه السيارة الهيدروجينية صديق للبيئة، فهو لا يحتوي على ثاني أكسيد الكربون.

السيارة التي تعمل بخلايا الوقود هي في الأساس سيارة كهربائية. فقط مع بطارية أكثر إحكاما: السعة بطارية ليثيوم أيون 10 مرات أقل من السيارة الكهربائية التقليدية. هنا تكون البطارية مطلوبة فقط كمنطقة عازلة لتخزين الطاقة التي يتم الحصول عليها من الكبح المتجدد وللبدء السريع على البارد.

والحقيقة هي أن المصدر الرئيسي للطاقة - وحدة خلايا الوقود - لا يصل على الفور إلى وضع التشغيل. في النماذج الأولية لسيارات الهيدروجين، استغرق ذلك حوالي ساعة ونصف. أما في الأجهزة الحديثة، فلا يستغرق البدء في تحويل الهيدروجين والهواء إلى بخار ماء ونيتروجين وكهرباء أكثر من دقيقتين. ولكن بعد الاحماء درجة حرارة التشغيلعندما تصل كفاءة التركيب إلى 90%، يستغرق الأمر من 15 دقيقة إلى ساعة، حسب درجة الحرارة المحيطة.

تخزن الأسطوانات 5 كجم من الهيدروجين، مما يوفر مدى يصل إلى 500 كيلومتر. سيستغرق ملء الأسطوانات بالكامل ثلاث دقائق.

العيوب الرئيسية

العيب الرئيسي هو التكلفة العالية. بالإضافة إلى المولد الكهروكيميائي، والذي يمكن أن يكلف إنتاجه بكميات كبيرة أقل من بطاريات السيارات الكهربائية، هناك حاجة أيضًا إلى خزانات متينة وخفيفة الوزن. لهذا، يتم استخدام ألياف الكربون باهظة الثمن.

العيب الخطير التالي هو كفاءة استخدام الطاقة.إذا تم استخدام الهيدروجين فقط كحلقة وسيطة في سلسلة توصيل الطاقة من محطة توليد الكهرباء إلى عجلات السيارة، فإن الكفاءة لن تزيد عن 30٪، مع الأخذ في الاعتبار خسائر ضخ وتبريد الهيدروجين قبل التزود بالوقود. مقابل 70-80% للسيارات الكهربائية.

إذا حصلت على الهيدروجين من غاز البترول المصاحب، تصبح الكفاءة أعلى بما لا يقاس - تصل إلى 70%. صحيح، على حساب انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

إذا أنتجنا الآن سيارات بمحركات الهيدروجين، فمن أين يمكننا الحصول على عبوات جديدة؟ في أوروبا، يمكن إحصاء عدد محطات تعبئة الهيدروجين من ناحية، ولا نملكها على الإطلاق. في مثل هذه الحالات، اخترع المهندسون محركًا ثنائي التكافؤ يمكنه العمل بوقود الهيدروجين والبنزين في نفس الوقت. الآن لن يعتمد صاحب هذه السيارة على توفر وقود الهيدروجين في محطة الوقود.

كما ترى، في غضون خمس إلى عشر سنوات، عندما يزداد عدد محطات تعبئة الهيدروجين في أوروبا، ستعود سيارات الهيدروجين إلى الحياة. وحتى الآن، فإن الحقائق اليوم ليست وردية. لنأخذ على سبيل المثال تكلفة السيارة التي تعمل بخلايا الهيدروجين النقية - فهي تقريبًا ضعف تكلفة السيارة التقليدية. والإصدارات الهجينة أغلى بنسبة 20 بالمائة.

اليوم، تعمل جميع شركات صناعة السيارات في العالم تقريبًا على تطوير سيارات صديقة للبيئة شكل نقيوقود. يقول الخبراء أنه خلال 15-20 سنة سوف يتحول العالم بالكامل إلى هذا النوع من وسائل النقل. حتى الآن، تظل تويوتا الرائدة في هذا الشأن. بعد إطلاق سيارة بريموس الشهيرة، قرر اليابانيون المضي قدمًا وتطوير سيارة أخرى صديقة للبيئة - تويوتا ميراي بمحرك هيدروجين. وفي مقال اليوم سنلقي نظرة على كافة مميزات هذا المنتج الجديد، كما سندرج أيضًا جميع مزايا وعيوب استخدام سيارات الهيدروجين.

صفة مميزة

تعد تويوتا ميراي واحدة من أولى سيارات السيدان اليابانية الصنع التي قررت الشركة إنتاجها على نطاق واسع. بالمناسبة، كان قرار تسمية هذا النموذج ميراي له ما يبرره تماما، لأن هذه الكلمة المترجمة من اليابانية تعني "المستقبل النظيف".

تدعي الشركة المصنعة أن أول سيارة هيدروجينية من تويوتا ستختلف عن نظيراتها من خلال احتياطي الطاقة الكبير الذي يبلغ 480 كيلومترًا. وهذا يكفي تمامًا للاستخدام اليومي داخل المدينة وللسفر العائلي لمسافات طويلة. لكن بالنسبة للرحلات الطويلة، فلن يكون من الممكن القيام بها في مثل هذه السيارة بعد. وهنا لا يتعلق الأمر بموثوقية التصميم (كما هو الحال دائمًا، صنع اليابانيون السيارة بجودة عالية و"لعدة قرون")، بل يتعلق بعدم وجود محطات الوقود اللازمة. لكننا سنتحدث عن هذا بعد قليل.

ومن الجدير بالذكر أن ميراي ليست أول سيارة تعمل بالهيدروجين في العالم. تعمل تويوتا على تطوير نماذج السيارات الهجينة منذ عام 1997. عندها رأى الجمهور العالمي نموذج FCHV بمحرك هيدروجيني على شكل سيارة دفع رباعي. ومع ذلك، لم يجرؤ اليابانيون على إطلاقه في الإنتاج الضخم على نطاق واسع. في أغلب الأحيان، يمكن العثور على سيارة الجيب هذه في الوكالات الحكومية والمنظمات التي شاركت في اختبار هذا النوع من وسائل النقل. بالمناسبة، فهو يوحد بي ام دبليو وتويوتا. وقع الألمان عقدًا مع مهندسين يابانيين ويخططون لإنشاء سيارة سيدان BMW Hydrogen 7 Series جديدة صديقة للبيئة بحلول عام 2020.

إيجابيات سيارة الهيدروجين

لنبدأ بالفوائد. في البداية، لا ينبعث من محرك الوقود الهيدروجيني أي ملوثات، على عكس الديزل والبنزين. تجدر الإشارة إلى التكلفة المنخفضة لتشغيل هذا النوع من النقل. يمكن إنتاج الوقود نفسه (الهيدروجين) على نطاق صغير وكبير. سيؤدي هذا إلى استقرار الوضع بشكل كبير مع التغير المستمر في أسعار الوقود وتوزيعه بشكل أكثر عقلانية في العالم.

ما هي عيوب محرك وقود الهيدروجين؟

الآن دعونا نتحدث عن العيوب. العيب الرئيسي لهذا النوع من وسائل النقل هو أن محرك الهيدروجين (بما في ذلك Toyota FCV) أكثر انفجارًا من نظرائه الكلاسيكيين الذين يعملون بالديزل والبنزين. هذا يرجع إلى خاص التركيب الكيميائيهيدروجين. بالمناسبة، بالإضافة إلى كونها متفجرة، فهي شديدة التقلب. هذه الخاصية تجعل نقل المركبات وتزويدها بالوقود بالهيدروجين أكثر صعوبة. يقول الخبراء أيضًا أن خدمة مثل هذا التثبيت ستكون أكثر تكلفة من، على سبيل المثال، إصلاح محرك احتراق داخلي يعمل بالديزل (بسبب قلة عدد العمال الذين يعرفون الكثير عن هذا المجال). وبالطبع عدم وجود محطات تعبئة الهيدروجين. لا يوجد سوى عدد قليل منها في العالم، لذلك من الصعب جدًا استخدام مثل هذه السيارات الآن (خاصة وأن إعادة تزويد هذه السيارة بالوقود لا يمكن إجراؤها إلا بمساعدة معدات خاصة).

قضايا العرض

المشكلة الرئيسية في سيارات الهيدروجين هي عدم وجود محطات وقود حيث يمكن إعادة تزويدها بالوقود. وهذا هو السبب في أن السيارات الكهربائية أكثر صلة بالعالم، حيث يتم شحنها من منفذ عادي وحتى أثناء التنقل إذا كانت هناك بطارية شمسية على السطح. لكن إنتاج محطات الهيدروجين بدأ يتسارع بالفعل. إن خطط بناء 20 محطة وقود من هذا النوع في كاليفورنيا معروفة بالفعل. وفي حالة نمو المبيعات، سيتضاعف عدد محطات الوقود. بالمناسبة، تم اختيار هذه الولاية لسبب ما - ستبدأ مبيعات سيارات تويوتا التي تعمل بالهيدروجين في كاليفورنيا. لكننا سنتحدث عن المبيعات في نهاية المقال، ولكن الآن دعونا نلقي نظرة على المظهر الخارجي للمنتج الجديد.

تصميم

مظهر تويوتا ميراي الجديد مثير للإعجاب للغاية. "الجبهة" العدوانية الضخمة ذات المصد العريض القاسي والمصابيح الأمامية المائلة تلفت انتباهك على الفور. ربما تكون شبكة المبرد هي العنصر الأصغر والأكثر أهمية في الخارج.

ولكن حتى على قطعة صغيرة من البلاستيك، تمكن اليابانيون من وضع شعارهم المميز المصنوع بأسلوب الكروم. تتمتع السيارة بمساحة زجاجية جيدة. هذا ينطبق بشكل خاص على الزجاج الأمامي. لن يشعر السائق بـ "النقاط الميتة"، حيث أصبحت جميع الأحداث من حوله مرئية الآن بشكل كامل. يتمتع الجسم بميزات ديناميكية هوائية زاويّة وناعمة. كل هذا يجعل مظهر سيارة السيدان جديدًا وحديثًا وفريدًا من نوعه.

الداخلية

الجزء الداخلي من السيارة يشبه الجزء سفينة فضائية- الكثير من الأزرار والشاشات وأجهزة الاستشعار وجميع أنواع الأشياء الأخرى. ومن المثير للاهتمام أن اليابانيين لم يجرؤوا على إنفاق الأموال على تطوير خيارين للتخطيط الداخلي - للسوق الأوروبية والسوق المحلية. لقد قاموا بحل مشكلة إعادة ترتيب عجلة القيادة بكل بساطة عن طريق وضع جميع أدوات المعلومات المهمة في منتصف الطوربيد.

يتم وضع اللوحة نفسها بالقرب من الزجاج الأمامي وتمتد بعرضها بالكامل. علاوة على ذلك، يوجد كمبيوتر ضخم على متن الطائرة، وهو مجهز بوظيفة الملاح المدمجة. يوجد أسفله عرض آخر. ويتم فصلهما بواسطة قناتين هوائيتين عريضتين. يتم تكرار نفس العناصر على جوانب المرايا، فقط مع تقليم الكروم في الزاوية. المقودمجهزة أيضًا بأزرار جهاز التحكم. لا يوجد مقبض تروس في المقصورة - على الأرجح، يتم استخدام ناقل الحركة CVT أو ناقل الحركة الأوتوماتيكي. توجد مكبرات الصوت في الأبواب، وكذلك أزرار التحكم في النوافذ الكهربائية. تتميز عجلة القيادة بقبضة مريحة. بشكل عام، التصميم الداخلي مريح للغاية. وحتى على الرغم من كتلة الأزرار (خاصة وأن نصفها حساس للمس)، إلا أنها ليست مثقلة بعناصر غير ضرورية ويبدو أنها زاهدة إلى حد ما.

تحديد

أطلقت تويوتا سيارة بمحرك هيدروجيني يتمتع باحتياطي طاقة كبير. محطة توليد الكهرباء، وفقا للمصنعين، سيكون لها 153 حصانا، وهو ما يكفي تماما لسيارة من هذه الفئة. لا يتحدث اليابانيون عن محركات أخرى، وعلى الأرجح، سيدخل السوق تعديل واحد فقط للمنتج الجديد بوحدة صديقة للبيئة بقوة 153 حصانًا. يعمل محرك الهيدروجين (تويوتا ميراي 2015) بخلايا وقود خاصة. داخل الأخير يحدث تفاعل يشارك فيه الهيدروجين والأكسجين. نتيجة للتفاعل الكيميائي، يتم توليد طاقة قوية تعمل على تشغيل المحرك الكهربائي.

الديناميكيات وتكاليف التشغيل

تقول الشركة المصنعة أنه وفقًا للديناميكية مواصفات تويوتامع محرك الهيدروجين لا يختلف عن نظرائه البنزين. ويقدر التسارع من الصفر إلى "المئات" بـ 9 ثواني. وفي الوقت نفسه، يلاحظ المهندسون انخفاض تكلفة السفر.

تكلفة ملء الخزان لكل كيلومتر ستكون 10 سنتات فقط. وبالتالي، لقيادة السيارة مائة كيلومتر، تحتاج إلى إنفاق 10 دولارات فقط. ويمكنك تزويد سيارتك بالوقود خلال 5 دقائق فقط.

كيف يعمل محرك الهيدروجين؟

بالتأكيد فكر كل واحد منا في مبدأ تشغيل هذه الوحدة. حسنًا، دعونا ننظر إلى كيفية عمل محرك الهيدروجين فعليًا.

القوة الدافعة الرئيسية لهذه الآلات هي المولد الكهروكيميائي (وهو ما يسميه اليابانيون FC Stack). يحدث تفاعل داخل المولد الكهروكيميائي، مما يؤدي إلى أكسدة الهيدروجين. وخلال هذه الفترة يتم توليد الطاقة اللازمة، والتي يتم بعد ذلك إعادة توجيهها إلى بطارية مدمجة، يؤدي هذا الأخير وظيفة تشغيل المحرك الكهربائي، الذي يعمل على تشغيل السيارة. في أي شكل ينتج محرك الهيدروجين النفايات؟ ليس من قبيل الصدفة أن تسمى تويوتا ميراي سيارة صديقة للبيئة، لأنها كذلك لا تنتج غازات سامة على الإطلاق، بل ماء عادي.

كل هذا جيد جدًا، لكن هناك قوة تعيق تطوير هذا النوع من وسائل النقل. المشكلة الرئيسية هي أن عمليات إنتاج الوقود للسيارات الهيدروجينية متخلفة حاليًا وتتطلب مبالغ كبيرة من المال. علاوة على ذلك، عند إنتاج الهيدروجين، يتم استخدام مكونات مثل الفحم والميثان. فهي تلوث الجو بشكل كبير جداً، وبالتالي لا فائدة من استخدام مثل هذه المحركات من أجل “الحفاظ على البيئة”. بالطبع، لا توجد نفايات من احتراق هذا الوقود (المياه النظيفة)، ولكن من أجل تحضيره، من الضروري إفساد الجو بشكل كبير بالانبعاثات القذرة. ولذلك، يبحث المزيد والمزيد من المتخصصين عن استبدال محركات الاحتراق الداخلي الحالية بالألواح الشمسية.

بالمناسبة، الهيدروجين ليس نوعًا فريدًا من الوقود الذي يمكن استخدامه فقط في نوع واحد من المحركات. أظهرت الأبحاث أنه يمكن استخدام هذا المنتج أيضًا في محركات الاحتراق الداخلي الكلاسيكية. ومع ذلك، هناك عواقب لمثل هذا التفاعل. والحقيقة هي أن الهيدروجين، عند حرقه في محرك الاحتراق الداخلي، يطلق فقط ثلث الطاقة التي يمكن أن ينتجها في وحدة متخصصة. صحيح أن المهندسين تمكنوا من تصحيح هذا النقص. بفضل نظام الإشعال المعدل، لا تنخفض كفاءة هذه المحركات، بل على العكس من ذلك، تزيد بما يقرب من 1.5 مرة من الكفاءة المعتادة، مما يجعل تشغيل هذا الوقود أكثر ملاءمة ومعقولة من الناحية البيئية والمالية من الرأي.

ولكن لا تزال هناك مشاكل ليس فقط في مجال الكفاءة. وإذا تمكن المهندسون من زيادة الكفاءة من خلال تحسين نظام الإشعال، فإنهم غير قادرين على التعامل مع مشاكل مثل درجات حرارة الاحتراق المرتفعة في الغرفة، واحتراق المكابس والصمامات. بالمناسبة، أثناء التشغيل لفترة طويلة، الهيدروجين قادر على التفاعل مع المكونات الأخرى للمحرك، بما في ذلك مواد التشحيم. وبدونها يتآكل المحرك بسرعة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للهيدروجين، بسبب تقلبه، أن يتغلغل ويشتعل هناك. أما بالنسبة لمحركات الاحتراق الداخلي الدوارة، فنظرًا لتصميمها البسيط والمسافة الكبيرة بين المجمعات، فهي أكثر ملاءمة لاستخدام هذا الوقود باعتباره الوقود الرئيسي. عند هذه النقطة، يمكن اعتبار مسألة كيفية عمل محرك الهيدروجين مغلقة.

حول التكلفة

ووفقا للشركة المصنعة، ستبدأ مبيعات سيارات تويوتا ميراي في ربيع عام 2015. في البداية، سيكون المنتج الجديد متاحًا فقط في السوق المحلية، وفي الصيف سيظهر في الأسواق الأوروبية والأمريكية. السعر المبدئي لسيارة الهيدروجين تويوتا هو 57.5 ألف دولار. بالإضافة إلى ذلك، تعرض الشركة شراء هذه السيارة بالأجل بدفعة شهرية قدرها 500 دولار. ستكون المكافأة هي فرصة إعادة تزويد سيارتك بالوقود مجانًا لمدة عام في إحدى محطات الوقود في كاليفورنيا.

حتى الآن، لا يوجد لدى تويوتا اليابانية منافسين بين سيارات الهيدروجين. على الأقل سيكون هذا هو الحال حتى عام 2016. والحقيقة هي أنه في مارس 2016 هيدروجين جديد سيارة هوندا FCV. لكننا لن نتنبأ بمدى الشعبية التي ستحظى بها، ولكن في الوقت الحالي سننتظر بدء مبيعات سيارة تويوتا ميراي الجديدة.

خاتمة

لذلك، اكتشفنا سبب تميزه وكيف يعمل محرك الهيدروجين. تعد تويوتا واحدة من أوائل شركات صناعة السيارات التي فكرت جديًا في إطلاق "منتجها الصديق للبيئة" في الإنتاج الضخم. صحيح، حتى يتم حل مشكلة محطات الوقود وبطريقة أرخص، من غير المرجح أن تحقق الشركة نجاحًا كبيرًا في بيع مثل هذه السيارات.

وبعد استنفاد احتياطيات النفط الطبيعي، سيتعين على الناس الاعتماد كليا على أشكال بديلة لإنتاج الطاقة. يعد محرك الهيدروجين، كبديل لمحركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالذهب الأسود، أحد الآفاق المستقبلية للعقود المقبلة.

تتمتع محطات الطاقة من هذا النوع بكفاءة أكبر ودرجة أقل من سمية غاز العادم. ومع ذلك، فإن الميزة الرئيسية للمحركات التي تعمل بالهيدروجين هي الإمداد غير المحدود بالمواد الخام لإنتاج الوقود. يمكن أن يصبح الماء أساس وقود المستقبل.

نشأ الاهتمام باستخدام الهيدروجين خلال أزمة الوقود في السبعينيات، ولكن تم اختراع أول محرك هيدروجيني فقط في بداية القرن التاسع عشر. تم استخدام هذه التكنولوجيا بالفعل أثناء حصار لينينغراد، عندما تم تزويد روافع البالونات والمركبات بالهيدروجين.

على الرغم من المزايا الواضحة لمعرفة كيفية إنتاج الهيدروجين واستخدامه لتشغيل محرك الاحتراق الداخلي، إلا أن هناك العديد من "الاستثناءات" المهمة التي تبطئ تنفيذ هذه التكنولوجيا التقدمية.

مميزات الهيدروجين كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي

  • بعد الاحتراق، يبقى بخار الماء فقط؛
  • يحدث التفاعل بشكل أسرع بكثير مما هو عليه في حالة البنزين أو الديزل.
  • تسمح لك مقاومة التفجير بزيادة نسبة الضغط.
  • نظرًا لتقلبه ، فإن الهيدروجين قادر على اختراق أصغر التجاويف والفجوات بين الأجزاء (فقط السبائك الخاصة ذات القوة المتزايدة هي القادرة على تحمل التأثيرات المدمرة للهيدروجين على الهيكل المعدني) ؛
  • نقل الحرارة من احتراق الهيدروجين أكبر بمقدار 2.5 مرة من خليط البنزين.
  • مجموعة واسعة من الاستجابة. الحد الأدنى لنسبة الهيدروجين الكافية للتفاعل مع الأكسجين هو 4% فقط. تتيح لك هذه الميزة ضبط أوضاع تشغيل المحرك عن طريق تحديد جرعات الخليط؛
  • يتم تخزين الهيدروجين في حالة مجمعة مضغوطة أو سائلة. عندما ينهار الخزان، يتبخر الغاز تحت الضغط.

في ضوء الميزات المذكورة أعلاه، فإن استخدام الهيدروجين كوقود نظيف لمحركات الاحتراق الداخلي أمر مستحيل دون إدخال تغييرات على تصميم وحدة الطاقة، وكذلك الملحقات.

التصميم ومبدأ التشغيل

الفرق الرئيسي بين محركات الهيدروجين ونظائرها التي نعرفها الآن والتي تعمل بالبنزين أو الديزل هو طريقة إمداد وإشعال خليط العمل. يظل مبدأ تحويل الحركات الترددية للعمود المرفقي إلى عمل مفيد دون تغيير. نظرًا لأن الوقود المعتمد على المنتجات البترولية يحترق ببطء، فإن غرفة الاحتراق تمتلئ بخليط الوقود والهواء قبل لحظة ارتفاع المكبس إلى أعلى موضع له (TDC) بقليل. تتيح سرعة رد الفعل السريعة للهيدروجين إمكانية تحويل وقت الحقن إلى اللحظة التي يبدأ فيها المكبس حركة العودة إلى BDC. وفي الوقت نفسه، الضغط في نظام الوقودليس من الضروري أن تكون عالية (4 أجهزة الصراف الآلي كافية).

في الظروف المثاليةقد يحتوي محرك الهيدروجين على نظام إمداد بالطاقة نوع مغلق. تتم عملية تكوين الخليط دون مشاركة الهواء الجوي. بعد شوط الضغط، يبقى الماء في غرفة الاحتراق على شكل بخار، والذي يمر عبر المبرد، ويتكثف ويعود مرة أخرى إلى H2O. هذا النوع من المعدات ممكن إذا تم تركيب محلل كهربائي على السيارة، والذي سيفصل الهيدروجين عن الماء الناتج للتفاعل المتكرر مع الأكسجين.

ومن الناحية العملية، لا يزال هذا النوع من النظام صعب التنفيذ. لضمان التشغيل السليم وتقليل الاحتكاك، تستخدم المحركات الزيت الذي يعد تبخره جزءًا من غازات العادم. في المرحلة الحالية من تطور التكنولوجيا، لا يمكن تحقيق التشغيل المستقر والتشغيل الخالي من المتاعب لمحرك يعمل بغاز متفجر دون استخدام الهواء الجوي.

النماذج الهجينة والتعديلات الممكنة

ونظراً للاهتمام الكبير باستخدام الهيدروجين كوقود لمحركات الاحتراق الداخلي، فقد ظهرت محركات الاحتراق الداخلي الهيدروليكية تعديلات مختلفةوأنواع التنفيذ .

رسم تخطيطي لمحرك الهيدروجين الهجين

المحرك الذي طوره V.S. Kashcheev، لديه جهاز مختلف. بالإضافة إلى صمام الدخول (6) لتزويد الهواء، وصمام المخرج لإزالة غازات العادم (7)، يحتوي رأس الأسطوانة على صمام منفصل لتزويد الهيدروجين (9) وشمعة الإشعال (10)، والتي توجد في الغرفة المسبقة (8). يقع الأخير في رأس الأسطوانة فوق مستوى المكبس في موضع BDC.

بعد أن يتغلب المكبس على BDC، يتم تزويد الهيدروجين إلى غرفة الاحتراق وإشعاله (يقوم المكبس أولاً بسحب الهواء عبر صمامات السحب). في نفس الوقت يفتحون صمامات العادم. بسبب الاختلاف في الضغط الجوي، تندفع غازات العادم إلى مشعب العادم، مما يخلق فراغًا خلفها، مما يؤدي إلى تحريك المكبس إلى TDC، وبسبب الدفع، يعود إلى الموضع الأدنى. كما ترون، المبدأ مختلف قليلاً، لكن الجوهر يبقى كما هو.

وتعتبر تكنولوجيا محطات الطاقة الهجينة خطوة وسيطة بين بداية استخدام الهيدروجين كوقود والتخلي التام عن استخدام المنتجات البترولية. يمكن للسيارات ذات المحركات من هذا النوع أن تعمل بالبنزين والهيدروجين.

أصبح استخدام الهيدروجين كأحد مكونات خليط الوقود والهواء أكثر انتشارًا. لتشغيل محرك الاحتراق الداخلي يستخدم الوقود العادي وجزء صغير من غاز التفجير. يتيح لك ذلك زيادة نسبة الضغط وتقليل سمية غازات العادم.

إحدى الطرق الممكنة لتطوير محركات الهيدروجين هي استخدام محطات توليد الطاقة بخلايا الوقود. خلال تفاعل كيميائييطلق الهيدروجين والأكسجين الطاقة التي تستخدم لتشغيل المحركات الكهربائية في السيارة.

صعوبات في تشغيل محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية

العائق الرئيسي أمام تنفيذ هذه التكنولوجيا هو تكلفة إنتاج الهيدروجين (H2)، وكذلك مكونات تخزينه ونقله. على سبيل المثال، للحفاظ على حالة سائلة، تحتاج إلى الحفاظ عليها درجة حرارة مستقرة-253 درجة مئوية. الطريقة الأسهل للحصول على الهيدروجين هي التحليل الكهربائي للماء. يتطلب الإمداد الصناعي بالهيدروجين تكاليف طاقة كبيرة. ويمكن جعل هذه العملية مربحة عن طريق الطاقة النووية، والتي يحاولون أيضًا إيجاد بديل عقلاني لها. يتطلب نقل وتخزين الغاز استخدام مواد باهظة الثمن وآليات عالية الجودة. تشمل العيوب الأخرى لوقود الهيدروجين ما يلي:

  • خطر الانفجار. في مكان ضيق، يمكن أن يؤدي تركيز الغاز المتفجر بشكل كافٍ للتفاعل إلى حدوث انفجار. ارتفاع درجات حرارة الهواء يمكن أن يؤدي إلى تفاقم الوضع. بسبب الدرجة العالية من انتشار الهيدروجين، هناك خطر دخول الهيدروجين إلى مشعب العادم، حيث يؤدي التفاعل مع غازات العادم الساخنة إلى اشتعال الخليط. يعتبر المحرك الدوار، بسبب تصميمه، أكثر تفضيلاً لسيارة الهيدروجين؛
  • يتطلب تخزين الهيدروجين حاوية ذات سعة كبيرة، بالإضافة إلى أنظمة خاصة تمنع تطاير الهيدروجين وتوفر الحماية من التشوه الميكانيكي. إذا لم تلعب هذه الميزة دورًا كبيرًا بالنسبة للحافلات أو الشاحنات أو النقل المائي، فإن سيارات الركاب تفقد أمتارًا مكعبة قيمة من مساحة الأمتعة؛
  • في ظل ظروف الحمل ذات درجة الحرارة العالية، يمكن للهيدروجين أن يسبب تأثيرًا مدمرًا على أجزاء من مجموعة المكبس الأسطواني و زيت المحرك. يؤدي استخدام السبائك ومواد التشحيم المناسبة إلى زيادة تكلفة إنتاج وتشغيل المحركات التي تعمل بالهيدروجين.

آفاق التنمية

صناعة السيارات ليست المجال الوحيد الذي يمكن استخدام محركات الهيدروجين فيه. ماء، النقل بالسكك الحديديةوالطيران، فضلا عن مختلف المعدات الخاصة المساعدة يمكن استخدام محطات توليد الطاقة من هذا النوع.

وقد ظهر الاهتمام بإدخال تكنولوجيا المحركات الهيدروجينية من خلال: الشركات التابعة، وشركات صناعة السيارات الكبرى (BMW، Volskwagen، Toyota، GM، Daimler AG وغيرها). بالفعل على الطرق، لا يمكنك العثور على نماذج أولية فحسب، بل يمكنك أيضًا العثور على ممثلين كاملين نطاق النموذج، مدفوعة بالهيدروجين. كان أداء سيارات BMW 750i Hydrogen وHonda FSX وToyota Mirai والعديد من الطرازات الأخرى جيدًا أثناء اختبارات الطريق. لسوء الحظ، فإن التكلفة العالية للهيدروجين، ونقص البنية التحتية لمحطات الوقود، فضلا عن عدد كاف من الموظفين المؤهلين، ومعدات الإصلاح والصيانة لا تسمح بإدخال هذه المركبات في الإنتاج الضخم. إن تحسين الدورة الكاملة لاستخدام غاز التفجير هو المهمة الأولية لتطوير الطاقة الهيدروجينية.