سيارة الهيدروجين. هل حان الوقت لتوديع البنزين؟

مرحبا يا هبر! في مقالتنا الأخيرة حول طاقة الهيدروجين ، كتبت تعليقات مثيرة للاهتمام ونزيهة للغاية ، والإجابات التي يمكنك العثور عليها في هذه المواد المخصصة لاستخدام الهيدروجين في السيارات.

في الواقع ، بالمقارنة مع البنزين ، يعد الهيدروجين مشكلة واحدة مستمرة: من الصعب جدًا تخزينه وصعوبة الحصول عليه ، فهو متفجر ، وتكون سيارات الهيدروجين أغلى بكثير من سيارات البنزين. ولكن في الوقت نفسه ، يعتبر الهيدروجين الوقود البديل الواعد للنقل. بالإضافة إلى ذلك ، يرغب المستثمرون في إنفاق عدة مليارات من الاستثمارات على إنتاج سيارات الهيدروجين.

تم توقيع الحكم للغاز بالفعل

وفقًا لأحدث تقرير لمراجعة BP الإحصائية للطاقة العالمية 2018 ، يبلغ احتياطي النفط المؤكد في العالم 1.696 مليار برميل ، مع الحفاظ على المستوى الحالي للاستهلاك ، سيستمر لمدة خمسين عامًا. من المفترض أن احتياطيات النفط غير المستكشفة ستعطينا نصف قرن آخر من الطاقة الهيدروكربونية ، لكن تكلفة إنتاجها قد تكون بحيث يصبح النفط ببساطة غير مربح مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى. عندما يتم استنفاد الودائع ذات الإنتاج المريح ، سيرتفع سعر المواد الخام تلقائيًا: إذا كانت تكلفة إنتاج البرميل في روسيا تقدر الآن بنحو 2-3 دولارات (وفقًا لتقديرات بديلة ، 18 دولارًا ) ، فإن سعر النفط الصخري هو بالفعل 30-50 دولارًا. وقبل البشرية هناك احتمال حقيقي للانتقال إلى إنتاج النفط البحري والقطب الشمالي ، الذي سيكون سعره أعلى.

نشأت زيادة الاهتمام بالنقل الكهربائي في السبعينيات من القرن العشرين على وجه التحديد على خلفية الزيادة المتقطعة في أسعار النفط بسبب الأزمة السياسية - لم يكن هناك نقص في المواد الخام ، ولكن زيادة أربعة أضعاف في الأسعار جعلت سيارات البنزين والطاقة النفطية ترفا على الفور.

ووقفت عقبات أكثر إثارة للجدل في طريق سيارات البنزين - العناية بالبيئة في المدن والبلدان حيث أصبح عادم السيارات مشكلة. ولهذا السبب ، على سبيل المثال ، اعتمدت ألمانيا قرارًا يحظر إنتاج السيارات بمحركات الاحتراق الداخلي منذ عام 2030. تعد فرنسا والمملكة المتحدة بالتخلي عن الوقود الهيدروكربوني بحلول عام 2040. هولندا - حتى عام 2030. النرويج - حتى عام 2025. حتى الهند والصين تتوقعان حظر بيع سيارات الديزل والبنزين منذ عام 2030. ستحظر باريس ومدريد وأثينا والمكسيك استخدام سيارات الديزل منذ عام 2025.

احتراق الهيدروجين في ICE

يبدو أن حرق الهيدروجين في محرك احتراق داخلي تقليدي هو أبسط طريقة منطقية لاستخدام الغاز ، لأن الهيدروجين يُشتعل بسهولة ويحترق بدون أي أثر. ومع ذلك ، بسبب الاختلاف في خصائص البنزين والهيدروجين ، لم يكن من السهل جدًا نقل ICE إلى نوع جديد من الوقود. نشأت صعوبات مع تشغيل المحركات على المدى الطويل: تسبب الهيدروجين في ارتفاع درجة حرارة الصمامات ومجموعة المكبس والزيت ، بسبب حرارة الاحتراق التي كانت أعلى بثلاث مرات من البنزين (141 ميجا جول / كجم مقابل 44 ميجا جول / كجم). كان أداء الهيدروجين جيدًا عند سرعات المحرك المنخفضة ، لكن التفجير حدث مع زيادة الحمل. كان أحد الحلول الممكنة للمشكلة هو استبدال الهيدروجين بمزيج من البنزين والهيدروجين ، حيث انخفض تركيز الغاز بشكل ديناميكي مع زيادة سرعة المحرك.


تحرق سيارة BMW Hydrogen 7 ذات الوقود المزدوج في جسم E65 الهيدروجين في ICE بدلاً من البنزين
المصدر: Sachi Gahan / Flickr

كانت إحدى سيارات الإنتاج القليلة التي تم فيها حرق الهيدروجين في محرك احتراق داخلي مثل الوقود الآخر هي BMW Hydrogen 7 ، التي خرجت في 100 نسخة فقط في 2006-2008. تم تعديل ICE V12 سداسي الأسطوانات المعدل على البنزين أو الهيدروجين ، وكان التبديل بين الوقود تلقائيًا.

على الرغم من الحل الناجح لمشكلة ارتفاع درجة حرارة الصمام ، إلا أن هذا المشروع لا يزال يضع حدًا له. أولاً ، عند حرق الهيدروجين ، انخفضت قوة المحرك بنحو 20٪ - من 260 لترًا. ق بنزين حتى 228 لتر ق ثانيًا ، كان 8 كجم من الهيدروجين كافياً لمسافة 200 كم فقط من الجري ، وهو أقل عدة مرات من حالة عناصر الديزل. ثالثًا ، ظهر الهيدروجين 7 مبكرًا جدًا - عندما لم تكن السيارات "الخضراء" ذات صلة بذلك. رابعاً ، كانت هناك شائعات مستمرة بأن وكالة حماية البيئة الأمريكية لم تسمح بتسمية الهيدروجين 7 بسيارة بدون عادم ضار - بسبب الميزات المحددة لمحرك الاحتراق الداخلي ، سقطت جزيئات زيت المحرك في غرفة الاحتراق وتم إشعالها بالهيدروجين هناك.

Mazda RX-8 Hydrogen RE هو الحالة عندما دمر الهيدروجين ديناميكيات المحرك الدوار بالكامل. المصدر: مازدا

في وقت سابق ، في عام 2003 ، تم تقديم مازدا RX-8 Hydrogen RE ذات الوقود المزدوج ، لتصل إلى العملاء بحلول عام 2007 فقط. عند التحول إلى الهيدروجين من قوة الدوران الأسطوري RX-8 ، لم يكن هناك أي أثر متبقي - فقد انخفضت الطاقة من 206 إلى 107 لترًا. ثانية ، وأقصى سرعة تصل إلى 170 كم / ساعة.

كانت BMW Hydrogen 7 و Mazda RX-8 Hydrogen RE أغنية البجعة لمركبات ICE الهيدروجينية: بحلول الوقت الذي وصلت فيه هذه السيارات ، أصبح من الواضح أن استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود المعروفة منذ فترة طويلة أكثر كفاءة من حرقها ببساطة.

خلايا الوقود في السيارات

أول تجربة ناجحة لإنشاء سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين هي جرار Harry Karl ، الذي بني في عام 1959. صحيح ، استبدال محرك الديزل بخلية وقود قلل من قوة الجرار إلى 20 لترًا. ق

في نصف القرن الماضي ، تم إنتاج نقل الهيدروجين على شكل قطع. على سبيل المثال ، في عام 2001 ، ظهرت حافلة الجيل الثاني في الولايات المتحدة الأمريكية ، حيث تم إنتاج الهيدروجين من الميثانول. خلقت خلايا الوقود طاقة تصل إلى 100 كيلو واط ، أي حوالي 136 لترًا. ق في نفس العام ، قدمت VAZ الروسية Niva على عناصر الهيدروجين ، والمعروفة باسم Antel-1 . أعطى المحرك الكهربائي طاقة تصل إلى 25 كيلو واط (34 حصان) ، وسرع السيارة إلى حد أقصى 85 كم / ساعة وعمل 200 كم في محطة وقود واحدة. السيارة الوحيدة المنتجة كانت "مختبر على عجلات".


سيارة تعمل بخلايا وقود الهيدروجين الروسية - في ذلك الوقت ، تجاوزت التكنولوجيا التصميم. المصدر: AvtoVAZ

في عام 2013 ، هزت تويوتا عالم السيارات بإدخال نموذج خلايا وقود الهيدروجين ميراي. كان تفرد الموقف هو أن تويوتا ميراي لم تكن سيارة مفهوم ، بل كانت سيارة جاهزة للإنتاج الضخم ، والتي بدأت مبيعاتها بعد عام. على عكس السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطارية ، قامت Mirai نفسها بتوليد الكهرباء لنفسها.


تويوتا ميراي. المصدر: تويوتا

تبلغ قوة محرك ميراي الكهربائي للدفع الأمامي 154 لترًا كحد أقصى. مع. أن القليل للسيارة الكهربائية الحديثة ، ولكن ليس سيئا بالمقارنة مع سيارات الهيدروجين في الماضي. المدى النظري من 5 كجم من الهيدروجين هو 500 كم ، الفعلي - حوالي 350 كم. تسلا موديل S وفقا لجواز السفر يمكن أن يغطي 540 كم. لا يستغرق الأمر سوى 3 دقائق للتزود بالوقود لخزان هيدروجين كامل ، ويتم شحن بطارية Tesla بنسبة تصل إلى 100٪ في 75 دقيقة في محطات Tesla Supercharger وما يصل إلى 30 ساعة من منفذ 220 فولت عادي.

يتم تحويل التيار المباشر من خلايا وقود الهيدروجين 370 في Mirai إلى تيار متناوب ، ويرتفع الجهد إلى 650 فولت.تصل السرعة القصوى للسيارة إلى 175 كم / ساعة - قليلاً مقارنة بوقود الهيدروكربونات ، ولكنها أكثر من كافية للقيادة اليومية. لتخزين الطاقة ، يتم استخدام بطارية هيدريد النيكل 21 كيلو واط ساعة ، والتي تنتقل إليها خلايا الوقود الزائدة وطاقة الكبح التجديدي. نظرًا للواقع الياباني ، حيث يمكن أن تتأثر المستوطنات بزلزال في أي وقت ، فإن صندوق ميراي لعام موديل 2016 يحتوي على موصل CHAdeMO ، والذي يمكنك من خلاله تنظيم إمدادات الطاقة لمنزل خاص صغير ، مما يجعل السيارة مولدًا على عجلات بسعة قصوى تصل إلى 150 كيلو واط ساعة .

بالمناسبة ، تمكنت تويوتا في بضع سنوات فقط من تقليل كتلة المولد بشكل كبير: إذا كان في بداية القرن في النماذج الأولية ، كان وزنه 108 كجم وأنتج 122 لترًا. ثانية ، ثم في ميراي ، تكون خلية الوقود مضغوطة مرتين (37 لترًا) وتزن 56 كجم. سيكون من الإنصاف إضافة 87 كجم من خزانات الوقود.

للمقارنة ، يشبه محرك التوربو الجديد الشهير فولكس فاجن 1.4 TSI محرك ميرا بقوة 140-160 حصان. تشتهر "بخفة" بسبب تركيبها من الألمنيوم - تزن 106 كجم بالإضافة إلى 38-45 كجم من البنزين في الخزان. بالمناسبة ، تزن بطارية Tesla Model S 540 كجم!

ولمدة 4 كيلومترات من الجري ، تنتج ميراي 240 مل فقط من الماء المقطر والآمن نسبيًا لشرب الماء - وقد أفاد المتحمسون الذين جربوا "عادم" ميراي عن طعم بسيط من البلاستيك.

مياه الشرب التي يتم تصريفها من ميراي آمنة ، على الرغم من أن البصر مروع في البداية

قامت تويوتا ميراي بتركيب خزانين للهيدروجين عند 60 و 62 لترًا ، يحتويان على إجمالي 5 كجم من الهيدروجين تحت ضغط 700 غلاف جوي. تقوم تويوتا بتطوير وإنتاج خزانات الهيدروجين من تلقاء نفسها لمدة 18 عامًا حتى الآن. يتكون خزان Mirai من عدة طبقات من البلاستيك مع ألياف الكربون والألياف الزجاجية. أولاً ، أدى استخدام هذه المواد إلى زيادة مقاومة المخازن للتشوه والاختراق ، وثانيًا ، حل مشكلة التقاط الهيدروجين المعدني ، حيث فقدت خزانات الفولاذ خصائصها ومرونتها وتم تغطيتها بالشروخ الصغيرة.

بناء تويوتا ميراي. يوجد محرك كهربائي في الأمام ، وتكون خلية الوقود مخفية تحت مقعد السائق ، ويتم تركيب خزانات وبطارية تحت الصف الخلفي وفي صندوق السيارة. المصدر: تويوتا

ما هي الآفاق؟

وفقًا لتقديرات بلومبرج ، بحلول عام 2040 ، ستستهلك السيارات 1900 تيراواط ساعة بدلاً من 13 مليون برميل يوميًا ، أي 8٪ من الطلب على الكهرباء اعتبارًا من عام 2015. 8 ٪ لا شيء ، مع الأخذ في الاعتبار أن ما يصل إلى 70 ٪ من نفط العالم يتم إنفاقه على إنتاج الوقود للنقل.

إن آفاق السوق للمركبات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات أكثر وضوحًا وإثارة من حالة خلايا وقود الهيدروجين. في عام 2017 ، كان سوق السيارات الكهربائية 17.4 مليار دولار ، في حين بلغت قيمة سوق سيارات الهيدروجين 2 مليار دولار. على الرغم من هذا الاختلاف ، لا يزال المستثمرون مهتمين بالطاقة الهيدروجينية وتمويل التطورات الجديدة.

مثال على ذلك هو مجلس الهيدروجين ، الذي تم إنشاؤه في عام 2017 ، والذي يضم 39 شركة كبيرة مثل Audi و BMW و Honda و Toyota و Daimler و GM و Hyundai. هدفها هو البحث وتطوير تقنيات الهيدروجين الجديدة وتنفيذها اللاحق في حياتنا.