في إسبانيا ، حيث أعيش الآن ، هناك الكثير من السيارات الكهربائية - أقابلها كل يوم تقريبًا ، على الطرق ومحطات الشحن. وكل عام هناك المزيد والمزيد من السيارات الكهربائية (ليس فقط في إسبانيا ، بالطبع). ولكن هناك سيارات بديلة - تعمل بوقود الهيدروجين ، والتي لا تلوث الطبيعة أيضًا ، لأن عوادمها هي الماء. موضوع المرجع اليوم هو آلات الهيدروجين ، مبدأ تشغيلها وآفاقها.
متى ظهرت أول سيارات الهيدروجين؟
اخترع محرك الاحتراق الداخلي الذي يعمل بالطاقة الهيدروجينية ، فرانسوا إسحاق دي ريفاز في عام 1806. حصل على الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء. يُطلق على محرك المكبس الذي أنشأه المخترع محرك De Rivaz.
كان الإشعال شرارة ، وكان المحرك نظام ربط قضيب مكبس. حسنًا ، كانت الأسطوانة مدفوعة بتفجير مزيج من الهيدروجين والأكسجين مع شرارة كهربائية - كان لابد من توليدها يدويًا في الوقت الذي تم فيه خفض المكبس. بعد ذلك بعامين ، بنى المخترع نفسه أداة ذاتية الدفع بمحرك هيدروجين.
لكن الهيدروجين المستخدم على نطاق واسع أو أكثر لتشغيل محركات السيارات بدأ بعد سنوات عديدة. في عام 1941 ، في لينينغراد المحاصرة ، تم تعديل محركات السيارات GAZ-AA من قبل الملازم أول ب. شيليش. كانت المحركات تتحكم في ونش بالونات الوابل (كانت مملوءة بالهيدروجين ، وكان هناك الكثير من احتياطيات الغاز في لينينغراد) ، ولكن هذه كانت محركات سيارات. بالإضافة إلى ذلك ، تم تعديل عدة مئات من المحركات في السيارات.
منذ الثمانينات ، بدأت العديد من الدول ، بما في ذلك الولايات المتحدة واليابان وألمانيا والاتحاد السوفيتي وكندا ، في الإنتاج التجريبي للسيارات التي تعمل بالهيدروجين ، ومخاليط غاز الهيدروجين ومخاليط الهيدروجين بالغاز الطبيعي.
في عام 1982 ،
طورت مصفاة Kvant لتكرير النفط ومحطة RAF
أول حافلة صغيرة تجريبية من Kvant-RAF للهيدروجين في العالم مع محطة توليد كهرباء مجتمعة تعتمد على خلية وقود هيدروجين - هواء بقدرة 2 كيلو وات وبطارية نيكل-زنك بقدرة 5 كيلو واط.
على مر السنين ، تم تطوير هذه السيارات في بلدان مختلفة ، معظمها كتجربة. بعد أن أصبح مفهوم السيارة الخضراء شائعًا ، أصبحت الشركات الكبرى مثل تويوتا مهتمة بسيارات الهيدروجين. ابتداء من عام 2000 ، بدأت شركات السيارات في تطوير مفاهيم للمركبات التجارية.
أين يمكن الحصول على الهيدروجين؟
يمكن الحصول على الهيدروجين بطرق مختلفة:
- تحويل البخار من الميثان والغاز الطبيعي ؛
- تغويز الفحم ؛
- التحليل الكهربائي للماء.
- الانحلال الحراري.
- التكنولوجيا الحيوية.
تعتبر الطريقة الأكثر اقتصادا لإنتاج الهيدروجين هي تحويل البخار. وهذا ما يسمى إنتاج الهيدروجين من الهيدروكربونات الخفيفة (الميثان ، جزء البروبان ، البيوتان) باستخدام إعادة تشكيل البخار. الإصلاح هو عملية التحويل الحفاز للهيدروكربونات في وجود بخار الماء. يتم خلط بخار الماء مع الميثان في درجة حرارة عالية (700-1000 درجة مئوية) والضغط العالي باستخدام محفز.
عند تحويل البخار ، يكون إنتاج الهيدروجين أرخص من استخدام أي طرق أخرى ، بما في ذلك التحليل الكهربائي.
الطريقة الأكثر ضررًا لإنتاج الهيدروجين هي التحليل الكهربائي - إنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام التيار الكهربائي. نقاء العائد من الهيدروجين ما يقرب من 100 ٪. بصرف النظر عن تلوث الكهرباء ، فإن مثل هذه المحطات صديقة للبيئة تقريبًا ، حيث يتم إطلاق الهيدروجين والأكسجين فقط أثناء التشغيل.
طريقة أخرى صديقة للبيئة لإنتاج الهيدروجين هي مفاعل الكتلة الحيوية.
مصدريمكن إنتاج الهيدروجين في مصنع كبير وفي مؤسسة صغيرة نسبيًا. كلما زاد الإنتاج ، انخفضت تكلفة الغاز. لكن في الحالة الأولى ، تزداد تكلفة إيصال الهيدروجين إلى أماكن التزود بالوقود.
كيف يعمل نظام الوقود وما هي الخيارات؟
من الأفضل مراعاة مبدأ تشغيل مثل هذا النظام على سبيل المثال سيارات الهيدروجين التسلسلية تويوتا ميراي. الأساس هو خلية الوقود ، وهو نظام كهروكيميائي يحول جزيئات الهيدروجين والأكسجين إلى ماء. يوجد داخل هذا العنصر غشاء بوليمر موصل للبروتون يفصل الأنود والكاثود. عادة ما تكون هذه صفائح كربون مع محفز مدعوم.
على محفز الأنود ، يفقد الهيدروجين الجزيئي الإلكترونات ، ويتم تمرير الكاتيونات عبر الغشاء إلى الكاثود ، ويتم نقل الإلكترونات إلى الدائرة الخارجية. على محفز الكاثود ، تتحد جزيئات الأكسجين مع الإلكترون والبروتون لتكوين الماء. البخار أو السائل هو منتج التفاعل الوحيد.
تتمثل ميزة خلايا الوقود القائمة على أغشية التبادل البروتوني في قوتها المحددة العالية ودرجة حرارة التشغيل المنخفضة نسبيًا. يسخن بسرعة ويبدأ في إنتاج الطاقة فورًا تقريبًا بعد البدء.
تستخدم ميراي خلايا الوقود ذات القدرة المحددة العالية لكل وحدة حجم (3.2 كيلو واط / لتر) ، وأقصى طاقة لها هي 124 كيلوواط. يتم تحويل التيار المباشر الذي ينتج عن خلية الوقود إلى تيار متناوب مع زيادة متزامنة في الجهد إلى 650 فولت. يتم تزويد الكهرباء ببطارية ليثيوم أيون. للحركة ، يستهلك الجهاز الطاقة المخزنة فيه.
الهيدروجين الموجود في خلية الوقود ميراي يأتي من اسطوانات الضغط العالي (حوالي 700 atm). تتحكم وحدة التحكم في السيارة في تشغيل خلية الوقود وشحن / تفريغ البطارية.
وفقًا لتويوتا ، هناك حاجة إلى ما يصل إلى 750 جرامًا من الهيدروجين لكل 100 كيلومتر من مسار ميراي.
يقول أصحاب ميراي
حوالي كيلوغرام من الهيدروجين لكل 100 كيلومتر .
هل هذه السيارات خطيرة؟ لماذا؟
بما أن الهيدروجين غاز قابل للاحتراق ، فيجب نقله وتخزينه بعناية. نحن بحاجة إلى أجهزة تحليل الغاز الحساسة للغاية التي يمكن أن تعطي إشارة في حالة حدوث تسرب. صحيح أن الهيدروجين هو غاز متقلب للغاية (بعد كل شيء ، فهو أخف عنصر كيميائي) وعندما يدخل الغلاف الجوي ، يرتفع الهيدروجين بسرعة.
يحترق بسرعة كبيرة. حرق المنطاد هيندنبورغ لمدة 32 ثانية فقط. بسبب نيران الحريق ، لم يُقتل جميع الركاب ، فقد نجا 62 من أصل 97 شخصًا كانوا في جندول المنطاد.
ومع ذلك ، إذا كان هناك الكثير من سيارات الهيدروجين ، فسيلزم اتخاذ تدابير جديدة للسلامة على الطرق. تعد سيارات ICE خطرة أيضًا - في حالة وقوع حادث وانهيار الخزان أو البنزين أو وقود الديزل على الطريق ويمكن أن يشعل النار. إذا تم اختراق خزان به الهيدروجين ،
فسوف يتبخر الغاز بسرعة كبيرة . ولكن إذا كان مصدر اللهب المكشوف أو الشرر قريبًا ، فقد يشعل الهيدروجين.
ميراي وغيرها من سيارات الهيدروجين تستخدم خزانات الهيدروجين دائمة للغاية. جعلت تويوتا دباباتها مضادة للرصاص ، وجدرانها المصنوعة من الألياف الثقيلة يمكنها أن تصمد أمام الطلقات من أسلحة ذات عيار كبير. للاختبارات ، استأجرت الشركة قناصة وفقط رصاصة من عيار 0.50 يمكن أن تخترق الخزان بعد ضربه مزدوج في نفس المكان.
إذا لاحظت تدابير السلامة ، فإن سيارات الهيدروجين ليست أكثر خطورة من السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي.
ما هو عمر خدمة خلايا الوقود؟
حتى الآن ، هذه المعلومات تخص ميراي فقط. تقول تويوتا إن الخلية الواحدة مضمونة للعمل على مسافة 250،000 كيلومتر. ثم ، إذا تدهور أداء الخلية ، يمكن استبداله في مركز الخدمة.
ما هي الشركات المنتجة بالفعل أو التي ستنتج سيارات الهيدروجين؟
يتم تطوير سيارات الهيدروجين من قبل هوندا وتويوتا ومرسيدس بنز وهيونداي - هذه الشركات لديها بالفعل مركبات جاهزة. يعرض الآخرون حتى الآن فقط المفاهيم (مع ذلك ، العمال) أو ببساطة الصور المقدمة بشكل جميل. من بين الأولى ، أودي وفورد ، والأخيرة هي بي أم دبليو (بكل إنصاف ، يجب أن يقال أنه في عام 2007 أصدرت بي إم دبليو مجموعة من 100 نماذج هيدروجين تجريبية ظلت تجربة) وليكسس.
حتى الآن ، تم إطلاق تويوتا ميراي وهوندا كلاريتي فقط في هذه السلسلة. يمكن شراؤها في الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا.
كم يكلف؟
في الوقت الحالي ، سيارات الهيدروجين أغلى قليلاً من السيارات التقليدية من حيث التشغيل. لذلك ، عند السفر في أوروبا بطول 480 كم ، ستكون تكلفة الوقود لمالك السيارة العادية حوالي 45 دولارًا ، لكن مالك ميراي سيدفع حوالي 57 دولارًا. وهذا على الرغم من حقيقة أن حكومة بعض الدول تدعم إنتاج الهيدروجين للسيارات. تكلفة 1 كجم من الهيدروجين في المتوسط 11.45 دولار.
لماذا سيارات الهيدروجين أفضل من السيارات الكهربائية؟
في الواقع ، فإن السؤال ليس صحيحا تماما. والحقيقة هي أن سيارة تعمل بالهيدروجين مع خلية وقود وسيارة كهربائية "نظيفة" هي السيارات الكهربائية. في حالة واحدة فقط ، يتم تزويد السيارة بالهيدروجين ، في الحالة الثانية - بالكهرباء.
إذا قارنت تكلفة معظم السيارات الكهربائية وتويوتا ميراي ، فعندئذ تكون قابلة للمقارنة ، فهناك عشرات الآلاف من الدولارات الأمريكية. تبلغ تكلفة خلية الوقود هيونداي ix35 حوالي 53 ألف دولار ، وتويوتا ميراي - 57 ألف دولار ، وهوندا كلاريتي - 59 ألف دولار ، وتبدأ تكلفة تسلا للسيارات الكهربائية من 45 ألف دولار (التكوين الأساسي بسعر 35 ألف دولار لا يزال متاحًا فقط للطلب المسبق). تكلفة السيارات الكهربائية من BMW حوالي 50 ألف دولار.
تزود السيارات الهيدروجينية بالوقود بسرعة - لا يستغرق الأمر سوى 3-5 دقائق ، على عكس السيارات الكهربائية ، حيث تستغرق عملية إعادة الشحن من نصف ساعة إلى عدة ساعات.
الميزة الرئيسية لنقل الهيدروجين هي أن خلايا الوقود تدوم لسنوات عديدة ولا تحتاج عمليا إلى صيانة. إذا كنت تأخذ سيارة كهربائية "نظيفة" مع بطاريتها الضخمة ، فإن عمرها التشغيلي هو فقط 1 - 1.5 ألف دورة ، أي 3-5 سنوات. علاوة على ذلك ، ستعمل سيارة الهيدروجين دون مشاكل في البرد (بما في ذلك الرياح) ، لكن بطارية السيارة الكهربائية ستفقد شحنتها.
ما هي احتمالات سيارات الهيدروجين ومتى يمكن رؤيتها على الطريق؟
تسير سيارات الهيدروجين بالفعل على طول طرق أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية (قد تكون هناك نسخ معزولة في مناطق أخرى). ولكن هناك القليل منهم - عدة آلاف ، والتي لا يمكن أن يسمى مقدمة جماعية.
والمشكلة التي تعيق حاليا انتشار مركبات الهيدروجين هي نقص البنية التحتية (قبل بضع سنوات فقط ، كانت هناك مشكلة مماثلة تتعلق بالمركبات الكهربائية). نحتاج إلى مصانع متخصصة لإنتاج الهيدروجين وأنظمة النقل للهيدروجين والتزود بالوقود.
محطات تعبئة الهيدروجين في عام 2019 ( المصدر )بالإضافة إلى ذلك ، الهيدروجين مكلف للغاية ، لذلك إذا تم شراء السيارات الكهربائية ، على وجه الخصوص ، لتوفير الوقود ، ثم في حالة آلة الهيدروجين ، فإن هذا ليس خيارًا. مع الظهور الهائل للمصانع لإنتاج الهيدروجين للسيارات ، وكذلك البنية التحتية للخدمة ، يمكن للمرء أن يتوقع إطلاق عدد أكبر بكثير من مركبات الهيدروجين على الطرق العامة.
ولكن ليس هناك ما يضمن أن هذا سيحدث على الإطلاق أو لا - ليس واضحًا بعد. تعمل شركات صناعة السيارات مثل تويوتا بنشاط على الترويج لسياراتها وفوائد الهيدروجين في قطاع النقل. لكن المنافسة كبيرة جدًا ، سواء بين السيارات العادية ذات محركات الاحتراق الداخلي أو بين السيارات الكهربائية.