Combustibili alternativi – Hidrogenul

    Industria automobilelor se îndreaptă din ce în ce mai rapid în adoptarea unor soluții de propulsie alternative utilizând alte surse de energie decât cea provenită din combustibilii fosili. Motivele principale sunt de natură ecologică (protecția mediului), economică (creșterea continuă a prețului petrolului, pe termen lung) și politică (dependența de petrolul produs în anumite regiuni geografice).

Simbol hidrogen

Foto: Simbol hidrogen

    Hidrogenul este primul element din tabelul periodic (Mendeleev) fiind compus dintr-un proton (sarcină pozitivă) și un electron (sarcină negativă). Comparativ cu restul elementelor hidrogenul este cel mai mic și ușor. Hidrogenul reacționează cu diferite materiale și este unul din cele mai abundente elemente din univers, 90% din atomii universului explorat sunt de hidrogen.

Atomi de hidrogen Moleculă de hidrogen

Foto: Atomi de hidrogen

Foto: Moleculă de hidrogen

    Cu toate acestea, pe Terra, hidrogenul nu se găsește sub formă liberă, este mereu combinat cu alte elemente chimice. Din acest motiv pentru extragerea lui se folosesc diverse tehnologii, fiecare cu un anumit consum de energie.

    Sursele din care se poate extrage hidrogenul sunt multiple. Acesta se poate extrage prin reformarea hidrocarburilor (gaz natural, metanol) sau prin electroliza apei. Cea mai promițătoare tehnologie, pe termen lung, pare să fie electroliza apei (descompunerea apei în hidrogen și oxigen utilizând curent electric) deoarece utilizează ca materie primă apa iar curentul electric poate fi obținut din surse regenerabile (solară, eoliană).

Electroliza apei

Foto: Electroliza apei

    În ceea ce privește automobilele, hidrogenul poate fi utilizat în două moduri:

  • combinat cu oxigenul într-o pilă de combustibil (fuel cell) pentru producerea energiei electrice
  • ars direct în cilindrii motorului termic

    Pila de combustibil realizează practic inversul procesului de electroliză a apei. Acesta convertește în energie electrică energia chimică a unui combustibil (H2, hidrogen) care reacționează cu oxigenul (O2). Pe lângă energie electrică, un alt produs al acestei reacții este apa (H2O).

    În cazul automobilelor, energia electrică generată de pila de combustie este utilizată pentru alimentarea unui motor de tracțiune electric. Toate automobilele ce utilizează pile de combustibil sunt cu propulsie electrică, puterea electrică generată fiind în funcție de regimul de funcționare al motorului.

Pilă combustibil

Foto: Pilă de combustibil

    Conversia hidrogenului și oxigenului în energie electrică nu are randament 100%. Acest proces se desfățoară cu degajare de căldură iar randamentul unei pile de combustibil este în jur de 40-60%.

    În ceea ce privește industria automobilelor producătorii japonezi sunt cei mai avansați în dezvoltarea pilelor de combustibil pentru propulsarea automobilelor. Honda FCX Clarity este un automobil de serie mică care este comercializat în principal în Japonia și SUA. Toyota are în plan comercializarea unui automobil cu pile de combustibil începând cu 2015.

Honda FCX Clarity

Foto: Honda FCX Clarity
Sursa: Honda

    De asemenea, în Europa, Daimler este la generația a 2-a de automobile cu pile de combustibil în faza de prototip. Producția unui automobil de serie (generația a 4-a) este estimată să înceapă înainte de 2020.

    Un alt mod de a utiliza hidrogenul este arderea acestuia în cilindrii motorului termic. Sistemul de alimentare al unui motor termic cu hidrogen este similar cu cel al unui motor pe benzină. Diferența principală este modul de stocare al hidrogenului (sub presiune, la valori de 300-600 bari).

Proprietăți fizice Hidrogen Benzină
Densitatea [kg/m3] @ 0 °C, 760 mmHg 0.0898 735-760
Densitatea de energie [kWh/m3] 2.79 8666.67
Densitatea de energie [kWh/kg] 33.3 11.86
Raportul aer-combustibil [-] (lambda = 1) 34.32 14.5
Energia necesară aprinderii în aer [mJ] 0.018 0.2-0.3
Viteza de propagare a flăcării [m/s] @ lambda = 1, 20 °C, 760 mmHg 2.37 0.12
Limita de inflamabilitate în aer [lambda] @ 20 °C, 760 mmHg 10.12 - 0.136 1.1 - 0.709
Puterea calorică inferioară [kJ/kg] 42690 119600
Cifra octanică (RON) > 130 90 - 98

Tabel: Proprietățile fizice ale hidrogenului comparativ cu benzina

    Datorită vitezei de ardere a hidrogenului, considerabil mai mare comparativ cu benzina, durata ciclului de ardere în motor este redusă. Din acest motiv randamentul termic al unui motor cu ardere internă ce utilizează hidrogen este superior benzinei.

    Hidrogenul comprimat până la o presiune de 150 bari are o densitate de energie de 405 Wh/litru. Densitatea de energie maximă a hidrogenului este de 2600 Wh/litru când acesta este sub formă lichidă (la temperatura de -253 °C). Chiar și în formă lichidă densitatea de energie a hidrogenului este foarte mică comparabil cu cea a benzinei (9000 Wh/litru).

    Din punct de vedere al aprinderii hidrogenul are o rezistență mai mare la auto-aprindere (RON > 130) deci poate fi utilizat pe motoare cu raport de comprimare ridicat. Cu toatea acestea limita de inflamabilititate în aer apare la amestecuri foarte sărace (lambda > 10) și din acest motiv amestecut aer-hidrogen se poate auto-aprinde relativ ușor (comparativ cu benzina) de la piesele motorului care au temperatură ridicată.

Ford F-250 Super Chief

Foto: Ford F-250 Super Chief
Sursa: Ford

    Comparativ cu benzina, un motor care arde hidrogen în cilindrii obține performanțe dinamice și de consum similare. Mai mult, același motor poate fi proiectat să funcționeze cu benzină, cu hidrogen sau în mod hibrid (amestec hidrogen cu benzină). Ford a mers chiar mai departe și a prezentat un prototip, Ford F-250 Super Chief, care este propulsat de un motor V-10 tri-flex ce poate utiliza trei combustibili: benzină, etanol (E85) sau hidrogen (H2).

    BMW a investit substanțial în cercetarea utilizării hidrogenului pentru alimentarea motoarelor cu ardere internă. Rezultatul acestor cercetări este BMW Hydrogen 7, un automobil de serie mică comercializat în principal în Europa unor anumiți clienți pentru a promova imagina BMW.

BMW Hydrogen 7

Foto: BMW Hydrogen 7
Sursa: BMW

    Utilizarea hidrogenului cu rol de combustibil pentru motoarele cu arderea internă sau pentru pilele de combustibil poate fi o alternativă la combustibili fosili. Totuși probleme majore pe care le întâmpină o industrie bazată pe hidrogen sunt în principal:

  • extragerea hidrogenului cu o tehnologie eficientă (randament în jur de 90%)
  • medii de stocare la presiuni foarte înalte (peste 300 bari)
  • rețea de distribuție și alimentare cu hidrogen

    Cercetările arată progrese semnificative în dezvoltarea pilelor de combustibil și a arderii hidrogenului direct în motorul cu ardere internă. Cu toate acestea costurile pentru extragerea, stocarea și distribuția hidrogenului sunt încă foarte ridicate. Din acest motiv automobilele ce utilizează hidrogen cu rol de combustibil sunt doar la faza de prototip și în viitorul apropiat nu vor fi considerate alternative ale celor ce utilizează combustibili fosili.

Pentru a comenta articolul trebuie să vă înregistrați!

Comentarii

OsDeRos
Miercuri, 17 Decembrie 2014 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5
Dragosh92
Luni, 29 Septembrie 2014 Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5Votează 5 / 5

Login

Logo motorul anului