Powering Tomorrow: Die Entwicklung und Zukunft des Wasserstoffmotors

Nach einigen Jahren des Versprechens, dass Wasserstoff der saubere Kraftstoff der Zukunft ist, nur damit nicht viel passieren wird, scheint es nun, dass die Zukunft endlich vor der Tür steht.

Automobilhersteller, einschließlich Mazda und Toyota, entwickelt derzeit Wasserstoffmotoren um ihre Fahrzeuge anzutreiben, und diese Motoren könnten eines Tages nicht nur die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie und traditionelle Verbrennungsmotoren, sondern vielleicht sogar Elektrofahrzeuge EDs ersetzen.

Während der EV-Markt jedoch voranschreitet, befindet sich der Einsatz der Wasserstoffmotorentechnologie in Nutzfahrzeugen noch in der Anfangsphase und die Machbarkeit von Wasserstoffgas als sinnvolle und praktische Alternative muss noch nachgewiesen werden.

Was ist ein Wasserstoffmotor?

Ein Wasserstoffmotor ist eine weiterentwickelte Version traditioneller Verbrennungsmotoren, die flüssigen Wasserstoff anstelle von Benzin als Kraftstoff verwendet. Ein Auto, das mit Wasserstoffmotoren betrieben wird, wird als Wasserstofffahrzeug mit Verbrennungsmotor HICEV bezeichnet. Diese unterscheiden sich von Wasserstoff fBrennstoffzellen-Elektrofahrzeuge FCEVs, wie Toyotas Mirai oder der Hyundai Tucson, die eine Brennstoffzelle verwenden, in der Wasserstoff chemisch mit Sauerstoff in der Luft reagiert, um Strom zu erzeugen, der einen Elektromotor antreibt.

Wasserstoffmotoren erzeugen Strom durch die Verbrennung von Wasserstoff und verwenden Kraftstoffversorgungs- und Einspritzsysteme, die modifizierte Versionen der Benzinmotoren sind. Abgesehen von der Verbrennung kleiner Mengen Motoröl, die auch bei Ottomotoren der Fall ist, WasserstoffMotoren emittieren im Betrieb kein CO2.

Wasserstoffmotoren emittieren hauptsächlich Wasser oder Wasserdampf als Nebenprodukt, aber die Prozess der Herstellung des Wasserstoffbrennstoffs kann Treibhausgasemissionen verursachen. Allerdings eine Studie h wie gefunden das selbst wenn Wasserstoff auf die ineffizienteste Weise extrahiert wird, ist dies der Fallverringert wahrscheinlich das CO2 Emissionen um mehr als 30%, im Vergleich zu Benzin.

Unterschied zwischen HICEV und FCEV

Der Hauptunterschied zwischen einem HICEV und einem FCEV liegt in der Art und Weise, wie Wasserstoff in diesen Fahrzeugen verwendet wird. Ersteres beinhaltet die Verbrennung von Wasserstoff, während letzteres eine elektrochemische Reaktion durchführt und flüssigen Wasserstoff verwendet, um Strom für seinen Elektromotor zu erzeugen.

Die Technologie des Wasserstoff-Verbrennungsmotors HICE befindet sich noch in der frühen Entwicklungsphase. Inzwischen hat der globale Markt für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge bereits hat die Marke von 1 Milliarde US-Dollar überschritten, und in den kommenden Jahren wird ein jährliches Wachstum von rund 38 % erwartet.

Ursprung und Entwicklung des Wasserstoffmotors

Im Jahr 1806 schuf Francois Isaac de Rivaz einen experimentellen Verbrennungsmotor, der ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch als Kraftstoff verwendete. Der De Rivaz-Motor gilt als der frühester wasserstoffbetriebener Motor in der Welt.

Nicht lange danach, im Jahr 1820, die Reverend W. Cecil hat eine Arbeit geschrieben für die Cambridge Philosophical Societybetitelt, "Über die Anwendung von Wasserstoffgas zur Erzeugung von Bewegungsenergie in Maschinen."Dieses Papier beschrieb einen Motor, der nach dem Vakuumprinzip arbeitet, bei dem das Vakuum durch die Verbrennung von Wasserstoffgas erzeugt wurde.

Ungefähr 150 Jahre später patentierte Paul Dieges eine Modifikation des Verbrennungsmotors, die sowohl mit Benzin als auch mit Wasserstoff betrieben werden konnte. Natürlich waren damals benzinbetriebene Fahrzeuge die Norm, und nur wenige Hersteller sahen die Notwendigkeit, Wasserstoff zu entwickeln.betankte Fahrzeuge.

In den folgenden Jahren, derschädliche Auswirkungen der Nutzung fossiler Brennstoffe über zunehmende Luftverschmutzung, Gesundheit, globale Erwärmung, saurer Regen und in anderen Bereichen in Fahrzeugen und Industrien wurden zusammen mit ihren Auswirkungen allgemein anerkannt. Wissenschaftler, Aktivisten, Führer und Forscher begannen alle Bedenken über die Zunahme zu äußernCO2 Emissionen und Umweltrisiken im Zusammenhang mit der Gewinnung und Nutzung fossiler Brennstoffe.

Die steigenden Umweltbedenken und die Nachfrage nach sauberen Energiealternativen veranlassten viele Automobilunternehmen, sich zunächst auf die Entwicklung von bleiarmen Kraftstoffen und dann auf Wasserstoff- und Elektrofahrzeuge zu konzentrieren.

In den frühen 2000er Jahren begann der japanische Autohersteller Mazda mit dem Einbau von Wankelmotoren in sein RX-8-Modell. Der Wankelmotor ist eine Art Verbrennungsmotor, der ein exzentrisches Rotationsdesign verwendet, um Druck in Rotationsbewegung umzuwandeln. Für eine gegebene Leistung, sie sind kompakter und wiegen weniger als ein Verbrennungsmotor und lassen sich auch leicht auf Wasserstoff umrüsten.

In letzter Zeit haben sie das Design aktualisiert und die Entwicklung der RENESIS Wasserstoff-Rotationsmotor, der einen elektronisch gesteuerten Wasserstoffgasinjektor verwendet und für den Betrieb als Benzin-Wasserstoff-Hybrid angepasst werden kann.

Die Arbeit an der Entwicklung eines effizienten Wasserstoffmotors hat hier noch nicht aufgehört. Um 2006 entwickelte BMW einen Dual-Fuel-Wasserstoff-Benzin-Verbrennungsmotor für seine limitierte Produktion Hydrogen 7, der zeigen sollte, dass Wasserstoff als Kraftstoff funktionieren kann. WährendTests gelang es dem Auto, mit einer Geschwindigkeit von 187 mph 301 km/h zu fahren, und das Unternehmen behauptete auch, dass sein Wasserstoffauto null CO erreichte2 Emissionen.

Allerdings die Ansprüche von BMW wurden später zurückgewiesen von der United States Environmental Protection Agency EPA, die darauf hinweist, dass das Auto immer noch Kohlenstoff aus der Verdampfung von Motoröl emittiert. Darüber hinaus war die Effizienz des Autos beim Betrieb mit Wasserstoff extrem niedrig und lieferte etwa 5,6 mpg 50 l/100km im Durchschnitt. Dies lag vor allem an der unterschiedlichen Energiedichte zwischen Benzin und Wasserstoff.

Vorteile des wasserstoffbetriebenen Motors

Es gibt verschiedene wichtige Gründe, warum Wasserstoffmotoren von einigen als die Zukunft der Automobilindustrie angesehen werden und warum Fahrzeughersteller Millionen von Dollar ausgeben, um effiziente Wassermotoren zu entwickeln.

Energieexperten und Unternehmen glauben, dass Wasserstoff das Potenzial hat, zu dieneneine endlose und relativ kohlenstoffarme Energiequelle. Es könnte auch eine praktikable Alternative zur Verwendung von Schwermetallen in Batterien darstellen – die für die Umwelt schädlich sind und in den kommenden Jahren mit dem Wachstum von Elektrofahrzeugen sehr teuer werden könnten.

Niedrige Zündenergie und hohe Effizienz

Wasserstoff-ICE hat im Vergleich zu herkömmlichen benzinbetriebenen Motoren eine geringe Zündenergie, da die Verbrennung von Wasserstoff verwendet bei diesen Motoren niedrigere Flammentemperaturen und niedrigere Wärmeübertragungen. Dies ermöglicht es dem Motor, mit sehr mageren Gemischen zu laufen und dennoch schnell zu verbrennen. Darüber hinaus bAufgrund der hohen Diffusionsfähigkeit Wasserstoff vermischt sich schneller mit Luft als Benzin verringert die Verwendung von Wasserstoff die Gefahren durch mögliche Lecks.

Kohlenstofffreie Emissionen

Wasserstoffmotoren sollen a lieferngrößerer Spielraum zur Verbesserung der Energiesicherheit und die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks. Dies liegt daran, dass beim Betrieb dieser Fahrzeuge mit Wasserstoff keine Kohlenstoffverbindungen als Nebenprodukte freigesetzt werden.

Schnelles Tanken

Da Wasserstoff eine geringe volumetrische Energiedichte hat, muss er als komprimiertes Gas gespeichert werden, um die Reichweite herkömmlicher Fahrzeuge zu erreichen. Dies erfordert den Einsatz von Hochdrucktanks, die entweder 5.000 oder 10.000 Wasserstoff speichern könnenPfund pro Quadratzoll psi. Verkaufsautomaten, die an Tankstellen installiert sind, können diese Tanks in etwa 5 Minuten füllen. Dies ist viel schneller als die Zeit, die zum Aufladen von Elektrofahrzeugen benötigt wird, selbst mit Schnellladung. Obwohl natürlich, Elektrofahrzeuge können auch zu Hause geladen werden, Wasserstofffahrzeuge nicht. Andere Speichertechnologien sind in der Entwicklung, darunter die chemische Bindung von Wasserstoff mit einem Material wie Metallhydrid oder Niedertemperatur-Sorbensmaterialien.

Eine alternative Stromquelle

Da Verbrennungsmotoren so angepasst werden können, dass sie Wasserstoff anstelle von oder zusätzlich zu Benzin verbrennen, arbeiten eine Reihe von Ländern an einer Initiative, um die Produktion von Wasserstoff für die Verwendung als Treibstoff in Flugzeugen, Schiffen und sogar zur Stromerzeugung zu erhöhen.Wenn der Wasserstoff mit alternativen Energien hergestellt wird, könnte dies eine kostengünstige Möglichkeit sein, den Einsatz fossiler Brennstoffe in einer Reihe von Bereichen schnell zu reduzieren.

Nachteile des wasserstoffbetriebenen Motors

Trotz zahlreicher Vorteile werden Wasserstoffmotoren immer noch nicht in großem Maßstab eingesetzt, und es gibt zahlreiche Komplikationen im Zusammenhang mit Wasserstofftreibstoff. Das Wachstum effizienter batteriebetriebener Fahrzeuge und FCEVs hat auch zu einem Verlust des Interesses bei Autos geführtHersteller und Innovatoren für die Entwicklung von HICE. Abgesehen davon gibt es auch eine Reihe schwerwiegender Probleme, die gelöst werden müssen, bevor dies eine praktische Alternative zu Elektrofahrzeugen ist.

Eine teure Technologie

Der Prozess der Wasserstoffgewinnung ist sowohl kostspielig als auch energieintensiv. Während ein mit Wasserstoff betriebenes FCEV als emissionsfreies Fahrzeug gilt, ist die Gewinnung des Wasserstoffs selbst nicht emissionsfrei.Derzeit wird der größte Teil des Wasserstoffs durch Dampfreformierung gewonnen, bei der Hochtemperaturdampf mit Erdgas kombiniert wird, um Wasserstoff zu extrahieren.

Wasserstoff kann auch hergestellt werden aus Wasser durch Elektrolyse. Dies ist energieintensiver, kann aber mit erneuerbarer Energie durchgeführt werden, wodurch ein Großteil der Emissionen vermieden würde. Die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff sind jedoch immer noch höher als die von Benzin oder Strom, alsomüssen noch einiges herunterfahren, bevor Wasserstoffmotoren im großen Maßstab wirtschaftlich sein können.

niedrigere Energiedichte

Wasserstoff ist nicht so energiereich wie andere Kraftstoffe, was bedeutet, dass Sie mehr davon benötigen, um eine bestimmte Arbeitsmenge zu verrichten. In Verbindung mit der inhärenten Ineffizienz eines Kolbenmotors bieten Wasserstoffmotoren insgesamt keinen signifikanten Energievorteil..

Verschmutzung

Während kein Kohlenstoff von Wasserstoffmotoren emittiert wird, Aufgrund der in der Brennkammer erzeugten Wärme können immer noch Stickoxide als Nebenprodukt gebildet werden. Diese Verbindung ist schädlich für die Umwelt, d.h. Wasserstoffmotoren haben zwar keine CO2-Emissionen, sind aber nicht emissionsfrei.

Sicherheitsbedenken

Fahrzeuge, die mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren betrieben werden, sind mit unter Druck stehenden Wasserstoff-Kraftstofftanks ausgestattet. Diese Tanks sind sehr sicher ausgelegt, aber im Falle einer Leckage kann die leicht entzündliche Natur des Wasserstoffs ernsthafte Schäden verursachen. Eine Lösung wäre die Installation speziellerSensoren im Fahrzeug, um solche Lecks zu erkennen, was mit Kosten verbunden ist.

Große Größe und reduzierte Leistungsabgabe

Für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren, das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis beträgt 34:1. Dies impliziert, dass ein Wasserstoffmotor für die vollständige Verbrennung die doppelte Menge an Luft verbraucht.

Dies führt jedoch auch zu einer geringeren Leistungsabgabe, und daher liefert ein Wasserstoffmotor im Vergleich zu einem gleichgroßen Benzinmotor tendenziell nur etwa die Hälfte der Leistung. Um diesen Leistungsverlust auszugleichen, werden Wasserstoffmotoren groß dimensioniertund kommen oft mit einem Turbolader.

Zukunft, Fakten und Trends in Bezug auf Wasserstoffenergie

• DerAutomobilsektor ist nicht einstimmig zur Machbarkeit der Wasserstofftechnologie für den Pkw-Bereich, und einige Automobilhersteller wie Volkswagen und Audi arbeiten nicht mehr an der Entwicklung von HICEVs, sondern entscheiden sich dafür konzentrieren Sie sich stattdessen auf EVs. Andere Autohersteller, darunter Toyota, Renault und Hyundai, sind optimistischer in Bezug auf wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und werden voraussichtlich ihre Entwicklung von Wasserstoffmotoren fortsetzen. Der Toyota Mirai HFCV wurde 2014 vorgestellt und hat seit Dezember 10.300 weltweite Verkäufe.2019, während Südkoreas Hyundai das wasserstoffbetriebene SUV Nexo produziert.
• Um die Wasserstoffproduktion zu beschleunigen, hat sich die Europäische Union das Ziel gesetzt, auf dem ganzen Kontinent 40 Gigawatt Kapazität von Elektrolyseuren zu installieren. Spanien hat bereits angekündigt, 10,5 Milliarden US-Dollar 8,9 Milliarden Euro für den Bau von 4 Gigawatt GW auszugeben.von solarbetriebenen Wasserstoff-Elektrolyseuren. Andere Länder, darunter Dänemark, bauen Anlagen zur Steigerung Wasserstofferzeugung aus Strom-basierte Elektrolyse. Sogar der OPEC-Führer Saudi-Arabien baut eine Anlage zur Produktion von grünem Wasserstoff.

• Microsoft Corporation testet den Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen um Dieselgeneratoren als Notstromquelle zu ersetzen. ZeroAvia, ein US-amerikanisches Startup plant die Schaffung eines wasserstoffbetriebenes Flugzeug bis 2024.
• Israelischer Motorenhersteller, Aquarius Engines hat eine entwickeltneu22 lb 10 kg Wasserstoffmotordas ein einzigartiges internes Gasaustauschsystem verwendet und das Unternehmen behauptet, dass es eine leichte, kostengünstige und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren ist.

• Asiatisches Zentrum für erneuerbare Energien ist ein massives nachhaltiges Energieprojekt in Australien, das derzeit im Gange ist. Wenn es voll funktionsfähig ist, ist geplant, mehr als 50 TWh Strom aus Sonnen- und Windkraft zu erzeugen. Der größte Teil dieses Stroms wird für die Produktion vonAmmoniak und sauberer Wasserstoff.
• Derzeit sind in den USA und Großbritannien nur drei wasserstoffbetriebene Fahrzeuge erhältlich, nämlich Honda Clarity, Toyota Mirai und Hyundai Nexo. Die Zahl wird jedoch in den kommenden Jahren voraussichtlich steigen.vielversprechende Entwicklungen im Bereich Wasserstoffkraft und Motorentechnik findet weltweit statt.

Während Wasserstoffmotoren noch mit einer Reihe von Problemen konfrontiert sind, wird erwartet, dass der Markt für Wasserstoff als grüne Stromquelle in den kommenden Jahren schnell wächst., mit einigen Schätzungen bis 2030 auf 70 Milliarden US-Dollar geschätzt. Laut Bloomberg New Energy Finance sind Upstream-, Midstream- und Downstream-Wasserstoffprojekte im Wert von mehr als 90 Milliarden US-Dollar in der PipelineHICE-Fahrzeugen wird der Einsatz von erneuerbarem Wasserstoff als Energieträger weiter zunehmen.