1

Studiul folosirii hidrogenului ca si combustibil pentru automobil

În ultimii 25 de ani, s-au înregistrat numeroase progrese în materie de

scădere aemisiilor poluante şi a consumului de combustibil la motoarele automobilelor. Supunându-se normelor antipoluare din ce în ce mai severe, vehiculele elimină în atmosferă, noxe dince în ce mai puţine, comparativ cu anii trecuţi.Cu toate acestea, problemele legate de poluarea aerului şi ale efectului de seră suntdeparte de a fi rezolvate. Organizaţiile şi instituţiile internaţionale, fac presiuni în direcţiamăsurilor ce privesc reducerea emisiilor, practic a realizării vehiculelor cu „zero emisii poluante” (ZEV). Pe de altă parte, combustibilii fosili sunt limitaţi, şi sunt concentraţi (ceilichizi) în zona Orientului Mijlociu, o regiune relativ instabilă politic. Resursele mondialede ţiţei sunt estimate a răspunde necesităţilor omenirii pentru încă o perioadă de circa 40 deani. Dacă se ţine cont de faptul că unele zone definite a fi „în tranziţie” sunt în plină dezvoltare a parcului auto (Europa de Est, China, ş.a.) se poate concluziona, că previziuneacu privire la resursele de ţiţei trebuie scăzută la 20 de ani. Printre soluţiile imaginate estecea legată de utilizarea hidrogenului, un gaz care prin ardere nu produce emisii poluante şieste foarte răspândit în natură, practic inepuizabil. Aflat în compoziţia apei oceanelor, unkm cub de apă conţine 113.108 tone de hidrogen.

Hidrogenul poate fi utilizat drept combustibil în două situaţii:1. în

motoarele cu ardere internă cu piston, şi2. în pilele de combustie.Motoarele cu

ardere internă pe bază de hidrogen cu aplicabilitate în domeniul autosunt

destinate vehiculelor de putere şi trebuie să îndeplinească câteva condiţii: să

ofere unnivel echivalent de manevrabilitate şi o rază de acţiune şi de siguranţă că

vehiculele cucombustibil convenţional.Primele lucrări şi încercări legate de

crearea motorului cu hidrogen, datează dinanul 1820 când reverendul Wiliam

Cecil profesor al Universităţii Cambridge, a prezentat înfaţa Cambridge

Philosophical Society într-un document intitulat "Folosirea hidrogenului la

producerea de energie pentru instalatii mecanice." Motorul prezentat funcţiona

pe principiul vacuumului, unde puterea este produsă cu ajutorul presiunii

atmosferice, careîmpinge un piston în direcţia vacuumului. Vacuumul parţial este

creat prin arderea unuiamestec hidrogen/aer, care se destinde şi apoi este răcit.

Cu toate că motorul funcţioneazăsatisfăcător, motoarele cu vacuum nu sunt

suficient de practice.Alte cercetări semnificative aparţin germanului Nikolaus

August Otto (1832- 1891),considerat inventatorul motorului cu ardere internă în

2

patru timpi (“Otto engine”). Se presupune că a folosit un combustibil gazos

sintetic având un conţinut de peste 50%hidrogen. Otto a făcut experimente şi cu

benzină, dar a considerat-o periculoasă.Descoperirea carburatorului a marcat

începutul folosirii sigure a benzinei, şi începutuldeclinului interesului pentru alţi

combustibili.

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).

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.

Fig.1 Atomi de hidrogen Fig.2 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

3

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).

Fig.3 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

4

ce utilizează pile de combustibil sunt cu propulsie electrică, puterea electrică

generată fiind în funcție de regimul de funcționare al motorului.

Fig.4 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.

5

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.

6

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.

Foto: Ford F-250 Super Chief

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).

7

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 imaginea BMW.

Foto: BMW Hydrogen 7

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.