Funzionamento di un veicolo a idrogeno (cella a combustibile)
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Un'altra alternativa per il funzionamento dei veicoli elettrici, la soluzione a idrogeno, è stata a lungo studiata da tedeschi e giapponesi. L'Europa, che Tesla considera instabile, decide comunque di mettere un pacchetto su questa tecnologia (a livello globale, non al solo scopo di spingere le auto). Diamo quindi un'occhiata a come funziona l'auto a idrogeno, che è quindi solo una variante dell'auto elettrica.
Vedi anche:
- Un'auto a idrogeno è praticabile?
- Quali sono i vantaggi e gli svantaggi di una cella a combustibile
Diversi tipi di auto a idrogeno
Mentre la tecnologia attuale è per le auto che utilizzano celle a combustibile per alimentare i loro motori elettrici, l'idrogeno può essere utilizzato anche nei veicoli alternativi a combustione interna. Si tratta infatti di un gas che può essere utilizzato allo stesso modo del GPL e del metano già utilizzati nei nostri veicoli. Tuttavia, questa idea è stata abbandonata, il motore a pistoni è davvero più in linea con il tempo ...
Ecco una Toyota Mirai a idrogeno. È venduto negli Stati Uniti, non è in Francia, perché non c'è un punto di distribuzione dell'idrogeno... Essendo in ritardo con i terminali elettrici, siamo già in ritardo nell'idrogeno!
Il principio di funzionamento
Se dovessimo riassumere il sistema in una frase, direi cheessa motore elettrico con chi cammina carburant non inquinante (in funzione, non in produzione). Invece di caricare la batteria con una spina e quindi con l'elettricità, la riempiamo di liquido. Questo è il motivo per cui chiamiamo il sistema a celle a combustibile (è
accumulare
che funziona con il carburante che
consumato
et
scompare dal serbatoio
). In effetti, l'unica differenza con un motore elettrico è l'immagazzinamento di energia, qui in forma liquida, non chimica.
Pertanto, va notato che la batteria si sta scaricando, a differenza di una batteria al litio o addirittura al piombo (vedi i link per scoprire come funzionano).
Mappa del processo
Idrogeno = ibrido?
Quasi ... In effetti, hanno sistematicamente una batteria al litio aggiuntiva, la cui utilità spiegherò di seguito. Pertanto, è possibile operare solo a idrogeno, utilizzando solo una batteria convenzionale, o anche entrambe contemporaneamente.
Componenti
Serbatoio dell'idrogeno
Abbiamo un serbatoio che può immagazzinare da 5 a 10 kg di idrogeno, sapendo che ogni chilogrammo contiene 33.3 kWh di energia (rispetto ai veicoli elettrici, che hanno da 35 a 100 kWh). Il serbatoio è appositamente progettato e robusto per resistere a una pressione interna da 350 a 700 bar.
Cella a combustibile
La cella a combustibile fornirà energia al motore elettrico dell'auto, proprio come una batteria al litio convenzionale. Tuttavia, ha bisogno di carburante, vale a dire l'idrogeno dal serbatoio. È realizzato in platino molto costoso, ma nelle versioni più moderne ne fa a meno.
Batteria tampone
Questo non è richiesto, ma è lo standard per i veicoli a idrogeno. Funge infatti da batteria tampone, da amplificatore di potenza (può funzionare in parallelo con una fuel cell), ma anche e soprattutto serve a ripristinare l'energia cinetica in fase di decelerazione e frenata.
Elettronica di potenza
Non elencata nel mio diagramma in alto, l'elettronica di potenza controlla, interrompe e rettifica (convertendo tra corrente alternata e continua) le varie correnti che attraversano i vari componenti dell'auto.
Rifornimento
Funzionamento a celle a combustibile: catalisi
L'obiettivo è estrarre elettroni (elettricità) dall'idrogeno per inviarli a un motore elettrico. Tutto questo avviene attraverso una reazione elettrochimica controllata che separa gli elettroni da un lato (verso il motore) e i protoni dall'altro (nella cella a combustibile). L'intero incontro finisce al catodo, dove termina la reazione: la "miscela" finale dà acqua, che viene pompata fuori dal sistema (scarico).
Ecco un diagramma della catalisi, che è l'estrazione di elettricità dall'idrogeno (elettrolisi inversa).
Qui vediamo il funzionamento della cella a combustibile, ovvero il fenomeno della catalisi.
L'idrogeno H2 (cioè due atomi di idrogeno H incollati insieme: diidrogeno) va da sinistra a destra. Avvicinandosi all'anodo, perde il suo nucleo (protone), che verrà risucchiato (a causa del fenomeno dell'ossidazione). Gli elettroni continueranno quindi il loro cammino verso destra per utilizzare successivamente il motore elettrico.
A nostra volta stiamo rimontando il tutto iniettando O2 (ossigeno dall'aria grazie al compressore) lato catodo, che permetterà naturalmente la formazione di una molecola d'acqua (che catalizzerà tutti gli elementi in un unico insieme). una molecola che è un insieme di Hs e Os).
Riepilogo delle reazioni chimico/fisiche
UN CENNO : all'anodo, l'atomo di idrogeno è "tagliato" a metà (H2 = 2e- + 2H+). Il nucleo (ione H+) discende verso il catodo, mentre gli elettroni (e-) proseguono il loro cammino a causa della loro incapacità di attraversare l'elettrolita (lo spazio tra anodo e catodo).
CATODO: al catodo vediamo invertire (in modi diversi) ioni H+ ed e- elettroni. Quindi è sufficiente introdurre atomi di ossigeno in modo che tutti questi elementi si vogliano raccogliere, il che porta quindi alla creazione di una molecola d'acqua composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Oppure la formula: 2e- + 2H+ + O2 = H2O
Raccolto ?
Se consideriamo solo l'auto in sé, ovvero l'efficienza del serbatoio fino all'estremità delle ruote (trasformazione materiale/rinforzo meccanico), siamo qui poco sotto il 50%. In effetti, la batteria ha un'efficienza di circa il 50% e il motore elettrico di circa il 90%. Pertanto, abbiamo prima il 50% di filtraggio e poi il 10%.
Se prendiamo in considerazione l'efficienza di una centrale elettrica che genera energia, allora prima della produzione di idrogeno o anche della distribuzione di energia elettrica (nel caso del litio) abbiamo il 25% per l'idrogeno e il 70% per l'elettricità (circa nella media, ovviamente ).
Leggi di più sulla redditività qui.
Differenza tra un'auto a idrogeno e un'auto elettrica con batteria al litio?
Le auto sono esattamente le stesse, tranne che per il loro "serbatoio di energia". Si tratta quindi di veicoli elettrici che utilizzano motori rotore-statore (a induzione, a magneti permanenti o anche reattivi).
Se una batteria al litio funziona anche grazie a una reazione chimica al suo interno (una reazione che produce naturalmente elettricità: più precisamente elettroni), non ne esce nulla, c'è solo una trasformazione interna. Per tornare allo stato originale (ricarica), è sufficiente far passare la corrente (collegarsi al settore) e la reazione chimica ricomincerà nella direzione opposta. Il problema è che ci vuole tempo, anche con i compressori.
Per un motore a idrogeno, che è un classico motore elettrico alimentato da una cella a combustibile (cioè idrogeno), la batteria consuma idrogeno durante una reazione chimica. Viene svuotato attraverso uno scarico che rimuove il vapore acqueo (risultato di una reazione chimica).
Quindi, da un punto di vista logico, potremmo adattare qualsiasi auto elettrica a un'auto a idrogeno, è sufficiente sostituire la batteria al litio con una cella a combustibile. Quindi, nella tua comprensione del "motore a idrogeno" dovrebbe essere considerato principalmente come un motore elettrico (vedi come funziona qui). Si avvicina necessariamente a lui, non perché sia rifornito di carburante come entità.
La reazione chimica alla base di questa tavoletta produce Caloredi elettricità (cosa ci serve per il motore elettrico) e l'acqua.
Perché non ovunque?
Il principale problema tecnico con l'idrogeno è legato alla sicurezza dello stoccaggio. Infatti, come il GPL, questo carburante è pericoloso perché diventa infiammabile a contatto con l'aria (e non solo). Quindi il problema non è solo fare rifornimento all'auto, ma anche avere un serbatoio abbastanza robusto da resistere a qualsiasi incidente. Naturalmente, anche il costo aggiuntivo è un grosso freno e sembra meno praticabile di una batteria agli ioni di litio, che sta calando di costo.
Infine, la rete di produzione e distribuzione nel mondo è molto sottosviluppata, e i governi vogliono produrre idrogeno per elettrolisi utilizzando fonti energetiche rinnovabili (molti esperti parlano di uno schema utopico che non può essere realizzato nella nostra realtà "improvvisa").
In definitiva, c'è una migliore possibilità che l'elettricità convenzionale sia la soluzione preferita per il futuro, piuttosto che l'idrogeno, che sarà utilizzato per una gamma di applicazioni oltre la mobilità individuale.
Tutti i commenti e le reazioni
Dernier commento pubblicato:
Бернард (Data: 2021, 09:23:14)
Ciao,
Grazie per queste idee forti e interessanti. Lascerò il sito con una nuova lucciola nel mio vecchio cervello.
Personalmente, sono sorpreso che, a parte quello che so sui sottomarini nucleari, nessuno abbia sviluppato un motore perfetto per la strada. Era infatti quello presentato da Philips al Salone di Bruxelles del 1971, con 200 CV. su due pistoni.
Philips ha iniziato ad operare nel 1937-1938 e ha ripreso nel 1948.
Nel 1971, hanno affermato diverse centinaia di cavalli per pistone. Da allora non riesco a trovare nulla... Certo, Difesa Segreta.
E i motori a turbina a gas?
Le tue lanterne possono aggiungere un po' d'acqua al mio mulino pensante.
Grazie per la tua conoscenza e divulgazione.
il io. 1 reazione (i) a questo commento:
- amministratore AMMINISTRATORE DEL SITO (2021-09-27 11:40:25): È molto divertente da leggere, grazie.
Non so abbastanza su questo tipo di motore per giudicare, probabilmente per costo, dimensioni, manutenzione difficile, efficienza media?
Tenendo presente che è necessario disporre di una soluzione che permetta di riscaldare il gas, e quindi la sua applicazione su una normale auto pubblica è potenzialmente pericolosa (e che sarà costante nel tempo).
Insomma, sospetto che speravi in una risposta più precisa e sicura... Scusa.
(Il tuo post sarà visibile sotto il commento dopo la verifica)
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