Tehnologii Energetice Pe Baza de Hidrogen [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITATEA OVIDIUS DIN CONSTANȚA FACULTATEA DE ȘTIINȚE APLICATE ȘI INGINERIE Studii de Masterat: Ingineria sistemelor cu surse energetice regenerabile

Tehnologii energetice pe baza de hidrogen Utilizari ale hidrogenului - REFERAT

-

Masterand Gheorghe I. Căpățînă

Constanța 2018

Cuprins Introducere……………………………………………………………………3 1. Hidrogenul - Combustibilul Viitorului……………………….………4 2. Utilizarea hidrogenului in industrie…………………………………..6 3. Utilizarea hidrogenului in domeniul transporturilor………….……10 3.1.

Cercatari privint utilizarea hidrogenului la motoarele cu aprindere prin scanteie…………………………………...……10

3.2.

Starea actuală de dezvoltare a motoarelor cu hidrogen……..15

Concluzii………………………………………………………………….…..23 Bibliografie………………………………………………………………..….24

2

Introducere Hidrogenul este un combustibil aproape ideal din care se poate obtine energie curata, care nu polueaza mediul. Se poate transporta si stoca fara a afecta mediul inconjurator. Formele de utilizare sunt multiple, de la arderea sa si obtinerea de energie termica pana la reactia in sant, principiu pe care se bazeaza functionarea bombei cu hidrogen. Acest combustibil are o mare putere calorica si poate fi transformat in toatele cele trei stari de agregare. Deocamdata, acest combustibil are un pret de fabricatie destul de ridicat; inca nu a devenit competitiv cu alti combustibili pentru a fi utilizat la scara industriala. Obtinerea hidrogenului se poate face prin electroliza apei sau prin descompunerea hidrocarburilor. In prezent, este mai economic sa se utilizeze gazul natural extras din zacaminte, decat sa se extraga hidrogenul din el. Deja s-au executat vehicule speciale, in special pentru transportul urban, care foloseste hidrogenul drept combustibil. In acest sens, solutia considerata optima este utilizarea celulelor fotovoltaice care sa produca energie electrica necesara procesului de electroliza a apei, in urma caruia sa se obtina hidrogenul necesar transportului urban de calatori si de marfuri. Deja sunt executate doua proiecte care functioneaza cu rezultate bune. [1] Hidrogenul constituie aproximativ 75% din Univers și este elementul cu cea mai simplă structură, atomul său fiind format doar dintr-un proton și un electron. În ciuda abundenței sale, pe Pământ hidrogenul se găsește în mod natural sub formă de gaz doar într-o foarte mică proporție (0,00005% din compoziția atmosferei), în cea mai mare parte fiind prezent în diverse combinații chimice, preponderent sub formă de apă și hidrocarburi, din care poate fi extras prin diferite metode fizico-chimice. Aceasta înseamnă că hidrogenul nu reprezintă o sursă primară de energie, ci, asemenea electricității, este un vector energetic, servind transferului de energie între sursa primară si utilizator. Preocuparea pentru utilizarea hidrogenului în scopuri energetice nu este tocmai nouă și s-a accentuat din ultimele decenii ale secolului trecut, pe măsură ce îngrijorarea vizavi de modificările climatice tot mai evidente și de insecuritatea energetică datorată distribuției „nedemocratice” a resurselor de combustibili fosili a devenit tot mai mare. Este evident faptul că viziunea asupra viitorului omenirii trebuie centrată obligatoriu pe generarea sustenabilă de energie prietenoasă cu mediul, în special prin reducerea emisiilor de dioxid de carbon rezultate, ceea ce se poate realiza, în primul rând, prin micșorarea raportului carbon/hidrogen în combustibilul utilizat drept sursă de energie. De aici și până la imaginarea unui sistem energetic bazat pe hidrogen ca vector energetic, caz în care acest raport devine nul, nu a mai fost decât un pas. Pentru a-și putea îndeplini misiunea de vector energetic, în funcție de utilizarea finală, hidrogenul trebuie să parcurgă câțiva sau toți pașii următori: producere, transport, stocare, distribuire și conversie, fiecare dintre aceștia punând în fața cercetătorilor și a inginerilor o serie de provocări, atât tehnologice cât și economice, astfel încât să fie capabili să răspundă în mod optim tuturor criteriilor de eficiență și securitate energetică, de reducere a emisiilor de dioxid de carbon și de cost. În prezent, hidrogenul este produs în cea mai mare parte prin reformarea catalitică a metanului și a celorlalte hidrocarburi ușoare din gazele naturale, precum și prin gazeificarea cărbunelui si a fracțiilor grele de hidrocarburi. Dezavantajul major al acestor metode de obținere a hidrogenului îl reprezintă emisiile de dioxid de carbon asociate, care pot fi reduse prin diferite

3

metode de captare și sechestrare, precum și faptul că utilizează surse de energie fosile, în curs de epuizare. O altă metodă de producere a hidrogenului este prin descompunerea apei, utilizând cel mai vechi proces electrochimic cunoscut: electroliza. Impactul acesteia asupra mediului depinde numai de combustibilii și tehnologiile utilizate pentru producerea energiei electrice. Dacă energia provine din combustibili fosili, emisiile de carbon vor fi chiar mai mari decât în cazul reformării catalitice, iar dacă se utilizează surse regenerabile (solară, eoliană, geotermală, hidro), sistemul energetic bazat pe hidrogenul astfel produs va fi într-adevăr unul cu emisii de carbon nule. Gazeificarea biomasei provenite din deșeuri sau din culturi dedicate, utilizând procese termochimice sau biochimice, este o altă metodă de obținere a hidrogenului care se poate solda cu emisii nete de carbon reduse sau nule. Transportul, stocarea și distribuția Hidrogenului depind de modul centralizat sau descentralizat în care a fost produs. În prezent, cea mai mare parte a hidrogenului produs este utilizat local. Chiar dacă se are în vedere dezvoltarea unei rețele de transport și distribuție prin conducte, asemeni gazului metan, pentru utilizare la distanță hidrogenul se stochează îndeobște sub formă de gaz comprimat sau lichefiat. Mai puțin răspândită este stocarea în medii solide, utilizând diferite metode chimice sau fizice, sub formă de hidruri metalice, carbohidrați, amino-borani, etc. respectiv pe nanotuburi de carbon, microsfere de sticlă, etc. Ceea ce trebuie subliniat este faptul că indiferent care este metoda de stocare folosită, sunt implicate consumuri energetice ridicate.

1. Hidrogenul - Combustibilul Viitorului Înainte de descoperirea sa, hidrogenul a fost confundat cu alte gaze. În 1766, chimistul englez Henry Cavendish a arătat că hidrogenul se formează la aplicarea acidului sulfuric pe metale şi astfel este considerat descoperitorul hidrogenului. Ulterior, a arătat că, apa este rezultatul reacţiei dintre hidrogen şi oxigen. În 1781, Joseph Priestley a numit acest gaz “aerul inflamabil”. Chimistul francez Antoine Laurent Lavoisier a dat acestui gaz denumirea de hydrogenium (formează apa). Hidrogenul lichid a fost produs prima dată în 1898 de James Dewar. [5] Hidrogenul este cel mai frecvent element din Univers. În spaţiu este prezent în trei forme: ioni (protoni), atomi şi molecule biatomice. Pe Terra apare doar în molecule. În combinaţie cu alte elemente hidrogenul este foarte răspândit, iar cea mai frecventă şi importantă formă este apa (H2O). Apa este baza vieţii. T. N. Veziroglu , editor al revistei specializate în probleme de energetica hidrogenului “International Journal of Hydrogen Energy” sintetizează câteva proprietăţi care recomandă utilizarea hidrogenului ca vector energetic produs pe bază de tehnologii neconvenţionale;  hidrogenul concentrează surse (energetice) de energie primară pe care o prezintă la consumator într-o formă convenabilă;  cost de producţie relativ ieftin ca urmare a perfecţionărilor de ordin tehnologic;  posibilitatea de conversie în diverse forme de energie prin procedee caracterizate de eficienţă maximă;  este o sursă inepuizabilă, având în vedere că se obţine din apă, iar prin utilizare se transformă în apă. Producţia şi consumul hidrogenului reprezintă un ciclu închis, care

4



  

menţine constantă sursa de producţie - apa, şi reprezintă un ciclu clasic de recirculare a materiei prime (spre exemplificare se prezintă schema de principiu de mai jos); este cel mai uşor şi mai curat combustibil. Arderea hidrogenului este aproape în întregime lipsită de emisii poluante, cu excepţia NOx-ului, care poate şi el fi eliminat prin reglarea corespunzătoare a condiţiilor de ardere. Are o « densitate energetică » gravimetrică mult superioară oricărui alt combustibil; hidrogenul poate fi stocat în mai multe moduri: gaz la presiune normală sau la înaltă presiune, ca hidrogen lichid sau sub formă de hidruri solide; poate fi transportat pe distanţe mari în oricare din formele prezentate anterior; deoarece se poate combina fără probleme cu oxigenul care, în cazul unei pile de combustie, are o eficienţă de combustie de peste 60 %, oferă perspectiva depozitării electricităţii în afara vârfurilor de sarcină, prin electroliza apei în scopul obţinerii hidrogenului.

Figura 1 Valorile energetice ale combustibililor În figura 1 sunt prezentate valorile energetice la diferite tipuri de combustibil. Din grafic se poate observa diferenţa mare dintre hidrogen şi alte tipuri de combustibil. Hidrogenul are proprietăţile unui gaz şi se ridică, datorită densităţii sale mai mici decât cea a aerului. Atenţie la folosirea hidrogenului în spaţii închise, unde poate avea loc periculosul amestec de hidrogen şi aer şi care explodează. Hidrogenul poate fi considerat unul dintre combustibilii viitorului. De la creşterea alarmantă a cantităţii de gaze de seră rezultate în urma poluării, toate privirile s-au întors către hidrogen deoarece are avantajul utilizării energiei provenite din surse regenerabile, jucând rolul unui combustibil pentru autovehicule. În viitor oricine va putea conduce sau găti folosind hidrogen generat din energie solară sau eoliană. Anual consumul mondial de hidrogen se cifrează la peste 500 miliarde metri cub în diverse scopuri şi în diferite domenii, a căror varietate şi necesităţi sunt în creştere pe măsura scăderii resurselor de combustibili fosili şi schimbărilor climatice datorate creşterii emisiunii de CO2 în atmosferă. Pentru a putea asigura accesul diferiţilor consumatori la sursele de hidrogen este necesară dezvoltarea unei infrastructuri adecvate. Hidrogenul nu poate fi găsit în natura în stare pură, adică în starea în care poate fi folosit ca purtător de energie), şi nu poate fi exploatat la fel ca petrolul sau cărbunele. Deoarece

5

trebuie extras din compuşi chimici, oamenii de ştiinţă îl denumesc “purtător de energie secundar”. Cel mai cunoscut compus este apa, dar există şi alte substanţe ce conţin hidrogen, de exemplu hidrocarburile. Indiferent de sursa din care extragem hidrogenul, este nevoie de un proces de obţinere şi acesta presupune un consum de energie. Avantajul este că pentru a obţine hidrogenul putem utiliza, nu neapărat combustibili fosili; putem utiliza de exemplu energie eoliană, solară sau a apelor. Electroliza este metoda cea mai utilizată pentru obţinerea hidrogenului. Din punct de vedere economic, electroliza este o alternativă bună numai în acele ţări în care exsită mari hidrocentreale, deoarece foloseşte energie electircă, adică tot un purtător secundar de energie, care trebuie să fie obţinută ieftin. Hidrogenul obţinut prin electroliză se poate utiliza în pile de combustie. Acestea permit transformarea energiei chimice în energie electrică prin arderea hidrogenului în oxigen. Rezultatul fiind vaporii de apă care apar în urma arderii lui. Vaporii se ridică în atmosferă, iar apoi condensează ,căzând din nou pe pamânt în apa mărilor şi a oceanelor. Prin utilizarea pilelor de combustie hidrogenul devine combustibilul viitorului ,iar apa este purtător de energie . Hidrogenul poate fi păstrat fie în rezervoare subterane ca gaz, fie sub formă solidă,ca hidruri. În acest mod problema stocării energiei devine mai simplă. În afară de faptul că hidrogenul permite stocarea energiei, acesta evităş poluarea atmosferei. Hidrogenul produs regenerativ diferă fundamental de combustibilii fosili. [2] Folosirea lui la motoare cu ardere interna nu produce emisii de dioxid de carbon. Cele doua elemente cheie ale vehicolelor alimentate cu hidrogen sunt motorul cu ardere interna si rezervorul de hydrogen. Tehnologia “bi-fuel” presupune posibiliatea comutării între hidrogen şi benzină. Hidrogenul răcit în stare lichidă are cea mai mare densitate de energie. Pentru a menţine hidrogenul lichid la o temperatură constantă de -253˚ C, rezervorul este izolat folosind tehnoloia de ultimă oră: are pereţi dubli şi este bazat pe principiul termosului. Hidrogenul este recunoscut de experţi din întreaga lume ca cea mai potrivită sursă de energie din viitorul automobilelor.

2. Utilizarea hidrogenului in industrie Anual consumul mondial de hidrogen se cifrează la peste 500 miliarde metri cub în diverse scopuri și în diferite domenii, a căror varietate și necesități sunt în creștere pe măsura scăderii resurselor de combustibili fosili și schimbărilor climatice datorate creșterii emisiunii de CO2 în atmosferă. Pentru a putea asigura accesul diferiților consumatori la sursele de hidrogen este necesară dezvoltarea unei infrastructuri adecvate. Industria spatiala De cand s-a format agentia in 1958, N.A.S.A (National Aeronautics and Space Administration) a folosit combustibililul pe baza de hidrogen pentru a ajuta rachetele puternice. De fapt, de fiecare dată când vedem o rachetă lansată la televizor, forţa enormă şi norul de fum şi de foc este cauzată de aprinderea hidrogenului lichid. De exemplu, rachetele de pe naveta spatiala ard in jur de 800.000 de litri de hidrogen in timpul decolarii. Naveta spatiala foloseste o combinatie de hidrogen lichid si oxigen lichid pentru a crea un nivel maxim de tractiune de 512950 kg forta echivalent cu 12 milioane de cai putere. Cu toate acestea, cu viitoarele misiuni pe Marte, agentia cauta de asemenea modalitati de a face procesul mai rationalizat. Aceasta include rezervoare mai bune de stocare a combustibililui, potentialul de a utilize hidrogenul

6

pentru furnizarea oxigenului pe navetele spatiale, precum si dezvoltarea hidrogenului pentru vehiculele de teren. Cei mai mulţi oameni ştiu că hidrogenul lichid a avut rolul de combustibil în toate misiunile spaţiale până în prezent. Ceea ce majoritatea oamenilor nu realizeaza, este faptul că pe modulul lunar al misiunii spatiale Apollo 11, celulele de combustie pe bază de hidrogen au fost utilizate pentru alimentarea aparaturii electronice în interiorul navei spaţiale. Celulele de combustibie au utilizat hidrogen şi oxigen lichid pentru a crea energie electrică şi apă, de asemenea au servit pentru producerea apei potabile pentru echipaj şi ca lichid de răcire pentru componentele electronice critice.

Fig. 2 Utilizarea hidrogenului in industria spatiala Gaz pentru scufundare la mare adâncime Primele încercări de utilizare a hidrogenului în scufundare, ca înlocuitor al azotului și heliului, au fost efectuate de Marina Militară Suedeză. În anul 1945, inginerul suedez Arne Zetterstrőm a investigat pentru prima dată posibilitățile de folosire a amestecului hidrogen-oxigen (HIDROX) în scufundare. Acesta a efectuat o scufundare la 156 m adâncime în Marea Baltică. Din păcate, Zetterstrőm moare într-un accident, pe timpul revenirii la presiunea atmosferică, datorat unei avarii la vinciul de ridicare. După acest eveniment tragic, problema utilizării hidrogenului în scufundare a rămas în suspensie mulți ani. Abia în anul 1968, francezii de la Comex S.A. reiau ideea inițiind programul HYDRA, care a culminat în anul 1992 cu experimentul uman HYDRA X la 701 m adâncime. Amestecul respirator utilizat a fost un amestec ternar numit HIDRELIOX compus din hidrogen (29%)-heliu (76%)-oxigen (0,6%). Principalele motive pentru care s-a impus ca necesară utilizarea hidrogenului în realizarea amestecurilor respiratorii destinate tehnologiilor de scufundare sunt:  hidrogenul este un gaz ușor,  se găsește din abundență în natură,  are capacitatea de a dilua oxigenul pentru a-l face respirabil în doze convenabile.  După numeroase experiente pe animale, efectuate de Brauer în S.U.A., Orhagen în Suedia si echipa condusă de H. G. Delauze în Franța, s-a demonstrat că hidrogenul nu este toxic. [3]

7

Fig. 3 Scufundari Utilizarea hidrogenului ca diluant al oxigenului în amestecuri respiratorii are o dublă perspectivă:  amelioarea compartimentului profesional al interventiilor sub apă, între 300 si 500 m adâncime;  posibilitatea de a se atinge pragul de 700 m adâncime, în condițiile de securitate, confort si eficiență, pe care nici un alt gaz nu le permite. Hidrogenul are însă marele dezavantaj fiind violent exploziv când este amestecat cu aer în proporții ce includ prezența a 5,3% oxigen, iar în amestec cu peste 4% oxigen, devine în mod spontan exploziv. Pentru a se evita riscul combinației chimice, concentrația volumică de oxigen din amestecul respirator hidrogen-oxigen trebuie să fie mai mică de 4% ( rO2 < 0,04). Această restricție permite utilizarea amestecului hidrogen-oxigen la scufundări între 70 si 700 m adâncime. Utilizarea in rafinare Directorul executiv al Carolina de Sud al Alianţei de hidrogen şi de combustibil, a declarat ca hidrogenul este utilizat pentru a desulfuriza combustibililul în timpul procesului de rafinare. Acest lucru permite să fie produsa mai multă benzină. Industria ingrasamintelor Amestecul de hidrogen şi azot, este cheia pentru a face amoniacul. Gazul natural este adesea folosit pentru a produce electroliza care separa hidrogenul din apa, dar cercetatorii sunt încercarea de a face procesul sa functioneze prin puterea vântului. Amoniacul este un ingredient cheie în producţia de îngrăşăminte. Materie primă în procesul de fabricare a amoniacului În procedeul Haber-Bosch din gaz metan, prin reformare în trei faze, se obtine hidrogen care mai apoi reactionează cu azotul din aer la o presiune de 300bar și o temperatură de 450°C. Rezultă ammoniac utilizat la fabricarea îngrășămitelor și explozivilor. Datorită temperaturii și presiunii mari, fabricarea amoniacului necesită un consum de energie ce reprezintă 1,1% din producția mondială. Materie primă în procesul de hidrogenare Cărbune - există două procedee mai cunoscute în care prin hidrogenarea cărbunelui se obțin hidrocarburi: - Procedeul Bergius-Pier Din cărbune amestecat cu ulei greu la 300bar și 450–500 °C, cu adăugare de hidrogen, în cuptoare speciale rezultă uleiuri grele, medii și benzină. - Procedeul Fischer-Tropsch

8

Din gazul de sinteză (CO/H2) în prezența catalizatorului de cobalt sau fier la 20 - 40 bar și 200°C - 350°C rezultă uleiuri și benzină. Aceste procedee devin competitive la un preț al petrolului de peste 50-60$ pe baril. Actualmente în Africa de Sud o mare parte din combustibil este asigurat pe această cale. La fel în SUA și China există astfel de instalații. Aceste procedee contribuie intens la emisia de CO2. Grăsimi Prin hidrogenare, în uleiurile vegetale, se saturează legăturile duble din moleculele acizilor grași cu hidrogen. Procesul are loc în prezența catalizatorului din nichel la 120-180 °C și o presiune de 6-7bar. Moleculele rezultate au un punct de topire mai înalt și ca urmare produsul rezultat (margarina) devine consistentă la temperatura camerei. Material sintetic Prin hidrogenare materialele sintetice se sparg în componente mai mici rezultând produse gazoase și lichide uleioase. În acest scop materialele sintetice se mărunțesc, se spală și la 500 °C, sub presiune, cu ajutorul hidrogenului vor fi transformate. Gazele rezultate vor putea fi utilizate ca și combustibil, cu mențiunea că vor rezulta mai puține reziduuri toxice decât în cazul arderii directe a deșeurilor. Agent de răcire Datorită capacității termice mari, hidrogenul este utilizat în centrale și instalații industriale ca agent de răcire. De obicei se utilizează H2 în cazurile în care nu se poate apela la lichide. Avantajul capacității mari se evidențiază în cazurile când viteza de circulație a gazului se cere a fi redusă sau nulă. Deoarece hidrogenul prezintă și o bună conductibilitate termică, se pot utiliza curenți de hidrogen pentru transportul căldurii în rezervoare mari. În astfel de aplicații hidrogenul apără instalațiile de supraîncălzire și mărește eficiența. Criogenie Hidrogenul lichid având o capacitate termică foarte mare se poate utiliza ca agent de răcire pentru temperaturi foarte mici necesare în cazul supraconductorilor, a distilării criogenice, conservării celulelor și organelor, intervențiilor chirurgicale criogenice. Hidrogenul lichid poate absorbi mari canrități de căldură înainte ca să se observe o variație semnificativă de temperatură rezultând o stabilitate mare chiar și la oscilații mari ale temperaturii exterioare. Combustibil în centrale nucleare de fuziune In proiectul JET cu ajutorul camerei toroidale Tokamak s-a realizat la 9 noiembrie 1991 prima reacție de fuziune cu un amestec de 86:14 deuterium-tritium, iar în anul 1998 s-a atins un Q=0,7 la un vârf de 16MW pe o durată mai scurtă de o secundă. ITER constituie un proiect mai evoluat care a fost lansat în 21 moiembrie 2006 cu semnarea tratatului de colaborare între 7 state industriale pentru realizare primului reactor de test în Cadarache. Acest reactor este proiectat să producă 500MW pe o durată continuă de 500 secunde arzând un amestec de circa 0.5g D + T în spațiul de ~840 m3 al camerei reactorului. Primele rezultate sunt așteptate pentru anul 2016. Continuare acestui proiect în caz de success va fi un reactor de 3000-4000MW. Combustibil pentru avioane cu reacție În tehnica aeronautică primul motor cu reactie construit de firma Heinkel HeS 1 în 1937 – a funcționat având ca și combustibil hidrogen. Actuelmente sunt dezvoltate motoare cu reacție ce pot funcționa pe bază de hidrogen, dar deocamdată nu sunt în exploatare datorită masei mari a rezervoarelor ce intră în contradicție cu necesitățile privind greutatea proprie a avioanelor. În anul 1988 avionul TU – 156 variantă a TU –154, având toate cele trei motoare modificate, a

9

zburat cu success pe alimentare cu hidrogen stocat sub stare de agregare lichidă. Airbus are un proiect de construcție Cryoplane cu participarea a 36 firme pentru a evalua posibilitatea realizării unui avion cu hidrogen lichid. Alte utilizari: Hidrogenul este utilizat în procesul Haber pentru fixarea azotului atmosferic, în producţia de metanol, şi în hidrogenarea grăsimilor şi uleiurilor. Este de asemenea important în temperatură scăzută pentru cercetare. Acesta poate fi lichefiat sub presiune şi răcit, atunci când presiunea este eliberata, are loc evaporarea rapida şi o parte din hidrogen se solidifică.

3. Utilizarea hidrogenului in domeniul transporturilor Cu toate ca in prezent sectorul transporturilor depinde in mare masura de petrol, previziunile privind cresterea cererii si a emisiilor de gaze cu efect de sera au condus la cautarea de combustibili alternativi viabili. Conform unui raport al grupului european pentru viitorii combustibili din transport, printre principalele optiuni pentru inlocuirea petrolului in transporturi se numara electricitatea prin intermediul bateriilor si a celulelor pe baza de hidrogen si biocarburantii. In plus, gazele naturale si bio-metanul ar putea fi folosite ca solutii de back-up, in timp ce combustibilii sintetici ar putea asigura tranzitia de la combustibilii fosili la sursele regenerabile. Biocombustibilii si solutiile sintetice ar putea fi in masura, din punct de vedere tehnic, sa alimenteze toate tipurile de transport, dar disponibilitatea materiei prime si durabilitatea ar putea impune constrangeri privind utilizarea lor. Este foarte probabil ca cererea de energie preconizata in viitor in transport sa nu poata fi indeplinita de un singur tip de combustibil. In general, combustibilii alternativi tind sa aiba o randament energetic mai mica decat combustibilii fosili, dar acestia reduc emisiile de CO2 provenite din transporturi. [5] Principalele optiuni pentru completarea, pana in 2050, a combustibililor fosili in transportul rutier, aerian si de marfa pe distante lungi vor fi biocombustibili cu randament energetic mare, ce pot fi distribuiti prin infrastructura existenta. Vehiculele electrice, pe de alta parte, vor fi destinate in special pentru calatorii pe distante scurte.

3.1. Cercatari privint utilizarea hidrogenului la motoarele cu aprindere prin scanteie În ultimii 25 de ani, s-au înregistrat numeroase progrese în materie de scădere a emisiilor poluante şi a consumului de combustibil la motoarele automobilelor. Supunându-se normelor antipoluare din ce în ce mai severe, vehiculele elimină în atmosferă, noxe din ce în ce mai puţine, comparativ cu anii trecuţi. Cu toate acestea, problemele legate de poluarea aerului şi ale efectului de seră sunt departe de a fi rezolvate. Organizaţiile şi instituţiile internaţionale, fac presiuni în direcţia măsurilor ce privesc reducerea emisiilor, practic a realizării vehiculelor cu „zero emisii poluante” (ZEV). Pe de altă parte, combustibilii fosili sunt limitaţi, şi sunt concentraţi (cei lichizi) în zona Orientului Mijlociu, o regiune relativ instabilă politic. Resursele mondiale de ţiţei sunt estimate a răspunde necesităţilor omenirii pentru încă o perioadă de circa 40 de ani. 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 previziunea cu privire la resursele de ţiţei trebuie scăzută la

10

20 de ani. Printre soluţiile imaginate este cea legată de utilizarea hidrogenului, un gaz care prin ardere nu produce emisii poluante şi este foarte răspândit în natură, practic inepuizabil. Aflat în compoziţia apei oceanelor, un km 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, şi 2. în pilele de combustie. Motoarele cu ardere internă pe bază de hidrogen cu aplicabilitate în domeniul auto sunt destinate vehiculelor de putere şi trebuie să îndeplinească câteva condiţii: să ofere un nivel echivalent de manevrabilitate şi o rază de acţiune şi de siguranţă că vehiculele cu combustibil convenţional. Primele lucrări şi încercări legate de crearea motorului cu hidrogen, datează din anul 1820 când reverendul Wiliam Cecil profesor al Universităţii Cambridge, a prezentat în faţa 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, care împinge un piston în direcţia vacuumului. Vacuumul parţial este creat prin arderea unui amestec hidrogen/aer, care se destinde şi apoi este răcit. Cu toate că motorul funcţionează satisfăcător, motoarele cu vacuum nu sunt suficient de practice. [6] Alte cercetări semnificative aparţin germanului Nikolaus August Otto (1832- 1891), considerat inventatorul motorului cu ardere internă în 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 începutul declinului interesului pentru alţi combustibili. Cercetările lui Otto au fost continuate şi perfecţionate de inginerul german Wilhelm Maybach (1846-1929). Un alt aspect alt preocupărilor privind folosirea hidrogenului, a fost legată de ideea de a-l folosi drept combustibil în motoarele propulsoare ale dirijabilelor. O altă personalitate cu preocupări în combustia cu hidrogen a fost inginerul german Rudolf Erren, (“Erren engine”) care a avut cercetări finalizate cu patente înregistrate în Marea Britanie, în 1930 şi în USA, 1939, cu privire la motorul folosind hidrogenul. El anticipa că hidrogenul se va folosi pentru propulsia autovehiculelor, dar şi a submarinelor.

Figura 4. Cobra Replica cu motor care functioneaza pe baza de hidrogen Până în prezent, hidrogenul a fost folosit mai mult în programele spaţiale, datorită celui mai favorabil raport energie/greutate comparativ cu ceilalţi combustibili.

11

După anul 1970, s-au intensificat cercetările cu privire la utilizarea hidrogenului în transporturi, conştientizându-se perspectiva epuizării rezervelor de petrol. Ulterior, în anii ’80 din diferite segmente ale societăţii, numeroase voci au cerut măsuri urgente de a se limita poluarea aerului, fenomen în care un rol major îl au motoarele pe bază de combustibili lichizi, una dintre direcţiile de urmat fiind trecerea pe combustibili alternativi.

Proprietăţile de ardere ale hidrogenului Hidrogenul este un gaz incolor, inodor şi insipid. Este cel mai uşor gaz, cu o densitate faţă de aer daer=0,06984, putând difuza prin orificii fine. Este absorbit de numeroase metale, printre care Fe, Al şi Cu, cu inserarea în reţeaua moleculară, care determină modificări ale unor proprietăţi ale acestora. În cazul oţelului, hidrogenul provoacă un fenomen specific de fragilizare, care se manifestă şi prin tendinţa de dezvoltare a unor fisuri şi eventual sufluri, precum şi prin coroziune fisuranta sub tensiune. În acest sens au fost dezvoltate materiale speciale, cu o stabilitate acceptabilă la acţiunea fragilizantă, care sunt recomandate pentru construcţia instalaţiilor funcţionând cu hidrogen. În tabelul se prezintă principalele constante fizice ale hidrogenului. Tabelul 1 Principalele constante fizice ale hidrogenului Denumirea constantei fizice

Valoarea

Greutatea molecular

2,0156

Constantă gazului, J/kg∙ K

4121,735

Punctul de topire (la ): 

Temperatura de topire, K

13,95 -259,20

◦C 

Că ldura de topire, KJ/kg

58,615

Punctul de fierbere (la ): 

Temperatura de fierbere, K

20,37 -252,78

◦C 

Că ldura de vaporizare, KJ/kg

460,548

Punctul critic: 

Temperatura critică , K

33,25

12

-239,90

◦C 

Presiunea critică , MPa

129,4478



Densitatea critică , kg/

31

Starea normală (la ş i 273 K): 

Densitatea, kg/

0,08987



Densitatea relativă la aer

0,06984



Că ldura specifică la presiune constantă ,

14,235

KJ/kg∙ K 

Vâscozitatea dinamică , Ns/

8,40



Coeficientul de difuzie în aer,

0,63

Raportul că ldurilor specific

1,41

Hidrogenul este cel mai uşor element şi, corespunzător, are un volum specific foarte mare. În concecinta, prin adăugarea hidrogenului în aerul admis în cilindrul unui motor (la formarea amestecului în exterior), se produce o reducere sensibilă a masei aerului admis; la plină sarcina, de exemplu, comparativ cu amestecul benzina- aer, masa de aer admisă se reduce cu aproximativ 30%. La o valoare aproape egală a valorii puterii calorifice pentru amestecul stoichiometric hidrogen/aer şi benzină/aer.(Tabel 1.) Efectul de reducere a volumului aerului disponibil se evită prin adoptarea principiului formării amestecului în interior. Hidrogenul se distinge şi prin viteză ridicată de difuzie; comparativ cu benzina, de exemplu, viteza de difuzie a hidrogenului este de 7-8 ori mai mare. Această proprietate favorizează amestecarea rapidă cu aerul chiar în condiţiile formării amestecului în interior, la turaţii ridicate de funcţionare. Cu oxigenul se combina la rece, în prezenţa unui catalizator, sau în prezenţa flacării. Puterea calorifică a amestecului stoichiometric hidrogen- aer este apropiată de cea a amestecului stoichiometric benzina- aer. (Tabelul 1) Pentru a putea fi folosit drept combustibil hidrogenul are următoarele proprietăţi[7]:  gamă largă de inflamabilitate  energie scăzută la aprindere  durată scăzută de ardere  temperatură mare de autoaprindere  viteze mari de propagare a flăcărilor la valori stoichiometrice  difuzibilitate mare  densitate foarte mică 1. Gama largă de inflamabilitate

13

Gama largă de inflamabilitatea a unui gaz este definită în termeni de limita inferioară de inflamabilitate (LII) şi limita superioară de inflamabilitate (LSI). LII a unui gaz este cea mai scăzută concentraţie de gaz, care va susţine arderea unei flăcări când este amestecată cu aerul. Sub limita inferioară de inflamabilitate nu mai este suficient combustibil pentru a întreţine arderea; amestecul combustibil / aer este prea sărac. Hidrogenul are o gamă largă de inflamabilitate în comparaţie cu toţi ceilalţi combustibili. În consecinţă hidrogenul poate arde în motoare în mai multe amestecuri aer-combustibil. Un avantaj semnificativ este ca el poate arde într-un amestec sărac. Un amestec sărac este acela în care cantitatea de combustibil este mai mică decât valoarea teoretică, stoichiometrică sau chimică ideal necesară pentru combustie cu o anumită cantitate de aer. De aceea este foarte uşor a porni un motor pe hidrogen. În general economia de combustibil este mai mare şi reacţia de ardere este mai bună atunci când motorul funcţionează cu un amestec mai sărac. În plus temperatura de ardere este mai mică, reducându-se astfel emisiile poluante cum ar fi oxizii de azot din evacuare. Există totuşi o limită a amestecului sărac cu care poate funcţiona motorul, amestec care scade semnificativ puterea motorului determinând o reducere a valorii de încălzire volumetrică a amestecului aer-carburant. 1. Energie scăzută la aprindere Hidrogenul are o energie foarte scăzută la aprindere. Cantitatea de energie necesară aprinderii hidrogenului este cu un ordin de mărime mai mică decât cea necesară aprinderii benzinei. Acest lucru permite motoarelor cu hidrogen o aprindere cu amestec sărac şi în acelaşi timp o aprindere promta. Din nefericire energia scăzută de aprindere realizeaza gazele fierbinţi rezultate în urma arderii şi punctele fierbinţi de pe cilindru pot servi drept surse de aprindere, determinând astfel autoaprinderile şi detonaţiile. Prevenirea acestor autoaprinderi este una dintre provocările funcţionării unui motor cu hidrogen. Datorită gamei largi de inflamabilitate a hidrogenului orice punct fierbinte poate determina o autoaprindere aproape a oricărui amestec aer-carburant. 2. Durata scurtă de ardere Hidrogenul are o durată scurtă de ardere, chiar mai scurtă decât benzina. În consecinţă flăcările de hidrogen ajung mai aproape de pereţii cilindrului decât ale altor combustibili înainte de a se stinge. Astfel este mai dificil să se stingă o flacără de hidrogen decât una de benzină. Durata scurtă de ardere poate determina de asemenea şi tendinţa de pătrundere a flăcărilor de hidrogen pe admisie deoarece acestea sunt foarte aproape de supapele de admisie în comparaţie cu flăcările altor combustibili. 3. Temperatura mare de autoaprindere Temperatura de autoaprindere este temperatura minimă necesară pentru a aprinde un amestec de combustibil, în absenţa unei surse de aprindere. Cu alte cuvinte, combustibilul este încălzit până când izbucneşte în flăcări. Fiecare combustibil are o temperatură unică de aprindere. Hidrogenul are o temperatură de autoaprindere relativ mare (585 °C). Acest lucru este foarte important atunci când amestecul de hidrogen-aer este comprimat. De fapt, temperatura de autoaprindere este un factor foarte important pentru determinarea raportului de comprimare la care poate funcţiona motorul, deoarece creşterea temperaturii în timpul compresiei este legată de raportul de comprimare. Tabelul 2 Temperatura de autoaprindere a diferiţilor combustibili

14

Combustibil

Temperatura de autoaprindere

Hidrogen

585 °C

Metan

540 °C

Propan

490 °C

Metanol

385 °C

Benzină

230-480 °C

Temperatura nu poate depăşi temperatura de autoaprindere a hidrogenului fără a nu se autoaprinde, astfel temperatura finală absolută limitează raportul de comprimare. Temperatura mare de autoaprindere a hidrogenului permite un raport de comprimare mai mare decât la motoarele pe bază de hidrocarburi. Acest raport de comprimare ridicat este foarte important deoarece este în strânsă legătură cu randamentul termic al motorului. Pe de altă parte hidrogenul este greu de aprins într-un motor cu aprindere prin comprimare deoarece temperatura necesară pentru aprindere este ridicată. 1. Viteza de propagare a flăcărilor Hidrogenul are viteze mari de propagare a flăcărilor la nivel stoichiometric. Astfel viteza de propagare a flăcărilor de hidrogen este cu un ordin de mărime mai mare decât cele ale benzinei, rezultând faptul că motoarele pe hidrogen se apropie foarte mult de un ciclu termodinamic ideal. Cu toate acestea viteza de propagare a flacării scade semnificativ la amestecurile sărace. 2. Difuzibilitate mare Hidrogenul are difuzibilitate foarte mare. Capacitatea de a se dispersa în aer este considerabil mai mare decât la benzina şi este avantajoasă din 2 puncte de vedere: a) facilitează formarea unui amestec uniform de combustil-aer; b) dacă are loc o scurgere de hidrogen acesta se dispersează rapid. 3. Densitate scăzută Hidrogenul are o densitate foarte mică ceea ce implică 2 probleme atunci când e folosit drept combustibil pentru motoarele cu ardere internă: a) este necesar un volum foarte mare de stocare pentru a oferi vehiculului o autonomie adecvată; b) densitatea energetică a amestecului hidrogen-aer şi puterea motorului sunt reduse. [8]

3.2. Starea actuală de dezvoltare a motoarelor cu hidrogen Principalele două tipuri de autovehicule care funcționează pe baza de hidrogen sunt: H2ICE – H2 Internal Combustion Engine (vehicule cu motor cu combustie internă de hidrogen) și PEM Fuel Cell (motor electric alimentat de o pila electrică). În ultima perioadă, cercetarea și dezvoltarea din domeniul hidrogenului (ca și combustibil), s-au axat în special pe tehnologia PEM Fuel Cell.

15

Hidrogenul, ca și combustibil, se găsește sub două forme: hidrogen lichid și hidrogen gazos. Cu mici modificări, motoarele cu ardere internă pot fi adaptate pentru a utiliza hidrogen lichid drept combustibil. Hidrogenul lichid este stocat în containere destul de mari (de obicei deasupra autobuzului) și propulsează autovehiculul alimentând un motor cu ardere internă. Hidrogenul lichid poate fi folosit în amestec cu gaz natural comprimat (CNG). Deși energia stocată în hidrogenul lichid este mai mare, și exista avantajul alimentării cu o cantitate mai mare de combustibil, hidrogenul lichid se confruntă cu principalul dezavantaj, și anume că este foarte inflamabil, și este stocat și transportat sub presiune foarte mare, existând un risc semnificativ de accidente; probleme pot apărea atât în fabricile și depozitele de hidrogen, cât și în vehiculele care îl folosesc și stațiile de alimentare. Hidrogenul în stare gazoasă, poate fi utilizat atât în motoare cu ardere internă, cât și pentru alimentarea unui motor electric, în sistem PEM Fuel Cell (celula de combustibil). Un exemplu de autovehicul produs de firma BMW este BMW H2R ("Hydrogen Record Car") cu o putere de 210 kW (286 CP) a atins 300 km/h. Hydrogen 7 al aceleiași firme este construit cu un motor de 260 kW, 229 km/h, acest vehicul a ajuns la 100 km/h in doar 9.5 sec. Cu posibilitate dublă de alimentare benzină și hidrogen. Acest lucru s-a realizat prin montarea unui rezervor de hidrogen lichid ceea ce a redus capacitatea compartimentului de bagaje de la 500 la 250 l. Hidrogenul înmagazinat permite o autonomie de 200 km, dar la neutilizare în decurs de 9 zile se reduce la o cantitate suficientă pentru parcurgerea a 20 km.

Figura 5 Autovehicule BMW H2R - BMW Hydrogen 7 Firma Mazda a echipat modelul său RX-8 cu motor Wankel (piston rotativ) ce funcționează cu combustibil hibrid benzină sau hidrogen dezvoltând 184 kW (250 CP).

16

Figura 6 Autovehicul Mazda RX-8 Hydrogen RE Mazda a expus în premieră la Salonul Auto de la Tokyo noua generaţie a motorului rotativ RENESIS pe benzină, care echipează modelul concept Taiki, motorul rotativ cu alimentare alternativă hidrogen – benzină aflat în dotarea noii Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid. Constructorul japonez a demarat procesul de dezvoltare a motorului rotativ cu injecţie directă 16X, cu o capacitate de 1600cc, care marchează evoluţia structurii de bază a acestui tip de motor. Acestă nouă generaţie este prima cu alimentare pe benzină care foloseşte injecţia directă. Deşi dimensiunile motorului au crescut, acesta a rămas la fel de compact şi de uşor ca şi generaţia actuală, fiind şi mai economic. Pentru noul motor s-a utilizat şi aluminiul, reducându-se astfel greutatea automobilului pe care este montat.

Figura 7 Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid Mazda 5Hydrogen RE Hybrid reprezintă o abordare nouă pentru motorul rotativ. Acest model beneficiază de un motor rotativ cu alimentare combinată pe hidrogen şi benzină, dispus transversal, ce dezvoltă cu aproximativ 40% mai multă putere decât cel ce echipează modelul RX8 Hydrogen RE, rezultând astfel o performanţă mai bună la accelerare. Noul motor pe hidrogen a necesitat şi dezvoltarea unui nou sistem hibrid care să-i faciliteze funcţionarea. Motorul rotativ pe hidrogen convenţional prezenta un cuplu mic şi o eficienţă scăzută la turaţii mici. Noul sistem depăşeşete aceste neajunsuri şi extinde autonomia pentru alimentarea cu hidrogen la aproximativ 200 km, de două ori mai bună decât pentru modelul RX-8. Componentele principale ale unui sistem hibrid sunt motorul rotativ cu hidrogen, un generator, un invertor, un motor electric şi o baterie. Generarea de putere, încărcarea şi descărcarea sunt optimizate în concordanţă cu condiţiile de mers.

17

Figura 8 Motorul rotativ cu alimentare pe hidrogen şi benzină Mazda 5Hydrogen RE Hybrid     

Pornire - Puterea bateriei. Funcţionare constantă - Acţionată de motorul rotativ cu hidrogen şi generator. Accelerare - Acţionată de motorul rotativ cu hidrogen şi generator plus baterie. Decelerare - Energia este recuperată de motor atunci când frânează şi când folosim motorul ca frâna. Energia recuperată reaprovizionează bateria. Mersul în gol - Motorul se opreşte automat. Dacă este necesar, se va restarta şi va încarcă bateria.

În figurile urmatoare sunt prezentate regimurile de funcţionare a motorului rotativ cu hidrogen pentru modelul Mazda 5Hydrogen RE Hybrid:  Staţionare În mod normal, motorul se va întrerupe. Totuşi, dacă puterea rămasă în baterie este scăzută, motorul va continua să meargă în gol pentru a se reîncărca.

Figura 9 Motorul rotativ cu hidrogen în stationare 

Pornire

Puterea bateriei acţionează motorul electric. Cuplul motor este transferat către diferenţial prin schimbarea de viteză într-o treaptă inferioară, care învârte rotile şi porneşte autoturismul. Când este necesară putere suplimentară, motorul porneşte pentru a mări puterea vehiculului.

18

Figura 10. Motorul rotativ cu hidrogen la pornire 

Mers normal Când viteza creşte, motorul încetează să mai funcţioneze. Generatorul, care este conectat direct la motor, transformă productivitatea motorului în electricitate şi invertorul transferă electricitatea spre vehicul.

Figura 11. Motorul rotativ cu hidrogen la mers normal 

Accelerare Când este nevoie de cuplu suplimentar pentru a urca un deal sau pentru a depăşi alte vehicule, bateria este folosită pentru a mări puterea provenită de la motor.

Figura 12. Motorul rotativ cu hidrogen la accelerare

19



Decelerare Motorul se comportă ca un generator. Recuperează energia frânarii transformândo în electricitate şi încarcă bateria.

Figura 13. Motorul rotativ cu hidrogen la decelerare De asemenea, Honda FCX Clarity reprezintă o nouă generaţie de vehicul cu zero emisii poluante, propulsat cu celule de combustie fuel cell, bazat exclusiv pe platforma Honda V Flow. Noul vehicul include numeroase îmbunătăţiri în cadrul grupului moto-propulsor, fiind mai eficient şi având o greutate mai scăzută. Aspectul exterior deosebit este dat de caroseria alungită şi dinamică, Honda FCX Clarity marcând un real progres în sectorul vehiculelor fuel cell. Honda FCX Clarity foloseşte sistemul „V Flow” în combinaţie cu un nou pachet de baterii LiIon, mai compact şi mai eficient, alături de un rezervor de hidrogen pentru a propulsa motorul electric. Sistemul fuel-cell este principala sursă de energie. În interiorul sistemului fuel cell, hidrogenul este combinat cu oxigenul din atmosferă, iar din această reacţie rezultă energia ce se converteşte în putere electrică folosită la propulsia vehiculului. Este capturată energia suplimentară din frânare şi decelerări, energie ce se înmagazinează în baterii şi se foloseşte la nevoie. Singurele emisii ale noului Honda FCX Clarity sunt vapori de apă. [4]

Figura 14 Autovehicul Honda FCX- fuel cell Avantajele autoturismelor care functioneaza pe baza de hidrogen:  vehiculele care funcționează pe bază de hidrogen au emisii atmosferice aproape nule; în aer se elimină doar căldură și vapori de apă care nu conțin poluanți;

20

    

autovehiculele clasice, cu motor pe ardere internă pot fi adaptate pentru utilizarea hidrogenului, reducându-se astfel emisiile de CO2 în atmosferă; autoturismele care funcționează pe hidrogen au o greutate redusă au costuri de întreținere reduse, deplasare mai lină, zgomot redus; utilizarea hidrogenului diminuează considerabil dependența de petrol; hidrogenul poate fi utilizat în amestec cu gaz natural comprimat (CNG); numărul stațiilor de alimentare la nivel mondial este în creștere (deși încă foarte mic).

Dezavantajele utilizării hidrogenului:  





   





producerea hidrogenului este destul de costisitoare; utilizarea hidrogenului pe scară largă, ar presupune o infrastructură specifică pentru producerea hidrogenului, stații de stocare, rețele de pompare și transport, stații de alimentare etc , rezultă costuri foarte mari; un dezavantaj imens în achiziționarea și utilizarea unei mașini pe hidrogen este chiar lipsa acestei infrastructuri, lipsa stațiilor de alimentare cu hidrogen. La nivelul anului 2010, în SUA existau 90 de stații de alimentare, în Europa 70 de stații (în special Europa de Vest, Germania și Islanda ocupând primele locuri, cu peste 20 de stații fiecare). Printre alte țări cu stații de alimentare H2 se află: Coreea de Sud, India, China, Indonezia, Canada, Brazilia, Argentina. În prezent există în jur de doar 250 de stații de alimentare de H2 la nivel mondial; numărul limitat de stații de alimentare face utilizarea mașinilor pe hidrogen posibilă doar pe distanțe limitate, în centre urbane sau de-a lungul unor autostrăzi dotate cu stații H2 (așa numitele Hydrogen Highways); hidrogenul este stocat la presiune foarte mare, astfel depozitarea, transportul și utilizarea trebuie să îndeplinească standarde înalte de protecție; vehiculele care funcționează pe hidrogen sunt foarte scumpe, depășind posibilitățile de cumpărare ale celor mai mulți soferi; hidrogenul conține mai puțină energie decât GPL sau Diesel, astfel, în cazul unei mașini cu motor cu ardere internă de hidrogen, distanța parcursă între alimentări este mai mică; la nivel planetar, energia electrică este produsă în procente destul de mici din surse regenerabile, astfel, producerea hidrogenul pe scară largă (fie din gaze naturale/petrol, fie din electroliza apei), va duce la emisii de gaze cu efect de seră; criticii utilizării hidrogenlului pentru alimentarea mașinilor personale susțin că tehnologia în acest domeniu avansează foarte lent, și că timpul și sumele foarte mari de bani investite ar trebui direcționate spre soluții mai rapide la emisiile de gaze cu efect de seră din transporturi; hidrogenul este produs în special din gaze naturale și petrol, contribuindu-se astfel la epuizarea acestor resurse neregenerabile.[15]

Alimentarea autovehiculeleor cu hidrogen produs prin consum de curent electric poate părea paradoxală: se produce curent electric – se utilizează curentul electric pentru a produce hidrogen – se alimentează autovehiculul cu hidrogen – iar hidrogenul produce curent electric pentru a alimenta motorul electric. Privind faptul că în prezent, în lumea întreagă poluarea este un fapt îngrijorător,

21

s-au luat unele măsuri de „precauţie” cum ar fi introducerea de noi tehnologii de fabricare a motoarelor cu ardere internă, deoarece autovehiculele reprezintă unul din cei mai importanţi factori de poluare, totuşi acest lucru nu se va realiza într-un viitor prea apropiat deoarece încă se studiază diferite tehnologii pentru reducerea emisiilor poluante. Numărul de autovehicule rutiere este din ce în ce mai mare, în mod special în mediul urban, iar cantitatea emisiilor de gaze, care pune în pericol viaţa oamenilor şi calitatea mediului, este în continuă creştere. Deocamdată nu se poate vorbi de reducerea numărului de autovehicule rutiere; se ştie că resursele de combustibil pentru autovehicule sunt limitate şi neregenerabile, iar în acest secol ele se vor epuiza. Specialiştii consideră că, una dintre soluţiile radicale poate fi schimbarea profundă a modului de propulsie al autovehiculelor prin promovarea sistemelor hibride de propulsie sau introducerea autoturismelor cu motoare pe bază de hidrogen. Un fapt real este, că pentru construcţia motoarelor cu ardere internă se pune accentul pe scăderea emisiilor şi consumului de carburant dar practic aceste obiective intră în conflict unul cu celălalt, dacă unul este redus, atunci inevitabil celălalt creşte, deci dezavantaje vor exista întotdeauna; iar sistemele sofisticate de purificare şi tratare a gazelor pot avea ca rezultat emisii crescute şi consumuri de combustibili de asemenea mai mari. În consecința se afirmă, că cele mai eficiente motoare sunt motoarele pe bază de hidrogen din punct de vedere al reducerii poluării şi din punct de vedere al performanţelor energetice.

22

Concluzii Hidrogenul, în calitate de carburant, este din ce în ce mai mult considerat ca reprezentând “soluţia”, atât de constructorii de automobile, de ecologişti, cât şi de guverne, care nu doresc să impună măsuri impopulare destinate limitării circulaţiei auto. Utilizarea hidrogenului se va extinde de la alimentarea telefoanelor mobile până la centrale electrice de putere. Problema trecerii la un sistem energetic bazat pe hidrogen este o problemă de mare tehnicitate a cărei soluţionare face apel la discipline multiple care acoperă mai multe domenii, nu numai ale ştiinţelor inginereşti, ci şi ale ştiinţelor sociale. Implicaţiile secundare pe care economia hidrogenului le-ar putea avea pe termen lung asupra societăţii industriale, economiei şi chiar a întregii societăţi sunt încă imprevizibile. Sociologii avertizează că urmările trecerii economiei la un sistem energetic bazat pe hidrogen ar fi comparabile cu cele generate de prima revoluţie industrială. Ecologiştii susţin însă că nu există alternativa la sistemul energetic bazat pe hidrogen deoarece rezervele exploatabile de petrol şi gaze naturale, resurse absolut necesare ca materii prime nu numai în industria energetică ci şi în petrochimie (cine s-ar putea lipsi azi de masele plastice) vor fi complet epuizate în mai puţin de un secol. Hidrogenul este un combustibil alternativ care datorita proprietatilor sale poate fi folosit in motoarele cu aprindere prin scanteie. Sunt diferite metode de alimentare printre care cele mai folosite sunt sistemele de injectie in poarta supapei si injectia directa, dar fiecare prezinta avantaje si dezavantaje. Randamentul efectiv mai mare decat cel obtinut la folosirea benzinei este un avantaj prezent la ambele sisteme de injectie. In urma simularii proceselor termo-gazo-dinamice folosind programul realizat in C++ au rezultat valori foarte apropiate de cele obtinute experimental. Emisiile de NOx sunt cele mai importante in cazul emisiilor poluante la folosirea hidrogenului, de aceea un control al acestora inseamna rezolvarea problemei emisiilor. Folosind hidrogen se poate realiza un motor cu emisii poluante foarte mici, astfel incat putem spune ca este cel mai curat combustibil alternativ. Cu toate ca inca exista probleme legate de stocarea hidrogenului la bordul autovehiculelor si de distributia acestuia, reprezinta o alternativa viabila, si odata cu rezolvarea acestor probleme care sunt destul de costisitoare cu siguranta ca hidrogenul va deveni un combustibil folosit in motoarele cu ardere interna.

23

Bibliografie [1] http://www.creeaza.com/tehnologie/electronica-electricitate/Hidrogenul-cea-mai-modernasur743.php [2] http://apollo.eed.usv.ro/~elev6/surse_primare.html [3] http://ro.wikipedia.org/wiki/Utilizarea_hidrogenului#Gr.C4.83simi [4] http://www.informatiiauto.ro/graphics/images/revista/download/revista-informatiiautoed11.pdf [5] M. Momirlan, L. Mureşan, A. A. M. Sayigh, T. N. Veziroglu, Renewable Energy: Renewable Energy, Energy Efficiency and the Environment, 2, 1258 (1996) [6] Foaie de parcurs pentru trecerea la o economie competitiva cu emisii scazute de dioxid de carbon pana in 2050, Bruxelles, 8.3.2011, SEC(2011) [7] M G Popa, N Negurescu, C Pana, Motoare Diesel – Procese, Matrix Rom, Bucuresti, 2003. [8]. CARTE ALBA, Foaie de parcurs pentru un spatiu european unic al transporturilor – Catre un sistem de transport competitiv si eficient din punct de vedere al resurselor, Bruxelles, 28.3.2011, COM(2011)

24