محركات الهيدروجين: كيف تعمل ولماذا هي مفتاح المستقبل

لا تزال محركات الهيدروجين واحدة من أكثر الرهانات الواعدة لمستقبل السيارات المستدامة. وعلى الرغم من بعض التحديات التقنية واللوجستية، فقد أثارت هذه التكنولوجيا اهتماما متزايدا لدى العلامات التجارية الكبرى مثل تويوتا، وبي إم دبليو، ومازدا، وهيونداي، وفورد، التي استثمرت بالفعل موارد كبيرة في تطوير هذه الأنظمة. حاليًا، نميز بين نوعين رئيسيين من محركات الهيدروجين في الصناعة: محركات الاحتراق الداخلي الهيدروجينية ومحركات خلايا الوقود.

في هذه المقالة سوف نشرح تشغيل محركات الهيدروجينوخصائصها الرئيسية ومزايا وعيوب كل نظام من الأنظمة، وكيف يمكن أن تؤثر على مستقبل النقل.

كيف يعمل محرك احتراق الهيدروجين؟

يعمل محرك الاحتراق الداخلي الهيدروجيني بشكل مشابه جدًا لمحرك الاحتراق التقليدي للبنزين أو الديزل، ولكن مع اختلاف واحد مهم: فهو يستخدم الهيدروجين كوقود بدلاً من المنتجات البترولية. في هذه الحالة، يمتزج الهيدروجين مع الأكسجين داخل غرفة الاحتراق ويتم إشعالها بواسطة شرارة، تمامًا كما هو الحال في المحرك التقليدي. تطلق هذه العملية الطاقة التي تحرك المكابس وتولد حركة ميكانيكية.

إحدى المزايا الرئيسية لهذا النوع من المحركات هو أنه بدلاً من إنتاج ثاني أكسيد الكربون، فإنه ينبعث منه انبعاثات بخار الماء كمنتج ثانوي. ومع ذلك، بسبب درجات الحرارة المرتفعة التي يتم الوصول إليها أثناء الاحتراق، يتم توليد أكاسيد النيتروجين (NOx)، والتي لا تزال ملوثة. للتخفيف من هذه المشكلة، تتضمن بعض الحلول حقن الماء في نظام السحب، وهي تقنية ثبت أنها تقلل بشكل كبير من تكوين أكاسيد النيتروجين.

ومع ذلك، تواجه محركات احتراق الهيدروجين أيضًا تحديات تتعلق كثافة الطاقة الهيدروجين، وهو أقل من أنواع الوقود السائل الأخرى. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى كمية أكبر من الهيدروجين للقيام بنفس العمل الذي يقوم به محرك البنزين. على الرغم من أنها يمكن أن تعمل بأنواع الوقود البديلة مثل الغاز الطبيعي المضغوط أو غاز البترول المسال، إلا أن التخزين يظل عائقًا، حيث يجب تخزين الهيدروجين عند ضغوط عالية جدًا، بشكل عام 700 بار، الأمر الذي يتضمن استخدام خزانات متخصصة باهظة الثمن.

أمثلة على محركات الهيدروجين

ومن الأمثلة البارزة على محرك الهيدروجين هو محرك سيارة BMW 750hlوالتي كانت من أولى المركبات التي استخدمت الهيدروجين السائل كوقود. يتطلب هذا النموذج درجات حرارة منخفضة للغاية (-253 درجة مئوية) لتخزين الهيدروجين بكفاءة في خزانات خاصة. وعلى الرغم من أن التصاميم الجديدة تجاوزتها، إلا أنها مثلت علامة فارقة في تطور هذه التكنولوجيا.

حالة أخرى هي المحرك الدلو الهيدروجينتم تطويره من قبل شركة إسرائيلية. ويتميز هذا المحرك بأنه لا يحتاج إلى زيت تشحيم، مما يسهل صيانته. علاوة على ذلك، فإن نظامها المبتكر يقلل من انبعاثات أكاسيد النيتروجين، ونظرًا لخفته وتكلفته المنخفضة، فإنه يتم تقديمه كخيار قابل للتطبيق لكل من المركبات ومولدات الطاقة.

كيف يعمل محرك الهيدروجين بخلية الوقود

وعلى النقيض من محركات الاحتراق، محركات الاحتراق خلية الوقود يقومون بتحويل الهيدروجين إلى كهرباء من خلال عملية كهروكيميائية تسمى التحليل الكهربائي العكسي. عندما يتم دمج الهيدروجين المخزن في الخزانات مع الأكسجين في خلية الوقود، يتم توليد الكهرباء لتشغيل محرك كهربائي، في حين أن المنتج الثانوي الوحيد هو الماء النقي.

وهذه العملية أكثر كفاءة من احتراق الهيدروجين، والأهم من ذلك أنها لا تنبعث منها ملوثات. ومع ذلك، فإن ارتفاع تكلفة إنتاج خلايا الوقود يشكل عقبة رئيسية. حاليًا، يُستخدم البلاتين كمحفز في هذه العملية، لكن بعض الباحثين يبحثون عن بدائل أكثر بأسعار معقولة، مثل السبائك الحديدية، لتقليل التكلفة.

ومن الأمثلة الرائعة على تكنولوجيا خلايا الوقود تويوتا ميرايوالتي جذبت الانتباه لأدائها وقدرتها على السفر لمسافة تصل إلى 650 كيلومترًا بشحنة الهيدروجين. يعد هذا النوع من التكنولوجيا مثاليًا للمركبات التي تسافر لمسافات طويلة، مثل الشاحنات أو الحافلات، نظرًا لما توفره من استقلالية أكبر مقارنة بالسيارات الكهربائية التقليدية.

مزايا وعيوب محرك الهيدروجين

تقدم محركات الهيدروجين، سواء الاحتراق أو خلايا الوقود، سلسلة من ميزة y التحديات، والتي يجب وزنها قبل اعتمادها على نطاق واسع:

• المزايا:
• تكون أوقات التزود بالوقود بالهيدروجين أقصر بكثير (أقل من 5 دقائق) مقارنة بشحن البطاريات الكهربائية.
• تكون الانبعاثات أقل بكثير أو صفرًا، اعتمادًا على النظام المستخدم.
• الهيدروجين هو العنصر الأكثر وفرة في الكون، مما يجعله خيارًا مستدامًا على المدى الطويل.
• يمكن للمركبات الهيدروجينية تنقية الهواء الذي تدور فيه، مثل هيونداي نيكسو، مما يساهم في تحسين البيئة الحضرية.

• العيوب:
• ولا تزال تكلفة إنتاج خلايا الوقود والبنية التحتية لتخزين الهيدروجين مرتفعة.
• البنية التحتية للتزود بالوقود الهيدروجيني محدودة، مع وجود محطات قليلة في معظم البلدان.
• إن عملية إنتاج الهيدروجين ليست دائما نظيفة، خاصة إذا كانت مشتقة من مصادر غير متجددة.

الحكم الذاتي والسلامة في المركبات الهيدروجينية

تتميز مركبات الهيدروجين بوجودها الحكم الذاتيلتصل إلى أرقام مماثلة لتلك الخاصة بسيارات البنزين. نماذج مثل هيونداي Nexo وهي توفر ما يصل إلى 666 كيلومترا من الحكم الذاتي، في حين تتجاوز تويوتا ميراي 650 كيلومترا. وهذا يجعل مركبات الهيدروجين ذات قدرة تنافسية عالية من حيث التنقل لمسافات طويلة.

أما بالنسبة لل أمنوقد تم تصميم خزانات الهيدروجين لتتحمل الضغوط العالية جداً وحتى طلقات الرصاص، كما تؤكد تويوتا في طرازها ميراي. لقد قطعت معايير البنية التحتية والسلامة الخاصة بمركبات الهيدروجين شوطا طويلا في السنوات الأخيرة، مما أدى إلى إنتاج مركبات آمنة مثل نظيراتها التي تعمل بالبنزين أو الديزل.

يستمر مستقبل الهيدروجين في صناعة السيارات في التطور. ومع تقدم تقنيات الاحتراق الداخلي وخلايا الوقود، إلى جانب تطوير بنية تحتية أكثر كفاءة، فمن المرجح أن نشهد زيادة في اعتماد المركبات التي تعمل بالهيدروجين.