The Potential of Hydrogen as a Fuel for Future Otto Cycle Engines

إن الضغط العالمي على النقل والصناعة قد وضع الهيدروجين في الضوء الضوئي كناقل واعد للطاقة الصفرية الكربونية، وفي حين أن معظم محادثات حركة الهيدروجين تركز على المركبات الكهربائية الخلوية، فإن الجهد الهندسي الهادئ ولكن المصمم هو حرق الهيدروجين مباشرة في محركات الاحتراق الداخلي (الأجهزة الكهربائية) التي تعمل على دورة أوتو.

Hydrogen Combustion in the Otto Cycle: Science and Behavior

ويسمح التقاط الأوتوماتيكي في دورة الأوتو، والضغط، والإشعال، والتوسع، والاعتماد على العادم، وشحنات الوقود الثابتة التي تشتعل بواسطة شرارة، ويدخل الهيدروجين علامة حرق مختلفة اختلافاً كبيراً مقارنة بالغاز الجازي (تؤدي إلى ارتفاع معدل الحرارة عند درجة الحرارة عند درجة الحرارة العالية إلى نحو 75 في المائة)

غير أن هذه الممتلكات نفسها تنطوي على تحديات هائلة، إذ أن طاقة الإشعال المنخفضة التي تستخدمها الهيدروجين (نحو 0.02 ميغاواط مقابل 0.25 ميغاواط بالنسبة للغاز) تجعل من المخلوط قابلا للتأثر المبكر بالتوترات الناجمة عن ارتفاع حرارة الوقود أو ارتفاعات الغازات المتوهجة، وتتسبب في ارتفاع درجة الحرارة في التحلل الحراري.

التحديات الهندسية والحلول المحددة

طرق مقدمة الوقود

إن انتقاء محرك ثابت تقليدي للهيدروجين يتطلب أكثر من خريطة وقود جديدة، ومن أهم القرارات طريقة إدخال الوقود، وكثيرا ما تستخدم محركات الهيدروجين في استخدام الحقن، وهي بسيطة نسبيا لتنفيذها، ولكنها عرضة للتكرار، لأن كثافة إنتاج الهيدروجين منخفضة تعني أن كمية كبيرة من الموانىء المحتوية على محركات مضخمة تعمل بمزيج قابل للاحتراق.

المواد القابلة للمقارنة

إن توافق المواد هو شاغل متفشي في تطوير محركات الهيدروجين، إذ أن حرق الهيدروجين يمكن أن يزيل الفولاذ الأسمدي، والزجاجات النيكلية، وبعض الفولاذات اللاصقة التي تستخدم عادة في المحركات، وتعتمد تصميمات محركات الهيدروجين المعجّلة على الصلب غير الملموس، والسبائكة الألومنيومية، والمعاطف المتخصصة للمكونات مثل خطوط الوقود،

نظم الإشعال والتفخيخ

ويقترن التريب غير الملاحظ عادة بمحركات الهيدروجين لاسترداد كثافة الطاقة التي فقدتها عملية الطلاء، ويعمل محرك مهيدروجين نموذجي في ما بين 1.6 و2.5، مما يقلل من ناتج الطاقة المحددة مقارنة بعملية الغازولين المحتوي على التخدير بنسبة 30 في المائة إلى 50 في المائة، ويمكن أن يسترد محرك الترميم 20 في المائة من تلك الخسارة عن طريق زيادة الضغط على المحركات بنسبة 1.5 إلى 2.0 في المائة.

ولم تعد الأمثلة الملموسة على هذه التكييفات تقتصر على المختبر، وقد أظهرت المادة 7 من مجموعة المواد الهيدروجينية من طراز BMW في العقد الأول من القرن العشرين وجود مقياس ثنائي للوقود V12 مع تخزين سائل مبرد، رغم أنه ظل مقياساً مكلفاً، وأظهرت شركات تصنيع المحركات مثل أجهزة الترميز المحركات محركاً محركياً قدره 6.7 لتر لشاحنات ثقيلة، كما استثمرت شركة JCB على نطاق إنتاجاً زراعياً

مسارات الهيدروجين الإحيائية والإنتاجية الخضراء

Grey, Blue, and Green Hydrogen

وتعتمد وثائق التفويض البيئية لمحرك مزود بالهيدروجينات اعتماداً كاملاً على كيفية إنتاج الهيدروجين، أما اليوم، فإن الغالبية العظمى من الهيدروجين العالمي تولد عن طريق إصلاح البخاري، الذي يتفاعل مع الغازات العالية الحرارة، وينتج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون، ويحصل على كمية من الهيدروجينات التراكمية على نحو سريع، ويحصل على نسبة مئوية من الهيدروجين على كمية من الكربون، وهي كمية من الوقود الأحفوري المميتر)٢(.

تكنولوجيات الإكتروليزر ومسارات التكلفة

أما مبادرة " U.S. " () للطاقة، فهي تهدف إلى تخفيض تكلفة الطاقة الهيدروجينية إلى 1 دولار لكل كيلوجرام بحلول عام 2031، وتظهر طموحات مماثلة على الصعيد العالمي، من ثاني أكسيد الكربون الأوروبي إلى مشاريع التصدير الاسترالية الكبيرة.

تخزين الهياكل الأساسية

الهيدروجين الغازي المكثف

أما بالنسبة لمركبات تخزين الهيدروجين فهي واحدة من أكبر العقبات الهندسية، إذ إن كثافة الطاقة الكهرمائية التي تبلغ نحو ٠٠٨ كيلو متر، والتي تتطلب وجودها في شكل حرارة كثيفة، والتي تبلغ نحو ٠٠٧ مرة، وهي أقل من البنزين تقريباً بحوالي ٠٠٠ ٣٥٠ كيلو متر، وهي كمية كبيرة من الغازات الثقيلة التي تبلغها المركبات، وهي كمية كبيرة من البارجين، أو مخزنة في وسط صلب.

السائل وخزن المكسور

وتُعدّ هذه المادة، التي تُخزن في 20 كيلو متراً في خزانات من النوع المكشوف، كثافة أحجامية أعلى (70 غرام/لتر مقابل 40 غرام/لتر في 700 بار) ولكنها تُحدث خسائر في كمية الغليان تتراوح بين 1 و5٪ في اليوم تبعاً لنوعية العزل وعقوبة كبيرة على الطاقة بالنسبة للتحلل، وحوالي 30٪ من محتوى الطاقة في الهيدروجين نفسه.

تطوير الهياكل الأساسية الوقودية

وبالنسبة لمحركات دورة العمليات، فإن الحاجة إلى استيعاب نظام حقن عالي الضغط، وحيز للدبابات، وتدابير السلامة - مثل أجهزة تخفيف الضغط العاملة حرارياً، وأجهزة استشعار التسرب ذات الهيدروجين - إضافة إلى ذلك، هي مسألة معقدة وتكلفة، ولكن هذه المركبات أصبحت تدريجياً ممارسة هندسية موحدة، حيث تجاوز عدد محطات إعادة الوقود الهيدروجينية العالمية 000 1 في عام 2024، حيث بلغ عدد بروتوكولات تصميم المركبات الهيدروجينية الحديثة 700 في آسيا.

Environmental and Economic Life-Cycle Analysis

ومن منظور دورة الحياة، فإن محركات دورة الهيدروجين أوتو توفر صورة انبعاثات قاهرة عند اقترانها بالهيدروجين الأخضر، ومنتجات العجلات الوحيدة هي بخار الماء، ودرجة ضئيلة من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، ونسبة الانبعاثات الناجمة عن غازات الاحتباس الحراري التي تبلغ 0,0 في المائة، ونسبة الانبعاثات الناجمة عن غازات الاحتباس الحراري التي يمكن مقارنتها بمقياس حراري/لتر متغير.

أما التكلفة الإجمالية للملكية فيكونها حاسمة، إذ أن الهيدروجين الأخضر اليوم باهظ التكلفة من 4 إلى 6 دولارات لكل كيلوغرام في المناطق الصالحة، مما يجعل تكلفة الوقود المحتوي على مركبات محركية متجددة ذات قيمة حرارية أعلى من البنزين أو الديزل، حيث تبلغ تكلفة الوقود المركبتين الهيدروجينية المحتوية على 0.32 إلى 100 دولار.

البرامج الصناعية الحالية وتوجيهات البحوث المستقبلية

Ultra-Lean Burn and Water Injection

وتركز الآن تركيزات البحث على ثلاث جبهات: تحقيق ناتج نكسيد النيتروز القريب من الصفر بدون ضغط بعد التعرض للمعاملة، وزيادة الطاقة المحددة لمحركات الهيدروجين لمضاهاة نظيراتها في الديزل، ووضع حلول قوية منخفضة التكلفة للتخزين، ومن أكثر التقنيات واعدة هو: " التيار المزود بأشعة فوق الفوقية " ، وذلك بحرق الهيدروجين بعد أن يبدأ الضغط بالفعل )توقيت الحقن، ٦٠-٩(.

مفاهيم الإشعال المتقدمة

ويجري استكشاف مفاهيم الإشعال المتقدمة، بما في ذلك نظم متعددة الأقطار وإشعال الكون، لتمكين العلماء من التكييف الموثوق للمخلوطات السائلة جدا (E-Igntion) من استخدام الطاقة الكهربائية ذات التردد العالي، وضبط الزمان المزود بالأشعة الحرارية، وضبط المحركات ذات الصبغة العالية، وضبط المحركات ذات الصبغة العالية، وضبط المحركات الازدحاملة ذات الصبغة العالية، وضبط المتحركية، وضبط المكثف،

Hybrid Electric Integration

بالإضافة إلى المحرك نفسه، فإن دمج محرك الهيدروجين أوتو في جهاز توليد الطاقة الكهربائية المهجورة يفتح مساحة متوازية للكهرباء، ومحرك الهيدروجين الذي يعمل فقط في سلسلة كهربائية عالية الكفاءة (((((((XO-0-2.5، وBMEP = 8-12 بار) مع مركبات كهربائية مجهزة بشكل كبير

ويُعدّ الزخم السياساتي عاملاً حاسماً آخر، إذ إن الولايات المتحدة ] من مركبات الهيدروجين النظيف الإقليمية ، وهي تضع برنامجاً للهياكل الأساسية الخفيفة (H2Hubs) يموله قانون البنية التحتية في بيبارتاسان، تستثمر مبلغ 7 بلايين دولار لإنشاء شبكات لإنتاج الهيدروجين وتخزينه وتصريفه في جميع أنحاء البلد، وتُكلِّف في إطار نظام إدارة الطاقة الهيدروجين في أوروبا محطة لإعادة الإمداد بالطاقة الكهيد كل 200 كيلومتر.

الخلاصة والتوقعات

إن ال الهيدروجين، بوصفه وقوداً لمحركات دورة أوتو في المستقبل، لم يعد فضولاً استبدادياً، فإحداث تقارب في بحوث الاحتراق المتقدمة، وتراكم إنتاج الهيدروجين الأخضر، والاستثمارات الحكومية المستهدفة، هو السبيل العملي لتشكيل محركات الحرق الحراري، وتركة الوقود الأحفوري، وفي حين أن التحديات في كثافة التخزين، ومراقبة الازدياد، وتكاليف الوقود لا تزال قائمة، فإن الجيل الهندسي العالمي المتزايد من الطلب