Водородный двигатель автомобиля: лекарство от нефтяной зависимости

2019

Британцы превратили электричку в водородный поезд

На железнодорожной выставке Rail Live 2019 представлен прототип первого британского водородного поезда HydroFlex. Состав из четырех вагонов представляет собой модифицированную версию электропоезда класса 319 и, возможно, в этом году появится на железных дорогах Великобритании, сообщает IEEE Spectrum.

Железные дороги Великобритании — самые старые во всем мире, их протяженность составляет почти 16 тысяч километров. При этом электрифицировано чуть больше половины железных дорог страны, на неэлектрифицированных участках ходят дизельные поезда. По данным правительственной рабочей группы по декарбонизации транспорта, в 2016-2017 годах пассажирские поезда Великобритании потребили 3,5 миллиарда киловатт-часов электроэнергии и 501 миллион литров дизельного топлива, что в совокупности эквивалентно 2,9 мегатоннам углекислого газа.

Великобритания (как и некоторые другие страны) намерена со временем отказаться от использования дизельных поездов — окончательная замена почти четырех тысяч дизельных поездов запланирована к 2040 году. Электрификация путей обходится дорого, поэтому железнодорожные операторы ряда стран в качестве экологичной альтернативы дизелю в последние годы всерьез стали рассматривать водородные поезда. Французская компания Alstom, например, представила свой водородный поезд еще в 2016 году, а два года спустя эти водородные поезда стали курсировать по одному из маршрутов в Германии.

Инженеры из Бирмингемского железнодорожного исследовательского центра и компании Porterbrook модифицировали электропоезд класса 319, превратив его в гибридный состав HydroFlex. Получившийся поезд из четырех вагонов по-прежнему может передвигаться, получая электричество от электросети (как по проводам, так и через контактный рельс), однако в одном из вагонов установлена 100-киловаттная топливная ячейка, литий-ионные батареи и 20 килограммов сжатого водорода. Предполагается, что поезд большую часть пути поезд питается от контактной сети, а когда такой возможности нет — использует запасы водорода.

Пока что разработчики продемонстрировали возможности HydroFlex на железнодорожном испытательном полигоне в Уорикшире, но планируют уже в этом году при поддержке Министерства Транспорта перейти к испытаниям водородного поезда на основной железнодорожной сети Великобритании.

Bosch объявила о массовом производстве водородных топливных элементов

29 апреля 2019 года Bosch объявила о начале массового производства водородных топливных элементов. С их помощью запас хода электромобилей вырастет, а грузовой автотранспорт станет менее вредным для окружающей среды.

Партнёром Bosch по серийному выпуску топливных элементов стала шведская Powercell. Совместными усилиями компании разрабатывают элементы с полимерной твердоэлектролитной мембраной, которые Bosch будет производить по глобальной лицензии.

Bosch начала производство водородных топливных элементов. Пробег электромобилей вырастет до 1000 км

Как сообщает агентство Reuters, заправка водородных баллонов требует гораздо меньше времени по сравнению с аккумуляторами, что делает их более предпочтительными для использования в электромобилях, позволяя им дольше ездить на электротяге.

В марте 2019 года китайская компания Wuhan Grove Hydrogen Automobile представила водородный автомобиль с запасом хода около 1000 км. По словам разработчиков, баллоны заправляются всего за несколько минут.

К концу апреля 2019 года выпускается немного моделей водородных автомобилей. Среди них — Toyota Mirai, Honda Clarity и Hyundai Nexo. Запас хода на одной заправке у них составляет 502 км, 750 км и 595 км соответственно.

В Bosch говорят, что один литр водорода содержит столько же энергии, сколько в трех литрах дизельного топлива. По прогнозам компании, к 2030 году топливные элементы на водороде будут использоваться в каждом пятом электрокаре.

По правилам Евросоюза, выбросы углекислого газа (CO2) от грузовых автомобилей должны быть сокращены на 15% к 2025 году и на 30% — к 2030 году, что вынуждает автопроизводителей перейти на гибридные и электрические силовые установки.

Массовому распространению водородных автомобилей мешают высокая стоимость производства, отсутствие инфраструктуры и сложности хранения водорода. Зато топливные элементы обеспечивают машинам стремительное ускорение, бесшумную работу и отсутствие выбросов (кроме безвредного водяного пара).

Давайте рассмотрим некоторые из причин, в том числе серьезные опасности, которые могут быть связаны с водородной энергетикой.

Первый минус. -Да, это правда, водород самый распространенный элемент во всей Вселенной, однако на самой Земле в чистом виде газообразный водород найти сегодня практически невозможно. Этот газ необычайно легок. Поэтому в чистом виде он очень быстро (почти моментально) поднимается к верхним слоям атмосферы и уходит дальше в безвоздушное пространство.

В подавляющем большинстве случаев атомы водорода связаны с другими типами атомов в разнообразные молекулы, которые образуют после этого различные вещества. Вот например, H2O, более известная нам всем, как вода, или тот же СН4, также известный, как метан, оба эти элемента содержат в себе молекулы водорода.

Поэтому получается, прежде чем водород может быть использован в качестве альтернативного топлива, он сначала должен быть извлечен из этих самых веществ, а затем уже переведен в особое состояние, то есть как правило, в тот самый сжиженный и необходимый нам вид.

На все эти действия потребуются очень большие затраты энергии, а значит и коллосальные материальные средства. К примеру, для извлечения H2 (водорода) из воды с помощью электролиза требуется большое количество электроэнергии, что на данный момент просто нерентабельно. По разным подсчетам стоимость 1 литра сжиженного водорода составляет примерно от $2 долларов и до 8 Евро, в зависимости от способа его добычи.

Следующим звеном в цепочке под номером два идет: -отсутствие развитой структурной сети самих водородных заправок. Стоимость оборудования для таких заправочных станций в разы выше, чем у обычной АЗС. Существует различные проекты для водородозаправляющих станций, как от классических АЗС, так и до частных минизаправок. При сегодняшнем развитии смежных технологий все эти проекты чрезвычайно дороги и относительно опасны.

Развитие сети водородных заправок дело будущих десятилетий. Именно столько должно пройти времени, чтобы стоимость их постройки была целесообразной.

Существуют ли опасности, которые связаны с наличием большого количества чистого водорода скопившегося в одном месте? Безусловно существует. Когда жидкий водород хранится в резервуарах, это безопасно, но стоит ему просочится в окружающую среду, как он моментально превращается в гремучую смесь (гремучий газ).

В плюсах мы уже отметили, что водородом можно заправлять автомобили с обычным двигателем внутреннего сгорания (в домашних условиях не повторять! ОПАСНО!!!), но однако, этот обычный двигатель проработает на чистом водороде не долго. Он быстро сломается. При сгорании водородной смеси выделяется большее количество тепла, чем при сгорании того же бензина, а это может привести под высокими нагрузками к перегреву клапанов и поршней двигателя. Помимо этого ,под воздействием высоких температур H2 (водород) может влиять на саму смазку в двигателе и на материалы из которых сделан мотор, что непременно приведет к повышенному износу рабочих частей агрегата.

Отсюда мы делаем неутешительный вывод: -без очень дорогостоящей модернизации ДВС, которая должна приспособить мотор к работе на этом виде горючего, использование водорода как топлива не приведет к ожидаемому результату.

А пока все построенные объекты для заправки автомобилей водородом скорее всего используются в качестве рекламного хода и для демонстрации возможностей будущего.

Топливные ячейки стоят на третьей позиции в качестве минусов. Эти вроде безопасные элементы тоже не избежали тернистого пути метода проб и ошибок. Как и с теми же заправочными станциями и с теми же двигателями ДВС, все упирается именно в стоимость применяемых на данный момент технологий.

Приведем один пример. В качестве катализатора в этих топливных элементах используется на данный момент платина. А теперь представляете друзья стоимость такой детали?!

Некоторые технологии для ДВС настолько дороги, что проще купить жене платиновое кольцо с бриллиантом, чем заменить сломавшуюся деталь в водородном автомобиле.

Хорошая новость в этом достаточно дорогом деле заключается в том, что ученные непрерывно день-изо-дня ищут замену этому драгоценному металлу. Разрабатываются все новые технологии, проходят тестирования новые современные материалы. В конечном итоге ученые надеются, что «топливные элементы будущего» могут существенно снизить себестоимость сегодняшних элементов в 1000 раз и более.

General Motors – Chevrolet Colorado ZH2

Пожалуй, самый красивый и мощный автомобиль представила компания General Motors. Этот автомобиль предназначен для американской армии.

Chevrolet Colorado ZH2

Автомобиль имеет 37-дюймовые колеса. Его высота – 198 см, а ширина – 213 см. Уже в 2017 году армия США протестировала машину в экстремальных условиях. Представители General Motors утверждают, что во время тестов уже успели откатать на водороде около 5 млн километров. Технические характеристики мощного пикапа для военных не разглашают, поскольку часть данных о разработке засекречена.

Ранее мы писали, что в Украине в 2018 году стоимость топлива достигла рекордной отметки, а также производство Укравтопрома упало на 23%.

Анна Демчук

Водородные двигатели будущего

• Новое сотрудничество в автомобильном секторе начали General Motors (GM) и Honda Motor. Обе компании планируют совместно разрабатывать водородные топливные элементы в течение следующих семи лет. Обмен ноу-хау поможет снизить затраты на технологии и делает основной целью реагирование на увеличение объёма глобальных требований, предъявляемых к сокращению выбросов, стандарт «Евро-4» имеет строгие рамки.
• Силовая установка автомобиля может послужить и электростанцией для дома, обеспечивая его энергией в течение 5 дней.
• Каждый производитель в ближайшее время рассчитывает продавать минимум тысячу экокаров за год, ожидаемая цена 97000 $.
• К 2050 году водород как источник топлива покроет треть производимой энергии.

А вот Илон Маск (глава SpaceX и Tesla) к новому топливу относится крайне критично, считая его создание маркетинговым ходом. Маск заявил, что использование технологий не решит реальных транспортных проблем и что в литий-ионных батареях плотность хранения энергии превышает все водородные разработки. А как думаете вы?

Плюсы и минусы водородных двигателей

К преимуществам можно отнести следующее:

1. Экологическая чистота. Если водородные «движки» будут
   использоваться повсеместно, экология сможет вздохнуть свободнее. Парниковый
   эффект точно будет заметно уменьшен. Сотрудники компании Тойота доказали,
   что выхлопы автомобилей с водородными моторами безопасны для здоровья.
2. Доступность.
   Фактор дефицита точно будет отсутствовать, так как водород можно получить
   даже из сточной воды.
3. Возможность применения в разных типах моторов. Водородное
   топливо может использоваться как в ДВС, так и в моторах, вырабатывающих
   электрический ток.

К достоинствам водородных силовых агрегатов
также относят:

• Небольшой
  уровень шума.
• Увеличенную
  мощность.
• Значительный
  запас хода.
• Небольшой
  расход топлива.
• Простоту обслуживания.

А теперь о недостатках водородных двигателей:

1. Сложность получения водорода в чистом виде. Для
   его извлечения необходимо затратить много энергии. Сейчас такое
   производство нерентабельно.
2. Дефицит
   АЗС. Если сравнивать с АЗС, в которых продается обычное топливо, оснащение
   станций для заправки машин водородным топливом будет стоить очень дорого.
   Из-за этого на строительство водородных АЗС никто не решается.
3. Необходимость модернизации ДВС. Чтобы применять Н2 как
   основное топливо, придется внести некоторые изменения в конструкцию ДВС.
   Без изменений мощность мотора может упасть на 25%. Кроме того, механизм не
   будет служить долго.

Машины с водородными «движками» будут пожароопасными и тяжёлыми (из-за веса АКБ).

Автомобили на водороде сегодня называют «машинами
будущего», которые не станут наносить вред окружающей среде. И пусть пока такие
авто дороговаты и встречаются редко, со временем их цена обязательно упадет, а
популярность вырастет.

Типы водородного двигателя

Хотя существует несколько модификаций водородных двигателей, все они делятся на два типа:

• Вид агрегата с топливным элементом;
• Доработанный ДВС, приспособленный для работы на водороде.

Рассмотрим каждый тип по отдельности: в чем их особенности.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

За основу работы топливного элемента взят принцип аккумулятора, в котором происходит электрохимический процесс. Единственное отличие водородного аналога – более высокий КПД (в некоторых случаях более 45 процентов).

Топливная ячейка представляет собой одну камеру, в которую помещены два элемента: катод и анод. Оба электрода покрыты платиной (или палладием). Между ними расположена мембрана. Она делит полость на две камеры. В полость с катодом подается кислород, а во вторую – водород.

В результате происходит химическая реакция, результатом которой является объединение молекул кислорода и водорода с выделением электричества. Побочный эффект от процесса – вода и выделившийся азот. Электроды топливных элементов подключены к электроцепи автомобиля, в том числе и электромотору.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

В этом случае, хотя мотор и называется водородным, он имеет идентичное строение, что и обычный ДВС. Единственное отличие – происходит сгорание не бензина или пропана, а водорода. Если заправлять баллон водородом, то есть одна проблема – этот газ снизит эффективность обычного агрегата приблизительно на 60 процентов.

Вот несколько других проблем, с которыми связан переход на водород без модернизации мотора:

• Когда ВТС будет сжиматься, газ будет вступать в химическую реакцию с металлом, из которого изготовлена камера сгорания и поршень, а нередко это может происходить и с моторным маслом. Из-за этого в камере сгорания образуется другое соединение, которое не отличается особой способностью к качественному сгоранию;
• Зазоры в камере сгорания должны быть идеальными. Если где-то топливная система имеет хотя бы минимальную утечку, при контакте с раскаленными предметами газ легко воспламенится.

Мотор для Honda Clarity

По этим причинам водород практичней применять в качестве топлива в роторных моторах (в чем их особенность, читайте здесь). Впускной и выпускной коллекторы таких агрегатов расположены отдельно друг от друга, поэтому газ на впуске не раскаляется. Как бы то ни было, пока моторы модернизируются так, чтобы обойти проблемы использования более дешевого и экологически чистого топлива.

Как работает водородный автомобиль

Расскажу про то, как устроен автомобиль на примере популярной модели Toyota Mirai.

Не так давно, в 2013 году Тойота представила миру первый в мире серийный водородный автомобиль Mirai, который сам вырабатывает для себя электричество. В нём находится электрический двигатель, который имеет мощность 154 л. с. В Mirai находятся 370 топливных элементов, постоянный ток которых преобразуется в переменный, а напряжение при этом повышается до 650 В. Максимальная скорость Toyota Mirai 175 км/ч. Дополнительный аккумулятор собирает лишнюю энергию, который может при необходимости обеспечить питание небольшого дома. Запас хода этого автомобиля 500 км, а по факту – примерно 350 км. Для сравнения — электрокар Tesla Model S может пройти на одном заряде целых 540 км, но, к сожалению, зарядка занимает целых 1,5 часа.

А как работает топливный элемент, простыми словами? Автомобиль заправляется водородом. Он смешивается с платиновым катализатором и кислородом в электрохимической системе. В результате этой реакции вырабатывается электрический ток, который питает двигатель и аккумуляторную батарею. В результате реакции образуется вода или пар.

А какое устройство и принцип работы водородного двигателя? Для работы применяют роторные ДВС, потому что стандартные поршневые двигатели быстро выходят из строя из-за влияния водорода на смазку и детали ДВС. Из-за высокой разницы между бензином и водородом перевести обычный двигатель непросто, особенно если это делать своими руками. Водород при горении вызывает перегрев клапанов, масла, поршней. Если нагрузку сделать очень высокую, то возникает детонация.

Решили эту задачу заменой чистого водорода на его смесь с бензином. Подача газа уменьшается при повышении крутящего момента, чтобы предотвратить перегрев деталей силового агрегата. Это применяется в таких моделях, как Mazda RX-8 Hydrogen RE и BMW Hydrogen 7, который был выпущен всего в 100 экземплярах. Здесь переключение между 2 типами топлива происходит автоматически. Но, несмотря на успешность эксперимента, всё равно имелись проблемы: сильно падала мощность авто, запаса водорода хватало всего на 200 км, а также из-за наличия бензина автомобиль не был признан экологически чистым.

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор на основе углеродных трубок, который стоит в 650 дешевле платины.

Таким образом, механизм работы водородного автомобиля похож на работу электромобилей. Всё дело только в источнике энергии.

Высокий уровень экологичности

Конечно, невысокая степень загрязнения присутствует, но из-за наличия в механизме автомобиля масла. Даже при добавлении водорода в обычное топливо производительность повышается на 20%. На 5 кг водородного топлива автомобиль проезжает до 500 км. Ученые считают водород единственным возобновляемым источником энергии.

При его неоспоримых преимуществах на сегодняшний день недостатков намного больше, которые в основном связаны с конструктивом двигателя:

• Летучесть водорода. Заправить автомобиль с ДВС на водороде возможно только на заправке. Дозаправиться от другого автомобиля или из канистры по дороге не получится.
• Взрывоопасность и пожароопасность. Всем известна катастрофа дирижабля «Гинденбург», который от одной искры загорелся в полете: из 97 человек, находящихся на борту, погибла треть.
• Высокая стоимость топливных элементов и водородного двигателя, что, в свою очередь, увеличивает стоимость автомобиля. Аналог с водородным двигателем стоит в два раза дороже. Автомобиль на базе водородного двигателя обслуживать в 100 раз дороже, чем обычный двигатель.
• Водородный двигатель занимает большой объем. В грузовиках и автобусах это не создает никаких неудобств, но в легковых автомобилях уменьшается объем багажного отделения.

Водородный двигатель – это не фантастика. Например, Honda, Toyota и Hyndai наладили линию по производству автомобилей с двигателями на базе водорода и плотно оккупировали рынок: Toyota Mirai (2015), Honda FCX Clarity (2008), Hyundai ix35 Fuel Cell. В середине декабря прошлого года Audi объявило о своем решении выпустить новый концепт на водороде – Q6 H-Tron.

Несмотря на все недостатки, водород – это единственный возобновляемый и неограниченный ресурс на планете. Для того чтобы автомобили с таким ДВС получили широкое распространение, ученым и разработчикам надо будет решить, как устранить негативные характеристики и уменьшить стоимость механизма, а государствам наладить инфраструктуру, чтобы машины на водороде перестали быть редкостью на дорогах.

Современные автомобили с водородными двигателями

Возможность применения двигателей на водородном топливе заинтересовала многих производителей. В результате в автомобильной индустрии появляется все больше машин, работающих на данном газе.

К наиболее востребованным моделям стоит отнести:

• Компания Тойота выпустила автомобиль Fuel Cell Sedan. Для устранения проблем с дефицитом пространства в салоне и багажном отсеке емкости с водородным топливом размещены на полу транспортного средства. Fuel Cell Sedan предназначен для перевозки людей, а его стоимость составляет 67.5 тысяч долларов.
• Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.
• Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
• «Монстр» от Дженерал Моторс показан в октябре 2016 года. Особенность автомобиля заключается в невероятной надежности, что подтверждено проведенными исследованиями армией США. Во время испытаний транспортное средство прошло больше 3 миллионов километров.
• Концерн Тойота выпустил на рынок водородную модель Mirai. Продажи начались еще в 2014 году на территории Японии, а в США — с октября 2015 года. Время на заправку Mirai составляет пять минут, а запас хода на одной заправке 502 км. ФОТО 21 22 Недавно представители концерна заявили, что планируют внедрять данную технологию не только в легковой транспорт, но и в вилочные погрузчики и даже грузовики. 18 колесный грузовик уже тестируется в Лос-Анжелесе.
• Производитель Лексус планирует свой вариант автомобиля с водородным двигателем в 2020 году, поэтому о транспортном средстве известно мало подробностей.
• Компания Ауди представила концепт H-tron Quattro в Детройте. По заверению производителя машина может проехать на одном баке около 600 км, а набрать скорость до 100 км/час удается за 7,1 секунду. Машина имеет «виртуальную» кабину, заменяющую стандартную приборную панель.
• БМВ в сотрудничестве с Тойотой планирует выпуск своего водородного транспортного средства к 2020 году. Производитель заверяет, что запас хода новой модели составляет больше 480 км, а дозаправка будет занимать до 5 минут.
• В 2013 году в компании Форд заявили, что активное производство водородных двигателей начнется уже к концу 2017 года при сотрудничестве с Ниссан и Мерседес-Бенц. Но реализовать задуманное на практике пока не удается — работники концерна находятся на этапе разработки.
• Мерседес-Бенц на Франкфуртском автосалоне представил внедорожник GLC, который появится на рынке в конце 2019 года. Авто комплектуется аккумулятором на 9,3 кВт*ч, а запас хода составляет 436 км. Максимальная скорость ограничивается электроникой на уровне 159 км/час.
• Nikola Motor представила грузовой автомобиль с водородным двигателем, имеющий запас хода от 1287 до 1931 км. Стоимость нового автомобиля составит 5-7 тысяч долларов за аренду в месяц. Выпуск планируется начать с 2020 года.
• Производитель Хендай создал новую линейку Tucson. На сегодняшний день произведено и реализовано 140 машин. Бренд Hyundai Genesis представил свой автомобиль с водородным двигателем GV Впервые транспортное средство было представлено в Нью-Йорке, но его производство пока не планируется.
• Великобритания тоже не отстает в плане новых технологий. В стране уже можно арендовать водородный автомобиль Riversimple Rasa на три или шесть месяцев. Машина весит чуть больше 500 кг и способна проехать на одной заправке около 500 км.
• Дизайнерский дом Pininfarina создал машину на водородном топливе H2 Speed. Особенность авто заключается в способности ускорятся до сотни всего за 3,4 секунды, а максимальная скорость — 300 км/час. Время на заправку составляет всего три минуты. Стоимость новой модели достигает 2,5 млн. долларов.