Водородный двигатель принцип работы: Как работают водородные автомобили » 1Gai.Ru

Как работают водородные автомобили » 1Gai.Ru

Водородные автомобили: Принцип действия.

В мире в последние годы наблюдается повышенный интерес к альтернативным источникам энергии. Не обошла эта тенденция и автопромышленность, которая является главным источником загрязнения атмосферы Земли. Именно поэтому большинство стран мира планируют к 2030 году отказаться от использования автомобилей с традиционными двигателями внутреннего сгорания.

 

Смотрите также: Автомобили и экология: Запретят ли автомобили?

 

Мы знаем, что на смену обычным бензиновым автомобилям скорее всего придут гибриды и электрокары. Но не стоит сбрасывать со счетов и другие автомобили, которые могут работать на альтернативных источниках энергии. Давайте рассмотрим например, водородные автомобили, которые возможно рано или поздно смогут вытеснить с авторынка весь существующий ныне автотранспорт. Мы расскажем вам о том, как работают водородные автомобили, о их плюсах и минусах, сравним их с бензиновыми, дизельными и электрическими автотранспортными средствами. 

 

Принцип работы

Это химическая реакция происходящая в водородном топливном элементе.

 

Водородные автомобили, которые начала серийно выпускать автопромышленность, в качестве своего альтернативного источника топлива используют как известно, водород, который взаимодействуя с кислородом превращается в водяной пар, а в результате этого выделяется уже энергия. Эта энергия в водородном автомобиле обычно направляется либо на электродвигатели, либо на аккумуляторную батарею, которая затем и питает электродвигатель машины.

 

На основе этой технологии возможно построить и двигатель внутреннего сгорания, который сможет работать на том же водороде и будет аналогичен моторам, которые работают на бензине. 

 

Преимущества

Подобно электромобилям данные транспортные средства, что работают на водородном топливном элементе, не выделяют углекислого газа. В результате этого получается, что водородные автомобили не способствуют глобальному потеплению или загрязнению атмосферы воздуха. Нынешние водородные автомобили стали практически бесшумными, а это также является хорошим преимуществом перед автомобилями, которые оснащены двигателями внутреннего сгорания (ДВС). К сожалению, но увы, в мире пока не существует оснащенных ДВС машин, которые работали бы совсем бесшумно. 

 

Смотрите также: Водород в автомобилях: Опасности и сложности использования

 

Поскольку в автомобилях с водородным топливным элементом используются только электродвигатели, то в этих видах автотранспорта максимальный крутящий момент доступен сразу, т.е. с 0-ых оборотов в минуту работы двигателя.

 

Водородные автомобили, в отличие от электрокаров и обычных бензиновых транспортных средств могут иметь более широкий диапазон работы, они более эффективны. Например, 1 грамм водорода выделяет в 3 раза больше энергии, чем грамм бензина. Заправка же водородного автомобиля происходит намного быстрее электрического авто. Кроме того, на полном баллоне заправленного водородом, автомобиль имеет гораздо больший запас хода, чем электрокар. В итоге получается, что водородные автомобили больше подходят для длительных поездок и на длительные расстояния в сравнении с электромобилями, которые  рассчитаны как известно для передвижения на небольшие расстояния. 

 

Недостатки

 

Основным недостатком водородных автомобилей является то, что такое топливо как водород, чрезвычайно сложно и трудно хранить. Чтобы заправить нормальное количество водорода в резервуар, его необходимо для начала сжать, примерно до 700 бар. А для сжатия водорода потребуется энергия. Кроме того, чтобы храненить водород под высоким давлением, требуется тяжелый усиленный высокопрочный резервуар, чтобы это легкоиспоряемое топливо не представляло ни какой опасности всей окружающей среде .

 

Таким образом, в случае такой утечки или разгерметизации баллона с водородом всегда существует огромный риск, что газообразный легковоспламеняющийся водород воспламениться или хуже того, возьмет и взорвется. 

 

Что касаемо его производительности, то водородные автомобили с ДВС работающие на водороде, нуждаются в гораздо большем объеме количества воздуха, если сравнивать их с бензиновыми автомобилями. Вот например, идеальное химическое соотношение воздуха с топливом для бензиновых моторов составляет около 14,3 к 1, а для водородных автомобилей это соотношение уже будет составлять примерно 38 к 1. Однако при таком соотношении водорода и кислорода водородные двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо при очень большой температуре, что приводит к разрыву тройных связей азота в воздухе и в результате этого начинает образовываться закись азота (да, это так и есть, образуется тоже вещество, которое выбрасывается в атмосферу при работе дизельного мотора). Это вещество является одним из самых вредных загрязнителей окружающей природы. 

 

Чтобы уменьшить уровень вредных выбросов в ДВС который работает на водороде необходимо, чтобы соотношение между водородом и кислородом увеличилось почти до 80 к 1. Но вместе с этим, ДВС работающий на водороде потеряет большое количество своей мощности в сравнении с аналогичными бензиновыми моторами. Дело здесь вот в чем, как мы уже ранее сказали, водород является более энергоемким топливом по сравнению с бензином. 

 

Один из способов обойти подобный неблагоприятный эффект, это использовать для максимальной мощности твердый топливный элемент, который будет давать энергию электромоторам, которая потребуется в тех случаев, когда автомобилю будет нужна максимальная мощность. То есть, как вы уже поняли идея заключается в том, чтоб в данном автомобиле при небольшой мощности и нагрузке в качестве альтернативы использовать водородное топливо а не бензин, которое и будет питать ДВС. Для максимальной же мощности в действие вступит уже аккумулятор, который и будет подпитывать электродвигатель.  

 

Другой проблемой для такого типа двигателей является тот факт, что водород чрезвычайно энергоемкое вещество, т.е. топливо. Если сравнивать его с бензином, то в 1 литре водорода содержится всего около 30% энергии в отличие от того же бензина. Соответственно, что запас хода водородного автомобиля на одном полном заправленном баке будет небольшим, если его сравнивать с бензиновой машиной. 

 

Водородные автомобили (не важно какую технологию они используют: топливный элемент или же водород, который используется напрямую вместо бензина в качестве топлива) так же как и бензиновые транспортные средства не так эффективны, если например их сравнивать с электрокарами. КПД водородных автомобилей составляет примерно 30 — 50%, что сопоставимо с бензиновыми автомобилями. А это почти на половину меньше, чем КПД электрических автотранспортных средств.

 

Это может означать или означает следующее, что сами водородные автомобили как и бензиновые, основную и большую часть своей энергии теряют в процессе обработки так называемой тепловой выделяемой энергии.

 

Есть еще один серьезный минус таких машин, которые работают на водородном топливном элементе. Этот тип или вид машин не очень-то приспособлен работать при холоде. 

 

Откуда же берут водород?

 

Существует два основных способа получения водорода. Первый включает в себя следующее, а именно, взаимодействие паров с метаном (природным газом) в результате чего получается водород и двуокись углерода.

 

При таком способе получения водорода, существуют две проблемы. Первая, -при этом процессе выделяется углекислый газ, который является парниковым газом наносящим вред атмосфере планеты. Вторая, -газ метан является ископаемым топливом и он не возобновляется. 

 

Второй способ получения водорода, это расщепление воды посредством электролиза. В результате этого процесса из воды выделяется чистый водород, который может служить источником топлива для водородного автомобиля. К нашему сожалению для этого процесса необходимо слишком много энергии, которая не будет потом возобновлена на все 100%. Кроме того, в процессе получения чистого водорода происходят некоторые косвенные выбросы углекислого газа.

 

Смотрите также: Почему двигатели V4 редко встречаются в автомобилях?

 

В том числе, в процессе получения водорода часть энергии топлива теряется, что делает водородные автомобили менее эффективными в сравнении, например с тем же электрическим транспортом. 

 

В заключительном итоге, в водородных автомобилях топливо стало обычным источником подзарядки аккумуляторных батарей, которые в свою очередь и питают сам электромотор. Тут есть все очень просто. Энергия от водорода поступает в так называемый накопительный аккумулятор, чтобы поддерживать уровень заряда самой батареи, который постоянно снижается из-за питания электродвигателя. Вот и вся хитрость.

 

Какие водородные автомобили сегодня продаются на мировом авторынке?

 

Прямо сейчас, единственным массово серийным водородным автомобилем, который можно купить и приобрести, является Toyota Mirai. В настоящий момент эта машина продается в США, в Японии и в некоторых странах Европы и ОАЭ. По имеющимся сегодня данным Японская компания продала уже более 3000 тысяч автомобилей. К большому сожалению этот водородный седан стоит очень дорого.

В среднем его цена- 60 000 долларов США. И эти деньги вы должны выложить и отдать за автомобиль мощностью всего в 152 л.с., где максимальный запас хода равен 500 км, и те только при идеальных условиях езды. В среднем автомобиль может проехать, где-то 300 км, что сопоставимо с автомобилем седан Tesla Model S. Так что запас хода этого водородного автомобиля не очень-то впечатляет.

 

Но есть еще одна важная проблема для автомобиля. Где вы будете заправлять Toyota Mirai? Ведь водородных заправок даже в мировом масштабе не так уж много. Именно отсутствие такой инфраструктуры и тормозит развитие водородного автотранспорта. 

 

В мире существуют еще две серийные водородные модели автомобилей. Речь идет о Honda Clarity и Hyundai Tucson FCEV. Но эти машины доступны для граждан только в нескольких странах мира, и то в ограниченном тираже.

 

Недавно, компания Mercedes на автосалоне во Франкфурте представила на всеобщее обозрение свой первый серийный водородный кроссовер, под маркой- GLC, который в скором времени будет доступен для покупки его во всех странах Евросоюза. 

 

Таким образом вы убедились, что выбор водородных авто не так уж на сегодня и богат даже в его глобальном мировом масштабе. Но тем не менее, мировая автопромышленность не стоит на месте, в настоящий момент уже многие автомобильные компании занимаются своими разработками и исследованиями в этой области автомобилестроения.

 

Смотрите также: Mercedes GLC F-Cell: Теперь и водородная версия

 

Например, компания BMW в настоящий момент проводит инженерные испытания своего водородного спорткара, созданного на базе i8.

 

В том числе активные разработки водородных автомобильных технологий ведет и компания Mazda. Вот например, у известного Японского бренда есть новая разработка роторного мотора, который способен работать на водородном топливе. Подобная технология была также использованна и на прототипе автомобиля RX-8 Hydrogen RE. Эта машина может работать и на водороде, и на бензине. Правда при работе на водороде мощность машины существенно падает и состовляет всего 109 л.с.

 

Не отстает от таких разработок и компания Aston Martin, которая уже создала Rapide S способный работать как на бензине, так и на водороде. Например, эта машина может использовать разные виды топлива как по отдельности, так и вместе взятые.

 

Кстати Aston Martin Rapide S стал первым водородным автомобилем, который успешно завершил 24-часовые гонки в Нюрбургринге.

 

Вывод

 

Итак, самый существенный вопрос, который волнует сегодня миллионы человек на Земле. Будут ли водородные автомобили в будущем жизнеспособными? И другой немало важный вопрос. Смогут ли они заменить все ныне существующие автомобили?

 

Однозначно, что на эти вопросы сегодня вам никто не ответит: ни великие инженеры и автоконстукторы, ни физики и ни химики, даже самые известные всему миру фантасты не смогут сегодня дать ответ на эти конкретно поставленные вопросы..

 

А спрогнозировать заранее на чем будут ездить люди во всем мире примерно через 100 лет, просто невозможно.

 

Лично мы со своей стороны считаем, что водородные автомобили никогда не смогут стать нашими основными транспортными средствами и заменить традиционные автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Ведь такие автомобили недостаточно эффективны. Кроме того, во всем мире под водородные автомобили нет необходимой инфраструктуры, а чтобы ее развить до уровня бензиновых и дизельных АЗС, потребуется не одно столетие и огромные инвестиционные средства. 

 

Сегодня использование электричества в плане топлива для автомобилей, более предпочтительно. Ведь согласитесь, что использование напрямую электричества для питания электродвигателей куда логичней, чем использование преобразования воды в водород и обратно только с одной целью,- подпитывание или питание аккумуляторных батарей. Причем надо не забывать, что при данном процессе теряется до 50% всей энергии. Согласитесь, это не очень впечатляет.

 

Тем не менее мы хотим сказать, что водородные автомобили могут использоваться например, в тех же  самых автогонках электрокаров, где поддерживать нужный уровень заряда аккумулятора является главной задачей всех спортивных команд. Используя водород во время таких гонок, т.е. гонок электрокаров, командам не нужно будет часто менять аккумуляторы, что естественно увеличит саму зрелищность этих соревнований.

как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах / Хабр

В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.

Когда появились первые автомобили на водороде?

Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).

Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем.

Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.

Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.

В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.

На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.

А где брать водород?

Водород можно получать разными методами:

• паровая конверсия метана и природного газа;
• газификация угля;
• электролиз воды;
• пиролиз;
• биотехнологии.

Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия. Так называют получение водорода из легких углеводородов (метан, пропан-бутановая фракция) с использованием парового риформинга. Риформингом называют процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Водяной пар смешивается с метаном при высокой температуре (700–1000 Сº) и большом давлении с использованием катализатора.

При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз.

Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород.

Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.

Источник

Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.

Как работает топливная система и какие есть варианты?

Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.

На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.

Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию.

В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию.

Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.

По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.

Такие автомобили опасны? Почему?

Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.

Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.

Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.

В Mirai и других моделях водородных авто используются очень прочные баки для водорода. Toyota сделала свои баки пуленепробиваемыми, их стенки из сверхпрочного волокна выдерживают выстрелы из крупнокалиберного оружия. Для тестов компания наняла снайперов и пробить бак смогла только пуля калибром .50 после двойного попадания в одно и тоже место.

Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.

Какой срок службы у топливных ячеек?

Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.

В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.

Сколько это стоит?

В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации. Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57. И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством.

Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США. Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.

Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки.

Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.

Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?

Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.

Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.

Водородные АЗС в 2019 году(источник)

Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.

Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.

Водородный двигатель автомобиля — как работает и основные недостатки

Авто компании разрабатывают новые виды двигателей для автомобилей будущего. Кто-то ставит ставку на электромоторы, а кто-то разрабатывает водородные двигатели. Рассмотрим водородный двигатель и его преимущества.

Как работает

Автомобиль на водородном топливе имеет так называемый топливный элемент или по-научному — электрохимический генератор. Это своего рода «вечная» батарейка, внутри которой идет реакция окисления водорода и на выходе получается чистый водяной пар, азот и электричество. Т.е. выхлоп такого водородного автомобиля экологический чистый, в нем содержание углекислого газа CO2 равняется нулю.

Автомобиль с топливными элементами, по сути электромобиль. Только с более компактной батареей: ёмкость литий-ионного аккумулятора в 10 раз меньше, чем обычного электромобиля. Батарея нужна только в качестве буфера для хранения энергии, получаемой при рекуперативном торможении и для быстрого холодного старта.

Потому что главный источник энергии — блок топливных элементов — выходит на рабочий режим не сразу. На первых прототипах водородных машин для этого требовалось около полутора часов. На современных — не более 2 минут, чтобы начать превращение водорода и воздуха в водяной пар, азот и электроэнергию. Но на прогрев до рабочей температуры, когда КПД установки достигает 90%, уходит от 15 минут до часа в зависимости от окружающей температуры.

В баллонах хранится 5 кг водорода, обеспечивающие запас хода до 500 км. Полная заправка баллонов займет три минуты.

Главные недостатки

Главный недостаток — высокая себестоимость. Помимо электрохимического генератора, который при массовом производстве может стоить дешевле батарей для электромобилей, нужны еще прочные и легкие баки. Для этого используют дорогой углепластик.

Серьезный недостаток — энергетическая эффективность. Если использовать водород только как промежуточное звено в цепочке доставки энергии от электростанции к колесам автомобиля, то КПД составит не более 30% с учетом потерь на перекачку и охлаждение водорода перед заправкой. В отличие от 70-80% у электромобилей.

Если получать водород из попутного нефтяного газа, то КПД становится несравнимо выше — до 70%. Правда, ценой выбросов углекислого газа.

Если производить автомобили с водородными двигатели, то где взять заправки? В Европе количество водородных заправок можно пересчитать по пальцам, у нас их вовсе нет. Инженеры для таких случаев изобрели бивалентный двигатель, который может одновременно работать на водородном топливе и бензине. Владелец данного автомобиля не будет зависеть от наличия на заправке водородного топлива.

Лет через десять, когда количество водородных заправок в Европе возрастет, тогда водородомобили получат жизнь. Пока реалии не радуют. Взять хотя бы стоимость машины на чисто водородных элементах — она превышает стоимость обычного автомобиля почти в два раза. И на 20 процентов дороге гибридных версий.

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

Актуальность вопроса о замене нефтепродуктов более рентабельным и чистым экологически вариантом с каждым днём только прогрессирует. Сегодня лучшие умы планеты стараются его решить. И многое уже сделано. Лидирующей альтернативой потребителям нефти является водородный двигатель.

Технологии не стоят на месте и водородный двигатель вполне может заменить современные бензиновые агрегаты

Что такое водород, как использовать

При всестороннем рассмотрении водород наиболее соответствует сегодняшним пожеланиям к дающим энергию источникам. Не загрязняет окружающую среду и практически бесконечен, если получать его из обычной воды.

Есть уже и автомобили, работающие на таком летучем веществе, как водород. Понятно, что до массового перехода на этот газ вместо бензина ещё далеко. Но тем не менее всё к тому идёт.

В основе используется реакция распада молекул воды на кислородные и водородные атомы. На сегодня применение этой реакции развивается по двум направлениям:

Рассмотрим каждое из них отдельно.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Здесь несколько нюансов. Внушительный нагрев и сжатие заставляют газ реагировать с металлическими составляющими агрегата и смазочной жидкостью. А при утечке, контактируя с раскалённым выпускным коллектором, конечно, он воспламеняется. Учитывая это, нужно использовать моторы роторные, у которых выпускной коллектор на приличном расстоянии от впускного. Что снижает вероятность воспламенения.

Также система зажигания требует некоторых изменений. И агрегат на водороде с внутренним сгоранием уступает по КПД электродвигателю на водородных элементах. Но всё это уже разрабатывается достаточно долго, поэтому не далёк тот день.

Вот пример — BMW 750hL, автомобиль с водородным двигателем. Сошедший с ленты конвейерной маленьким тиражом. Под капотом двигатель на двенадцать цилиндров. Топливом ему служит замес из кислорода и водорода, по составу идентичный ракетному горючему. Машина может набрать максимум 140 км/ч. Газовое ассорти, сжиженно-охлаждённое, содержится в добавочном баке. Его объёма достаточно для покрытия трёхсот километров, а если по пути смесь закончилась, мотор начинает потреблять чистый бензин из основного бака автоматом. Стоимость авто не превышает цен на машины такой же категории, но с карбюраторным движком — порядка 90 тыс. $.

Агрегаты, работающие от водородных батарей

Здесь принцип работы водородного двигателя — электролиз. Тот же, что у свинцовых аккумуляторов. Только КПД составляет 45%.

Через мембрану такой «батарейки» пройти могут только протоны. Электроды разных полюсов разделены этой мембраной. К аноду подаётся водород, на катод — кислород. Катализатор, покрывающий их (это платина), заставляет терять электроны. Катод притягивает протоны, пропущенные мембраной, и они начинают реагировать на электроны, итог реакции — образование воды и электрического тока. От анода электричество посредством проводов поступает уже к электромотору, т. е. питает его.

Агрегаты, питающиеся от водородных батарей, с рабочими названиями «Антэл-1» и «Антэл-2», уже работают на отечественных авто «Нива» и «Лада» в качестве концепта. Первая силовая установка преодолевает двести тысяч метров за один «полный бак», вторая триста.

О выгодах применения

У водородного карбюраторного мотора горючее только обогащается газовой смесью на 10%, но это на 30–50% понижает расход самого горючего. Получается, что на том же объёме топлива вы будете проезжать, например, не сто пятьдесят, а двести вёрст.

Вот какие достоинства водородного двигателя уже сегодня. А в будущем применение этого чудесного газа, как движущей силы для автомобиля, открывает широчайший ряд выгодных аспектов.

Для получения энергии нужна будет только вода

Выгодные аспекты

• бесплатное сырьё — вода, из которой газ можно брать бесконечно;
• во время реакции получаемые вещества вреда экологии не доставляют;
• благодаря реактивному сгоранию КПД рассматриваемого агрегата на порядок выше карбюраторного;
• колоссальная горючесть газа позволяет силовой установке бесперебойно работать при любых атмосферных показателях как минусовых, так и плюсовых;
• детонация при сгорании водородной смеси в разы ниже, чем у бензина, что снижает шумы и вибрацию при работе агрегата;
• здесь не требуется сложных систем трансмиссии, охлаждения и смазки, значит, повышается простота обслуживания благодаря уменьшению числа деталей.

Доводка до совершенства

Чтобы двигатель на водородных элементах работал в постоянном режиме, помимо прочего, ему нужны объёмные аккумуляторы и преобразователи. А в том виде, в котором они доступны сейчас, используется слишком много места для них. Здесь при изготовлении нужен принципиально новый подход.

Топливные элементы ещё слишком дорогие. Пока только ведётся поиск альтернативных материалов для их производства.

Не доработана пожаробезопасность силовой установки. И вопрос ёмкостей для водорода остаётся открытым. Само устройство водородного двигателя, можно сказать, ещё только приобретает будущие черты.

Экскурс по истории

Примечательно, что водородный двигатель был изобретён гораздо раньше бензинового. Но развитие получил почему-то второй. Построенный во Франции ещё в 1806 году учёным Франсуа Исааком де Риваз агрегат уже тогда работал от гидролиза воды. А бензин для ДВС стали применять только в 1870.

Видео об использовании водорода в качестве топлива для авто:

Во времена, не столь далёкие, а именно в Великую Отечественную войну, есть свидетельство ещё одного удачного использования водорода, как источника получения энергии. В Ленинграде в блокаду бензина катастрофически не хватало. Поэтому было решено для работы аэростатов заграждения и приводящих лебёдок использовать водород, которого было достаточно. И это сыграло немаловажную роль по защите города.

Вот такая альтернатива нефтепродуктам есть у человечества на сегодня. И работа в этом направлении ведётся всё интенсивнее. Про то, как работает водородный двигатель сейчас и как он будет работать завтра, можно говорить только в общих чертах. Ясно одно — за водородом будущее нашей планеты.

Если имеется чем дополнить, комментарии ждут вас внизу.

Принцип работы водородного двигателя | Авто Брянск

Двигатель внутреннего сгорания уже давно является далеко не единственным силовым агрегатом, который устанавливается на автомобили: альтернативой ему в последнее время всё чаще становятся моторы, использующие в качестве движущей силы электричество, и водородные установки. Именно о последнем механизме и пойдет речь ниже.

Краткая история создания

Двигатель на водороде был создан в начале XIX века усилиями французского изобретателя. Спустя 35 лет в Англии был оформлен официальный патент на подобный агрегат, а в 1852 году немецкие инженеры доработали устройство, сделав возможной его работу на воздушно-водородной смеси.

Особое распространение моторы на водороде приобрели в годы ВОВ, когда бензин оказался в большом дефиците. Затем интерес к данному виду топлива поутих до топливного кризиса, случившегося в 70-е годы.

В последнее же время за развитие экологически безопасного топлива ратуют защитники природы и просто люди, неравнодушные к дальнейшей судьбе планеты и будущих поколений.

Принцип работы водородного двигателя

Функционирование двигателя на водородном топливе отличается от действия двигателя внутреннего сгорания, прежде всего, особенностями подачи и воспламенения смеси топлива, но принцип работы остаётся таким же.

Бензин горит медленно, а в случае с водородом время впрыска сдвигается к моменту возвращения поршня к крайнему положению, давление же может быть низким.

Водородный двигатель в идеальных условиях и вовсе способен работать без поступления воздуха: в камере сгорания останется после сжатия пар, который снова станет водой (это обеспечит радиатор). Однако на практике добиться этого сложно, т. к. на авто придётся устанавливать электролизер (специальное устройство, отделяющее водород от воды с целью осуществления реакции с кислородом).

Водородные топливные элементы

Эти устройства напоминают традиционные аккумуляторы с более высоким КПД, достигающим 45%.

В корпус помещается мембрана, проводящая исключительно протоны и разделяющая две камеры (анодную и катодную): в первую поступает водород, во вторую – кислород. Электроды покрываются катализатором (в его качестве часто применяют платину), при воздействии которого начинается процесс потери электронов водородом.

Протоны, проходящие в тот же период времени в катодную камеру, соединяются с приходящими извне электронами, что происходит опять же вследствие наличия катализатора.

Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания

Такой движок практически ничем не отличается от пропанового агрегата, поэтому часто владельцы таких машин просто перенастраивают двигатели (но это и приводит к снижению КПД).

Как работает машина с водородным двигателем? В ней установлен генератор: внутри него протекает реакция окисления водорода, в конце которой получаются азот, пар и электрический ток (углекислый газ в продуктах распада отсутствует).

Автомобиль с таким силовым агрегатом можно сравнить с электрокаром, но с более компактным аккумулятором. На рабочий режим элемент выходит спустя пару минут после запуска, а вот на прогрев до рабочей температуры может уйти и час (на точное время влияет температура окружающей среды). Появляется вода, а электроны из анодной камеры попадают в электрическую цепь, подключенную к движку. Иными словами, получается ток, питающий автомобильный водородный двигатель.

Минусы водородного мотора

Водородные двигатели для автомобилей при всех плюсах не лишены недостатков:

1. Высокая стоимость, на которую влияют, во-первых, электрический генератор, во-вторых, необходимые для эксплуатации авто баки из углепластика.
2. Низкая энергетическая эффективность. У электромобиля КПД равняется 70%, у водородного топлива – 30%, если же водород получать из нефти, этот показатель увеличится примерно в 2 раза, но тогда появится углекислый газ.
3. Малое количество заправок. Если в Европе они хотя бы есть, то в России такие заправочные станции в принципе отсутствуют.
4. Необходимость периодической проверки баллонов, заправленных водородом, в целях безопасности.
5. Увеличение веса машины и, как следствие, ухудшение маневренности.

Безусловно, защита окружающей среды имеет огромное значение, но пока что автолюбители не готовы жертвовать собственным комфортом и деньгами ради экологии.

Видео о том как работает водородный двигатель

Статья о водородном моторе: история, особенности его эксплуатации, плюсы и минусы использования, модели автомобилей. В конце статьи — видео о двигателе на воде.

Водород занимает лидирующую позицию среди всех прочих источников альтернативной энергии не случайно – он максимально экологичен, имеет возобновляемый ресурс, а также обладает максимальным КПД в сравнении с классическими двигателями, функционирующими на бензине и дизеле.

Однако помимо неоспоримых преимуществ, водородный двигатель обладает и рядом недостатков, пока не позволяющих сделать его массовым и полностью вытеснить «вредные» бензиновые и дизельные моторы.

Немного истории

О необходимости сохранения окружающей среды человечество стало задумываться совсем недавно, а вот мысли о замене обычного ДВС учёные начали задумываться намного раньше.

Так, с руки учёного Франсуа Исаака де Риваза, уроженца Франции, первый двигатель на водороде был изготовлен в 1806 г. В 1841-м в Британии был получен первый патентный договор на изготовление водородного мотора, а в 1852-м германские учёные смогли создать ДВС, функционирующий на воздушно-водородной смеси.

Однако планам внедрения водородных моторов помешали бензиновые двигатели, получившие распространение после 1870 года.

Потом о водороде снова позабыли, пока в 70-х годах в двери не постучался всемирный топливный кризис. В конце 70-х автоконцерн БМВ выпустил своё первое авто, функционирующее на водороде, а затем его примеру последовали и другие компании, в числе которых — американская General Motors и Ford, японская Honda и прочие.

Тем не менее, как только кризис сошёл на нет, интерес к водороду как источнику энергии снова угас. И вот спустя десятилетия человечество снова вспомнило о его существовании, чему поспособствовала не только активизация защитников окружающей среды, но и рост цен на горючее.

Отличительная черта водородных двигателей

В конструктивном плане водородный мотор мало чем отличаются от стандартных ДВС. В нем также присутствуют поршни, камера сгорания и шатунно-кривошипный механизм. Так в чем же отличие?

Дело в том, что водородные моторы используют иной способ поставки топливной смеси и её последующее возгорание. Кроме того, процесс сгорания водорода занимает намного меньше времени, чем в случае с горючим нефтяного происхождения. Отличия незначительны, и на первый взгляд может сложиться впечатление, что переоборудовать обычный ДВС в водородный несложно, но это не так.

Ряд проблем использования двигателя на водороде:

Водород сложно получить. Не секрет, что он содержится в воде и по праву считается самым распространённым химическим элементом в мире, правда, в чистом виде он практически не представлен. Это значит, что автомобиль необходимо оснащать специальной установкой закрытого типа — электролизёром, отвечающим за расщепление воды и позволяющим добыть водород. Однако на практике такая установка сложна в изготовлении, что сильно влияет на её конечную стоимость.

Водород из-за высокой температуры сжатия легко вступает в реакцию с различными металлическими элементами силовой установки и даже с моторным маслом.

Даже маленькая утечка водорода при контакте с разогретым коллектором вызовет возгорание. Именно поэтому сегодня при создании водородных моторов используются исключительно роторные силовые установки, так как они позволяют снизить риск возгорания из-за большего расстояния между коллектором впуска и выпуска.

Тем не менее, большую часть проблем пока удаётся решать, причём не только на роторных установках, но и в двигателях, использующих поршневые механизмы, что позволяет водороду оставаться наиболее перспективной заменой бензину/дизелю.

Главные плюсы и минусы водородных моторов

Основные достоинства, которыми обладают водородные двигатели:

• высокий уровень экологичности, так как продуктом его сгорания выступает водяной пар. При сгорании водорода происходит ещё и выгорание моторного масла, однако количество токсичных выхлопов при этом в несколько раз меньше, чем при сгорании бензинового или «тяжёлого» топлива;
• высокий КПД, который в разы превосходит таковой в классических силовых установках, функционирующих на дизельном или бензиновом топливе;
• относительная конструктивная простота, а также отсутствие дорогостоящих и ненадёжных систем топливоподачи, которые к тому же опасны;
• бесшумность.

Несмотря на ряд существенных преимуществ, водородные моторы имеют достаточное количество недостатков:

• высокая цена и сложность получения чистого водорода;
• неразвитая инфраструктура автозаправочных станций, способных осуществить дозаправку водородом;
• отсутствие международных стандартов транспортировки и применения водородного горючего;
• высокая цена топливных компонентов и обслуживания водородных двигателей;
• трудности, связанные с хранением водородного горючего. Учёные до сих пор не пришли к единому знаменателю касательно материала, который необходимо использовать при изготовлении баков для хранения горючего водорода;
• увеличение общей массы машины за счёт наличия водородного двигателя, который заметно тяжелее ныне распространённых бензиновых и дизельных моторов.

Кроме того, баллоны с водородом необходимо регулярно проверять и сертифицировать, что может быть сделано исключительно квалифицированными специалистами, обладающими соответствующим разрешением и лицензией.

Самые популярные автомобили с водородным ДВС

Несмотря на то, что учёные продолжают ломать голову над устранением текущих проблем, связанных с использованием водородных моторов, количество машин на водородном топливе продолжает расти. Самыми известными авто, функционирующими на водороде, являются:

Тойота Mirai FCV – автомобиль впервые дебютировал в 2013 году, но в продажу поступил лишь в 2015-м. Имеющиеся в нем баллоны обеспечивали «дальнобойность» около 500 км.

BMW 750hL, концептуальная версия которого была показана ещё в 2000-м году. Машина комплектуется специальным баком с водородов, запаса которого достаточно для преодоления расстояния в 300 км.

Honda Clarity – ещё один автомобиль, использующий водород вместо классического топлива. Основные достоинства модели — эффектная внешность и впечатляющий, по меркам водородных авто, запас хода, составляющий 589 км.

Riversimple Rasa – небольшой водородный автомобиль родом из Великобритании. Его главной особенностью стал небольшой вес (чуть более 500 кг) и внушительный запас хода – порядка 500 км.

Кроме того, производители продолжают представлять «водородные» концепт-кары, среди которых — Audi H-tron Quattro, водородный Mercedes GLC, грузовик Nikola One от Nikola Motor, суперкар h3 Speed от дизайнерского дома Pininfarina и многие другие.

Заключение

Несмотря на ряд недостатков, водород может стать наиболее перспективным источником экологически чистой энергии на ближайшие 30-40 лет. Нам лишь осталось найти эффективный метод добычи водорода и разработать инфраструктуру для его доставки конечному потребителю, и тогда человечество навсегда забудет не только о топливном, но и об экологическом кризисе.

Видео о двигателе на воде:

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач.

С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.

Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

Читайте в этой статье

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г. построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода на полном баке водорода составляет около 300 км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной). Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания двигателей-гибридов, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.

Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.

К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.

Виды двигателей внутреннего сгорания, отличия различных типов ДВС. Особенности компоновки, объем двигателя, мощность, крутящий момент и другие параметры.

Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

Что нужно знать о моторах на Рендж Ровер перед покупкой такого автомобиля б/у. С каким двигателем лучше взять данный автомобиль и почему.

Из истории водородной энергетики — Энергетика и промышленность России — № 15-16 (107-108) август 2008 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 15-16 (107-108) август 2008 года

Очевидно, что каждая составляющая топливно-энергетического комплекса имеет свою историю. Иногда эта история – например, использования угля – длится веками, иногда – например, атома – всего лишь десятилетиями. Почему‑то принято считать, что водородная энергетика появилась совсем недавно. Происходит это, конечно же, в силу того, что она до сих пор не нашла широкого применения, хотя над проблемой освоения одного из основных элементов таблицы Менделеева тысячи ученых работают очень давно.

Проблеме использования водорода как топлива более 150 лет. Еще в 1820 году В. Сесил в докладе Кембриджскому философскому обществу предложил использовать водород для привода в движение машин, а первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода, был выдан в Англии в 1841 году.

Эффект обратной вспышки

В Германии, в Мюнхене, в 1852 году придворным часовщиком Христианом Тейтманом был построен двигатель, работавший (в течение нескольких лет) на смеси водорода с воздухом. В 1920‑х годах Г. Ф. Рикардо и А. Ф. Брустелл выполнили детальные исследования работы двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием на водородо-воздушных смесях. В этих работах, по‑видимому, впервые было обнаружено явление обратной вспышки, которым впоследствии занимались многие исследователи. В это же время началось и практическое использование водородных двигателей на дирижаблях фирмы «Цеппелин». Для них в качестве топлива использовался водород, наполнявший дирижабль.

В 1928 году был проведен испытательный перелет такого дирижабля через Средиземное море.

Особое место в истории водородных двигателей занимают работы Рудольфа Эррена, выполненные в 1920‑30‑х годах. Он впервые применил внутреннее смесеобразование в двигателях на водороде. Водород подавался в цилиндр через его стенку, что снижало опасность возникновения обратной вспышки.

При этом у двигателя сохранялась система подачи основного топлива, и он мог работать на любом из топлив, а также на жидком топливе с добавлением водорода. Р. Эррен перевел на водород несколько типов двигателей, в том числе и дизельный, установленный на автобусе «Лэйлэнд». Успешная пробная эксплуатация этого автобуса происходила в пригороде Лондона. Р. Эрреном был разработан и испытан первый водородо-кислородный ДВС. На такте впуска в цилиндр подавалась смесь кислорода с водяным паром, на такте сжатия – водород.

Образующийся при сгорании водяной пар частично возвращался на такте впуска в двигатель и частично конденсировался. Двигатель мог работать без наружного выхлопа, то есть был пригоден для использования в подводных лодках. В это же время в Германии использовались автодрезины, работающие на водороде. Последний производился на заправочных станциях электролизом воды под давлением.

Школа Семенова

В период с 1920‑х до начала 1940‑х годов весьма важные и обширные исследования реакции горения водорода в кислороде и воздухе в различных условиях были выполнены российскими учеными школы
Н. Н. Семенова, учеными Германии, Англии, США. Таким образом, к началу Второй мировой войны были заложены научные и технические основы использования водорода как топлива. Развитие экспериментальных работ по созданию водородных двигателей было прервано войной. Однако первый успешный опыт массового использования водорода как топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания был осуществлен во время Второй мировой войны в России.

В блокадном Ленинграде в 1941 году инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем многие автомобильные двигатели ГАЗ-АА, вращающие лебедки аэростатов заграждения, были переведены на питание водородо-воздушной смесью из аэростатов, потерявших плавучесть.

Содержание воздуха в них достигало 15‑20 процентов, и обратная вспышка могла привести к взрыву аэростата. Для предотвращения этого
Б. И. Шелищ применил водяной затвор, установленный перед двигателем, и ряд других мер защиты с использованием доступных средств. С 1942 года водород из потерявших плавучесть аэростатов стал использоваться и Московской службой ПВО. В годы войны более 400 автомобильных двигателей для привода лебедок аэростатов заграждения в России работали на водороде.

После нефтяного кризиса

После Второй мировой войны фундаментальные исследования процессов и разработки автомобильных двигателей на водородном топливе проводились во многих странах, в том числе в СССР (в НИИ энергетики Казахстана, Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО АН СССР и некоторых других организациях), но активность исследований в этом направлении существенно снизилась.

Дешевая нефть и не осознанные еще экологические последствия бурного развития автотранспорта на углеводородных топливах не оставляли места для развития водородных технологий в этой отрасли.

Осознание необходимости их развития пришло в начале 1970‑х годов, одновременно с первым нефтяным кризисом и резким обострением экологической ситуации в крупных городах. К этому времени относится начало активной фазы НИОКР по созданию водородных транспортных средств и инфраструктуры их топливообеспечения.

К началу 1980‑х годов в США, Японии, Германии, СССР, Канаде и ряде других стран были созданы экспериментальные водородные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на водороде, бензоводородных смесях, смесях водорода с природным газом и с различными системами хранения водорода на борту автомобиля: в виде гидридов интерметаллических соединений, в жидком и газообразном сжатом состоянии.

В начале 1970‑х годов в Австрии К. Кордеш создал первый экспериментальный водородный электромобиль с водородо-кислородным щелочным топливным элементом (ТЭ) мощностью 6 кВт. Основной задачей работ в этом направлении в последующие годы стало создание эффективной и дешевой двигательной установки на основе водородо-воздушного топливного элемента.

Активные исследования и разработки в области водородной энергетики и технологии начались в нашей стране в середине 1970‑х годов. Они проводились по многим направлениям крупными научными коллективами под руководством
В. А. Легасова, Н. Д. Кузнецова, A. M. Фрумкина, Р. Е. Лозино-Лозинского, А. А. Туполева,
В. П. Глушко, В. П. Бармина,
А. Н. Барабошкина, В. П. Белякова, А. Н. Подгорного и других выдающихся ученых и крупных организаторов науки.

Разрабатывались новые технологические процессы крупномасштабного производства водорода и водородсодержащих газов из природных топлив, воды и нетрадиционного сырья, методы и средства его хранения, транспортировки и распределения, технологии использования водорода и искусственных топлив на его основе в энергетике (в т. ч. автономной), автотранспорте, авиации, ракетной технике, металлургии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Была обеспечена координация фундаментальных и прикладных исследований по линии Академии наук и ГКНТ. Начиная с середины 1970‑х годов систематические исследования проблем использования водородного топлива для автотранспорта выполняли Институт проблем машиностроения АН Украины (Харьков), Научный автомобильный и автомоторный институт (НАМИ, Москва), НПО «Квант» (Москва), Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва), институты Сибирского отделения Академии наук и ряд других организаций.

Главными задачами этих исследований и разработок являлись снижение токсичности выбросов и повышение эффективности использования первичных энергоресурсов. Поскольку в крупных городах число автомобилей весьма велико и существует развитая инфраструктура их топливообеспечения, рациональным путем внедрения водородного топлива в автотранспорт было признано создание на базе существующих моделей автомобилей с ДВС, способных работать как на водороде, так и на бензоводородных смесях различного состава. Одновременно с этим разрабатывались двигательные установки для перспективных автомобилей с нулевым выбросом на базе водородо-воздушных топливных элементов и элементы инфраструктуры.

«РАФы» на бензоводородных смесях

В результате обширных экспериментальных исследований специалистами ИПМаша АН УССР и НАМИ были детально изучены рабочие процессы в двигателях на водороде и бензоводородных смесях как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием. Было показано, что главным фактором, вызывающим обратную вспышку, является контакт водородо-воздушной смеси с горячими остаточными газами в момент впуска, и разработаны пути подавления обратных вспышек.

Созданы были универсальные системы питания автомобильных двигателей, обеспечивающие их устойчивую работу на водороде, бензоводородных смесях и бензине, и эффективные системы хранения водорода на борту на основе комбинации высокотемпературных и низкотемпературных металлогидридов.

К началу 1980‑х годов в СССР различными организациями были созданы и испытаны опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы РАФ и УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.

Опытная эксплуатация бензоводородных автомобилей «Волга», осуществлявшаяся в Харькове с 1980 года, показала перспективность перевода части городского автотранспорта на бензоводородные смеси с содержанием водорода около 5 процентов по весу. При этом резко снижается токсичность выбросов, эксплуатационный расход бензина уменьшается на 35‑40 процентов, а эксплуатационная экономичность повышается на 20‑25 процентов. В 1986 году Минавтопромом СССР было принято решение о выпуске и последующей эксплуатации в городах СССР опытной партии городских микроавтобусов РАФ (200 штук), работающих на бензоводородных смесях. Однако это решение из‑за начавшихся политических процессов не было выполнено.

Автомобили с топливными элементами

В 1970‑80‑е годы в НПО «Квант» был выполнен цикл работ по применению топливных элементов для городских электробусов на водородном топливе. Была решена задача создания щелочных ТЭ, работающих на водороде и воздухе. Найдено эффективное и изящное решение сложной проблемы создания активного воздушного электрода. Для этого был использован разработанный «Квантом» гидрофобизированный электрод с газозапорным слоем, активность которого в процессе работы поддерживается за счет избытка воздуха (с коэффициентом Кn ~ 2,5‑3). Одновременно был решен комплекс электротехнических проблем, связанных с созданием системы электродвижения.

В 1982 году НПО «Квант» и заводом РАФ был создан первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного ТЭ мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи (5 кВт/ч), который был представлен на Москов-ской международной выставке «Электро-82» и прошел экспериментальную эксплуатацию. На основе полученного опыта специалисты НПО «Квант» совместно с венгерскими партнерами разработали технический проект городского автобуса с энергоустановкой на основе водородо-воздушных щелочных топливных элементов.

Однако этот проект, по тем же причинам, что и выпуск малой серии бензоводородных микроавтобусов, не был реализован.

Системы хранения водорода на борту

Создание систем хранения водорода на борту транспортных средств имеет ключевое значение для развития водородных технологий на транспорте. В 1980‑х годах в нашей стране были разработаны опытные образцы таких систем (металлогидридных, газобаллонных, криогенных). Для автомобилей, работающих на бензоводородных смесях, приемлема разработанная в ИПМаше комбинированная система аккумулирования водорода с использованием низкотемпературных и высокотемпературных гидридов интерметаллических сплавов на основе FeTiVa (70‑75 процентов) и Mg2Ni (25‑30 процентов). Такая система обеспечивает минимальные весовые характеристики аккумулятора водорода и полную десорбцию водорода за счет утилизации тепловых потерь двигателя с охлаждающей водой и выхлопными газами. Изготовленные и испытанные ИПМашем несколько опытных металлогидридных аккумуляторов для различных автомобилей («Волга» ГАЗ-24, «Жигули» ВАЗ-2101, автопогрузчик, микроавтобус РАФ) прошли опытную эксплуатацию в составе транспортных средств и показали вполне приемлемые технические характеристики и соответствие нормам безопасности при запасе хода бензоводородных автомобилей до 300 километров.

Металлогидридные системы хранения водорода вполне приемлемы для бензо-водородных автомобилей, автопогрузчиков, тракторов, подводных лодок, но по весовым характеристикам не подходят для транспорта, работающего на чистом водороде. Для таких автомобилей наиболее эффективны легкие композитные супербаллоны с весовым содержанием водорода примерно 8‑10 процентов при давлениях 300‑500 атмосфер. Такие баллоны были разработаны в России для авиационной техники и вполне могут быть использованы в автотранспорте.

Исследовались также и возможности создания криогенных систем хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Экспериментальный автомобиль РАФ с криогенной системой хранения водорода испытан на полигоне НАМИ. По результатам этих работ в НПО «Криогенмаш» был разработан экспериментальный криогенный бак для хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Однако дальнейшего развития после 1985 года эти работы не получили.

Еще не все потеряно

Несмотря на значительное снижение научно-технического потенциала страны в области новых водородных технологий в 1990‑е годы, наиболее дальновидным руководителям и коллективам исследователей в тяжелейших условиях крайне скудного финансирования удалось сохранить и продолжить работы по ряду перспективных направлений. Сохранилась эта тематика, хотя и при минимальном финансировании, в федеральных целевых программах Минпромнауки и программах НИОКР Минатома и Росавиакосмоса. Главными задачами сегодняшних отечественных разработок в области водородной энергетики и технологии являются создание компактных и дешевых топливных элементов (сегодня их стоимость превышает 10 тысяч долларов США за кВт) с ресурсом более 10 тысяч часов, надежных и дешевых систем хранения водорода на борту автомобиля, обеспечивающих запас хода 400‑500 километров, бортовых конверторов углеводородных топлив, усовершенствованных элементов инфраструктуры, новых и усовершенствованных технологий производства водорода и его использования в энергетике (в том числе автономной и основанной на возобновляемых энергоресурсах), авиационно-космической технике и других отраслях народного хозяйства, систем обеспечения безопасности.

В этих направлениях в последние годы получен ряд важных результатов. Созданы опытные образцы ТЭ с твердополимерным электролитом на базе отечественных мембран мощностью до 10 кВт, разрабатываются такие ТЭ мощностью до 200 кВт для автотранспорта, организовано опытное производство отечественных мембран на основе твердополимерного электролита, созданы компактные электролизеры с твердым полимерным электролитом на повышенные давления с энергопотреблением 3,9‑4,2
кВт/ч/нм3 h3 производительностью до 10 нм3/ч, компактные микроволновые конверторы природных топлив в синтез-газ производительностью до 20 нм3/ч, новая технология модификации полимерных мембран для выделения водорода из газовых смесей, обеспечивающая увеличение их селективности на несколько порядков, эффективные каталитические дожигатели водорода производительностью до 100 нм3/ч по водородсодержащему газу (РНЦ «Курчатовский институт» в кооперации с НПО «Пластполимер», ГУП «Компания МЭТИС» и др.), созданы и испытаны экспериментальные и опытно-промышленные устройства для использования водородных технологий в автономной и стационарной энергетике – водородо-кислородные парогенераторы мощностью до 25 МВт (ИВТАН, Центр Келдыша), энергоустановка на базе водородо-воздушного щелочного ТЭ мощностью около 6 кВт (ФГУП «НПП «Квант»», Independent Power Technology), разработаны новые интерметаллические соединения с емкостью по водороду до 2 процентов (весовых) и выше и организовано их опытное производство (Московский завод полиметаллов «Полимс», МГУ, ИХФ РАН и др.), новые типы блочных катализаторов на теплопроводных носителях для бортовых конвертеров углеводородных топлив и стационарных компактных конверторов (Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН), выполнены разработки усовершенствованного криогенного оборудования, обеспечивающего снижение энергозатрат при производстве жидкого водорода и потерь при его транспортировке, распределении и хранении (ОАО «Криогенмаш» и кооперация), усовершенствованных ДВС для работы на водороде и водородсодержащих топливах (НАМИ). В последнее время к разработкам отечественного водородного автомобиля подключились «АвтоВАЗ» и РКК «Энергия».

Этот далеко не полный перечень результатов последних лет показывает, что российская наука и техника даже в ее сегодняшнем состоянии пока еще способна решать сложные задачи создания новых водородных технологий для автотранспорта, авиации, ракетной техники, энергетики и других отраслей народного хозяйства.

В заключение следует отметить, что история водородной энергетики пишется и сейчас. Как положительный момент стоит отметить факт, что к освоению водорода подключились в последнее время и предприниматели. Согласитесь, без поддержки финансово‑промышленных структур о каком бы то ни было внедрении инноваций говорить бессмысленно. Так, например, особое внимание к проблемам водорода уделяла компания «Норильский никель». И даже если ее интерес лежал в строго коммерческой области, даже если деятельность компании в этом направлении вызывала скепсис многих ученых и не очень ученых мужей – факт сам по себе отрадный. Потому что для всех очевидно: водород как энергоноситель рано или поздно пробьет себе дорогу в будущее.

Водородный двигатель

Водородный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива используется водород.

 

История водородных двигателей

Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.

Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.

Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.

Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.

По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.

Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.

                                          

Типы и принцип работы водородных двигателей

Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.

 

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.

В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.

Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая — 350 км.

 

Водородные двигатели внутреннего сгорания

При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.

ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия. 

Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.

Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.

                                                                    

Проблемы и задачи развития водородных двигателей

Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.

Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.  

Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана.  С большими затратами связана его транспортировка и хранение.

В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.

Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.

Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.

Почему водородные двигатели внутреннего сгорания — не очень хорошая идея

Водородная энергия для транспортных средств звучит заманчиво: вода — единственный выброс, а водород, кажется, доступен везде, верно?

Неправильно.

Водород может приводить в действие транспортные средства, но то, как он приводит в действие , имеет решающее значение. Двигатели водородного внутреннего сгорания сильно отличаются от автомобилей на водородных топливных элементах, и Джейсон Фенске из Engineering Explained разбирает оба этих момента в видео.

Самая главная причина, по которой водородные двигатели внутреннего сгорания не годятся? Они создают оксид азота, который вреден для людей и окружающей среды.Несмотря на то, что углерод не является частью процесса сгорания водорода, NOx не является компромиссом, поскольку автопроизводители стремятся к автомобилям с нулевым уровнем выбросов.

Во-вторых, водородные двигатели внутреннего сгорания во многих отношениях не так эффективны, как водородные топливные элементы. К тому времени, когда водород попадает в двигатель, через трансмиссию и в дифференциал, приводящий в движение колеса автомобиля, передается только 25 процентов потенциальной энергии водорода. В водородном топливном элементе водород попадает в топливный элемент, где электроны отправляются в преобразователь, затем в блок управления мощностью и в электродвигатель.Затем двигатель приводит в действие редуктор, приводящий в движение колеса автомобиля. Несмотря на многочисленные передачи, топливная энергия водорода более эффективно передается на колеса, до 50 процентов по данным Фенске.

В основном автомобили на топливных элементах — это электромобили, работающие на водороде.

Эффективность также имеет каскадный эффект. Поскольку водород занимает много места при хранении, автомобили с водородными топливными элементами могут иметь меньшие топливные баки по сравнению с автомобилями, работающими на водороде.А поскольку водород не совсем дешев, топливный элемент гораздо более эффективен в эксплуатации и потребляет на 25 процентов меньше энергии, чтобы выполнять ту же работу, что и двигатель водородного внутреннего сгорания.

Если вам не терпится получить дополнительную информацию о водороде и о том, как он питает топливные элементы и двигатели, нажмите «Играть» выше.

Создание и будущее водородного двигателя

После нескольких лет обещаний, что водород является чистым топливом будущего, только потому, что ничего особенного не произошло, теперь кажется, что будущее, наконец, почти наступило.

Производители автомобилей, включая Mazda и Toyota, в настоящее время разрабатывают водородные двигатели для своих транспортных средств, и эти двигатели однажды могут заменить не только технологию водородных топливных элементов и традиционные двигатели внутреннего сгорания, но, возможно, даже электромобили.

Однако, в то время как рынок электромобилей движется вперед, использование технологии водородных двигателей в коммерческих транспортных средствах все еще находится на начальной стадии, и возможность использования газообразного водорода в качестве полезной и практической альтернативы еще предстоит доказать.

Что такое водородный двигатель?

Источник: Тим Моссхолдер / Unsplash

Водородный двигатель — это усовершенствованная версия традиционных двигателей внутреннего сгорания, в которых в качестве топлива используется жидкий водород вместо бензина. Автомобиль, работающий на водородных двигателях, называется автомобилем с водородным двигателем внутреннего сгорания (HICEV). Они отличаются от электрифицированных транспортных средств на водородных топливных элементах (FCEV), таких как Toyota Mirai или Hyundai Tucson, в которых используется топливный элемент, в котором водород химически реагирует с кислородом в воздухе для производства электричества, которое приводит в действие электродвигатель.

Водородные двигатели вырабатывают энергию за счет сгорания водорода и используют системы подачи и впрыска топлива, которые являются модифицированными версиями систем, используемых с бензиновыми двигателями. За исключением сгорания небольшого количества моторного масла, что также имеет место в бензиновых двигателях, водородные двигатели при использовании не выделяют CO2.

Источник: onurdongel / iStock

Водородные двигатели выделяют в основном воду или водяной пар в качестве побочного продукта, но процесс производства водородного топлива может вызвать выбросы парниковых газов.Однако одно исследование показало, что даже если водород извлекается самым неэффективным способом, это, вероятно, сократит выбросы CO2 более чем на 30% по сравнению с бензином.

Разница между HICEV и FCEV

Ключевое различие между HICEV и FCEV заключается в способе использования водорода в этих транспортных средствах. Первый включает в себя сгорание водорода, в то время как последний выполняет электрохимическую реакцию и использует жидкий водород для выработки энергии для своего электродвигателя.

Источник: Global Market Insights

Технология водородных двигателей внутреннего сгорания (HICE) все еще находится на ранней стадии разработки. Между тем, мировой рынок электромобилей на топливных элементах уже преодолел отметку в 1 миллиард долларов США, и в ближайшие годы ожидается, что он будет демонстрировать ежегодный рост примерно на 38%.

Происхождение и эволюция водородного двигателя

Источник: Sam Loyd / Unsplash

В 1806 году Франсуа Исаак де Риваз создал экспериментальный двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовалась смесь водорода и кислорода.Двигатель De Rivaz считается самым первым в мире двигателем, работающим на водороде.

De Rivaz Engine Источник: Mobility Head

Вскоре после этого, в 1820 году, преподобный У. Сесил написал для Кембриджского философского общества статью под названием «О применении водородного газа для производства движущейся энергии в машинах». В этой статье описан двигатель, работающий по принципу вакуума, где вакуум создается за счет сжигания газообразного водорода.

Примерно 150 лет спустя Пол Дигес запатентовал модификацию двигателя внутреннего сгорания, которая могла работать как на бензине, так и на водороде.Конечно, к тому времени автомобили с бензиновым двигателем были нормой, и лишь немногие производители видели необходимость в разработке автомобилей с водородным топливом.

В последующие годы пагубные последствия использования ископаемого топлива для увеличения загрязнения воздуха, здоровья, глобального потепления, кислотных дождей и других областей в транспортных средствах и промышленности стали широко признаваться вместе с их воздействием. Ученые, активисты, лидеры и исследователи начали выражать озабоченность по поводу увеличения выбросов CO2 и экологических рисков, связанных с добычей и использованием ископаемого топлива.

Растущие экологические проблемы и спрос на экологически чистые альтернативы энергии заставили многие автомобильные компании сосредоточиться на разработке топлива с низким содержанием свинца, а затем на водороде и электромобилях.

В начале 2000-х годов японский автопроизводитель Mazda начал устанавливать двигатели Ванкеля на свою модель RX-8. Двигатель Ванкеля — это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором используется эксцентриковая поворотная конструкция для преобразования давления во вращательное движение. При заданной мощности они компактнее и весят меньше двигателя внутреннего сгорания.Их также можно легко преобразовать для работы на водороде.

Совсем недавно они обновили конструкцию, разработав водородный роторный двигатель RENESIS, в котором используется инжектор газообразного водорода с электронным управлением и который может быть адаптирован для работы в качестве гибридного бензин-водородного двигателя.

BMW Hydrogen 7 Источник: More Cars / Wikimedia Commons

На этом работа по разработке эффективного водородного двигателя не закончилась. Примерно в 2006 году BMW разработала двухтопливный водородно-бензиновый двигатель внутреннего сгорания для своего ограниченного выпуска Hydrogen 7, который был разработан, чтобы продемонстрировать, что водород может работать в качестве топлива.Во время испытаний автомобилю удалось разогнаться со скоростью 187 миль в час (301 км / ч), и компания также заявила, что их водородный автомобиль достиг нулевого уровня выбросов CO2.

Однако претензии BMW были позже отклонены Агентством по охране окружающей среды США (EPA), указавшим, что автомобиль все еще выделяет углерод в результате испарения моторного масла. Кроме того, эффективность автомобиля при работе на водороде была чрезвычайно низкой, в среднем около 5,6 миль на галлон (50 л / 100 км). В основном это было связано с разницей в плотности энергии бензина и водорода.

Преимущества водородных двигателей

Источник: NASA / Unsplash

Существуют различные важные причины, по которым водородные двигатели считаются некоторыми будущим автомобильной промышленности, и почему производители автомобилей тратят миллионы долларов на их создание. эффективные гидродвигатели.

Эксперты и компании в области энергетики считают, что водород может служить бесконечным и относительно низкоуглеродным источником энергии. Это также может стать жизнеспособной альтернативой использованию тяжелых металлов в батареях, которые наносят ущерб окружающей среде и могут стать очень дорогими в ближайшие годы с ростом электромобилей.

Источник: Global Market Insights

Низкая энергия воспламенения и высокая эффективность

Водородный ДВС имеет низкую энергию воспламенения по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, поскольку при сжигании водорода в этих двигателях используются более низкие температуры пламени и меньшая теплопередача. Это позволяет двигателю работать на очень бедных смесях и при этом быстро сгорать. Кроме того, из-за высокого коэффициента диффузии (водород смешивается с воздухом быстрее, чем бензин) использование водорода снижает опасность, связанную с возможными утечками.

Без выбросов углерода

Считается, что водородные двигатели обеспечивают больший объем повышения энергетической безопасности и сокращения выбросов углекислого газа. Это связано с тем, что при работе этих транспортных средств на водороде в качестве побочных продуктов не выделяются углеродные соединения.

Быстрая заправка

Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, его необходимо хранить в виде сжатого газа, чтобы обеспечить запас хода обычных транспортных средств. Это требует использования резервуаров высокого давления, способных хранить водород с плотностью 5 000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм (psi).Розничные диспенсеры, которые устанавливаются на автозаправочных станциях, могут заполнить эти баки примерно за 5 минут. Это намного быстрее, чем время, необходимое для подзарядки электромобилей, даже при быстрой зарядке. Хотя, конечно, электромобили можно заряжать дома, а водородные автомобили — нет. Другие технологии хранения находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы.

Альтернативный источник энергии

Поскольку двигатели внутреннего сгорания могут быть адаптированы для сжигания водорода вместо бензина или в дополнение к нему, ряд стран работают над инициативой по увеличению производства водорода для использования в качестве топлива в самолетах. , корабли и даже для выработки электроэнергии.Если водород производится с использованием альтернативной энергии, это может быть рентабельным способом быстрого сокращения использования ископаемого топлива в ряде областей.

Недостатки водородных двигателей

Источник: Tramino / iStock

Несмотря на многочисленные достоинства их использования, водородные двигатели до сих пор не используются в больших масштабах, и существуют многочисленные сложности, связанные с водородным топливом. Рост эффективных транспортных средств с батарейным питанием и FCEV также привел к потере интереса производителей автомобилей и новаторов к разработке HICE.Помимо этого, существует также ряд серьезных проблем, которые необходимо решить, прежде чем это станет практической альтернативой электромобилям.

Дорогая технология

Процесс извлечения водорода является дорогостоящим и энергоемким. Хотя FCEV, работающий на водороде, считается транспортным средством с нулевым уровнем выбросов, извлечение самого водорода не является нулевым выбросом. В настоящее время большая часть водорода извлекается с помощью парового риформинга, который сочетает в себе высокотемпературный пар с природным газом для извлечения водорода.

Водород можно также получать из воды с помощью электролиза. Это более энергоемко, но может быть выполнено с использованием возобновляемых источников энергии, что позволит устранить значительную часть выбросов. Однако стоимость производства водорода по-прежнему выше, чем у бензина (или электричества), поэтому необходимо будет немного их снизить, прежде чем водородные двигатели станут рентабельными в больших масштабах.

Более низкая плотность энергии

Водород не такой энергоемкий, как другие виды топлива, а это означает, что вам нужно больше его для выполнения заданного объема работы.Добавьте к этому присущую поршневому двигателю неэффективность, и водородные двигатели в целом не дают значительного энергетического преимущества.

Загрязнение

Хотя водородные двигатели не выделяют углерод, из-за тепла, выделяемого в камере сгорания, оксид азота может образовываться как побочный продукт. Это соединение вредно для окружающей среды, а это означает, что, хотя водородные двигатели имеют нулевой выброс углерода, они не являются свободными от выбросов.

Проблемы безопасности

Транспортные средства, работающие на водородных двигателях внутреннего сгорания, оборудованы баками для водородного топлива под давлением.Эти резервуары спроектированы так, чтобы быть очень безопасными, но в случае утечки легковоспламеняющийся водород может вызвать серьезные повреждения. Решением может быть установка в автомобиле специальных датчиков для обнаружения любых таких утечек, за что приходится платить.

Большой размер и пониженная выходная мощность

Для водородных двигателей внутреннего сгорания стехиометрическое соотношение воздух / топливо составляет 34: 1. Это означает, что водородный двигатель использует вдвое больше воздуха для полного сгорания.

Однако это также приводит к снижению выходной мощности, и, следовательно, водородный двигатель имеет тенденцию выдавать только половину мощности по сравнению с бензиновым двигателем того же размера.Чтобы уравновесить эту потерю мощности, водородные двигатели делают больших размеров и часто оснащены турбонагнетателем.

Будущее, факты и тенденции, связанные с водородной энергетикой

Производство чистого водорода Источник: Ballard Power

• Автомобильный сектор не единодушен в целесообразности использования водородных технологий для сегмента легковых автомобилей, и некоторые производители автомобилей, такие как Volkswagon и Audi больше не работает над HICEV, вместо этого сосредоточившись на электромобилях.Другие автопроизводители, в том числе Toyota, Renault и Hyundai, более оптимистично настроены в отношении автомобилей, работающих на водороде, и, как ожидается, продолжат разработку водородных двигателей. Toyota Mirai HFCV была представлена ​​в 2014 году и с декабря 2019 года продана по всему миру 10300 автомобилей, в то время как южнокорейская Hyundai производит внедорожник Nexo с водородным двигателем.
• Для ускорения производства водорода Европейский Союз поставил цель установить по всему континенту электролизеры мощностью 40 гигаватт.Испания уже объявила о плане потратить 10,5 млрд долларов (8,9 млрд евро) на строительство водородных электролизеров на солнечной энергии мощностью 4 гигаватта (ГВт). Другие страны, в том числе Дания, создают заводы для увеличения производства водорода при электролизе на основе электроэнергии. Даже лидер ОПЕК Саудовская Аравия строит завод по производству экологически чистого водорода.

• Корпорация Microsoft тестирует использование водородных топливных элементов для замены дизельных генераторов в качестве резервного источника питания.Американский стартап ZeroAvia планирует создать самолет с водородным двигателем к 2024 году.
• Израильский производитель двигателей, Aquarius Engines, разработал новый водородный двигатель весом 22 фунта (10 кг), в котором используется уникальная система внутреннего газообмена, и компания утверждает, что это легкая, экономичная и экологически чистая альтернатива традиционным двигателям внутреннего сгорания.

• Asian Renewable Energy Hub — крупный проект в области устойчивой энергетики в Австралии, который в настоящее время находится в стадии реализации.При полной функциональности планируется вырабатывать более 50 ТВт / ч электроэнергии за счет солнечной и ветровой энергии. Основная часть этой электроэнергии будет использоваться для производства аммиака и чистого водорода.
• В настоящее время в США и Великобритании доступны только три автомобиля с водородным двигателем, это Honda Clarity, Toyota Mirai и Hyundai Nexo. Однако ожидается, что в ближайшие годы это число будет расти, поскольку многообещающие разработки в области водородной энергетики и технологии двигателей происходят во всем мире.

Хотя водородные двигатели по-прежнему сталкиваются с рядом проблем, ожидается, что в ближайшие годы рынок водорода как экологически чистого источника энергии будет быстро расти, и, по некоторым оценкам, к 2030 году он достигнет 70 миллиардов долларов. По данным Bloomberg New Energy Finance, на стадии разработки находятся «зеленые» водородные проекты на сумму более 90 миллиардов долларов. Что бы ни случилось с автомобилями HICE, использование возобновляемого водорода в качестве источника энергии будет продолжать расти.

Водородный двигатель — обзор

6.16 Выбросы

В последние годы экологические проблемы в основном касались газовых загрязнителей, которые способствуют парниковому эффекту, связанных с производством энергии в мобильных и неподвижных устройствах. В последнее время отмечается повышенный интерес к использованию биотоплива. Этот интерес выражается международными организациями в связи с увеличением стоимости традиционных форм энергии и неизбежными экологическими проблемами, которые с ними связаны.В настоящее время доминирует потребность операторов энергетической политики в пересмотре энергетической карты будущего с учетом соответствующих энергетических и экологических проблем [131].

Биодизель, биохимические продукты, транспортное биотопливо и биогаз для производства энергии или для дальнейшей обработки транспортного топлива, такого как водород, включены в потенциальные биопродукты [170]. Существуют различные причины, по которым биотопливо следует рассматривать как идеальную перспективу как для развивающихся, так и для развитых стран.Эти причины включают безопасность энергоснабжения, снижение воздействия на окружающую среду, торговый баланс и социально-экономические проблемы, связанные с сельскохозяйственным сектором [131]. Доля биотоплива на топливном рынке в ближайшее десятилетие будет быстро расти из-за его экологических характеристик [171].

Водород может производиться из биовозобновляемых источников энергии с нулевым углеродным следом или с нулевым углеродным следом, такими как солнечная энергия или энергия ветра. Таким образом, использование водорода может в конечном итоге привести к устранению вредных газовых загрязнителей, связанных с использованием ископаемого топлива.Транспортные средства, использующие водород в качестве топлива, имеют нулевые выбросы углерода и, следовательно, благоприятные воздействия на атмосферу. Топливные элементы, работающие на водороде, могут способствовать снижению или исключению выбросов CO ₂ и других парниковых газов. Возрастает интерес к будущей роли водорода в энергетическом секторе, основанном на энергетических системах, особенно в транспортном секторе. Учитывая, что ископаемое топливо очевидно связано с выбросами вредных газов, водородные двигатели представляются привлекательным альтернативным решением в будущем [131].Практически все эти загрязнители можно удалить, используя водород в качестве топлива. Экологические проблемы, которые могут возникнуть при использовании водорода, возникают во время его производства, но не во время его использования. Использование возобновляемых источников энергии для производства водорода устраняет экологические проблемы [172]. Если водород производится без выбросов CO ₂ или других парниковых газов, он может стать основой действительно устойчивой и жизнеспособной энергетической системы. Таким образом, продукты пиролиза биомассы и реакторы газификации могут быть заранее проверены на атмосферные загрязнители.Существует множество стратегий для контроля выбросов газов и твердых частиц в термохимических процессах, для использования энергии биомассы, и они зависят от потребностей случайного процесса.

Использование ископаемого топлива связано с вредным воздействием на окружающую среду. Во время добычи, переработки, транспортировки и хранения сырой нефти и аналогичных нефтехимических продуктов происходят выбросы и утечки газовых загрязнителей, которые вызывают загрязнение водных ресурсов и атмосферы.Большинство воздействий на окружающую среду ископаемого топлива связано с горением, поскольку огромное количество различных газов, паров и золы выбрасывается в атмосферу [173]. Водородные транспортные средства прямо или косвенно не производят больших количеств CO ₂ , углеводородов, частиц, SO _x , серной кислоты, озона и других окислителей, бензола и других канцерогенных ароматических соединений, формальдегида и других альдегидов, свинца и других токсичных веществ. металлы, дым или CO ₂ и другие парниковые газы. Единственный загрязнитель, который вызывает беспокойство, — это NO _x .Если водород производится с помощью H ₂ O с использованием возобновляемых источников энергии, то производство и распределение водорода не приводит к загрязнению [149]. Транспортные средства на водородных топливных элементах могут сделать возможным использование биомассы в транспорте с нулевым или минимальным загрязнением атмосферы и очень низкими уровнями выбросов CO ₂ на протяжении всего их жизненного цикла, если сырье биомассы выращивается возобновляемым способом [150 ].

По оценкам ученых, вероятные климатические эффекты устройств, использующих водород в качестве топлива для производства энергии, будут более умеренными, чем воздействия устройств на ископаемом топливе.Однако эти эффекты во многом зависят от производства, хранения и конечного использования водорода [149]. Если международная водородная экономика заменит нынешнюю экономику, основанную на ископаемом топливе и имеющую уровень утечки 1%, то влияние на климат в международном масштабе будет составлять 0,6% по сравнению с нынешней энергетической системой, основанной на ископаемом топливе. Если уровень утечки увеличится до 10%, то влияние на климат в международном масштабе будет составлять 6% системы ископаемого топлива [174]. Важным преимуществом водорода является то, что при его сгорании не образуются газы, загрязняющие окружающую среду, по сравнению с рядом вредных веществ, выбрасываемых автомобилями с бензиновыми и дизельными двигателями.Сгорание водорода прозрачное и состоит из воды и небольшого количества NO _x . Единственный побочный продукт сгорания водорода — вода.

Считается, что определенные меры уменьшат количество NO _x , достигнув даже 1/200 соответствующих выбросов дизельных двигателей [175]. Выбросы NO _x возникают из-за высоких температур в камере сгорания. Высокая температура способствует взаимодействию N ₂ и O ₂ воздуха, что приводит к образованию NO _x .Количество выделяемого NO _x зависит от соотношения воздух / топливо, степени сжатия двигателя, скорости двигателя, времени воспламенения и термического разбавления [127].

Биоводород предлагает некоторые технологические и экологические преимущества по сравнению с обычным ископаемым топливом, что делает его предпочтительным в качестве альтернативного решения в транспортном секторе. Эти преимущества включают сокращение выбросов парниковых газов, что способствует достижению экологических целей, установленных международными организациями, в отношении улучшения состояния топливного сектора, биоразнообразия, устойчивости и создания нового рынка для сельскохозяйственной продукции.

Водород не получил широкого распространения из-за определенных технологических и финансовых недостатков. В случае развивающихся стран соответствующие программы исследований и разработок, которые реализуются, в основном на уровне международного сотрудничества, могут способствовать импорту новых водородных технологий, которые становятся все более и более конкурентоспособными. Развивающиеся страны сталкиваются со следующей дилеммой: каким образом им следует инвестировать в исследования и разработки в области водорода, которые приведут к международной водородной экономике.Большинство развивающихся стран могут не иметь важных факторов развития этих технологий. Тем не менее, они могут извлечь выгоду из подхода к водородной экономике, по крайней мере, в той же степени, что и соответствующие развитые страны, поскольку они обычно сталкиваются с более серьезными проблемами городского загрязнения. Ожидается, что международные организации сыграют важную роль в оказании помощи этим странам в разработке и принятии политики, основанной на рынке водорода и других соответствующих чистых энергетических системах.Национальные организации также должны поддерживать развивающиеся страны деньгами и другими мотивами, чтобы они могли участвовать в водородной экономике.

По мере того, как цели по выбросам парниковых газов, которые были установлены на всемирных климатических конференциях, были определены, соответствующие исследования были сосредоточены на увеличивающемся использовании водорода в энергетическом балансе в качестве топлива, которое реализует видение чистой энергии. Инвестиции в исследования и разработки уже привели к значительным технологическим достижениям в области водорода в Европейском союзе, США, Канаде и Японии.Несколько компаний участвуют в разработке и коммерциализации водородных технологий, в то время как British Petroleum (BP) и Shell участвуют в программах исследования водородных технологий. В частности, Shell инвестировала 1 миллиард долларов в исследования и разработки водорода, а также в коммерческую деятельность. BP предоставляет инфраструктуру распределения водорода (станции заправки водородом для транспорта и других целей) для реализации внедрения технологий H ₂ в демонстрационных программах транспорта в 10 городах мира в рамках программы CUTE (Clear Urban Transport for Europe).Целью демонстрационных программ является продвижение водородных технологий от стадии исследований и разработок до стадии рынка и торговли, а также повышение узнаваемости и общественного признания технологий H ₂ потребителями. BP также строит два крупных завода по производству водорода путем переработки ископаемого топлива с параллельным геологическим хранением выброшенного CO ₂ в Питерхеде, Шотландия, и в Карсоне, Калифорния. Программа в Калифорнии имеет промышленный масштаб и использует кокс в качестве сырья для производства водородной энергии, в то же время она резко снижает выбросы парниковых газов, ограничивая CO ₂ и надежно и постоянно храня его в соответствующих подземных геологических пространствах.Помимо вышеупомянутых энергетических гигантов, в этих демонстрационных программах участвуют и другие компании, такие как Stuart Energy Systems Corp, Linde AG, Air Products and Chemicals Inc., которые предоставили необходимую инфраструктуру для H ₂ .

Автомобили на водородных топливных элементах: что вам нужно знать

Помимо тонкой сети заправочных станций, есть еще одна причина низкого спроса на автомобили на водородных топливных элементах: их относительно дорого покупать.Несколько моделей автомобилей на топливных элементах, которые уже доступны на рынке, стоят около 80 000 долларов США за автомобиль среднего или высшего класса. Это почти вдвое больше, чем у сопоставимых полностью электрических или гибридных автомобилей.

Есть ряд причин, по которым автомобили на водородных топливных элементах все еще дороги. В дополнение к небольшим объемам, что означает, что производство еще предстоит индустриализировать, существует также вопрос о потребности в драгоценном металле, платине, которая действует как катализатор при выработке электроэнергии.Количество платины, необходимой для топливных элементов транспортных средств, уже значительно уменьшено. «Общая цель — снизить цены на автомобили с водородным двигателем до уровня, сопоставимого с ценами на другие электромобили», — поясняет Рюкер.

Другая причина высокой закупочной цены заключается в том, что автомобили на водородных топливных элементах, как правило, довольно большие, поскольку водородный бак (и) занимает много места. С другой стороны, привод для электромобиля с чисто аккумуляторным приводом также подходит для небольших автомобилей.Вот почему классические электромобили в настоящее время можно найти во всех классах автомобилей.

В дополнение к стоимости покупки, эксплуатация затраты также играют важную роль в экономической эффективности и принятии двигательной технологии. В автомобилях с водородными топливными элементами эти затраты не в последнюю очередь зависят от цены на топливо. В настоящее время 1 фунт (0,45 кг) водорода стоит около 14 долларов США в США по сравнению с 4,80 доллара США в Германии (это цена, о которой договорились партнеры h3 Mobility).FCEV может проехать около 28 миль (45 км) на 1 фунте (0,45 кг) водорода.

Таким образом, стоимость километра пробега водородных автомобилей в настоящее время почти вдвое выше, чем стоимость проезда на аккумуляторах в домашних условиях. Rücker ожидает, что эти эксплуатационные расходы сойдутся: «Если спрос на водород возрастет, цена может упасть примерно до 2,50 доллара США за фунт (5,60 доллара США за кг) к 2030 году».

HyTech Power, возможно, решила водород, одну из самых сложных проблем в чистой энергии

Это странный химический поворот в том, что в самом обычном веществе на Земле есть топливо, заключенное в воде.

Водород — символ славы h3O — оказался чем-то вроде универсального элемента, швейцарского армейского ножа для получения энергии. Его можно производить без парниковых газов. Он легко воспламеняется, поэтому может использоваться в качестве топлива для сжигания. Его можно подавать в топливный элемент для производства электричества напрямую, без сжигания, с помощью электрохимического процесса.

Может храниться и распространяться в виде газа или жидкости. Его можно комбинировать с CO2 (и / или азотом и другими газами) для создания других полезных видов топлива, таких как метан или аммиак.Его можно использовать в качестве химического сырья в различных промышленных процессах, помогая производить удобрения, пластмассы или фармацевтические препараты.

Довольно удобно.

И это самый распространенный химический элемент во Вселенной, так что можно подумать, что у нас есть все, что нам нужно. К сожалению, это не так просто.

Выделять водород из других элементов, хранить его и преобразовывать обратно в полезную энергию — это дорого как с точки зрения денег, так и энергии. Ценность, которую мы получаем от этого, никогда полностью не оправдывала того, что мы вкладываем в его производство.Это одна из тех технологий, которая, кажется, постоянно находится на грани прорыва, но никогда не достигает цели.

Уроженец Сиэтла Эван Джонсон считает, что он может это изменить. Он думает, что наконец-то понял, как разблокировать водородную экономику.

Джонсон — далеко не первый и не единственный человек, ставший этой целью. Но после 10 лет экспериментов, испытаний и подготовки он разработал ряд технологий и практический бизнес-план, который проложил путь к реальному коммерческому масштабу использования водорода.

И хотя HyTech Power, где Джонсон является техническим директором, очевидно, стремится к финансовому успеху, Джонсон рассматривает свои продукты как нечто большее: способ использовать водород для немедленного уменьшения загрязнения при одновременном увеличении масштабов и снижении затрат, достаточных для внесения более фундаментальных изменений в энергетику. система.

Стационарный дизель-генератор с водородными форсунками HyTech. HyTech Power

HyTech нацелена на большой рынок, чтобы выйти на еще больший

HyTech Power, базирующаяся в Редмонде, штат Вашингтон, намерена представить три продукта в течение ближайшего года или двух.

Первый будет использовать водород для очистки существующих дизельных двигателей, повышая их топливную эффективность на треть и устраняя более половины их загрязнения воздуха, со средней окупаемостью за девять месяцев, сообщает компания. Это потенциально огромный рынок с большим существующим спросом, который, как надеется HyTech, позволит капитализировать свой второй продукт — модернизацию, которая превратит любой автомобиль внутреннего сгорания в автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEV), позволив ему работать на чистом водороде. В первую очередь это будет нацелено на крупные флоты.

И это станет третьим продуктом — тот, на который Джонсон положил глаз с самого начала, тот, который может революционизировать и децентрализовать энергетическую систему — стационарный продукт для хранения энергии, предназначенный для конкуренции и, в конечном итоге, вытеснения с такими большими батареями, как Powerwall Теслы.

По крайней мере, таков план.

Мир энергетики, конечно, полон громких стартапов, и путь от прототипа к рыночному успеху долог и опасен. Для успеха HyTech потребуется нечто большее, чем просто умные технологии.Потребуется хорошее исполнение.

С этой целью компания недавно привлекла поддержку нескольких опытных руководителей Boeing, в том числе Джерри Аллина, который проработал 30 лет в Boeing и в декабре вышел на пенсию, чтобы возглавить расширение HyTech в качестве главного операционного директора.

Мягкая и неторопливая, с аккуратно подстриженной бородой, Аллин занимает небольшой офис на втором этаже бежевого здания HyTech, которое в основном занято огромным гаражом / мастерской. «Я очень скептически относился к технологии, как и в целом», — говорит он, но «как только я смог увидеть ее собственными глазами и понять физику, я подумал:« О, черт возьми ».Это действительно интересно! »

Его привлекло то, что исходные продукты не требуют новых рынков или инфраструктуры. «Теперь они действительно могут изменить мир», — говорит он. Ключевым моментом является в первую очередь дизельные двигатели. Их миллионы, они грязные и дорогие, и политики стараются их очистить. Это большой спрос. Компания «ожидает совершить много ошибок», — говорит Аллайн, но потенциальный рынок почти непостижимо велик.

Работа в гараже HyTech, переоборудование больших дизельных грузовиков. HyTech Power

И ставки выше быть не могут. В последние годы стало ясно, что какое-то топливо с нулевым содержанием углерода, пригодное для хранения, горючее, если не , необходимо для полной декарбонизации энергетической системы, по крайней мере, чрезвычайно полезно.

Перед тем, как углубиться в продукты HyTech, стоит объяснить, почему доступный водород является такой заманчивой перспективой для тех, кто озабочен устойчивой энергетикой.

Проблема с водородом: его дорого собирать, хранить и преобразовывать

Около 95 процентов мирового производства водорода осуществляется за счет парового риформинга метана (SMR), продувки природного газа высокотемпературным паром под высоким давлением.Это энергоемкий процесс, требующий использования ископаемого топлива и оставляющий после себя поток углекислого газа, поэтому его использование для обезуглероживания энергетической системы ограничено.

Но также можно извлечь водород непосредственно из воды с помощью электролиза — это процесс поглощения воды (содержащей различные «электрокатализаторы») электричеством, стимулируя химическую реакцию, которая расщепляет водород и кислород. Если электролиз проводится с использованием возобновляемой электроэнергии с нулевым выбросом углерода, полученный водород является топливом с нулевым выбросом углерода.

Это решает проблему углерода, но есть и другие. Водород в воде на самом деле не хочет выпускать кислород (они «прочно связаны»), поэтому их расщепление требует довольно много энергии. Полученный водород необходимо хранить, либо сжимая его в виде газа с помощью больших насосов, либо (слабо) связывая его с чем-то еще и храня в виде жидкости. Для этого газа или жидкости потребуется распределительная инфраструктура. Наконец, водород должен быть извлечен из хранилища и преобразован обратно в энергию путем его сжигания или пропуска через топливный элемент.

К тому времени количество энергии, вложенной в процесс, значительно превышает то, что может быть возвращено обратно.

Это был барьер. Если сложить все затраты на преобразование энергии, «добыча» водорода для использования в энергетической системе с нулевым выбросом углерода, как правило, была убыточным бизнесом. Полезные услуги, предоставляемые водородом, не могут компенсировать энергию (и деньги), необходимые для ее производства и использования. По крайней мере, не на сегодняшний день.

Вот почему, хотя люди добывают и сжигают водород с 17 века, двигатели и топливные элементы, работающие на водороде, существуют примерно с 19 века, а водород прошел через многочисленные циклы ажиотажа, вплоть до 21 века. — разрекламированная «водородная экономика» так и не получила широкого распространения.

Таких не так уж и много. Shutterstock

Еще в конце 2000-х годов большинство экспертов в области энергетики списали водород со счетов. С тех пор изменились две вещи.

Доступный водород может устранить основные препятствия на пути к устойчивой энергетике

Главное, что изменилось, — это глобальный переход на чистую энергию. Чтобы решить проблему изменения климата, мир фактически согласился полностью декарбонизировать энергетическую систему в течение столетия.Это вызвало интенсивное исследование инструментов, необходимых для создания системы с нулевым выбросом углерода.

Мы знаем, как производить электричество с нулевым выбросом углерода (возобновляемые источники, гидроэнергетика, атомная энергия), поэтому одним из ключевых шагов в декарбонизации является «электрификация всего» или, по крайней мере, как можно большего количества видов энергии.

Но широкомасштабная электрификация — непростая задача. Существует множество существующих приложений, работающих на горючем жидком топливе. Помимо практически всего транспорта, подумайте о миллионах и миллионах зданий по всему миру, отапливаемых нефтью или природным газом.

Значительная часть транспорта может быть электрифицирована, и все эти печи теоретически можно заменить электрическими альтернативами, такими как тепловые насосы, но сделать все это за оставшееся время для обезуглероживания — поистине монументальная задача.

Конечно, было бы неплохо выиграть время, если бы у нас было жидкое топливо с нулевым выбросом углерода, которое мы могли бы просто использовать в этих существующих системах, чтобы сократить выбросы от транспортных средств и приборов, которые мы уже используем. (Великобритания экспериментирует с отоплением домов водородом; Норвегия запретит любое использование мазута для отопления домов к 2020 году.)

Кроме того, если переменная возобновляемая энергия (солнце и ветер) должна обеспечивать большую часть или всю нашу энергию, нам понадобится какой-то способ хранить эту энергию, когда солнце и ветер не хватает. Нам потребуется не просто посекундное или почасовое хранение (которое вполне может обеспечить батареи), но и ежедневное, ежемесячное или ежегодное хранение (для которого батареи не подходят), чтобы гарантировать защиту от долговременных колебаний солнца и ветра. . Было бы неплохо, если бы мы могли хранить много резервной энергии в виде стабильного жидкого топлива.

Короче говоря, в наших планах по устойчивой энергетике есть дыра в форме водорода.

Второе, что изменилось, это то, что исследования, разработки и ранние рыночные испытания неуклонно снижали стоимость и повышали долговечность основных компонентов водородной технологии.

В общем, потребность в сочетании с инновациями может, наконец, означать, что под рукой есть рентабельные продукты. Вот почему «во всем мире наблюдается возрождение водородной активности», — говорит Адам Вебер, руководитель группы преобразования энергии в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Или, как недавно сказал Пьер-Этьен Франк, секретарь торговой группы Hydrogen Council, «2020-2030 годы будут для водорода такими же, как 1990-е годы для солнца и ветра».

Несмотря на все недавние инновации, Джонсон снова и снова обнаруживал, что каждый раз, когда он отказывался от стандартных компонентов и создавал свои собственные — практически каждый элемент в продуктах HyTech спроектирован и изготовлен по индивидуальному заказу, сырье заказывается через Интернет — « цена пошла вниз. Не знаю почему.”

Джонсон высокий, худощавый и светловолосый, заядлый творец и строитель, глаза которого загораются, когда он говорит о технике. После учебы в Тихоокеанском университете Сиэтла он провел первые 10 лет своей 20-летней карьеры в области сжатия видео. Но работа в Норвегии с Innovation Norway над хранением водородной энергии привела к тому, что у него возникла проблема с водородом. С тех пор он стал истинным верующим. «Ставка на водород в будущем — лучшее, что вы можете сделать», — говорит он.

«Если электролиз действительно настолько дешевле, это меняет правила игры»

Начинается с электролизера, который вытягивает водород из воды.Джонсон не смог найти такой дешевый, простой и эффективный, как он хотел, поэтому он построил свой собственный.

Электролизер HyTech (в данном случае присоединенный к стационарному дизель-генератору). HyTech Power

Ничего особенного, просто трубка, наполненная дистиллированной водой. Примерно в центре подвешена небольшая титановая пластина, покрытая специальной смесью электрокатализаторов, оптимизированных для разделения водорода и кислорода.Газы поднимаются от пластины непрерывным потоком пузырьков. Он полностью закрыт металлом, в нем нет движущихся частей, поэтому он чрезвычайно прочен и не требует значительного обслуживания.

В целом, по словам Джонсона, система «очень проста и бессмысленна». (Это тема, к которой он часто возвращается — предпочтение замкнутых, простых, полностью перерабатываемых систем.) Но благодаря эффективности электрокатализаторов, добавляет он, «очень точно, сколько энергии необходимо для производства необходимый водород.”

Джонсон может похвастаться тем, что его электролизер может производить водород примерно в три или четыре раза быстрее, чем электролизеры с аналогичной площадью основания, используя примерно треть электрического тока. Это представляет собой постепенное снижение затрат.

«Очевидно, я не могу проверить их экономику издалека, — сказал мне Джеймс Бреннер из Национального центра исследований водорода при Технологическом институте Флориды, — но если электролиз действительно намного дешевле, это меняет правила игры».

Теперь давайте посмотрим, что HyTech планирует с этим делать.

Модернизация. HyTech Power

Способ очистки дизельных двигателей для рынка, который остро нуждается в одном

Первый продукт, дебют которого запланирован на апрель, — ключ ко всему остальному.

Это называется «Система внутреннего сгорания» (ICA), модификация двигателей внутреннего сгорания, которая позволяет им существенно повысить топливную эффективность и уменьшить загрязнение воздуха. Это достигается путем добавления к топливу крошечных количеств газообразного водорода и кислорода непосредственно перед его сгоранием в цилиндрах двигателя.Смесь HHO придает интенсивность сгоранию, позволяя топливу сгорать более полно, производя больше энергии и меньше загрязнений.

Система ICA технически может работать на любом двигателе внутреннего сгорания, но для начала HyTech нацелена на самые грязные двигатели с самой быстрой окупаемостью инвестиций, а именно на дизельные двигатели — в транспортных средствах, таких как грузовики, грузовые автофургоны, автобусы и вилочные погрузчики, а также большие стационарные дизельные генераторы, которые по-прежнему обеспечивают резервное (и даже основное) питание миллионов людей во всем мире.

Все эти дизельные двигатели выделяют канцерогенный дым, содержащий твердые частицы (сажа) и оксиды азота (NOx), которые наносят вред здоровью человека. Штаты и города по всему миру борются с загрязнением воздуха дизельным топливом.

Но дизельные сажевые фильтры (DPF), которые задерживают частицы, дороги, требуют технического обслуживания и требуют частой замены. Жидкости для селективного каталитического восстановления (SCR), добавляемые в выхлопные газы для удаления NOx, сами по себе являются загрязнителями, и их необходимо часто менять.

Короче говоря, существует много дизельных двигателей, они очень грязные (ответственны за до 50 процентов загрязнения городского воздуха зимой), и многие люди тратят много денег, пытаясь их очистить. Это большой рынок.

Предложение

HyTech на этом рынке весьма примечательно: оно утверждает, что его ICA может повысить топливную экономичность дизельного двигателя на 20–30 процентов, уменьшить содержание твердых частиц на 85 процентов и сократить выбросы NOx на 50–90 процентов.В сочетании с сажевым фильтром и некоторым количеством SCR он может дать дизельный двигатель, который соответствует официальным калифорнийским стандартам для автомобилей со «сверхнизким уровнем выбросов».

Стоимость преобразования грязного дизельного двигателя в относительно чистый: около 10 000 долларов на установку, которые, по оценке HyTech, окупятся за девять месяцев за счет сокращения расходов на топливо и техническое обслуживание.

Устройство помощи внутреннего сгорания (ICA) HyTech, установленное на большом дизельном двигателе.(Видите маленький ряд форсунок?) HyTech Power

HyTech — не первая и не единственная компания, разработавшая систему присадок HHO, но ничто на рынке не может сравниться с такими цифрами.

ICA достигает этой эффективности благодаря компьютеризированному контроллеру времени, который определяет и анализирует вращение коленчатого и распределительного валов, чтобы определить точное время и размер впрыска HHO. Предыдущие системы HHO более или менее заполняли двигатель HHO через воздухозаборник, но HyTech использует «впрыск через порт» с отдельным инжектором на впускном клапане каждого цилиндра, управляемым таймером.Каждый инжектор (размером примерно с человеческий волос) впрыскивает крошечные, точно отмеренные струи HHO в цилиндр именно тогда, когда это необходимо.

Такой уровень точности позволяет ICA использовать гораздо меньше водорода, чем его конкуренты, гораздо более эффективно. Небольшой бортовой электролизер производит более чем достаточно.

Это смелые заявления, но пока они остаются верными. ICA был включен в список EPA как кандидат на технологию сокращения выбросов; Уважаемая испытательная фирма SGS обнаружила, что ICA повысила топливную экономичность грузовика FedEx на 27.4 процента; FedEx в настоящее время проводит дорожные испытания ICA на автопарке грузовиков и обнаруживает, что экономия топлива на 20–30 процентов выше, а затраты на техническое обслуживание сажевого фильтра значительно снизились. При стороннем тестировании и при ограниченных местных продажах в районе Редмонда ICA выполнила свои обещания.

Если он сможет сделать это в масштабе HyTech — надежно повысить экономию топлива на треть и снизить загрязнение почти до нуля с окупаемостью за девять месяцев — возможностей не будет конца. По оценкам компании, рынок очистных работ, включая портовые грузовики, грузовые суда, рефрижераторы, грузовики дальнего следования, автобусы, генераторы и все другие грязные дизельные двигатели, составляет 100 миллиардов долларов.

ICA не полагается на новую инфраструктуру или субсидии. Это способ выйти на большой рынок, немедленно сократить выбросы и накопить средства для долгосрочных усилий по полной замене дизельного топлива.

HyTech также хочет очистить существующие автомобили

Позже в этом году HyTech представит свою вторую линейку продуктов: модифицированные водородом автомобили с ДВС. Проще говоря, потребуется любой двигатель, работающий на дизельном топливе, бензине, пропане или СПГ, и переключить его на работу на 100-процентном водороде.(В настоящее время компания находится в процессе сертификации своего модифицированного продукта Калифорнийским советом по воздушным ресурсам как имеющего нулевые выбросы.) Это позволит любому водителю получить автомобиль с нулевым уровнем выбросов по значительно меньшей цене, чем стоимость покупки нового электрического или электрического автомобиля. автомобиль на водородных топливных элементах.

Джонсон признает, что, если бы он проектировал автомобиль с нуля, он бы спроектировал его на основе водородного топливного элемента без сгорания, но «мы не заинтересованы в том, чтобы становиться автомобильной компанией», — говорит он.Вместо этого HyTech хочет очистить существующие автомобили.

Не каждый может позволить себе автомобиль Toyota Mirai на водородных топливных элементах (от 58 365 долларов). Shutterstock

Для такого применения с чистым водородом (в отличие от смешанного HHO) электролизер немного отличается. Водород проходит через мембрану, которая лишает его остатков кислорода или азота, оставляя чистый водород для сгорания транспортного средства.(Это делает электролизер протонообменной мембраной, или PEM, электролизером, вариант, знакомый любителям водорода.)

По своему обыкновению, Джонсон разработал свою собственную мембрану, смешав сырье, чтобы создать что-то более эффективное и дешевое, чем другие продукты PEM на рынке.

Есть еще одно отличие, которое представляет собой еще одну из основных технологических разработок Джонсона.

Потребляемая мощность двигателя транспортного средства варьируется и может быстро увеличиваться и уменьшаться, поэтому системе необходимо хранить немного водорода в качестве буфера на случай, если он потребляет больше, чем может произвести электролизер.

Обычные автомобили на водородных топливных элементах (такие как Toyota Mirai) хранят водород в виде сильно сжатого газа при давлении около 8000 фунтов на квадратный дюйм. Но со сжатым газом возникают самые разные проблемы. Для сжатия газа требуется много энергии, для этого требуется собственная специализированная инфраструктура, заправочные станции для сжатого газа чрезвычайно дороги в строительстве, а сжатый водород, ну, взрывоопасен, поэтому каждый полный бак, заполненный им, является потенциальной бомбой.

Джонсон не хочет иметь с этим ничего общего. Итак, он пошел другим путем.Его система хранит водород, слабо связанный с металлами в виде «гидридов», в инертном жидком растворе без давления (~ 200 фунтов на квадратный дюйм).

Проблема с гидридами была двоякой: а) создание связи, достаточно слабой, чтобы ее можно было разорвать без излишней энергии, когда необходимо высвободить водород, и б) увеличение плотности энергии образующейся жидкости. (На сегодняшний день большинство гидридных жидкостей имеют меньшую энергетическую плотность, чем сжатый водород, и намного меньше ископаемого топлива. Они весят слишком много для той энергии, которую они производят.)

Джонсон думает, что решил обе проблемы. Он не раскрывает подробностей о задействованных гидридах, но у него достаточно высокое соотношение мощности к весу, чтобы побить литий-ионные батареи (которые очень тяжелые), и достаточно слабую гидридную связь, чтобы ее можно было разорвать, используя только перенаправляем отходящее тепло от двигателя (не требуется дополнительного тепла или давления).

Более того, он работает с командой над наноматериалами для гидридов и ожидает «огромного скачка» в соотношении мощности к весу в ближайшие годы; в конечном итоге, по его словам, он хочет, чтобы плотность энергии была конкурентоспособной с ископаемым топливом.

Эффективный электролиз плюс эффективное накопление гидридов означает, что в результате модернизации Hy-Tech будет создан автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEV) со средней дальностью полета 300 миль, сравнимый с электромобилями высокого класса, но способный работать с любым существующим транспортным средством. Когда я посетил предприятие HyTech в Редмонде, Джонсон отвез меня на обед в гигантском пикапе Ford Raptor, работающем на водороде.

Ford Raptor, работающий на чистом водороде. HyTech Power

Есть два способа «заправить» автомобиль.Медленный способ — включить его на ночь, чтобы электролизер мог заполнить бак. Самый быстрый способ — заполнить его раствором гидрида, который можно получить на месте, дома или на заправочной станции, не имея ничего, кроме электролизера, немного дистиллированной воды и резервуара.

Пока не существует инфраструктуры, поддерживающей такую ​​быструю заправку, но это не похоже на сжатый водород под высоким давлением, подчеркивает Джонсон. Это не опасно; не производит токсичных побочных продуктов; он не требует множества государственных правил безопасности и правоприменения; Теоретически, на заправочных станциях «мама и папа» можно было бы довольно дешево запустить заправку.

Несколько утопическое видение Джонсона состоит в том, что в конечном итоге в каждом доме и на предприятии будет электролизер и полный бак связанного водорода, который можно будет использовать либо для выработки электроэнергии для здания (подробнее об этом в третьем этапе), либо для топлива водородных транспортных средств.

По словам Джонсона, цель — оставить двигатели внутреннего сгорания, но «это все равно, что бросить курить — каждый хочет остыть индейки». Этого просто не произойдет «. Модернизация существующих транспортных средств за небольшую часть стоимости нового транспортного средства с нулевым уровнем выбросов позволит компании быстро начать сокращение транспортных выбросов.

Святой Грааль HyTech: долгосрочное и доступное хранилище энергии

Наконец, получив финансирование и капитализацию за счет продуктов для модернизации, HyTech приступит к производству аккумуляторов энергии. Его масштабируемое хранилище энергии (SES) предназначено для конкуренции с большими батареями, такими как Powerwall от Tesla, либо в качестве локального хранилища для домов и предприятий, либо в качестве хранилища в масштабе сети, подключенного к крупным солнечным и ветряным электростанциям.

Идея хранения водородной энергии заключается в том, что когда-нибудь скоро будут регулярные периоды, когда ветер и солнце вырабатывают электроэнергию, значительно превышающую спрос.Эти излишки энергии будут стоить очень дешево — на самом деле, мы будем искать способы не тратить их зря.

Одной из набирающих популярность идеей является «преобразование энергии в газ», то есть преобразование этой избыточной энергии в водород и его хранение. «Водород — это, наверное, самое простое, что вы можете сделать при низких ценах на электроэнергию», — говорит Вебер.

Часть этого водорода можно закачать в существующие газопроводы, что снизит углеродоемкость газа. Некоторые из них могут быть объединены с диоксидом углерода для создания другого жидкого топлива.И некоторые из них можно было бы напрямую преобразовать обратно в энергию с помощью топливных элементов. «Стационарное хранилище — это прекрасная потенциальная возможность для водородных топливных элементов», — говорит Леви Томпсон, директор Лаборатории технологий водородной энергетики Мичиганского университета.

Проблема, опять же, заключалась в том, что сквозная эффективность накопления водородной энергии на основе электролиза обычно была меньше половины, чем достигается литий-ионной батареей.

Плохой рисунок, иллюстрирующий хранение водородной энергии. Shutterstock

И снова Джонсон думает, что сломал его.

Вот как работает система SES HyTech: энергия поступает (в идеале от солнечных панелей или ветряных турбин) для запуска электролизера. Произведенный водород либо попадает в топливный элемент (да, Джонсон построил свой собственный), либо связывается в виде гидридов и хранится в резервуаре. Когда требуется энергия, гидридные связи разрываются с использованием отработанного тепла системы, высвобождая больше водорода для топливного элемента.

Избегая сжатия и обнаружив, что гидридная связь достаточно слабая, чтобы ее можно было разорвать отходящим теплом, Джонсон заметно повысил эффективность.Он еще больше повысил эффективность с помощью другой умной техники. В большинстве хранилищ водорода используются огромные электролизеры и топливные элементы, которые не могут точно масштабировать производство энергии в соответствии с потребностями. Джонсон разбил свою систему на модули: она содержит стопки электролизеров и топливных элементов меньшего размера, которые можно запускать по одному по мере роста спроса. «Глупо просто, — говорит он с улыбкой.

Внешне SES работает как большая батарея, но есть отличия и компромиссы.

С другой стороны, несмотря на то, что он значительно увеличил сквозную эффективность по сравнению с водородными конкурентами, Джонсон все еще не совсем соответствовал эффективности батарей.Он говорит, что на данный момент эффективность SES составляет около 80 процентов. По крайней мере, когда они новые, традиционные свинцово-кислотные батареи составляют около 90 процентов, а литий-ионные батареи — около 98 процентов или выше, хотя все батареи со временем изнашиваются. (Джонсон ожидает, что эффективность SES будет продолжать расти по мере разработки новых материалов для своих электролизеров и топливных элементов — он думает, что 85 или 90 процентов находятся в пределах досягаемости.)

С другой стороны, SES прослужит намного дольше, чем батарея, пройдя более 10 000 циклов зарядки и разрядки, по сравнению с примерно 1000 для литий-ионной батареи.Это приблизит срок ее службы к сроку службы типичной солнечной панели, что позволит более удобно соединять эти две батареи.

В отличие от аккумуляторов, которые нельзя полностью зарядить или разрядить из-за опасения ухудшения характеристик, SES может перейти от 100-процентной емкости до 0 и обратно без повреждений.

И когда он действительно изнашивается, в отличие от батарей, SES полностью подлежит переработке. Металлы плавятся, перетираются и используются повторно; вода перегоняется.

Лучше всего то, что раствор гидрида может храниться неограниченное время без обслуживания или потери потенциала.Его не нужно сжимать или охлаждать, как сжатый водород. Он не разлагается, как электрохимический заряд аккумуляторов. Гидриды можно хранить столько, сколько необходимо.

Это делает SES фантастическим кандидатом на долгосрочное хранение энергии, святым Граалем по-настоящему устойчивой энергетической системы. Если бы электричество было дешевым и достаточно обильным, в принципе не было бы ограничений на количество резервной энергии, которую можно было бы накапливать.

Это также делает SES идеально подходящим для распределенной энергетической системы.Без движущихся частей, надежных компонентов, устойчивых к экстремальным температурам и погодным условиям, и возможности вторичной переработки на 98 процентов, это был бы чрезвычайно простой способ для любого, у кого есть несколько солнечных панелей, получить степень энергетической независимости. Это может быть особенным благом для удаленных, автономных сообществ.

Жутко горящий электролизер. HyTech Power

Какой бы ни была судьба HyTech, потребность в водороде вызовет инновации

Распределенная безуглеродная водородная экономика — это то, о чем размышляет Джонсон, когда дает себе время подумать.Но в наши дни перед нами стоит более неотложная задача: запустить HyTech.

Ни один из экспертов по водороду, с которыми я разговаривал, не обнаружил каких-либо особых красных флажков в технических заявлениях HyTech, но все они проявили с трудом завоеванный скептицизм «шоу-не-говори». В водородном мире произошло много новых событий. История усеяна трупами многообещающих стартапов, которые не смогли воплотить свои инновации в жизнеспособные рыночные продукты.

Тем не менее, Hytech, похоже, занимает хорошие позиции, имея надежную команду руководителей, некоторое раннее финансирование, положительные результаты испытаний, партнерские отношения с такими крупными игроками, как FedEx и Caterpillar, а также целевой рынок с продемонстрированным спросом на ее продукцию.Скорее всего, через год или два мы узнаем, справились ли они с этим.

В любом случае, по мере того, как стремление к созданию устойчивой энергетической системы всерьез набирает обороты, потребность в водороде будет только возрастать. Нам нужно топливо с нулевым выбросом углерода и нам нужно долгосрочное хранение энергии. Водород подходит обоим счетам.

Когда есть большая социальная потребность и деньги, люди становятся умными. Если Джонсон сможет добиться нескольких поэтапных достижений в водородной технологии, совершая покупки в Интернете и возясь в своей лаборатории, скоро другие сделают то же самое.А по мере выхода продуктов на рынок масштабирование приведет к снижению затрат, как это произошло с ветряной и солнечной энергией.

Во многих смыслах доступный водород — это последняя часть головоломки устойчивой энергетики, энергоноситель, который может заполнить трещины в системе, работающей в основном на ветровой и солнечной энергии. За прошедшие годы его несколько раз оставляли умирать, но, поскольку мир серьезно относится к декарбонизации, водород, наконец, может выиграть свой день на солнце.

Этапы и варианты производства энергии из водорода

Есть три основных способа использования водородной энергии:

1) внутреннего сгорания;

2) преобразование в электричество с использованием топливного элемента;

3) ядерный синтез.

Основной принцип работы водородного двигателя внутреннего сгорания такой же, как у бензинового или дизельного двигателя внутреннего сгорания. Водородный двигатель внутреннего сгорания представляет собой слегка модифицированную версию традиционного бензинового двигателя внутреннего сгорания. Внутреннее сгорание водорода сжигает водород напрямую, без использования других видов топлива или образования выхлопных водяных паров.

Водородные двигатели внутреннего сгорания не требуют каких-либо дорогостоящих специальных условий или катализаторов для полноценного выполнения своей работы — следовательно, нет проблем с чрезмерными затратами.Многие успешно разработанные водородные двигатели внутреннего сгорания являются гибридными, что означает, что они могут использовать жидкий водород или бензин в качестве топлива.

Таким образом, водородный двигатель внутреннего сгорания становится хорошим переходным продуктом. Например, если вы не можете добраться до места назначения после заправки, но нашли водородную заправочную станцию, вы можете использовать водород в качестве топлива. Или вы можете использовать сначала жидкий водород, а затем обычную заправку. Поэтому люди не будут бояться использовать водородные автомобили, когда водородные заправки еще не получили широкого распространения.

Водородный двигатель внутреннего сгорания имеет небольшую энергию зажигания; его легко добиться сгорания — следовательно, лучшая экономия топлива может быть достигнута при более широких рабочих условиях.

Использование водородной энергии в основном достигается за счет топливных элементов. Самый безопасный и эффективный способ его использования — преобразовывать водородную энергию в электричество через такие элементы.

Основным принципом выработки энергии на водородных топливных элементах является обратная реакция электролиза воды, водорода и кислорода, подаваемых на катод и анод, соответственно.Распространение водорода — после реакции электролита — заставляет испускаемые электроны достигать анода через катод с помощью внешней нагрузки.

Основное различие между водородным топливным элементом и обычным аккумулятором состоит в том, что последний представляет собой устройство накопления энергии, которое накапливает электрическую энергию и высвобождает ее при необходимости, в то время как водородный топливный элемент является строго устройством для выработки энергии, например, электростанцией.

То же, что и электрохимическое устройство для выработки энергии, которое напрямую преобразует химическую энергию в электрическую.Использование водородного топливного элемента для выработки электроэнергии напрямую преобразует химическую энергию сгорания в электрическую энергию без сгорания.

Коэффициент преобразования энергии может достигать от 60% до 80% и имеет низкий уровень загрязнения. Устройство может быть большим или маленьким, и оно очень гибкое. По сути, водородные батареи сгорания работают иначе, чем двигатели внутреннего сгорания: водородные батареи сгорания вырабатывают электричество посредством химических реакций, приводящих в движение автомобили, в то время как двигатели внутреннего сгорания используют тепло для движения автомобилей.

Поскольку транспортное средство на топливных элементах не вызывает возгорания в процессе, отсутствуют механические потери или коррозия. Электроэнергия, вырабатываемая водородной батареей, может использоваться непосредственно для приведения в движение четырех колес транспортного средства, исключая, таким образом, механическое передаточное устройство.

Страны, проводящие исследования, знают, что водородная батарея для двигателей внутреннего сгорания положит конец загрязнению окружающей среды. Технологические исследования и разработки уже привели к успешному производству автомобилей с водородными элементами: передовые автомобильные отрасли включают GM, Ford, Toyota, Mercedes-Benz, BMW и другие крупные международные компании.

В случае ядерного синтеза соединение ядер водорода (дейтерия и трития) в более тяжелые ядра (гелий) высвобождает огромное количество энергии.

Термоядерные реакции, или радикальные изменения в атомных ядрах, в настоящее время являются очень многообещающими новыми источниками энергии. Ядра водорода, участвующие в ядерной реакции, такие как водород, дейтерий, фтор, литий, иридий (полученные, в частности, из метеоритов, упавших на нашу планету) и т. Д., Получают необходимую кинетическую энергию от теплового движения и вызывают реакцию синтеза.

Сама термоядерная реакция, вызванная взрывом водородной бомбы, которая может выделять большое количество тепла за мгновение, пока не может быть использована в мирных целях. Однако при определенных условиях термоядерная реакция может привести к контролируемой термоядерной реакции. Это важный аспект экспериментального исследования. Управляемая термоядерная реакция основана на термоядерном реакторе. Как только термоядерный реактор окажется успешным, он сможет предоставить человечеству самый чистый и неисчерпаемый источник энергии.

Возможность создания более крупного управляемого термоядерного реактора — , токамак . Токамак представляет собой устройство тороидальной формы, в котором для удержания плазмы используется мощное магнитное поле. Токамак — это один из нескольких типов устройств магнитного удержания, разработанных для получения контролируемой энергии термоядерного синтеза. По состоянию на 2021 год это ведущий кандидат на создание термоядерного реактора.

Название токамак происходит от русского ( тороидальная камера с магнитными катушками : тороидальная камера с магнитными катушками).Его магнитная конфигурация является результатом исследований, проведенных в 1950 году советскими учеными Андреем Дмитриевичем Сахаровым (1921-1989) и Игорем Евгеньевичем Таммом (1895-1971), хотя более точно название восходит к 1957 году.

В центре токамака расположена кольцевая вакуумная камера с намотанными наружу катушками. При подаче энергии внутри токамака создается огромное спиральное магнитное поле, которое нагревает плазму внутри до очень высокой температуры, что позволяет достичь цели ядерного синтеза.

Энергия, ресурсы и экологические проблемы срочно нуждаются в водородной энергии для решения экологического кризиса, но получение водородной энергии еще не созрело, и большая часть исследований материалов для хранения водорода все еще находится на стадии исследовательских лабораторий. Производство водородной энергии также должно быть сосредоточено на «биологическом» производстве водорода.

Другие методы производства водорода неустойчивы и не отвечают требованиям научных разработок. В рамках биологического производства микробиологическое производство требует органического сочетания генной инженерии и химической инженерии, чтобы можно было в полной мере использовать существующие технологии для создания организмов, продуцирующих водород, которые удовлетворяют требованиям как можно скорее.Производство водорода из биомассы требует постоянного совершенствования и активного продвижения технологий. Это сложный процесс.

Хранение водорода, направленное на открытие новых аспектов материалов или их получение, еще не является крупномасштабным промышленным уровнем. Рассмотрение различных механизмов хранения водорода и материала, который будет использоваться, также требует дальнейшего изучения.

Кроме того, каждый материал для хранения водорода имеет свои преимущества и недостатки, и большинство свойств материала для хранения водорода имеют характеристики, которые относятся к аддитивности и свойствам одного, более широко известного материала.

Поэтому считается, что усилия должны быть сосредоточены на разработке композитного материала для хранения водорода, который объединяет преимущества хранения нескольких отдельных материалов, в соответствии с направлениями более значительных будущих усилий.

Профессор Валори является президентом Международной всемирной группы

# TheFutureOfMotoring Часть 2: Водородные автомобили

Toyota Mirai, автомобиль на водородных топливных элементах.

Во второй части этой серии, посвященной альтернативным видам топлива, мы рассмотрим водородные автомобили. Я расскажу об их плюсах и минусах по сравнению с электрическими и бензиновыми автомобилями и, надеюсь, представлю их сбалансированно.

Если вы не читали первый пост об электромобилях, я настоятельно рекомендую вам сделать это, прежде чем читать этот.

Принцип работы

Химическая реакция, протекающая в водородном топливном элементе.

Транспортные средства на водородных топливных элементах объединяют водород с кислородом воздуха для образования водяного пара и выделения энергии.Эта энергия обычно идет на электродвигатели, иногда с батареей между ними. Также можно построить двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, который работает аналогично бензиновому двигателю.

Преимущества

Как и электромобили, автомобили на водородных топливных элементах не выделяют углекислый газ, поэтому они не способствуют глобальному потеплению или загрязнению воздуха. Современные водородные автомобили также почти бесшумны, поскольку автомобилей с водородным двигателем внутреннего сгорания пока нет.

Поскольку автомобили на водородных топливных элементах используют электродвигатели, они также получают выгоду от мгновенного крутящего момента при 0 об / мин. Конечно, водородные автомобили внутреннего сгорания действуют аналогично обычным бензиновым автомобилям. Топливные элементы также можно разместить под полом автомобиля, как батареи в электромобилях.

Водородные автомобили обеих разновидностей могут иметь больший запас хода, чем электромобили. Один грамм водорода выделяет в три раза больше энергии, чем грамм бензина. Заправлять водородный автомобиль намного быстрее, чем заряжать электромобиль, поэтому водородный автомобиль больше подходит для длительных поездок.

Недостатки

Главный недостаток водородных автомобилей состоит в том, что водород крайне трудно хранить. Чтобы получить достаточное количество водорода в бак, его нужно сжать примерно до 700 бар (слишком много даже для 2JZ). Сжатие водорода требует энергии и тяжелого усиленного резервуара, чтобы водород оставался безопасным. Меньше всего вам нужно, чтобы бак протекал и выделял десятки тысяч литров газообразного легковоспламеняющегося водорода или, что еще хуже, взрывался!

Когда водород выходит из строя

С точки зрения производительности водородным автомобилям для сжигания топлива требуется гораздо больше воздуха, чем бензиновым двигателям.В то время как стехиометрическое (химически идеальное) соотношение воздух: топливо для бензина составляет около 14,3: 1, оно близко к 38: 1 для водородного двигателя. Однако при таком соотношении водородные двигатели внутреннего сгорания сгорают при очень высокой температуре, которая разрывает тройные связи азота в воздухе и образует оксиды азота (да, именно тот материал, который был ответственен за падение Дизельгейта и поддона Брайана). которые являются вредным загрязнителем. Чтобы снизить такие выбросы почти до нуля, соотношение должно быть увеличено вдвое до почти 80: 1, что вдвое снижает выходную мощность по сравнению с бензиновым двигателем (помните, что водород является более энергоемким топливом, чем бензин).

Один из способов обойти это — использовать топливный элемент на максимальной мощности большую часть времени и использовать электродвигатели, чтобы справиться с ситуациями, когда требуется высокая мощность. С аккумулятором между ними это означает, что электродвигателям нужно всего

Другая проблема заключается в том, что, хотя водород чрезвычайно энергоемок на грамм, он содержит только около 30% энергии на литр бензина. Это означает, что дальность полета не так хороша, как у бензиновых автомобилей, если только вы не используете огромный бак.

Транспортные средства, работающие на водороде (автомобили как с двигателем внутреннего сгорания, так и на топливных элементах), не так эффективны, как электрические, с КПД в районе 30-50%. Это вдвое меньше эффективности электромобиля и примерно соответствует эффективности транспортных средств, работающих на ископаемом топливе. Это означает, что большая часть энергии тратится в виде тепла выхлопных газов, как и в обычных автомобилях с бензиновым двигателем. Кроме того, водородные топливные элементы не очень хорошо работают на морозе.

Откуда берется водород?

Есть два основных способа производства водорода.Первый включает в себя реакцию пара с метаном (природным газом) с образованием водорода и диоксида углерода в двухэтапном процессе:

Производство водорода из природного газа

У этого есть две проблемы. Во-первых, он выделяет углекислый газ, который является парниковым газом. А во-вторых, метан — ископаемое топливо и, следовательно, не возобновляемый.Мы не сможем рационально использовать этот метод, потому что на Земле очень много природного газа.

Второй метод включает расщепление воды электролизом. Это высвобождает водород и кислород, которые являются двумя реагентами, необходимыми водородному автомобилю! К сожалению, при этом используется много электроэнергии, и до тех пор, пока она не будет производиться на 100% из возобновляемых источников, будут наблюдаться некоторые косвенные выбросы углекислого газа. Кроме того, поскольку, как я упоминал ранее, водородные автомобили довольно неэффективны, большое количество электроэнергии тратится впустую на преобразование в водород и обратно.

По сути, водород — это просто еще один способ хранения энергии, который удобнее пополнять, чем аккумулятор, но при этом он теряет много энергии. Представьте, что вы зарядили свой телефон только на 40%, потому что остальное было потрачено на нагревание воздуха!

Существующие водородные автомобили

Прямо сейчас единственный автомобиль на водородных топливных элементах, который вы можете купить , — это Toyota Mirai, показанная на обложке. Он доступен в Калифорнии, Японии, некоторых странах Европы и ОАЭ.Было продано около 3000. К сожалению, это невысокая цена, она стоит почти 60 000 долларов США или 60 000 евро, что много для седана среднего размера с довольно стандартными 152 лошадиными силами. Официальный запас хода составляет 312 миль, что позволяет конкурировать с Tesla без чрезмерного веса аккумулятора. Мы все равно поменяем его на W20, потому что с W20 все будет лучше.

Также доступны Honda Clarity и Hyundai Tucson FCEV, хотя они предназначены только для лизинга и, опять же, только в нескольких местах.В некоторых общественных автобусах успешно используются водородные топливные элементы.

Что касается внутреннего сгорания, существует несколько прототипов. BMW Hydrogen 7 представлял собой модифицированный E65 760Li, способный развивать скорость более 180 миль в час на своем 6-литровом двигателе V12. Тем не менее, он получил 5 миль на галлон (если учесть разницу в плотности, это сравнимо с 15 миль на галлон в бензиновом автомобиле), и поскольку водород в гигантском 170-литровом баке нагревался и закипал, ему пришлось безопасно сбросить давление, дающий побочный эффект в виде самопроизвольного опорожнения бака в течение 2 недель, даже если машина не управлялась.

BMW Hydrogen 7

Mazda разработала роторные двигатели Ванкеля, сжигающие водород, как показано в прототипе RX-8 Hydrogen RE. Он может работать как на водороде, так и на бензине, хотя при работе на зеленом топливе мощность снижается до довольно жалких 109 л.с. Это уличный автомобиль, который был сдан в аренду другим компаниям, но на самом деле это не серийный автомобиль.

Aston Martin также вошел в игру с двухтопливным гоночным автомобилем Rapide S. Автомобиль мог использовать топливо по отдельности или использовать водород и бензин одновременно. Он стал первым водородным автомобилем, финишировавшим в Нюрбургринге «24 часа

». Двухтопливный водородный Rapide (спереди)

Заключение

Итак, главный вопрос заключается в следующем: являются ли водородные автомобили жизнеспособным методом на будущее? К сожалению, лично я в этом сомневаюсь.Они далеко не достаточно эффективны, и инфраструктуры нет. Было бы гораздо эффективнее использовать электричество напрямую, а не превращать его в водород и обратно. Тем не менее, они могут стать интересными гоночными автомобилями, поскольку их можно быстро заправить (в отличие от Формулы E, которая требует замены машины в середине гонки).

И финальный стол:

Надеюсь, вам понравилось читать это и узнать о потенциальном топливе будущего.В следующей части 3 я рассмотрю двигатели, работающие на биотопливе, как они могут повысить производительность и являются ли они такими экологичными, как кажутся. Пока, спокойной ночи: D.

.