Автомобильный двигатель на водороде: «Жигули» на водороде: как российский автопром может завоевать мир

Когда в России появятся водородные автомобили — Российская газета

На стыке 2020-2021 годов в мире начался водородный бум. Сейчас чуть ли не дурным тоном считаются возражения прогнозам, что через десяток-другой лет элемент N 1 заменит все виды углеводородного топлива в энергетике и на транспорте.

Наша страна не остается в стороне от водородного тренда. В ноябре прошлого года премьер Михаил Мишустин утвердил программу развития водородной энергетики в России до 2024 года. Далее последовали высказывания высшего истеблишмента о потенциале развития водородной энергетики в стране. Подытожил ряд программных выступлений Владимир Путин, поставив правительству задачу разработать к 2023 году автобус на водороде, а позже и локомотив. Так что повернуть назад не получится.

«Японская Toyota запустила массовые продажи своего водородного автомобиля Toyota Mirai еще в 2015 году. В Германии на регулярной основе курсирует пригородный поезд на водороде производства Alstom, ожидаются поставки еще 27 подвижных составов. В мире существует множество подобных проектов, — рассказал «РГ» гендиректор компании Drive Electro, доктор технических наук, профессор Института механики и энергетики имени В.П. Горячкина Сергей Иванов, — в то же время водородный транспорт пока не вышел на массовое производство. Даже в Японии, стране, где «дорожную карту» по переходу на водородную энергетику подписали еще в 2014 году, на всю страну всего 2,5 тысячи таких машин».

Почему же не происходит скачка в развитии водородного транспорта и когда стоит ждать массового использования водородных автомобилей в России? Разбираемся в этом вместе с экспертом.

Водородный транспорт — это тоже электромобиль, только более продвинутый, объясняет Сергей Иванов. Вместо аккумуляторных батарей электродвигатель питают топливные элементы. Такая техника надежна, неприхотлива, бесшумна, работает без вредных выбросов. Использование водорода особенно актуально для ТС, которые передвигаются на большие расстояния. Без дополнительной заправки можно проехать от 500 до 1000 километров. Плюсы использования водородного двигателя очевидны и в целом общеизвестны — его КПД намного выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, а благодаря использованию электрической трансмиссии таком транспорту присуще накопление энергии при торможении.

2 миллиона тонн может составить экспорт водорода из России к 2035 году

Тем не менее причины, по которым правительство России задумалось о возможном переходе на водородный транспорт и водородную энергетику, лежат за пределами чисто технологических вопросов, уверен Сергей Иванов. В июле 2020 года была опубликована водородная стратегия ЕС, согласно которой страны-участники планируют полностью отказаться от автомобилей на ДВС к 2040 году. Помимо этого ЕС планирует значительно снизить долю использования традиционных энергоносителей. «А Россия очень зависима от цен на энергоносители ввиду специфики структуры своей экономики, — подчеркивает профессор. — Более того, углеводороды — наш главный экспортный продукт, а Европа — основной торговый партнер и потребитель энергоресурсов. Чтобы сохранить за собой статус экспортера и избежать трансграничных налогов при поставках продукции в Евросоюз, нашей стране придется следовать стандарту чистого производства».

Однако, несмотря на радужные перспективы новых технологий, здесь есть ряд серьезных проблем. Традиционные способы получения водорода из метанола энергозатратны и связаны с выбросами углекислого газа. Производство же «зеленого» водорода путем электролиза резко увеличивает его стоимость. Ограничением массового использования водорода являются также вопросы его хранения и транспортировки. И решение этих вопросов требует огромных финансовых и временных ресурсов.

Тем не менее экономические стимулы к переходу на водород есть уже сейчас и будут расти стремительно по мере дальнейшего развития технологий. «Водород нужен не только как моторное топливо и для генерации энергии, — рассказывает Сергей Иванов. — сейчас на 95 процентов он используется в нефтехиме. При этом Россия уже занимает хорошие позиции на рынке. Согласно Энергетической стратегии России до 2035 года экспорт водорода из нашей страны должен достигнуть 2 миллионов тонн. По прогнозу минэнерго, за 30 лет рынок водорода вырастет с сегодняшних 110 до 150-160 миллионов тонн. По разным прогнозам, объем рынка водорода в денежном эквиваленте может достигнуть 200 миллиардов долларов уже к 2023 году».

Все предпосылки для развития водородной энергетики в России есть. Это отдельно отметил зампред правительства Александр Новак: «В России есть развитые газовый и атомно-энергетический комплексы, которые могут помочь в производстве водорода. Например, водород можно производить методом электролиза или путем переработки газа (запасы которого в стране огромны). Поэтому Россия обладает серьезным потенциалом не только для развития, но даже мирового лидерства в водородной энергетике».

Растет и рынок электрического транспорта. По прогнозам Bloomberg New Energy Finance, к 2040 году ежегодные продажи электрокаров, в том числе тех, что используют водород, достигнут 35 процентов от общего числа продаваемых машин. А Россия имеет примеры эффективного запуска транспорта на электротяге. «Уже сейчас Москва является лидером по количеству электробусов в Европе. Технологии производства водородного транспорта в целом схожи. Следовательно, внедрить водородный транспорт и наладить его массовый выпуск будет возможно. Все это будет способствовать снижению стоимости самого водорода и одновременно повысит скорость окупаемости связанных с его производством и дистрибуцией инфраструктурных проектов. Именно поэтому кажущиеся малоэффективными с точки зрения экономической целесообразности решения имеют для России огромные перспективы», — резюмирует Сергей Иванов.

Так что похоже, что скачок развития водородного транспорта происходит прямо сейчас. К нему готовы как технологии, так и правительство. А это значит, что ждать водородный транспорт в России осталось недолго. К 2023 году первые автобусы на водородном топливе уже поедут по дорогам городов. Радует и то, что, по прогнозам Bloomberg New Energy Finance, уже к 2025 году стоимость автомобилей на водороде сравняется со средней ценой обычных автомобилей.

Toyota построила водородный ДВС для гонок — ДРАЙВ

Первые боевые испытания нового мотора пройдут в рамках серии Super Taikyu 2021, а именно на 24-часовой гонке NAPAC Fuji Super TEC, которая состоится 21–23 мая.

Компания Toyota создала водородный ДВС для автогонок. Шаг необычный, учитывая, что конёк фирмы в этой области — машины на топливных элементах (Mirai). К тому же регулярно рождаются проекты применения электрохимических генераторов в гонках (последнияя затея такого плана — Forze IX). Но в данном случае японцы решили детальнее изучить потенциал ДВС на водороде. Они не первые, заметим. Но это возврат к данному направлению после паузы.

Toyota полагает, что такое расширение водородной тематики способствует дальнейшему становлению «водородного общества». Заправлять гоночный автомобиль Toyota будет водородом, добытом на станции Fukushima Hydrogen Energy Research Field в городе Намиэ, префектура Фукусима (там этот газ получают электролизом за счёт энергии от крупных полей солнечных батарей).

Мотор получился трёхцилиндровым, с рабочим объёмом 1618 см³, турбонаддувом и интеркулером. Отдача не раскрыта. Выбросы углекислого газа — почти нулевые. Почти, потому что во время работы в цилиндры может попадать (и сгорать) небольшое количество моторного масла.

Новый двигатель получил в виде опыта адаптированный под гонки хэтч Corolla Sport. Интересно, что он использует баллон со сжатым водородом, подобно системе питания в современных машинах на ТЭ. Это отличается от подхода, скажем, фирмы BMW, которая экспериментировала с ДВС на водороде семнадцать лет назад. Гоночный концепт h3R, а затем мелкосерийный седан Hydrogen 7 оснащались шестилитровым агрегатом V12, а в качестве источника топлива там стоял бак с жидким водородом. Но позже немцы оставили тему ДВС на водороде и обратились к топливным элементам.

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.

Автомобиль на водороде – машина будущего?

Двигатели на водородном топливе могу изменить рынок автомобильных перевозок. Автомобиль с таким двигателем получается почти бесшумным, отличается плавным ходом и не загрязняет окружающую среду; всякая вибрация отсутствует. Кроме того, практически отпадает необходимость проводить техническое обслуживание и серьезные механические ремонты.

Сейчас уже есть проекты грузовых автомобилей на водородном топливе, которые находятся в стадии испытаний.

Грузовик Toyota Project Portal уже доставляет грузы между портами Лос-Анджелеса и Лонг-Бич на Западном побережье США (Фото: Toyota)

В конце 2017 года Toyota показал прототип такого грузовика, разработанного в рамках проекта Project Portal. Этот автомобиль уже доставляет грузы в тестовом режиме между портами Лос-Анджелеса и Лонг-Бич на Западном побережье США. В качестве силовой установки грузовик использует два электрических топливных элемента от легкого седана Toyota Mirai.

В начале мая американская компания Nikola Motor Company получила первый заказ на свой грузовик на водородно-электрических элементах. Пивоваренная компания Anheuser-Busch купила 800 грузовиков Nikola. Поставки должны начаться в 2020 году.

В настоящее время есть только один тормозящий фактор — стоимость. Nikola Motor Company предлагает свои грузовики по 400 тыс. долл. Серийные модели легковых автомобилей на водороде тоже стоят дороже традиционных: 79 тыс. евро для модели Mirai Toyota, 60 000 евро для Hyundai.

По данным бельгийского телеканала RTBF, сегодня в этой стране только один человек ежедневно использует такую автомашину. Всего в Бельгии насчитывается 15 подобных автомобилей, но проблема в том, что в стране есть лишь одна АЗС по заправке водородом, в городе Завентем.

Топливный элемент

Заправка таких автомобилей водородом длится менее пяти минут. Стоимость 1 кг водорода составляет 9,99 евро; с этим количеством топлива машина сможет проехать 100 км. Полная заправка рассчитана на 500 км пробега.

Водород из топливного бака поступает в центральный топливный элемент (батарею), где смешивается с кислородом, забираемым из воздуха. В результате реакции производится электроэнергия, которая заставляет работать двигатель. В окружающую среду выбрасывается только вода.

Поставки грузовиков Nikola One должны начаться в 2020 году (Фото: Nikola Motor Company)

Такси на водородном топливе

Пока у новой технологии больше перспектив в легковом транспорте. В Париже уже есть компания Hype, 75 автомобилей-такси которой работают на водороде. Один из водителей этой компании гордо заявляет, что, работая на такой машине, он «спасает планету от загрязнения. Да и клиенты такси едут с чистой совестью и по такому же тарифу, что у таксомоторов с вредными выбросами».

Hype в этом году намерена развернуть свою деятельность и в Брюсселе. Как заявляет владелец компании, это вызвано острой необходимостью сохранения здоровья населения, т. к. автомашины с двигателем внутреннего сгорания загрязняют воздух. Поэтому надо как можно быстрее найти решение по использованию в черте города безвредных автомобилей.

Топливный бак с водородом на борту автомобиля — это уже сегодняшняя реальность. Хотя до широкого общественного использования подобных автомобилей придется подождать до 2030 или даже до 2035 года.

Как работает водородный двигатель в автомобиле?

Традиционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет ряд существенных недостатков, что заставляет ученных искать ему достойную замену. Самым популярным вариантом подобной альтернативы является электродвигатель, однако он не единственный, кто может составить конкуренцию ДВС. В данной статье речь пойдет о водородном моторе, который по праву считается будущим автомобилестроения и может решить проблему с вредными выбросами и дороговизной топлива.

Краткая история

Несмотря на то, что сохранность окружающей среды только сейчас стала массовой проблемой, об изменении стандартного двигателя внутреннего сгорания ученые задумывались и раньше. Так, мотор, работающий на водороде, «увидел мир» еще в 1806 году, чему поспособствовал французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (он производил водород при помощи электролиза воды).

Прошло несколько десятков лет, и в Англии выдали первый патент на водородный двигатель (1841 год), а в 1852 году немецкие ученые сконструировали ДВС, который мог работать на воздушно-водородной смеси.

Чуть позже, во времена блокады Ленинграда, когда бензин был дефицитным продуктом, а водород имелся в достаточно большом количестве, техник Борис Шелищ предложил использовать для работы заградительных аэростатов воздушно-водородную смесь. После этого на водородное питание перевели все ДВС лебедок аэростатов, а общее число работающих на водороде машин достигало 600 единиц.

В первой половине ХХ века интерес общественности к водородным двигателям был невелик, но с приходом топливно-энергетического кризиса 70-х годов ситуация резко изменилась. В частности, в 1879 году компания BMW выпустила первый автомобиль, который вполне успешно ездил на водороде (без взрывов и водяного пара, вырывающегося из выхлопной трубы).

Следом за BMW, в этом направлении начали работать другие крупные автопроизводители, и к концу прошлого столетия практически каждая уважающая себя автокомпания уже имела концепцию разработки машины на водородном топливе. Тем не менее, с окончанием нефтяного кризиса исчез и интерес общественности к альтернативным источникам топлива, хотя в наше время он снова начинает пробуждаться, подогреваемый защитниками экологии, борющимися за снижение токсичности выхлопных газов автомобилей.

Более того, цены на энергоносители и желание обрести топливную независимость только способствуют проведению теоретических и практических исследований ученными многих стран мира. Самыми активными являются компании BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Интересный факт! Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, но найти его в чистом виде на нашей планете будет очень непросто.

Принцип работы и типы водородного двигателя

Основным отличием водородной установки от традиционных двигателей является способ подачи топливной жидкости и последующее воспламенением рабочей смеси. При этом принцип трансформации возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в полезную работу остается неизменным. Учитывая, что горение нефтяного топлива происходит достаточно медленно, топливно-воздушная смесь наполняет камеру сгорания раньше, чем поршень займет свое крайнее верхнее положение (так называемую верхнюю мертвую точку).

Стремительная реакция водорода дает возможность сдвинуть время впрыска ближе к тому моменту, когда поршень начинает возвращаться к нижней мертвой точке. Нужно отметить, что давление в топливной системе не обязательно будет высоким.

Если водородному двигателю создать идеальные рабочие условия, то он может иметь топливную систему питания закрытого типа, когда процесс смесеобразования будет проходить без участия атмосферных воздушных потоков. В таком случае после такта сжатия в камере сгорания остается водяной пар, который, проходя через радиатор, конденсируется и снова превращается в обычную воду.

Однако применение такого вида устройства возможно только тогда, когда на транспортном средстве имеется электролизер, отделяющий водород от воды для его повторной реакции с кислородом. На данный момент добиться таких результатов крайне сложно. Для стабильной работы двигателей применяется моторное масло, а его испарения являются частью выхлопных газов.

Поэтому беспроблемный запуск силовой установки и ее устойчивая работа на гремучем газе без использования атмосферного воздуха – пока что неосуществимая задача. Различают два варианта автомобильных водородных установок: агрегаты, функционирующие на основе водородных топливных элементов, и водородные двигатели внутреннего сгорания.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

В основе принципа работы топливных элементов лежат физико-химические реакции. По сути, это те же свинцовые аккумуляторные батареи, вот только коэффициент полезного действия топливного элемента несколько выше, чем АКБ, и составляет около 45% (иногда больше).

В корпус водородно-кислородного топливного элемента помещена мембрана (проводит только протоны), разделяющая камеру с анодом и камеру с катодом. В камеру с анодом поступает водород, а в камеру катода – кислород. Каждый электрод заранее покрывают слоем катализатора, в роли которого нередко выступает платина. При его воздействии молекулярный водород начинает терять электроны.

В это же время протоны проходят через мембрану к катоду и под влиянием того же катализатора соединяются с электронами, поступающими снаружи. В результате реакции образуется вода, а электроны из камеры анода перемещаются в электроцепь, подсоединенную к мотору. Проще говоря, мы получаем электрический ток, который и питает двигатель.

Водородные двигатели на основе топливных элементов сегодня используются на автомобилях «Нива», оснащенных энергоустановкой «Антэл-1», и машинах «Лада 111» с агрегатом «Антел-2», которые были разработаны уральскими инженерами. В первом случае одного заряда хватает на 200 км, а во втором – на 350 км.

Следует отметить, что из-за дороговизны металлов (палладия и платины), входящих в конструкцию таких водородных двигателей, подобные установки имеют очень большую стоимость, что существенно увеличивает и цену транспортного средства, на котором они установлены.

А знаете ли вы? Специалисты компании Toyota начали работать с технологией топливных элементов еще 20 лет назад. Примерно тогда стартовал и проект гибридного автомобиля Prius.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Данный тип силовых установок очень похож на распространенные сегодня моторы на пропане, поэтому, чтобы перейти с пропана на водородное топливо, достаточно просто перенастроить двигатель. Уже существует немало примеров подобного перехода, но нужно сказать, что в этом случае КПД будет несколько ниже, чем при использовании топливных элементов. В то же время, для получения 1 кВт энергии водорода потребуется меньше, что вполне компенсирует данный недостаток.

Использование этого вещества в обычном моторе внутреннего сгорания вызовет целый ряд проблем. Во-первых, высокая температура сжатия «заставит» водород вступить в реакцию с металлическими элементами двигателя или даже моторным маслом. Во-вторых, даже небольшая утечка при контакте с раскаленным выпускным коллектором точно приведет к возгоранию.

По этой причине для создания водородных конструкций используются только силовые агрегаты роторного типа, так как их конструкция позволяет уменьшить риск возгорания за счет расстояния между впускным и выпускным коллектором. В любом случае, все проблемы пока удается обходить, что позволяет считать водород достаточно перспективным топливом.

Хорошим примером транспортного средства с водородной установкой может послужить экспериментальный седан BMW 750hL, концепт которого был представлен еще в начале 2000-х годов. Автомобиль оснащен двенадцатицилиндровым мотором, работающим на основе ракетного топлива и позволяющим разогнать машину до 140 км/час. Водород в жидкой форме хранится в специальном баке, и одного его запаса хватает на 300 километров пробега. Если же он полностью расходуется, система автоматически переключается на бензиновое питание.

Водородный двигатель на современном рынке

Последние исследования ученых в области эксплуатации водородных двигателей показали, что они не только очень экологичны (как электродвигатели), но могут быть очень эффективными в плане производительности. Более того, по техническим показателям водородные силовые установки обходят своих электрических собратьев, что уже было доказано (к примеру, Honda Clarity).

Также следует отметить, что, в отличие от систем Tesla Powerwall, водородные аналоги имеют один существенный недостаток: зарядить аккумулятор при помощи солнечной энергии уже не получится, а вместо этого придется искать специальную заправочную станцию, которых на сегодняшний день даже в мировом масштабе насчитывается не так уж и много.

Сейчас Honda Clarity выпущен достаточно ограниченной партией, и приобрести автомобиль можно только в Стране восходящего солнца, так как в Европе и Америке транспортное средство появится только в конце 2016 года.

Интересно знать! Генератор Power Exporter 9000 (может входить в комплектацию Honda Clarity) способен питать всю домашнюю технику почти целую неделю.

Также в наше время выпускаются и другие транспортные средства, использующие водородное топливо. К ним относятся Mazda RX-8 hydrogen и BMW Hydrogen 7 (гибриды, работающие на жидком водороде и бензине), а также автобусы Ford E-450 и MAN Lion City Bus.

Среди легковых автомобилей самыми заметными представителями водородных транспортных средств на сегодня являются автомобили Mercedes-Benz GLC F-Cell (есть возможность подзарядки от обычной бытовой сети, а суммарный запас хода составляет около 500 км), Toyota Mirai (работает только на водороде, и одной заправки должно хватать на 650 км пути) и Honda FCX Clarity (заявленный запас хода достигает 700 км). Но и это еще не все, ведь автотранспорт на водородном топливе выпускается и другими компаниями, например, Hyundai (Tucson FCEV).

Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

При всех своих преимуществах, нельзя сказать, что водородный транспорт лишен определенных недостатков. В частности, необходимо понимать, что горючая форма водорода при комнатной температуре и нормальном давлении представлена в виде газа, что вызывает определенные трудности в хранении и транспортировке такого топлива. То есть существует серьезная проблема конструирования безопасных резервуаров для водорода, применяющегося в качестве топлива для автомобилей.

Кроме того, баллоны с этим веществом требуют периодической проверки и сертификации, которые могут выполняться только квалифицированными специалистами, имеющими соответствующую лицензию. Также к этим проблемам стоит добавить и дороговизну обслуживания водородного мотора, не говоря уже об очень ограниченном количестве заправочных станций (по крайней мере, в нашей стране).

Не стоит забывать и о том, что водородная установка увеличивает вес автомобиля, из-за чего он может оказаться не столь маневренным, как вам бы того хотелось. Поэтому, учитывая все вышесказанное, хорошенько подумайте: стоит ли приобретать водородное транспортное средство, или пока с этим лучше повременить.

Однако нужно сказать, что и преимуществ в подобном решении немало. Во-первых, ваш автомобиль не будет загрязнять окружающую среду токсичными выхлопными газами, во-вторых, массовое производство водорода может помочь решить проблему резко меняющихся цен на топливо и перебоев в поставках обычных видов топливных жидкостей.

К тому же, во многих странах уже построены сети трубопроводов для метана, и их несложно адаптировать для прокачки водорода с последующей доставкой к заправкам. Производить водород можно как в малых масштабах, то есть на местном уровне, так и массово – на крупных, централизованных предприятиях. Рост производства водорода послужит дополнительным стимулом для роста поставок этого вещества в бытовых целях (например, для отопления домов и офисов).

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

краткий гид по видам автомобильного топлива — Mafin Media

Ко всем статьям 28 июля 2021

Не заправишь — не поедешь. Большинство водителей используют бензин (АИ-92/95 и пр.) и дизель (ДТ). Но ведь помимо традиционных типов топлива существуют газ, водород и азот. О видах автомобильных «рационов» и их особенностях — в разборе Mafin Media.

Классический поршневой двигатель внутреннего сгорания работает за счет возгорания сжатой топливовоздушной смеси. Иными словами, для того чтобы ехать, нужно постоянно сжигать топливо, заставляя внутренние части двигателя вращаться. Так устроены наиболее популярные автомобильные (и не только) моторы. Но что именно сгорает внутри цилиндров? Начнем с самого популярного.

Бензин

Латинское слово benzoe — производное от арабского lubán-ǰâvî, что означает «благовоние с острова Ява». Вероятнее всего, название связано с ароматным бензойным маслом, которое добывают из растений. Современные же бензины изготавливаются из нефти: так называемым домашним (устаревшим) способом прямой перегонки и современными методами, которые могут сочетать как термическую, так и химическую обработку «черного золота».

Для конечного покупателя все сводится к тому, чтобы купить бензин, который подходит двигателю по октановому числу. Проще говоря, чем выше октановое число, тем лучше бензин сгорает и тем реже он «детонирует», то есть взрывается. Подобные взрывы в двигателе не опасны для здоровья окружающих, но могут навредить банковскому счету владельца авто: напоенный неподходящим горючим двигатель (особенно современный) быстро придет в негодность.

В России пальму первенства удерживают 95-й и 92-й бензины, хотя существуют также АИ-98 и АИ-100, предназначенные для высокофорсированных двигателей. Какой из них заливать именно в ваш автомобиль — всегда можно узнать в руководстве по эксплуатации авто или прочитать на внутренней стороне лючка бензобака.

Дизельное топливо

Дизтопливо, или, по старинке, «солярка»: название происходит от немецкого solaröl — «солнечное масло», желтоватая жидкость, получившаяся еще в XIX веке при перегонке нефти. При этом солярка как таковая в автомобилях не используется. А вот автомобильное дизельное топливо предназначено для моторов, отличных от бензиновых способом воспламенения.

Если в бензиновом моторе поджигание смеси происходит за счет электрических искр, то в дизельном — за счет сжатия. Важнейший показатель здесь — цетановое число, определяющее скорость воспламенения горючего. В среднем цетановые числа колеблются от 45 до 55 единиц в зависимости от типа и качества топлива. По типу солярка делится на летнюю, зимнюю и арктическую. Они отличаются температурой загустения. Самые «суровые» зимние топлива могут сгорать даже при температуре минус 50 °C!

Пропан и бутан

Пропан и бутан — самые известные альтернативные виды топлива. Обычно они смешиваются и для краткости именуются просто пропаном. При помощи относительно недорогих переделок обычный атмосферный бензиновый мотор можно «научить» им питаться.

Пропан имеет меньшую по сравнению с бензином плотность, поэтому расход будет выше — но и стоит газ обычно раза в два дешевле. Следует учесть, что внесение таких изменений в конструкцию автомобиля почти со стопроцентной вероятностью приведет к потере гарантии, поэтому перед газификацией нового авто стоит просчитать риски: при небольших пробегах экономия, скорее всего, будет незаметной.

Метан и водород

Помимо пропан-бутана в качестве топлива используется природный газ — метан, который добывается напрямую из месторождений. Оба этих вида топлива более экологичны, чем уже упомянутые бензин и ДТ, но инфраструктура АГЗС (автогазозаправочных станций), по крайней мере в России, развита хуже. Не стоит забывать, что баллоны, предназначенные для хранения газа, обычно занимают место в багажнике легкового автомобиля и ограничивают его грузоподъемные возможности. Кроме того, метан содержится в баллонах под давлением 200-250 атмосфер. Это очень взрывоопасно! Иногда такая «экономия» может закончиться для автовладельца плачевно.

Другой не менее известный, но куда менее популярный газ — водород. Если пропан-бутан добывается, как и бензин, при переработке нефти, то водород можно получить намного более экологичным способом: из воды при помощи электрического тока. Такой процесс называется электролизом. Кстати, первый известный в истории водородный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) получал топливо как раз таким путем: его сконструировал в начале XIX века французский изобретатель Исаак де Риваз.

Несмотря на раннее появление двигателя на водороде, этот газ и по сей день используется нечасто. Основной принцип работы двигателя тот же, но дополнительно для работы ДВС на водороде нужны либо электролизер (установка, добывающая газ из воды), либо водородный топливный элемент — «батарейка», которую нужно заправлять. Обе конструкции значительно повышают стоимость авто, поэтому большинство водородных автомобилей остаются концепт-карами.

Азот

Еще слабее распространено питание автомобиля азотом: этот газ сгорает быстрее традиционных видов топлива и требует не только баллонов для хранения, но и определенной переделки мотора. Закись азота N2O периодически впрыскивается в камеру сгорания двигателя для кратковременного получения дополнительной мощности. В этом случае она смешивается с обычной топливно-воздушной смесью и позволяет мотору «съесть» больше, увеличивая отдачу. В гражданской эксплуатации такие доработки используются крайне редко, оставаясь продуктом индивидуального тюнинга.

Биодизель/биоэтанол

Биодизелем называют топливо, добываемое из растительного, соевого и рапсового масел, а также животных жиров. При смешивании в небольших пропорциях со стандартным ДТ этот вид топлива может заливаться в мотор без изменения конструкции и обладает завидной экологичностью за счет биоразлагаемости. Однако за все нужно платить: биодизель требует площадей для посадки растений и обходится дороже своего собрата без приставки био-.

Свои минусы есть и у биоэтанола, представляющего собой этиловый спирт. Его октановое число выше 100, поэтому применяется он в основном «коктейльно» — в смеси с бензином, чтобы избежать повреждения моторов, рассчитанных на топливо попроще. Кроме того, поскольку это спирт, в нем есть вода. А значит топливная система должна быть стойка к коррозии и подогреваться зимой.

Как и биодизель, биоэтанол требует посевных площадей, например с сахарным тростником, и с традиционными бензином, газом и дизельным топливом полноценно конкурировать пока не может.

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.

Как электромобили на топливных элементах работают с использованием водорода?

Как и полностью электрические транспортные средства, электромобили на топливных элементах (FCEV) используют электричество для питания электродвигателя. В отличие от других электромобилей, FCEV вырабатывают электричество, используя топливный элемент, работающий на водороде, а не потребляя электричество только от батареи. В процессе проектирования транспортного средства производитель транспортного средства определяет мощность транспортного средства размером электродвигателя (двигателей), который получает электроэнергию от комбинации топливного элемента и батареи соответствующего размера.Хотя автопроизводители могут спроектировать FCEV с возможностью подключения для зарядки аккумулятора, большинство FCEV сегодня используют аккумулятор для возврата энергии торможения, обеспечения дополнительной мощности во время коротких событий ускорения и для сглаживания мощности, поступающей от топливного элемента с возможностью на холостом ходу или выключите топливный элемент во время низкой потребности в энергии. Количество энергии, хранящейся на борту, определяется размером водородного топливного бака. Это отличается от полностью электрического транспортного средства, где количество доступной мощности и энергии тесно связаны с размером батареи.Узнайте больше об электромобилях на топливных элементах.

Изображение в высоком разрешении

Ключевые компоненты электромобиля на водородных топливных элементах

Аккумулятор (вспомогательный): В транспортном средстве с электрическим приводом низковольтная вспомогательная аккумуляторная батарея обеспечивает электричеством для запуска автомобиля до включения тягового аккумулятора; он также приводит в действие автомобильные аксессуары.

Аккумулятор: Эта высоковольтная аккумуляторная батарея накапливает энергию, генерируемую рекуперативным торможением, и обеспечивает дополнительную мощность тяговому электродвигателю.

Преобразователь постоянного тока в постоянный: Это устройство преобразует мощность постоянного тока высокого напряжения от тягового аккумуляторного блока в мощность постоянного тока низкого напряжения, необходимую для работы аксессуаров автомобиля и зарядки вспомогательной батареи.

Электрический тяговый двигатель (FCEV): Используя энергию топливного элемента и тягового аккумулятора, этот двигатель приводит в движение колеса транспортного средства. В некоторых автомобилях используются мотор-генераторы, которые выполняют как приводную, так и регенеративную функции.

Блок топливных элементов: Набор отдельных мембранных электродов, которые используют водород и кислород для производства электричества.

Заливная горловина: Форсунка топливораздаточной колонки присоединяется к резервуару на транспортном средстве для заправки топливного бака.

Топливный бак (водород): Хранит газообразный водород на борту автомобиля до тех пор, пока он не понадобится топливным элементам.

Контроллер силовой электроники (FCEV): Этот блок управляет потоком электроэнергии, подаваемой топливным элементом и тяговой батареей, регулируя скорость электрического тягового двигателя и создаваемый им крутящий момент.

Тепловая система (охлаждение) — (FCEV): Эта система поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.

Трансмиссия (электрическая): Трансмиссия передает механическую энергию от тягового электродвигателя для привода колес.

Автомобиль Toyota с «водородным двигателем» ревет через 24 часа эндуро

НАГОЯ, Япония — Спортивный автомобиль, разработанный Toyota Motor, пересек финишную черту и стал первым автомобилем, работающим на водородном двигателе, а не только на топливных элементах. пройти 24-часовой тест на выносливость.

Toyota представила Corolla Sport в этом году в серии Super Taikyu, которая проводится в субботу и воскресенье в префектуре Сидзуока в Японии, между Токио и Нагоя. В отличие от большинства автомобилей с водородным двигателем, в которых используются топливные элементы, которые используют водород для выработки электроэнергии для двигателей, этот автомобиль работал на переработанном бензиновом двигателе внутреннего сгорания, используемом в GR Yaris, с некоторыми небольшими изменениями.

Автомобиль практически не выделял углекислый газ.

Четыре топливных бака из углеродного волокна, уложенные штабелями до потолка, занимают заднюю часть Corolla.Когда в субботу днем ​​машина снесла Fuji Speedway на старте гонки, шум двигателя был взрывным и разнесся по арене, но казался не хуже, чем у конкурентов с обычным бензиновым двигателем.

Но через 20 минут различия были очевидны. Corolla уже была в стороне от автоцистерны с водородом для дозаправки. Автомобиль нужно доливать чаще, чем другие автомобили. Во время 24-часовой гонки автомобилю Toyota потребовалось 35 заправок по сравнению с примерно 20 пит-стопами для других участников.

За шесть-семь минут дозаправка Corolla также заняла больше времени. Водородный автомобиль японского автопроизводителя проехал примерно половину расстояния и примерно половину средней скорости его конкурентов, работающих на бензине.

Toyota, сильная в производстве автомобилей на топливных элементах, будет участвовать в гонках на водородных автомобилях, чтобы выявить и решить проблемы, сдерживающие коммерциализацию водородных двигателей, и сделать эту технологию конкурентоспособной по сравнению с электромобилями.

«Электромобили занимают центральное место в электрификации, и если все перейдет на электромобили, то в Японии будет потерян 1 миллион рабочих мест», — заявил журналистам президент Toyota Акио Тойода.Тойода, сам гонщик по прозвищу Моризо, участвовал в гонке на выносливость в качестве гонщика.

«Мы должны помнить о том, что целью является углеродная нейтральность», — сказал Тойода. «Я хочу показать, что [водородные двигатели] можно использовать на спортивных объектах».

Toyota уже давно поддерживает автомобили на водородных топливных элементах в качестве стратегии, выпустив в 2014 году новаторский автомобиль на топливных элементах Mirai.

Но использование водородного двигателя вместо топливных элементов имело бы определенные преимущества. В таких транспортных средствах будет использоваться обычная технология двигателей, и они будут обеспечивать впечатления от вождения, аналогичные бензиновым автомобилям.И «легко создать крутящий момент на низких оборотах, что делает его идеальным для грузовиков», — сказал представитель Toyota.

Однако есть препятствия. BMW и Mazda Motor также столкнулись с этой технологией, но высокая скорость сгорания водорода затрудняет контроль. Автомобили также требуют больших топливных баков, а это означает, что места для ног мало. Поэтому автопроизводители в основном выбирают топливные элементы, которые более эффективно используют водород.

Наряду с запасом хода, крейсерской скоростью и частой дозаправкой автомобили с водородным двигателем сталкиваются с еще одним недостатком: им требуются большие топливные баки, которые занимают место для ног.BMW и Mazda потерпели неудачу в своих попытках разработать такие автомобили.

Но автомобили с бензиновым двигателем частично компенсируют выбросы углерода в мире. Honda Motor, General Motors и Volvo Cars заявили, что в конечном итоге откажутся от производства автомобилей с бензиновым двигателем. Toyota рассматривает водородные двигатели как реальную безуглеродную альтернативу.

MAZDA: Автомобили, работающие на водороде | Экологические технологии

Водородный роторный двигатель чрезвычайно экологичен и идеально подходит для общества, в котором люди могут продолжать наслаждаться вождением Zoom-Zoom, заботясь о Земле.

Водородный роторный двигатель

Водородный роторный двигатель Mazda, основанный на нашей уникальной технологии роторных двигателей, но адаптированный для использования водорода в качестве топлива, не выделяет CO2 и обеспечивает превосходные экологические характеристики.
Поскольку для роторного двигателя потребовалось всего несколько изменений в конструкции, чтобы он мог работать на водороде, Mazda смогла построить автомобили с роторным двигателем с низкими затратами. Кроме того, двухтопливная система позволяет автомобилю работать как на бензине, так и на водороде. Водителю не нужно беспокоиться о нехватке водорода, что делает автомобиль удобным, потому что он может путешествовать на большие расстояния в районы, где нет водородных станций.

Технологии водородного роторного двигателя RENESIS

В водородном роторном двигателе RENESIS используется прямой впрыск с инжектором газообразного водорода с электронным управлением.Эта система всасывает воздух из бокового порта и впрыскивает водород непосредственно во впускную камеру с помощью инжектора газообразного водорода с электронным управлением, установленного в верхней части корпуса ротора. Технология, проиллюстрированная ниже, полностью использует преимущества роторного двигателя в достижении сгорания водорода.

Схема водородного роторного двигателя RENESIS

Посмотреть видео, показывающее движение водородного роторного двигателя

1 RE подходит для сжигания водорода — естественное подавление обратного пламени —

При практическом применении водородных двигателей внутреннего сгорания предотвращение так называемого обратного воспламенения (преждевременного воспламенения) является серьезной проблемой.Возгорание — это возгорание, вызванное контактом топлива с горячими частями двигателя во время процесса впуска. В поршневых двигателях процессы впуска, сжатия, сгорания и выхлопа происходят в одном месте — внутри цилиндров. В результате свечи зажигания и выпускные клапаны достигают высокой температуры из-за высокой температуры сгорания, и процесс впуска становится склонным к обратному воспламенению.

Напротив, конструкция RE не имеет впускных и выпускных клапанов, а низкотемпературная впускная камера и высокотемпературная камера сгорания разделены.Это обеспечивает хорошее сгорание и помогает избежать возгорания.

Кроме того, RE поощряет тщательное смешивание водорода и воздуха, поскольку продолжительность процесса впуска больше, чем в поршневых двигателях.

2 Комбинированное использование прямого впрыска и предварительного смешивания

Для достижения высокой производительности в режиме водородного топлива применяется система прямого впрыска путем установки инжектора газообразного водорода с электронным управлением в верхней части корпуса ротора.Конструктивно RE имеет значительную свободу расположения форсунок, поэтому хорошо подходит для прямого впрыска.

Кроме того, на впускной трубе установлен газовый инжектор для предварительного смешивания, позволяющий использовать комбинированный прямой впрыск и предварительное смешивание в зависимости от условий движения. Это обеспечивает оптимальное сгорание водорода.

В режиме бензинового топлива топливо подается от той же бензиновой форсунки, что и в стандартном бензиновом двигателе.

3 Принятие сжигания обедненной смеси и EGR

Сжигание обедненной смеси и рециркуляция выхлопных газов (EGR) используются для снижения выбросов оксидов азота (NOx).NOx в основном снижается за счет сжигания обедненной смеси на низких оборотах двигателя, а также за счет рециркуляции отработавших газов и трехкомпонентного катализатора на высоких оборотах двигателя. Трехкомпонентный катализатор такой же, как и в базовой модели. Оптимальное и надлежащее использование сжигания обедненной смеси и системы рециркуляции отработавших газов обеспечивает достижение как высокой производительности, так и низкого уровня выбросов.

4 Двухтопливная система

Когда в системе заканчивается водородное топливо, она автоматически переключается на бензин. Для большего удобства водитель также может вручную переключать топливо с водорода на бензин одним нажатием кнопки.

Транспортные средства с водородным роторным двигателем

Premacy Hydrogen RE Гибрид /

Водород RE Plug in Hybrid

Premacy Hydrogen RE Hybrid сочетает в себе водородный роторный двигатель Mazda с гибридной системой для значительного повышения производительности и практичности.

Premacy Hydrogen RE Hybrid унаследовал двухтопливную систему от Mazda RX-8 Hydrogen RE и сочетает ее с недавно разработанной гибридной системой для значительного улучшения ходовых характеристик и практичности.Гибрид Premacy Hydrogen RE предоставляется в аренду государственным органам и компаниям в Японии с марта 2009 года.

Компоновка Premacy Hydrogen RE Hybrid

Усовершенствованный водородный силовой агрегат RE воплощает волнение и мощь Zoom-Zoom!

Premacy Hydrogen RE Hybrid производит примерно на 40 процентов больше мощности, чем Mazda RX-8 Hydrogen RE, что приводит к значительному ускорению.Это также улучшает экономию топлива. Сердце автомобиля — водородный роторный двигатель — переключается с продольной на поперечную компоновку. Уменьшенное сопротивление впуску / выпуску двигателя и улучшенная эффективность сгорания обеспечивают высокую выходную мощность в широком диапазоне оборотов двигателя.
Гибридная система эффективно преобразует энергию сгорания водорода в электричество, которое приводит в движение колеса с помощью электродвигателя. Эта установка чрезвычайно энергоэффективна и обеспечивает исключительную реакцию автомобиля.В результате водители наслаждаются низким расходом топлива, а также ощущением непосредственности и мощной ездой, а также запасом хода в 200 километров на водородном топливе. Для еще большего запаса хода модель оснащена двухтопливной системой Mazda, которая позволяет автомобилю работать как на бензине, так и на водороде. Будучи Premacy, он также более удобен в использовании, чем RX-8 Hydrogen RE, предлагая большее грузовое пространство и места для пяти взрослых.

Посмотрите видео, показывающее, как движется водородный роторный транспорт

«Mazda Premacy Hydrogen RE Range Extender EV» на основе «Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid».Он включает в себя подключаемую систему, большую высоковольтную батарею и двигатель с улучшенным тепловым КПД.

RX-8 Водород RE

Совершенный «зеленый» автомобиль, обеспечивающий непревзойденный баланс удовольствия от вождения и экологичности.

Mazda RX-8 Hydrogen RE, разработанная и введенная в продажу Mazda, является первой в мире практической реализацией транспортного средства с водородным роторным двигателем. Без ущерба для ощущения крутящего момента и ускорения, а также без ущерба для выхлопных газов, характерных для двигателей внутреннего сгорания, он не выделяет CO2 и почти не выделяет NOx, что делает его идеальным «зеленым» автомобилем.В Японии автомобиль был предложен в аренду местным органам власти и предприятиям с 2006 года, а в 2008 году Mazda начала участвовать в норвежском проекте водородной магистрали HyNor.

Упаковка

Вместимость базового автомобиля — четыре взрослых человека, с двумя водородными баками, установленными в багажнике. Резервуары находятся под давлением 35 МПа, что является действующим национальным стандартом для водородных заправочных станций. Клапан заправки водородом обычно используется в транспортных средствах на топливных элементах и ​​расположен на противоположной стороне клапана заправки бензина на базовом автомобиле.

Компоновка автомобиля

Многие эксперты считают, что водород заменит бензин, дизельное топливо и природный газ в качестве основного топлива для автомобилей, автобусов и грузовиков в течение n

. эксперты считают, что водород заменит бензин, дизельное топливо и природный газ в качестве основное топливо для автомобилей, автобусов и грузовиков в ближайшие несколько десятилетий. Уже производители автомобилей по всему миру вложили миллиарды долларов в исследования и разработки.

Что Водородные автомобили будут означать для окружающей среды

— выхлопные газы больше не образуют смог, больше нет углерода выбросы диоксида, которые способствуют глобальному потеплению, больше не о чем беспокоиться сокращение поставок нефти и рост цен

Двигатели внутреннего сгорания

-Это двигатели можно переоборудовать для работы на различных видах топлива, включая водород.Когда горит водород, единственным побочным продуктом является вода, а не загрязняющий коктейль. выделяется при сжигании бензина и других ископаемых видов топлива.

-BMW успешно продемонстрировали эту технологию на автопарке из 15 подержанных седанов. для перевозки людей на ЭКСПО 2000, всемирную выставку в Ганновере, Германия. Тот факт, что не нужно вносить никаких серьезных изменений в основную систему внутреннего сгорания. дизайн двигателя — главная достопримечательность.

Двигатели на топливных элементах

— В отличие от аккумуляторов, накапливающих электричество, топливных элементов производят электричество на ходу

-Водородное топливо реагирует с кислородом воздуха. для производства воды и электричества, обратного привычному электролизу процесс, который высвобождает кислород и водород из воды

-Большое преимущество двигателя на топливных элементах перед внутренним Двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, — это его больший КПД.Одинаковый количество водорода доставит автомобиль на топливных элементах как минимум вдвое больше, чем один с переделанным двигателем внутреннего сгорания

— недостаток в том, что трудно хранить, это потому, что при нормальных температурах водород является газом. Водород должны быть плотно упакованы в цистерну автомобиля, иначе остановка налива понадобиться каждые несколько километров

— Футуристическая заправочная станция сохранила автопарк EXPO 2000 переделанных BMW под управлением.Водители подъехали к насосу, нажали кнопку на приборной панели и наблюдал изнутри машины, как робот с лазерным наведением рука подключила к своему резервуару запас жидкого водорода. Заливка ушла около 3 минут. Было мудро держаться подальше от дороги при минус 253ºC, жидкий водород невообразимо холоден

— Ученые обнаружили, что различные металлы могут поглощать до тысячи раз больше собственного объема газообразного водорода. Специально обработанный углерод также может содержать большие количества.Эти открытия могут сформировать топливо танки будущего

Но откуда будет водород?

-Терес нет риска, что в колодце когда-нибудь закончится водород, он, безусловно, самый богатый элемент во вселенной. Однако на Земле он существует естественным образом только в химические соединения, а не водород. Вода и основные компоненты угля, нефти и природного газа являются яркими примерами этих соединений.

-Натуральный в настоящее время газ обеспечивает большую часть водорода, используемого в промышленности.Относительно Используемая простая технология паровой риформинг также может производить водородный газ для автомобилей на центральных заводах или заправочных станциях. Альтернативно топливные баки могут быть заполнены бензином или метанолом, а автомобили используют бортовые риформеры для производства водорода для своих топливных элементов. Это показывает обещание в качестве переходной меры, пока исследование проблем продолжается хранения водорода.

-Вода является единственным потенциально экологически чистым источником водорода.Исследователи ищут новые способы производства водорода с использованием водорослей, бактерий или фотоэлектрический клетки поглощают солнечный свет и расщепляют воду на водород и кислород. Но технология, которая, скорее всего, будет широко распространена, — это электролиз, который использует электрический ток для разделения воды на кислород и водород.

Это безопасно?

— водород легко воспламеняется, но недавние исследования показали, что дирижабли ткань, а не водород, была виновником катастрофы в Гинденбурге.Должным образом обработаны, нет никаких оснований полагать, что водород более опасен как топливо, чем бензин, взрывоопасная жидкость теперь безопасно перевозится в баках бесчисленных миллионов автомобилей.

— лучшие способы производства, распределения и хранения водорода все еще должны быть разобрались. В краткосрочной перспективе ископаемое топливо может оставаться востребованным в качестве водорода. источник. Однако мысль о том, что в недалеком будущем большинство из нас будет управлять экологически чистыми автомобилями, работающими на водороде из экологически чистых возобновляемых источников энергии. источник больше не полет фантазии.

Солнечные автомобили
Водородные топливные элементы
Электромобиль
Альтернативные автомобили Домашняя страница

Водородный вагон

Водородный вагон

Проблема с сегодняшними автомобилями в том, что они по-прежнему выпускают много загрязнение и использование ископаемого топлива. Однажды у нас должны закончиться ископаемые топливо. Люди веками говорят о том, что автомобили движутся по воде. К сожалению, в большинстве случаев эти люди ненормальные.Но есть определенная доля правды в том, что они говорят.

Теперь я знаю, что пытаться предсказать будущее сложно, но я считаю, что электромобиль, работающий от топливного элемента, работающего на водороде, мог бы стать настоящим любителем! Если вы помните, когда еще учились на уроках химии в школе, вода H ₂ O. другими словами, молекула воды состоит из двух атомов водорода и один атом кислорода. Если вы используете энергию и пропускаете электричество через воду, вы можете разделить воду на водород и кислород.И вы можете запустить это обратная реакция, и объединить водород и кислород, чтобы дать вам воду и энергия. (Фактически, слово «водород» означает «производитель воды» в оригинальный греческий язык.)

Есть два основных способа сжигания водорода с кислородом. вода и энергия.

Первый способ — сжигать водород в модифицированном автомобильном двигателе. Два компании BMW и Mazda работают над этим. Двигатель работает нормально, но примерно на 20% меньше энергии — что вполне разумно, учитывая, что мы работали над бензиновым двигателем около века.Когда ты горишь водород в двигателе, вы получаете в основном воду, выходящую из выхлопной трубы. Вы также получаете небольшое количество оксидов азота (из азота в воздух), и еще меньшее количество углеводородов (от следов смазочные материалы в камерах сгорания двигателя). Даже в этом случае Автомобиль с водородным двигателем намного меньше загрязняет окружающую среду, чем автомобиль с бензиновым двигателем. Из Конечно, вы используете нормальную коробку передач и дифференциал.

Второй способ использовать водород для управления автомобилем — это электромобиль.Mercedes-Benz использовал странное устройство, называемое топливным элементом, которое существует с 1839 года.

Топливный элемент очень похож на батарею. И топливный элемент, и аккумулятор превратить химическую реакцию в электрическую энергию. Но аккумулятор запломбирован, и когда «доброта» в химикатах израсходована, батарея разряжена. Топливный элемент похож на аккумулятор, но с одним важным отличием. — вы можете закачивать химикаты бесконечно. Топливные элементы потребляют водород и кислород, и выделять чистую питьевую воду и электричество.Вы используете электричество для работы электродвигателей.

Топливные элементы имеют КПД до 80%. Они получат в два-три раза больше энергии из водорода, чем будет модифицированный автомобильный двигатель. Это потому что в двигателе внутреннего сгорания есть ступень, на которой вы выделяете много тепла — и здесь тратится много энергии, а эффективность идет прямо вниз.

Настоящая проблема современных электромобилей заключается в том, что наша аккумуляторная технология жалко.Аккумулятор в лучшем на сегодняшний день электромобиле EV-1 дает отличный разгон, но на пробеге меньше 100 километров. Но если вы используете топливный элемент вместо батареи, вы внезапно получаете электромобиль с очень низким уровнем загрязнения, хорошей дальностью полета и производительностью.

Есть два основных способа хранения водорода в вашем автомобиле будущего. Во-первых, вы можете раздавить его и превратить в жидкость, но в контейнере есть быть очень прочным и тяжелым, и вы должны изолировать его, чтобы температура около 260oC ниже нуля.

Второй способ — засунуть газ в металл, например магний, и он раздавится в промежутках между атомами магния. Звучит невероятно, но на самом деле внутри металла можно хранить больше водорода, чем можно как жидкость. Нелли Родригес и ее коллеги-ученые из Северо-Восточный университет в Бостоне утверждает, что они могут добиться большего. Они использовали невероятно тонкие листы графита, всего одну треть миллиардной доли метра друг от друга, и они считают, что могут хранить 30 литров водорода на один грамм графита, что дает невероятные 8000 километров на бак, с вашим водородным автомобилем.

В любом случае вы можете заполнить резервуар менее чем за три минуты — что не сильно отличается от заправки бензином.

Одна из проблем с водородом — это плохая связь с общественностью — большинство из нас слышали о водородных бомбах и видели драматические кадры наполненный водородом дирижабль Гинденберга взорвался в 1937 году. Но водород может быть надежно хранится — в серии испытаний на баке с жидким водородом BMW играл на нем при температуре 900oC в течение 70 минут, пробивал в нем дыры и даже раздавил, пока не сломался.Иногда водород просачивался, и иногда он загорался, но никогда не взрывался.

На данный момент только в США инвестировано около 200 миллиардов долларов. переключение передач и хранение бензина, и потребуются огромные усилия, чтобы начать имея дело с водородом.

Это чертовски досадно, но мы, вероятно, не получим экономию водородной энергии в ближайшем будущем — но мы можем продолжить работу, поскольку мы начнем работать из ископаемого топлива.

В новом гоночном автомобиле Toyota отсутствуют топливные элементы и сжигается только водород (+ Почему это может быть полезно)

Как, вероятно, хорошо знают читатели CleanTechnica, Toyota обращается с водородом так же, как мои кошки обращаются со своей кошачьей мятой.Это навязчивая идея, а может, и зависимость. С другой стороны, японское правительство, похоже, поддерживает использование водородных транспортных средств, и это играет важную роль. Чего я не ожидал, так это увидеть, что Toyota тратит деньги на разработку водородных двигателей внутреннего сгорания, которые сжигают его вместо топливных элементов. Давайте поговорим о гоночной программе / программе развития Toyota, о том, почему компания делает это, а затем посмотрим на преимущества и недостатки этой технологии.

Неделю назад Toyota объявила, что она разрабатывает водородный двигатель внутреннего сгорания в рамках своих усилий по достижению «углеродно-нейтрального общества мобильности», и что гоночный автомобиль, использующий этот двигатель, начнет участвовать в гонках в мае.Toyota заявляет, что, по ее мнению, двигатель недостаточно развит, но работа с ним в условиях гонок поможет компании улучшить его.

Основная идея водородного двигателя внутреннего сгорания довольно проста. По сути, у вас есть обычный газовый двигатель внутреннего сгорания, и вы заправляете в него водород вместо паров бензина. Чтобы он работал как можно лучше, необходимо, конечно, внести несколько небольших изменений, но концепция горения не меняется вообще. Впуск, сжатие, зажигание и выпуск (всасывание, сжатие, удар, удар) — вот как это работает, как и большинство других.

Toyota собрала небольшую анимацию, показывающую все это:

Как и на анимации, это будет рядный 3-цилиндровый поршневой двигатель с турбонаддувом объемом 1,6 литра.

Для людей, которые любят двигатели внутреннего сгорания, опыт вождения практически такой же, как и от вождения любого другого автомобиля внутреннего сгорания (и, с точки зрения окружающей среды, это может быть преимуществом, как я объясню ниже). Звук, вибрация, ощущение и все остальные аспекты фактического управления водородной горелкой присутствуют.

Видео, распространяющееся по Интернету (от h / t до Jalopnik ), показывает, что, похоже, является автомобилем Toyota в действии:

«Это не так отличается (от обычных автомобилей с бензиновым двигателем), как я ожидал». — сказал водитель Хироаки Ишиура. «Это похоже на нормальный двигатель. (Если бы мне ничего не сказали), я бы, наверное, подумал, что это нормальный двигатель ».

Почему Toyota так поступает?

Как я немного объясню, у сжигания водорода есть некоторые серьезные недостатки, но у Toyota есть некоторые доводы (даже если несколько ошибочные), стоящие за этим решением.Короче говоря, компания хочет использовать несколько подходов к более чистым автомобилям. В Японии это сработало намного лучше, чем где-либо еще, потому что правительство продвигает водород, особенно когда дело доходит до инфраструктуры. Европа тоже неплохая. С водородом в США намного тяжелее, потому что инфраструктура ужасна.

Вот видео, на котором представитель Toyota объясняет свое мнение (как хорошее, так и плохое):

Преимущества двигателей внутреннего сгорания на водороде

Вместо того, чтобы сразу приступить к обсуждению идеи, как мы обычно делаем с водородом, я собираюсь быть справедливым и обсудить преимущества, которые действительно существуют.Я не говорю, что они являются хорошей стратегией для всех, большинства или даже для любого значительного количества транспортных средств (как я немного объясню), но для нишевых приложений они могут принести пользу в мире, который было бы несправедливо игнорировать.

Главное, что выбросы чище, чем у бензиновых или дизельных автомобилей. Теоретически добавьте водород и кислород и выведите воду из реакции. На практике это не идеально, потому что атмосферный воздух также содержит много азота. Двигатель работает достаточно горячим, чтобы сжечь и некоторые из них, в результате чего образуется небольшое количество оксидов азота, но их все равно намного меньше, чем в других автомобилях внутреннего сгорания.

Еще одно преимущество состоит в том, что он может работать на нескольких видах топлива без особого усложнения. Есть двигатели, которые работают как на бензине, так и на водороде, а в некоторых случаях даже на их смеси. Когда водородная инфраструктура отстойна, как в США (или не существует вообще, что имеет место где угодно, кроме Калифорнии), возможность сжигать другое топливо во время нехватки или когда водородная станция находится за пределами досягаемости водородной станции, — довольно большая проблема. плюс то, что вы просто не можете получить с топливными элементами.

Для автомобилей с двигателем, который сжигает только водород, вам не нужно дорогостоящее оборудование, такое как каталитические нейтрализаторы, которые в некоторых местах являются причиной краж.Однако вам нужно сделать выхлоп так, чтобы он не ржавел от водяного пара.

Самым большим преимуществом этой технологии является то, что ее можно использовать в приложениях, где люди не могут или просто отказываются переключаться на электричество.

Один из ярких примеров — это энтузиасты ICE, которые просто отказываются переходить на него. Хорошими примерами являются люди, которые настроены на свой собственный путь, люди, участвующие в некоторых видах гонок, и люди, которым действительно нужно очень быстро заправиться и уехать далеко (автомобили скорой помощи, некоторые коммерческие водители).Конечно, было бы лучше переключить все это на электричество, но заставить их использовать водород все равно лучше, чем просто продолжать сжигать газ.

В таких приложениях, как авиация, пройдет некоторое время, прежде чем батареи получат необходимую для работы плотность энергии. Батареи слишком тяжелые и большие, и им не хватает дальности полета для таких вещей, как авиалайнеры и большие грузовые самолеты. Даже в лучшем случае требования к мощности для быстрой зарядки самолета для пересечения океанов будут астрономическими.Если бы они сжигали водород вместо керосина, это было бы большим улучшением, даже если оно не идеально.

(Большой) Недостатки сжигания водорода

Самая большая проблема в настоящее время и в ближайшем будущем — это источник водорода. В идеале мы должны использовать электролиз для получения чистого водорода (зеленого водорода), но большая часть его производится с использованием метана парового риформинга, который довольно грязный и неэффективный.

Кроме того, он имеет те же проблемы с эффективностью, что и автомобили с водородными топливными элементами.Вам будет гораздо лучше, будь то топливный элемент или его сжигание, просто зарядить аккумуляторную батарею. Вот отличное видео, объясняющее это:

Это все же лучше, чем сжигание ископаемого топлива, но это дорого и расточительно.

Помимо проблем с эффективностью водородных топливных элементов, водородные двигатели внутреннего сгорания становятся вдвое менее эффективными, если водород подается в автомобиль. Это означает, что для того же бака с водородом ожидайте получить половину диапазона. Таким образом, на каждую милю езды стоимость топлива вдвое превышает стоимость автомобиля на топливных элементах.Хуже того, вам нужно иметь танк примерно вдвое больше, чтобы получить удовлетворительную дальность.

Это становится невыносимым, если учесть, что заправка автомобиля на водородных топливных элементах стоит около 85 долларов, чтобы проехать всего около 300 миль (500 км). Чтобы получить такой же диапазон, вам нужно будет заплатить всего около 10 долларов за электромобиль. Теперь, когда автомобиль, работающий на водороде, сжигает вдвое больше на милю, примите во внимание, что вы собираетесь заплатить около 170 долларов, чтобы проехать те же 300 миль. Ой!

Наконец, они могут стать препятствием для улучшения работы, если будут приняты слишком широко.Если, скажем, развивающаяся страна примет эту технологию, потому что ее дешево построить / продать, можно использовать двойное топливо с бензином, а затем они снизят стоимость водорода, чтобы побудить людей покупать водород вместо бензина, это будет улучшением по сравнению с тем, что происходит сейчас. Однако эта инерция будет означать, что страна будет более устойчивой к переходу на электромобили, когда стоимость снизится, что в долгосрочной перспективе оставит их в худшем положении.

Итог

Для нишевых случаев, когда электричество не работает по какой-либо причине (физика, спорт, упрямство), можно рассмотреть возможность сжигания водорода.Это отстой, и это ужасно, но это лучше, чем статус-кво, и не следует сразу отказываться от него.

Для всего остального это не лучший вариант. Это расточительно, дорого и требует инфраструктуры.

Рекомендуемое изображение предоставлено Toyota.

Цените оригинальность CleanTechnica? Подумайте о том, чтобы стать участником, сторонником, техническим специалистом или представителем CleanTechnica — или покровителем Patreon.

---

Реклама

---

У вас есть совет для CleanTechnica, вы хотите разместить рекламу или предложить гостя для нашего подкаста CleanTech Talk? Свяжитесь с нами здесь.

---

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, аналогичного цене других электромобилей», — объясняет 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 встретить во всех классах автомобилей.

Помимо затрат на закупку, эксплуатационные 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.S. по сравнению с 4,80 долл. 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 автомобилей с батарейным питанием, заряжаемых дома. Rücker ожидает, что эти эксплуатационные расходы сойдутся: «Если спрос на водород увеличится, цена может упасть примерно до 2,50 доллара США за фунт (5,60 доллара США за кг) к 2030 году».