Двигатель на водородном топливе: Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы :: РБК Тренды

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы :: РБК Тренды

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

Схема работы водородного двигателя

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
• Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Бесшумная работа двигателя;
• Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
• Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв.

Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Airbus удивила прототипами самолетов на водородном топливе. Подробности

Airbus дерзко считает себя пионером в области декарбонизации авиационной отрасли промышленности

Тулуза, 25 сен — ИА  Neftegaz. RU. В понедельник Airbus представила 3 визуальных концепции коммерческих авиалайнеров с 0^м уровнем выбросов, работающих на водороде, которые могут быть введены в эксплуатацию к 2035 г.

Стремление авиастроительной компании к созданию 1^го в мире коммерческого самолета с нулевым уровнем выбросов — это лишь часть масштабной работы, поскольку неправительственные организации, такие как ОЭСР, призывают отрасли и страны начать переход к декарбонизации с использованием низкоуглеродной энергетики.
На долю мировой авиации в 2018 г. пришлось около 2,4% всех выбросов в атмосферу.

Airbus представила 3 коммерческих самолета, работающих на водородном топливе:

• с турбореактивным двигателем; 
• с турбовинтовым двигателем;
• с конструкцией со смешанным крылом.  

Каждый из этих прототипов представляет собой:

• отдельный подход к достижению полета с 0 уровнем выбросов, 
• на основе исследований различных технологических путей и аэродинамической конфигурации.

Водород в качестве основного источника энергии:

• имеет исключительные перспективы в качестве чистого авиационного топлива;
• вероятно, станет решением для аэрокосмической и многих других отраслей промышленности для достижения их климатически нейтральных целей.

Г. Фори, гендиректор Airbus:

• твердо верю, что использование водорода — как в синтетическом топливе, так и в качестве основного источника энергии для коммерческих самолетов — может значительно снизить воздействие авиации на климат;
• эти прототипы помогут нам изучить и усовершенствовать дизайн и компоновку 1^го в мире климатически нейтрального коммерческого самолета с 0 уровнем выбросов, который мы планируем ввести в эксплуатацию к 2035 г;
• переход на водород в качестве основного источника энергии для этих концептуальных самолетов потребует решительных действий со стороны всей авиационной экосистемы. Вместе с поддержкой со стороны правительства и промышленных партнеров мы сможем решить эту задачу и расширить масштабы использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и водорода для устойчивого будущего авиационной промышленности.
  

Турбореактивный самолет

Характеристики:

• 2- контурный двигатель;
• вместимость -120-200 пассажиров;
• дальность полета — более 3700 км;
• способный работать на трансконтинентальном уровне;
• модифицированный газотурбинным двигателем, работающий на водороде, а не на реактивном топливе. Жидкий водород будет храниться и распределяться через резервуары, расположенные в хвостовой части.

Турбовинтовой самолет

Характеристики:

• вместимость — до 100 пассажиров, 
• турбовинтовой двигатель, также работающий на водороде в модифицированных газотурбинных двигателях;
• дальность полета — расстояние более 1800 км,
• идеальный вариант для коротких поездок.

Самолет с конструкцией смешанного крыла.

Характеристики:

• вместимость — до 200 пассажиров, 
• конструкция со «смешанным крылом», в которой крылья сливаются с основным корпусом самолета
  
• дальность полета — расстояние более 3700 км,
• широкий фюзеляж открывает множество возможностей для хранения и распределения водорода, а также для компоновки салона.

В начале 2020 г. П. Стейн, технический директор компании Rolls-Royce, производящей двигатели, поведал журналистам:

• авиационная отрасль промышленности находится под значительным давлением, требующим улучшения своего имиджа в области устойчивого развития;
• авиакомпании работают с Rolls-Royce, чтобы:

— повысить доступность экологически безопасных видов топлива,
— изучить влияние электрификации;
— ищут все более и более эффективные двигатели и планеры.

Добавим, что авиаторы пытаются возродить сверхзвуковые полеты.

Для любознательных напомним, что Европейское космическое агентство (ESA) 21 сентября 2020 г. выбрало Airbus для разработки и создания миссии Copernicus по изучению полярного льда и снега (CRISTAL).
С2 спутниками миссия CRISTAL обеспечит долгосрочное продолжение радиолокационной альтиметрии высоты льда.
Это 1 из 6 новых миссий, призванных расширить существующие возможности космического компонента «Коперник».
Стоимость контракта — 300 млн евро.

23 сентября 2020 г. испанский спутник SEOSAT-Ingenio, построенный Airbus, был загружен на авиабазе Торрехон-де-Ардос, недалеко от г. Мадрида, на борт грузового самолета Антонов-124, который доставил спутник до космодрома Куру. 

Запуск запланирован на 18 ноября 2020 г. с борта ракеты-носителя Vega. Поскольку SEOSAT-Ingenio и еще 1 спутник Taranis предназначены для одинаковых орбит на высоте около 700 км, они будут участвовать в этом запуске. 

есть ли у них будущее

Загрязнение атмосферы вызывает серьезную озабоченность общественности, организаций по защите окружающей среды. Реальной альтернативой ДВС являются водородные транспортные средства и автомобили на электротяге.

Электричество или водород

В настоящее время существует актуальная проблема, которая заключается в том, что 60% электроэнергии, потребляемой во всем мире, производится на тепловых электростанциях. Для того чтобы обеспечить возросший спрос на электричество, придется сжигать углеводороды в еще больших количествах. Даже при полной замене ДВС электродвигателями произойдет перераспределение вредных выбросов, уменьшение будет не столь значительным. Концентрация CO2 в воздухе снизится в мегаполисах, но возрастет в местах расположения ТЭС. Кроме того, автомобиль не единственный источник загрязнения окружающей среды: об электрических кораблях, самолетах пока не идет даже речи.

Водородная энергетика в этом смысле предпочтительнее. Добыча водорода сопровождается микроскопическими, по сравнению со сжиганием углеводородов, выбросами токсичных веществ. Выхлоп автомобиля на водороде на 99,99% состоит из чистого водяного пара, безвредного для окружающей среды. Но тут возникают другие проблемы, которые носят экономический, технологический, инфраструктурный характер.

Как устроен водородный двигатель

Разработаны два вида двигателей работающих на водороде:

• обычный ДВС, где вместо бензина используется водород;
• с применением топливных элементов.

В первом случае используется все тот же двигатель внутреннего сгорания. Инженерные решения направлены на оптимизацию горения смеси водорода с воздухом, разработку системы питания и снижение взрывоопасности. Данная концепция распространения не получила. Водород, который отличается высокой чистотой, в камере сгорания контактирует с маслом. Поэтому отработанные газы, пусть в значительно меньшем количестве, но содержат токсичные компоненты. Помимо этого, эксплуатация таких автомобилей небезопасна, требует значительных затрат.

При использовании топливных элементов транспортное средство, которое приводится в движение водородным двигателем, принципиально является тем же электромобилем. Разница в том, что на чистой электротяге батарея заряжается от внешних источников, а в водородном автомобиле электроэнергия непрерывно черпается из топливных элементов.

Они состоят из двух камер, одна из которых является анодом, а другая катодом. Между ними находится мембрана. Все компоненты покрыты дорогостоящими редкоземельными металлами, играющими роль катализатора. В результате реакции гидролиза водород, находящийся в анодной камере, соединяясь с кислородом из атмосферного воздуха в катоде, превращается в водяной пар. Процесс сопровождается выделением свободных электронов, которые поступают в электрическую сеть автомобиля.

Такая схема значительно эффективнее, практически отсутствуют вредные выхлопы. Львиная доля усилий конструкторов направлена на развитие двигателей на топливных элементах.

Преимущества и недостатки водородных двигателей

Достоинства и недостатки силовых агрегатов с топливными элементами вытекают из особенностей водорода как топлива, технического уровня двигателей. Факторы, считающиеся безоговорочным достоинствами:

• простота конструкции, соответственно, надежность;
• КПД, превышающий таковой у бензинового двигателя, но уступающий электрическому;
• отсутствие каких-либо шумов;
• почти полное отсутствие вредных выбросов;
• высокая мощность двигателей;

приемлемая автономность: современные водородные автомобили способны преодолевать на одной заправке до 500 километров.

Среди недостатков можно выделить следующие:

• увеличенная масса автомобиля;
• взрывоопасность водорода, которая резко повышается при наличии неисправностей в двигателе;
• высокая стоимость эксплуатации автомобиля.

Реальная эксплуатация показывает, что километр пути на автомобиле с водородным двигателем обходится минимум на 50% дороже, по сравнению с бензиновым ДВС. Расход водорода в несколько раз меньше, чем бензина, но все перекрывает его цена.

В этом кроется главная проблема водородной энергетики. В виде соединений с другими веществами запасы h3 на Земле безграничны, но в чистом виде его почти нет. Для его получения используется сложная технология. К этому добавляются проблемы хранения, транспортировки, создания инфраструктуры.

Перспективы водородных автомобилей

Для того чтобы полноценно осветить на этот вопрос, необходимо точно знать цель, с которой бензиновый двигатель пытаются заменить водородным. Если речь идет о внедрении технически более совершенного двигателя, то в этом ракурсе перспективы водородоавтомобилей почти такие же, как и у бензиновых агрегатов, немного выше. ДВС, как бы он не совершенствовался, имеет принципиальное ограничение: низкий коэффициент полезного действия.

Водородный двигатель в этом смысле предпочтительнее, но уступает электромобилям. С другой стороны, обогреть салон чистым электричеством, без снижения автономности, невозможно: запас на автомобиле ограничен. Водородные двигатели таких проблем не знают: при гидролизе выделяется тепло.

Если приоритетом является экология, здесь водородный двигатель имеет приоритет перед остальными. Но не все так однозначно. Современные технологии добычи водорода находятся на таком уровне развития, что дешевле всего получать h3 путем сжигания газа или угля. При этом выделяется углекислый газ, для борьбы с которым и внедряют водородный автомобиль. Экологически чистые способы добычи водорода не обладают достаточной производительностью, значительно повышают его стоимость, которая и так немаленькая.

Если удастся разработать экономичную, производительную, экологически чистую технологию добычи водорода, автомобиль на таком топливе, без сомнения, получит широкое распространение. По эксплуатационным характеристикам он уже сейчас превосходит ДВС.

По сравнению с электрическим у водородного двигателя существует ключевое преимущество: на заправку водородом потребуется около 5 минут, тогда как зарядка батареи на специальных станциях занимает несколько часов.

Крупный производитель дизельных двигателей планирует производить водород из воды

Крупнейшие автопроизводители начинают перестраивать свой бизнес с целью ориентации на выпуск электромобилей, поскольку в некоторых странах продажа новых машин с ДВС будет запрещена уже в следующем десятилетии. Не отстают и производители силовых установок — Cummins, например, делает ставку на производство установок для добычи водорода из воды методом электролиза.

Источник изображения: Monash University

Водород не только является самым распространённым элементом во Вселенной. Его использование в качестве топлива для транспортных средств не приводит к выбросу парниковых газов, в отличие от ископаемых видов углеводородного топлива. Как отмечает издание Barron’s, известный производитель дизельных двигателей Cummins на отраслевом мероприятии обозначил основные тезисы своей программы перехода на водородное топливо.

Расходы на хранение и логистику водорода достаточно велики, поскольку для этого требуются специальные сосуды, выдерживающие очень высокое давление. По этой причине Cummins предлагает производить водород методом электролиза непосредственно в местах активного потребления. По сути, запасаемая электроэнергия из возобновляемых источников может использоваться для электролиза воды с целью выделения водорода и его дальнейшего потребления транспортными средствами.

Как отмечает Cummins, сейчас один мегаватт электролитической мощности стоит примерно $1 млн, к 2025 году эта сумма уменьшится до $750 000. Электролитическая установка мощностью в 1 мегаватт способна ежедневно производить до 400 кг водородного топлива. Такой производительности хватит, чтобы обеспечить один магистральный тягач топливом для передвижения в течение нескольких дней — при условии, что ежедневный пробег не превышает 800–1000 км.

Современной экономике потребуются тысячи мегаватт мощности по производству водорода. Потенциальный доход от реализации электролитических установок Cummins оценивает в сотни миллионов долларов в год. В масштабах бизнеса данной компании сумма не очень большая, ведь в следующем году она выручит около $21 млрд, но вектор задан вполне чётко. Помимо выпуска установок для добычи водорода из воды, Cummins собирается развивать выпуск топливных водородных элементов. Они позволяют вырабатывать электричество в ячейках, заправляемых водородом.

По оценкам Cummins, один килограмм водородного топлива будет обходиться в производстве от $3 до $6, американская компания Nikola ранее упоминала сопоставимую цену в $4 за килограмм. При таком уровне цен водород уже может соперничать с дизельным топливом по экономической целесообразности использования. Правда, чтобы развить необходимую инфраструктуру, придётся потратить не только миллиарды долларов, но и несколько лет.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Двигатель на водородном топливе

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

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.

По этой причине автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы получить «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, который при этом не будет нуждаться в дорогом топливе.

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.

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.

Во времена Второй мировой войны, когда возникли сложности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, который был родом из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве горючего  для ДВС, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате появилось около полутысячи двигателей, работавших на водороде.

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.

Прежде всего, горение водорода по сравнению с нефтяным топливом отличается тем, что водород сгорает намного быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или солярки с воздухом заполняет камеру сгорания тогда, когда поршень почти поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка), затем топливо какое-то время горит и уже после этого газы давят на поршень.

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.

Однако чтобы этого добиться, на автомобиле должна стоять установка для электролиза (электролизер), которая и будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка получается сложной и дорогой, а создать такую закрытую систему довольно сложно.

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.

Также даже небольшая утечка водорода может стать причиной того, что топливо попадет на разогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не случилось, для работы на водороде чаще задействуют  роторные двигатели. Такой тип ДВС больше подходит для этой задачи, так как их конструкция предполагает увеличенное расстояние между впускным и выпускным коллектором.

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.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

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.

Также не особенно большим является и сам выбор водородных  легковых авто. Кроме Honda Clarity можно разве что упомянуть Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. Фактически это автомобили-гибриды, которые работают на жидком водороде и бензине. Еще можно добавить в список Mercedes GLC F-Cell. Эта модель имеет возможность подзарядки от бытовой сети электропитания и позволяет пройти до 500 км. на одном заряде.

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.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, принципах работы, а также преимуществах и недостатках моторов данного типа.

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.

Что касается недостатков и сложностей, машина с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникать проблемы с заправкой топливом по причине недостаточного количества заправочных станций. Не стоит забывать и о том, что также не просто найти специалистов, которые способны качественно и профессионально обслужить водородную силовую установку. При этом обслуживание будет достаточно затратным.

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.

Водородный двигатель: особенности, достоинства и недостатки

Статья о водородном моторе: история, особенности его эксплуатации, плюсы и минусы использования, модели автомобилей. В конце статьи — видео о двигателе на воде. Содержание статьи:«Водород – горючее будущего» — именно с таким посылом сегодня происходит внедрение водородных ДВС в транспортную и авиационную промышленность. 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.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.

Повторно о водороде как альтернативном топливе вспомнили только в 1941 году в блокадном Ленинграде. Тогда советский техник Б.Шелищ применил воздушно-водородный «коктейль» для запуска заградительных аэростатов.

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.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:

1. 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.
2. Водород из-за высокой температуры сжатия легко вступает в реакцию с различными металлическими элементами силовой установки и даже с моторным маслом.
3. 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. 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. На фото: Riversimple RasaНесмотря 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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 h4 Speed от дизайнерского дома Pininfarina и многие другие.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:

Теги

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

Интересные статьи:

Принцип работы водородного двигателя для автомобиля

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

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

Первым разработчиком, представившим водородный двигатель для автомобиля широкой публике, был концерн «Тойота». Ещё в 1997 году ими был презентован внедорожник FCHV, который тогда так и не запустили в серийное производство.

Хорошей альтернативой бензину может стать водородный двигатель

Сегодня ведут исследования и другие компании, среди них:

• Honda Motor,
• Volkswagen,
• General Motors,
• Daimler AG,
• Ford Motor,
• BMW и так далее.

Машины на водородном двигателе можно разделить на три группы:

• авто с двумя энергоносителями, обладающее высокоэкономичным двигателем, который может работать как на чистом водороде, так и на смеси его с бензином. КПД такого двигателя 90–95%, тогда как дизельного — 50%, а бензинового — 35%. Такие автомобили соответствуют стандарту «Евро-4»;
• водородный автомобиль со встроенным электродвигателем, который питает основной топливный элемент, установленный на борту. Сейчас созданы авто с КПД выше 75%;
• обычные автомобили, работающие на смеси или чистом водороде. Выхлоп намного чище, а КПД «подрастёт» примерно на 20%.

Как работает водородный двигатель? Выделяют 2 типа силовых установок по принципу работы:

• водородные двигатели внутреннего сгорания. Используется роторный двигатель;
• силовые установки на топливных водородных элементах — их принцип работы построен на химической реакции. Корпус элемента имеет мембрану, проводящую только протоны и разделяющую камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подводят водород, в камеру катода подводят кислород. Электроды покрывают слоем катализатора, например, это платина. Молекулярный водород теряет электроны под воздействием катализатора. Протоны через мембрану проводятся к катоду, под воздействием катализатора в результате соединения с электронами образуется вода. Из камеры анода электроны уходят в электрическую цепь, которая подсоединена к двигателю. Так образуется ток для питания мотора.

Достоинства водородного двигателя:

• продукт горения водорода — вода. А значит, это самое экологически чистое топливо;
• мощность, приёмистость и иные показатели двигателя выше, чем у стандартного — электроэнергия обеспечивает их сполна;
• низкий уровень шума;
• простота обслуживания — не нужна сложная трансмиссия, а трущихся деталей меньше;
• низкая себестоимость эксплуатации транспорта;
• меньший расход топлива и большая скорость заправки;
• более высокий запас хода;
• водород имеет большой потенциал в качестве альтернативного вида топлива, так как он может быть получен из различных источников, в том числе солнечной энергии или ветра;
• основное сырьё — вода — бесплатное.

Недостатки водородного двигателя:

• Использование топливных элементов в обычном двигателе чревато пожаром или взрывом из-за его устройства.
• Стоимость их также весьма высока.
• Вес автомобиля увеличивается в результате использования преобразователей тока и мощных аккумуляторов.
• Процесс получения из воды водорода пока тоже недёшев, как и транспортировка нового топлива.
• Прогнозируются и экологические проблемы — увеличение в атмосфере количества водорода может пагубно сказаться на озоновом слое Земли.
• Производство аккумуляторов – также вредный для окружающей среды процесс.
• Одной из проблем транспортных средств на водороде является высокая стоимость платины, необходимой для химической реакции в двигателе.
• Отсутствие водородных заправочных станций делает водородные автомобили неконкурентоспособными по сравнению с обычными автомобилями.
• Не решён вопрос о хранении. На сегодняшний день предлагается хранить в сжиженном виде либо под высоким давлением, но исследования продолжаются.

Водородные топливные элементы

В разные годы водородные топливные элементы использовались:

• для тракторов,
• локомотивов,
• подводных лодок,
• вертолётов,
• в автомобиле для гольфа,
• на мотоцикле.

Для автомобилей с водородным двигателем и автобусов используются элементы на протонно-обменной мембране (PEM), они компактны и мало весят.

Авто на водороде

• Тойота, приручившая водород, — Fuel Cell Sedan — это комфорт и вместительность стандартной модели. Для того чтобы увеличить пространство в салоне и багажнике, сжатые резервуары водорода расположены в полу автомобиля. Предназначена машина для пяти пассажиров, цена составит 67500 $.
• Технологии космоса в обычной жизни. BMW Hydrogen 7 уже доказал свои возможности на практике, порядка ста автомобилей BMW Hydrogen 7 были тестированы выдающимися деятелями культуры, политики, бизнеса и средств массовой информации. Опыт испытания в реальных условиях показал, что переход на водород полностью совместим с комфортом, динамикой и безопасностью, которые вы могли бы ожидать от BMW. Авто можно переключать с одного вида топлива на другой. Максимальная скорость 229 км/ч.
• Генератор энергии Honda FCX Clarity. По словам разработчиков, можно подключить к трансформатору и снабжать электричеством все бытовые приборы. Баки с водородом находятся под задними сидениями, а после полной заправки топлива ей хватит на 500 км. Цена от 62807 $.
• Часть автобусов MAN работает на водороде.

Водородные двигатели будущего

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

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

Укажите насколько полезна была Вам эта статья!!!:



Челябинские ученые разрабатывают водородный двигатель для спутников

Можно ли научить космические аппараты и спутники выходить на заданную орбиту «на воде»? А вернее, на ее составляющей — водороде, самом распространенном элементе и на Земле?

Это дешевое, экологически чистое топливо может произвести переворот в ракетостроении, сделать полеты в космос более доступными и безопасными. Но доставлять на орбиту большие «газовые объемы» слишком дорого, это тормозит создание такого двигателя. Аспирант ЮУрГУ Михаил Шалашов придумал, как решить эту проблему: он предлагает получать водород и кислород прямо в космосе с помощью электролиза воды. Проект получил высокую оценку экспертов, на него в 2019 году выделен грант Фонда содействия инновациям «УМНИК». Автор ноу-хау рассказал «ЮП» о возможностях, которые прорывная разработка может дать для освоения космоса.

Водородный проект

— Что даст запуск вашего проекта?

— Если он будет реализован, это может в разы продлить «жизнь» спутников. Дело в том, что многие из них выводятся на орбиту ниже МКС, где еще присутствует остаточная атмосфера. Они тормозятся, постепенно сходят с орбиты и падают на Землю. Этого можно избежать, если оснастить их двигательной установкой, с помощью которой выводить на более высокую орбиту. Мы предлагаем использовать для корректировки «курса» малых космических аппаратов не традиционное токсичное ракетное топливо, а вполне безопасные водород и кислород. Причем исходным «сырьем» для такого экотоплива может служить обычная вода, она же будет и «на выходе», после его сжигания.

— А как ее разделить на нужные газовые компоненты?

— У меня родилась идея использовать давно известный процесс электролиза. На спутнике будет электролизер, разделяющий воду на водород и кислород. Он сможет работать на электричестве, производимом солнечными панелями. Солнечная энергия преобразуется в электрическую, заряжает батареи, которые и будут подпитывать установку. В этом принципиальная новизна нашей разработки.

— Использовать водород в качестве топлива — идея не новая?

— Создать ракетный двигатель, работающий на кислородно-водородном топливе, предлагал еще в 1903 году Константин Циолковский, но долгое время эта идея не получала применения. Как известно, смесь водорода с воздухом может привести к возгоранию и даже взрыву, и сконструировать безопасную установку — сложная техническая задача. Но сегодня она вполне решаема, и на смену традиционным кислородно-керосиновым ракетным двигателям уже приходят кислородно-водородные, более мощные и безопасные.

— Но и у них есть и свои минусы.

— Это так. Поскольку кислородно-водородное топливо втрое легче керосиновой смеси, оно при той же массе требует втрое большего объема. Однако этот недостаток с избытком компенсируется выигрышем в мощности, высоким удельным импульсом. При равной стартовой массе космическая ракета на кислородно-водородном топливе способна вывести на орбиту втрое больший полезный груз, чем на кислородно-керосиновом.

3D-модель спутника с водородным двигателем

«Буран» на водороде

— Есть ли у вашего двигателя аналоги?

— Пока кислородно-водородное топливо в основном используется за рубежом, причем только в верхних ступенях космических ракет, где оно дает наибольший эффект. Примером тому — универсальная ступень «Центавр» ракет семейств «Атлас» и «Титан-3», вторая и третья ступени «Сатурна-5». По этому принципу работают двигатели, разработанные компаниями «Пратт-Уитни», и «Рокетдайн».

Попытка применять кислород и водород в качестве ракетного топлива предпринималась и в советском ракетостроении. Так, такой двигатель разработали в 80-х в НПО «Энергомаш», он успешно прошел испытания и в 1988 году вывел на орбиту корабль многоразового использования «Буран». Но потом из-за нехватки средств эти работы были приостановлены. Они возобновились сравнительно недавно: в ГКНПЦ им. Хруничева изготовили экспериментальные кислородно-водородные разгонные блоки для ракеты-носителя нового поколения «Ангара». Для них разработали два варианта системы поджига топлива — электроплазменную и лазерную, успешно испытанную в 2018 году.

— В чем новизна вашей разработки?

— В отличие от нашего проекта, водород и кислород в зарубежных аналогах обычно применяется для маршевых двигателей, предназначенных для вывода на орбиту с Земли. Для них приходится брать большие запасы жидкого водорода и кислорода, которые мы предлагаем заменить водой, чтобы вырабатывать нужные элементы уже в космосе. Но главная особенность проекта — это идея оборудовать спутники электролизером.

В нашем варианте водородно-кислородными двигателями будут оснащены так называемые кубсаты, или модульные спутники, состоящие из кубиков 10 на 10 см. Они универсальны, их характеристики: размер, масса, сила тяжести — давно известны, как и «поведение» на орбите. У них будут емкости для воды, накопления водорода и кислорода, камера сгорания.

«Печка» для спутника

— Какие могут возникнуть проблемы?

— К примеру, как «научить» электролизер работать в условиях нулевой гравитации. А чтобы дистиллированная вода не замерзала при сверхнизких космических температурах, планируем добавлять к ней специальные присадки.

Кроме того, для получения горючего водорода из воды электролизер будет оснащен протонно-обменной мембраной (такой «молекулярный фильтр» недавно разработали челябинские ученые). Возможно, их будет несколько: в Германии для условий космоса уже придумали двухмембранную технологию: одна — для превращения воды в пар, а другая — для электролиза.

А чтобы не создавать угрозу взрыва, кислород и водород будут храниться в отдельных баках под давлением всего 5 мегапаскалей. Срок их хранения всего несколько дней, газы быстро «пойдут в печку». Причем никакой газовой турбины, кислород и водород будут работать «по схеме вытеснения» и смешиваться в заданных объемах. Эта система проста, надежна в эксплуатации и безопасна.

— Какие перспективы открывает ваша разработка? И когда планируете ее запустить в серию?

— Сейчас мы прорабатываем вопрос проектирования электролизера как основной части двигательной установки, проводим научные изыскания, подбираем материалы. Через полгода планируем перейти к изготовлению макета, который можно будет испытать на стенде. Проведем анализ проделанной работы, просчитаем более компактные габариты устройства для установки на спутник. А через полтора-два года планируем и запатентовать нашу разработку.

К слову, к ней уже проявляют интерес в НИИ машиностроения города Нижняя Салда, который, как и наш вуз, вошел в космическую составляющую масштабного проекта создания научно-образовательного центра мирового уровня. А после обучения в аспирантуре я бы хотел продолжить спутниковую разработку в кластере космических индустриальных технологий инновационного центра «Сколково».

опасно или выгодно?, утилизация автомобилей и машин, #утилизация

С поисками все новых альтернативных источников топлива человечество логично пришло к использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания. Самыми известными моделями на водородном топливе, выпускаемыми в наши дни, являются:

• Honda FCX Clarity;
• Mercedes-Benz F-Cell;
• Toyota Mirai;
• BMW 7 Hydrogen;
• Mazda RX-8 Hydrogen.

Казалось бы, это решение может распространиться смело и на другие концерны, решив проблему нефтяного кризиса. Однако водород – во-первых, не единственная, а во-вторых, не самая безопасная альтернатива. Недаром электромобили вроде Tesla сейчас выигрывают партию.

Знаете ли вы? Что первый ДВС на водородном топливе изобрел француз де Риваз в 1806 году. А в период Ленинградской блокады, когда не было бензина, гениальные конструкторы переделали двигатели более, чем 500 транспортных средств под водород, и те работали без отказа до конца блокады.

Плюсы водородного топлива

Согласно исследованиям, водород понижает номинальную мощность мотора почти на 80%, однако если исправить под него систему зажигания, водород, наоборот, повысит ее мощность на 18%. И в этом плюс: изменения, которые вносятся в конструкцию автомобиля, небольшие и недорого стоящие.

Второе преимущество – неоспоримая экологическая чистота топлива. Когда Toyota презентовала свой последний «водородный» автомобиль, один из журналистов демонстративно сделал несколько глотков выхлопов, которые после водорода выходят жидкими. Следовательно, планете подобные автомобили вредят гораздо меньше.

Наконец, доступность водорода говорит в его пользу: это топливо можно получать даже из компоста, канализационных вод, биомусора. То есть, не нужно платить нефтяникам.

Есть ли минусы?

Опасность довольно большая состоит в том, что водород – один из самых легких газов, который в чистом виде без удержания просто улетит в верхние слои атмосферы. Поэтому его связывают в виде воды или метана, и уже внутри двигателя высвобождают. Этот процесс делает более дорогой технологию, да и стоимость сжиженного водорода, которая колеблется от 2 до 8 евро.

Пока что ни у нас, ни в Европе нет достаточного количества водородных заправок. Во многом это обусловлено низкой рентабельностью. А также тем, что стоит чистому водороду просочиться сквозь любую щель, он превращается в гремучий легко взрываемый газ. Для его воспламенения достаточно в 10 раз меньше энергии, чем для воспламенения бензина. Горит водород неярко, его сложно сразу заметить, но задохнуться ядовитыми газами очень просто. Так вывод – пока что водородные ДВС слишком дороги и для кошелька, и для здоровья человека.

Почему бы нам просто не запустить двигатели внутреннего сгорания на водороде?

Мы знаем, что нам нужно найти замену ископаемому топливу. Автопроизводители прилагают все усилия, чтобы найти решение этой дилеммы. Похоже, что большинство из этих решений связано с избавлением от наших любимых двигателей внутреннего сгорания. Но не могли бы мы просто перепроектировать типичный поршневой двигатель, чтобы он работал на чем-то более чистом, например, на водороде?

Если бы это было так просто. Как объясняет Джейсон Фенске из Engineering Explained, вы можете сконструировать поршневой двигатель, работающий на водороде.Это было бы не очень хорошо.

Водород — заманчивое альтернативное топливо. При правильном сгорании из него выделяется только водяной пар. Уже в этом месяце компания Fenske изучает возможности водорода в нескольких видеороликах, как в качестве топлива для поршневых двигателей, так и для роторных двигателей.

Есть две основные проблемы с водородным двигателем внутреннего сгорания. Во-первых, водород не такой энергоемкий, как другие виды топлива, а это означает, что вам нужно много его, чтобы выполнить небольшую работу. Добавьте к этому присущую поршневому двигателю неэффективность (в лучшем случае вы превращаете только около 30 процентов энергии топлива в поступательное движение), и вы получите рецепт разочарования.

Вторая проблема? Когда вы сжигаете водород, вы получаете другие выбросы, помимо водяного пара. В основном, вы получаете NOx, токсичные выбросы, лежащие в основе скандала с мошенничеством с дизельными двигателями Volkswagen. Если вы ищете чистую альтернативу бензину, выбросы водорода NOx исключают его из эксплуатации.

Ответ? Используйте водород в топливном элементе для выработки электроэнергии. Топливные элементы намного эффективнее двигателей внутреннего сгорания, а водородный топливный элемент имеет более чистые выбросы, чем водородный двигатель внутреннего сгорания.Чтобы узнать больше, посмотрите полное видео Фенске ниже.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Лучше ли внутреннее сгорание водорода, чем топливные элементы?

Хотя водород — и водородные топливные элементы — все еще могут играть важную роль в транспорте будущего, даже многие сторонники водорода признают, что внутреннее сгорание водорода, вероятно, не будет.

Так было не всегда. Около 15 лет назад была большая надежда на идею внутреннего сгорания водорода — по сути, запуск двигателей, мало чем отличающихся от бензиновых, на хранении первого элемента таблицы Менделеева.

BMW предлагала версию BMW 7-й серии 2005-2007 годов под названием Hydrogen 7 с 6,0-литровым двигателем V-12, который мог работать на бензине или водороде. Он заявлял, что КПД на водороде составляет около 40 процентов — по сравнению с большинством бензиновых двигателей.

НЕ ПРОПУСТИТЕ: Энергопотребление для транспортных средств на водородных топливных элементах: выше, чем у электриков, даже у гибридов

Mazda была особенно активна в этой области и утверждала, что ее роторный двигатель Ванкеля особенно хорошо подходит для работы с водородом, поскольку конструкция двигателя уже имеет тенденцию работать с более низкой температурой, чем обычные поршневые двигатели, и, таким образом, может снизить опасения по поводу NOx. Сначала у него была двухтопливная версия RX-8, которая могла при необходимости переключаться между водородом и бензином, а затем в Premacy h3 RE как часть серийной гибридной системы.Когда мы ездили на этом автомобиле в первые дни существования Green Car Reports , мы обнаружили, что он довольно веселый благодаря своей системе электродвигателя.

Mazda Premacy Hydrogen RE Гибрид

Проблемой для любого из этих транспортных средств — не считая чистой стоимости — была непрактичность хранения достаточного количества водорода для получения значимого диапазона. Hydrogen 7 мог проехать всего 125 миль на 17,6 фунтах водорода, после чего в игру вступил бензин. С другой стороны, нынешний автомобиль на топливных элементах Hyundai Nexo 2019 года может проехать 380 миль на 13.7 фунтов водорода.

В последние годы эффективность транспортных средств на топливных элементах превысила отметку в 50 процентов — это означает, что более половины энергии, содержащейся в водороде, используется для работы транспортного средства. Hyundai, например, заявила, что сама батарея топливных элементов в Nexo работает с КПД до 60 процентов.

ПРОВЕРКА: Эта диаграмма 11-летней давности объясняет проблему с автомобилями на водородных топливных элементах

Хранение водорода в автомобиле по-прежнему остается проблемой, поэтому технология, которая может идти дальше за драгоценную унцию водорода (то есть топливные элементы), является победителем.Топливный элемент Honda Clarity, например, проезжает 366 миль на своих 12 фунтах водорода, хранимых при давлении 10000 фунтов на квадратный дюйм и требующих трех отдельных цилиндрических баков для поддержания достаточно практичной упаковки (даже при этом спинки задних сидений не складываются и не позволяют сквозной.

2017 Honda Clarity Топливный элемент

Кроме того, внутреннее сгорание водорода не решает основную проблему с водородом, а именно его доставку и распределение из устойчивых источников. Ассортимент водородных транспортных средств является еще одним препятствием, поскольку инфраструктура постепенно развивается.

Конечно, должна была быть причина, по которой руководители отделов исследований и разработок и инженеры нескольких крупных автопроизводителей, часто имеющие докторскую степень и очень хорошо понимающие, как работают энергия и сгорание, а также проблемы, с которыми сталкиваются топливные элементы и производство водорода, принимали во внимание в первую очередь внутреннее сгорание водорода.

Я посетил несколько таких презентаций. В то время топливные элементы были громоздкими и непомерно дорогими. Сохранение схемы внутреннего сгорания считалось более дешевым и могло производиться наряду с существующими моделями.

ПОДРОБНЕЕ: из-за нехватки водорода автомобили на топливных элементах задыхаются в Калифорнии

Но времена изменились. Топливные элементы стали намного меньше и более энергоемкими и теперь имеют размер примерно с чемодан для ручной клади, а в следующем поколении потенциально могут стать еще меньше.

Водородные двигатели внутреннего сгорания по-прежнему производят одни из самых скандальных загрязняющих веществ, NOx, из-за которых их выбросы «хорошо для колес» не так экологичны, даже до того, как скандал с выбросами Volkswagen сосредоточился на этом компоненте выхлопных газов.

Хотя приведенное ниже видео из Engineering Explained, выпущенное в конце прошлого года, объясняет, почему внутреннее сгорание водорода сейчас выглядит глупой идеей, стоит вспомнить, почему: инженерные разработки и экономическое обоснование того, что работает в настоящее время (и почему), очень сильно развиваются. быстро.

Итак, объявите водородное внутреннее сгорание мертвым. Но мы не готовы делать такие заявления в отношении топливных элементов. По мере того, как растет количество электрических и электрифицированных транспортных средств, топливные элементы могут все больше функционировать как часть всей экосистемы электромобилей; и, возможно, обменять на батареи — в промышленных приложениях или в контурах коммерческих автомобилей, где они, в конце концов, могут оказаться разумной идеей.

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 автомобили, 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.

FEV способствует развитию водородных двигателей внутреннего сгорания

С тех пор, как в июле 2020 года Европейский союз инициировал «Европейский альянс по чистому водороду», водородный ДВС (двигатель внутреннего сгорания) все чаще находится в центре внимания в дебатах индустрии мобильности о нулевом значении. решения для приводов с выбросами

С тех пор, как в июле 2020 года Европейский Союз инициировал «Европейский альянс по чистому водороду», водородный ДВС (двигатель внутреннего сгорания) все чаще находится в центре внимания в дебатах отрасли мобильной связи о решениях для приводов с нулевым уровнем выбросов.Компания FEV из Аахена, ведущий международный разработчик транспортных средств и трансмиссий, приветствует эту открытость к технологиям, касающимся будущих мобильных решений, и имеет почти четыре десятилетия опыта разработки водородных двигателей.

Расширение электронной мобильности рассматривается как важный шаг на пути к достижению поставленных климатических целей. «Однако мы всегда должны учитывать соответствующий сценарий применения при выборе технологии», — сказал профессор Стефан Пишингер, президент и генеральный директор FEV Group. «Это вызвало значительную активизацию дебатов о водородном двигателе как о еще одной устойчивой форме привода с огромным потенциалом для многих областей.”

В качестве возобновляемого источника энергии с нулевым выбросом CO2 водород может транспортироваться на большие расстояния и использоваться для хранения большого количества энергии. Использование водорода может обезуглероживать те части транспортного сектора, где электрификация за счет использования тяжелых аккумуляторов неэффективна, в том числе для коммерческих автомобилей, автобусов, больших легковых автомобилей и даже поездов и кораблей.

Инфраструктура, которая, как ожидается, будет создана к 2030 году, возрождает дебаты о том, как лучше всего использовать водород.Одним из преимуществ топливных элементов является их высокий КПД при низких нагрузках. Но при более высоких удельных нагрузках их уровень эффективности ухудшается по сравнению с водородным двигателем внутреннего сгорания, эффективность которого может быть хуже при низких нагрузках, но тем выше, чем выше нагрузка. Другими словами, выигрыш в эффективности зависит от нагрузки.

Несмотря на известные преимущества, разработка топливных элементов все еще находится на начальной стадии, и пока внедряется очень мало методов разработки и испытаний.С другой стороны, водородный двигатель внутреннего сгорания представляет собой надежный и экономичный вариант для транспортировки с нулевым выбросом CO2, который можно быстро реализовать в рамках существующей производственной инфраструктуры, а также предлагает потенциал для существующих транспортных средств.

Основными направлениями развития водородного двигателя внутреннего сгорания являются

• топливопроводящие компоненты
• Система зажигания
• Вентиляция картера
• Система непосредственного впрыска газа топливной смеси
• зарядка
• Контроль двигателя
• выхлопные газы после Обработка

Поскольку водород является углеродно-нейтральным топливом, из сгоревшей смазки образуется лишь минимальное количество компонентов выбросов: углеводородов (HC), монооксида углерода (CO), диоксида углерода (CO2) и сажи.Таким образом, сокращение потребления масла является еще одним направлением развития. Основным компонентом выхлопных газов является оксид азота (NOx). Благодаря очень высокой ламинарной скорости горения и широким пределам воспламенения водород позволяет сжигать обедненную смесь с большим количеством избыточного воздуха. Низкие температуры выхлопных газов означают, что даже без дополнительной обработки выхлопных газов уровень оксида азота уже ниже текущих пределов. Последующая обработка является эффективным средством дальнейшего снижения выбросов NOx.Эффективное сжигание бедной смеси также дает преимущество в расходе по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания.

FEV имеет почти сорокалетний опыт работы в этой области и послужной список успешно реализованных проектов — от разработки водородных двигателей внутреннего сгорания для легковых и коммерческих автомобилей до стационарных и внедорожных двигателей. Обширный спектр услуг компании также включает разработку отдельных компонентов, таких как форсунки для прямого впрыска и многоступенчатые системы зарядки.FEV также применяет свой обширный опыт от разработки обычных трансмиссий до водородных двигателей.

«Наши клиенты ценят тот факт, что FEV — это универсальный магазин, который может предоставить все услуги по разработке от начала до конца», — сказал профессор Пишингер. «Это включает в себя разработку и проектирование, строительство, интеграцию транспортных средств, ввод в эксплуатацию, калибровку и тестирование компонентов и полных водородных двигателей». FEV имеет специальные испытательные стенды в Ахене, на которых можно проводить испытания водородных двигателей внутреннего сгорания мощностью до 640 кВт.

ИСТОЧНИК: FEV

Водородные двигатели — обзор

2.5.3 Использование сжигания в транспортных средствах

Водород может использоваться в качестве топлива в обычных двигателях с искровым зажиганием, таких как двигатели Отто и дизельные двигатели, используемые в легковых автомобилях и газовых турбинах. используется в обычных электростанциях. Первый водородный двигатель был продемонстрирован в 1808 году Франсуа де Риваз (Википедия, 2017). Время от времени появлялись усовершенствованные конструкции, не вызывающие коммерческого интереса. КПД двигателя такой же высокий, как у бензина или дизельного топлива, а водородное пламя быстро распространяется от очага возгорания (см. Таблицу 2.5). Однако из-за более низкой плотности энергии при давлениях, подходящих для поршневых цилиндров, объем смещения должен быть в два-три раза больше, чем для бензиновых двигателей, что вызывает проблемы с пространством в моторных отсеках пассажирских транспортных средств. Один производитель автомобилей, занимающийся разработкой легковых автомобилей на водородном топливе, использовал огромные 8- или 12-цилиндровые двигатели с рабочим объемом более 4 литров, чтобы приблизиться к приемлемым характеристикам (BMW, 2004). У эффективных обычных бензиновых или дизельных автомобилей общий рабочий объем около 1.2 литра, распределяется на три-четыре цилиндра (VW, 2003).

Таблица 2.5. Связанные с безопасностью свойства водорода и других видов топлива (с использованием Dell и Bridger, 1975; Zittel and Wurster, 1996)

9017 м с 9015 воспламеняемости в воздухе Коэффициент диффузии в воздухе

Свойство	Водород	Метанол	Метан	Пропан	Бензин	Установка
Минимальная энергия зажигания	0,02	—	0,29	0.25	0,24	10 — 3 J
Температура пламени	2 045		1875		2 200	° C
температура воздуха 9014 9014	385	540	510	230–500	° C
Максимальная скорость пламени	3,46	—	0,43	0,47		4–75	7–36	5–15	2.5–9,3	1,0–7,6	об.%
Диапазон взрывоопасности в воздухе	13–65		6,3–13,5		1,1–3,3	об.%
0,61	0,16	0,20	0,10	0,05	10 — 4 м 2 с — 1

Результаты компьютерного моделирования водорода показаны на рис. 2.49 процесс сгорания на воздухе (в камере сгорания, которая может представлять собой цилиндр двигателя или, возможно, скорее газовую турбину), подтверждая замечание о быстром расходе впрыскиваемого водорода.H ₂ входит с левой стороны. Распределение кислорода показывает «неиспользованный» кислород вдоль камеры, в которую воздух втягивается через многочисленные отверстия на внешней поверхности. Внизу рис. 2.49 показано распределение образовавшихся оксидов азота. Это похоже на только что показанное распределение высоких температур, поскольку образование оксидов азота резко возрастает при температурах выше 1700 К. Образование высоких уровней NO _x представляет собой проблему для сжигания водорода, что в данном случае больше не является экологически чистым.Однако добавление каталитического нейтрализатора может существенно уменьшить проблему (Verhelst, 2014).

Поведение водорода в термодинамических двигателях было установлено как с помощью моделирования, такого как показанное на рис. 2.49, так и с помощью измерений, например, для установления влияния степеней сжатия (Verhelst and Sierens, 2003; Karim and Wierzba, 2004 г.). Высокая степень сжатия важна из-за низкой объемной плотности энергии водорода. У широкого диапазона воспламеняемости и легкости возгорания есть две стороны.Один из них — это плавная работа при низких нагрузках. Однако при высоких нагрузках возникает ряд проблем с преждевременным зажиганием, обратным зажиганием или детонацией, которые необходимо решать (Shoiji et al., 2001). Существуют важные аспекты безопасности из-за широкого диапазона воспламеняемости водорода (см. Таблицу 2.2). Их необходимо контролировать, например, с помощью двухклапанных систем на каждом цилиндре или с помощью лазерного зажигания (NFC, 2000; Pal and Agarwal, 2015).

Были выполнены работы по двигателям, работающим на смесях водорода с бензином или с природным газом (Fontana et al., 2004; Akansu et al., 2004) и об использовании сжигания водорода только для выработки электроэнергии для двигателя (van Blarigan and Keller, 1998; Yuan et al., 2016).

Из-за большого количества водорода по объему, необходимого для использования в двигателях внутреннего сгорания, приличный рабочий диапазон для легкового автомобиля обычных размеров требует гораздо более высокой плотности хранения H ₂ , чем это возможно в газовой форме. Поэтому используется жидкий водород, подразумевающий охлаждение до температуры 20 К (с использованием энергии, которая еще больше снижает эффективность) и использование очень специальных заправочных станций.Эти технологии были разработаны и использованы для прототипов автомобилей, работающих на водороде (Fischer et al., 2003). Были сконструированы специальные резервуары для хранения жидкого водорода с использованием множества слоев металлических цилиндров с высококачественной изоляцией между ними (Michel et al., 1998). Даже в этом случае существует проблема утечки тепла и утечки водорода.

Сгорание водорода несколько легче внедрить в автобусы, потому что больший размер моторного отсека составляет меньшую часть от общего размера и — из-за более низких рабочих скоростей (при городском использовании) — автобусы могут размещать водород, хранящийся на крыше, как это сделано в прототипах водородных автобусов производства MAN (Knorr et al., 1998). Кроме того, корабли могли использовать водородное топливо вместо дизельного топлива в обычных двигателях.

Предложение об использовании водорода для прямого сгорания в турбинах привлекло большое внимание в случае самолетов. Запасы жидкого водорода могут быть встроены в крылья или фюзеляж, и могут использоваться почти обычные газотурбинные двигатели. Ранние испытания самолетов на жидком водороде включают бомбардировщик Boeing B57 1957 года и в 1988 году Туполев Ту-154, а недавно был начат аналогичный проект под названием Криоплан на базе самолета Airbus A310 (Pohl, Malychev, 1997; Klug and Faass, 2001 ).Более громоздкие запасы топлива привели к предположению, что эти самолеты должны работать на более низких высотах, что окажет положительное влияние на выбросы NO _x (Svensson et al., 2004). Это также снижает значимость воздействия выбросов в воду, поскольку поглощение солнечной радиации водой (приводящее к потеплению парниковых газов) более выражено на высоте более 10 км. Разработан проект самолета, способного работать от нуля до 5 Маха (в пять раз больше скорости звука, что составляет 1,22 × 10 ⁶ м / с ^{— 1} на уровне моря), при этом в транспортном средстве используется жидкий водород. обычный режим газотурбинного двигателя с ТРДД до 3 Маха и режим прямоточного воздушно-реактивного двигателя выше этой скорости (Qing and Chengzhong, 2001).

Liquid H ₂ уже несколько лет используется в космических аппаратах. При этом общая масса при отрыве является существенным ограничивающим параметром. Таким образом, высокое содержание энергии по массе делает водород более предпочтительным по сравнению с любой другой системой на основе топлива, и считается целесообразным дополнительное усложнение криогенного хранения. Двигатель может быть газовой турбиной или ракетным двигателем, в зависимости от режима работы космического корабля (полет в атмосфере Земли или уход от гравитации Земли).И водород, и кислород должны переноситься в жидкой форме, поскольку космическая среда за пределами атмосферы Земли не содержит воздуха или кислорода. Основной особенностью ракетного двигателя является сопло, через которое отводятся пороховые газы для обеспечения прямой тяги. Новые разработки в области высокоэффективной конструкции с несколькими соплами все еще продолжаются (Yu et al., 2001), как и эксперименты с несколькими видами топлива (обычно жидким водородом и твердыми углеводородами) для удовлетворения требований на различных этапах полета в околоземном пространстве. с многоразовыми космическими кораблями типа «шаттл» (Chibing et al., 2001). Оптимальное относительное расположение мест нагнетания жидкого водорода и жидкого кислорода было изучено путем экспериментов и моделирования (Kendrich et al., 1999).

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.

Другой причиной высокой закупочной цены является то, 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 у автомобилей с батарейным питанием, заряжаемых дома. Rücker ожидает, что эти эксплуатационные расходы сойдутся: «Если спрос на водород возрастет, цена может упасть примерно до 2 долларов США.50 долларов США за фунт (5,60 долларов США за кг) к 2030 году ».

Водородное топливо набирает обороты, но вот почему оно не стало массовым • Журнал Trojan Family

Водородное топливо, которое запускает ракеты НАСА в космос и обеспечивает электроэнергией через топливные элементы, производит только один продукт отходов: воду, настолько чистую, что экипаж астронавтов может ее пить.

Здесь, на Земле, первые автомобили, работающие на водородных топливных элементах, появятся на рынке в 2015 году, обещая более чистый воздух и более здоровую планету. Но если вы еще не видели его на дороге, вы не одиноки.В США их меньше 7000. Так почему же водород не стал популярным в качестве альтернативы бензиновым двигателям?

Пол Ронни, профессор аэрокосмической и механической инженерии Университета Калифорнии в Витерби, изучающий горение и движение, говорит, что водород имеет некоторые препятствия, включая эффективность и стоимость. Он изучает, что нужно, чтобы преодолеть некоторые из них. Здесь он рассказывает о роли водорода в области альтернативных видов топлива.

Какие преимущества предлагают автомобили на водородных топливных элементах?

Они не выделяют парниковые газы из выхлопной трубы, поэтому могут уменьшить загрязнение в городских районах с плохой циркуляцией воздуха, таких как Южная Калифорния в США и многие крупные города Индии и Китая.

Автомобили, работающие на водороде, безупречно чисты. Почему мы все не ведем их?

Чистого водорода на Земле практически нет, потому что он очень реактивный. Большая часть водорода производится из метана [природного газа] в процессе производства двуокиси углерода и других парниковых газов.Водород также можно получить из воды с помощью электролиза, но для этого требуется электроэнергия. Чтобы добиться этого, мы вернемся к сжиганию ископаемого топлива.

Можно ли производить водород, не создавая парниковых газов?

Солнечное электричество можно использовать для разделения воды на водород и кислород с помощью электролиза. Поскольку солнечная энергия обеспечивает лишь часть всей электроэнергии, вырабатываемой в США, использование солнечной электроэнергии для производства водорода не снижает выбросы парниковых газов. Это может измениться, если в будущем будет наращиваться производство электроэнергии на основе солнечной энергии.

Чистота водорода зависит от энергии, используемой для его производства. Есть ли другие ограничения?

Водород в транспортных средствах должен сжиматься в дорогих резервуарах высокого давления, для чего, как вы уже догадались, требуется энергия. Современные водородные автомобили используют топливные элементы для преобразования химической энергии в энергию. Топливные элементы очень дороги, потому что они сложны и требуют дорогих материалов, таких как платина.

Можем ли мы это обойти?

Топливные элементы привлекательны, потому что теоретически они преодолевают ограничения эффективности, связанные с традиционными двигателями внутреннего сгорания.Думайте о потраченной впустую энергии как о тепле и шуме в традиционном автомобиле. В то время как многие ученые изучают способы сделать более дешевые топливные элементы, в моих исследованиях используется другой подход: повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания, использующих водород.

Каковы преимущества сжигания водорода?

Прежде всего, двигатели внутреннего сгорания дешевы в производстве и могут быть легко модифицированы для работы на водороде. Как и в случае с топливными элементами, основными отходами являются вода, а не углекислый газ.Кроме того, в отличие от бензина, водород хорошо горит в «условиях обеднения топлива», когда кислорода намного больше, чем топлива. Это хорошо для топливной экономичности, а также значительно снижает выбросы оксидов азота.

Как насчет использования водорода в стационарных установках?

Транспортный сектор должен взять на себя основную тяжесть ответственности за сокращение выбросов парниковых газов, хотя он вносит только одну треть. Если мы серьезно настроены противодействовать изменению климата, нам необходимо также отказаться от ископаемого топлива в неавтомобильных приложениях.Идея прокачки водорода в дома или на предприятия кажется надуманной, но это возможно. Существующая инфраструктура сжиженного природного газа может быть модифицирована для использования водорода.