Водородный двигатель для автомобиля принцип работы: что это, как работает, схема, фото, безопасность,

Содержание

что это, как работает, схема, фото, безопасность,

Водородный автомобиль считается самым экологичным транспортом наряду с электрокарами. Заправка авто на водородном топливе занимает считанные минуты, а «горючего» хватит на 400 км и более. А баллон водорода после использования оставляет после себя полведра чистой воды.

Почему же автомобильные концерны неохотно переходят на этот альтернативный источник энергии? Вопрос в стоимости и производстве этого газа.

В автомобилях с водородным двигателем применяются специальные топливные ячейки. Называются такие авто FCEV, что расшифровывается как Fuel Cell Electric Vehicles - электрокары с топливным элементом вместе батареи. Самая известная модель – это Toyota Mirai. А вообще многие модели есть только в виде концепта, серийно пока выпускается немного экземпляров.

В статье расскажу что это такое — водородный автомобиль, принцип работы и устройство, что такое водородный двигатель, плюсы и минусы авто на водороде, список моделей, ждёт ли будущее эта технология. Обещаю, будет интересно!

Немного истории

Впервые двигатель внутреннего сгорания придумал Франсуа Исаак де Риваз в 1806 г. Этот изобретатель извлёк чистый водород при помощи такой технологии, как электролиз воды. Он изобрёл поршневой двигатель, который назвали в его честь — машина де Риваза. Через пару лет изобретатель сконструировал передвижное устройство с настоящим водородным двигателем. Таким образом, первый водородный автомобиль появился гораздо раньше, чем думают многие.

Риваз и его машина

А самые первые водородные топливные элементы создал в 1863 году английский учёный Вильям Гроув. При помощи опыта он выявил, что при разложении воды на кислород и водород высвобождается энергия. В дальнейшем он создал водородные ячейки, которые стали называть Fuel Cell. Их можно было объединить для получения необходимого количества энергии для автомобиля.

Во время блокады Ленинграда был высокий дефицит бензина, а вот водорода было немало. Техник Б. Шелищ предложил вместо стандартного топлива применять смесь воздуха и водорода для двигателей. Таким образом, в городе работало на водороде более 500 автомобилей ГАЗ-АА.

Первый водородный автомобиль на топливных ячейках создала компания General Motors в 1966, и назывался он GM Electrovan. Гораздо позже, в 1980-х годах, одновременно во многих развитых странах (Япония, США, Канада, Германия и СССР) запустили эксперимент по созданию автомобилей, которые использовали в качестве топлива водород, а также его смеси с бензином и природным газом.

Фото GM Electrovan

После этих экспериментов в 2000-х годах крупные автоконцерны стали разрабатывать коммерческие автомобили на водородном двигателе. Самым продвинутым и популярным автомобилем стал Toyota Mirai, в котором находится многоячеистый топливный генератор.

На данный момент создание автомобиля на водородном топливе – это дорогое удовольствие, поэтому многие производители ищут способы для снижения этих расходов.

А что значит водородное топливо на самом деле?

Что такое водородное топливо?

Водородное топливо поставляется на заправки в газообразном или жидком состоянии. Водород в этом виде уменьшается в объёме более чем в 800 раз. Примерное время одной заправки составляет не более 3-5 минут. Для сравнения – заправка бензином занимает примерно то же самое время.

На чём ездит водородный автомобиль? На водороде – экологически чистом источнике энергии.

Водород для топлива добывают следующими способами:

  1. Электролиз воды. Это выделение водорода из воды с помощью электричества. Такой метод применяется в тех регионах, где стоимость электроэнергии дешёвая, в том числе и в России. Чистота выхода водорода при помощи электролиза – около 100%! Но здесь присутствует повышенное загрязнение окружающей среды. Предсказывают, что когда-нибудь будут созданы множество солнечных и ветряных электростанций, которые будут производить топливо без отрицательного воздействия на окружающую среду.
  2. Паровая конверсия метана. Этот природный газ нагревают до температуры 1000 градусов по Цельсию и смешивают с катализатором. Этот метод будет работать до тех пор, пока метан не закончатся в недрах земли. Реформированный водород – самый популярный и дешёвый метод создания.
  3. Газификация биомассы. Это извлечение водорода в реакторе из отходов животных и сельского хозяйства, а также сточных вод. Сейчас существуют огромные территории с биомассой, потенциал которой не оценён и тратится впустую.

В чём преимущество этого альтернативного источника энергии?

  • Топливные элементы не выделяют вредных выбросов.
  • Огромный потенциал и возможные прибыли.
  • Моментальная заправка автомобилей (3 минуты).
  • Топливные ячейки на 80% эффективнее бензина, а также дёшево стоят.

Автомобиль на водороде не оставляет так называемого «углеродного следа», который загрязняет окружающую среду. Например, Toyota Mirai за 100 км пробега выделяет 5 л воды и больше ничего, никаких выбросов в атмосферу. Но, к сожалению, на Земле слишком не существует месторождений чистого водорода, а вот нефти и газа – хоть отбавляй. Зато водорода полным-полно в атмосфере, но в виде соединений, которые надо разрушить, чтобы извлечь желанный элемент. А для этого надо затратить немалую энергию, по сравнению с той, которую мы получим при прямом расходовании водорода.

Плюсы и минусы водородной установки для автомобиля

Расскажу про плюсы и минусы топлива, которым заправляют водородный автомобиль.

Недостатки водородного топлива:

  • Нет эффективного способа добычи газа, к тому же производство загрязняет окружающую среду.
  • Для создания сети водородных заправок требуются внушительные средства (около 2 млн. долл. на одну среднюю заправку). Поэтому очень сложно найти заправки, их практически нет.
  • Высокая стоимость автомобиля.
  • Передвигаться можно лишь в тех местах, где имеются заправки.
  • Стоимость заправки будет стоить столько же, как и бензин. В этом смысле электрокар гораздо выгоднее.
  • Водородный автомобиль тяжёлый из-за сложной конструкции: много топливных ячеек, аккумулятор, электропреобразователь, большие баллоны для водорода, где давление целых 700 атм. В электромобиле всё проще – требуется только место под большой АКБ.

Плюсы водородного топлива:

  • Нет вредных выбросов в атмосферу.
  • Водородные двигатели практически не шумят.
  • Быстрая заправка – менее 5 минут.
  • Есть большой потенциал для развития.
  • Водород даёт в 3 раза больше энергии, чем бензин.
  • Высокий крутящий момент при начале движения.
  • Водорода очень много на планете – 1% от массы Земли. При сгорании он просто превращается в воду, поэтому – это неиссякаемый источник энергии по сравнению с другим ископаемым топливом.
  • Водород безопаснее бензина, он воспламеняется в 15 раз меньше. Но если на водород попадёт искра, то он моментально воспламенится.
  • Хороший запас хода водородного авто – 400-1000 км.

Опасен ли водород для человека?

Водород очень летуч, а также это легковоспламеняющийся газ, который хранить и перевозить следует предельно аккуратно. Сгорает он тоже довольно быстро. Например, газ в дирижабле «Гинденбург» полностью сгорел за полминуты, поэтому погибло только треть пассажиров.

Когда на дорогах появится большое количество водородных автомобилей, то надо будет ввести новые меры безопасности. Ведь при пробитии бака с водородом и наличием искр рядом газ может загореться. Поэтому в водородных автомобилях баки делают очень прочные, которые даже могут выдержать выстрел из крупнокалиберного пистолета. Поэтому при соблюдении правил безопасности, авто на водороде не опаснее бензиновых и дизельных моделей.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Этот вопрос не совсем правильный, поскольку автомобили на водородных ячейках и электробатарее считаются электромобилями. Всё зависит от того, чем заправляют машину – водородом или электричеством.

Водород в автомобиле применяют в двух вариантах: сжигание топлива в цилиндрах или подзарядка топливных элементов.

Главное отличие водородных топливных ячеек от батарей в том, что они служат очень много лет и не нуждаются в обслуживании. А батарея в электромобиле выходит из строя уже через 5 лет.

Как выглядит батарея в электрокаре

На холоде водородное транспортное средство включится без проблем, а аккумулятор электрического авто может полностью потерять заряд. Стоимость электрокаров дешевле, чем водородного: Toyota Mirai стоит 57 тыс. долл., а Tesla – от 45 тыс. долл. Водородные машины заправляются за считанные минуты, а электрокары – пару часов.

Теперь перейдём к устройству и принципу работы водородного авто, как он обеспечивает работу двигателя?

Как работает водородный автомобиль

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

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

Попов Андрей Геннадьевич

Автослесарь, стаж работы 19 лет

Задать вопрос

За несколько км пробега автомобиль Mirai вырабатывает стакан дистиллированной воды, которая вполне пригодна к употреблению (она с лёгким привкусом пластика).

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

 

Мелехов Алексей Викторович

Автоэлектрик , стаж работы 9 лет

Задать вопрос

Топливные ячейки с протонообменными мембранами сразу же производят энергию, обеспечивают очень высокую мощность и мало нагреваются. Максимальный срок службы водородных ячеек 250 тыс. км пробега, которые при необходимости можно заменить.

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

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

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор н

Водородный двигатель: устройство и принцип работы

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 – характеристика, особенности, принцип действия

К сожалению, природные ресурсы нашей планеты не являются безграничными. И хотя запасов нефти, являющейся сырьём для производства автомобильного топлива, хватит не на одну сотню лет, неуклонно растущая цена чёрного золота принуждает производителей уже сегодня подыскивать альтернативные источники питания.

Кроме того, к этому приводит необходимость заботы о чистоте окружающей среды. Хотя в большинстве современных транспортных средствах изготовителями предусмотрена тщательная очистка выхлопных газов, полностью уберечь экологию от их негативного воздействия пока не удаётся

Одним из наиболее перспективных вариантов альтернативных источников энергии для автомобилей считается инновационная разработка конструкторского бюро концерна Тойота. Существует ли возможность самостоятельно изготовить водородный двигатель? Попробуем разобраться, предварительно ознакомившись с устройством и принципом действия силового агрегата, предназначенного для машин грядущего поколения.

Водородный двигатель — достойный преемник моторов на традиционном топливе. Рекомендации по самостоятельному изготовлению

Мастерство отечественных умельцев всегда поражало и вызывало неприкрытую зависть автолюбителей всего мира. Стремление избежать лишних расходов принуждает доморощенных механиков совершенствовать личные средства передвижения своими руками. Водородный двигатель не является исключением. Российские автолюбители научились изготавливать его самостоятельно.

Чтобы лучше разобраться во всех тонкостях этого процесса, предварительно следует ознакомиться с устройством силового агрегата, которому, несомненно, принадлежит будущее моторостроения. Также необходимо досконально изучить принцип работы подобного устройства.

Разновидности водородных двигателей

Современная наука не стоит на месте, постоянно находясь в поисках новых решений. Однако реального воплощения в жизнь удостаиваются только самые перспективные из них. Разработки, не обладающие достаточно высокой рентабельностью вкупе с приемлемыми показателями производительности, отметаются сразу. На сегодняшний день известно два вида силовых агрегатов, работающих на водороде:

  1. моторы, в качестве источника питания которых используются топливные элементы. Рядовому обывателю, к сожалению, установить подобный водородный двигатель на свой автомобиль не представляется возможным. Объяснением такой весьма печальной для водителей среднего достатка действительности является довольно ощутимая стоимость комплектующих деталей, составляющих его конструкцию. Некоторые из них изготавливаются из драгоценных материалов, в частности из платины;
  2. второй разновидностью считается водородный двигатель внутреннего сгорания. Его принцип действия аналогичен силовым установкам, работающим на пропане. Поэтому часто газовые агрегаты подвергают определённой перенастройке, приспосабливая к использованию водорода. Несмотря на то, что КПД таких моторов значительно ниже устройств, функционирующих на топливных элементах, многих автолюбителей привлекает их доступная стоимость и возможность самостоятельного изготовления.

Следует отметить, что учёные не остановились на изобретении этих двух типов водородных двигателей. В настоящее время проводятся изыскания по их усовершенствованию. Поэтому невозможно с уверенностью утверждать, какому из них принадлежит будущее.

Принцип действия водородных силовых установок

Чтобы любой мотор мог нормально работать, необходимо его обеспечить надёжным источником питания. Водородный двигатель функционирует за счёт электролиза. С присутствием особого катализатора в воде под воздействием электрического тока образуется не обладающий взрывоопасными свойствами газ с названием гидроген. Его можно представить химической формулой ННО.

В конструкции силового агрегата предусмотрены специальные ёмкости, Они предназначены для соединения гидрогена с топливно-воздушной смесью.

Устройство генератора представлено электролизёром и резервуаром. Процесс образования гидрогена осуществляется при помощи модулятора тока. Водородные двигатели инжекторного типа дополнительно комплектуются особым оптимизатором. Основным предназначением данного приспособления является обеспечение требуемого соотношения гидрогена и топливно-воздушной смеси. С его помощью происходит регулирование процесса для создания идеальных пропорций.

Разновидности катализаторов

В обычных условиях выделить гидроген из воды практически невозможно. Для успешного протекания процесса необходимо использование специальных катализаторов. На сегодняшний день применяются такие их разновидности:

  1. достаточно простая конструкция, управляемая весьма примитивным механизмом, выполняется в виде цилиндрических банок. К сожалению, элементарное устройство данного катализатора негативно отразилось на производительности водородного двигателя. Её максимальная величина характеризуется показателем 0,7 л газа, выделяемого за одну минуту. Такой вид катализатора подходит для ДВС на водороде с небольшой ёмкостью, а именно до 1,5 литров. Увеличение количества банок способствует возможности эксплуатации силового агрегата большего объёма;
  2. наилучшей эффективностью обладает катализатор, представленный обособленными ячейками. Такая система характеризуется максимальным коэффициентом полезного действия;
  3. на долгосрочную эксплуатацию рассчитаны открытые пластины или сухой катализатор. Благодаря свободному доступу воздуха из окружающей среды создаётся возможность наиболее эффективного охлаждения. Из перечисленных разновидностей система имеет средний показатель производительности, выражающийся величиной, колеблющейся в пределах 1-2 л газа, выделяемого из воды на протяжении одной минуты.

Конструкторские бюро и исследовательские институты не прекращают изыскания по разработке водородных двигателей, обладающих приемлемой производительностью при максимальном КПД. Уже сегодня практикуется применение гибридных устройств, в которых успешно сочетаются различные источники питания. Оптимальной считается комбинация водорода с бензином. Также учёные продолжают поиски идеального катализатора, способного обеспечить наибольшую производительность.

Рекомендации по созданию водородного двигателя своими руками

В обычных условиях выделить гидроген из воды практически невозможно. Для успешного протекания процесса необходимо использование специальных катализаторов. На сегодняшний день применяются такие их разновидности:

  1. достаточно простая конструкция, управляемая весьма примитивным механизмом, выполняется в виде цилиндрических банок. К сожалению, элементарное устройство данного катализатора негативно отразилось на производительности водородного двигателя. Её максимальная величина характеризуется показателем 0,7 л газа, выделяемого за одну минуту. Такой вид катализатора подходит для ДВС на водороде с небольшой ёмкостью, а именно до 1,5 литров. Увеличение количества банок способствует возможности эксплуатации силового агрегата большего объёма;
  2. наилучшей эффективностью обладает катализатор, представленный обособленными ячейками. Такая система характеризуется максимальным коэффициентом полезного действия;
  3. на долгосрочную эксплуатацию рассчитаны открытые пластины или сухой катализатор. Благодаря свободному доступу воздуха из окружающей среды создаётся возможность наиболее эффективного охлаждения. Из перечисленных разновидностей система имеет средний показатель производительности, выражающийся величиной, колеблющейся в пределах 1-2 л газа, выделяемого из воды на протяжении одной минуты.

Конструкторские бюро и исследовательские институты не прекращают изыскания по разработке водородных двигателей, обладающих приемлемой производительностью при максимальном КПД. Уже сегодня практикуется применение гибридных устройств, в которых успешно сочетаются различные источники питания. Оптимальной считается комбинация водорода с бензином. Также учёные продолжают поиски идеального катализатора, способного обеспечить наибольшую производительность.

Формирование водородного агрегата

Для начала надлежит обеспечить устройство трубопровода с добавочными ёмкостями Датчик уровня жидкости, закреплённый в центре крышки, препятствует ложному срабатыванию во время движения вверх-вниз. Этим прибором управляется система автоматической подпитки.

Датчик давления регулирует подкачку воды, включая т отключая её при показателях соответственно 40 и 45 psi. При достижении нагрузки в 50 psi приводится в действие предохранитель, в конструкции которого предусмотрены две функционально значимые части:

  • вентиль аварийного сброса используется в экстремальных ситуациях;
  • разрывной диск, принцип работы которого заключается в активации при показателе давления в 60 psi, обеспечивая сохранность системы.

Особое внимание следует уделить качественному отводу тепла. Для этой цели подбирается наиболее холодная свеча.

Категорически запрещается использовать платиновые наконечники для свечей. Этот материал является мощным катализатором, способствующим реакции кислорода с водородом.

Электрическая начинка

В качестве импульсного генератора, регулирующего продолжительность и частоту импульса, рекомендуется использовать таймер 555. В микросхеме двигателя на водороде должно быть два таких прибора. При этом конденсаторы первого из них обязаны обладать большей ёмкостью Включение второго генератора происходит с выхода третьей частоты первого таймера.

Резисторы на 220 и 820 Ом соединяются с третьим выходом второго прибора 555. Для получения силы тока требуемой величины используется транзистор. Его защита возложена на диод 1N4007, чем поддерживается нормальное функционирование всей системы.

Заключение

Вполне вероятно, в ближайшем будущем подавляющее большинство транспортных средств будет комплектоваться водородными двигателями. Поскольку кругооборот воды в природе сделал этот материал практически неистощимым, и процесс её добычи не вызывает никаких трудностей, экономия становится очевидной.

Помимо того, главными преимуществами таких агрегатов считаются сокращение потребления бензина и сохранность окружающей среды благодаря абсолютной экологической безопасности.

Несмотря на то, что характеристики самодельного мотора, использующего водородное топливо в качестве источника питания, несколько уступают заводским моделям, отечественные умельцы могут по праву гордиться собственноручным творением.

Как работают водородные автомобили » 1Gai.Ru

Водородные автомобили: Принцип действия.

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

 

Смотрите также: Автомобили и экология: Запретят ли автомобили?

 

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

 

Принцип работы

Это химическая реакция происходящая в водородном топливном элементе.

 

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

 

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

 

Преимущества

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

 

Смотрите также: Водород в автомобилях: Опасности и сложности использования

 

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

 

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

 

Недостатки

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Откуда же берут водород?

 

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

 

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

 

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

 

Смотрите также: Почему двигатели V4 редко встречаются в автомобилях?

 

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

 

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

 

Какие водородные автомобили сегодня продаются на мировом авторынке?

 

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Вывод

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

Как работают водородные двигатели? (с изображением)

Водородные двигатели считаются многими отличной альтернативой двигателям, работающим на ископаемом топливе. Есть два типа водородных двигателей, и их мощность зависит от разных принципов. Двигатели, работающие на водороде, работают аналогично двигателям внутреннего сгорания, работающим на нефти. Двигатель на водородных топливных элементах работает, смешивая водород и кислород, вырабатывая электричество во время химической реакции.

Вместо ископаемого топлива для двигателей можно использовать водород.

Водородные двигатели внутреннего сгорания аналогичны другим двигателям внутреннего сгорания, за исключением того, что в них используется водород вместо ископаемого топлива, что упрощает преобразование производственного процесса с нефтяных горелок на водородные двигатели. Эти водородные двигатели сжигают жидкий водород для перемещения поршней и выработки энергии. Водород обеспечивает высокую энергию без вредных выхлопов.

Однако у водородного двигателя внутреннего сгорания есть некоторые ограничения, которые делают его непрактичным.Чтобы сохранить достаточно топлива, чтобы его можно было использовать, водород должен храниться в жидкой форме, что требует охлаждения до чрезвычайно низких температур. Такая низкая температура может привести к деформации и растрескиванию не только топливного бака, но и любой окружающей конструкции. Изоляция и усиление транспортного средства, способного противостоять этим температурам, повышает стоимость производства до недопустимых уровней.

Альтернативой этой модели является модель топливного элемента.Водород и кислород смешиваются внутри топливного элемента, образуя воду. Эта химическая реакция также высвобождает электричество, которое можно накапливать и использовать для питания двигателя. Вода - единственный выхлоп, производимый этим двигателем, что делает его хорошим вариантом для снижения загрязнения воздуха.

Внутри топливного элемента сжатый газообразный водород проходит через катализатор с платиновым покрытием, где электроны отводятся, генерируя электричество и создавая положительные ионы водорода. Кислород, вводимый в ячейку через катод, связывается с ионами, образуя воду. Затем эта вода может быть выпущена как выхлоп. Энергии, генерируемой одним топливным элементом, будет недостаточно для питания транспортного средства, но для обеспечения достаточной энергии можно соединить несколько элементов.

Существуют также ограничения для водородных двигателей на топливных элементах.Они исключительно хрупкие и могут быть недостаточно прочными, чтобы выдержать использование в автомобиле. В их конструкции используются дорогие компоненты и драгоценные металлы, такие как платина, что увеличивает стоимость производства.

Топливные элементы также склонны к замерзанию, особенно перед запуском. После запуска водородного двигателя в результате химического процесса вырабатывается достаточно тепла, чтобы клетки не замерзли.Однако они не выделяют столько тепла, как двигатели внутреннего сгорания, а двигателям на топливных элементах требуется значительно больше времени для прогрева.

Как работают водородные двигатели?

.bs-pinning-wrapper> .bs-pinning-block, body.page-layout-1-col .boxed.site-header.header-style-6 .content-wrap> .bs-pinning-wrapper>.bs-pinning-block, body.page-layout-1-col .boxed.site-header.header-style-8 .content-wrap> .bs-pinning-wrapper> .bs-pinning-block, body.page- layout-1-col.boxed .main-wrap, .page-layout-2-col-right .container, .page-layout-2-col-right .content-wrap, body.page-layout-2-col- right.boxed .main-wrap, .page-layout-2-col-left .container, .page-layout-2-col-left . content-wrap, body.page-layout-2-col-left.boxed. main-wrap, .page-layout-1-col .bs-vc-content> .vc_row, .page-layout-1-col .bs-vc-content> .vc_vc_row, .page-layout-1-col.bs-vc-content .vc_row [data-vc-full-width = true]>. bs-vc-wrapper, .footer-instagram.boxed, .site-footer.boxed, .page-layout-1-col .bs -vc-content> .vc_row.vc_row-has-fill .upb-background-text.vc_row {max-width: 1180px} @media (min-width: 768px) {. layout-2-col .content-column {width : 67%}} @ media (min-width: 768px) {. Layout-2-col .sidebar-column {width: 33%}} @ media (min-width: 768px) {. Layout-2-col.layout -2-col-2 .content-column {left: 33%}} @ media (min-width: 768px) {. Rtl .layout-2-col.layout-2-col-2 .content-column {left: наследование; право: 33%}} @ media (min-width: 768px) {.layout-2-col.layout-2-col-2 .sidebar-column {right: 67%}} @ media (min-width: 768px) {. rtl .layout-2-col.layout-2-col-2 .sidebar-column {справа: наследование; слева: 67%}} @ media (max-width: 1270px) {. page-layout-1-col .bs-sks .bs-sksitem, . page-layout-2-col -right .bs-sks .bs-sksitem, .page-layout-2-col-left .bs-sks .bs-sksitem {display: none! important}}. page-layout-3-col-0 .container, .page-layout-3-col-0 .content-wrap, body.page-layout-3-col-0.boxed .main-wrap, .page-layout-3-col-1 .container, .page-layout. -3-col-1. Упаковка-содержимое, тело.page-layout-3-col-1.boxed .main-wrap, .page-layout-3-col-2 .container, .page-layout-3-col-2 .content-wrap, body.page-layout- 3-col-2.boxed .main-wrap, .page-layout-3-col-3 .container, .page-layout-3-col-3 .content-wrap, body.page-layout-3-col- 3. в коробке .main-wrap, .page-layout-3-col-4 .container, .page-layout-3-col-4 .content-wrap, body.page-layout-3-col-4.boxed. main-wrap, .page-layout-3-col-5 .container, .page-layout-3-col-5 .content-wrap, body.page-layout-3-col-5.boxed .main-wrap, .page-layout-3-col-6 .container ,.page-layout-3-col-6 .content-wrap, body.page-layout-3-col-6.boxed .main-wrap, body.boxed.page-layout-3-col .site-header.header- style-5 .content-wrap> .bs-pinning-wrapper> . bs-pinning-block, body.boxed.page-layout-3-col .site-header.header-style-6 .content-wrap> .bs -pinning-wrapper> .bs-pinning-block, body.boxed.page-layout-3-col .site-header.header-style-8 .content-wrap> .bs-pinning-wrapper> .bs-pinning- блок, .layout-3-col-0 .bs-vc-content> .vc_row, .layout-3-col-0 .bs-vc-content> .vc_vc_row, .layout-3-col-0.bs-vc-content .vc_row [data-vc-full-width = true]>. bs-vc-wrapper, .layout-3-col-0 .bs-vc-content> .vc_row.vc_row-has-fill. upb-background-text.vc_row {max-width: 1300px} @media (min-width: 1000px) {. layout-3-col .content-column {width: 58%}} @ media (min-width: 1000px) {.layout-3-col .sidebar-column-primary {width: 25%}} @ media (min-width: 1000px) {. layout-3-col .sidebar-column-secondary {width: 17%}} @ media (max-width: 1000px) и (min-width: 768px) {. layout-3-col .content-column {width: 67%}} @ media (max-width: 1000px) и (min-width: 768px ) {.layout-3-col .sidebar-column-primary {width: 33%}} @ media (max-width: 768px) и (min-width: 500px) {. layout-3-col .sidebar-column-primary {width : 54%}} @ media (max-width: 1390px) {. Page-layout-3-col-0 .bs-sks .bs-sksitem, .page-layout-3-col-1 .bs-sks .bs -sksitem, .page-layout-3-col-2 .bs-sks .bs-sksitem, .page-layout-3-col-3 .bs-sks .bs-sksitem, .page-layout-3-col- 4 .bs-sks .bs-sksitem, .page-layout-3-col-5 .bs-sks .bs-sksitem, .page-layout-3-col-6 .bs-sks .bs-sksitem {display: none! important}} @ media (min-width: 1000 пикселей) {.layout-3-col-2 .sidebar-column-primary {left: 17%}} @ media (min-width: 1000px) {. rtl .layout-3-col-2 .sidebar-column-primary {left: наследовать ; right: 17%}} @ media (min-width: 1000px) {. layout-3-col-2 .sidebar-column-secondary {right: 25%}} @ media (min-width: 1000px) {. rtl .layout-3-col-2 .sidebar-column-secondary {right: inherit; left: 25%}} @ media (min-width: 1000px) {. layout-3-col-3 .content-column {left: 25%}} @ media (min-width: 1000px) {. Rtl .layout-3-col-3 .content-column {left: inherit; right: 25%}} @ media (min-width: 1000px) {. макет-3-col-3. sidebar-column-primary {right: 58%}} @ media (min-width: 1000px) {. rtl .layout-3-col-3 .sidebar-column-primary {right: inherit; left: 58%}} @ media (min-width: 1000px) {. layout-3-col-4 .content-column {left: 17%}} @ media (min-width: 1000px) {. rtl .layout-3-col-4 .content -column {left: inherit; right: 17%}} @ media (min-width: 1000px) {. layout-3-col-4 .sidebar-column-primary {left: 17%}} @ media (min-width : 1000px) {. Rtl .layout-3-col-4 .sidebar-column-primary {left: inherit; right: 17%}} @ media (min-width: 1000px) {. Layout-3-col-4. sidebar-column-secondary {right: 83%}} @ media (min-width: 1000 пикселей) {.rtl .layout-3-col-4 .sidebar-column-secondary {right: inherit; left: 83%}} @ media (min-width: 1000px) {. layout-3-col-5 .content-column {left : 42%}} @ media (min-width: 1000px) {. Rtl .layout-3-col-5 .content-column {left: inherit; right: 42%}} @ media (min-width: 1000px) { .layout-3-col-5 .sidebar-column-primary {right: 58%}} @ media (min-width: 1000px) {. rtl .layout-3-col-5 . sidebar-column-primary {right: наследовать; left: 58%}} @ media (min-width: 1000px) {. layout-3-col-5 .sidebar-column-secondary {right: 58%}} @ media (min-width: 1000px) {. rtl.layout-3-col-5 .sidebar-column-secondary {right: inherit; left: 58%}} @ media (min-width: 1000 пикселей) {. layout-3-col-6 .content-column {left: 42 %}} @ media (min-width: 1000px) {. rtl .layout-3-col-6 .content-column {left: inherit; right: 42%}} @ media (min-width: 1000px) {. layout -3-col-6 .sidebar-column-primary {right: 41%}} @ media (min-width: 1000px) {. Rtl .layout-3-col-6 .sidebar-column-primary {право: наследовать; left: 41%}} @ media (min-width: 1000px) {. layout-3-col-6 .sidebar-column-secondary {right: 83%}} @ media (min-width: 1000px) {. rtl. макет-3-col-6.sidebar-column-secondary {right: inherit; left: 83%}} @ media (max-width: 1000px) и (min-width: 768px) {. layout-3-col-3 .content-column, .layout- 3-col-5 .content-column, .layout-3-col-6 .content-column {left: 33%}} @ media (max-width: 1000px) и (min-width: 768px) {. Rtl. layout-3-col-3 .content-column, .rtl .layout-3-col-5 .content-column, .rtl .layout-3-col-6 .content-column {слева: наследовать; справа: 33% }} @ media (max-width: 1000px) и (min-width: 768px) {. layout-3-col-3 .sidebar-column-primary, .layout-3-col-5 .sidebar-column-primary, .layout-3-col-6 .sidebar-column-primary {right: 67%}} @ media (max-width: 1000px) и (min-width: 768px) {. rtl .layout-3-col-3 .sidebar -column-primary, .rtl .layout-3-col-5 .sidebar-column-primary, .rtl .layout-3-col-6 .sidebar-column-primary {right: inherit; left: 67%}}. col-xs-1, .col-sm-1, .col-md-1, .col-lg-1, .col-xs-2, .col-sm-2, .col-md-2, .col -lg-2, .col-XS-3, .col-sm-3, .col-md-3, .col-lg-3, .col-XS-4, .col-sm-4, .col- md-4, .col-lg-4, .col-xs-5, .col-sm-5, .col-md-5, .col-lg-5, .col-xs-6, .col-sm -6, .col-md-6, .col-lg-6, .col-xs-7,.col-sm-7, .col-md-7, .col-lg-7, .col-xs-8, .col-sm-8, .col-md-8, .col-lg-8, .col -xs-9, .col-sm-9, .col-md-9, .col-lg-9, .col-xs-10, .col-sm-10, .col-md-10, .col- LG-10, . col-XS-11, .col-sm-11, .col-md-11, .col-lg-11, .col-XS-12, .col-sm-12, .col-md -12, .col-lg-12, .vc_row .vc_column_container> .vc_column-inner, .container, .vc_column_container.vc_column_container {padding-left: 24px; padding-right: 24px} .vc_row.wpb_row, .row, .bs -vc-content .vc_row.vc_row-no-padding [data-vc-stretch-content = "true"] {margin-left: -24px; margin-right: -24px}.vc_row.vc_inner {margin-left: -24px! important; margin-right: -24px! important} .widget, .entry-content .better-studio-shortcode, .better-studio-shortcode, .bs-shortcode, .bs -listing, .bsac, .content-column> div: last-child, .slider-style-18-container, .slider-style-16-container, .slider-style-8-container, .slider-style-2 -container, .slider-style-4-container, .bsp-wrapper, .single-container, .content-column> div: last-child, .vc_row .vc_column-inner .wpb_content_element, .wc-account-content-wrap , .order-customer-detail, .order-detail-wrap {margin-bottom: 48px}.заголовок-архива {margin-bottom: 32px} .layout-1-col, . layout-2-col, .layout-3-col {margin-top: 35px} .layout-1-col.layout-bc-before, .layout-2-col.layout-bc-before, .layout-3-col.layout-bc-before {margin-top: 24px} .bs-vc-content> .vc_row.vc_row-fluid.vc_row-has- fill: first-child, .bs -isting.bs -isting-products .bs-slider-controls, .bs -isting.bs -isting-products .bs-pagination {margin-top: -35px! important} .vc_col- has-fill> .bs-vc-wrapper, .vc_row-has-fill + .vc_row-full-width + .vc_row> .bs-vc-wrapper> .wrapper-sticky> .bs-vc-column>.bs-vc-wrapper, .vc_row-has-fill + .vc_row-full-width + .vc_row> .bs-vc-wrapper> .bs-vc-column> .bs-vc-wrapper, .vc_row-has-fill + .vc_row > .bs-vc-wrapper> .bs-vc-column> .bs-vc-wrapper, .vc_row-has-fill + .vc_row> .bs-vc-wrapper> .wrapper-sticky> .bs-vc-column> .bs-vc-wrapper, .vc_row-has-fill + .vc_row> .wpb_column> .bs-vc-wrapper, .vc_row-has-fill> .bs-vc-wrapper> .vc_column_container> .bs-vc-wrapper, .vc_row-has-fill> .wpb_column> .bs-vc-wrapper {padding-top: 40px! important} .vc_row-has-fill .wpb_wrapper> . bsp-wrapper: last-child ,.vc_col-has-fill .wpb_wrapper> .bsp-wrapper: last-child, .vc_row-has-fill .wpb_wrapper> .bs -isting: last-child, .vc_col-has-fill .wpb_wrapper> .bs -isting: last -child, .main-section, # bbpress-forum # bbp-search-form, .vc_row-has-fill .wpb_wrapper> .bsac: last-child, .vc_col-has-fill .wpb_wrapper> .bsac: last-child , .vc_row-has-fill .wpb_wrapper> .bs-shortcode: last-child, .vc_col-has-fill .wpb_wrapper> .bs-shortcode: last-child, .vc_row-has-fill .wpb_wrapper> .better-studio -shortcode: last-child, .vc_col-has-fill .wpb_wrapper>.better-studio-shortcode: last-child {margin-bottom: 40px} .bs-листинг-modern-grid -isting-3.bs -isting {margin-bottom: 24px! important} .vc_row-has-fill .wpb_wrapper> .bs -isting-modern-grid -isting-3.bs -isting: last-child {margin-bottom: 20px! important} .single-container> .post-author, .post-related, .post-related + .comments -template, .post-related + .single-container, .post-related + .ajax-post-content, .comments-template, .comment-response. comments-template, .bsac.adloc-post-before-author, .woocommerce -page div.produ]]>

водородных автомобилей или электромобилей? - Будущее автомобильной промышленности

Хотя большинство людей не сомневаются в том, что автомобили на альтернативном топливе заменят бензиновые и дизельные двигатели в ближайшем будущем, ученые все еще спорят, будут ли автомобили , электрические или водородные, сформируют будущее автомобильной промышленности в следующее десятилетие.

По мере ужесточения стандартов выбросов CO2 производители автомобилей обращаются либо к альтернативным видам топлива, используя передовые технологии, такие как рециркуляция выхлопных газов (EGR), либо даже к подделке своих показателей с помощью специального программного обеспечения. Поскольку последний вариант может привести к тюремному заключению, как в случае с Volkswagen, водородные и электрические автомобили кажутся подходящим способом соответствовать политике ЕС по выбросам CO2. Вопрос в том, какие типы автомобилей будут доминировать на рынке? Это исследование сравнения электромобилей на топливных элементах и ​​аккумуляторных батареях.

Принцип работы

В то время как Volvo планирует через год сосредоточиться исключительно на электромобилях, KIA стремится стать мировым лидером в производстве автомобилей на топливных элементах (FCEV). Почему эти автопроизводители предпочитают разные подходы? Илон Маск, основатель Tesla, не является поклонником водородных двигателей. Он называет топливные элементы «глупыми элементами» и говорит о более высоких потерях электроэнергии в FCEV по сравнению с простым использованием электричества для зарядки батарей, как в случае с электромобилями. Однако такие производители автомобилей, как Honda, Toyota и Hyundai, все еще работают над своими технологиями FCEV.Чтобы лучше понять преимущества и недостатки электрических и водородных двигателей, мы должны сначала узнать, как работает каждый тип двигателей.

Как работают водородные автомобили?


Топливные элементы сочетают в себе характеристики традиционных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателей. Как и ДВС, водородные двигатели вырабатывают энергию из топлива. Однако FCEV полагаются на химическую реакцию водорода и кислорода, а не на сжигание топлива в цилиндрах. Реакция 2h3 + O2 = h3O приводит к выделению чистой воды в виде выбросов, в отличие от CO2 в транспортных средствах с ДВС, и электричества, которое дополнительно приводит в действие электродвигатель.Для работы FCEV используют водород из резервуаров и кислород из атмосферы. В отличие от двигателей на основе литий-ионных аккумуляторов, топливные элементы никогда не разряжаются. Они продолжают вырабатывать электричество, пока резервуар не опустеет, вместо того, чтобы постоянно истощать химические вещества в батареях.

Как работает водородный двигатель:

  1. Газообразный водород (h3) перемещается из резервуара к положительному выводу по трубе от резервуара (здесь показаны большие коричневые капли). Бак должен быть достаточно надежным, чтобы избежать взрыва водорода.
  2. Кислород (O2) из ​​воздуха (большие бирюзовые капли) перемещается к отрицательной клемме.
  3. Как катализатор, сделанный из платины, отрицательный вывод (анод) (красный) ускоряет химическую реакцию расщепления атомов водорода на положительно заряженные частицы, называемые протонами, и отрицательно заряженные электроны.
  4. Электроны движутся к положительному выводу (катоду) через электролит (желтый), поскольку отрицательные частицы притягивают положительные.
  5. В катоде происходит химическая реакция h3 и O2.
  6. Электроэнергия, выделяемая в результате этой реакции, приводит в действие электродвигатель (оранжевый и черный).
  7. Протоны движутся к катоду альтернативным путем. Затем они рекомбинируют с кислородом, чтобы превратиться в воду.
  8. Вода выходит через выхлопную трубу в виде водяного пара или пара.

Как работают электромобили?


В отличие от ДВС, электродвигатели получают питание от литий-ионных аккумуляторов, установленных в автомобиле в основном под сиденьями. Помимо питания двигателя, энергия от аккумуляторов позволяет функционировать всей электронике и электрике автомобиля. Например, фары и дворники используют электричество от этих батарей, в то время как автомобили на базе ДВС используют определенную батарею для питания этих систем.

Три основных компонента делают возможным запуск электромобилей. Их:

  • аккумулятор,
  • Электродвигатель
  • ,
  • и контроллер.

Как работает электродвигатель:

  1. Водитель включает машину.
  2. Аккумулятор передает ток на контроллер.
  3. Контроллер получает электричество.
  4. Контроллер преобразует постоянный ток 300 В в переменный ток около 240 В, расходный для электродвигателей.
  5. Контроллер передает двухфазную электроэнергию на электродвигатель.
  6. Двигатель преобразует мощность в механическую энергию.

Эта механическая энергия позволяет автомобилю двигаться.Чтобы двигаться быстрее, автомобиль должен «сказать» контроллеру, какую мощность он должен выдавать. Для этого в электромобилях к контроллеру и акселератору подключены регулируемые потенциометры. Когда водитель нажимает на педаль акселератора, потенциометры получают от педали информацию о том, сколько электричества необходимо автомобилю, чтобы работать быстрее, и передает эти данные в контроллер. Чем сильнее водитель нажимает на педаль акселератора, тем большую мощность контроллер передает на электродвигатель.

Сравнение

На данный момент электромобили намного популярнее автомобилей на топливных элементах.Агентство маркетинговых исследований Statista сообщает, что в 2017 году в США было продано почти 200000 электромобилей по сравнению с 6000 FCEV, проданных по всему миру с момента их запуска, согласно данным Information Trends. Так или иначе, и у электромобилей, и у водородных автомобилей есть свои плюсы и минусы. В следующих абзацах мы рассмотрим преимущества автомобилей на топливных элементах по сравнению с аккумулятором.

Экологичность

Как электрические, так и водородные автомобили производят нулевые выбросы CO2, что делает их экологически чистыми. Однако их истинное негативное влияние заключается в том, как заводы производят эти виды топлива.

Водород можно производить различными способами, но основные методы следующие:

  • паровой риформинг
  • с использованием воды (электролиз, радиолиз, термолиз и т. Д.)
  • с использованием ископаемого топлива

Дело в том, что и водород, и электричество можно получить экологически чистым способом, например, используя возобновляемые источники и электролиз воды. К сожалению, только 4% от общего объема водорода производится посредством электролиза, а остальная часть получается при сжигании нефти, газа и угля.Поэтому Shell решила построить электролизный завод. Они стремятся к тому, чтобы 80% своего водорода оставались зелеными. То же самое и с производством электроэнергии. 67% электроэнергии получают за счет сжигания торфа, угля, нефти и газа. Все эти методы приводят к выбросам CO2.

К тому же современные технологии производства аккумуляторов далеки от экологичности. Производство электромобилей вдвое больше способствует проблеме глобального потепления и требует вдвое больше энергии, чем производство автомобилей с ДВС.

Вот почему и FCEV, и электромобили должны стать экологически чистыми, как только они выезжают на дорогу. Не совсем. Шотландские исследователи из Эдинбургского университета обнаружили, что движущиеся электромобили приводят к выбросу в окружающую среду гораздо большего количества твердых частиц, чем автомобили с ДВС. Эти частицы более опасны, чем выбросы CO2, и включают куски шин и битум с дороги.

Причина тому в весе электромобилей.По данным автомобильного сайта Jalopnik, они на 24% тяжелее традиционных автомобилей. Например, Tesla Model S весит 2100 кг по сравнению с BMW 7-Series того же класса с его 1700 кг. С другой стороны, Hyundai Nexo на топливных элементах весит более 1300 кг, в то время как аналогичный Kia Sportage с двигателем внутреннего сгорания весит более 1400 кг.

Таким образом, поскольку электромобили (EV) имеют более тяжелые батареи, чем автомобили на топливных элементах, FCEV более экологичны, чем электромобили.

Топливная эффективность

Традиционные двигатели внутреннего сгорания имеют термодинамический КПД 20-25%, в то время как КПД водородных топливных элементов составляет 60% по сравнению с 75%, когда речь идет об электромобилях.

Заправка


Заправка топливом - одно из основных преимуществ транспортных средств на топливных элементах перед электромобилями. Заправка водородного автомобиля очень похожа на заправку автомобиля с ДВС. По крайней мере, в обоих случаях весь процесс занимает пару минут, в отличие от электромобилей. Несмотря на то, что существуют нагнетатели, способные зарядить автомобильные аккумуляторы на 80% за 20 минут, это все равно слишком долгий процесс. Например, чтобы полностью зарядить Tesla Model S от домашней розетки, вам понадобится около 9.5 часов.

Стоимость топлива

Стоимость электроэнергии - одно из главных преимуществ электромобилей. Граждане США платят в среднем 0,12 доллара за 1 киловатт в час. Таким образом, чтобы зарядить Tesla Model 3, вам нужно заплатить всего около 10 долларов за расстояние более 300 миль.

С другой стороны, водород стоит около 4,50 долларов за кг. Это в несколько раз больше, чем у традиционного бензина. Однако Toyota Mirai сжигает около 1 кг на 100 км. Принимая во внимание топливную эффективность FCEV, заправка автомобиля на водороде стоит меньше, чем заправка автомобиля на базе двигателя внутреннего сгорания, но все же больше, чем электричество для электромобилей.

Стоимость авто

Автомобили как на электрических, так и на гидро топливных элементах дороже своих аналогов с ДВС. Например, Volkswagen Golf стоит от 20000 долларов в США, а цена на электрический e-Golf начинается от 30000 долларов. С другой стороны, Hyundai Nexo стоит 64000 долларов, а цена Kia Sportage с двигателем ICE начинается от 22000 долларов. Однако, по данным CNET, после государственных субсидий цены на Nexo могут упасть примерно до 31 000 долларов.

Причина, по которой автомобили на топливных элементах такие дорогие, заключается в стоимости технологий.Д-р Сае-Хун Ким, руководитель отдела исследований и разработок Hyundai / Kia, утверждает, что компании работают над снижением стоимости технологии FCEV. Он также добавил, что стоимость значительно снизится и станет конкурентоспособной по сравнению с традиционными ценами на автомобили, когда технология получит широкое распространение.

Несмотря на то, что многие страны, такие как Китай и Япония, поддерживают развитие экологичного транспорта и субсидируют покупку экологически чистых транспортных средств, стоимость как электрических, так и водородных автомобилей по-прежнему высока, хотя электромобили более доступны, чем FCEV.

Диапазон

Диапазон - единственный ценный фактор, когда электромобили хуже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, в отличие от автомобилей на топливных элементах, которые могут преодолевать почти те же расстояния, что и автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Например, Hyundai Nexo имеет запас хода около 500 миль, в то время как модель Tesla S 90d имеет запас хода всего 320 миль. Стоит отметить, что последняя машина в два раза дороже Nexo.

Помня об этом преимуществе FCEV, правительства и компании внедряют автомобили на тяжелых топливных элементах, такие как автобусы и поезда.Например, правительство Германии разрешило коммерческое использование поездов Coradia iLint на водороде. Польская компания PKP Cargo и угольная компания JSW объединились для разработки инновационных решений, направленных на снижение энергопотребления и воздействия на окружающую среду за счет использования водородного топлива. В Южной Корее автобусы на топливных элементах перевозят пассажиров.

В то время как электромобили - это в основном компактные городские и спортивные автомобили, несмотря на то, что Илон Маск недавно представил свой грузовик Tesla Semi с пробегом всего 300 и 500 миль для различных моделей, водород может стать основным типом топлива для фургонов, внедорожников, грузовики и автопарк.

Безопасность

Когда речь идет о топливных элементах и ​​безопасности батарей, те, кто говорит, что автомобили на топливных элементах опасны, часто ссылаются на катастрофу в Гинденбурге, произошедшую в 1937 году. Заправленный водородом дирижабль Гинденбург загорелся, что привело к гибели 36 человек. На самом деле горючий h3 менее опасен, чем бензин. 17 автомобилей с ДВС загораются каждый час в США. Что касается электромобилей, то они также безопаснее традиционных автомобилей, поскольку не используют ископаемое топливо.Хотя есть случаи, когда Tesla загорается, это вряд ли говорит что-то негативное о безопасности электромобилей. И электромобили, и автомобили FCEV обеспечивают высокий уровень безопасности водителя и пассажиров.

Надежность

У электромобилей

мало движущихся частей по сравнению с обычными автомобилями, поэтому они редко нуждаются в ремонте, кроме подвески, колес и тормозов, как и в автомобилях на топливных элементах. Однако батареи дороги и имеют один существенный недостаток: со временем они теряют свою емкость. Например, аккумулятор Nissan Leaf теряет 20% своей емкости за 5 лет. Кроме того, электродвигатели менее эффективны в холодную погоду. Они потребляют больше энергии, когда температура опускается ниже нуля, в то время как холодная погода не влияет ни на производительность, ни на дальность действия FCEV.

Инфраструктура

Одна из основных причин, по которой электромобили более популярны, чем автомобили на топливных элементах, заключается в инфраструктуре заправочных станций, а также в возможности заряжать автомобильный аккумулятор, подключившись к домашней розетке.В случае с FCEV вы не можете просто вставить трубу от вашей ванны в резервуар Mirai.

Statista сообщает, что по данным Министерства энергетики США, в США насчитывается около 62000 станций и точек зарядки электромобилей по сравнению с 39 общедоступными водородными заправочными станциями на январь 2018 года. Только с расширением инфраструктуры водородных заправочных станций FCEV могут составить конкуренцию электромобилям.

Топливные элементы и аккумуляторные автомобили

Метрика / Тип автомобиля Экологичность Топливная эффективность Заправка Стоимость топлива Стоимость авто Диапазон Безопасность Надежность Инфраструктура
Электромобили 75% 8-10 часов 0 руб.12/1 кВтч ≈500 мл 62000 зарядных устройств
Водородные автомобили 60% 3 мин. $ 4.50 / 1 кг ≈300 мл 39 станций

Toyota лидирует на рынке автомобилей на водородных топливных элементах: с 2015 года было продано более 3000 автомобилей Toyota Mirai. Это почти 50% всех продаж FCEV. Однако в ближайшие пять лет автомобили на топливных элементах вряд ли будут конкурировать с электромобилями.Отсутствие заправочных станций и высокая стоимость отталкивают водителей от покупки водородных автомобилей. Владение Honda Clarity в настоящее время означает, что вы можете проехать только несколько определенных маршрутов, а с Tesla вам просто нужно рассчитать свои мили, чтобы добраться до следующего доступного зарядного устройства или домашней розетки.

Ни FCEV, ни электромобили не являются идеальным выбором, поскольку оба типа автомобилей имеют свои преимущества и недостатки. Однако доступ к дешевой электроэнергии из дома является одним из основных факторов, по которым клиенты предпочитают электромобили перед водородными автомобилями.По данным Forbes, Renault-Nissan - ведущий производитель электромобилей в мире. В первом квартале 2017 года они продали почти 37000 электромобилей, из которых 15742 Nissan Leaf были куплены потребителями по сравнению с 13450 автомобилями Tesla Model S, проданными за тот же период.

Электромобили не смогут полностью заменить FCEV с рынка, поскольку нельзя игнорировать надежность, запас хода и преимущества водородных автомобилей. Автомобили на топливных элементах займут свою нишу автомобилей, нацеленных на большие расстояния, в то время как электромобили останутся популярными как средство компактных повседневных городских и спортивных автомобилей.

Водородный автомобиль - Infogalactic: ядро ​​планетарных знаний

Toyota Mirai 2015 года - один из первых автомобилей на водородных топливных элементах, которые будут проданы на коммерческой основе. Mirai основан на концептуальном автомобиле Toyota FCV (на фото). [1]

Автомобиль на водороде - это транспортное средство, в котором водород используется в качестве бортового топлива в качестве движущей силы. Водородные транспортные средства включают космические ракеты, работающие на водороде, а также автомобили и другие транспортные средства. Силовые установки таких транспортных средств преобразуют химическую энергию водорода в механическую энергию либо путем сжигания водорода в двигателе внутреннего сгорания, либо путем реакции водорода с кислородом в топливном элементе для работы электродвигателей.Широкое использование водорода в качестве топлива для транспорта является ключевым элементом предлагаемой водородной экономики. [2]

Водородное топливо не встречается на Земле в природе и поэтому не является источником энергии; скорее это энергоноситель. По состоянию на 2014 год 95% водорода производится из метана. Его можно производить из возобновляемых источников, но это дорогостоящий процесс. [3] Интегрированные ветро-водородные (энергия в газ) установки, использующие электролиз воды, изучают технологии, позволяющие обеспечить достаточно низкие затраты и достаточно большие количества, чтобы конкурировать с традиционными источниками энергии. [4]

Многие компании работают над разработкой технологий, которые могли бы эффективно использовать потенциал водородной энергии для использования в автомобилях. По состоянию на ноябрь 2013 г. [обновление] имеется демонстрационный парк автомобилей на водородных топливных элементах, проходящих полевые испытания, включая топливный элемент Chevrolet Equinox, Honda FCX Clarity, Hyundai ix35 FCEV и Mercedes-Benz B-Class F-Cell. [5] Недостатками использования водорода являются высокая интенсивность выбросов углерода при его производстве из природного газа, бремя капитальных затрат, низкое энергосодержание на единицу объема, низкая производительность транспортных средств на топливных элементах по сравнению с автомобилями на бензине, производство и сжатие водорода и большие инвестиции в инфраструктуру, которые потребуются для заправки транспортных средств. [5] [6] [7]

Транспортные средства

Honda FCX Clarity, демонстрационный автомобиль на водородных топливных элементах, представленный в 2008 году

Автобусы, поезда, велосипеды PHB, катера, грузовые велосипеды, тележки для гольфа, мотоциклы, инвалидные коляски, корабли, самолеты, подводные лодки и ракеты уже могут работать на водороде в различных формах. НАСА использовало водород для запуска космических кораблей в космос. Рабочая игрушечная машинка работает на солнечной энергии, используя регенеративный топливный элемент для хранения энергии в виде водорода и кислорода.Затем он может преобразовать топливо обратно в воду, чтобы высвободить солнечную энергию. [8] С момента появления гидравлического разрыва пласта основной проблемой для защитников окружающей среды с автомобилями на водородных топливных элементах является путаница со стороны потребителей и государственной политики, которая может привести к внедрению водородных транспортных средств, работающих на природном газе, с тяжелыми скрытыми выбросами в ущерб экологически чистому транспорту. [7]

Текущий рекорд наземной скорости для водородного транспортного средства составляет 286,476 миль в час (461.038 км / ч), установленный Buckeye Bullet 2 из Университета штата Огайо, который в августе 2008 года достиг скорости 280,007 миль в час (450,628 км / ч) на солончаках Бонневилля. Для серийных автомобилей модель Текущий рекорд для автомобилей с водородным двигателем - 333,612 км / ч - 207,297 миль в час, установленный прототипом гоночного автомобиля Ford Fusion Hydrogen 999 на топливных элементах на соляных равнинах Бонневилля в Вендовере, штат Юта, в августе 2007 года. баллон со сжатым кислородом для увеличения мощности. [9]

Автомобили

Toyota запустила свой первый серийный автомобиль на топливных элементах Toyota Mirai в Японии в конце 2014 года и начала продажи в Калифорнии, в основном в районе Лос-Анджелеса, в 2015 году. [10] Автомобиль имеет запас хода 312 миль (502 км), а заправка водородного бака занимает около пяти минут. Первоначальная цена продажи в Японии составляла около 7 миллионов иен (69 000 долларов). [11] По оценке бывшего президента Европарламента Пэт Кокс, Toyota сначала потеряет около 100 000 долларов с каждой проданной Mirai. [12]

Многие автомобильные компании изучали возможность коммерческого производства водородных автомобилей, а некоторые представили демонстрационные модели в ограниченном количестве (см. Список автомобилей на топливных элементах). [13] С 1980 года автомобильные компании делали многочисленные прогнозы относительно коммерциализации автомобилей FC. [10] [14] [15] На Всемирной конференции по водородной энергетике 2012 года компании Daimler AG, Honda, Hyundai и Toyota подтвердили планы по производству автомобилей на водородных топливных элементах для продажи к 2015 году. [16] Чарльз Фриз, исполнительный директор GM по глобальному проектированию силовых агрегатов, заявил, что компания считает, что автомобили на топливных элементах и ​​электромобили необходимы для сокращения выбросов парниковых газов и зависимости от нефти. [17] Использование водорода в качестве топлива в автомобиле проблематично из-за низкой плотности водорода. [18] [19] [20]

В 2012 году Lux Research, Inc. выпустила отчет, в котором говорилось: «Мечта о водородной экономике ... не ближе». В нем сделан вывод о том, что «капитальные затраты, а не поставка водорода, ограничат внедрение до 5,9 ГВт» к 2030 году, создав «почти непреодолимый барьер для внедрения, за исключением нишевых приложений». Анализ Lux пришел к выводу, что к 2030 году стационарный рынок PEM достигнет 1 миллиарда долларов, а рынок транспортных средств, включая автомобили и вилочные погрузчики, достигнет в общей сложности 2 миллиардов долларов. [21]

Автобусы

Основная статья: автобус на топливных элементах

Автобусы на топливных элементах (в отличие от автобусов на водородном топливе) испытываются несколькими производителями в разных местах. Автобусный клуб на топливных элементах - это глобальное сотрудничество по тестированию автобусов на топливных элементах.

Водород сначала хранился в резервуарах, установленных на крыше, хотя в моделях теперь имеются бортовые резервуары. В некоторых двухэтажных моделях используются резервуары между днищем.

Tata Motors и ISRO уже разработали водородный автобус, который проходит испытания в Индии.Ожидается, что автобус выйдет на дорогу в 2015 году.

Трамваи

В марте 2015 года China South Rail Corporation (CSR) продемонстрировала первый в мире трамвай на водородных топливных элементах на сборочном предприятии в Циндао. Главный инженер CSR Sifang Co Ltd., дочерней компании CSR, Лян Цзяньин сказал, что компания изучает, как снизить эксплуатационные расходы трамвая. [22] Всего в семи китайских городах проложено 83 мили гусениц для нового автомобиля. Китай планирует потратить 200 миллиардов юаней (32 миллиарда долларов) в течение следующих пяти лет на увеличение трамвайных путей до более чем 1200 миль. [23]

Велосипеды

Основная статья: PHB (велосипед)

Компания Pearl Hydrogen Power Sources из Шанхая, Китай, представила водородный велосипед на 9-й Китайской международной выставке газовых технологий, оборудования и приложений в 2007 году.

Мотоциклы и скутеры

ENV разрабатывает электрические мотоциклы, работающие на водородном топливном элементе, в том числе Crosscage и Biplane. Другие производители, такие как Vectrix, работают над водородными скутерами. [24] Наконец, производятся гибридные скутеры на водородном топливном элементе и электрическом двигателе, такие как скутер на топливных элементах Suzuki Burgman. [25] и FHybrid. [26] Бургман получил одобрение в ЕС для "типа транспортного средства". [27] Тайваньская компания APFCT провела уличное испытание 80 скутеров на топливных элементах для Тайваньского бюро энергетики. [28]

Квадроциклы и тракторы

Autostudi S.r.l H-Due [29] - квадроцикл с водородным двигателем, способный перевозить 1-3 пассажира. Предложена концепция трактора с водородным двигателем. [30]

Самолеты

Демонстрационный образец топливных элементов Boeing на водородном топливном элементе

Такие компании, как Boeing, Lange Aviation и Немецкий аэрокосмический центр, используют водород в качестве топлива для пилотируемых и беспилотных самолетов.В феврале 2008 года компания Boeing провела испытания пилотируемого полета небольшого самолета, работающего на водородном топливном элементе. Также прошли испытания беспилотные водородные самолеты. [31] Для больших пассажирских самолетов, однако, The Times сообщила, что «Боинг заявил, что водородные топливные элементы вряд ли будут приводить в действие двигатели больших пассажирских реактивных самолетов, но могут использоваться в качестве резервных или вспомогательных силовых установок на борту». [32]

В июле 2010 года компания Boeing представила свой беспилотный летательный аппарат Phantom Eye с водородным двигателем, оснащенный двумя двигателями внутреннего сгорания Ford, которые были преобразованы для работы на водороде. [33]

В Великобритании в реакционных двигателях A2 было предложено использовать термодинамические свойства жидкого водорода для достижения очень высокой скорости полета на большие расстояния (противоположные направления) путем сжигания его в предварительно охлажденном реактивном двигателе.

Вилочные погрузчики

Вилочный погрузчик HICE или погрузчик HICE - это промышленный вилочный погрузчик с приводом от двигателя внутреннего сгорания, работающий на водороде, используемый для подъема и транспортировки материалов. Первый серийный вилочный погрузчик HICE на базе Linde X39 Diesel был представлен на выставке в Ганновере 27 мая 2008 года.В нем использовался 2,0-литровый дизельный двигатель внутреннего сгорания мощностью 43 кВт (58 л.с.), преобразованный для использования водорода в качестве топлива с использованием компрессора и непосредственного впрыска. [34] [35]

Вилочный погрузчик на топливных элементах (также называемый погрузчиком для топливных элементов или вилочным погрузчиком для топливных элементов) - это промышленный вилочный погрузчик, работающий на топливных элементах. В 2013 году в США для погрузочно-разгрузочных работ использовалось более 4000 вилочных погрузчиков на топливных элементах. [36] Только 500 из них получили финансирование от Министерства энергетики в 2012 году. [37] [38] Мировой рынок составляет 1 миллион вилочных погрузчиков в год. [39] По состоянию на 2013 год [обновление] , парком топливных элементов управляет несколько компаний, включая Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (в Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark и Whole Foods) и HEB Бакалейные лавки. [40] В общей сложности 30 вилочных погрузчиков на топливных элементах с Hylift были продемонстрированы в Европе, а с HyLIFT-EUROPE их количество увеличилось до 200 единиц. [41] С другими проектами во Франции [42] [43] и Австрии. [44] В 2011 году компания Pike Research заявила, что к 2020 году вилочные погрузчики на топливных элементах станут крупнейшим драйвером спроса на водородное топливо. [45]

Большинство компаний в Европе и США не используют вилочные погрузчики с бензиновым двигателем, поскольку эти автомобили работают в помещениях, где выбросы должны контролироваться, и вместо этого используют вилочные электрические погрузчики. [39] [46] Вилочные погрузчики, работающие на топливных элементах, могут иметь преимущества по сравнению с вилочными погрузчиками с батарейным питанием, поскольку они могут работать в течение полной 8-часовой смены на одном баке водорода и могут быть заправлены за 3 минуты. Вилочные погрузчики с приводом от топливных элементов могут использоваться в холодильных складах, так как их производительность не ухудшается из-за низких температур.Блоки FC часто проектируются как заменяемые. [47] [48]

Ракеты

Многие большие ракеты используют жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя. Преимуществом водородного ракетного топлива является высокая эффективная скорость выхлопа по сравнению с двигателями керосин / LOX или UDMH / NTO. Согласно уравнению ракеты Циолковского, ракете с более высокой скоростью истечения требуется меньшая масса топлива для достижения заданного изменения скорости. Перед сгоранием водород проходит через охлаждающие трубы вокруг выхлопного сопла, чтобы защитить сопло от повреждения горячими выхлопными газами. [49] Также содержание энергии или удельная энергия водорода, рассчитанная по весу, является лучшим по сравнению с любым другим химическим накопителем энергии. [50] В сочетании с окислителем, таким как жидкий кислород, жидкий водород дает наивысший удельный импульс или эффективность по отношению к количеству израсходованного топлива из любого известного ракетного топлива. [51]


Недостатком двигателей Lh3 / LOX является низкая плотность и низкая температура жидкого водорода, что означает необходимость в больших и изолированных и, следовательно, более тяжелых топливных баках.Это увеличивает конструктивную массу ракеты, что значительно снижает ее дельта-v. Другим недостатком является плохая сохранность ракет с двигателями Lh3 / LOX: из-за постоянного кипения водорода ракету можно заправлять топливом только незадолго до запуска, что делает криогенные двигатели непригодными для межконтинентальных баллистических ракет и других ракетных приложений с необходимостью короткого запуска. препараты.

В целом, дельта-v ступени с водородом обычно не сильно отличается от ступени с плотным топливом, однако вес ступени с водородом намного меньше, что делает ее особенно эффективной для верхних ступеней, поскольку они переносятся нижние ступени.На первых этапах исследования ракеты с плотным топливом могут показать небольшое преимущество из-за меньшего размера транспортного средства и меньшего сопротивления воздуха. [52]

Жидкий водород и кислород также использовались в космическом корабле "Шаттл" для работы топливных элементов, питающих электрические системы. [53] Побочным продуктом топливного элемента является вода, которая используется для питья и других применений, требующих воды в космосе.

Автомобиль внутреннего сгорания

Основные статьи: Автомобиль с водородным двигателем внутреннего сгорания и Список транспортных средств с водородным двигателем внутреннего сгорания

Автомобили с водородным двигателем внутреннего сгорания отличаются от автомобилей с водородными топливными элементами.Автомобиль внутреннего сгорания на водороде - это немного модифицированная версия традиционного автомобиля с бензиновым двигателем внутреннего сгорания. Эти водородные двигатели сжигают топливо так же, как бензиновые двигатели; основное отличие - выхлопное изделие. Сгорание бензина приводит к образованию диоксида углерода и водяного пара, в то время как единственным продуктом сгорания водорода является водяной пар.

В 1807 году Франсуа Исаак де Риваз сконструировал первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде. [54] В 1970 году Пол Диджес запатентовал модификацию двигателей внутреннего сгорания, которая позволила бензиновому двигателю работать на водороде US 3844262.

Mazda разработала двигатели Ванкеля, работающие на водороде. Преимущество использования ДВС (двигателя внутреннего сгорания), такого как двигатели Ванкеля и поршневых двигателей, заключается в том, что стоимость переоборудования для производства намного ниже. Существующие технологии ICE все еще могут применяться для решения тех проблем, для которых топливные элементы не являются жизнеспособным решением, например, в приложениях для холодной погоды.

Продемонстрированы вилочные погрузчики

HICE [55] на базе переделанных дизельных двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском. [35]

Топливный элемент

Для получения дополнительных сведений по этой теме см. Топливный элемент.

Стоимость топливного элемента

Водородные топливные элементы относительно дороги в производстве, поскольку для их конструкции требуются редкие вещества, такие как платина, в качестве катализатора. [56] По оценке Министерства энергетики США (DOE) в 2002 году, стоимость топливного элемента для автомобиля (при условии крупносерийного производства) составляла приблизительно 275 долларов за киловатт, что соответствовало стоимости каждого транспортного средства примерно 100 000 долларов. [57] Однако к 2010 году, по оценкам Министерства энергетики, стоимость упала на 80% и что автомобильные топливные элементы можно было бы изготавливать по цене 51 долл. США / кВт при условии экономии на производстве в больших объемах. [58]

Прогнозируемая стоимость, исходя из объема производства 500 000 единиц в год с использованием технологии 2012 года, была оценена Министерством энергетики в 47 долларов за кВт для топливного элемента PEM мощностью 80 кВт. Однако, исходя из объема производства 10 000 единиц в год, прогнозировалось, что стоимость будет составлять 84 доллара за кВт с использованием технологии 2012 года. [59] Министерство энергетики написало: «Водородные топливные элементы для автомобилей никогда не производились в больших масштабах, отчасти из-за непомерно высокой цены. Но, по оценкам Министерства энергетики, стоимость производства топливных элементов быстро падает». [60]

В 2014 году Toyota заявила, что продаст свою Toyota Mirai в Японии менее чем за 70 000 долларов к апрелю 2015 года [11] и что она снизила стоимость системы топливных элементов до 5 процентов от стоимости прототипов топливных элементов предыдущего поколения. десятилетие. [61] По оценке бывшего президента Европарламента Пэт Кокс, Toyota сначала потеряет около 100 000 долларов с каждой проданной Mirai. [12]

Условия замораживания

Проблемы ранних конструкций топливных элементов при низких температурах, касающиеся диапазона и возможностей холодного пуска, были решены, так что они «больше не могут рассматриваться как препятствия». [62] Пользователи в 2014 году заявили, что их автомобили на топливных элементах безупречно работают при отрицательных температурах, даже при включенных нагревателях, без значительного сокращения дальности. [63]

Срок службы

Срок службы топливных элементов сравним со сроком службы других транспортных средств. [64] Срок службы ПЭМ составляет 7 300 часов в циклических условиях. [65]

Водород

Водород не является ранее существовавшим источником энергии, как ископаемое топливо, а сначала производится, а затем хранится в качестве носителя, подобно батарее. Предлагаемое преимущество крупномасштабного внедрения водородных транспортных средств состоит в том, что это может привести к снижению выбросов парниковых газов и прекурсоров озона. [66] Однако по состоянию на 2014 год 95% водорода производится из метана. Его можно производить из возобновляемых источников, но это дорогостоящий процесс. [3] [67] Интегрированные ветро-водородные (энергия в газ) установки, использующие электролиз воды, изучают технологии, обеспечивающие достаточно низкие затраты и достаточно большие количества, чтобы конкурировать с традиционными источниками энергии. [68]

Согласно Ford Motor Company, «когда FCV работают на водороде, реформированном из природного газа с использованием этого процесса, они не обеспечивают значительных экологических преимуществ при переходе от скважины к колесам (из-за выбросов парниковых газов в процессе реформирования природного газа)." [69] В то время как методы производства водорода, не использующие ископаемое топливо, были бы более устойчивыми, [70] в настоящее время возобновляемая энергия составляет лишь небольшой процент вырабатываемой энергии, а энергия, произведенная из возобновляемых источников, может использоваться в электроэнергетике. для транспортных средств и для других применений [71]

Проблемы, с которыми сталкивается использование водорода в транспортных средствах, включают производство, хранение, транспортировку и распределение. Коэффициент полезного действия по водороду составляет менее 25%. [7] [72] [73] [74] В исследовании, спонсируемом Министерством энергетики США, в 2004 году говорилось, что межколесная эффективность автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем еще меньше. [75]

Производство

Молекулярный водород, необходимый в качестве бортового топлива для водородных транспортных средств, может быть получен многими термохимическими методами с использованием природного газа, угля (с помощью процесса, известного как газификация угля), сжиженного нефтяного газа, биомассы (газификация биомассы) с помощью процесса, называемого термолиз, или как продукт микробных отходов, называемый биоводородом или биологическим производством водорода.95% водорода производится с использованием природного газа, [76] и 85% произведенного водорода используется для удаления серы из бензина. Водород также можно получить из воды электролизом или химическим восстановлением с использованием химических гидридов или алюминия. [77] Современные технологии производства водорода используют энергию в различных формах, составляющую от 25 до 50 процентов более высокой теплотворной способности водородного топлива, используемого для производства, сжатия или сжижения и транспортировки водорода по трубопроводу или грузовику. [78]

Экологические последствия производства водорода из ископаемых источников энергии включают выбросы парниковых газов, последствия, которые также могут возникнуть в результате конверсии метанола в водород на борту. [72] Анализы, сравнивающие экологические последствия производства и использования водорода в транспортных средствах на топливных элементах с очисткой нефти и сжиганием в обычных автомобильных двигателях, не пришли к единому мнению о том, приведет ли чистое сокращение озона и парниковых газов. [7] [66] Производство водорода с использованием возобновляемых источников энергии не приведет к таким выбросам или, в случае биомассы, приведет к почти нулевым чистым выбросам, если предположить, что новая биомасса выращивается вместо той, которая преобразована в водород. Однако та же самая земля может быть использована для создания биодизеля, пригодного для использования с (в лучшем случае) небольшими изменениями в существующих хорошо разработанных и относительно эффективных дизельных двигателях. В любом случае масштабы производства возобновляемой энергии сегодня невелики, и их необходимо значительно расширить, чтобы использовать для производства водорода для значительной части транспортных нужд. [79] По состоянию на декабрь 2008 года менее 3 процентов электроэнергии в США было произведено из возобновляемых источников, не считая плотин. [80] В некоторых странах возобновляемые источники более широко используются для производства энергии и водорода. Например, Исландия использует геотермальную энергию для производства водорода, [81] , а Дания использует ветер. [82]

Хранилище

Знак хранения сжатого водорода

Водород имеет очень низкую объемную плотность энергии в условиях окружающей среды, примерно равную одной трети плотности метана.Даже когда топливо хранится в виде жидкого водорода в криогенном резервуаре или в резервуаре для хранения сжатого водорода, объемная плотность энергии (мегаджоули на литр) мала по сравнению с плотностью бензина. [56] [18] [19] [20] Водород имеет в три раза более высокую удельную энергию по массе по сравнению с бензином (143 МДж / кг против 46,9 МДж / кг). Были проведены некоторые исследования использования специальных кристаллических материалов для хранения водорода при большей плотности и при более низком давлении.Недавнее исследование голландского исследователя Робина Гремо показало, что резервуары с металлогидридом и водородом на самом деле на 40–60 процентов легче, чем аккумуляторная батарея эквивалентной энергии на электромобиле, что обеспечивает больший запас хода для автомобилей h3. [83] В 2011 году ученые из Национальной лаборатории Лос-Аламоса и Университета Алабамы, работая с Министерством энергетики США, обнаружили новый одноступенчатый метод перезарядки аммиачного борана, соединения для хранения водорода. [84] [85]

Хранение водорода - ключевая область развития энергетики на водороде и топливных элементах.В статье обсуждается проблема состояний хранения: «Альтернативы большим резервуарам для хранения могут быть найдены в гидридах, материалах, которые могут поглощать, хранить и выделять большие количества газообразного водорода. Необходимо провести дополнительную работу с гидридами, прежде чем они получат практическое применение ». Некоторые другие варианты, доступные для хранения водородных топливных элементов, включают: резервуары высокого давления и криогенные резервуары. Оба из них стремятся улучшить объемную емкость, согласованность и стоимость хранения. Усилия Министерства энергетики в этом вопросе были сосредоточены на бортовых системах хранения водорода в транспортных средствах, которые позволят проехать более 300 миль при соблюдении всех требований, чтобы оставаться конкурентоспособными с существующими транспортными средствами. [86] [87]

Инфраструктура

Водородная инфраструктура состоит в основном из промышленного водородного трубопроводного транспорта и оборудованных водородом заправочных станций, подобных тем, которые находятся на водородных магистралях. Водородные станции, которые не расположены вблизи водородного трубопровода, могут получать водород из резервуаров со сжатым водородом, прицепов со сжатым водородом, автоцистерн для жидкого водорода или специального производства на месте.

Использование водорода потребует изменений в промышленности и транспорте в масштабах, невиданных ранее в истории.Например, по данным GM, 70% населения США живет рядом с водородными установками, но имеет ограниченный доступ к водороду, несмотря на его широкую доступность для коммерческого использования. [88] Распределение водородного топлива для транспортных средств по всей территории США потребует новых водородных станций, которые будут стоить, по некоторым оценкам, приблизительно 20 миллиардов долларов [89] и 4,6 миллиарда в ЕС. [90] По другим оценкам, стоимость только в Соединенных Штатах достигает полтриллиона долларов. [7] [91]

California Hydrogen Highway - это инициатива по строительству серии водородных заправочных станций вдоль шоссе штата Калифорния. По состоянию на 2013 год в США действовало 10 общедоступных водородных заправочных станций, восемь из которых находились в Южной Калифорнии, одна в районе залива Сан-Франциско и одна в Южной Каролине. [5]

Нормы и стандарты

Водородные кодексы и стандарты, а также кодексы и технические стандарты по водородной безопасности и хранению водорода были определены как институциональный барьер для внедрения водородных технологий и развития водородной экономики.Чтобы сделать возможным коммерциализацию водорода в потребительских товарах, необходимо разработать и принять новые правила и стандарты федеральным правительством, правительством штата и местными властями. [92]

Официальная поддержка

В 2003 году Джордж Буш объявил об инициативе по продвижению автомобилей, работающих на водороде. [93] В 2009 году президент Обама и его министр энергетики Стивен Чу лишили финансирование технологии топливных элементов из-за своей убежденности в том, что до этой технологии еще несколько десятилетий.Под жесткой критикой финансирование было частично восстановлено. [94] [95] В 2014 году администрация Обамы объявила, что хочет ускорить производство и разработку автомобилей с водородным двигателем. В пресс-релизе говорится, что «сотрудничая с частным сектором, администрация Обамы думает, что сможет создать истории успеха и помочь ускорить процесс». Министерство энергетики направляет инвестиции в размере 7,2 миллиона долларов США в штаты Джорджия, Канзас, Пенсильвания и Теннесси для поддержки проектов, связанных с топливом транспортных средств и энергосистемами.Такие компании, как Центр транспорта и окружающей среды, Fed Ex Express, Air Products and Chemicals и Sprint, инвестируют в разработку этих топливных элементов. Топливные элементы также могут использоваться в подъемно-транспортном оборудовании, таком как вилочные погрузчики, а также в телекоммуникационной инфраструктуре. [96]

Сенатор Байрон Л. Дорган заявил в 2013 году: «Закон об ассигнованиях на энергию и водные ресурсы предусматривает инвестиции в усилия нашей страны по разработке безопасных отечественных источников энергии, которые уменьшат нашу зависимость от иностранной нефти.И поскольку для разработки технологий, меняющих правила игры, необходимы постоянные исследования и разработки, этот закон также восстанавливает финансирование исследований в области водородной энергетики ». При разработке этих автомобилей на топливных элементах была проделана большая работа. Министерство энергетики США поддерживает системы топливных элементов следующего поколения, и они являются ведущими инновационными экологически чистыми энергетическими технологиями. В июне 2013 года Министерство энергетики выделило 9 миллионов долларов в виде грантов на ускорение внедрения технологии и еще 4,5 миллиона на усовершенствованные мембраны топливных элементов.Компания 3M из Миннесоты получит 3 миллиона, а Горная школа Колорадо также получит 1,5 миллиона. Миннесота и Колорадо работают над этим. Миннесота делает упор на инновационные мембраны с повышенной прочностью и характеристиками. Колорадо делает упор на мембраны топливных элементов, делая их более простыми и доступными. В прошлом году правительство выделило 54 миллиона долларов на программу SECA, поскольку «Конгресс признал и одобрил роль водородных топливных элементов и их топлива в портфеле энергетических технологий 21 века».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *