Водородное топливо

Водород один из наиболее перспективных источников энергии. Его запасы на нашей планете практически безграничны. Кроме того, он содержит в единице веса почти в 3 раза больше тепловой энергии, чем, например, бензин.

1. Методы получения водорода и перспективы его использования в автомобилях

В настоящее время существует много различных методов получения водорода:

• электрохимический метод (электролиз воды, каталитическая конверсия природного газа и др.);
• получение водорода в термохимических циклах (термохимическое разложение воды на водород и кислород, термохимическое разложение йодата калия);
• комбинированные методы;
• фотокаталитические методы;
• получение водорода из сероводорода;
• получение водорода из углеводородного сырья (метод паровой конверсии, метод каталитической конверсии легкого углеводородного сырья и газификации тяжелых нефтяных остатков, плазменный риформинг);
• одноступенчатые методы разложения воды на водород и кислород.

Для промышленного получения водорода основными видами сырья являются природные горючие газы, коксовый газ и газы нефтепереработки, а также продукты газификации твердых и жидких топлив (главным образом угля). Важнейшими способами производства водорода из природного газа являются каталитическое взаимодействие углеводородов, главным образом метана, с водяным паром (конверсия):

и неполное окисление углеводородов кислородом:

Образующаяся окись углерода также подвергается конверсии:

Водород, добываемый из природного газа, самый дешевый. Очень распространен способ производства водорода из водяного и паровоздушного газов, получаемых газификацией угля.

Получение водорода электролизом воды в настоящее время — процесс чрезвычайно дорогой. Однако в этом направлении ведутся постоянные исследования. Например, процесс разложения воды, используемый при производстве водорода, может быть ускорен за счет уникальных каталитических свойств углеродных нанотрубок. Кроме того, следует учитывать способ получения электроэнергии, необходимой для электролиза воды. Если электроэнергия вырабатывается на электростанциях, использующих в качестве топлива природный газ или уголь, то экологичность применения водорода в качестве моторного топлива во многом теряет свои преимущества. Логичнее в качестве источника энергии для получения водорода использовать возобновляемый источник. Таким источником может быть энергия ветра, солнца и т.п.

Мощности по производству водорода в мире оцениваются в 40 млн т в год. Практически весь вырабатываемый в настоящее время водород используется в различных процессах нефтепереработки и нефтехимии.

Водород (лат. hydrogenium), Н — химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса его составляет 1,00797. При обычных условиях водород — газ; не имеет цвета, запаха и вкуса. Водород — легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче воздуха), плотность его составляет 0,0899 г/л при 0 °С и 1 атм. Водород кипит (сжижается) и плавится (затвердевает) соответственно при –252,6 °С и –259,1 °С (только гелий имеет более низкие температуры плавления и кипения). Удельная теплоемкость водорода при 0 °С и 1 атм равна 14,208 кДж/(кг · К). Водород малорастворим в воде (0,0182 мл/г при 20 °С и 1 атм), но хорошо — во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объемов Н на 1 объем Pd). Жидкий водород очень легок, его плотность при –253 °С равна 0,0708 г/см3.

Один из путей постепенного внедрения водорода на автотранспорте — применение двухтопливного двигателя внутреннего сгорания (водород — бензин, водород — метан).

Перспективность применения водорода для автомобильных двигателей определяется прежде всего экологической чистотой, неограниченностью и возобновляемостью сырьевых запасов, относительно низкими затратами на транспортировку и, наконец, уникальными моторными свойствами, что открывает возможности его широкого применения как в современных автомобильных двигателях без их коренной перестройки, так и в принципиально новых транспортных энергоустановках с прямым преобразованием энергии типа электрохимических генераторов тока.

Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с довольно обширным кругом вопросов:

• разработка наиболее эффективных способов преобразования химической энергии водорода в энергию движения автомобиля;
• разработка безопасных и эффективных способов хранения водорода на борту автомобиля;
• решение ряда самостоятельных вопросов, прямо не связанных с автомобилями, но без учета которых идея перехода на водород неосуществима. Это проблемы получения водорода в необходимых количествах, его транспортировки и хранения, создания инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию автомобильного транспорта на водороде.

Использование водорода в качестве моторного топлива для автомобилей может осуществляться путем применения:

• самого водорода;
• водорода совместно с традиционными нефтяными топливами;
• водорода как топлива в топливных элементах.

2. Применение водорода в топливных элементах

Большое значение для практического применения имеет преобразование химической энергии органического топлива в электрическую — создание топливных элементов. Распространены низкотемпературные (150 °С) топливные элементы с жидким электролитом (концентрированные растворы серной или фосфорной кислот и щелочей KОН). Топливом в элементах служит водород, окислителем — кислород из воздуха.

Образование электроэнергии в элементе — это процесс обмена электронами между горючим и окислителем с образованием нового соединения — продукта реакции (рис. 3).

Отличие реакции в элементе от реакции окисления при горении состоит в том, что в первом случае процессы протекают с точки зрения термодинамики обратимо, т.е. разность энергий электронов у исходных веществ и продуктов реакции непосредственно превращается в электроэнергию (упорядоченное движение электронов). При горении же химическая энергия переходит в энергию хаотического теплового движения атомов, молекул и их частей.

Рис. 3. Схема водородно-кислородного элемента: 1 – катод; 2 — электролит; 3 — анод

Основные преимущества топливных элементов:

• высокая эффективность прямого преобразования химической энергии топлива (водорода) и окислителя (кислорода) в электроэнергию (КПД составляет 50…70 %);
• высокие удельные массовые характеристики: 1,2…5 кг/кВт, в перспективе 0,8…1 кг/кВт;
• компактность (большая плотность тока): 2…5 л/кВт, в перспективе 0,6…1 л/кВт;
• низкая рабочая температура (до 100 °С), что обеспечивает возможность быстрого запуска и быстрого достижения максимальной мощности энергоустановки;
• возможность многократных перегрузок по току;
• высокий уровень отработки (для щелочных топливных элементов).

Топливный элемент — составная часть электрохимического генератора, который, кроме того, содержит системы кондиционирования, подготовки топлива, утилизации отходов и др. (рис. 4). Первичным топливом могут быть метан, пары метанола, керосина, синтез-газ и т.д. Коэффициенты полезного действия у генераторов с топливными элементами изменяются от 30 % (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины) до 60…65 % (энергоустановки с твердооксидными топливными элементами).

Эксперты связывают «водородное будущее» автотранспорта прежде всего с топливными элементами. Водород и кислород соединяются в «ящике с мембраной» (так упрощенно можно представить топливный элемент) и получают водяной пар плюс электричество. В отличие от аккумуляторной батареи в топливном элементе обеспечивается непрерывный подвод реагирующих компонентов (горючего и окислителя) в зону электрохимической реакции, что позволяет преодолеть основной недостаток классического электромобиля (при сохранении всех достоинств) — недостаточную энергоемкость источника энергии. Удельная энергоемкость топливного элемента в 10 раз превышает этот параметр для лучших аккумуляторных батарей (порядка 1000 Вт · ч/кг вместо 100 Вт · ч/кг). При этом наблюдается полное отсутствие вредных выбросов, пробег определяется только запасом топлива на борту.

Рис. 4. Схема электрохимического генератора

Все это делает топливный элемент, работающий на водороде и воздухе, наиболее привлекательным источником энергии, особенно для городского транспорта. Однако серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах сдерживаются малым числом соответствующих заправочных станций. Да и стоимость топливных элементов пока велика.

3. Применение водорода в двигателях внутреннего сгорания

Для повышения экологической чистоты бензиновых двигателей внутреннего сгорания и их экономичности до уровня дизельных двигателей было предложено использовать водород в качестве основного моторного топлива или как добавки к бензину.

Интерес ученых в области двигателестроения всегда привлекали своеобразные физико-химические свойства водорода, главным достоинством которых является экологическая чистота рабочего процесса. Известный научно-технический опыт использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания показывает, что водород совместим с существующей базовой конструкцией поршневого двигателя. При этом водород кардинально улучшает экологическую эксплуатационную характеристику и имеет широкую сырьевую базу. Организация рабочего процесса двигателя, работающего на водороде или с его добавкой к другим топливам, имеет особенности и требует разработки новых способов топливоподачи.

Использование водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания представляет собой комплексную задачу, включающую широкий круг вопросов:

• возможность перевода на водород современных двигателей;
• изучение рабочего процесса двигателей при работе на водороде;
• определение оптимальных способов регулирования рабочего процесса, обеспечивающих минимальную токсичность и максимальную топливную экономичность;
• разработка системы топливоподачи, обеспечивающей организацию эффективного рабочего процесса в цилиндрах двигателя;
• разработка эффективных способов хранения водорода на борту транспорта;
• обеспечение экологической эффективности применения водорода;
• возможность заправки водородом и аккумулирования водорода.

При сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода, и в этом отношении двигатель на водородном топливе является наиболее экологически чистым. Также водород имеет высокие энергетические свойства — низшая теплота сгорания водорода составляет 120 МДж/кг (бензин — 41…44 МДж/кг, дизельное топливо — 42…43 МДж/кг).

При высокой массовой энергоплотности объемная энергоплотность водорода на 15…20 % ниже энергоплотности бензина. В смеси с воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций, вплоть до коэффициента избытка воздуха α = 10, что обеспечивает нормальную работу двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения состава смеси от α = 0,2 до α = 5. Критическая степень сжатия при стехиометрическом водородно-воздушном составе смеси не превышает 4,7, что соответствует октановому числу 46 по исследовательскому методу,

в то время как при α = 3,5 степень сжатия достигает 9,4 и октановое число равно 114. Таким образом, при достаточном обеднении смеси возможна бездетонационная работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия.

Исследования в области применения водорода для двигателей внутреннего сгорания отличаются широким спектром вариантов использования водорода для двигателей внешнего и внутреннего смесеобразования: использование водорода в качестве присадки, частичное замещение топлива водородом и работа двигателя только на водороде.

Используют водород в двигателях, работающих на традиционном топливе нефтяного происхождения, а также в сочетании с альтернативным топливом, например со спиртами (этиловый, метиловый) или природным газом. Возможно использование водорода в сочетании с синтетическим топливом, мазутами и др.

Качественное влияние на рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания определяется прежде всего свойствами водорода. Он обладает более высокой диффузионной способностью, большей скоростью сгорания, широкими пределами воспламенения. Энергия воспламенения водорода на порядок меньше, чем у углеводородных топлив. Реальный рабочий цикл определяет более высокую степень совершенства рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания, лучшие показатели экономичности и токсичности.

Кроме того, перевод на водород обычных двигателей внутреннего сгорания не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы. Это происходит потому, что водород обладает намного более широким по сравнению с бензином диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых еще возможен поджог смеси, и сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остается несгоревшая рабочая смесь.

Значительный эффект по повышению КПД традиционных автомобильных двигателей, особенно в области малых нагрузок, дает переход на топливные смеси с большим избытком воздуха. При этом уникальные моторные свойства водорода позволяют даже при относительно небольших его добавках к бензино-воздушной смеси реализовать такие степени обеднения смеси, которые недоступны любому другому способу.

Чтобы приспособить существующие конструкции двигателей к работе на водороде как основном топливе, необходимы определенные изменения, в первую очередь конструкции топливоподающей системы. Известно, что применение внешнего смесеобразования приводит к уменьшению наполнения двигателя свежим окислителем, а значит, и к снижению мощности до 40 % из-за низкой плотности и высокой летучести водорода. При использовании внутреннего смесеобразования энергоемкость заряда водородного дизеля может возрастать до 12 % или может быть обеспечена на уровне, соответствующем работе дизеля на традиционном углеводородном дизельном топливе. Особенности организации рабочего процесса водородного двигателя определяются свойствами водородно-воздушной смеси, а именно: пределами воспламенения, температурой и энергией воспламенения, скоростью распространения фронта пламени, расстоянием гашения пламени. Но в водородных двигателях внутреннего сгорания скорость распространения фронта пламени при сгорании водорода в 5–6 раз выше, чем при сгорании бензина. Это приводит к большим механическим и тепловым нагрузкам на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя. Для современных конструкций двигателей наиболее эффективно использование водорода в качестве добавки к бензиновоздушной смеси. При этом не требуется серьезных изменений в конструкции топливной системы и системы двигателя в целом. С другой стороны, добавка водорода в широких пределах активизирует рабочий процесс в двигателе.

Практически во всех известных исследованиях рабочего процесса водородного двигателя отмечается трудноконтролируемое воспламенение водородно-воздушной смеси. Воздействие на преждевременное воспламенение путем подачи воды во впускной трубопровод или путем впрыска холодного водорода исследовано и дает положительные результаты.

Остаточные газы и горячие точки камеры сгорания интенсифицируют преждевременное воспламенение водородно-воздушной смеси. Это обстоятельство требует дополнительных мероприятий по предупреждению неконтролируемого воспламенения. В то же время низкая энергия воспламенения в широких пределах коэффициента избытка воздуха позволяет использовать существующие системы зажигания при переводе двигателей на водород.

Самовоспламенение водородно-воздушной смеси в цилиндре двигателя при степени сжатия, соответствующей дизелям, не происходит. Для самовоспламенения этой смеси необходимо обеспечить температуру конца сжатия не менее 1023 К. Возможно воспламенение воздушной смеси от запальной порции углеводородного топлива за счет увеличения температуры конца сжатия наддувом или подогревом на впуске воздушного заряда.

Водород в качестве топлива для дизелей характеризуется большой скоростью распространения фронта пламени. Эта скорость может превышать 200 м/с и вызывать возникновение волны давления, перемещающейся в камере сгорания со скоростью свыше 600 м/с. Высокая скорость сгорания водородно-воздушных смесей, с одной стороны, должна оказывать положительное влияние на повышение эффективности рабочего процесса, с другой стороны, этим предопределяются высокие значения максимального давления и температуры цикла, более высокая жесткость рабочего процесса водородного двигателя. Повышение максимального давления цикла влечет снижение моторесурса двигателя, а увеличение максимальной температуры приводит к интенсивному образованию окислов азота. Возможно снижение максимального давления за счет дефорсирования двигателя или сжигания водорода по мере его подачи в цилиндр на такте рабочего хода. Снижение эмиссии окислов азота до незначительного уровня возможно путем обеднения рабочей смеси или путем использования воды, подаваемой во впускной трубопровод. Так, при α  1,8 эмиссия окислов азота практически отсутствует. При подаче воды по массе в 8 раз больше, чем водорода, эмиссия окислов азота снижается в 8–10 раз.

В дизелях, работающих всегда при избытке воздуха в смеси, содержание в продуктах сгорания окиси углерода и углеводородов немного ниже по сравнению с бензиновыми двигателями, а уровень содержания окислов азота сравнительно близок. Дизели выбрасывают большое количество сажи, являющейся адсорбентом для полициклических ароматических углеводородов, часть которых обладает канцерогенными свойствами. Именно количество сажи является определяющим в общем уровне токсичности отработавших газов дизелей.

Благодаря снижению содержания углеводородного топлива при работе на водороде состав отработавших газов существенно отличается от традиционного. Однако даже при работе на чистом водороде из-за выгорания углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, наблюдается незначительное количество углеводородных соединений. При использовании углеводородных топлив для воспламенения рабочей смеси количество углеводородных соединений зависит от количества запального углеводородного топлива.

При внутреннем смесеобразовании водородного двигателя продолжительность впрыска водорода оказывает влияние на содержание водорода в продуктах сгорания. Образование водородновоздушной смеси для дизелей влияет на показатели водородного двигателя внутреннего смесеобразования. Формирование рабочей смеси водородного дизеля должно обеспечивать гомогенность водородно-воздушного горючего тела. Этого можно достичь за счет оптимизации формы камеры сгорания и динамики развития струи водорода, подаваемого в цилиндр, с учетом движения свежего заряда воздуха в цилиндре.

Экспериментальные исследования по использованию водорода в качестве топлива для поршневого двигателя внутреннего сгорания показывают, что существует проблема детонационного сгорания. При этом авторы определяют различные пределы детонационной стойкости водородно-воздушной смеси в связи с разной ее оценкой. Так, оценка по стуку в двигателе дает результаты, почти в 2 раза отличающиеся от оценки по амплитуде высокочастотных колебаний на линии сгорания индикаторной диаграммы. Отдельные исследования свидетельствуют, что исчезновение стука наблюдается при степени сжатия 8, однако при этом колебания на линии сгорания имеются. Это значит, что оказывает влияние тепловое состояние двигателя, температура цикла в совокупности с качеством смесеобразования. Возможно использование антидетонационных свойств воды для исключения детонации водородного двигателя.

При использовании водорода для двигателей внешнего смесеобразования индикаторные и эффективные показатели ухудшаются. Чем больше процент добавки водорода, тем ниже индикаторный КПД и выше температура выпускных газов. Добавка водорода выше 30 % от суммарного подведенного тепла при α = 1,35 вызывает детонационноподобное сгорание, сопровождающееся появлением стуков и резким падением мощности двигателя. Кроме того, увеличивается объем водорода в выпускных газах и повышается количество окислов азота, содержание окиси углерода и углеводородов снижается.

Подача 5 % по массе пароводородной смеси на впуск дизеля позволяет улучшить параметры рабочего процесса и снизить дымность отработавших газов на 30 %, а содержание окислов азота в 2,4 раза. Большие добавки пароводородной смеси приводят к росту максимального давления цикла и скорости нарастания давления, т.е. снижается надежность дизеля.

В то же время согласно исследованиям ряда специалистов добавка 5 % водорода уменьшает требования к октановому числу на 10 %. Опытная эксплуатация автомобиля на бензино-водородной смеси показала, что индикаторный КПД двигателя с оптимальными добавками водорода увеличивается на 25 %, эксплуатационный расход топлива уменьшается на 25…40 %. При работе двигателя на холостом ходу практически исключается выброс токсичных веществ с отработавшими газами.

Итак, рабочий процесс водородного двигателя включает: жесткость сгорания, детонацию, неконтролируемое воспламенение, эмиссию окислов азота, формирование водородно-воздушной смеси. Одновременно известные исследования предлагают мероприятия, обеспечивающие нормальную работу двигателя на водороде в зависимости от поставленной технической цели, ее граничных условий.

Так, если целью является использование водорода в качестве основного топлива без потери мощности базового двигателя, то наиболее целесообразно внутреннее смесеобразование при воспламенении горючей смеси от запальной порции углеводородного топлива. В этом случае улучшаются экологические и экономические показатели дизеля. Индикаторный расход топлива снижается на 0,25 МДж/(кВт · ч) при 50%-ном замещении дизельного топлива водородом. Коэффициент избытка воздуха возрастает с 1,5 до 1,7, т.е. на частичных нагрузках смесь обедняется на 12 %, а на номинальном режиме — на 15 %. Это позволяет сохранить уровень окислов азота в отработавших газах и в 2 и более раза снизить содержание сажи на выпуске.

В зависимости от нагрузки для обеспечения нормальной работы двигателя без стука целесообразно на впуск подавать воду в соотношении 1:1 к подаваемому водороду, особенно на режиме полной нагрузки и близких к нему.

Предусматривается формирование водородно-воздушной смеси на такте сжатия в период после закрытия клапанов до подачи дизельного топлива. Газообразный водород, подаваемый в цилиндр клапаном-форсункой, поступает через отверстие, расположенное под углом 20…25° к тангенциальному направлению вращения заряда, усиливает вихревое движение заряда и способствует гомогенизации водородно-воздушной смеси. Если вершина струи водорода достигает противоположной стенки камеры сгорания, а энергия вихревого движения заряда достаточна, чтобы распределить водород по окружности, то можно считать, что водородновоздушная смесь гомофазная. Часть водорода направляется в зону струи углеводородного топлива, обеспечивая эффект торможения процесса сажеобразования.

Процесс конвертации дизеля на водород можно условно разделить на два основных, последовательно выполняемых этапа. Первый этап включает аккумулирование водорода в баллонах; приоритетное использование внутреннего смесеобразования и создание топливоподающей аппаратуры с подачей водорода на такте сжатия при давлении порядка 10 МПа; воспламенение горючей смеси от запальной порции углеводородного топлива; исследование процессов смесеобразования и управление ими; изучение термодинамических особенностей криогенного водорода как моторного топлива.

Второй этап включает создание криогенной системы хранения водорода; разработку адекватной системы управления всеми процессами, связанными с использованием водорода на транспорте; организацию рабочего процесса при работе на чистом водороде с принудительным воспламенением от свечи; исследование возможности подачи водорода в цилиндр вариантными способами.

Отсутствие углерода в водородном топливе приводит к тому, что в отработавших газах практически отсутствуют оксиды углерода (СО и СО₂) и несгоревшие углеводороды (С_nН_m). Незначительные количества этих продуктов в отработавших газах обусловлены выгоранием смазочных материалов, попадающих в камеру сгорания. Выброс оксидов азота при стехиометрическом составе смеси за счет более высокой температуры горения водородно-воздушной смеси вдвое превышает выброс оксидов азота бензинового двигателя. Обеднение смеси приводит к быстрому снижению оксидов азота, а при α = 1,8 они в отработавших газах практически отсутствуют. Оксиды азота также легко обезвреживаются в каталитических нейтрализаторах. По этой причине водородное топливо для многих представляется идеальным инструментом для полного решения проблемы загрязнения окружающей среды.

Развитие водородной энергетики сдерживается экономическими соображениями. Стоимость киловатта установленной мощности (более 3…4 тыс. дол.) на порядок больше, чем в традиционной энергетике. Кроме того, цена водорода на порядок выше, чем обычного топлива. Тем не менее цена обычного топлива будет расти, а энергии, произведенной водородными устройствами, — падать. Поэтому водородная энергетика вполне перспективна.

Водородное топливо: что это, плюсы и минусы

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

Когда появились первые автомобили на водороде?

Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine). Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем. Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях. Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.

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

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

А где брать водород?

Водород можно получать разными методами:

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

Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия.

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

При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз. Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%.

Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород. Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой. Источник Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.

Как работает топливная система и какие есть варианты?

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

Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду.

Пар или жидкость — это единственный продукт реакции. Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию. В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию. Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.

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

Такие автомобили опасны? Почему?

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

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

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

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

Какой срок службы у топливных ячеек?

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

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки.

К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.

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

Сколько это стоит?

В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации.

Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57.

И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством. Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США.

Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.

Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки. Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс.

циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.

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

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

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

Водородные АЗС в 2019 году(источник) Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.

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

Двигатели на водородном топливе

Водородный двигатель в последние годы всё чаще рассматривается многими производителями транспортных средств в качестве достойной альтернативы традиционным ДВС, работа которых обеспечивается «чёрным золотом».

Перспектива использовать такой двигатель в будущих десятилетиях была оценена ещё во времена блокады Ленинграда, когда Борис Шелищ сумел разработать, а также внедрить метод перевода бензиновых двигателей на использование водородного топлива.

Однако до настоящего времени предпочтение отдавалось исключительно конкурирующим технологиям, к числу которых можно отнести электромобиль и гибридный автомобиль.

Принцип работы

Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования.

При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы.

Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н2О.

Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом.

Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним.

Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

Особенности гибридных конструкций

Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.

Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива.

Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов.

Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.

Водородные топливные элементы

Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.

Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину.

Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду.

Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.

Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату.

Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км.

Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.

Преимущества и недостатки

С практической точки зрения все плюсы и минусы водородных силовых агрегатов в условиях современного автомобилестроения очевидны и обусловлены их техническими характеристиками. К неоспоримым преимуществам относятся следующие факторы:

• абсолютно бесшумная работа;
• высокие показатели экологической чистоты;
• очень достойный коэффициент полезного действия;
• меньшее количество токсичных выбросов в атмосферу;
• гарантированно высокая мощность и производительность;
• конструктивная простота и отсутствие ненадёжных систем топливной подачи.

Среди значимых недостатков можно выделить сложность и дороговизну получения топлива в промышленных объёмах, отсутствие регламента хранения и транспортирования. Вес машины естественным образом заметно увеличится, что обусловлено необходимостью установки на транспортное средство тяжёлых токовых преобразователей и мощных аккумуляторных батарей.

Специалисты отмечают также высокую опасность использования водорода, связанную с риском появления взрыво- и пожароопасной ситуации при взаимодействии с разогретым выпускным коллектором и моторными маслами.

Сегодня цена одного килограмма водорода составляет порядка 8-9 американских долларов, поэтому при расходе 1,2-1,3 кг на 100 км, средняя стоимость такой поездки вполне сопоставима с эксплуатацией традиционного бензинового автомобиля.

Модели с водородным двигателем

Работы по разработке и производству реально функционирующего прототипа инновационного автомобиля обходятся примерно в миллион долларов. Самые крупные автомобильные концерны располагают такими суммами, но крайне редко считают вложение средств в подобные проекты высокодоходным мероприятием.

Honda FCX Clarity

Модель имеет силовую установку в виде водородных топливных элементов. Лизинговые продажи стартовали в Америке 11 лет назад, а для заправки топливом разрабатывалась очень компактная по размерам энергетическая станция (Home Energy Station).

Подсистема разгона и торможения в этом автомобиле оснащена эксклюзивным ионистором в виде супер-конденсатора без наличия традиционных «обкладок». Запас хода на одном заряде составляет 700 км.

Розничная цена модели – почти 63 тысячи американских долларов.

Hyundai Tucson/ix35 FCEV

Внедорожник класса «К1» был запущен в серийное производство шесть лет назад. Модель, занявшая лидирующие позиции в области использования водородного топлива, отличается компактными размерами.

Автомобиль оснащён силовой установкой, представленной двумя газовыми баллонами, которые заполняются сжатым водородом под давлением 700 атм.

В динамике эта машина очень хороша, но оптимальный вариант – городской цикл езды.

Hyundai Nexo

Южнокорейская модель второго поколения водородных кроссоверов отличается не только новой платформой, но также лёгким кузовом, аккумуляторной батареей в багажнике и улучшенным строением топливных элементов. Объём трёх одинаковых по размерам баков составляет 52,2 л водорода. Модель была протестирована за Полярным кругом, где довольно легко подтвердила свою работоспособность в суровых климатических условиях.

Toyota Mirai FCV

Японский водородный экомобиль – это новая эра автомобилестроения. Для четырёхдверного седана характерно наличие заметно улучшенной силовой установки, модернизированных и усовершенствованных агрегатов. В модели Тойота Мирай установлены высокоэффективные водородные топливные элементы FC stack и синхронный электрический двигатель переменного тока. Запас хода на одном заряде двух заправочных баллонов составляет 650 км.

Перспективы водородных ДВС

На данный момент к категории водородных моторов относятся как силовые агрегаты, которые функционируют на водороде, так и двигатели, использующие в работе водородные топливные ячейки. По мнению специалистов, водородные двигатели сегодня следует рассматривать, как единственно приемлемую с экологической точки зрения энергию.

Перед учёными в настоящее время стоит задача разработки наиболее приемлемой инфраструктуры, а также определения высокоэффективного способа добычи нестандартного вида топлива. Немаловажное значение придаётся подготовке документации, регламентирующей вопросы транспортирования, хранения и эксплуатации водорода.

Водородное топливо

Водород — наиболее распространённый элемент во вселенной. Его атомы и молекулы присутствуют во всём, что окружает нас — воде, еде, растениях, жидком топливе, природном газе. Водород составляет две трети массы Солнца.

Давно известно, что газ водород — очень лёгкий (молекулярный вес водорода 2, воздуха 29) и взрывоопасный. Первые дирижабли заполняли именно им, однако после жуткой трагедии с «Гинденбургом» его стали применять с опаской.

Преимущества и недостатки топлива из водорода

Все углеводородные виды топлива, особенно нефтяного происхождения, выделяют в окружающую среду много вредных веществ. Это окись кислорода (угарный газ), ряд окислов азота NOx, соединения серы и сажевые частицы.

Все эти вредности — продукты сжигания химических соединений, входящих в состав топлива. Человечество тратит огромные средства на устранение токсичных выбросов.

Для этого принимают ограничительные стандарты, очищают топливо, дорабатывают выхлопные системы автомобилей.

Если водород применять в качестве топлива, то борьба с вредными выбросами не потребуется — при его сжигании образуется только чистый водяной пар. Другим преимуществом водорода является его огромная теплотворная способность — 120 МДж/м³, это в 2-3 раза превышает количество энергии, получаемой от сопоставимой массы бензина.

Использование водородного топлива позволит на всё проглядываемое будущее обеспечить человечество неиссякаемой энергией. Люди забудут о заканчивающихся нефти и газе, о проблемах с их очисткой, о заболеваниях, связанных с вредными выхлопами двигателей.

Первостепенными задачами сегодня являются освоение производства водородного топлива и разработка технологий использования его в двигателях и других преобразователях энергии.

Поскольку научный мир и производственные сферы давно занимаются исследованиями водородной энергетики, к нашему времени имеются положительные результаты.

Одной из первых опыт применения водородного топлива для автомобилей воплотила компания Honda.

Ею выпущено 220 серийных авто FCX Clarity с водородными топливными элементами Они стоят дорого, но интенсивно используются и дают ценный опыт эксплуатации.

Другие автопроизводители также активно работают над созданием водородных автомобилей. Уже не один год выпускаются экспериментальными партиями автобусы, грузовики, тепловозы, подводные лодки, погрузчики, работающие на топливных элементах с водородом.

ДВС на газообразном водородном топливе без доработки двигателя используются редко. Это связано с агрессивным воздействием водорода на детали и смазку и особенностями воспламенения чистого водорода. Для такого топлива используют специальные роторные двигатели с разнесенными впускным патрубком и выпускным коллектором.

Схема водородной двигательной установки в автомобиле

Основой водородного автомобиля является водородный топливный элемент, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую энергию. Последняя питает электродвигатель, передающий вращающий момент на трансмиссию. Кроме батареи топливных элементов, весящей 67 кг, в авто стоит бак для сжатого водорода объёмом 170 л (давление 350 бар) и литиево-ионный аккумулятор. Топливного элемента хватает примерно на 120 тыс. км, а водородного бака — на 450 км, потом его нужно зарядить на заправочной станции. Время заправки невелико — всего несколько минут.

Химическая реакция происходит между водородом, поступающим из бака, и кислородом из окружающего воздуха. В результате реакции образуются вода и электроэнергия, снимаемая с катода и анода. Выделение энергии водорода происходит не во взрывном, а в спокойном, управляемом режиме.

Пока нет сообщений о водородном топливе для серийных самолётов, но известно об испытаниях компанией Boeing лёгкого самолёта на топливных элементах. Сжиженный при температуре -252 ºС водород используется в космических двигателях.

Кроме описанных выше плюсов, специалисты отмечают и минусы водородного топлива, которые тормозят развитие этого вида энергетики. Они сводятся к следующему:

• технологии хранения водорода пока несовершенны;
• отсутствует инфраструктура заправочных станций;
• отсутствуют стандарты применения, хранения и безопасности;
• большие объёмы водородных баков требуют уменьшения размеров багажника или увеличения размеров легкового автомобиля;
• опасность взрыва на водородных автомобилях пока выше, чем на бензиновых и дизельных;
• водородные автомобили на топливных элементах и чистом водороде обходятся пока дорого и в производстве, и в эксплуатации.

Развитие водородных технологий, техники и транспортных средств на водороде продолжается.

Если вам понравилась наша статья и мы как-то смогли ответить на ваши вопросы — то будем очень благодарны за хороший отзыв о нашем сайте!

Автомобили на водороде: плюсы и минусы

На сегодняшний день, наверное, все автомобилисты слышали, что крупнейшие автомобильные производители развивают технологии использования машин на водородном топливе.

Японский концерн Toyota уже запустил в серийное производство и продает модель Mirai, которая имеет силовую установку на водородных топливных элементах и запас хода на одной заправке в 400 километров.

В этой статье мы расскажем основные преимущества и недостатки этой новой технологии, и стоит ли ожидать скорейшего расширения ее по миру.

Современные достижения в использовании водорода, как автомобильного топлива

Технологии водородных топливных элементов развивают такие крупные автомобильные концерны, как Toyota, Nissan, Honda, BMW, Ford и General Motors.

Причем производители разошлись во мнении замены традиционного двигателя внутреннего сгорания на электромотор или нет.

Дело в том ,что водород как топливо можно использовать и для двигателей внутреннего сгорания, и для создания электричества и накопления его в аккумуляторных батареях, которые потом будут питать электродвигатель автомобиля.

Путем применения электромотора пошла японская компания Toyota. Она уже выпускает серийный автомобиль Toyota Mirai, силовая установка которого состоит из водородных топливных элементов, аккумуляторных батарей и электродвигателя.

Запаса хода такого водородного серийного автомобиля составляет до 400 километров.

Подобную силовую установку немецкий автомобильный концерн BMW разрабатывал для представительского седана 7-Series в середине 2000-х годов, но потом отказался от такой затеи.

Плюсы и минусы технологии водородного топлива

К преимуществам водородных топливных элементов, конечно, следует отнести экологически безопасный выхлоп автомобиля.

при химической реакции окисления водорода, помимо мощной энергии, выделяются пары воды. Они абсолютно безвредны. Так можно снизить по всему миру выброс вредных веществ в атмосферу.

Однако у силовой установки с ДВС на водородных топливных элементах в выхлоп могут попадать:

• — отходы во время горения частиц масла, из которого состоит смазка двигателя;
• — пары охлаждающей жидкости, которая может проникать через сальники в блок цилиндров и выходить через выхлопную систему;
• — нечистый водяной пар, в котором будут примеси продуктов горения моторного масла.

[su_youtube url=»https://www.youtube.com/watch?v=HVdBmgAebQk» width=»560″ height=»320″]Киеве[/su_youtube]

Водородный недород

У водородных двигателей долгая и непростая история: еще в 1979 году BMW выпустила первый автомобиль, работающий на этом газе. Однако нефтяные кризисы 1970-х, заставившие задуматься о разработке такого автомобиля, миновали, и вплоть до 2000-х автогиганты положили идею под сукно.

Все изменилось в новом веке, когда нефть снова стала дорожать, а правительства задумались о снижении выбросов в атмосферу углекислого газа. Экологичность — один из главных плюсов водородных двигателей, ведь единственный побочный продукт их работы — обычная вода.

Ни углекислого газа, ни соединений свинца.

В 2007 году BMW выпустила партию из ста автомобилей Hydrogen 7, способных работать как на бензине, так и на водороде, сопроводив это событие масштабной рекламной кампанией: за рулем таких авто появлялись голливудские звезды Брэд Питт, Анджелина Джоли, Ричард Гир, Шарон Стоун.

Однако сотней машин дело и ограничилось: их технические характеристики оставляли желать лучшего. Компания выбрала тупиковый путь: гибридная модель сжигала водород в камере сгорания, и газового баллона в 8 кг хватало всего на 200–250 км.

А стоил автомобиль на уровне топовых моделей концерна.

Paul Sancya / AP

Другие компании извлекли из эксперимента BMW урок.

Сейчас уже три фирмы серийно выпускают легковые автомобили на водородных топливных ячейках, использующих топливо более эффективно: в результате электрохимической реакции они вырабатывают энергию, которая подается на электрический двигатель.

Первой работающей по такой схеме была машина Hyundai ix35 Fuel Cell, поступившая в автосалоны в начале 2013 года. Годом позже в Японии стартовали продажи Toyota Mirai, а в 2015–2016 годах на японский и американский рынки вышла Honda Clarity.

Еще полтора десятка компаний в последние годы объявили о скором выпуске или по крайней мере о начале разработки таких автомобилей. Совершенствование технологий позволило существенно удешевить производство: цена Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс.

Тем не менее цены кажутся высокими по сравнению с обычными машинами: так, Hyundai ix35 с обычным двигателем стоит от $10 тыс. до 35 тыс. Да и сам водород пока обходится дороже бензина. Но инновационные автомобили не только чище, но и потенциально выгоднее.

Согласно подсчетам бывшего главного исследователя по вопросам альтернативной энергии Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) Стива Хенча использовать водород в качестве энергоносителя намного выгоднее, чем обычный бензин.

Энергоемкость одного галлона (4,54 л) бензина и 1 кг водорода, эквивалентного ему по объему, почти одинакова: 130 против 130–140 мДж. Галлон бензина в США стоит около $2,90, 1 кг водорода обойдется дороже — в $8,6.

Однако если учесть, что термодинамическая эффективность бензина составляет 20–25%, а водорода — 60% и более, получится, что топливные ячейки в 2,5–3 раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания. А значит, на том же объеме топлива водородные автомобили смогут проехать в 2,5–3 раза дольше.

Высокая энергия

В России компании также проявляют интерес к водородным технологиям. В 2006 году «Норильский никель» приобрел контрольный пакет акций американского пионера водородной энергетики Plug Power. Однако кризис 2008–2009 годов вынудил «Норникель» продать бумаги.

В 2014 году в России появился производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компании удалось найти свою нишу: она поставляет аккумуляторные системы для дронов, в том числе военных.

Топливными элементами AT Energy были, например, оснащены дроны компании «АФМ-Серверс», снимавшие с воздуха Олимпиаду-2014 в Сочи.

«Оснащение дронов водородными элементами дает большой выигрыш по длительности полета, кроме того, они перестают зависеть от температуры воздуха», — говорит основатель компании Данила Шапошников.

В июне 2017 года AT Energy подписала стратегическое соглашение с АО «Линде Газ Рус», дочерней компанией производителя промышленных газов Linde Group. Партнеры будут поставлять владельцам беспилотных аппаратов баллоны с водородом производства Linde. Это поможет решить важнейшую проблему водородной энергетики для беспилотников — заправочной инфраструктуры.

Ажиотаж по поводу самого легкого в природе газа, стартовавший в начале 2000-х, был подхвачен политиками.

В 2004 году губернатор Калифорнии Арнольд Шварценеггер рисовал картины «водородных шоссе», которыми будет опоясан его штат всего через шесть лет. Ничего такого, конечно, не произошло.

«Автомобильная отрасль консервативна: все новые технологии дорогие, требуют оптимизации моделей по массе и габаритам, испытаний на ресурс», — говорит гендиректор AT Energy Данила Шапошников.

Сказалась и экономическая ситуация.

«В глобальном контексте замедление развития водородной энергетики связано с тем, что выбор технологий снижения выбросов в энергетике, транспорте, горнодобывающей промышленности и ЖКХ определяется экономической выгодой, — говорит советник по возобновляемой энергии в MoJo Energy Говард Рамсден, в 2000-х принимавший участие в разработке законодательства Европейского союза в области электроэнергетики. — Если финансовые механизмы стимулирования выбора низкоуглеродных технологий не являются существенными для стимулирования потребителя, то он либо не будет менять своих привычек, либо будет делать это очень вяло. Водородные технологии оказались слишком дороги для производителей в условиях двух глобальных экономических кризисов, где война за покупателя была жесткой».

Проблемы вызваны не только экономической конъюнктурой. Первому элементу таблицы Менделеева то и дело достается от глав технологических компаний.

Так, владелец Tesla Илон Маск неоднократно называл топливные ячейки «ошеломляюще тупой технологией», противопоставляя их электрическим аккумуляторам, на которые сделала ставку его компания.

Основная претензия заключается в том, что в качестве средства хранения энергии ячейки уступают аккумуляторам, поскольку преобразование химической энергии в электрическую внутри топливного элемента ведет к неизбежным потерям.

Илон Маск ( Marcio Jose Sanchez / AP)

Другие критики отмечают, что водородные автомобили по умолчанию небезопасны. Водород невидим, легко воспламеняется и не имеет запаха, а значит о его утечке водитель не догадается вплоть до взрыва.

Правда, и Toyota и Honda специально отмечают, что в их моделях водород хранится в герметичных и ударопрочных контейнерах из углеволокна. И все-таки никакое углеволокно не выдержит сильного удара при ДТП.

И даже подсчеты экономических выгод водорода могут быть обманчивы. «Главная проблема — высокая стоимость производства самих топливных элементов, так как водородные батареи содержат платину, один из самых дорогих металлов в мире, — напоминает Кристиан Цбинден.

— Многие заблуждаются, считая водородную энергетику спасением от глобального изменения климата. На самом деле энергия из водорода — это плацебо, поскольку при производстве подобных батарей используется непропорционально большое количество электроэнергии.

Поэтому «зелеными» данные технологии назвать нельзя». Самый распространенный в наши дни процесс получения водорода — паровой риформинг метана. Он требует использования углеводородов.

Правда, теоретически его можно заменить электролизом воды, энергию для которого будут давать, например, солнечные батареи.

Кроме того, под водородные двигатели нужно строить специальные сети заправок.

«Вопрос не столько в разработках производителей двигателей, сколько в подготовке и развитии необходимой инфраструктуры, — считает Никита Игумнов, финансовый эксперт, ранее работавший в инвестпроектах Газпромбанка, в органах управления и контроля МОЭСК и «Мосэнергосбыта».

— При реализации данного направления возникнет ряд проблем, требующих решения. Среди них — высокая стоимость производства, хранения и транспортировки топлива, а также необходимость масштабного развития необходимой инфраструктуры: заправки, терминалы хранения, производственные мощности. Все эти вопросы требуют масштабных инвестиций».

И все-таки будет ошибочным считать водородную энергетику тупиковым направлением. «Например, она давно применяется в ракетостроении, но СМИ редко об этом пишут», — отмечает Шапошников. Пока автомобили на топливных элементах делают первые шаги, их меньшие братья — автопогрузчики уже вовсю переходят на самый легкий газ.

В июле Walmart приобрела 55 млн акций одного из пионеров водородной энергетики — компании Plug Power, объявив о планах оснастить 30 своих центров дистрибуции водородными автозаправками, где смогут заряжаться погрузчики компании (сейчас такими заправками оснащены 22 американских магазина Walmart). В апреле этого года Amazon.

com купила более 50 млн акций Plug Power, параллельно начав оснащать водородными заправками свои склады.

Компании-конкуренты считают, что водород поможет их центрам быть более эффективными. «Складская техника — это ниша, в которой водородные топливные ячейки уже прочно закрепились, — говорит Данила Шапошников.

— Электрические аккумуляторы погрузчиков быстро садятся и подолгу заряжаются. Возникают большие паузы в работе. Кроме того, батареи имеют короткий срок службы.

А техника на водороде надежна, неприхотлива и, кроме того, экологична — такие погрузчики могут работать в закрытых помещениях».

То, что силовые установки, работающие на водороде, практически бесшумны, делает их привлекательными для производства военной техники. Уже сейчас такими установками оснащают, например, подводные лодки.

Водород служит и для нужд домохозяйств: энергетические станции мощностью от 1 до 5 кВт могут вырабатывать электроэнергию в режиме когенерации, попутно давая тепло для системы отопления и нагрева воды.

В Японии такие автономные системы получили широкое признание после аварии на «Фукусиме», когда ядерная энергетика стала восприниматься как нечто страшное.

Агентство по природным ресурсам и энергетике Японии рассматривает развитие водородной промышленности как один из приоритетов, рассчитывая за три года довести число используемых домохозяйствами водородных электрогенераторов до 1,4 млн.

Кроме того, правительство мотивирует промышленные компании использовать водород в качестве источника электроэнергии на заводах и фабриках. А организаторы летних Олимпийских игр 2020 года в Токио собираются превратить их в демонстрацию возможностей водородных двигателей.

Среди ниш, где водород находит себе применение уже сегодня, — стационарное резервное питание. «Топливные ячейки требуют мало обслуживания: поставил — забыл, — говорит Шапошников. — Когда напряжение в сети падает до нуля, они включаются.

Небольшой баллон с газом, установленный, например, на сотовой вышке, даст ей энергии на сутки, пока ремонтная бригада устраняет проблему.

Другая ниша — автономное энергоснабжение удаленных пунктов: можно раз в год наполнять газгольдер, обеспечивая электричеством и теплом небольшой поселок полярников где-нибудь в Арктике». Это решение подойдет для многих труднодоступных уголков страны.

Водородная энергетика будет развиваться даже при отсутствии прорыва в автомобильной отрасли, говорят эксперты. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд.

Но и в автомобильной промышленности этот элемент рано списывать со счетов. Да, водород высокого давления требует строительства сотен заправочных станций.

Но есть более дешевая альтернатива, которую сейчас разрабатывает сразу несколько компаний, в частности один из лидеров по производству топливных ячеек — канадская Ballard Power, делающая пилотный проект для китайского Министерства транспорта.

Жидкий химический состав можно будет заливать в обычные бензохранилища, которыми оснащены АЗС, и заправлять им машину как бензином. В специальном реакторе из жидкости будет выделяться газообразный водород, поступающий в топливную ячейку. Голубая мечта Шварценеггера не столь уж и несбыточна.

Пора переходить на водород

Мы живём в 21 веке, человечество развивается, строит заводы, ведёт активный образ жизни. Однако для полноценного развития и существования нам нужна энергия! Сейчас такой энергией является нефть. Из неё делается топливо для всех отраслей. Мы используем ее буквально повсюду: от маленьких авто, до огромных заводов.

Однако нефть не является бесконечным ресурсом, с каждым годом мы движемся к полному её уничтожению.

Учёные говорят, что мы находимся на той стадии, когда нам нужно искать эффективную замену бензину, ведь уже сейчас цена на него очень высокая, а с каждым годом нефти будет всё меньше, а цены всё выше, и в скором времени, когда нефть закончится (а с существуюшем образом жизни человечества это произойдёт через 60 лет), наше развитие и полноценное существование попросту закончится.

Всем понятно, что нужно искать альтернативные виды топлива. Но какая замена самая эффективная? Ответ прост: водород! Вот, что заменит привычный всем бензин.

Кто придумал водородный двигатель?

Как и многие высокие технологии, данная идея пришла к нам с запада. Первый водородный двигатель разработал и создал американский инженер и учёный Браун. Первая компания, которая использовала данный двигатель, была японская «Honda».

Но этой автомобильной компании пришлось на многое пойти ради воплощения в жизнь «автомобиля будущего». Во время создания авто были задействованы на несколько лет все лучшие инженеры и умы компании! Им всем пришлось приостановить производство некоторых автомобилей.

И что самое главное, они отказались от участия в Формуле 1, так как все работники, которые были задействованы в создании болидов, стали разрабатывать автомобиль на водороде.

Плюсы водорода как топлива

• Водород является самым распространенным элементом во вселенной, абсолютно всё в нашей жизни состоит из него, все окружающие нас предметы имеют хоть маленькую, но частицу водорода. Именно этот факт очень приятный для человечества, ведь в отличие от нефти, водород не закончится никогда, и нам не придётся экономить на топливе.
• Он является абсолютно экологически чистым! В отличие от бензинового, водородный двигатель не выделяет вредных газов, которые негативно влияли бы на экологию. Выхлопами, которые выделяет такой силовой агрегат, является обычная пара.
• Водород, который используется в двигателях, очень воспламеняем, и автомобиль будет хорошо заводиться и передвигаться, независимо от погоды. То есть нам больше не потребуется зимой прогревать автомобиль перед поездкой.
• На водороде даже маленькие двигатели будут очень мощными и чтобы создать самый быстрый автомобиль, больше не потребуется строить агрегат размером с танк.

Конечно есть и минусы в этом топливе:

• Дело в том, что вопреки тому, что это безграничный материал, и он имеется повсюду, его очень тяжело добывать. Хотя для человечества это не проблема. Научились добывать нефть среди океана, пробурив его дно, научимся и водород брать с земли.
• Вторым минусом является недовольство нефтяных магнатов. Зразу после начала прогрессивного развития данной технологии, большинство проектов были закрыты. По слухам, всё это связано с тем, что если заменить бензин водородом, то самые богатые люди планеты останутся без дохода, а они этого позволить не могут.

Способы добычи водорода в качестве использования в виде энергии

Водород не является чистым ископаемым вроде нефти и угля, нельзя так просто взять выкопать и использовать его. Для того, чтобы он стал энергией, его нужно раздобыть и испоьлзовать некоторую энергию для его переработки, после чего этот самый распространенный химический элемент станет топливом.

Практикуемым на данный день способом добычи водородного топлива является так называемый «паровой риформинг». Чтобы переработать обычный водород в топливо, используются углеводы, которые состоят из водорода и углерода.

При химических реакциях, при определенной температуре выделяется огромное количество водорода, который и можно использовать в качестве топлива. Данное топливо не будет выделять вредных веществ в атмосферу во время эксплуатации, однако во время его добычи выделяется огромное количество углекислого газа, который плохо влияет на экологию.

Поэтому данный метод хоть и является эффективным, он не должен браться в основу по добыче альтернативного топлива.

Есть двигатели, для которых подойдёт и чистый водород, они сами перерабатывают данный элемент в топливо, однако, как и при предыдущем способе, здесь также наблюдается огромное количество выбросов углекислого газа в атмосферу.

Очень эффективным способом добычи альтернативного топлива в виде водорода является электролиз. Электрический ток пускают в воду, вследствии чего она распадается на водород и кислород. Данный метод является дорогим и хлопотным, однако экологически чистым. Единственным отходом от получения и эксплуатации топлива является кислород, который лишь позитивно повлияет на атмосферу нашей планеты.

А самым перспективным и дешёвым способом получения водородного топлива является переработка аммиака.

При необходимой химической реакции аммиак распадается на азот и водород, при чём водорода получается в трижды больше, ежели азота. Данный метод лучше тем, что он немного дешевле и менее затратный.

Кроме того, аммиак легче и безопаснее транспортировать, а по прибытию к месту доставки, следует запустить химическую реакцию, выделить азот и топливо готово.

Автомобили на топливных элементах

Подобно электрическим автомобилям, автомобили на топливных элементах обходятся без двигателя внутреннего сгорания вообще.

Топливные элементы представляют электрохимические устройства, которые преобразуют энергию, запасенную в химической формуле непосредственно в электрическую энергию, воду и тепло.

Как работают автомобили на топливных элементах?

Основополагающим принципом этого источника энергии является электрохимическая реакция используемая для производства электроэнергии. Как и в случае с электрическими ячейками, топливные элементы не ограничены законами термодинамики. Это означает, что они способны достичь более высокой эффективности преобразования энергии, чем обычные двигатели, которые имеют КПД 20% – 25% энергии топлива, но могут достичь до 60%. Однако в отличие от электрической батареи, реактивы должны поставляться постоянно для выработки электрического тока.

Топливный элемент использует водород подаваемый извне для выработки электроэнергии.

Состоит из двух электродов: анод и катод, изготовленные из угольной пластины покрытой платиной. На аноде поданный водород распадается с потерей электрона, на катоде поданный кислород соединяется с пришедшим протоном.

Основным преимуществом водородных двигателей является их способность работать при относительно низких температурах (что сокращает время запуска). Ячейки изготовлены из графита покрытого канавками, которые позволяют легко проходить реагентам при сохранении электрического контакта с электролитом.

Топливный элемент образовывает ионы водорода имеющие высокое содержание энергии. Однако низкая плотность водорода представляет технические трудности проектирования систем хранения водорода на машине. При комнатной температуре и обычном давлении для хранения эквивалентного количества энергии, содержащегося в типичном бензобаке потребуется бак с водородом объемом более чем в 800 раз больше обычного бака.

Однако были разработаны три основных решения для хранения водорода:

• сжатие – газ хранится в баллонах при атмосферном давлении до 7000 раз;
• криогенные системы – это сохранить газ при низкой температуре, необходимой для сжижения водорода (-253 C);
• металл гидриды – специальные металлические сплавы поглощающие водород под давлением.

Один из подходов, который позволяет избежать проблемы хранения водорода в машине является генерация газа по требованию.

Как заправлять автомобиль топливным элементом

Известно, что топливо для машины возможно бензин, метанол, водород, газохол и т.п. Все они заполняются обычным способом. Метод заправки топливных элементов машины отличается.

Заправка водородом становится очень дорогим процессом. Хотя до сих пор разрабатывается водородная газовая заправка, все они предполагают использование гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который создает запечатанную систему.

Учитывая новизну водородных автомобилей, есть еще сравнительно мало станций заправок водородом во всем мире. Однако с появлением машин на новом принципе растет количество станций. В результате все больше и больше водорода строятся в городах по всей Европе, уже включая Амстердам, Барселона, Гамбург, Лондон, Люксембург, Мадрид, Порто, Рейкьявик, Стокгольм и Штутгарт.

Автомобили на новом принципе лучше для окружающей среды

Если используется не возобновляемые источники энергии, воздействие на выбросы трудно подсчитать, в зависимости от способа хранения бортового топлива и производства топлива. Однако учитывая основные варианты учета диоксида углерода и выбросов метана, автомобили на топливных элементах прогнозируются со значительным снижением в жизненном цикле выбросов парниковых газов – до 55% по сравнению с бензином.

Автомобили на новом принципе значительно более энергоэффективны, чем обычные транспортные средства. Также рекуперативное торможение повышает эффективность использования топлива до 20%. Если возобновляемые источники энергии используются для генерации водорода, жизненный цикл выбросов парниковых газов практически равен нулю за исключением водяного пара. Это истинный автомобиль с нулевым уровнем выбросов.

Стоимость топливных элементов автомобиля?

При промышленном производстве пока нельзя спрогнозировать с уверенностью, сколько будут стоить топливные элементы, но вполне вероятно, что они будут стоить значительно дороже, чем эквивалент бензина или дизельного топлива. Однако цена будет падать, если будет производиться достаточное количество автомобилей на топливных элементах.

Прогнозирование эксплуатационных расходов трудно из-за неопределенности в отношении способа производства и спроса на водородное топливо. По крайней мере в принципе, более высокие расходы на покупку могут компенсироваться более низким расходом на топливо (из-за высокой топливной экономичности автомобилей на новом принципе). Расходы на обслуживание, техническое обслуживание и ремонт топливных элементов остаются неизвестными, но предполагаются чуть меньше, чем для обычных автомобилей из-за низкого количества движущихся частей в элементах двигателя.

Кроме того авто на новых принципах уменьшит проблемы мегаполиса.

Источник Источник Источник http://extxe.com/11839/vodorodnoe-toplivo/
Источник Источник Источник Источник http://narobraz.ru/avto/vodorodnoe-toplivo-chto-eto-plyusy-i-minusy.html
Источник Источник http://beelead.com/avtomobili-toplivnyih-elementah/