Водородный транспорт — хорошая идея только в теории / Хабр

Я очень хочу потыкать острой палкой в идею об электрических автомобилях на водородных топливных элементах (ТЭ). Некоторые люди совершенно очарованы этой идеей. Как можно не очароваться? На вход подается водород, абсолютно «чистое» топливо, а на выходе получается только вода или пар, и никакого углекислого газа, оксидов азота, сажи, и т. д. Водородный двигатель — тихий и компактный. Это не тепловой двигатель, и поэтому на него не распространяются жесткие ограничения цикла Карно. Заправка очень быстрая и не сильно сложнее чем обычная бензиновая заправка.

Кроме того, если вы — нефтяная компания, и спрос на бензин и дизель начнет уменьшаться, вы только что обнаружили новое топливо, которое можно продавать! Вы спасены!

Если вы живете в частном доме и хотите потреблять меньше энергии, вы думаете что можете делать водород из воды используя электричество от солнечных панелей на крыше, убивая сразу двух зайцев: вы получаете топливо для вашей машины и запасаете излишки энергии от солнечной генерации, с помощью единственной магической технологии. Звучит потрясающе!

К сожалению, дьявол кроется в деталях, и он не то чтобы сильно прячется, если вы будете смотреть внимательно.

В моей предыдущей статье я обсуждал эффективность в энергетических циклах двигателей внутреннего сгорания и электрических автомобилей. Я буду ссылаться на результаты из этой статьи когда буду делать предположения об электрических автомобилях на топливных элементах (fuel cell electric vehicle, FCEV). Я буду делать аналогичные допущения и использовать похожие источники.

Дисклеймер: я упомянут в нескольких патентах компании Texaco о получении водорода из природного газа для подачи на протонообменную мембрану (ПОМ, ПЭМ) топливных элементов (теперь патенты принадлежат Chevron, которая поглотила Texaco). Я занимался водородом еще с институтских времен, и примерно каждый второй проект на протяжении десятилетий, которые я провел в компании Zeton, включал в себя водород или синтез-газ.

Однако, еще раз хочу четко сказать: водород это прекрасная идея — в теории. Но большая проблема с водородом заключается… в самой молекуле водорода. Никакие изобретения или технологии не решат эту проблему.

Давайте разбирать цепочку эффективности электрического транспорта на водородных топливных элементах этап за этапом, также как мы делали с двигателем внутреннего сгорания и электрическими машинами на аккумуляторах (battery electric vehicle, BEV).

Производство водорода

КПД самого производства водорода — примерно 70%, в лучшем случае, к сожалению. Я недавно [статья 2017 года — прим. перев.] разговаривал с Hydrogenics, большим производителем щелочных и ПЭМ-электролизеров. Эффективность их более дешевых щелочных электролизеров — примерно 60%, а эффективность ПЭМ-электролизеров — 70%, когда он работает на минимальном токе. (Вы можете делать гораздо больше водорода на этом же приборе просто увеличив ток, но жертвуя эффективностью.) Это достаточно близко к теоретическому пределу эффективности электролиза — ~83%, которая получается, если поделить низшую теплоту сгорания (HTC) получаемого водорода на энергию затрачиваемую на электролиз. Мы не вернем эту потерю в топливном элементе потому что мы не используем теплоту конденсации водяного пара.

Большинство производителей электролизеров указывают КПД в расчете на высшую теплоту сгорания (ВТС), то есть включая теплоту конденсации пара. В этом случае 70% (НТС) КПД электролизеров превращаются в примерно 83% (ВТС).

Проблема электролиза в том, что часть энергии очевидно идет на создание молекул кислорода. Это может быть полезно в больших системах, которые могут собирать и сжимать чистый кислород (который затем можно продавать), либо если водород используется не как топливо, а как сырье в технологическом процессе, и этот процесс также использует кислород. К сожалению, водородная заправка не будет использовать кислород, она будет просто выпускать его в воздух.

Поэтому давайте остановимся на 70% (НТС) КПД конвертации электричества в водород, предположительно, электричества от возобновляемых источников (ВИЭ). Если совсем строго, мы еще должны учесть 6% потерь в электросети от источника электричества до электролизера.

70% КПД электролиза почти совпадает с наивысшей доступной на данный момент эффективностью технологии получения водорода из природного газа, парового риформинга (паровой конверсии) метана (steam methane reforming, SMR). Большие установки повышают эффективность, утилизируя теплоту продуктов процесса и сжигая побочные газы после очистки водорода.

Максимально чистый водород нужен, чтобы увеличить эффективность и долговечность топливных элементов. Они очень чувствительны к угарному газу, который уменьшает эффективность платинового катализатора в топливном элементе (то есть, является каталитическим ядом). К сожалению, невозможно конвертировать углеводороды в водород, не получив на выходе также какое-то количество угарного газа. Более того, сам катализатор может преобразовать углекислый газ в угарный газ, поэтому водородное топливо должно быть полностью очищено от обоих газов. Даже инертные газы, такие как аргон и азот, уменьшают эффективность ПЭМ-топливного элемента, потому что надо позаботиться об их выводе на аноде. Поэтому реальные топливные элементы требуют очень чистый водород: посмотрите на спецификации ПЭМ-топливных элементов производства Ballard, Plug Power, и других.

К сожалению, эффективность паровой конверсии метана стремительно падает с уменьшением установки. Тепловые потери увеличиваются, что имеет особенно большое значение в таком высокотемпературном процессе как паровая конверсия. Вы быстро обнаружите это когда попробуете спроектировать процесс для относительно небольшой водородной заправки.

Доставка природного газа по трубопроводам к установке по паровой конверсии в водород и последующая доставка водорода от централизованной установки к заправкам скорее всего будет стоить больше чем 6% от энергии конечного водорода, но давайте будем щедрыми и примем эти потери тоже за 6% чтобы делать меньше подсчетов (хотя, в конечном счете, это все равно будет неважно). Таким образом, вне зависимости от того, начинаем мы с электричества или с метана, мы приходим к 70%*94% ~= 66% КПД производства водорода, без существенных возможностей для улучшения потому что мы уже близки к термодинамическим пределам.

Стоит отметить что КПД электролиза горячего пара может казаться очень высоким (даже выше 100%), например, при использовании твердооксидного топливного элемента в реверсе. Естественно, при этом не учитывается работа по испарению воды и нагреву пара. Никто не использует электролиз пара если у него нет а) источника «бесплатного» пара и б) процесса в котором используется горячий водород или горячий кислород или желательно оба газа. Кроме того, как всякие высокотемпературные устройства, паровые электролизеры «не любят» работать с перерывами, поэтому вам также нужен стабильный круглосуточный источник электричества, а возобновляемые источники — не стабильные.

Хранение водорода

Теперь нам надо хранить водород, и загвоздка опять в самой молекуле. Хотя плотность энергии водорода на единицу массы очень большая, даже в форме криогенной жидкости (при температуре 24 выше абсолютного нуля) водород имеет плотность всего 71 кг/м3. Поэтому единственная практичная на данный момент форма хранения водорода для небольших машин — это газ высокого давления. Любые способы увеличения объемной плотности хранения водорода или уменьшения давления (например, гидриды металлов, абсорбенты, органические носители, и т. д.) или сильно увеличивают массу бака, или увеличивают потери водорода во время хранения, или требуют энергии для извлечения водорода. Я бы не рассчитывал на некий магический прорыв в этой области: у нас было тридцать лет на исследования с того момента, как водород стал всерьез рассматриваться как топливо.

Про опасность водорода хорошо известно, и в моей статье не будет картинки с дирижаблем «Гинденбург»! На самом деле, уже достаточно давно научились безопасно обращаться с водородом в промышленности если использовать разные меры предосторожности. Но я не хочу, чтобы мои соседи даже думали о производстве водорода под давлением 400 или 600 атмосфер с помощью своих домашних солнечных панелей. Это кажется мне кошмарной идеей по многим причинам.

Чтобы сжать водород с давления ~20 атмосфер на выходе с установки по паровой конверсии из метана или с примерно атмосферного давления (на выходе из некоторых электролизеров) до 400 атмосфер надо потратить энергию, обычно электричество. К сожалению, мы вынуждены рассеивать тепло от сжатия водорода на достаточно низкой температуре чтобы сберечь элементы компрессора, и поэтому это тепло трудно как-то использовать. Более того, давление в баке на заправке может снизиться с 400 атмосфер только до 395 во время заправки одной машины, поэтому вся работа по сжатию делается при самом высоком коэффициенте сжатия [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. Бак на заправке должен быть очень большим. В противном случае, требования заправляющего компрессора или ограничения по переносу тепла могут уменьшить скорость заправки (ведь мы помним, что скорость заправки — чуть ли не главная причина, по которой нам интересен водород в качестве топлива для транспорта!).

На большом масштабе, с гигантскими компрессорными агрегатами, можно хранить водород под большим давлением теряя не больше 10% от теплоты сгорания (НТС) хранимого водорода на работу компрессоров, что, на самом деле, удивительно хорошо, учитывая вышесказанное. (Заметим, что политропный КПД самих компрессоров — это лишь малая часть этих потерь. Мы смотрим на другую меру эффективности.) К сожалению, когда мы уменьшаем размер компрессоров, эффективность улетает вниз. Многоступенчатый диафрагменный компрессор для автомобиля может потреблять до половины энергии сжимаемого водорода или даже больше. При уменьшении масштаба также растут капитальные расходы в расчете на единицу энергии проходящей через установку на протяжении ее жизненного цикла. Прискорбно, что транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична по той же причине, по которой его тяжело хранить — свойства молекулы. [Тут автор не развивает мысль почему транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична, но в другой статье он пишет, что доставка водорода по трубопроводам требует в три раза больше энергии, чем доставка природного газа, на единицу переносимой энергии — прим. перев.] Все мечты о «водородной экономике» предполагают малые и распределенные системы производства водорода, так что мы не должны гонять водород с места на место, что оставляет нам только один реалистичный вариант: электролиз.

Таким образом, у нас остается 70% (производство) * 94% (потери в электросети или на работу трубопровода) * 90% (хранение под высоким давлением) = 59% КПД от исходной энергии до бака автомобиля. Для сравнения, для бензина этот показатель — 80%. Конечно, мы не будем использовать водород в неэффективном двигателе внутреннего сгорания как замену бензину, особенно если водород получен из углеводородов: мы бы лучше просто сжигали эти углеводороды в ДВС напрямую.

Если нас заботят выхлопы парниковых газов, производство водорода из метана точно не решает проблему [см. недавнюю статью «Насколько чист «голубой» водород?» на эту тему — прим. перев.]. Мы бы лучше просто ездили на Приусах. Электролиз с использованием электричества из возобновляемых источников — это единственный возможный вариант.

Топливный элемент с протонообменной мембраной

Печально, но мы все еще не закончили терять энергию — далее идут потери в топливном элементе. Хотя это и не тепловой двигатель, топливный элемент все равно имеет собственные термодинамические пределы. Топливные элементы достигают эффективности в 50–60%, и это недалеко от теоретического предела в 83% для идеального топливного элемента. 

Давайте будем щедрыми и возьмем 60% как КПД топливного элемента. Реальные ТЭ которые можно купить имеют эффективность около 50% — лучше, чем у небольшого двигателя, примерно так же, как у судовых двигателей или стационарных скоростных двигателей, или у газовых турбин.

Вся цепочка, от источника энергии до колес

Учитывая эффективность электрического инвертора и мотора (90%), общая эффективность «от электростанции до колес» — 94%*70%*90%*60%*90% = 32%. Напомню, что по показателю «от скважины до колес», Приус достиг эффективности 30% на бензине, то есть мы «сделали» Приус, и это без вредных выхлопов. И с быстрой заправкой. Ура! Ура?…

Мой самодельный электрический автомобиль, «E-Fire», имеет эффективность 76.5%… и тоже не дает никаких выхлопов. [Источник этой оценки неясен: если автор берет такие же потери в инверторе, моторе, и электросети, его батарея должна иметь КПД 90%. — прим. перев.] несмотря на очень маленькую батарею по нынешним стандартам, всего 18.5 кВч, этого хватает на мою дорогу до работы и обратно. Я уже проехал на этой машине 20 тыс. км. без парниковых выхлопов, и я никогда не ждал ее зарядки: я заряжаю ее один раз ночью, и один раз утром на работе. Эта машина не делает всего того, что делает машина с ДВС, не пытается, и не должна этого делать.

Капитальные затраты на водородный стек

Таким образом, электромобили на топливных элементах (FCEV) в лучшем случае примерно в 2.4 раза хуже чем лучшая доступная сейчас альтернативная технология, электромобили на аккумуляторах (BEV). Взамен мы получаем более быструю заправку и, возможно, немного большую дальность хода на одной заправке, и это все. Не слишком ли высока цена за немного большее удобство? Хотя, подождите, мы ведь даже не начали говорить о цене….

Водород это очень дорогое топливо, с любой точки зрения.

В 2.4 раза худшая эффективность транспорта на топливных элементах означает что мы должны установить в 2. 4 раза больше генерирующих мощностей из возобновляемых источников. Сам по себе этот факт должен заставить сторонников водорода задуматься.

Мы также должны построить инфраструктуру по распределению водорода. Вы не будете заправляться водородом дома, это слишком огнеопасно. Это значит что кто-то должен заняться этой инфраструктурой как бизнесом, но никто не захочет это делать потому что на этом не получится заработать.

Наконец, давайте посмотрим на сам электромобиль на ТЭ. В нем, конечно, должен быть бак для водорода и топливные элементы. А также все остальные части обычных электромобилей, включая аккумулятор! Аккумулятор будет меньше, ближе по размеру к аккумуляторам в гибридах, но он все равно нужен чтобы было куда девать энергию от рекуперативного торможения, чтобы управлять потребностями в системе топливных элементов чтобы уменьшить ее стоимость. Батарея также нужна во время старта и выключения топливных элементов. Таким образом, электромобиль на ТЭ — это гибрид.

В дополнение ко всему вышесказанному, сами топливные элементы по-прежнему очень дороги. Хотя цены однозначно снизятся с началом массового использования и производства, также как сейчас снижаются цены на литий-ионные аккумуляторы, металлы платиновой группы (МПГ), такие как платина и палладий, используемые в катализаторах топливных элементов, не позволят ценам упасть слишком сильно. Уменьшите долю МПГ, и топливные элементы станут еще более чувствительными к примесям в водороде, и, я подозреваю, эффективность упадет. Замените МПГ на более дешевые металлы, такие как никель, и большая часть преимуществ топливных элементов пропадет: они должны будут работать при более высоких температурах, и т. д.

Toyota Mirai, электромобиль на топливных элементах

Означает ли это, что водород — это мертвая идея для персональных электромобилей? Одним словом, на мой взгляд, ДА. Я полностью согласен с Илоном Маском в этом вопросе. Разве что, уточнив, что мы говорим не о мире в котором электричество ничего не стоит, или его цена даже становится отрицательной потому что генерация из возобновляемых источников становится такой дешевой что не требует вообще никаких денежных вложений. Но я готов поспорить, что а) этого никогда не произойдет, б) даже если мы приблизимся к этой странной экономической ситуации, капитальные затраты и другие практические проблемы с электролизерами, компрессорами, резервуарами для хранения и топливными элементами все равно полностью убьют идею.

Сравнение двух реальных автомобилей которые можно купить (по крайней мере, в Калифорнии) показывает, что мои оценки оптимистичны в пользу водорода. Для автомобилей с аналогичными характеристиками и дальностью хода, водородный автомобиль потребляет в 3.2 раза больше энергии и стоит в 5.4 раза больше в расчете на проеханный километр:

Конечно, обе технологии будут улучшены в будущем, но расчеты выше по тексту задают пределы. Невозможно преодолеть законы термодинамики неким хитрым изобретением или принимая желаемое за действительное.

Означает ли все это, что топливные элементы вообще не нужны? Вовсе нет! Существуют устоявшиеся области в которых ПЭМ-топливные элементы имеют смысл, но это лишь те ситуации, где энергоэффективность гораздо менее важна, чем, например, быстрая заправка. Таким образом, Plug Power находит свою нишу на рынке складских вилочных погрузчиков, особенно на охлаждаемых складах.

Вилочный погрузчик на топливных элементах

То же самое относится к так называемым «power to gas» (P2G) схемам. Это совсем другая модель: они используют «избыточную» возобновляемую электроэнергию для производства водорода, который затем под низким давлением подмешивается в газовую сеть, где в конечном итоге используется для производства тепла, часто в устройствах, которые в конечном итоге рекуперируют тепло конденсации водяного пара (продукта горения водорода). Как средство хранения электроэнергии схемы P2G настолько смехотворно неэффективны, что о них даже не стоит говорить, но зато они требуют лишь небольших капитальных вложений и сокращают выбросы парниковых газов, когда водород вытесняет метан. Это не так уж и плохо, если только вы не сделаете вывод, что однажды мы ПОЛНОСТЬЮ заменим природный газ водородом… Это будет очень глупо.

Другие применения водорода на транспорте

На данный момент, в некоторых видах транспорта: самолеты, поезда, суда, аккумуляторы практически или совсем неприменимы. Главный вопрос в этих случаях стоит так: насколько мы заботимся о токсичных выбросах? Если они волнуют нас больше всего, водород — единственные решение. Но если мы больше думаем о парниковом эффекте, мы также можем использовать биотопливо как альтернативу водороду. [При сжигании биотоплива в воздух попадает углекислый газ, но этот углерод был извлечен из атмосферы самими растениями в течение предыдущего года, поэтому общий атмосферный баланс не нарушается — прим. перев.] Для самолетов биотопливо, скорее всего, — это единственное практическое решение до тех пор пока мы не изобретем что-то с гораздо большей плотностью энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, возможно, перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы. И хотя мы не сможем полностью заменить бензин и дизель на биотопливо, даже если полностью забудем об экономике (цифры по этому поводу см. на сайте www.withouthotair.com), если мы покроем 90% перевозок (в километрах, или тоннокилометрах) электричеством, мы можем производить достаточно биотоплива чтобы покрыть оставшиеся 10%, ПЛЮС все те другие виды транспорта, в которых в сейчас невозможно использовать аккумуляторы. Гораздо важнее избавиться от токсичных выхлопов в городах, чем на трассах, в море, или высоко над землей.

Очевидно, что использование водорода или электрохимии для уменьшения выбросов CO2 с целью получения жидких углеводородов значительно менее эффективно, чем сам водород [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. То же самое и с аммиаком, который кажется кому-то способом преодолеть некоторые недостатки водорода. Аммиак — ядовитый газ, и, опять же, производить его менее эффективно, чем водород. Мысль о заправке автомобилей аммиаком повергает меня в ужас, учитывая количество смертей, связанных с аммиаком в результате его использования в качестве хладагента и в сельском хозяйстве.

Так называемое «e-топливо» (e-fuel, power-to-liquid) — это, на самом деле, производная водородного топлива. Оно делается из углекислого газа, воды (продукт горения водорода), и электричества. При реверсе термодинамического процесса неизбежны потери. С учетом того, что потом мы используем это топливо в неэффективном ДВС, вся схема получается очень очень неэффективной.

Е-топливо — это способ использовать еще больше излишков энергии в тщетных попытках превратить водород в более эффективное (удобное) топливо. К сожалению, если мы не сможем производить достаточно биотоплива для того транспорта, в котором мы не можем использовать аккумуляторы, нам, возможно, придется сначала использовать топливные элементы, и только в самом крайнем случае — е-топливо. И мы будем горько плакать, глядя на его стоимость.

Настоящее будущее «зеленого» водорода

Сейчас более 96% водорода производится из ископаемого топлива либо целенаправленно (паровая или автотермальная конверсия метана), либо как побочный продукт при производстве нефти. Мы должны научиться производить водород очень эффективно из возобновляемого электричества, но не тратить его как автомобильное топливо, а использовать при производстве удобрений: аммиака и мочевины. Нам придется избавиться от гигантской инфраструктуры по производству и доставке углеводородов.

В продолжение темы, читайте мою статью: «Hydrogen from renewable energy — our future?» Или зеленый камуфляж?

Дисклеймер [от автора статьи, не переводчика]: все что я пишу в своих статьях — это мое личное мнение. Я пытаюсь всегда приводить ссылки на источники, когда могу. Скорее всего, в моих цифрах и рассуждениях есть ошибки. Я заранее извиняюсь за них. Если вы можете указать мне на них со ссылкой на хороший источник, я отвечу и исправлю текст. Мой работодатель, Zeton Inc., работает в совсем другой области, и не имеет ни интереса, ни даже позиции по поводу водорода. Мы проектируем и строим пилотные установки.

что это значит для производителей

Поскольку мир продолжает двигаться в сторону более устойчивых и экологичных вариантов, автопроизводители активно ищут новые способы снижения выбросов углекислого газа и улучшения эксплуатационных характеристик. Toyota уже давно является лидером в разработке автомобилей на альтернативном топливе, и ее последняя инновация — водородный двигатель внутреннего сгорания, который может изменить игру.

Ожидается, что водородный двигатель внутреннего сгорания от Toyota обеспечит большую мощность, больший запас хода и более быстрое время дозаправки по сравнению со стандартными бензиновыми двигателями. Кроме того, автомобили, работающие на водороде, выделяют только водяной пар, что делает их гораздо более экологичными, чем обычные автомобили, работающие на бензине, и позволяет нам сократить выбросы углекислого газа. Легкая конструкция способствует лучшей управляемости, улучшенным характеристикам и общей управляемости.

По мере совершенствования технологии стоимость производства водорода будет снижаться, что сделает автомобили с водородным двигателем более доступными в долгосрочной перспективе. В целом, водородный двигатель внутреннего сгорания компании Toyota — это захватывающая и революционная разработка для автомобильной промышленности, предлагающая потребителям ряд потенциальных преимуществ, а также помогающая защитить нашу окружающую среду. Вот 10 способов, которыми водородный двигатель внутреннего сгорания Toyota может произвести революцию в производительности и что это означает для будущего устойчивого транспорта.

Больше мощности с водородным двигателем Toyota

Водородный двигатель внутреннего сгорания компании Toyota способен обеспечить большую мощность, чем традиционные бензиновые двигатели того же размера. Ключ к этому заключается в том, что водородное топливо сгорает более эффективно, чем бензин, что позволяет извлекать больше мощности. Кроме того, водородный двигатель внутреннего сгорания имеет более высокую степень сжатия, чем традиционные бензиновые двигатели, что еще больше увеличивает его мощность. Потенциальная дополнительная мощность даст множество преимуществ в плане производительности: это может выражаться в более быстром ускорении, более высокой максимальной скорости и улучшении общего мастерства на шоссе или гоночной трассе. Кроме того, это может означать появление небольших и более легких двигателей в автомобилях, что приведет к улучшению управляемости и общих характеристик. Тем не менее, потенциал увеличения мощности — это интересный аспект водородного двигателя внутреннего сгорания Toyota, который может произвести революцию в производительности.

Снижение выбросов

Одним из существенных преимуществ водородного двигателя внутреннего сгорания Toyota является более низкий уровень выбросов. Автомобили, работающие на водороде, выбрасывают только водяной пар, что делает их намного чище традиционных автомобилей, работающих на бензине. При сгорании водорода не происходит выбросов парниковых газов, что делает его идеальной альтернативой бензиновым и дизельным автомобилям, которые производят вредные выбросы, способствующие изменению климата и загрязнению воздуха.

Кроме того, водородные топливные элементы обеспечивают более эффективное использование энергии; они создают меньше тепла и имеют меньше движущихся частей, чем модели, работающие на сжигании топлива, что еще больше снижает уровень выбросов.

Учитывая это, автомобили на водородном топливе могут сыграть важную роль в сокращении выбросов парниковых газов и улучшении качества воздуха, что делает их привлекательным вариантом для экологически сознательных потребителей и правительств.

Использование водорода в качестве источника топлива может помочь сократить углеродный след транспортного сектора, который является одним из крупнейших факторов, способствующих глобальному потеплению.

Они будут иметь большее расстояние, которое смогут преодолеть

Главным плюсом водородного двигателя внутреннего сгорания Toyota является увеличенный запас хода. По сравнению с электромобилями, автомобили, работающие на водороде, способны проехать большее расстояние без необходимости дозаправки, что делает их привлекательным вариантом для тех, кому необходимо совершать длительные поездки, не беспокоясь о поиске зарядной станции. Например, автомобиль на топливных элементах Mirai компании Toyota может проехать на одном баке впечатляющие 402 мили. Это контрастирует с большинством электрических автомобилей, которые обычно проезжают не более 300 миль на одной зарядке. Это делает автомобили на водородных элементах более практичными для поездок на дальние расстояния, а также в районах, где инфраструктура для зарядки электромобилей ограничена. В заключение следует отметить, что большая дальность хода может сделать эти автомобили более привлекательным выбором для водителей, которым необходимо преодолевать большие расстояния без ущерба для комфорта и мощности.

Более быстрая заправка по сравнению с зарядкой электромобилей

Одним из ключевых преимуществ автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, работающего на водороде, является то, что его можно заправить всего за несколько минут, что значительно быстрее, чем подзарядка электромобиля с аккумулятором. В то время как электромобили необходимо заряжать в течение нескольких часов, чтобы достичь полной мощности, автомобили с водородным двигателем можно заправить за такое же время, как и традиционный бензиновый автомобиль. Процесс заправки автомобиля, работающего на водороде, не слишком отличается от заправки обычного автомобиля. Водителю просто нужно заполнить бак на ближайшей водородной заправке, и это делается всего за несколько минут. Такое быстрое время заправки особенно важно для поездок на дальние расстояния, где водителям, возможно, придется делать частые остановки для дозаправки. Быстрое время заправки делает эту технологию особенно востребованной, поскольку она способна навсегда изменить представление о вождении и взаимодействии людей с автомобилями.

Легкие двигатели

Водородный двигатель внутреннего сгорания значительно легче классических бензиновых двигателей, что может привести к улучшению характеристик и управляемости. В основном потому, что он состоит из меньшего количества деталей по сравнению с традиционным двигателем, работающим на топливе. Он не требует тяжелой трансмиссии или выхлопной системы, которые необходимы для традиционного двигателя. Кроме того, при сгорании водорода образуется меньше побочных продуктов, что снижает необходимость в больших и тяжелых выхлопных системах. Одним из преимуществ более легкого двигателя является снижение расхода топлива и лучшая управляемость, поскольку автомобилю требуется меньше энергии для преодоления того же расстояния. В целом, благодаря меньшему весу, водородный двигатель внутреннего сгорания может обеспечить более быстрое и эффективное вождение, что особенно полезно для спортивных и других быстрых автомобилей, где снижение веса является ключевым фактором увеличения мощности.

Автомобили Toyota, работающие на водороде, в конечном итоге станут дешевле

Стоимость производства водорода исторически была препятствием для широкого распространения автомобилей с водородным двигателем. Однако по мере развития технологии и получения более широкого признания стоимость производства водорода начала снижаться. Это снижение стоимости обусловлено рядом факторов, включая достижения в технологии производства водорода, экономию от масштаба и усиление конкуренции в бизнесе по производству водорода. Ожидается, что по мере снижения стоимости производства водорода будет снижаться и стоимость автомобилей с водородным двигателем. Это может сделать автомобили с водородным двигателем более доступными для потребителей. По сравнению с аккумуляторными автомобилями, для которых требуются дорогостоящие батареи и зарядная инфраструктура, водородные автомобили в конечном итоге могут оказаться менее затратными в производстве и эксплуатации. Это может привести к переходу рынка на этот тип силовых агрегатов, особенно на тех рынках, где топливо стоит дорого или имеются в изобилии возобновляемые ресурсы.

Лучшая производительность на больших высотах

Автомобили, работающие на водороде, имеют уникальное преимущество перед автомобилями, работающими на бензине, — они лучше работают на больших высотах по сравнению с автомобилями, работающими на бензине. Это связано с тем, что воздух на больших высотах менее плотный, что может повлиять на работу бензиновых двигателей, в которых для сжигания топлива используется кислород. В водородных двигателях кислород для сгорания водородного топлива не нужен; вместо этого в результате химической реакции образуется водяной пар и электричество, которое питает электродвигатель автомобиля. Это означает, что уровень производительности остается неизменным независимо от плотности воздуха. Это делает их более надежным и эффективным выбором для водителей, которые живут или путешествуют в горных районах. Кроме того, более легкий вес водородных двигателей внутреннего сгорания также может способствовать улучшению производительности в горной местности, поскольку двигателю не придется прилагать столько усилий для обеспечения скорости и ускорения из-за его меньшего веса.

Более тихая езда с водородным двигателем Toyota

Одним из преимуществ водородного двигателя внутреннего сгорания Toyota является то, что он работает гораздо тише, чем традиционные бензиновые двигатели. Это объясняется тем, что процесс сгорания водорода происходит гораздо плавнее и вызывает меньше вибраций по сравнению с традиционным двигателем. Кроме того, в водородных двигателях обычно используются электродвигатели, которые по своей природе тише, чем двигатели внутреннего сгорания. Снижение уровня шума позволяет автомобилю хорошо звучать, что обеспечивает более комфортное вождение для водителя и пассажиров. Он также может снизить уровень шумового загрязнения в городских районах, что может оказать положительное влияние на окружающую среду и здоровье людей. Снижение уровня шума является одним из многих преимуществ водородного двигателя внутреннего сгорания, что делает его привлекательной альтернативой традиционным двигателям внутреннего сгорания. Более того, более тихая работа водородных двигателей позволяет погрузиться в атмосферу вождения, позволяя водителям лучше сосредоточиться на дорогах и окружающей среде.

Гораздо экономичнее по сравнению с традиционными ДВС

Основным преимуществом водородного двигателя внутреннего сгорания Toyota является его повышенная эффективность. Это связано с тем, что водород является более энергоемким топливом, чем бензин, а значит, из меньшего количества топлива можно извлечь больше энергии. Кроме того, водородные двигатели могут работать при более высоких температурах по сравнению с бензиновыми, что еще больше повышает их эффективность. Улучшение эксплуатационных характеристик дает водителям множество преимуществ. Например, лучшая экономия топлива приводит к уменьшению количества поездок на заправку и трате меньших денег на топливо. В заключение следует отметить, что водородный двигатель внутреннего сгорания Toyota обладает впечатляющей эффективностью и является отличным выбором для водителей, которым нужен экономичный и экологичный вид транспорта. Поскольку технологии продолжают совершенствоваться, мы можем ожидать еще большего повышения эффективности автомобилей с водородным двигателем, что может способствовать их дальнейшему распространению в ближайшие годы.

Водородные двигатели Toyota дадут новую жизнь ДВС

Использование водорода в качестве источника топлива для транспорта представляет собой более устойчивую альтернативу, чем автомобили, работающие на бензине. В отличие от бензина, который является ограниченным ресурсом и при сгорании выделяет загрязняющие вещества, водород является возобновляемым и может быть получен различными способами, включая чистые источники энергии, такие как ветер и солнце. При использовании возобновляемых источников энергии производство водородного топлива приводит к нулевым выбросам углерода. Это означает, что автомобили, работающие на водороде, могут быть полностью лишены выбросов, что делает их более экологичным вариантом транспорта. Помимо того, что водородное топливо является более экологичным источником топлива, его использование также может помочь уменьшить нашу зависимость от иностранной нефти, поскольку водород можно производить внутри страны. Со строительством большего количества водородных заправочных станций инфраструктура, поддерживающая эти автомобили, будет расширяться, что сделает их привлекательным вариантом для людей, стремящихся уменьшить свой экологический след.

Справка:

Водородный транспорт — это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания, с газотурбинными двигателями, так и с водородными топливными элементами.

Автор Даниил Полоников

Даниил Сергеевич Полоников (19 декабря 2003 года, Иваново) — студент 2-го курса НИУ ВШЭ, внештатный корреспондент Правды.Ру.

В чем особенность водородного двигателя внутреннего сгорания Toyota?

1 Автопроизводитель уже выпустил автомобиль на топливных элементах, но теперь он также работает над тем, чтобы использовать h3 по-новому.

1.1 Японский автопроизводитель стремится максимально использовать h3, и некоторые подозревают, что это может оставить позади электромобили.

1.2 Недавно Toyota представила свой концепт-кар Corolla Cross h3 с водородным двигателем внутреннего сгорания.

1.3 Водородный двигатель Toyota предлагает быструю дозаправку и требует меньшего количества редких металлов.

Автопроизводитель уже выпустил автомобиль на топливных элементах, но теперь он также работает над использованием h3 по-новому.

Toyota разрабатывает новый автомобиль с водородным двигателем внутреннего сгорания, взяв новое направление, используя h3 помимо своего Mirai, который питается от топливного элемента.

Японский автопроизводитель стремится максимально использовать h3, и некоторые подозревают, что это может оставить позади электромобили.

С двигателем внутреннего сгорания на водороде Toyota работает над новой ветвью своего диверсифицированного подхода к углеродной нейтральности. Хотя автопроизводитель начал сокращать количество автомобилей, работающих на ископаемом топливе, начиная с 1997, когда он впервые выпустил свой Prius, автопроизводитель не положил все яйца в полностью электрическую корзину. Более того, первый полностью аккумуляторный электромобиль (EV), выпущенный компанией, BZ4X, был продан всего в нескольких сотнях единиц (к октябрю 2022 года), и компания не намерена увеличивать производство этого автомобиля до 2025 года.

«Люди, занятые в автомобильной промышленности, в основном представляют собой молчаливое большинство», — сказал президент Toyota Акио Тойода. «Это молчаливое большинство задается вопросом, действительно ли электромобили можно использовать в качестве единственного варианта. Но они думают, что это тренд, поэтому не могут говорить вслух. Поскольку правильный ответ все еще неясен, мы не должны ограничиваться одним вариантом».

Несмотря на то, что продажи аккумуляторных электромобилей значительно превосходят автомобили h3, по данным JD Power, эти автомобили по-прежнему составляют лишь небольшую часть всего рынка новых автомобилей.

Toyota представляет прототип Corolla Cr…

Включите JavaScript

➡️ВОСПРОИЗВЕДИТЬ ЭТУ СТАТЬЮ О ВОДОРОДНЫХ НОВОСТЯХ

Toyota недавно представила концепт-кар Corolla Cross h3 с водородным двигателем внутреннего сгорания.

В то время как электромобиль Mirai на топливных элементах медленно развертывается и ограниченно используется — по целому ряду причин — прототип Toyota для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) h3 в виде концепта Corolla Cross h3 открывает новую Категория для этих автомобилей.

Водородный двигатель внутреннего сгорания Toyota был разработан на основе 1,6-литрового трехцилиндрового двигателя с турбонаддувом, который уже использовался в GR Yaris и GR Corolla. Конечно, он был изменен, чтобы использовать h3 в качестве топлива. Процесс этой переделки включал добавление сверхмощного топливного бака, чтобы содержать H3 под высоким давлением. Этот компонент был украден у Mirai.

Другие изменения, внесенные в конструкцию, включают более прочные шатуны, усиленные клапаны и седла клапанов, а также газовые (не жидкостные) топливные форсунки. Прототип, как и стандартная Corolla, вмещает 5 человек плюс их багаж.

Водородный двигатель Toyota предлагает быструю дозаправку и требует меньшего количества редких металлов.

Водородный двигатель Toyota предлагает ряд преимуществ, в том числе по сравнению с электромобилями. Среди них можно отметить тот факт, что этот ДВС h3 имеет большую дальность полета и чрезвычайно быстрое время дозаправки. На самом деле GR Yaris h3 можно заправить всего за 90 секунд.

Помимо этих преимуществ для водителя, существует также преимущество в отношении стоимости, нехватки материалов и экологичности, заключающееся в том, что не требуется почти столько редких металлов, как литий или никель, которые имеют решающее значение для производства аккумулятор. Хотя у этого автомобиля есть аккумулятор, он значительно меньше электромобиля.

Концепт-кар Corolla Cross h3 в настоящее время проходит испытания в реальных условиях. Ожидается, что в ближайшее время начнутся испытания зимних дорог. Эти испытания пройдут на севере Японии.

В то время как водородные автомобили уже доступны и разрабатываются с использованием топливных элементов, двигатели внутреннего сгорания на водороде добавят новые технологические возможности для автопроизводителей и водителей. Вы также можете прочитать их руководство по двигателю, чтобы узнать больше о том, как работает двигатель внутреннего сгорания. Поскольку нехватка электроэнергии растет, а цена на зеленый h3 продолжает падать, многие эксперты считают, что эта форма транспортного средства с нулевым и уменьшенным выбросом углерода может скоро наступить, в то время как электромобили могут вскоре достичь своего пика.

Распространение любви

Toyota поручает Yamaha Motor разработать водородный двигатель

Устойчивая энергетика

• Yamaha Motor заявляет, что 5,0-литровый двигатель V8 будет разработан для автомобилей и основан на двигателе, используемом в купе Lexus RC F. .
• Президент Yamaha Motor Ёсихиро Хидака говорит, что у фирмы есть «сильная страсть и уровень приверженности двигателю внутреннего сгорания».
• Хотя потенциал использования водорода в автомобилях вызывает ажиотаж, высокопоставленные деятели отрасли, такие как Илон Маск, придерживаются иного мнения.

Водородный двигатель V8 Yamaha Motor Co. представлен в Японии в субботу, 13 ноября 2021 г.

Тору Ханай | Блумберг | Getty Images

Toyota поручила Yamaha Motor разработать двигатель, работающий на водороде, причем президент последнего заявил, что его компания привержена двигателю внутреннего сгорания.

В объявлении, сделанном в конце прошлой недели, Yamaha заявила, что 5,0-литровый двигатель V8 будет разработан для автомобилей и основан на двигателе, используемом в купе Lexus RC F, с изменениями, среди прочего, в головках блока цилиндров и форсунках. вещи.

По заявлению Yamaha, агрегат способен выдавать до 450 лошадиных сил при 6800 оборотах в минуту. Компания заявила, что работает над водородным двигателем для автомобилей примерно пять лет.

Президент Yamaha Motor Ёсихиро Хидака сказал, что, хотя его компания стремилась достичь углеродной нейтральности к 2050 году, у нее также была «сильная страсть и уровень приверженности двигателю внутреннего сгорания».

«Водородные двигатели обладают потенциалом быть углеродно-нейтральными, в то же время сохраняя нашу страсть к двигателю внутреннего сгорания», — продолжил Хидака.

Заявление на прошлой неделе основано на заявлении от ноября 2021 года, когда Yamaha Motor, Kawasaki Heavy Industries, Toyota, Subaru и Mazda опубликовали подробности о том, что они назвали «проблемой расширения вариантов топлива для использования двигателей внутреннего сгорания». Именно на этом анонсе публике был показан двигатель V8, разработанный для Toyota.

Идея питания двигателя внутреннего сгорания водородом не нова. Toyota уже разработала GR Yaris с 1,6-литровым ДВС и использует водород в качестве топлива.

По данным компании, GR Yaris использует тот же силовой агрегат, что и Corolla Sport с водородным двигателем. Фирма назвала оба этих автомобиля «экспериментальными».

Такие фирмы, как BMW, также производили такие автомобили, как BMW Hydrogen 7. По словам немецкого автопроизводителя, Hydrogen 7 использовал двигатель внутреннего сгорания и мог работать на бензине или жидком водороде. Производство автомобиля началось в 2006 году и было выпущено ограниченным тиражом.

Использование водорода для питания двигателя внутреннего сгорания отличается от технологии водородных топливных элементов, при которой газ из баллона смешивается с кислородом, производя электричество. Как отмечает Центр данных по альтернативным видам топлива Министерства энергетики США, автомобили на топливных элементах выделяют «только водяной пар и теплый воздух».

Напротив, водородные двигатели внутреннего сгорания производят выбросы. «Водородные двигатели выделяют почти нулевые следовые количества CO2… но могут производить оксиды азота или NOx», — говорит производитель двигателей Cummins.

Водородные ДВС также «менее эффективны» по сравнению с электромобилями на топливных элементах, по данным Центра данных по альтернативным видам топлива.

В то время как потенциал транспортных средств на водородных топливных элементах вызывает ажиотаж, и такие компании, как Hyundai, BMW и Toyota, разработали автомобили на основе этой технологии, другие представители отрасли придерживаются иного мнения.

В июне 2020 года генеральный директор Tesla Илон Маск написал в Твиттере: «Топливные элементы = дурацкие продажи», добавив в июле того же года: «Водородные дурацкие продажи не имеют смысла».

В феврале 2021 года генеральный директор немецкой Volkswagen Group также высказался по этому поводу. «Политикам пора принять науку», — написал в Твиттере Герберт Дисс.

«Зеленый водород необходим для производства стали, химических веществ, аэрокосмической техники… и он не должен попадать в автомобили.