27Ноя

Принцип водородного двигателя: Как работает водородный двигатель в автомобиле?

Содержание

Как работает водородный двигатель в автомобиле?

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

Краткая история

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы и типы водородного двигателя

Основным отличием водородной установки от традиционных двигателей является способ подачи топливной жидкости и последующее воспламенением рабочей смеси.

При этом принцип трансформации возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в полезную работу остается неизменным. Учитывая, что горение нефтяного топлива происходит достаточно медленно, топливно-воздушная смесь наполняет камеру сгорания раньше, чем поршень займет свое крайнее верхнее положение (так называемую верхнюю мертвую точку).

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

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

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

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

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

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

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

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

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

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

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

Водородные двигатели внутреннего сгорания

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

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

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

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

Водородный двигатель на современном рынке

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

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

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

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

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

Среди легковых автомобилей самыми заметными представителями водородных транспортных средств на сегодня являются автомобили Mercedes-Benz GLC F-Cell (есть возможность подзарядки от обычной бытовой сети, а суммарный запас хода составляет около 500 км), Toyota Mirai (работает только на водороде, и одной заправки должно хватать на 650 км пути) и

Honda FCX Clarity (заявленный запас хода достигает 700 км). Но и это еще не все, ведь автотранспорт на водородном топливе выпускается и другими компаниями, например, Hyundai (Tucson FCEV).

Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

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

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

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

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

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

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

Как работают водородные автомобили » 1Gai.Ru

Водородные автомобили: Принцип действия.

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

 

Смотрите также: Автомобили и экология: Запретят ли автомобили?

 

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

 

Принцип работы

Это химическая реакция происходящая в водородном топливном элементе.

 

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

 

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

 

Преимущества

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

 

Смотрите также: Водород в автомобилях: Опасности и сложности использования

 

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

 

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

 

Недостатки

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Откуда же берут водород?

 

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

 

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

 

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

 

Смотрите также: Почему двигатели V4 редко встречаются в автомобилях?

 

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

 

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

 

Какие водородные автомобили сегодня продаются на мировом авторынке?

 

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

Вывод

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

Водородный двигатель для автомобиля: описание, преимущества, принцип работы

Актуальность вопроса о замене нефтепродуктов более рентабельным и чистым экологически вариантом с каждым днём только прогрессирует. Сегодня лучшие умы планеты стараются его решить. И многое уже сделано. Лидирующей альтернативой потребителям нефти является водородный двигатель.

Технологии не стоят на месте и водородный двигатель вполне может заменить современные бензиновые агрегаты

Что такое водород, как использовать

При всестороннем рассмотрении водород наиболее соответствует сегодняшним пожеланиям к дающим энергию источникам. Не загрязняет окружающую среду и практически бесконечен, если получать его из обычной воды.

Есть уже и автомобили, работающие на таком летучем веществе, как водород. Понятно, что до массового перехода на этот газ вместо бензина ещё далеко. Но тем не менее всё к тому идёт.

В основе используется реакция распада молекул воды на кислородные и водородные атомы. На сегодня применение этой реакции развивается по двум направлениям:

Рассмотрим каждое из них отдельно.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Здесь несколько нюансов. Внушительный нагрев и сжатие заставляют газ реагировать с металлическими составляющими агрегата и смазочной жидкостью. А при утечке, контактируя с раскалённым выпускным коллектором, конечно, он воспламеняется. Учитывая это, нужно использовать моторы роторные, у которых выпускной коллектор на приличном расстоянии от впускного. Что снижает вероятность воспламенения.

Также система зажигания требует некоторых изменений. И агрегат на водороде с внутренним сгоранием уступает по КПД электродвигателю на водородных элементах. Но всё это уже разрабатывается достаточно долго, поэтому не далёк тот день.

Вот пример — BMW 750hL, автомобиль с водородным двигателем. Сошедший с ленты конвейерной маленьким тиражом. Под капотом двигатель на двенадцать цилиндров. Топливом ему служит замес из кислорода и водорода, по составу идентичный ракетному горючему. Машина может набрать максимум 140 км/ч. Газовое ассорти, сжиженно-охлаждённое, содержится в добавочном баке. Его объёма достаточно для покрытия трёхсот километров, а если по пути смесь закончилась, мотор начинает потреблять чистый бензин из основного бака автоматом. Стоимость авто не превышает цен на машины такой же категории, но с карбюраторным движком — порядка 90 тыс. $.

Агрегаты, работающие от водородных батарей

Здесь принцип работы водородного двигателя — электролиз. Тот же, что у свинцовых аккумуляторов. Только КПД составляет 45%.

Через мембрану такой «батарейки» пройти могут только протоны. Электроды разных полюсов разделены этой мембраной. К аноду подаётся водород, на катод — кислород. Катализатор, покрывающий их (это платина), заставляет терять электроны. Катод притягивает протоны, пропущенные мембраной, и они начинают реагировать на электроны, итог реакции — образование воды и электрического тока. От анода электричество посредством проводов поступает уже к электромотору, т. е. питает его.

Агрегаты, питающиеся от водородных батарей, с рабочими названиями «Антэл-1» и «Антэл-2», уже работают на отечественных авто «Нива» и «Лада» в качестве концепта. Первая силовая установка преодолевает двести тысяч метров за один «полный бак», вторая триста.

О выгодах применения

У водородного карбюраторного мотора горючее только обогащается газовой смесью на 10%, но это на 30–50% понижает расход самого горючего. Получается, что на том же объёме топлива вы будете проезжать, например, не сто пятьдесят, а двести вёрст.

Вот какие достоинства водородного двигателя уже сегодня. А в будущем применение этого чудесного газа, как движущей силы для автомобиля, открывает широчайший ряд выгодных аспектов.

Для получения энергии нужна будет только вода

Выгодные аспекты

  • бесплатное сырьё — вода, из которой газ можно брать бесконечно;
  • во время реакции получаемые вещества вреда экологии не доставляют;
  • благодаря реактивному сгоранию КПД рассматриваемого агрегата на порядок выше карбюраторного;
  • колоссальная горючесть газа позволяет силовой установке бесперебойно работать при любых атмосферных показателях как минусовых, так и плюсовых;
  • детонация при сгорании водородной смеси в разы ниже, чем у бензина, что снижает шумы и вибрацию при работе агрегата;
  • здесь не требуется сложных систем трансмиссии, охлаждения и смазки, значит, повышается простота обслуживания благодаря уменьшению числа деталей.

Доводка до совершенства

Чтобы двигатель на водородных элементах работал в постоянном режиме, помимо прочего, ему нужны объёмные аккумуляторы и преобразователи. А в том виде, в котором они доступны сейчас, используется слишком много места для них. Здесь при изготовлении нужен принципиально новый подход.

Топливные элементы ещё слишком дорогие. Пока только ведётся поиск альтернативных материалов для их производства.

Не доработана пожаробезопасность силовой установки. И вопрос ёмкостей для водорода остаётся открытым. Само устройство водородного двигателя, можно сказать, ещё только приобретает будущие черты.

Экскурс по истории

Примечательно, что водородный двигатель был изобретён гораздо раньше бензинового. Но развитие получил почему-то второй. Построенный во Франции ещё в 1806 году учёным Франсуа Исааком де Риваз агрегат уже тогда работал от гидролиза воды. А бензин для ДВС стали применять только в 1870.

Видео об использовании водорода в качестве топлива для авто:

Во времена, не столь далёкие, а именно в Великую Отечественную войну, есть свидетельство ещё одного удачного использования водорода, как источника получения энергии. В Ленинграде в блокаду бензина катастрофически не хватало. Поэтому было решено для работы аэростатов заграждения и приводящих лебёдок использовать водород, которого было достаточно. И это сыграло немаловажную роль по защите города.

Вот такая альтернатива нефтепродуктам есть у человечества на сегодня. И работа в этом направлении ведётся всё интенсивнее. Про то, как работает водородный двигатель сейчас и как он будет работать завтра, можно говорить только в общих чертах. Ясно одно — за водородом будущее нашей планеты.

Если имеется чем дополнить, комментарии ждут вас внизу.

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Двигатель внутреннего сгорания на водороде (водородный ДВС) и двигатель на водородных топливных элементах: устройство и особенности, перспективы развития.

Немного истории

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

Риваз и его машина

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

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

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

Фото GM Electrovan

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

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

А что значит водородное топливо на самом деле?

Что такое водородный двигатель?

Это такой тип двигателя, который в качестве топлива использует водород. Применение этого химического элемента позволит снизить истощение запасов углеводородных ресурсов. Вторая причина заинтересованности в подобных установках – снижение загрязнения окружающей среды.

В зависимости от того, какой тип мотора будет использоваться в транспорте, его работа будет отличаться от классического двс или быть идентичной.

Краткая история создания

Двигатель на водороде был создан в начале XIX века усилиями французского изобретателя. Спустя 35 лет в Англии был оформлен официальный патент на подобный агрегат, а в 1852 году немецкие инженеры доработали устройство, сделав возможной его работу на воздушно-водородной смеси.

Особое распространение моторы на водороде приобрели в годы ВОВ, когда бензин оказался в большом дефиците. Затем интерес к данному виду топлива поутих до топливного кризиса, случившегося в 70-е годы.

В последнее же время за развитие экологически безопасного топлива ратуют защитники природы и просто люди, неравнодушные к дальнейшей судьбе планеты и будущих поколений.

Водяные колеса,двигатель ранних эпох

Для подъёма воды в оросительные каналы служили водяные колёса (первые простейшие гидравлические двигатели), использующие ее энергию. Первые водяные колеса начали применяться более чем за 3000 лет до н.э. в Египте, Китае, Индии и других странах (рис. 3.2). Сведения об их использовании приводятся в таких древних источниках, как «География» Страбона (63 г. до н.э. – 24 г. н.э.) в семнадцати книгах, «Десять книг об архитектуре» Витрувия (вторая половина I века до н.э.).

Витрувий так описывает водяное колесо:

«Вокруг вала устанавливается колесо, по своим размерам соответствующее высоте, на которую должна быть доставлена вода, вокруг него, по внешнему кругу, устанавливаются кубические ящики, которые делаются водонепроницаемыми при помощи смолы и воска. Когда колесо путём наступания приводится в движение, то наполняющиеся ящики поднимаются кверху и на обратном пути выливают своё содержимое в водохранилище».

Если течение реки достаточно сильное, то оно само может вращать колесо и усилия раба или животного можно заменить силой текущей воды. У того же Витрувия читаем: «В реках также устанавливаются водоподъёмные колёса, подобные вышеописанным, с той только разницей, что к ним с наружной стороны приделываются лопасти, которые, будучи увлечены течением воды, своим движением заставляют вращаться колесо и, наполняя при этом ящики водой и поднимая их кверху, без работы толкания, путём использования течения воды, сами вращаясь, выполняют необходимую работу».

На рис. показано старинное сирийское водоподъёмное колесо – нория.

Древние греки поняли, что вращающееся водяное колесо может не только поднимать воду, но и совершать другую полезную работу, если его ось соединить с каким-нибудь механизмом. От этой догадки оставался лишь шаг до изобретения водяной мельницы. И этот шаг был сделан. В Древней Греции и Риме водяные колеса уже использовались для вращения мельничных жерновов.

В те времена простое устройство водяной мельницы представлялось настоящим чудом, сродни «самостоятельно» открывавшимся дверям храмов и «беспричинному» появлению огня на жертвенном очаге. Но там эти действия, казалось, производили сами боги, а здесь, на водяной мельнице, самая простая и привычная земная работа – размол зерна – осуществлялась как бы сама собой, без монотонного и тяжелого труда рабынь, растирающих зерно между камнями (

Один из поэтов той эпохи – македонянин Антипатр Фессалоникский, живший в I столетии до н.э., – посвятил водяной мельнице оду:

Дайте рукам отдохнуть, мукомолки;
спокойно дремлите,
Хоть бы про близкий рассвет громко
петух голосил:
Нимфам пучины речной ваш труд
поручила Деметра; Как зарезвились они обод крутя колеса!
Видите? Ось завертелась, а оси
крученые спицы С рокотом движут глухим тяжесть
двух пар жерновов. Снова нам век наступил золотой:
без труда и усилий Начали снова вкушать дар мы
Деметры святой.

В древнем Риме уже во II в. водяные мельницы были распространены почти повсеместно, все больше и больше работ выполнялось с их помощью. Водяные колеса использовались и для выжимания масел, и для размягчения яблок, из которых приготовляли любимый римлянами напиток – сидр, с их помощью заполнялся водой знаменитый римский водопровод. Водяное колесо стали использовать для пиления досок, и для обработки камня. Строительство из известняковых блоков становилось массовым, ведь в ряде регионов он был дешевле кирпича, в связи недостатка дров для обжига. Это можно видеть и в регионах Сирии, Египта,Малой Азии, что античные посройки произведениы из пиленых известковых блоков. А когда во время осады Рима остготы разрушили водопровод и «вечный город» остался без воды, император Вилезарий устроил прямо на Тибре огромные плавучие водяные колеса, служившие для ее подачи в город.

Водяной двигатель стал использоваться и для пиления досок. и именно это произвело революцию в судостроении.

Мертвая царевна и Семеро Грезящих

Гунны, Народ, пришедший с Ямала. Аттила, каган гуннов из рода Вельсунгов

Источник

Что такое водородное топливо?

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

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

Водород для топлива добывают следующими способами:

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

В чём преимущество этого альтернативного источника энергии?

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

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

Техническое устройство с водяным двигателем. 8 букв. Какой ответ?

Техническое устройство с водяным двигателем

МЕЛЬНИЦА является техническим сооружением, которое использует гидроэнергию, получаемую с помощью водяного колеса.

Это может быть мельница, у которой колесо крутится с помощью напора воды, льющейся на лопасти. Мельницы специально устраивали возле водоемов и создавали искусственным путем усиление водяного потока. Для этого делали наклон и выкапывали глубокую яму, чтобы колесо не застревало в иле. Когда нужно было колесу крутиться с определенной силой, поток воды регулировали.

Я тоже из таких устройств из восьми букв знаю только одно — мельница. Есть водяные мельницы, они получают энергию от падающей воды. Такие мельницы ставят, естественно, около реки. Вода падает и вращает колесо, которое заставляет крутиться жернова.

Водяную мельницу можно назвать устройством с водяным двигателем, ведь колесо, которое приводит в движение мельницу, точнее её жернова, крутится только за счет того что находится под струёй воды.

Как человек технического склада , под описание задания могу привести несколько примеров. Но в подобных вопросах , как правило имеются в виду , самые характерные случаи. А таким вариантом может быть только один : МЕЛЬНИЦА.

Обычно в такие вот нерегулярные армейские подразделения отбирали самых буйных, жестоких и недисциплинированных турок. В основном из самых воинственных племен. Им не платили ни копейки жалования, а давали только оружие и пускали на зачистки территории и для устрашения мирного населения. Это были Башибузуки, или больные головой, как переводится это слово. Ответ тут Башибузук.

Проблема в том, что счастливыми обладателями пениса являются сразу несколько видов крупных птиц, и какую именно птицу имеют в виду составители кроссворда, сказать сложно. Лично мне чаще всего попадались подобные вопросы, правильным ответом на которые было слово «лебедь». Действительно, у лебедей и близкородственных им пород водоплавающих птиц имеются пенисы. Однако, пенисы имеются ещё и у птиц страусиных пород, и такие ответы на этот вопрос мне тоже не раз попадались. Так что, могу предоставить вам, как минимум, сразу два подходящих по буквам и абсолютно правильных ответа. Конечно, скорее всего, правильный ответ — «лебедь».

Ответ — ЛЕБЕДЬ или СТРАУС

Если спросить современного обывателя, что такое пиролиз, он нахмурит лоб и изречёт, что это «что-то про нефть», хотя на самом деле это в гораздо большей степени «что-то про дрова», причём с древнейших времён. Пиролиз хвойной древесины был известен ещё в Древней Греции, в результате получалась смола, которой пропитывали древесину, шедшую на изготовление лодок и кораблей.

На Руси сухой перегонке подвергали берёзу, в результате получался ДЁГОТЬ. Об одной ложке данного вещества как о способной испортить бочку мёда, говорит русская пословица. В старину оба продукта были объектами крупной торговли, перевозились на дальние расстояния. Дураки и дороги являлись проблемным фактором во все времена, поэтому вопрос о сохранности перевозимого груза был актуальным всегда.

Очень девушки любят поплакаться на берегу водоемов. Молодые, мол, они и красивые, а достойных принцев нет вокруг, обмелели, получается, заводи, хищные акулицы всех достойных заглотили, никого толкового уж более и не встретишь.. Просят девушки Морского царя о милости, чтоб пробился к их берегу если уж и не принц, так хоть король престарелый.

А рыдают девушки под ивами, эти тоже плавучие, ветви прям до самой воды опустили.

Ивняк получается в ответе, целое сборище ив, плакучих спутниц несчастных девушек.

Вполне возможно у вас в кроссворде, под объяснением — «избавление, искоренение»,

загадано слово из 7 букв — ИЗЖИТИЕ . Если не подходит — напишите буду предлагать различные варианты, пока не подберем вам необходимое подходящее слово.

Источник

Как работает

Так как на сегодняшний день существует много действующих моторов данной категории, в каждом отдельном случае работать водородная установка будет по своему принципу. Рассмотрим, как работает одна модификация, которая может заменить классический ДВС.

В таком моторе обязательно будут использоваться топливные элементы. Это своего рода генераторы, которые активируют электрохимическую реакцию. Внутри устройства водород окисляется, а результатом реакции является выделение электричества, водяного пара и азота. Углекислый газ в такой установке не выделяется.

Транспортное средство на подобном агрегате – такой же электромобиль, только батарея в нем намного меньше. Топливный элемент вырабатывает достаточно энергии для работы всех систем автомобиля. Единственный нюанс – от начала процесса до выработки энергии может пройти около 2 мин. Но максимальная отдача установки начинается после прогрева системы, что занимает от четверти часа до 60 минут.

Чтобы силовая установка не работала впустую, и не нужно было заранее подготавливать транспорт к поездке, в нем установлена обычная батарея. Во время езды она подзаряжается за счет рекуперации, а нужна она исключительно для старта авто.

Такой автомобиль оснащается баллоном разных объемов, куда закачивается водород. В зависимости от режима езды, размеров машины и мощности электроустановки одного килограмма газа может хватить на 100 километров поездки.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

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

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

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

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

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

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды  на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода  на полном баке водорода составляет около 300  км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной).  Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода.  В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

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

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Как устроена система охлаждения двигателя автомобиля?

В фокусе внимания — виды и устройство систем охлаждения двигателя (жидкостная и воздушная), а также распространённые неисправности.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания автомобиля (СО) – это конструктивное решение, которое отводит от двигателя транспортного средства излишки тепла и передаёт их в окружающую среду, а также позволяет двигателю оперативно прогреться. Именно возможность быстро прогреться, достигнув оптимального уровня рабочей температуры, и поддержка этой температуры на заданном уровне — одни из важнейших факторов эффективной работы ДВС.

Назначение системы охлаждения двигателя — предотвращение повреждений деталей двигателя автомобиля в результате его перегрева и износа, охлаждение отработавших газов, масла в системе смазки.

Опасен ли водород для человека?

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

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

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

На территории Европы и Соединенных Штатов водородный автомобиль уже можно встретить. Однако они еще находятся в категории диковинки. И на сегодняшний день перспектив пока немного.

Самая главная причина того, что данный тип транспорта еще нескоро заполонит дороги всех стран, заключается в отсутствии производственных мощностей. Во-первых, необходимо наладить выработку водорода. Причем нужно достичь такого уровня, чтобы помимо экологичности это еще было и доступное большинству автомобилистов топливо. Помимо производства этого газа нужно наладить его транспортировку (хотя для этого можно спокойно воспользоваться магистралями, по которым транспортируется метан), а также оснастить много заправочных станций соответствующими терминалами.

Во-вторых, каждому автопроизводителю придется серьезно модернизировать производственные линии, что требует немалых вложений. В условиях нестабильной экономики из-за разразившейся всемирной эпидемии мало кто пойдет на такие риски.

Если посмотреть на темпы развития электротранспорта, то процесс популяризации проходил очень быстро. Однако причина популярности машин на электротяге – возможность экономить на топливе. И это зачастую первая причина, почему их покупают, а не ради сохранения окружающей среды. В случае с водородом сэкономить не получится (по крайней мере сейчас), потому что для его производства тратится намного больше энергоресурсов.

Можно ли сделать своими руками?

Технология работы двигателя на газ известна давно, и многие концерны достигли успехов в вопросе внедрения водородных двигателей. Над совершенствованием классического ДВС задумались и народные умельцы.

Суть заключается в подаче в камеру сгорания специального газа. Такое устройство носит название системы Брауна. При этом бензин также подается в двигатель, но смешивается с газом, что обеспечивает лучшее горение.

В результате появляется водяной пар, очищающий клапана и поршни двигателя от нагара, улучшающий характеристики мотора и повышающий его ресурс.

Чтобы своими руками разложить воду на газ, требуется катализатор, дистиллят, электроды и электричество.

Конструкция собирается из подручных материалов. Допускается применение одной банки, но лучше использовать шесть.

После вырезаются пластинки и объединяются по принципу крест-накрест. Далее они обматываются проволокой и крепятся на крышке. Важно, чтобы электроды не замыкались между собой.

На последнем этапе банки заполняются электролитом и катализатором. Такая схема может работать на любом автомобиле.

Если же говорить о полноценном водородном двигателе, то в гаражных условиях сделать его конечно же не получится из-за сложности технологии.

Великий и ужасный

О том, что водород может стать номером 1 в вопросах альтернативного топлива, говорят достаточно давно. Еще до экономического кризиса в далеком 2008 году СМИ постоянно печатали репортажи о том, как прекрасно можно использовать силу водорода.

Любая машина на водороде считалась прорывом, а ее создателей возводили чуть ли не в лик святых. Неподготовленные читатели и автолюбители уверенно считали это настоящим прорывом, но нужно сказать, что это не так.

Водородный двигатель: устройство и принцип работы

Двигатель внутреннего сгорания уже давно является далеко не единственным силовым агрегатом, который устанавливается на автомобили: альтернативой ему в последнее время всё чаще становятся моторы, использующие в качестве движущей силы электричество, и водородные установки. Именно о последнем механизме и пойдет речь ниже.

Краткая история создания

Двигатель на водороде был создан в начале XIX века усилиями французского изобретателя. Спустя 35 лет в Англии был оформлен официальный патент на подобный агрегат, а в 1852 году немецкие инженеры доработали устройство, сделав возможной его работу на воздушно-водородной смеси.

Особое распространение моторы на водороде приобрели в годы ВОВ, когда бензин оказался в большом дефиците. Затем интерес к данному виду топлива поутих до топливного кризиса, случившегося в 70-е годы.

В последнее же время за развитие экологически безопасного топлива ратуют защитники природы и просто люди, неравнодушные к дальнейшей судьбе планеты и будущих поколений.

Принцип работы водородного двигателя

Функционирование двигателя на водородном топливе отличается от действия двигателя внутреннего сгорания, прежде всего, особенностями подачи и воспламенения смеси топлива, но принцип работы остаётся таким же.

Бензин горит медленно, а в случае с водородом время впрыска сдвигается к моменту возвращения поршня к крайнему положению, давление же может быть низким.

Водородный двигатель в идеальных условиях и вовсе способен работать без поступления воздуха: в камере сгорания останется после сжатия пар, который снова станет водой (это обеспечит радиатор). Однако на практике добиться этого сложно, т. к. на авто придётся устанавливать электролизер (специальное устройство, отделяющее водород от воды с целью осуществления реакции с кислородом).

Водородные топливные элементы

Эти устройства напоминают традиционные аккумуляторы с более высоким КПД, достигающим 45%.

В корпус помещается мембрана, проводящая исключительно протоны и разделяющая две камеры (анодную и катодную): в первую поступает водород, во вторую – кислород. Электроды покрываются катализатором (в его качестве часто применяют платину), при воздействии которого начинается процесс потери электронов водородом.

Протоны, проходящие в тот же период времени в катодную камеру, соединяются с приходящими извне электронами, что происходит опять же вследствие наличия катализатора.

Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания

Такой движок практически ничем не отличается от пропанового агрегата, поэтому часто владельцы таких машин просто перенастраивают двигатели (но это и приводит к снижению КПД).

Как работает машина с водородным двигателем? В ней установлен генератор: внутри него протекает реакция окисления водорода, в конце которой получаются азот, пар и электрический ток (углекислый газ в продуктах распада отсутствует).

Автомобиль с таким силовым агрегатом можно сравнить с электрокаром, но с более компактным аккумулятором. На рабочий режим элемент выходит спустя пару минут после запуска, а вот на прогрев до рабочей температуры может уйти и час (на точное время влияет температура окружающей среды). Появляется вода, а электроны из анодной камеры попадают в электрическую цепь, подключенную к движку. Иными словами, получается ток, питающий автомобильный водородный двигатель.

Минусы водородного мотора

Водородные двигатели для автомобилей при всех плюсах не лишены недостатков:

  1. Высокая стоимость, на которую влияют, во-первых, электрический генератор, во-вторых, необходимые для эксплуатации авто баки из углепластика.
  2. Низкая энергетическая эффективность. У электромобиля КПД равняется 70%, у водородного топлива – 30%, если же водород получать из нефти, этот показатель увеличится примерно в 2 раза, но тогда появится углекислый газ.
  3. Малое количество заправок. Если в Европе они хотя бы есть, то в России такие заправочные станции в принципе отсутствуют.
  4. Необходимость периодической проверки баллонов, заправленных водородом, в целях безопасности.
  5. Увеличение веса машины и, как следствие, ухудшение маневренности.

Безусловно, защита окружающей среды имеет огромное значение, но пока что автолюбители не готовы жертвовать собственным комфортом и деньгами ради экологии.

Видео о том как работает водородный двигатель

Водородный двигатель

Водородный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива используется водород.

 

История водородных двигателей

Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.

Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.

Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.

Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.

По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.

Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.

                                          

Типы и принцип работы водородных двигателей

Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.

 

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.

В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.

Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая — 350 км.

 

Водородные двигатели внутреннего сгорания

При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.

ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия. 

Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.

Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.

                                                                    

Проблемы и задачи развития водородных двигателей

Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.

Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.  

Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана.  С большими затратами связана его транспортировка и хранение.

В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.

Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.

Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.

Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку

Интерес к применению водорода появился еще в 70-х годах в период острого дефицита топлива. Первым современным разработчиком, который представил двигатель для автомобиля работающий на водороде, стал концерн Toyota. Именно он в 1997 году выставил на всеобщее обозрение внедорожник FCHV, который так и не пошел в серийное производство.

Несмотря на первую неудачу, многие компании продолжают исследования и даже производство таких автомобилей. Наибольших успехов добились концерны Тойота, Хендай и Хонда. Разработки ведут и другие компании — Фольксваген, Дженерал Моторз, БМВ, Ниссан, Форд.

В 2021 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom (ранее GEC-Alsthom) . Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение в конце 2017 года по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Интерес к покупке Coranda iLint уже проявила Норвегия, Дания и другие страны.

Краткая история создания

Двигатель на водороде был создан в начале XIX века усилиями французского изобретателя. Спустя 35 лет в Англии был оформлен официальный патент на подобный агрегат, а в 1852 году немецкие инженеры доработали устройство, сделав возможной его работу на воздушно-водородной смеси.

Особое распространение моторы на водороде приобрели в годы ВОВ, когда бензин оказался в большом дефиците. Затем интерес к данному виду топлива поутих до топливного кризиса, случившегося в 70-е годы.

В последнее же время за развитие экологически безопасного топлива ратуют защитники природы и просто люди, неравнодушные к дальнейшей судьбе планеты и будущих поколений.

Особенности водорода как топлива для двигателя

В ДВС бензин смешивается с воздухом, после чего подается в цилиндры и сгорает, в результате чего происходит перемещение поршней и движение транспортного средства.

Применение водорода в виде топлива имеет ряд нюансов:

  • После сжигания топливной смеси на выходе образуется только пар.
  • Реакция воспламенения происходит быстрее, чем в случае с дизельным топливом или бензином.
  • Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
  • Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси.
  • Водород — летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
  • Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется.
  • Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы мотора путем дозирования консистенции.

С учетом перечисленных нюансов применять h3 в чистом виде для двигателя внутреннего сгорания нельзя. Требуется внесение конструктивных изменений в ДВС и установка дополнительного оборудования.

Что такое система охлаждения двигателя и как работает

По сути это система, интегрированная с двигателем. Она отводит избыточное тепло с помощью специальной жидкости.

В системе жидкостного охлаждения двигатель окружен водяными рубашками. С помощью насоса эта вода циркулирует в этой водяной рубашке.

Вода, текущая в этих рубашках, отводит тепло от двигателя. Эта горячая вода затем течет через радиатор, где охлаждается от холодного тепла, выдуваемого через вентилятор.

В этой системе вода отбирает тепло у двигателя, и охлаждается воздухом, а затем снова циркулирует в двигателе.

Это косвенный процесс охлаждения, когда фактическое охлаждение, то есть воздух, не охлаждает систему напрямую. При этом воздух охлаждает воду, а вода охлаждает двигатель.

Система жидкостного или непрямого охлаждения используется в больших двигателях, в таких как легковые и грузовые автомобили.

Преимущества жидкостной системы охлаждения

  1. Компактный дизайн.
  2. Обеспечивает равномерное охлаждение двигателя.
  3. Двигатель может быть установлен в любом месте автомобиля.
  4. Может использоваться как на малых, так и на больших двигателях.

Недостатки системы жидкостного охлаждения

  1. В ней водяная рубашка становится еще одной частью двигателя. При этом в случае выхода из строя системы охлаждения двигатель может получить серьезные повреждения.
  2. Она требует регулярного технического обслуживания и, таким образом, создает дополнительные расходы на обслуживания.

Устройство водородного двигателя

Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:

  • Машины с 2-мя энергоносителями. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. КПД двигателя такого типа достигает 90-95 процентов. Для сравнения дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
  • Автомобиль со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства. Сегодня удалось создать моторы, имеющие КПД от 75% и более.
  • Обычные транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД еще на 20%.

Как отмечалось выше, конструкция мотора, работающего на h3, почти не отличается от ДВС за исключением некоторых аспектов.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения. Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

Авто на водороде

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

Принцип работы

Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:

  1. Моторы внутреннего сгорания;
  2. Двигатели на водородных элементах.

Водородные моторы внутреннего сгорания

В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.

В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).

В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.

После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от h3O для последующей реакции с O2.

Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.

Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

Двигатели на водородных элементах

Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).

В анодную секцию подается h3, а в катодную камеру — O2. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).

Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.

Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

Как работает водородный автомобиль

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

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

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

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

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

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

Ещё одна хорошая статья: ТОП 150 полезных советов, как выбрать автомобиль с пробегом: как выбрать подержанный автомобиль, что смотреть и что нужно знать, как обезопасить себя

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

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор на основе углеродных трубок, который стоит в 650 дешевле платины.

Таким образом, механизм работы водородного автомобиля похож на работу электромобилей. Всё дело только в источнике энергии.

Где использовались водородные топливные элементы?

Особенность топливных элементов водородного типа —способность производить энергию для электрического мотора. Как результат, система заменяет ДВС или становится источником бортового питания на транспортном средстве.

Впервые топливные элементы были использованы в 1959 году компанией из США.

Если говорить в целом, топливные элементы применяются:

  • НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ. В отличие от КПД стандартного двигателя, они показывают лучшие результаты. На испытании первого автобуса топливные элементы показали КПД в 57%. Сегодня такие устройства тестируются многими производителями автомобилей — Хонда, Форд, Ниссан, Фольксваген и другими.

  • НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. На современном этапе больше 60% транспорта на ж/д — тепловозы. Сегодня водородные поезда разрабатываются во многих странах — Японии, Дании, США и Германии.
  • НА МОРСКОМ ТРАНСПОРТЕ. Водородные топливные элементы наиболее востребованы на подводных лодках. Активные работы в этом направлении ведутся в Германии и Испании, а в роли заказчиков выступают другие страны, среди которых Италия, Греция, Израиль.
  • В АВИАЦИИ. Первые самолеты на водородном двигателе появились еще в 80-х годах прошлого века. На современном этапе новый вид топлива применяется для создания беспилотных летательных аппаратов (в том числе вертолетов).

Также водородные топливные элементы нашли применение на вилочных погрузчиках, велосипедах, скутерах, мотоциклах, тракторах, автомобилях для гольфа и другой технике.

Немного истории

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


Риваз и его машина

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

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

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


Фото GM Electrovan

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

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

А что значит водородное топливо на самом деле?

Преимущества и недостатки

Чтобы понять особенности и перспективы водородного двигателя в автомобиле, стоит знать его плюсы и минусы. Рассмотрим их подробнее.

Плюсы:

  • ЭКОЛОГИЧНОСТЬ. Внедрение водородного двигателя — возможность забыть о проблеме загрязнения окружающей среды. При глобальном переходе на этот вид топлива удастся снизить парниковый эффект и, возможно, спасти планету. Экологичность новых разработок подтверждена компанией Тойота. Работники концерна доказали, что выхлоп из машины безопасен для здоровья. Более того, выходящую воду можно пить, ведь она дистиллирована и очищена от примесей.
  • ОПЫТ РАЗРАБОТОК. Известно, что водородный двигатель создан давно, поэтому с его применением на автомобилях проблем быть не должно. Если углубится в историю, первое подобие мотора на водороде в начале XIX века удалось создать Франсуа Исаак де Ривазу — конструктору из Франции. Кроме того, в период блокады Ленинграда на новый вид топлива было переведено почти 500 машин.
  • ДОСТУПНОСТЬ. Не менее важный фактор в пользу h3 — отсутствие дефицита. При желании этот вид топлива можно получать даже из сточных вод.
  • ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В РАЗНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ. Существует мнение, что водород используется только в ДВС. Это не так. Новая технология задействована при создании топливного элемента, с помощью которого удается получить электрический ток и запитать электромотор транспортного средства. Преимущества заключаются в безопасности и отсутствии ископаемых элементов, что исключает загрязнение окружающей среды. На современном этапе такая схема считается наиболее безопасной и пользуется наибольшим спросом у разработчиков.

Также к плюсам стоит отнести:

  • Минимальный уровень шума;
  • Улучшение мощности, приемистости и других параметров двигателя;
  • Большой запас хода;
  • Низкий расход горючего;
  • Простота обслуживания;
  • Высокий потенциал применения в виде альтернативного топлива.

Недостатки водородного двигателя:

  • СЛОЖНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ h3 ИЗ ВОДЫ. Как отмечалось, данный газ считается наиболее распространенным элементом на планете, но в чистом виде его почти нет. Этот газ имеет минимальный вес, поэтому он поднимается и удерживается в верхних слоях атмосферы. Атомы h3 быстро связываются с другими элементами, в результате чего образуется вода, метан и другие вещества. Вот почему для применения водорода его необходимо извлечь, а для этого требуются большие объемы энергии. На текущий момент такое производство нерентабельно, что тормозит процесс внедрения водородных двигателей. По приблизительным расчетам цена литра, сжиженного h3 равна от 2 до 8 евро. Итоговые расходы во многом зависят от способа добычи топлива.
  • ОТСУТСТВИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА ЗАПРАВОК. Не меньшая проблема — дефицит АЗС, готовых заправлять машины водородным топливом. Проблема заключается в высокой стоимости оборудования для таких автозаправочных станций (если сравнивать с обычной АЗС). Сегодня разработано множество проектов станций для заправок водородом — от крупных до небольших заправок, но из-за дороговизны и отсутствия массового применения водородных двигателей на автомобилях процесс внедрения идеи может растянуться на десятилетия.

  • НЕОБХОДИМА ДОРОГОСТОЯЩАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВС. Как отмечалось, водородное топливо теоретически может использоваться для заправки ДВС. Но для применения h3 в качестве основного топлива требуются конструктивные изменения. Если ничего не менять, мощность мотора падает на 20-35%, а ресурс силового узла значительно снижается. Но и это не главный недостаток. Опасность в том, что такой механизм проработает недолго и быстро выйдет из строя. Сгорая, водородная смесь выделяет большее тепло, что приводит к перегреву поршневой и клапанной системы, а мотор работает в режиме повышенных нагрузок. Кроме того, высокие температуры негативно влияют на материалы, из которых сделан силовой узел, и смазывающие вещества. В результате рабочие элементы двигателя быстро износятся. Это значит, что без модернизации ДВС применение h3 невозможно.
  • ДОРОГОВИЗНА МАТЕРИАЛОВ. Главным «камнем преткновения» в вопросе развития водородных технологий является высокая стоимость материалов. В качестве катализатора используется платина, цена которой для рядового автовладельца очень высока. Проще потратить деньги и подарить дорогое кольцо жене, чем отдавать их для установки новой детали. Надежда остается на ученых, которые ищут альтернативы для дорогостоящего катализатора. Проводятся тестирования элементов, способных заменить драгоценный металл.

Кроме уже рассмотренных выше, стоит выделить еще ряд недостатков:

  • Опасность пожара или взрыва.
  • Риски для планеты, ведь увеличение объема водорода может привести к непоправимым последствиям для озонового слоя.
  • Увеличение веса машины из-за применения мощных АКБ и преобразователей.
  • Наличие проблем с хранением водородного топлива — под высоким давлением или в сжиженном виде. Исследователи еще не пришли к единому выводу, какой из вариантов лучше.

Плюсы и минусы водородной установки для автомобиля

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

Недостатки водородного топлива:

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

Плюсы водородного топлива:

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

Опасность водородного топлива

В рассмотренных выше недостатках упоминалось об опасности применения водородного топлива для двигателя. Это главный минус новой технологии.

В сочетании с окислителем (кислородом) возрастает риск воспламенения водорода или даже взрыва. Проведенные исследования показали, что для воспламенения h3 достаточно 1/10 части энергии, необходимой для зажигания бензиновой смеси. Другими словами, для вспыхивания водорода хватит и статической искры.

Еще одна опасность заключается в невидимости водородного пламени. При горении вещества огонь почти незаметен, что усложняет процесс борьбы с ним. Кроме того, чрезмерное количество h3 приводит к появлению удушья.

Опасность в том, что распознать данный газ крайне сложно, ведь у него нет запаха и он полностью невидим для человеческого глаза.

Кроме того, сжиженный h3 имеет низкую температуру, поэтому в случае утечки с открытыми частями тела высок риск серьезного обморожения. Находится данный газ должен в специальных хранилищах.

Из рассмотренного выше напрашивается вывод, то водородный двигатель опасен, и использовать его крайне рискованно.

На самом деле, газообразный водород имеет небольшой вес и в случае утечки он рассеивается в воздухе. Это значит, что риск его воспламенения минимален.

В случае с удушьем такая ситуация возможна, но только при нахождении в замкнутом помещении. В ином случае утечка водородного топлива опасности для жизни не несет. В оправдание стоит отметить, что выхлопные газы ДВС (а именно угарный газ) также несут смертельный риск.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

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

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

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


Как выглядит батарея в электрокаре

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

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

Современные автомобили с водородными двигателями

Возможность применения двигателей на водородном топливе заинтересовала многих производителей. В результате в автомобильной индустрии появляется все больше машин, работающих на данном газе.

К наиболее востребованным моделям стоит отнести:

  • Компания Тойота выпустила автомобиль Fuel Cell Sedan. Для устранения проблем с дефицитом пространства в салоне и багажном отсеке емкости с водородным топливом размещены на полу транспортного средства. Fuel Cell Sedan предназначен для перевозки людей, а его стоимость составляет 67.5 тысяч долларов.

  • Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.

  • Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
  • «Монстр» от Дженерал Моторс показан в октябре 2021 года. Особенность автомобиля заключается в невероятной надежности, что подтверждено проведенными исследованиями армией США. Во время испытаний транспортное средство прошло больше 3 миллионов километров.
  • Концерн Тойота выпустил на рынок водородную модель Mirai. Продажи начались еще в 2014 году на территории Японии, а в США — с октября 2015 года. Время на заправку Mirai составляет пять минут, а запас хода на одной заправке 502 км. ФОТО 21 22 Недавно представители концерна заявили, что планируют внедрять данную технологию не только в легковой транспорт, но и в вилочные погрузчики и даже грузовики. 18 колесный грузовик уже тестируется в Лос-Анжелесе.

  • Производитель Лексус планирует свой вариант автомобиля с водородным двигателем в 2021 году, поэтому о транспортном средстве известно мало подробностей.

  • Компания Ауди представила концепт H-tron Quattro в Детройте. По заверению производителя машина может проехать на одном баке около 600 км, а набрать скорость до 100 км/час удается за 7,1 секунду. Машина имеет «виртуальную» кабину, заменяющую стандартную приборную панель.

  • БМВ в сотрудничестве с Тойотой планирует выпуск своего водородного транспортного средства к 2021 году. Производитель заверяет, что запас хода новой модели составляет больше 480 км, а дозаправка будет занимать до 5 минут.

  • В 2013 году в компании Форд заявили, что активное производство водородных двигателей начнется уже к концу 2021 года при сотрудничестве с Ниссан и Мерседес-Бенц. Но реализовать задуманное на практике пока не удается — работники концерна находятся на этапе разработки.

  • Мерседес-Бенц на Франкфуртском автосалоне представил внедорожник GLC, который появится на рынке в конце 2021 года. Авто комплектуется аккумулятором на 9,3 кВт*ч, а запас хода составляет 436 км. Максимальная скорость ограничивается электроникой на уровне 159 км/час.

  • Nikola Motor представила грузовой автомобиль с водородным двигателем, имеющий запас хода от 1287 до 1931 км. Стоимость нового автомобиля составит 5-7 тысяч долларов за аренду в месяц. Выпуск планируется начать с 2021 года.

  • Производитель Хендай создал новую линейку Tucson. На сегодняшний день произведено и реализовано 140 машин. Бренд Hyundai Genesis представил свой автомобиль с водородным двигателем GV Впервые транспортное средство было представлено в Нью-Йорке, но его производство пока не планируется.

  • Великобритания тоже не отстает в плане новых технологий. В стране уже можно арендовать водородный автомобиль Riversimple Rasa на три или шесть месяцев. Машина весит чуть больше 500 кг и способна проехать на одной заправке около 500 км.

  • Дизайнерский дом Pininfarina создал машину на водородном топливе h3 Speed. Особенность авто заключается в способности ускорятся до сотни всего за 3,4 секунды, а максимальная скорость — 300 км/час. Время на заправку составляет всего три минуты. Стоимость новой модели достигает 2,5 млн. долларов.

Водородные автомобили: есть ли у них будущее

Электрокары наступают, но по-прежнему не играют существенной роли на подавляющем большинстве авторынков мира. Но даже с тотальным переходом на электрические автомобили экологическая проблема в силу разных причин решена не будет. На этом фоне ведущие автопроизводители продолжают осваивать проекты, основанные на водородном топливе. В этом материале Дром обобщит имеющуюся информацию — что такое водородомобиль и какие у него перспективы.

Производство автомобилей на водородных топливных элементах в мире (статистика и прогноз)

ГодКоличество
2020*<50 000
2021*<100 000
2025*≈3-5 млн
2030*≈10-15 млн

*Прогноз Hydrogen Council

Принцип работы водородомобилей

По факту водородомобиль приводится в движении электромотором. Просто батарея, в отличие от полностью электрического автомобиля, получает ток не из розетки, а в ходе химической реакции с водородом.

Реакция происходит внутри ячеек топливных элементов. То есть топливный элемент — это нечто вроде реактора. Сама ячейка состоит из пары пористых электродов — анода (-) и катода (+), разделенных полимерной мембраной с тонким слоем катализатора.

Со стороны анода из бака (баллона) подается водород, а со стороны катода — кислород. Происходит химическая реакция. Протоны проходят сквозь мембрану, а электроны задерживаются и создают напряжение. Полученное электричество передается на электромотор и приводит в действие колеса. «Выхлопом» химической реакции становится чистый водяной пар, что вполне вписывается в европейскую концепцию «нулевого выхлопа».


Суть работы водородомобиля — в получении электричества в ходе анодной реакции и его последующей передаче на электромотор или на батарею, а потом на электромотор. К аноду подается молекулярный водород h3, к катоду — кислород O2. Соединяясь в присутствии катализаторов, молекулы водорода и кислорода образуют воду и выделяют свободные электроны

Вместе с нулевым выхлопом концепция развития электроводородных автомобилей предусматривает отказ и от технического обслуживания в привычном его понимании. Менять масло в двигателе внутреннего сгорания или трансмиссии, равно как и свечи, больше не придется. Теоретически это положительно сказывается как на комфорте и стоимости эксплуатации, так и на экологии.

Но есть и альтернативный вариант — использовать водород в качестве топлива для ДВС. И тогда привычные ТО с определенной периодичностью сохранятся. В начале XXI века по этому пути пошли инженеры BMW и мелкосерийно сделали двухтопливные модификации BMW 7-й серии для корпоративных клиентов, которые можно было заправлять как бензином, так и водородом.

Впрочем, уже в 2020-м баварцы представили предсерийный концепт водородного кроссовера на базе X5. И он уже сделан по традиционным рецептам строения водородомобилей — то есть без применения ДВС.

Где берут водород

Чтобы в водородомобиле случилась химическая реакция, его нужно заправить водородом, а прежде этот водород получить. В готовом виде водорода в природе почти нет. Получается он при помощи химических реакций. С экономической точки зрения дешевле всего добывать водород из газа (пропан, метан). Для этого с применением катализатора при большой температуре (700–1000 ºС) и давлении газ нужно смешать с водяным паром. Но при сжигании газа все равно выделяется вредный углекислый газ, из-за которого и борются с традиционными ДВС.


Полностью экологичных способов производства водорода пока не так много. Бóльшая часть производств связана с сжиганием углеводородов, что не назовешь верхом экологичности

Можно получить водород из угля, и больше всего для этого подходит бурый уголь. Он легче всего воспламеняется и поэтому практически не транспортабелен, но зато недорог. Таким образом, там, где есть бурый уголь, можно получать относительно недорогой водород.

Можно использовать водород, который производится как побочный продукт в промышленности. По подсчетам автопроизводителей, в мире его ежегодно выделяется столько, что хватит на питание 250–750 тысяч (в зависимости от расхода и других факторов) водородомобилей. Если решить проблему масштабного производства водорода за относительно разумные деньги, то это может стать дополнительным драйвером роста для развития водородной инфраструктуры. Но неуглеводородные способы добычи водорода пока только муссируются на уровне идей.

Где и как заправляться водородом

В то же время уже сейчас видна определенная динамика: если сравнивать количество водородных заправок в начале века с их количеством в 2021 году, то ситуация с переходом на водород не кажется безнадежной.

Полтора десятилетия назад ограниченность инфраструктуры сдерживала рост электромобилей, но к 2020-му с ее развитием и снижением себестоимости батарей увеличилась и доля электромобилей в глобальном парке машин.

Но в случае с водородом ситуация развивается не так.


Только в 2020 году в США стали появляться водородные заправки, на которых можно заправиться самостоятельно. Ранее этот процесс сопровождался сложностями из-за взрывоопасности водорода. Где-то заправку производила автоматика, а где-то — обученные заправщики

Во-первых, зарядные станции проще и дешевле. По сути, это корпус с трансформатором внутри, подключенный к электросети. Учитывая, что в городах электричество проведено повсеместно, это делает возможным установку зарядных станций на улицах, парковках и рядом с торговыми центрами.

Водород же взрывоопасен, и его хранение на заправочной станции требует соблюдения повышенных мер безопасности, что удорожает и усложняет создание водородных заправок.

Во-вторых, взрывоопасность водорода требует не только осторожности при хранении, но и при заправке. На экспериментальных водородных заправках начала двухтысячных в Германии процесс установки пистолета в горловину бака был автоматизирован, а на японских заправках с водородом за это отвечал специалист. Впрочем, в США к 2021 году появилось несколько водородных заправок (не больше десяти), не требующих специальной подготовки. Одна неофициальная водородная заправка есть и в России.

Водородные заправки


Синим цветом помечены водородные заправки Германии по состоянию на 2015 год. Тогда их было девять. В 2019-м количество выросло до 50, а в 2020-м планировалось довести его до 100. Возможно, сложности 2021 года внесут в планы коррективы. Но если все пойдет хорошо, то к 2023-му водородных заправок будет примерно 400

В создание сети водородных заправок в Германии инвестирует группа частного бизнеса. В 2015 году компании Air Liquide, Linde, OMV, Shell и Total создали в Берлине совместное предприятие h3 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG и заложили на реализацию расходы в 400 млн евро. Кроме топливных компаний к проекту также присоединились Daimler, BMW, Volkswagen, Honda, Toyota. Помимо h3 MOBILITY Deutschland GmbH развитием водородных заправок в Германии занимается Clean Energy Partnership (CEP).


По состоянию на 2021 год в Японии было примерно 90 автомобильных водородных заправочных станций. К 2021 году планировалось нарастить их количество до 160

Эксплуатационные отличия водородомобилей от ДВС и электрокаров

Конечного потребителя экология волнует в меньшей степени, ему важнее потребительские качества автомобиля. Пока самый универсальный автомобиль для жизни — машина с ДВС. Она обеспечивает максимальный запас хода, способна работать в разных температурных условиях и заправляется за пару минут.

Электромобиль же по-прежнему ограничен дальностью проезжаемых расстояний, количеством зарядных станций, а также длительностью процесса зарядки и эксплуатацией в холодном климате.

У водородомобилей тоже есть сложности с холодным пуском. Недавние испытания предсерийного Hyundai Nexo задекларировали беспроблемный пуск при -6 ºС. Впрочем, еще в 2006 году разработчики Chevrolet Equinox заявляли, что их продукт способен работать даже при температуре в -25 ºС, но не подтверждали это экспериментально. Зато, в отличие от электрокара, заполнить баки водородом можно за три-пять минут. Но вот привод на колеса всегда будет неполным, конечно, если не поставить на обе оси по отдельному электродвигателю.

Водородные концепты и мелкосерийные проекты прошлого

Эксперименты с водородной темой начались задолго до наступления XXI века. Первопроходца в этой гонке не выделить. Все производители мира еще в конце прошлого века были убеждены, что разрабатывать модели на альтернативных топливных элементах нужно, но какая из альтернатив в итоге превратится в крупносерийную, никто в автомобильной индустрии не знал ни тогда, ни сейчас.

Удивительно, но от водородной темы не уклонился даже АвтоВАЗ. Направление называлось АНТЭЛ — автомобиль на топливных элементах. Еще в 2001 году тольяттинцы, используя технологии военно-промышленного комплекса, сделали водородную «Ниву», а потом и универсал десятого семейства. Правда, в отличие от зарубежных проектов весь салон вазовских концептов был занят инженерными элементами.

К середине 2000-х водородомобилестроение расширилось. Американцы сделали футуристичный концепт Chevrolet Sequel, а после мелкосерийно оборудовали Chevrolet Equinox водородными элементами.

В 2011 году немцы выпустили 13 экспериментальных Mercedes B-класса F-cell, которые отправились в автопробег, в том числе и по России. В 2014-м VW Group представил три модели на водороде: Audi A7 h-tron, Volkswagen Golf и Passat американского типа. Впрочем, это были не первые водородные проекты концерна Volkswagen AG.

И это далеко не все пробы автопроизводителей по созданию водородомобиля.

Дмитрий Онищенко

Доктор технических наук, профессор МГТУ им. Баумана

— При попытке заменить ДВС надо понимать конечную цель. Если мы говорим о снижении вредных выбросов в атмосферу вплоть до нуля, то водородо- или электромобили имеют право на жизнь. Даже сейчас переход на экологические стандарты Евро-7 — вызов для машин с ДВС, причем не только для инженеров, но и для конечных потребителей. Потому что переход на Евро-7 напрямую связан с потерей эксплуатационных характеристик моторов внутреннего сгорания: динамических, ресурсных, к тому же с ростом стоимости.

В автомобиле необходимо три типа энергии: механическая (вращает колеса), электрическая (для питания бортовой электроники), тепловая (для нагревания салона). ДВС уже доказал свою состоятельность во всех трех плоскостях. У транспорта на электричестве большие проблемы с тепловой энергией. Показателен пример с электробусами в Москве, которые зимой обогреваются за счет дизельного отопителя. А между тем в отопителе дизель сгорает при атмосферном давлении и выделяет больше вредных веществ, чем современный мотор с предварительно подготовленными воздухом и топливной смесью.

Шагом вперед может стать переход на двигатели с управляемым балансом для увеличения КПД. И в этом может помочь так называемый водородный дизель. Но пока основные проблемы водородомобилей — в отсуствии экологически чистого водорода (без сжигания углеводородов), необходимости его охлаждения до жидкого состояния с последующим поддержанием его в таком состоянии. Все это пока делает водородомобили дорогими и штучными.

Кстати, в индустрии существует такое понятие, как «эквивалентная токсичность». Например, в профессиональной среде есть мнение (подчеркиваю, что это не факт), что продукты износа автомобильных шин оказывают природе больший вред, чем машины даже со стандартами Евро-4.

Серийные и мелкосерийные водородные проекты

Toyota Mirai

Toyota Mirai, внешне похожий на гибридный Приус, пожалуй, самый распространенный водородомобиль. Основной рынок сбыта — США. Но популярность модели среди водородомобилей объясняется дотациями со стороны государства. Покупатель Mirai получает от производителя 15 000 долларов на заправку водородом. Депозит действует в течение трех лет. Цена самой машины в Северной Америке стартует с 58 000 долларов.

Но при слабом покрытии водородными заправками и более дорогой стоимости водорода относительно бензина по истечении трех лет Mirai превращаются в неликвид на вторичном рынке. Продаются также в Европе, Японии и Канаде.

Кроме США и Японии Mirai продают еще и в Европе

При этом подержанный водородный автомобиль — не приговор. В отличие от электрокара, где с возрастом вырабатывается ресурс батареи, топливные элементы водородомобиля изнашиваются медленнее. Заявленный ресурс одной ячейки — 250 000 км. А если ячейка сломается, ее можно заменить локально. Конечно, если найти и купить…

Mirai иллюстрирует классическую компоновку водородомобилей. В топливном элементе происходит химическая реакция и вырабатывается электричество, которое передается на батарею, а оттуда поступает на электромотор, который вращает колеса. Батарея нужна, чтобы обеспечить ровную работу топливному элементу независимо от режима движения

Родство с Приусом у Мирая не только внешнее, но и платформенное. Однако если Prius последнего поколения — на модульной платформе TNGA, то Mirai сделан еще на основе Prius V прошлой генерации.

Honda Clarity

Силуэт водородомобиля от Honda также схож с Приусом. Разве что при взгляде на Clarity сбоку выделяются гигантские свесы. Во многом форма кузова объясняется желанием инженеров снизить коэффициент аэродинамического сопротивления.

При покупке в лизинг ежемесячный платеж за Хонду меньше, чем за Тойоту — 379 долларов, но депозит на заправку такой же — 15 000 долларов и действует те же три года. Но во время запуска модели на домашнем рынке в 2021 году ее могли купить только корпоративные клиенты и госструктуры.

Энерговооруженность Clarity составляет 174 л.с. и 300 Нм крутящего момента. Водород хранится в 141-литровом баке под давлением 690 атмосфер. По японскому тестовому циклу JC08 одной заправки хватит на 750 км пути. По оценкам американских сертификационных ведомств, этот показатель составит 482 км.

Опционально Honda Clarity можно превратить в генератор. По заявлениям производителя, водородомобиль может справиться с питанием целого дома в течение недели. Правда, насколько это работоспособная опция, на практике неизвестно. В 2021 году к водородному Clarity добавили гибридную и электрическую модификацию.

Hyundai Nexo

Водородный кроссовер Hyundai Nexo представили не на международном автосалоне, а на выставке потребительской электроники CES-2018 в Лас-Вегасе. И это не первый кроссовер корейцев на водородных топливных элементах. С 2013 года Hyundai мелкосерийно выпускали водородный Tucson FCEV, который предлагался в корпоративный лизинг.

В отличие от Тусана преемник сразу проектировался исключительно как водородный автомобиль. Компоновка Nexo традиционная: три водородных бака пристроили под полом в задней части кузова, электромотор разместили под капотом, а батарею — в багажнике.

Отдача электромотора — 120 кВт (163 л.с.), крутящий момент 394 Нм. С места до 60 миль (96 км/ч) Hyundai Nexo разгоняется за 9,5 секунды, запас хода — 595 км. Испытательная программа подтвердила легкий пуск Hyundai при температуре до -6 ºС.

По заявлению Hyundai, гарантированный ресурс водородной силовой установки у Nexo составляет десять лет или 160 000 километров. При этом в реальной эксплуатации ресурс будет еще выше — 240 000 километров, что сопоставимо с заявлениями Тойоты.

Mercedes-Benz GLC F-Cell

Первая водородная машина, которую при необходимости можно подзарядить от розетки. В условиях 2021 года, когда покрытие водородными заправками по-прежнему ничтожно небольшое, это очень важно.

Пользователь сможет выбирать между четырьмя режимами движения: Hybrid (оптимальное распределение между топливным элементом и аккумулятором), F-Cell (аккумулятор сохраняет заряд, работает водородная часть), Battery (используется только батарея) и Charge (ускоренный заряд аккумулятора на ходу).

В первых релизах немцы декларировали мощность в 197 л.с., но обновили цифру, повысив отдачу до 211 сил. И та, и другая величины вполне сравнимы со стандартными двигателями внутреннего сгорания GLC. Мощность силовой установки в электрорежиме не указывается, зато известно, что в этом случае GLC F-cell сможет проехать примерно 50 км. 4,4 кг водорода хватает на 430 км пробега. Привод — исключительно на заднюю ось.

Автомобиль не поступит в свободную продажу, а будет сдаваться в аренду компаниям и государственным службам.

BMW X5 i Hydrogen Next

Концепт, который немцы пообещали реализовать мелкосерийно к 2022 году, а еще через три года рассмотреть массовое производство. Как и в случае с Mercedes-Benz GLC F-cell, в основе проекта лежит обычная серийная платформа, а питание электромотора — от топливных элементов и батареи.

Электрическим силовым агрегатом и батареей с водородным X5 поделился другой, но уже электрический концепт BMW — iX3. Электрический привод определил и тип привода на колеса — задний. Мощность водородных ячеек — 125 кВт (170 л.с.).

Водородная система BMW разработана совместно с Toyota Motor. Два автопроизводителя сотрудничают по водородным проектам с 2013 года.

Альянсы по созданию водородомобилей

Из-за гигантских инвестиций в водородные проекты автопроизводители объединяют свои усилия по разработке топливных элементов и концепций водородных автомобилей. С 2013 года работы в этом направлении ведут BMW и Toyota. Тогда же договор о сотрудничестве заключили GM и Honda. В 2018-м Audi и концерн Hyundai Motor Group объявили о совместной работе над технологиями водородных топливных элементов. Партнерство предусматривает обмен лицензиями, а главное — снижение стоимости разработки и производства за счет эффекта масштаба. У всех производителей из этого списка есть свои водородные проекты. Даже у Audi с их концептом H-tron и A7 H-tron. Кстати, Audi — один из немногих брендов, кто решился сделать полноприводные машины на водороде.

Основные серийные и мелкосерийные производства автомобилей на водородном топливе (без учета концептов)

МодельГоды производстваКоличество, шт.
BMW 7-я серия2006–2008100
Toyota Mirai2015 — н. в.≈ 5000
Hyundai Tucson FCEV2013–201810 000
Hyundai Nexo2018 — н .в.до 1000
Mercedes-Benz GLC F-cell2017 — н. в.до 1000
В итоге

Работы по созданию автомобилей на альтернативном топливе в индустрии ведутся давно — еще с конца прошлого века. До сих пор у инженеров нет четкого понимания, каким в итоге получится автомобиль будущего и на каком источнике энергии он будет ездить. Японцы из Тойоты в большей степени делают ставку на водород, немцы из BMW считают, что к 2050 году никакая из технологий будущего не станет основной, а будет делить долю рынка между собой. Это ставит в тупик не только автопроизводителей, но и нефтегазозаправочные компании, заставляя и тех и других вкладывать деньги не во что-то одно, а во все сразу.

В то же время кроме усилий для успеха новой технологии не обойтись без заинтересованности конечных клиентов. А привлечь их внимание экологическими перспективами без экономической выгоды и комфортной эксплуатации вряд ли получится…

Трудности в эксплуатации водородных ДВС

Главным препятствием для внедрения новой технологии является чрезмерные расходы на получение водородного топлива, а также на приобретение комплектующих материалов.

Возникают проблемы и с хранением h3. Так, для удерживания газа в требуемом состоянии требуется температура на уровне -253 градусов Цельсия.

Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство h3 требуется в промышленных масштабах, не обойтись без высоких энергетических затрат.

Чтобы повысить рентабельность производства, требуется применение возможностей ядерной энергетики. Чтобы избежать рисков, ученые пытаются найти альтернативы такому варианту.

Перемещение и хранение требует применения дорогих материалов и механизмов высокого качества.

Нельзя забывать и о других сложностях, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации:

  • Взрывоопасность. При утечке газа в закрытом помещении и наличии небольшой энергии для протекания реакции возможен взрыв. Если воздух чрезмерно нагрет, это только усугубляет ситуацию. Высокая проникаемость h3 приводит к тому, что газ попадает в выхлопной коллектор. Вот почему применение роторного мотора считается более предпочтительным.
  • При хранении водорода применяются емкости, имеющей большой объем, а также системы, исключающие улетучивание газа. Кроме того, используются устройства, исключающие механическое повреждение емкостей. Если для грузовых машин, водного или пассажирского транспорта эта особенность не имеет большого значения, легковая машина теряет ценные кубометры.
  • При больших нагрузках и высокой температуре h3 провоцирует разрушение элементов ЦПГ (цилиндропоршневой группы) и смазки в двигателе. Использование специальных сплавов и смазочных материалов приводит к повышению стоимости производства водородных двигателей.

Где заправляют водородные автомобили?

К сожалению, заправочных водородных станций в мире совсем мало. В 2021 г. их около 300, половина которых находится в Северной Америке, а другие – в Японии, Германии и Китае.

Кроме этого, существуют домашние и мобильные заправки. Они могут производить около тонны чистого водорода в год. Этого вполне хватит для заправки нескольких автомобилей в день. Топливо производится при помощи гидролиза воды, установку запускают только ночью, чтобы не нагружать электрическую сеть.

Автозаправки бывают 3 типов:

  1. Малые. Они производят около 20 кг водорода в 24 часа. Хватит для полной заправки 5 легковых автомобилей.
  2. Средние. Вырабатывают от 50 до 1250 кг топлива в сутки. Могут в день заправлять 250 стандартных машин или 25 грузовиков.
  3. Промышленные. Производят более 2500 кг чистого водорода. Могут заправлять больше 500 легковушек в сутки.

Заправка состоит из компрессора, диспенсера, системы очистки, электрического лизёра, система хранения водорода. Топливо может производиться как при помощи электролиза воды, так и с помощью паровой конверсии метана.

Для того, чтобы заменить большую сеть бензиновых заправок на водородные, понадобится примерно 1,5 трлн. долларов. А стоимость одной водородной станции обойдётся в 2-3 млн. долл., но окупаемость её быстрее, чем для электрической станции из-за быстрой зарядки.

Будущее водородных двигателей

Применение h3 открывает большие перспективы и не только в автомобильной сфере. Водородные двигатели активно применяются на ж/д транспорте, на самолетах и вертолетах. Также они устанавливаются на вспомогательной технике.

Интерес к разработке таких моторов проявляют многие концерны, о которых уже упоминалось выше — Тойота, БМВ, Фольксваген, Дженерал Моторс и другие.

Уже сегодня на дорогах встречаются реальные автомобили, которые работают на водороде. Многие из них рассмотрены выше — БМВ 750i Hydrogen, Хонда FSX, Тойота Mirai и другие.

К работе подключились почти все крупные концерны, которые пытаются найти свою нишу на рынке.

Главным недостатком остается высокая цена h3, нехватка АЗС, а также дефицит квалифицированных работников, способных обслуживать такую технику. Если имеющиеся проблемы удастся решить, машины с водородными двигателями обязательно появятся на наших дорогах.

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.

Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Конкурирующие технологии

Внимание к моторам на водороде развеивается по той причине, что у технологии имеются конкуренты.

Вот только некоторые из них:

  • ГИБРИДНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА — автомобили, способные работать от нескольких источников энергии. Многие концерны объединяют обычный двигатель внутреннего сгорания и электрический мотор. Еще один вариант гибридной машины — совмещение ДВС, а также силового узла, использующего в качестве топлива сжатый воздух.

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АВТОМОБИЛИ (ЭЛЕКТРОМОБИЛИ) — транспортные средства, которые приводятся в движение с помощью одного или группы электрических моторов, питающихся от АКБ или топливных элементов. В таких машинах ДВС не применяется. Электромобили не стоит путать с авто, имеющими электрическую подачу, а также с электрическим общественным транспортом (троллейбусами и трамваями).

  • АВТОМОБИЛИ НА ЖИДКОМ АЗОТЕ. Источником энергии, как уже понятно по названию, является жидкий азот (находится в специальных емкостях). Мотор работает следующим образом. Топливо нагревается в специальном механизме, после чего испаряется и преобразуется в газ высокого давления. Далее оно направляется в мотор, где действует на ротор или поршень, передавая таким способом имеющуюся энергию. Машины на жидком азоте были представлены публике, но на современном этапе они не получили широкого применения. Один из таких автомобилей «сыграл» в фильме «Жидкий воздух» в 1902 году. Разработчики уверяют, что такое транспортное средство способно проехать больше 100 км на одном баке.

  • АВТОМОБИЛЬ НА СЖАТОМ ВОЗДУХЕ. Особенность транспортного средства заключается в применении пневмодвигателя, благодаря которому и перемещается транспортное средство. Специальный привод называется пневматическим. Вместо топливовоздушной смеси источником энергии является сжатый воздух. Как отмечалось выше, такая технология входит в состав гибридных машин.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Разработкой экологически чистого силового агрегата занимаются многие компании. Вот автобренды, в конструкторском бюро которых стоят уже рабочие варианты, готовые выйти в серию:

Среди серийных авто, которые можно купить как в Америке, так и в Европе, относятся модели Mirai и Clarity компаний Toyota и Honda соответственно. У остальных компаний данная разработка пока либо находится в чертежном варианте, либо в качестве неработающего прототипа.


Toyota Mirai


Honda Clarity

Знакомство с водородными автомобилями. Как они работают

Мы много слышим о разработке электромобилей — и это правильно. Но есть еще одна альтернативная автомобильная технология, о которой меньше говорят. И он зависит от самого распространенного химического элемента во Вселенной. Водород.

На дорогах Великобритании ездят автомобили на водороде — и, хотя сейчас вам может быть сложно их заметить, производители (в частности, Toyota, Honda и Hyundai) уже выпустили водородные модели.

Правительство Великобритании также финансирует развитие автомобилей и инфраструктуры, работающих на водороде.В марте 2017 года он объявил о создании фонда в размере 23 миллионов фунтов стерлингов для ускорения этого развития, при этом министр транспорта Джон Хейс заявил в то время, что «электромобили на водородных топливных элементах могут сыграть жизненно важную роль наряду с электромобилями на аккумуляторных батареях, чтобы помочь нам сократить вредные выбросы».

Имея это в виду, вот еще немного информации о водородных транспортных средствах, в том числе о том, как мы принимаем участие здесь, в Arval.

КАК РАБОТАЮТ МАШИНЫ НА ВОДОРОДЕ?

Двигатели, работающие на водороде, ушли намного дальше, чем вы думаете.Более двух веков назад французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз разработал примитивный двигатель, который работал на водороде и кислороде и зажигался от электрической искры.

В наши дни все упирается в топливные элементы, но те же элементы по-прежнему играют важную роль в химической реакции, протекающей в водородном автомобиле.

По сути, здесь нет движущихся частей, это просто химическая реакция, которая «подпитывает» действие. Он видит, как водород входит в топливный элемент из бака и смешивается с кислородом, образуя H 2 O в химической реакции, которая генерирует электричество, которое используется для питания двигателей, приводящих в движение колеса.

Заправка цистерн с водородом осуществляется примерно так же, как в бензиновых или дизельных автомобилях. Вам просто нужно прижать трубу к машине и ждать. Стоимость заправки топливного бака также сопоставима — около 10 фунтов стерлингов за кг, что эквивалентно бензину.

АВТОМОБИЛИ НА ВОДОРОДЕ: ЗА И МИНУСЫ

Итак, каковы некоторые преимущества автомобилей на водороде?

— Более быстрая заправка: по сравнению с подзарядкой электромобиля, водородный автомобиль может быть полностью заправлен за 3-5 минут.

— Никаких вредных выбросов: из автомобиля на водородных топливных элементах выделяется только вода.

— Впечатляющая дальность полета: с запасом хода около 300 миль на бак водородные автомобили не уступают многим обычным транспортным средствам.

— Хорошие уровни эффективности: силовые агрегаты на топливных элементах намного более эффективны при получении энергии из водорода, чем традиционные автомобили при получении энергии из бензина или дизельного топлива.

А как насчет недостатков водородных машин?

— Пункты заправки: в настоящее время в Великобритании всего 17 заправочных станций, каждая из которых стоит 1 фунт стерлингов.3 миллиона на строительство.

— Расходы. Хотя стоимость заправки автомобиля на водороде аналогична стоимости традиционного топлива, разработка этой технологии обходится недешево и не требует хранения или перемещения самого водорода.

— Предполагаемый риск для безопасности: водород легко воспламеняется, но опять же, бензин тоже, и это не помешало нам управлять миллионами автомобилей с бензиновым двигателем.

РАЗРАБОТКА АВТОМОБИЛЕЙ НА ВОДОРОДЕ

Разработка автомобилей на водороде в Великобритании находится на относительно ранней стадии. Однако, как уже упоминалось выше, некоторые производители уже сделали решительный шаг и разработали модели на основе этой технологии, в то время как другие находятся в стадии планирования.

Toyota Mirai, Honda Clarity и Hyundai iX35 можно встретить в ограниченном количестве на дорогах Великобритании, при этом iX35 должен быть заменен новой моделью в 2018 году.

Mercedes-Benz должен выпустить водородную версию своего автомобиля. Диапазон GLC. Это отражает общее признание водородной технологии в Германии, где в настоящее время по всей стране строятся 23 новые водородные станции.

ИНИЦИАТИВА ВОДОРОДНОГО ХАБА

Штаб-квартира Arval в Великобритании находится в Суиндоне, где также около 50 организаций (включая нас) участвуют в инициативе, благодаря которой город стал «водородным центром».«Hydrogen Hub — это отраслевое сообщество заинтересованных сторон из всей цепочки поставок водорода и топливных элементов, правительства, местных властей, предприятий, а также текущих и потенциальных пользователей.

Это означает, что в Суиндоне ведется большая работа по развитию водородной технологии — и поскольку все это происходит в одном месте, это приведет к повышению осведомленности, сотрудничеству и распространению информации, а также к снижению затрат.

Среди других вовлеченных организаций — Nationwide, National Trust, Johnson Matthey, а также местные советы округов и графств.

В связи с широким представительством компаний и секторов существует четыре различных рабочих потока:

Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ): проект по установке батареи водородных топливных элементов, которая будет обеспечивать электроэнергией местные общественные здания

Вилочный погрузчик грузовики: испытание вилочных погрузчиков на топливных элементах с целью выкатить в общей сложности 75 автобусов

Автобусы: разработка плана развертывания автобусов на топливных элементах в Суиндоне

Автомобили: Arval является исполнительным спонсором рабочего потока, который также поддерживается от Toyota и Hyundai

В рамках рабочего потока «автомобили» мы приобрели Toyota Mirai, доступную для использования нашими сотрудниками, и, будучи единственной компанией по лизингу автомобилей, участвующей в Hydrogen Hub, мы по-настоящему чувствуем, как водород работает.

Таким образом, у нас есть все возможности для того, чтобы увидеть и изучить, как эта технология развивается и как она потенциально может быть использована предприятиями в ближайшие годы, когда водородные автомобили будут все чаще появляться на дорогах Великобритании. Это было подтверждено нашим собственным исследованием автопарка в CVO 2017 года, в ходе которого мы обнаружили, что 56% предприятий уже используют или рассматривают альтернативные виды топлива в составе своего парка.

И это еще не все. Для транспорта, работающего на водороде, нет предела: четырехместный самолет на водороде совершил свой первый полет в Германии в прошлом году и был назван большим шагом в направлении обезуглероживания авиаперелетов.

Так что берегитесь водородной технологии. Это может быть поездка на улицу или в аэропорт рядом с вами.

Контактная информация для СМИ: +44 (0) 121 709 5587

Заметки редактору

  1. Оригинальная статья, опубликованная Arval
  2. Hydrogen Hub — это отраслевое сообщество заинтересованных сторон со всего мира. цепочка поставок водорода и топливных элементов, правительство, местные органы власти, предприятия, а также текущие и потенциальные пользователи.
  3. Исполнительные члены обеспечивают стратегическое руководство, устанавливают приоритеты Hydrogen Hub и берут на себя ведущую роль в разработке проектов в Local Hydrogen Hubs. Они также входят в состав Национального водородного хаба, который работает с правительством над формированием энергетической и транспортной политики в Великобритании.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Столетие назад или около того, количество автомобилей на Земле исчисляется тысячами.Сегодня существует около миллиарда автомобилей — примерно одна на каждые семь человек на планете, и ожидаемое количество достигнет 2 миллиардов к 2040 году. Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете что у нас проблема. Многие геологи думают, что мы достигли точки они называют «пиком нефти», а в ближайшие несколько десятилетий поставки бензина (и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если такое случается, откуда все наши машины будут получать топливо? Кратковременное решение — повысить эффективность использования топлива. от существующих авто.В более долгосрочной перспективе решение может быть переключение транспортных средств с бензиновых и дизельных двигателей на электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде газ, который никогда не выходит из строя. Бесшумные и экологически чистые, они среди самые чистые и экологически чистые источники энергии из когда-либо созданных. Они все, кем обещаны быть? Давайте подробнее разберемся, как они работают!

Фото: демонстрационный автомобиль Ford Motor Company на водородных топливных элементах (модифицированный Ford Focus). Фото любезно предоставлено Космическим центром Кеннеди НАСА (NASA-KSC).

Что такое топливные элементы?

Фото: Под капотом автомобиля Ford на водородных топливных элементах. Фото любезно предоставлено Ford Motor Company и Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.

На самом деле есть всего два способа привести современный автомобиль в действие. Большинство машин на Дорога сегодня использует двигатель внутреннего сгорания сжигать топливо на нефтяной основе, выделять тепло и толкать поршни вверх и вниз, чтобы вести трансмиссию и колеса. Электрические машины работают совершенно по-другому.Вместо двигателя они полагаться на батареи, которые питают электроэнергией электродвигатели, приводящие в движение колеса напрямую. Гибридные автомобили имеют оба двигатели внутреннего сгорания и электрические двигатели и переключайтесь между ними в зависимости от условий вождения.

Топливные элементы немного похожи на нечто среднее между двигателем внутреннего сгорания. мощность двигателя и аккумулятора. Как двигатель внутреннего сгорания, они производят мощность за счет использования топлива из бака (хотя топливо находится под давлением водородный газ, а не бензин или дизельное топливо).Но, в отличие от двигателя, топливный элемент не сжигает водород. Вместо этого он слит химически с кислородом воздуха для получения воды. В процессе, что похоже на то, что происходит в батарее, электричество высвобождается и это используется для питания электродвигателя (или двигателей), который может приводить в действие транспортное средство. Единственный продукт отходов — это вода, и она настолько чиста, что вы можете выпей это!

Думайте о топливных элементах как о батареях, которые никогда не разряжаются. Вместо медленно истощая химические вещества внутри них (как это делают обычные батарейки), топливные элементы работают на постоянном запасе водорода и продолжают производить электричество до тех пор, пока в баке есть топливо.

Стек топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одиночная сухая батарея — недостаточно для питания портативного компьютера, не говоря уже об автомобиле. Вот почему в топливных элементах, предназначенных для автомобилей, используются стеки. топливных элементов, соединенных вместе в серию. Общее электричество они продукция равна количеству ячеек, умноженному на мощность каждой клетка производит.

Виды топливных элементов

Фото: Вот как на самом деле выглядит топливный элемент.Это типичный водородный топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM), который может производить 5 киловатт (5000 ватт) энергии. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / National Лаборатория возобновляемой энергии (DOE / NREL).

Топливные элементы PEM (иногда называемые PEMFC) в настоящее время инженеры предпочитают приводить в движение автомобили, но они никоим образом не возможен только дизайн. Так же, как существует множество видов батареек, каждая используя различные химические реакции, поэтому существует много видов топлива ячейка тоже.Космические аппараты используют более примитивную конструкцию, называемую щелочным. топливный элемент (AFC), в то время как гораздо большее количество энергии может быть генерируется альтернативной конструкцией, известной как твердооксидный топливная ячейка (ТОТЭ). Микробные топливные элементы имеют дополнительную особенность: они используют бак бактерий для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива и производить электрический ток (который может использоваться для питания двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом). Другая возможность — иметь автомобиль с солнечной панелью на крыше, который использует электричество Солнца для разделения воды на водород и кислород. электролизер (см. рамку ниже).Затем эти газы рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество такого подхода по сравнению с прямым использованием энергии Солнца состоит в том, что вы можете накапливать водород в дневное время, когда светит Солнце, а затем использовать его для движения топливный элемент ночью.)

Откуда возьмется весь водород?

За последние 150 лет практически каждая машина бег по жидкости мы весьма сбивчиво называем газом. Но в следующие 150 лет многие люди думают, что автомобили будут работать на настоящем газе: водород.Теоретически запустить автомобили на водороде — отличная идея: это самый простой способ. и наиболее распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство (что-то вроде трех четвертей) всей материи Вселенной. Тогда хватит всем! Но есть загвоздка: ковыряться в воздухе вокруг вас, и вы не найдете много водорода — только около одного литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (В натуральном выражении это то же самое, что случайно найти около двух литров воды перепутал в каждом олимпийском бассейне полный).Так откуда же взяться всем огромным облакам водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком? Нам нужно будет сделать его самим из воды, волшебного вещества, покрывающего 70 процентов поверхности Земли, частично состоящего из водорода. Разделите старый добрый h3O на части, и вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты это делаешь? С электролизером!

Почему топливные элементы так долго завоевывают популярность?

Фото: Может пройти некоторое время, прежде чем насосы для заправки водородом станут обычным явлением.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

« На протяжении десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: когда вы думаете, что ставка была сделана через его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология поднимается из могилы».

Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Люди провозглашали топливные элементы следующим большим достижением в области энергетики. поставляет с 1960-х годов, когда космический корабль Аполлона сначала ракеты продемонстрировал, что технология практична.Четыре десятилетия спустя на наших улицах почти нет автомобилей на топливных элементах — по разным причины. Во-первых, мир настроен на производство бензиновых двигателей за счет миллиона, поэтому они, естественно, намного дешевле, лучше протестированы и многое другое надежный. Купить обычную машину можно за несколько тысяч. долларов за фунт, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах обошелся бы вам в сотни долларов. тысячи. («Относительно доступный» автомобиль Toyota Mirai наконец стал широко доступен в 2016 году. по цене чуть менее 60 000 долларов США, что вдвое превышает цену его гибрида Prius.Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в лизинг. распоряжения. В то время, когда я обновляю эту статью, в 2021 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно будет арендовать за относительно скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость — не единственная проблема. Также есть массивная нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи везде, где обслуживают бензиновые автомобили и заправочные станции повсюду, чтобы снабдить их топливом. Напротив, почти никто ничего не знает об автомобилях на топливных элементах, и в них практически нет заправки станции подачи сжатого водорода.«Водородная экономика» — это далекая мечта.

Легко увидеть, как может работать мир, полный водородных автомобилей. У нас было бы много заводов по производству электролизеров по всему миру, производящих водородный газ из воды. Теперь газы занимают гораздо больше пространство, чем жидкости или твердые тела, поэтому нам нужно превратить водород газ в жидкий водород, что упрощает транспортировку и хранение, сжав его до высокого давления. Затем мы транспортировали водород на заправочные станции («водородные станции»?) где люди могли бы закачивать его в свои автомобили, которые работали бы на топливных элементах вместо обычных бензиновых двигателей.

Фото: Топливные элементы предназначены не только для автомобилей. Этот трактор приводится в действие одним. Фото Кейта Випке любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL) (идентификатор фотографии NREL № 33995).

Беда с водородом

Но вы видите проблему? Для производства водорода электролизом используется энергия — и довольно много: мы должны использовать электричество для разделения воды. Если мы будем использовать обычные солнечные батареи для обеспечения этого электричества, они могут быть примерно на 10 процентов эффективнее. в то время как электролизер может иметь КПД 75 процентов, что дает жалкую общую эффективность всего лишь 7.5 процентов. Это довольно плохое начало — а это всего лишь начало!

Мы также используем энергию для транспортировки водорода и его сжатия (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли перевозить его в своих баках в количестве, достаточном для того, чтобы отправиться куда угодно. Это настоящая проблема, потому что плотность энергии водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы), равно только около пятой части бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы пройти так далеко. (при условии, что ваш водородный автомобиль тяжелый, как ваш бензиновый, что может быть не так — потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии).Другая проблема в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что он чрезвычайно крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров, а поскольку водород легковоспламеняющийся, утечка может вызвать ужасные взрывы.

И, конечно же, есть все недостатки на противоположном конце процесса, когда топливный элемент Автомобиль превращает водород обратно в электричество, чтобы приводить в действие электродвигатели, приводящие в движение его колеса.

Водород не является топливом

« …водород — это разрекламированная подножка … Водород — не чудесный источник энергии; это просто энергоноситель, как аккумулятор. И это довольно неэффективная энергия носитель, с кучей практических недоработок ».

Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не является топливом, а просто средством транспортировки топлива, полученного в результате какого-либо другого процесса. Так что лучше сравнить с батареями (еще один способ упаковки и транспортировки энергии) чем бензин (настоящее топливо).В целом, современные водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от батарей, и часто менее эффективны, чем обычные автомобили с бензиновым или дизельным двигателем!

На данный момент в мире относительно мало водорода для заправки автомобилей, и практически все это (около 95 процентов) производится из ископаемого топлива экологически небезопасным способом, поэтому его вряд ли можно назвать «зеленым». По данным Международного энергетического агентства: «Спрос на водород, который вырос более чем в три раза с 1975 года, продолжает расти — почти полностью за счет ископаемого топлива, при этом 6% мирового природного газа и 2% мирового угля идут на производство водорода.» Чтобы это изменить, проводится множество исследований, и есть много способов получения водорода из воды. Мы могли бы, например, использовать солнечные элементы для электролиза воды «бесплатно», но мы могли бы с таким же успехом хранить ту же энергию в батареях и использовать их для питания наших автомобилей. Автомобили на топливных элементах звучат многообещающе, но если автомобили с аккумулятором действительно лучше, водород может оказаться дорогим отвлечением от важного дела по переводу мира с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии.

Все эти проблемы, подытоженные, объясняют, почему защитники автомобилей с аккумуляторными батареями, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водородные автомобили как «автомобили с глупыми элементами», которые являются «ошеломляюще глупыми».

Но и у водорода есть свои плюсы!

Так почему люди все еще ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, у них есть множество преимуществ перед другими электроэнергетическими технологиями. Там, где на зарядку автомобиля с батарейным питанием может уйти от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут — так же быстро, как вы можете заправить бензобак обычного автомобиля.Запас хода автомобилей с батарейным питанием также был предметом разногласий. Текущие модели теперь заявляют, что могут проехать сотни километров или миль без подзарядки, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других целей во время вождения; и дальность действия снижается по мере старения аккумулятора. Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют такой же запас хода, что и обычные газовые автомобили, хотя их характеристики ухудшаются с возрастом. В то время как аккумуляторные технологии, возможно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для больших автомобилей и грузовиков.Действительно, Баллард, один из ведущих производителей топливных элементов, утверждает, что топливные элементы скоро станут наиболее жизнеспособным решением для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы и т. Д. поезда и даже самолеты, которые иначе работали бы на грязном ископаемом топливе. В Калифорнии сейчас идет огромный толчок к тому, чтобы сделать водород более популярным.

Что-нибудь, кроме масла?

Таким образом, до тех пор, пока автопроизводители не перестанут производить бензиновые и дизельные двигатели, у автомобилистов будет мало или совсем не будет стимулов переходить на автомобили на топливных элементах. Даже тогда, потому что конкурирующие аккумуляторно-электрические и гибридные технологии иметь огромную фору, автомобили на топливных элементах могут никогда не завоевать популярность.Большинство из нас пока будет придерживаться двигателей внутреннего сгорания, хотя заявление крупных автопроизводителей о том, что будущее за электромобилями, заставит нас в ближайшее десятилетие изменить свой образ жизни. или так. Увидим ли прямой переход на электромобили с бортовыми аккумуляторами? ты заряжаешься дома? Или, возможно, более мягкий переход через гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, которые позволят нам увеличить мировые запасы нефти. придумать совершенно новую технологию — возможно, даже атомные автомобили! Никто не знает, что нас ждет в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть будет играть в нем гораздо меньшую роль.Чем раньше мы обнимемся альтернативы — электромобили на батареях, биотопливо, топливные элементы или что-то еще — тем лучше.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Столетие назад или около того, количество автомобилей на Земле исчисляется тысячами. Сегодня существует около миллиарда автомобилей — примерно одна на каждые семь человек на планете, и ожидаемое количество достигнет 2 миллиардов к 2040 году.Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете что у нас проблема. Многие геологи думают, что мы достигли точки они называют «пиком нефти», а в ближайшие несколько десятилетий поставки бензина (и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если такое случается, откуда все наши машины будут получать топливо? Кратковременное решение — повысить эффективность использования топлива. от существующих авто. В более долгосрочной перспективе решение может быть переключение транспортных средств с бензиновых и дизельных двигателей на электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде газ, который никогда не выходит из строя.Бесшумные и экологически чистые, они среди самые чистые и экологически чистые источники энергии из когда-либо созданных. Они все, кем обещаны быть? Давайте подробнее разберемся, как они работают!

Фото: демонстрационный автомобиль Ford Motor Company на водородных топливных элементах (модифицированный Ford Focus). Фото любезно предоставлено Космическим центром Кеннеди НАСА (NASA-KSC).

Что такое топливные элементы?

Фото: Под капотом автомобиля Ford на водородных топливных элементах. Фото любезно предоставлено Ford Motor Company и Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.

На самом деле есть всего два способа привести современный автомобиль в действие. Большинство машин на Дорога сегодня использует двигатель внутреннего сгорания сжигать топливо на нефтяной основе, выделять тепло и толкать поршни вверх и вниз, чтобы вести трансмиссию и колеса. Электрические машины работают совершенно по-другому. Вместо двигателя они полагаться на батареи, которые питают электроэнергией электродвигатели, приводящие в движение колеса напрямую. Гибридные автомобили имеют оба двигатели внутреннего сгорания и электрические двигатели и переключайтесь между ними в зависимости от условий вождения.

Топливные элементы немного похожи на нечто среднее между двигателем внутреннего сгорания. мощность двигателя и аккумулятора. Как двигатель внутреннего сгорания, они производят мощность за счет использования топлива из бака (хотя топливо находится под давлением водородный газ, а не бензин или дизельное топливо). Но, в отличие от двигателя, топливный элемент не сжигает водород. Вместо этого он слит химически с кислородом воздуха для получения воды. В процессе, что похоже на то, что происходит в батарее, электричество высвобождается и это используется для питания электродвигателя (или двигателей), который может приводить в действие транспортное средство.Единственный продукт отходов — это вода, и она настолько чиста, что вы можете выпей это!

Думайте о топливных элементах как о батареях, которые никогда не разряжаются. Вместо медленно истощая химические вещества внутри них (как это делают обычные батарейки), топливные элементы работают на постоянном запасе водорода и продолжают производить электричество до тех пор, пока в баке есть топливо.

Стек топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одиночная сухая батарея — недостаточно для питания портативного компьютера, не говоря уже об автомобиле.Вот почему в топливных элементах, предназначенных для автомобилей, используются стеки. топливных элементов, соединенных вместе в серию. Общее электричество они продукция равна количеству ячеек, умноженному на мощность каждой клетка производит.

Виды топливных элементов

Фото: Вот как на самом деле выглядит топливный элемент. Это типичный водородный топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM), который может производить 5 киловатт (5000 ватт) энергии. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / National Лаборатория возобновляемой энергии (DOE / NREL).

Топливные элементы PEM (иногда называемые PEMFC) в настоящее время инженеры предпочитают приводить в движение автомобили, но они никоим образом не возможен только дизайн. Так же, как существует множество видов батареек, каждая используя различные химические реакции, поэтому существует много видов топлива ячейка тоже. Космические аппараты используют более примитивную конструкцию, называемую щелочным. топливный элемент (AFC), в то время как гораздо большее количество энергии может быть генерируется альтернативной конструкцией, известной как твердооксидный топливная ячейка (ТОТЭ). Микробные топливные элементы имеют дополнительную особенность: они используют бак бактерий для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива и производить электрический ток (который может использоваться для питания двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом).Другая возможность — иметь автомобиль с солнечной панелью на крыше, который использует электричество Солнца для разделения воды на водород и кислород. электролизер (см. рамку ниже). Затем эти газы рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество такого подхода по сравнению с прямым использованием энергии Солнца состоит в том, что вы можете накапливать водород в дневное время, когда светит Солнце, а затем использовать его для движения топливный элемент ночью.)

Откуда возьмется весь водород?

За последние 150 лет практически каждая машина бег по жидкости мы весьма сбивчиво называем газом.Но в следующие 150 лет многие люди думают, что автомобили будут работать на настоящем газе: водород. Теоретически запустить автомобили на водороде — отличная идея: это самый простой способ. и наиболее распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство (что-то вроде трех четвертей) всей материи Вселенной. Тогда хватит всем! Но есть загвоздка: ковыряться в воздухе вокруг вас, и вы не найдете много водорода — только около одного литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (В натуральном выражении это то же самое, что случайно найти около двух литров воды перепутал в каждом олимпийском бассейне полный).Так откуда же взяться всем огромным облакам водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком? Нам нужно будет сделать его самим из воды, волшебного вещества, покрывающего 70 процентов поверхности Земли, частично состоящего из водорода. Разделите старый добрый h3O на части, и вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты это делаешь? С электролизером!

Почему топливные элементы так долго завоевывают популярность?

Фото: Может пройти некоторое время, прежде чем насосы для заправки водородом станут обычным явлением.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

« На протяжении десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: когда вы думаете, что ставка была сделана через его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология поднимается из могилы».

Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Люди провозглашали топливные элементы следующим большим достижением в области энергетики. поставляет с 1960-х годов, когда космический корабль Аполлона сначала ракеты продемонстрировал, что технология практична.Четыре десятилетия спустя на наших улицах почти нет автомобилей на топливных элементах — по разным причины. Во-первых, мир настроен на производство бензиновых двигателей за счет миллиона, поэтому они, естественно, намного дешевле, лучше протестированы и многое другое надежный. Купить обычную машину можно за несколько тысяч. долларов за фунт, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах обошелся бы вам в сотни долларов. тысячи. («Относительно доступный» автомобиль Toyota Mirai наконец стал широко доступен в 2016 году. по цене чуть менее 60 000 долларов США, что вдвое превышает цену его гибрида Prius.Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в лизинг. распоряжения. В то время, когда я обновляю эту статью, в 2021 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно будет арендовать за относительно скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость — не единственная проблема. Также есть массивная нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи везде, где обслуживают бензиновые автомобили и заправочные станции повсюду, чтобы снабдить их топливом. Напротив, почти никто ничего не знает об автомобилях на топливных элементах, и в них практически нет заправки станции подачи сжатого водорода.«Водородная экономика» — это далекая мечта.

Легко увидеть, как может работать мир, полный водородных автомобилей. У нас было бы много заводов по производству электролизеров по всему миру, производящих водородный газ из воды. Теперь газы занимают гораздо больше пространство, чем жидкости или твердые тела, поэтому нам нужно превратить водород газ в жидкий водород, что упрощает транспортировку и хранение, сжав его до высокого давления. Затем мы транспортировали водород на заправочные станции («водородные станции»?) где люди могли бы закачивать его в свои автомобили, которые работали бы на топливных элементах вместо обычных бензиновых двигателей.

Фото: Топливные элементы предназначены не только для автомобилей. Этот трактор приводится в действие одним. Фото Кейта Випке любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL) (идентификатор фотографии NREL № 33995).

Беда с водородом

Но вы видите проблему? Для производства водорода электролизом используется энергия — и довольно много: мы должны использовать электричество для разделения воды. Если мы будем использовать обычные солнечные батареи для обеспечения этого электричества, они могут быть примерно на 10 процентов эффективнее. в то время как электролизер может иметь КПД 75 процентов, что дает жалкую общую эффективность всего лишь 7.5 процентов. Это довольно плохое начало — а это всего лишь начало!

Мы также используем энергию для транспортировки водорода и его сжатия (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли перевозить его в своих баках в количестве, достаточном для того, чтобы отправиться куда угодно. Это настоящая проблема, потому что плотность энергии водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы), равно только около пятой части бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы пройти так далеко. (при условии, что ваш водородный автомобиль тяжелый, как ваш бензиновый, что может быть не так — потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии).Другая проблема в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что он чрезвычайно крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров, а поскольку водород легковоспламеняющийся, утечка может вызвать ужасные взрывы.

И, конечно же, есть все недостатки на противоположном конце процесса, когда топливный элемент Автомобиль превращает водород обратно в электричество, чтобы приводить в действие электродвигатели, приводящие в движение его колеса.

Водород не является топливом

« …водород — это разрекламированная подножка … Водород — не чудесный источник энергии; это просто энергоноситель, как аккумулятор. И это довольно неэффективная энергия носитель, с кучей практических недоработок ».

Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не является топливом, а просто средством транспортировки топлива, полученного в результате какого-либо другого процесса. Так что лучше сравнить с батареями (еще один способ упаковки и транспортировки энергии) чем бензин (настоящее топливо).В целом, современные водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от батарей, и часто менее эффективны, чем обычные автомобили с бензиновым или дизельным двигателем!

На данный момент в мире относительно мало водорода для заправки автомобилей, и практически все это (около 95 процентов) производится из ископаемого топлива экологически небезопасным способом, поэтому его вряд ли можно назвать «зеленым». По данным Международного энергетического агентства: «Спрос на водород, который вырос более чем в три раза с 1975 года, продолжает расти — почти полностью за счет ископаемого топлива, при этом 6% мирового природного газа и 2% мирового угля идут на производство водорода.» Чтобы это изменить, проводится множество исследований, и есть много способов получения водорода из воды. Мы могли бы, например, использовать солнечные элементы для электролиза воды «бесплатно», но мы могли бы с таким же успехом хранить ту же энергию в батареях и использовать их для питания наших автомобилей. Автомобили на топливных элементах звучат многообещающе, но если автомобили с аккумулятором действительно лучше, водород может оказаться дорогим отвлечением от важного дела по переводу мира с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии.

Все эти проблемы, подытоженные, объясняют, почему защитники автомобилей с аккумуляторными батареями, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водородные автомобили как «автомобили с глупыми элементами», которые являются «ошеломляюще глупыми».

Но и у водорода есть свои плюсы!

Так почему люди все еще ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, у них есть множество преимуществ перед другими электроэнергетическими технологиями. Там, где на зарядку автомобиля с батарейным питанием может уйти от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут — так же быстро, как вы можете заправить бензобак обычного автомобиля.Запас хода автомобилей с батарейным питанием также был предметом разногласий. Текущие модели теперь заявляют, что могут проехать сотни километров или миль без подзарядки, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других целей во время вождения; и дальность действия снижается по мере старения аккумулятора. Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют такой же запас хода, что и обычные газовые автомобили, хотя их характеристики ухудшаются с возрастом. В то время как аккумуляторные технологии, возможно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для больших автомобилей и грузовиков.Действительно, Баллард, один из ведущих производителей топливных элементов, утверждает, что топливные элементы скоро станут наиболее жизнеспособным решением для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы и т. Д. поезда и даже самолеты, которые иначе работали бы на грязном ископаемом топливе. В Калифорнии сейчас идет огромный толчок к тому, чтобы сделать водород более популярным.

Что-нибудь, кроме масла?

Таким образом, до тех пор, пока автопроизводители не перестанут производить бензиновые и дизельные двигатели, у автомобилистов будет мало или совсем не будет стимулов переходить на автомобили на топливных элементах. Даже тогда, потому что конкурирующие аккумуляторно-электрические и гибридные технологии иметь огромную фору, автомобили на топливных элементах могут никогда не завоевать популярность.Большинство из нас пока будет придерживаться двигателей внутреннего сгорания, хотя заявление крупных автопроизводителей о том, что будущее за электромобилями, заставит нас в ближайшее десятилетие изменить свой образ жизни. или так. Увидим ли прямой переход на электромобили с бортовыми аккумуляторами? ты заряжаешься дома? Или, возможно, более мягкий переход через гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, которые позволят нам увеличить мировые запасы нефти. придумать совершенно новую технологию — возможно, даже атомные автомобили! Никто не знает, что нас ждет в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть будет играть в нем гораздо меньшую роль.Чем раньше мы обнимемся альтернативы — электромобили на батареях, биотопливо, топливные элементы или что-то еще — тем лучше.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Столетие назад или около того, количество автомобилей на Земле исчисляется тысячами. Сегодня существует около миллиарда автомобилей — примерно одна на каждые семь человек на планете, и ожидаемое количество достигнет 2 миллиардов к 2040 году.Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете что у нас проблема. Многие геологи думают, что мы достигли точки они называют «пиком нефти», а в ближайшие несколько десятилетий поставки бензина (и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если такое случается, откуда все наши машины будут получать топливо? Кратковременное решение — повысить эффективность использования топлива. от существующих авто. В более долгосрочной перспективе решение может быть переключение транспортных средств с бензиновых и дизельных двигателей на электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде газ, который никогда не выходит из строя.Бесшумные и экологически чистые, они среди самые чистые и экологически чистые источники энергии из когда-либо созданных. Они все, кем обещаны быть? Давайте подробнее разберемся, как они работают!

Фото: демонстрационный автомобиль Ford Motor Company на водородных топливных элементах (модифицированный Ford Focus). Фото любезно предоставлено Космическим центром Кеннеди НАСА (NASA-KSC).

Что такое топливные элементы?

Фото: Под капотом автомобиля Ford на водородных топливных элементах. Фото любезно предоставлено Ford Motor Company и Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.

На самом деле есть всего два способа привести современный автомобиль в действие. Большинство машин на Дорога сегодня использует двигатель внутреннего сгорания сжигать топливо на нефтяной основе, выделять тепло и толкать поршни вверх и вниз, чтобы вести трансмиссию и колеса. Электрические машины работают совершенно по-другому. Вместо двигателя они полагаться на батареи, которые питают электроэнергией электродвигатели, приводящие в движение колеса напрямую. Гибридные автомобили имеют оба двигатели внутреннего сгорания и электрические двигатели и переключайтесь между ними в зависимости от условий вождения.

Топливные элементы немного похожи на нечто среднее между двигателем внутреннего сгорания. мощность двигателя и аккумулятора. Как двигатель внутреннего сгорания, они производят мощность за счет использования топлива из бака (хотя топливо находится под давлением водородный газ, а не бензин или дизельное топливо). Но, в отличие от двигателя, топливный элемент не сжигает водород. Вместо этого он слит химически с кислородом воздуха для получения воды. В процессе, что похоже на то, что происходит в батарее, электричество высвобождается и это используется для питания электродвигателя (или двигателей), который может приводить в действие транспортное средство.Единственный продукт отходов — это вода, и она настолько чиста, что вы можете выпей это!

Думайте о топливных элементах как о батареях, которые никогда не разряжаются. Вместо медленно истощая химические вещества внутри них (как это делают обычные батарейки), топливные элементы работают на постоянном запасе водорода и продолжают производить электричество до тех пор, пока в баке есть топливо.

Стек топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одиночная сухая батарея — недостаточно для питания портативного компьютера, не говоря уже об автомобиле.Вот почему в топливных элементах, предназначенных для автомобилей, используются стеки. топливных элементов, соединенных вместе в серию. Общее электричество они продукция равна количеству ячеек, умноженному на мощность каждой клетка производит.

Виды топливных элементов

Фото: Вот как на самом деле выглядит топливный элемент. Это типичный водородный топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM), который может производить 5 киловатт (5000 ватт) энергии. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / National Лаборатория возобновляемой энергии (DOE / NREL).

Топливные элементы PEM (иногда называемые PEMFC) в настоящее время инженеры предпочитают приводить в движение автомобили, но они никоим образом не возможен только дизайн. Так же, как существует множество видов батареек, каждая используя различные химические реакции, поэтому существует много видов топлива ячейка тоже. Космические аппараты используют более примитивную конструкцию, называемую щелочным. топливный элемент (AFC), в то время как гораздо большее количество энергии может быть генерируется альтернативной конструкцией, известной как твердооксидный топливная ячейка (ТОТЭ). Микробные топливные элементы имеют дополнительную особенность: они используют бак бактерий для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива и производить электрический ток (который может использоваться для питания двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом).Другая возможность — иметь автомобиль с солнечной панелью на крыше, который использует электричество Солнца для разделения воды на водород и кислород. электролизер (см. рамку ниже). Затем эти газы рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество такого подхода по сравнению с прямым использованием энергии Солнца состоит в том, что вы можете накапливать водород в дневное время, когда светит Солнце, а затем использовать его для движения топливный элемент ночью.)

Откуда возьмется весь водород?

За последние 150 лет практически каждая машина бег по жидкости мы весьма сбивчиво называем газом.Но в следующие 150 лет многие люди думают, что автомобили будут работать на настоящем газе: водород. Теоретически запустить автомобили на водороде — отличная идея: это самый простой способ. и наиболее распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство (что-то вроде трех четвертей) всей материи Вселенной. Тогда хватит всем! Но есть загвоздка: ковыряться в воздухе вокруг вас, и вы не найдете много водорода — только около одного литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (В натуральном выражении это то же самое, что случайно найти около двух литров воды перепутал в каждом олимпийском бассейне полный).Так откуда же взяться всем огромным облакам водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком? Нам нужно будет сделать его самим из воды, волшебного вещества, покрывающего 70 процентов поверхности Земли, частично состоящего из водорода. Разделите старый добрый h3O на части, и вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты это делаешь? С электролизером!

Почему топливные элементы так долго завоевывают популярность?

Фото: Может пройти некоторое время, прежде чем насосы для заправки водородом станут обычным явлением.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

« На протяжении десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: когда вы думаете, что ставка была сделана через его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология поднимается из могилы».

Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Люди провозглашали топливные элементы следующим большим достижением в области энергетики. поставляет с 1960-х годов, когда космический корабль Аполлона сначала ракеты продемонстрировал, что технология практична.Четыре десятилетия спустя на наших улицах почти нет автомобилей на топливных элементах — по разным причины. Во-первых, мир настроен на производство бензиновых двигателей за счет миллиона, поэтому они, естественно, намного дешевле, лучше протестированы и многое другое надежный. Купить обычную машину можно за несколько тысяч. долларов за фунт, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах обошелся бы вам в сотни долларов. тысячи. («Относительно доступный» автомобиль Toyota Mirai наконец стал широко доступен в 2016 году. по цене чуть менее 60 000 долларов США, что вдвое превышает цену его гибрида Prius.Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в лизинг. распоряжения. В то время, когда я обновляю эту статью, в 2021 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно будет арендовать за относительно скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость — не единственная проблема. Также есть массивная нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи везде, где обслуживают бензиновые автомобили и заправочные станции повсюду, чтобы снабдить их топливом. Напротив, почти никто ничего не знает об автомобилях на топливных элементах, и в них практически нет заправки станции подачи сжатого водорода.«Водородная экономика» — это далекая мечта.

Легко увидеть, как может работать мир, полный водородных автомобилей. У нас было бы много заводов по производству электролизеров по всему миру, производящих водородный газ из воды. Теперь газы занимают гораздо больше пространство, чем жидкости или твердые тела, поэтому нам нужно превратить водород газ в жидкий водород, что упрощает транспортировку и хранение, сжав его до высокого давления. Затем мы транспортировали водород на заправочные станции («водородные станции»?) где люди могли бы закачивать его в свои автомобили, которые работали бы на топливных элементах вместо обычных бензиновых двигателей.

Фото: Топливные элементы предназначены не только для автомобилей. Этот трактор приводится в действие одним. Фото Кейта Випке любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL) (идентификатор фотографии NREL № 33995).

Беда с водородом

Но вы видите проблему? Для производства водорода электролизом используется энергия — и довольно много: мы должны использовать электричество для разделения воды. Если мы будем использовать обычные солнечные батареи для обеспечения этого электричества, они могут быть примерно на 10 процентов эффективнее. в то время как электролизер может иметь КПД 75 процентов, что дает жалкую общую эффективность всего лишь 7.5 процентов. Это довольно плохое начало — а это всего лишь начало!

Мы также используем энергию для транспортировки водорода и его сжатия (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли перевозить его в своих баках в количестве, достаточном для того, чтобы отправиться куда угодно. Это настоящая проблема, потому что плотность энергии водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы), равно только около пятой части бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы пройти так далеко. (при условии, что ваш водородный автомобиль тяжелый, как ваш бензиновый, что может быть не так — потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии).Другая проблема в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что он чрезвычайно крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров, а поскольку водород легковоспламеняющийся, утечка может вызвать ужасные взрывы.

И, конечно же, есть все недостатки на противоположном конце процесса, когда топливный элемент Автомобиль превращает водород обратно в электричество, чтобы приводить в действие электродвигатели, приводящие в движение его колеса.

Водород не является топливом

« …водород — это разрекламированная подножка … Водород — не чудесный источник энергии; это просто энергоноситель, как аккумулятор. И это довольно неэффективная энергия носитель, с кучей практических недоработок ».

Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не является топливом, а просто средством транспортировки топлива, полученного в результате какого-либо другого процесса. Так что лучше сравнить с батареями (еще один способ упаковки и транспортировки энергии) чем бензин (настоящее топливо).В целом, современные водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от батарей, и часто менее эффективны, чем обычные автомобили с бензиновым или дизельным двигателем!

На данный момент в мире относительно мало водорода для заправки автомобилей, и практически все это (около 95 процентов) производится из ископаемого топлива экологически небезопасным способом, поэтому его вряд ли можно назвать «зеленым». По данным Международного энергетического агентства: «Спрос на водород, который вырос более чем в три раза с 1975 года, продолжает расти — почти полностью за счет ископаемого топлива, при этом 6% мирового природного газа и 2% мирового угля идут на производство водорода.» Чтобы это изменить, проводится множество исследований, и есть много способов получения водорода из воды. Мы могли бы, например, использовать солнечные элементы для электролиза воды «бесплатно», но мы могли бы с таким же успехом хранить ту же энергию в батареях и использовать их для питания наших автомобилей. Автомобили на топливных элементах звучат многообещающе, но если автомобили с аккумулятором действительно лучше, водород может оказаться дорогим отвлечением от важного дела по переводу мира с ископаемого топлива на возобновляемые источники энергии.

Все эти проблемы, подытоженные, объясняют, почему защитники автомобилей с аккумуляторными батареями, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водородные автомобили как «автомобили с глупыми элементами», которые являются «ошеломляюще глупыми».

Но и у водорода есть свои плюсы!

Так почему люди все еще ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, у них есть множество преимуществ перед другими электроэнергетическими технологиями. Там, где на зарядку автомобиля с батарейным питанием может уйти от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут — так же быстро, как вы можете заправить бензобак обычного автомобиля.Запас хода автомобилей с батарейным питанием также был предметом разногласий. Текущие модели теперь заявляют, что могут проехать сотни километров или миль без подзарядки, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других целей во время вождения; и дальность действия снижается по мере старения аккумулятора. Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют такой же запас хода, что и обычные газовые автомобили, хотя их характеристики ухудшаются с возрастом. В то время как аккумуляторные технологии, возможно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для больших автомобилей и грузовиков.Действительно, Баллард, один из ведущих производителей топливных элементов, утверждает, что топливные элементы скоро станут наиболее жизнеспособным решением для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы и т. Д. поезда и даже самолеты, которые иначе работали бы на грязном ископаемом топливе. В Калифорнии сейчас идет огромный толчок к тому, чтобы сделать водород более популярным.

Что-нибудь, кроме масла?

Таким образом, до тех пор, пока автопроизводители не перестанут производить бензиновые и дизельные двигатели, у автомобилистов будет мало или совсем не будет стимулов переходить на автомобили на топливных элементах. Даже тогда, потому что конкурирующие аккумуляторно-электрические и гибридные технологии иметь огромную фору, автомобили на топливных элементах могут никогда не завоевать популярность.Большинство из нас пока будет придерживаться двигателей внутреннего сгорания, хотя заявление крупных автопроизводителей о том, что будущее за электромобилями, заставит нас в ближайшее десятилетие изменить свой образ жизни. или так. Увидим ли прямой переход на электромобили с бортовыми аккумуляторами? ты заряжаешься дома? Или, возможно, более мягкий переход через гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, которые позволят нам увеличить мировые запасы нефти. придумать совершенно новую технологию — возможно, даже атомные автомобили! Никто не знает, что нас ждет в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть будет играть в нем гораздо меньшую роль.Чем раньше мы обнимемся альтернативы — электромобили на батареях, биотопливо, топливные элементы или что-то еще — тем лучше.

Как работают автомобили на водородных топливных элементах?

При преобразовании газообразного водорода в электричество в качестве побочного продукта образуется только вода и тепло. Это означает, что автомобили на топливных элементах не загрязняют выхлопные трубы при движении. Само производство водорода может привести к загрязнению, в том числе к выбросам парниковых газов, но даже когда топливо поступает из одного из самых грязных источников водорода, природного газа, современные легковые и грузовые автомобили на топливных элементах могут сократить выбросы более чем на 30 процентов по сравнению с их Бензиновые аналоги.Будущие стандарты возобновляемого топлива, такие как требования, действующие в настоящее время в Калифорнии, могут сделать водород еще чище.

Поскольку автомобили на топливных элементах только начинают выходить на рынок США, заинтересованные водители должны убедиться, что они живут рядом с водородными заправками.

Характеристики водородного топливного элемента

Автомобили, работающие на водородных топливных элементах, сочетают в себе запас хода и заправку обычных автомобилей с преимуществами для отдыха и окружающей среды от езды на электричестве.

Заправка автомобиля на топливных элементах сравнима с заправкой обычного автомобиля или грузовика; водород под давлением продается на заправках водородом, для заправки существующих моделей требуется менее 10 минут. Некоторые договоры аренды могут полностью покрывать стоимость заправки. После заправки запасы хода автомобиля на топливных элементах различаются, но они аналогичны диапазонам автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем (200–300 миль). По сравнению с аккумуляторными электромобилями, которые заряжают свои батареи путем подключения к электросети, сочетание быстрой централизованной дозаправки и увеличенного диапазона движения делает топливные элементы особенно подходящими для более крупных транспортных средств, требующих больших расстояний, или для водителей, у которых отсутствует доступ к подключению к электросети. домой.

Как и другие электромобили, легковые и грузовые автомобили на топливных элементах могут использовать режим холостого хода, при котором топливный элемент отключается при появлении знаков остановки или в движении. В определенных режимах движения рекуперативное торможение используется для улавливания потерянной энергии и зарядки аккумулятора.

Отличия автомобилей на топливных элементах от других электромобилей

Аккумуляторные электромобили работают от электродвигателя и аккумулятора. Это обеспечивает им повышенную эффективность и, как автомобили на топливных элементах, позволяет им ездить без выбросов, когда электричество поступает из возобновляемых источников.В отличие от автомобилей и грузовиков на топливных элементах, электромобили с аккумуляторными батареями могут использовать существующую инфраструктуру для подзарядки, но должны быть подключены к сети на длительное время. Узнайте больше о том, как работает электрика аккумуляторной батареи.

Подключаемые гибридные электромобили похожи на аккумуляторные электромобили, но также имеют обычный бензиновый или дизельный двигатель. Это позволяет им ездить на короткие расстояния только на электричестве, а в дальних поездках переходить на жидкое топливо. Подключаемые гибриды, хотя и не такие чистые, как электромобили или автомобили на топливных элементах, производят значительно меньше загрязнения, чем их обычные аналоги.Узнайте больше о том, как работают автомобили с подзарядкой от сети.

Обычные гибриды также имеют обычные двигатели, электродвигатель и аккумулятор, но не могут быть подключены к электросети. Несмотря на то, что они чище, чем обычные легковые и грузовые автомобили, гибриды без подключения к электросети получают всю свою энергию от бензина и дизельного топлива и не считаются электромобилями. Узнайте больше о том, как работают гибриды.

Узнайте больше о технологиях для электромобилей, включая их потенциал в качестве общенационального решения для экономии масла.

Как работают автомобили на водороде? — CSIROscope

Вы, наверное, слышали об электромобилях. Но слышали ли вы о автомобилях с водородным двигателем и ?

Мы строим новую заправочную станцию ​​водородом в нашем центре в Клейтоне в Виктории. Это похоже на заправочную станцию, но для автомобилей, работающих на водороде, с нулевым уровнем выбросов.

Но как на самом деле автомобиль работает на водороде? И как работает водородный топливный элемент?

Самый распространенный элемент на Земле

Молекулярный водород — это газ.Как химический элемент водород — самый распространенный элемент на Земле. И он содержит много химической энергии.

Если вы воспламените водород, он вступит в реакцию с кислородом воздуха. Он высвобождает свою энергию посредством взрыва. Но вместо неконтролируемого взрыва мы можем безопасно использовать эту энергию в водородном топливном элементе. Это топливный элемент, который питает водородные автомобили.

Как на самом деле работает водородный автомобиль?

Топливный элемент — это устройство, которое берет химическую энергию в виде водорода и превращает ее в электричество, которое может приводить в действие электродвигатель, как аккумулятор.Итак, автомобиль на водороде приводится в движение электродвигателем.

Как это работает? Во-первых, водород, хранящийся в баке (толстостенном, прошедшем краш-тесты и обычно под задним сиденьем), смешивается с воздухом и закачивается в топливный элемент. Внутри ячейки химическая реакция извлекает электроны из водорода.

Оставшиеся протоны водорода перемещаются по клетке и соединяются с кислородом воздуха, образуя воду. Между тем электроны создают электричество, которое заряжает небольшую аккумуляторную батарею, используемую для питания электрической трансмиссии (как в электромобиле).Вот почему автомобили называются электромобилями на топливных элементах (FCEV) по сравнению с электромобилями на аккумуляторных батареях (BEV), которые уже все чаще встречаются на наших дорогах.

Самая большая разница между FCEV и BEV (например, автомобилем Tesla) — это источник электричества. Электромобили работают от аккумуляторов, заряженных электрически (даже от солнечных батарей). Но автомобили, работающие на водороде, производят собственное электричество. У них на борту есть небольшая электростанция — это топливный элемент.

Итак, в отличие от двигателя внутреннего сгорания, который производит углекислый газ, единственными конечными продуктами этой водородной реакции являются электричество, вода и тепло.Единственными продуктами выхлопа являются водяной пар и теплый воздух.

Toyota Mirai — Frontansicht (фото M 93 из Википедии).

Водородные автомобили в Австралии

Австралия рассматривает водород как новый источник топлива. Реализуется несколько масштабных демонстрационных и пилотных проектов. «Зеленый водород» — водород, полученный без использования ископаемого топлива — является потенциальным топливом будущего. Это чистый источник энергии, который может помочь нам достичь будущего с нулевыми выбросами.

Водород можно использовать в качестве источника топлива в автомобилях, грузовиках, кораблях и даже самолетах.Несколько компаний работают над водородными автомобилями. В настоящее время в Австралии существует две модели автомобилей — седан Toyota Mirai (и Mirari второго поколения) и внедорожник Hyundai Nexo. Хотя их еще нельзя купить в частном порядке, их можно сдать в аренду. И как заправить этот топливный бак? Вот тут-то и пригодится наш водородный заправщик!

Как заправить водородный автомобиль?

Заправочная станция водородом очень похожа на заправочную станцию. В Германии, США и других странах водородные заправочные насосы находятся на обычных заправочных станциях.

Вы заправляете его как бензиновый или дизельный автомобиль. В топливозаправщиках есть насос с соплом, которое крепится к автомобилю. После герметизации водородный газ начинает заполнять бак автомобиля. Если уплотнение не прикреплено, перекачивание не начнется, и убедитесь в отсутствии утечек.

Заправочные станции водородом сегодня могут заполнить типичный бак водородного автомобиля примерно за пять минут. Это одно из преимуществ перед автомобилями с батарейным питанием, которые могут заряжаться намного дольше.

Наша новая АЗС в Мельбурне

Мы приветствуем финансирование правительством штата Виктория Технологического университета Суинберна для создания викторианского центра водорода (Vh3).В рамках партнерства с Суинберном CSIRO получит 1 миллион долларов на строительство одной из первых в Австралии водородных заправочных станций на нашем предприятии в Клейтоне.

Предлагаемый демонстрационный стенд водородной технологии и система заправки водородом.

Финансирование поступает в рамках гранта в размере 10 миллионов долларов, выделенного Технологическому университету Суинберна (Суинберн) на сотрудничество с нами и создание викторианского Hydrogen Hub (Vh3).

Под руководством Суинберна Vh3 призван объединить исследователей, партнеров по отрасли и предприятия для тестирования, испытания и демонстрации новых и появляющихся водородных технологий.Станция будет базироваться на нашем объекте в Клейтоне, совместно с Суинберном.

Благодаря этому новому финансированию мы установим коммерческую заправочную станцию ​​водородом на нашем предприятии в Клейтоне в Виктории. Он будет располагаться рядом с интегрированным демонстрационным комплексом по производству и хранению водорода. Водород будет храниться на территории и использоваться в качестве топлива для электромобилей Toyota Mirai на водородных топливных элементах.

Первоначально парк водородных автомобилей будет доступен для CSIRO и наших партнеров в качестве пробного и примера использования в «реальном мире».Существует потенциал для расширения, чтобы обеспечить заправку для других транспортных средств с нулевым уровнем выбросов в данной местности.

Движение вперед с водородом в Австралии

Чистый водород уже считается экономически выгодным топливом для автомобильного транспорта. Но одним из основных препятствий на пути к большему проникновению на рынок является отсутствие инфраструктуры, поддерживающей его использование.

Новая водородная заправочная станция — ключевой шаг на пути к устранению этого барьера. Это будет лишь частью нашей новой миссии по водородной промышленности, которая помогает Австралии снизить риски внедрения водородных технологий и продемонстрировать новые технологии.

И, что наиболее важно, это часть того, как мы помогаем Австралии перейти к чистому нулевому будущему.

Водородные двигатели — обзор

2.5.3 Использование сжигания в транспортных средствах

Водород можно использовать в качестве топлива в обычных двигателях с искровым зажиганием, таких как двигатели Отто и дизельные двигатели, используемые в легковых автомобилях, и газовые турбины, используемые на обычных электростанциях. Первый водородный двигатель был продемонстрирован в 1808 году Франсуа де Риваз (Википедия, 2017).Время от времени появлялись усовершенствованные конструкции, не вызывающие коммерческого интереса. КПД двигателя такой же высокий, как у бензина или дизельного топлива, а водородное пламя быстро распространяется от очага возгорания (см. Таблицу 2.5). Однако из-за более низкой плотности энергии при давлениях, подходящих для поршневых цилиндров, объем рабочего объема должен быть в два-три раза больше, чем для бензиновых двигателей, что вызывает проблемы с пространством в моторных отсеках пассажирских транспортных средств. Один производитель автомобилей, занимающийся разработкой легковых автомобилей на водородном топливе, использовал огромные 8- или 12-цилиндровые двигатели с рабочим объемом более 4 литров, чтобы приблизиться к приемлемым характеристикам (BMW, 2004).Эффективные обычные бензиновые или дизельные автомобили имеют общий рабочий объем около 1,2 литра, распределенный на трех-четырех цилиндрах (VW, 2003).

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

Свойство Водород Метанол Метан Пропан Бензин Установка
Минимальная энергия для воспламенения 0.02 0,29 0,25 0,24 10 — 3 Дж
Температура пламени 2045 1875 2 20043 9047 905 -температура возгорания на воздухе 585 385 540 510 230–500 ° C
Максимальная скорость пламени 3,46 0.43 0,47 м с — 1
Диапазон воспламеняемости в воздухе 4–75 7–36 5–15 2,5–9,3 1,0–749,6 об. .%
Диапазон взрывоопасности в воздухе 13–65 6,3–13,5 1,1–3,3 об.%
Коэффициент диффузии в воздухе 0,61 0.10 0,05 10 — 4 м 2 с — 1

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

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

Были проведены работы по двигателям, работающим на смесях водорода с бензином или с природным газом (Fontana et al., 2004; Akansu et al., 2004), и по использованию сжигания водорода только для выработки электроэнергии для двигателя (van Blarigan and Келлер, 1998; Юань и др., 2016).

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

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

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

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