как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах / Хабр
В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.
Когда появились первые автомобили на водороде?
Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня.
Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем.
Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.
Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.
В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.
На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.
А где брать водород?
Водород можно получать разными методами:- паровая конверсия метана и природного газа;
- газификация угля;
- электролиз воды;
- пиролиз;
- биотехнологии.
При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз.
Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород.
Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.
Источник
Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.
Как работает топливная система и какие есть варианты?
Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду.
Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.
Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию.В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В.
Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.
По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.
Такие автомобили опасны? Почему?
Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.
Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.
В Mirai и других моделях водородных авто используются очень прочные баки для водорода. Toyota сделала свои баки пуленепробиваемыми, их стенки из сверхпрочного волокна выдерживают выстрелы из крупнокалиберного оружия. Для тестов компания наняла снайперов и пробить бак смогла только пуля калибром .50 после двойного попадания в одно и тоже место.
Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.
Какой срок службы у топливных ячеек?
Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км.
Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?
Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.
Сколько это стоит?
В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации. Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57.
И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.Чем водородные авто лучше электромобилей?
Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством.Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США. Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.
Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки.
Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.
Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?
Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.
Водородные АЗС в 2019 году(источник)
Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант.
При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.
Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.
Технология водородных топливных элементов | Knauf Automotive
инновации, Автомобильные аккумуляторные батареи, Автомобили на водороде 14 декабря 2021
Технология водородных топливных элементов может оказаться самым экономически эффективным вариантом автомобильной энергетики на сегодняшний день. Что такое водородный топливный элемент и как он работает?
Что такое водородный топливный элемент?В ближайшем будущем водородные топливные элементы могут широко использоваться в автомобилях.
Это решение имеет множество преимуществ, и есть много признаков того, что автомобили на водородном топливе будут становиться все более популярными. В то же время важно помнить, что водородные топливные элементы, как и любая другая технология, имеют определенные ограничения. Но сначала стоит узнать, как выглядит система такого типа и как она может обеспечивать энергией двигатель автомобиля.
Функция топливного элемента – независимо от его типа – заключается в выработке электроэнергии за счет окисления подаваемого на него топлива. Работа водородных топливных элементов, однако, полностью отличается от работы гальванических элементов, к которым относятся батареи и аккумуляторы. В отличие от этих типов компонентов, топливные элементы не нуждаются в подзарядке и могут начать работать практически сразу после подачи топлива.
Водородные топливные элементы – наиболее широко используемый вариант. Электроды погружены в электролит и используют водород (на аноде) и кислород (на катоде). Это, помимо прочего, устраняет вредные вещества, образующиеся в процессе сгорания топлива – вместо них в окружающую среду выбрасывается только пар.
См. подробнее: Как уменьшить углеродный след в автомобильном секторе?
Как работает водородный топливный элемент?
Благодаря использованию водорода, процесс сгорания топлива не изменяет химический состав электролитов или электродов. Это еще один важный аспект, касающийся различий между топливными и гальваническими элементами. Батареи основаны на реакциях, которые могут привести к изменению используемых веществ – отсюда необходимость зарядки, которая включает в себя обратные процессы.
Принцип работы водородного топливного элемента довольно прост: водород высвобождает электроны, которые затем реагируют с кислородом для производства электроэнергии, оставляя в качестве побочного продукта реакции только пар. В некоторых элементах вместо чистого водорода используются соединения, содержащие большое количество водорода, такие как метан или метанол – в этих случаях эффективность немного ниже, а в процессе сгорания также образуется небольшое количество углекислого газа.
Области применения водородных топливных элементов
Водородные топливные элементы находят довольно широкое применение в различных отраслях:
- энергетические технологии – для обеспечения энергией мест, где невозможен свободный доступ к электросети;
- строительство автономных роботов,
- системы аварийного энергоснабжения,
- космические технологии – корабли и зонды,
- автомобильная промышленность.
Последний пункт, в частности, заслуживает внимания. Двигатели на водородных топливных элементах – это решение, которое принимает все большее число производителей автомобилей. Уже есть несколько моделей от ведущих брендов с таким приводом – эффективность водородных топливных элементов довольно высока, что позволяет использовать их даже в автобусах.
См. подробнее: Амортизаторы для автомобильных баков для хранения водорода
Водородные автомобили – технология, инфраструктура и другие факторы, влияющие на их внедрение
Хотя технология как водородных топливных элементов, так и водородных двигателей в настоящее время достаточно развита, мы все еще довольно далеки от широкомасштабного внедрения этого типа технологий.
Однако их количество неуклонно растет, а растущая популярность является результатом сочетания нескольких важных факторов. Среди прочего стоит обратить внимание на действующие нормы – Европейский Союз, совместно с другими организациями, в настоящее время уделяет большое внимание экологичности дорожного движения, поддерживает инициативы, связанные с альтернативными видами топлива, и проясняет юридические вопросы, связанные с электромобильностью.
Одним из решающих преимуществ в повседневной эксплуатации водородного автомобиля является широкая доступность этого элемента – его можно найти практически везде, что позволяет свести затраты к минимуму. Один «бак» в новейших водородных автомобилях позволяет проехать даже более 700 км, что является значительным преимуществом перед другими электромобилями.
См. подробнее: Виды электромобилей против развития электромобильности – в чем преимущества автомобилей HEV, PHEV, FCEEV?
Однако в настоящее время серьезным препятствием является отсутствие доступной инфраструктуры для снабжения автомобилей водородом.
В Польше первая станция такого типа была создана всего несколько месяцев назад, а во всей Европе их количество оценивается чуть более чем в 200. Однако существует множество проектов, которые предполагают строительство новых водородных заправочных станций в ближайшие годы.
Как заправлять водородный автомобиль?
С точки зрения водителя, процесс заправки выглядит так же, как и в случае с автомобилем, работающим на топливе. Однако есть несколько важных отличий: водород на заправочных станциях обычно измеряется в килограммах, а не в литрах. Кроме того, заправка водородного автомобиля требует тщательного контроля скорости насоса, поскольку слишком быстрая заправка автомобиля может привести к опасно высокой температуре. Время зарядки нового водородного автомобиля на обычной станции составляет около 3 минут.
Цены на водородные автомобили
В настоящее время водородные автомобили довольно дороги – цены на модели, доступные в Польше, составляют около 65 000 евро. Однако с развитием инфраструктуры и ростом популярности альтернативных видов топлива эти цифры будут постепенно снижаться, как и в случае с другими электромобилями.
Важную роль здесь могут сыграть правовые нормы Европейского союза и государств-членов – уже сейчас во многих местах водители могут рассчитывать на льготы, связанные с использованием этого типа автомобилей.
Водородные топливные элементы – преимущества и недостатки
Конструкция водородных топливных элементов относительно проста, как и принцип их работы – благодаря этому химическая энергия может быть преобразована в электричество очень быстро и легко. При этом риск возникновения сбоев и неполадок очень низок. Огромным преимуществом использования этого типа топливных элементов является их нейтральное воздействие на окружающую среду. Побочным продуктом сжигания водорода является только пар, в отличие от ряда вредных веществ, образующихся при использовании твердого топлива. Более того, водородный топливный элемент также создает низкий уровень шума. Технология водородных топливных элементов также обеспечивает эффективную работу в течение длительного времени и возможность больших мгновенных перегрузок.
Один элемент вырабатывает ток очень низкого напряжения (от 0,5 до 1 В), но они могут быть объединены практически в любом количестве, что обеспечивает значительную масштабируемость и широкое применение.
Недостатком водородных топливных элементов является довольно высокая стоимость материалов, используемых для производства катализаторов. Кроме того, эффективность систем такого типа ниже, чем при хранении энергии в аккумуляторах. Процесс производства водорода также требует определенных затрат энергии. Несмотря на это, считается, что водород имеет значительный потенциал в качестве источника энергии как для автомобилей, так и для стационарных установок. Следует, однако, помнить, что водородные топливные элементы — это технология, которая все еще находится на стадии разработки, но значение компаний в этом секторе постоянно растет.
Современные решения для электромобильности с Knauf
Постоянно развивающаяся технология водородной энергетики становится все более популярной. По этой причине имеет смысл обратиться к решениям, которые будут хорошо работать на этом быстрорастущем рынке.
В современных элементах используются компоненты из вспененного EPP, которые обеспечивают эффективную теплоизоляцию в сочетании с защитой от ударов и повреждений. Одним из ведущих производителей таких деталей является компания Knauf Industries, которая также предлагает ряд других инновационных решений для электромобилей.
Технологии водородных двигателей для строительной техники
Примечание редактора. Это четвертая часть серии из восьми частей, посвященных эволюции строительной техники и альтернатив дизельному топливу, которые представляют производители, включая гибридные машины, электрическое и аккумуляторное оборудование, а также сжигание водорода и технология водородных топливных элементов. Вы можете прочитать первую часть этой серии, нажав здесь. Часть вторая. Часть третья.
Несмотря на то, что сегодня доступно или находится в стадии разработки множество технологий, которые могут снизить выброс углекислого газа тяжелым оборудованием, ничто не приближается к нулевому уровню выбросов, чем водород.
По общему мнению, это будет топливо будущего, даже если оно не получит широкого распространения до середины века.
Поймите, однако, что существуют две разные технологии водородных двигателей, возникающие с двумя очень разными временными рамками:
- Двигатели внутреннего сгорания на водороде пропускают сжатый водород через топливопроводы в цилиндры двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Свечи зажигания воспламеняют газ в цилиндрах и приводят в действие обычную трансмиссию.
- Технология водородных топливных элементов состоит из двух электродов — отрицательного и положительного — зажатых вокруг электролита. Водород подается к отрицательной клемме, а воздух подается к положительной, создавая химическую реакцию, которая обеспечивает непрерывный поток электричества к батареям, которые приводят в действие электродвигатели.
При использовании любой из этих технологий, если в вашей машине или транспортном средстве есть водород, возникающие в результате «выбросы» будут незначительными, без углекислого газа и лишь с небольшим количеством водяного пара.
Многоцветный водород
Самое интересное в том, что производство газообразного водорода не является нулевым предложением. Сегодня наиболее распространенным методом получения водорода является риформинг природного газа, при котором в качестве исходного сырья используется метан. Это наименее дорогой метод получения водорода, который включает 96% рынка водорода, большая часть которого потребляется сельским хозяйством и полупроводниковой промышленностью.
В промышленности используются цветовые коды для обозначения воздействия производства водорода на окружающую среду. Черный, серый или коричневый водород получают из ископаемого топлива. Синий водород также получают из ископаемого топлива, но с использованием технологии улавливания углерода для сокращения выбросов CO2.
Зеленый водород — это святой Грааль, к которому стремятся защитники окружающей среды. Он использует электролиз для отделения водорода от кислорода в воде. Этот процесс многообещающий, особенно когда солнечная или ветровая энергия может производить электричество дешево и без ископаемого топлива.
Ядерная энергетика также могла бы обеспечить электроэнергию для производства водорода, но ядерная энергия сталкивается с препятствиями со стороны противников в этой стране и Европе.
Экскаватор-погрузчик с водородным двигателем JCB был представлен публике в мае 2021 года и использует технологию искрового воспламенения и сжигания водорода. топливные элементы. «Мы изучили множество различных видов топлива, и во всех случаях мы постоянно возвращались к водороду», — говорит Тим Бернхоуп, директор по инновациям и развитию.
Одна из причин заключается в том, что машины с батарейным питанием (которых у JCB семь) были практичны в городских районах, где операции всегда рядом с зарядной инфраструктурой. Но когда дело касалось карьеров и объектов, удаленных от электросетей, подрядчикам требовалось нечто иное.
В первом эксперименте компании, подтверждающем концепцию, использовались водородные топливные элементы для питания экскаватора JCB 220X. Эта машина дебютировала в мае 2020 года и в течение 12 месяцев проходила испытания и оценку в карьере.
Это привело к некоторым интересным выводам.
«Топливные элементы немного ленивы, когда дело доходит до переходной характеристики, — говорит Бернхоуп. Им нужна сложная электроника для управления подачей энергии между топливным элементом и батареей. Они также требуют деионизированной воды и мощного охлаждения и могут быть чувствительны к пыли и вибрации», — добавляет он. Конечным результатом, по мнению JCB, стало то, что на данный момент топливные элементы слишком сложны и дороги для рынка внедорожников.
Тем не менее, почти все OEM-производители продолжают экспериментировать и изучать технологию водородных топливных элементов, особенно для крупного оборудования и грузовиков, где аккумуляторным электромашинам может не хватать емкости. Недавно Sany представила прототипы самосвала и автобетоносмесителя. Volvo CE тестирует грузовик с шарнирно-сочлененной рамой. Cummins оценивает многочисленные установки топливных элементов на дорожных и внедорожных установках. А Hyundai Construction Equipment представила на выставке Bauma концептуальный экскаватор HW155H, работающий на топливных элементах.
Вероятно, первая коммерчески доступная единица оборудования на водородных топливных элементах, генераторы Generac EODev GEh3, будет распространяться United Rentals, начиная со второго квартала 2022 года. Статическая природа генераторов снижает многие вибрации, загрязнение и другие проблемы, которые возникают на бездорожье приложения к оборудованию.
Председатель JCB лорд Бэмфорд с водородным двигателем внутреннего сгорания компании.JCBСжигание водорода набирает обороты
Хотя большая часть технологии водородных топливных элементов все еще находится в стадии испытаний, двигатели водородного внутреннего сгорания предлагают почти такие же экологические преимущества, намного ближе к коммерческой жизнеспособности и дешевле производить. Двигатели внутреннего сгорания на водороде сохраняют базовую архитектуру дизельного двигателя — цилиндры, распределительный вал, блок и коленчатый вал — с верхним концом, который использует искровое зажигание и впрыск топлива.
В компании JCB инженеры оценили прототипы двигателей, работающих на водороде, наработанные десятилетиями, а затем построили с нуля свой собственный двигатель внутреннего сгорания.
Полученный прототип был установлен на экскаватор-погрузчик и телескопический погрузчик и дебютировал в мае 2021 года.
«Мы разработали совершенно новый процесс сгорания, который работает при гораздо более низких давлениях и температурах и обеспечивает невероятно чистое сгорание», — говорит Бернхоуп. «Сегодня у нас есть фантастические турбокомпрессоры, которые дают нам огромное количество воздуха. Водород уже содержит много энергии, и мы можем максимально использовать воздух, сводя к минимуму количество водорода в цилиндрах».
«Все, что находится ниже головки блока цилиндров, кроме поршней, такое же, как и в наших дизельных двигателях, — говорит Бернхоуп. «Таким образом, мы можем использовать 70 процентов наших существующих деталей и 70 процентов существующей цепочки поставок».
Мост в будущее
Джереми Карсон, директор компании Cummins по внедорожным технологиям, считает водородное сжигание практическим переходом на дизельное топливо. По его словам, Cummins разрабатывает платформу с искровым зажиганием, «независимую от топлива», которая будет включать водород, природный газ, метан и другое биотопливо.
«Мы думаем, что это хорошее среднесрочное решение, когда вы можете использовать дизельное топливо», — говорит Карсон. «Это позволит OEM-производителям упростить задачу и создать водородную инфраструктуру в долгосрочной перспективе».
«Я оптимистично настроен в отношении того, что двигатели внутреннего сгорания начнут набирать обороты к концу десятилетия, — говорит Карсон. «Капитальные расходы на начальном этапе для двигателя внутреннего сгорания на водороде определенно будут меньше, чем у полностью водородного топливного элемента, что поможет сделать его краткосрочным решением».
Экскаватор JCB 220X дебютировал в 2020 году и работает на водородных топливных элементах. Проблемы вибрации, охлаждения и загрязнения должны быть решены до того, как эта технология будет готова для применения на бездорожье, говорят в компании. Вне промышленных каналов топливо не является широко доступным.
OEM-производителям также придется выяснить, где разместить на своих машинах резервуары для хранения водорода, поскольку он более объемный, чем жидкое топливо.
Например, у колесных погрузчиков не так много свободного места, но у экскаваторов и машин с большими противовесами должно быть достаточно места, говорит Бернхоуп. Для стационарных двигателей, таких как генераторы, козловые краны и осветительные мачты, хранение топлива на борту не будет проблемой.
Простая заправка
Компания Burnhope отмечает, что заправка водородом намного быстрее, чем перезарядка моделей с батарейным питанием. Для заправки водородом требуется всего несколько минут, в то время как для перезарядки машин с батарейным питанием может потребоваться от двух до восьми часов.
По словам Бернхоупа, в худшем случае может потребоваться дозаправка оборудования для сжигания водорода в обеденный перерыв или в конце смены. А газообразный водород можно транспортировать на рабочую площадку, как дизельное топливо.
Прохладный, чистый и очень зеленый
Инженеров, таких как Бернхоуп, волнует то, насколько экологически чистый водород сравнивается с ископаемым топливом, причем не только в выхлопной трубе.
Доказательство того, насколько чистыми являются двигатели внутреннего сгорания на водороде, говорит Бернхоуп, можно увидеть на щупе. «Потяните его через 100 часов, и моторное масло станет ярким и чистым. Когда вы разбираете эти двигатели, они остаются такими же чистыми, как в тот день, когда вы их собрали», — говорит он.
Водород здесь надолго
Исследования и разработки в области использования водорода и топливных элементов для различных применений продолжают расширяться. Несмотря на то, что в настоящее время в секторе автомобильных дорог ведется большая работа, особенно в связи с тем, что водород рассматривается как лучшая альтернатива для дальних перевозок, в отрасли внедорожных автомобилей также предпринимаются усилия по развитию.
В июле 2020 года JCB объявила о разработке экскаватора с водородным двигателем. Прототип 20-тонного экскаватора 220X оснащен водородным топливным элементом и проходит испытания на испытательном полигоне компании. «JCB будет продолжать развивать и совершенствовать эту технологию, проводя расширенные испытания нашего прототипа машины, и мы будем и впредь оставаться в авангарде технологий, предназначенных для построения безуглеродного будущего», — заявил лорд Бэмфорд, председатель JCB, в пресс-релизе компании.
выпуск о прототипе машины.
Производитель строительной техники SANY объявил в марте 2021 года, что с его производственной линии сошли два автомобиля на водородных топливных элементах: самосвал и автобетоносмеситель. Компания заявила, что основными преимуществами использования водорода является отсутствие производимых выбросов — тепло и водяной пар являются единственными выбросами от водорода.
Дополнительные преимущества, по словам SANY, эти новые транспортные средства обеспечивают повышенную мощность благодаря высокомощным блокам топливных элементов, используемым в сочетании с приводным двигателем с большим крутящим моментом и коробкой передач AMT. Возможны и более длинные расстояния за счет использования водородных баллонов общей емкостью 1680 л (443,8 галлона), которые обеспечивают запас хода более 500 км (310,7 миль).
Компания Cummins Inc. также работает над совершенствованием технологий производства водорода и топливных элементов. В ноябре компания провела День водорода, чтобы обозначить свои текущие и будущие инициативы в этой области.
Председатель и главный исполнительный директор Том Лайнбаргер сказал, что у Cummins есть «невероятная возможность продолжать строить сильный бизнес в области производства водорода и технологий топливных элементов, способствуя снижению выбросов и защите нашей планеты».
ПОДРОБНЕЕ: Cummins представляет концепцию водородной технологии
Во время мероприятия он сказал, что Cummins считает, что водород будет играть ключевую роль в усилиях по обезуглероживанию из-за множества преимуществ, которые он предлагает, таких как легкость, простота хранения и способность обеспечивать высокую энергию на единицу массы. «Он предлагает способы обезуглероживания энергоемких отраслей, таких как перевозки на большие расстояния, судоходство и промышленные процессы», — сказал Лайнбаргер.
Компания JCB проводит испытания своего водородного 20-тонного экскаватора на испытательном полигоне в карьере. JCB
Технологии и приложения расширяются
По словам Cummins, есть три ключевые области, на которых компания сосредоточила свои усилия по разработке водорода и топливных элементов:
- производство зеленого водорода
- управление и транспортировка водорода
- применение водородных топливных элементов.
У компании есть несколько текущих проектов, связанных с этими направлениями развития. В настоящее время Cummins имеет более 2000 установок топливных элементов для различных дорожных и внедорожных приложений, в том числе коммерческий грузовик в Норвегии с ASKO, крупным оптовым продавцом продуктов в регионе. Другие демонстрационные проекты Cummins с дополнительной технологией топливных элементов также будут реализованы в различных регионах, поскольку отрасли стремятся познакомиться с этой технологией. Компания Cummins сосредоточила свои усилия по разработке водорода на трех направлениях, включая технологию электролиза для производства водорода. Cummins Inc.
Компания Cummins также недавно объявила об этом, а Air Liquide завершила строительство и ввод в эксплуатацию крупнейшего в мире электролизера с протонообменной мембраной, который используется для производства водорода. Он питается от возобновляемых источников энергии и производит до 8,2 тонн низкоуглеродистого водорода в день в Беканкуре, Квебек.
«Мы рассматриваем аккумуляторную электроэнергию и водородные топливные элементы как дополняющие друг друга технологии в составе силовых агрегатов с нулевым уровнем выбросов», — говорит Джереми Харсин, бизнес-директор Cummins Off-Highway. «Не существует универсального решения, подходящего для всех».
Водород имеет смысл для более крупного оборудования с высоким коэффициентом использования и потребности в энергии из-за ограничений инфраструктуры зарядки и размера необходимых батарей, а также их более высокой стоимости. Длительное время перезарядки, необходимое для более крупного оборудования, также может быть сдерживающим фактором. «Для более тяжелых рабочих циклов топливные элементы обеспечат большую гибкость и более высокую загрузку машины. Они хорошо подходят для тяжелых грузов и длительных рабочих смен с быстрой заправкой и отсутствием выбросов углекислого газа», — объясняет Харсин. «Электричество больше подходит для компактного оборудования, особенно используемого в аренде».
Водород обладает большей энергоемкостью по сравнению с дизельным топливом или природным газом. Один килограмм водорода имеет общую энергетическую эквивалентность примерно 3 кг или 1 галлону дизельного топлива. Таким образом, по сравнению с дизельным топливом или природным газом, водород сможет проехать такое же расстояние, используя меньше топлива.
«Внедрение топливных элементов будет происходить постепенно в течение следующих 5-10 лет, поскольку они станут не только экологически, но и операционно-экономически выгодными для OEM-производителей и операторов», — говорит Харсин.
DEUTZ также рассматривает водород как выгодную технологию для тяжелых условий эксплуатации. В нем отмечается, что возможность быстрой дозаправки позволяет более эффективно использовать углекислый газ (CO 2 ) в режиме свободной эксплуатации и снизить общую стоимость владения для конечных пользователей.
В настоящее время компания разрабатывает водородный двигатель на основе своего промышленного двигателя TCD7.
8, известного как 7.8TCH. Доктор — Инж. Маркус Швадерлапп, , старший вице-президент по исследованиям и разработкам в DEUTZ, говорит, что к концу 2021 года компания планирует ввести в эксплуатацию водородный генератор в качестве демонстратора технологии водородного двигателя для пилотного клиента.
В этом приложении водородный генератор сможет обеспечить электроэнергию без CO 2 в пиковые периоды спроса на энергию, а также для удаленного энергоснабжения, например, для строительных площадок с электрическими машинами, говорит Швадерлапп.
DEUTZ также видит потенциал для замены дизельного двигателя в локомотивах и других устройствах. «Мы видим водородные двигатели во всех мобильных машинах, где требуется высокая производительность в сочетании с высокой степенью автономности», — говорит Швадерлапп.
Компания также оценивает разработку топливных элементов, но считает, что водородный двигатель ближе к индустриализации для внедорожных приложений.
ПОДРОБНЕЕ: Варианты топлива продолжают развиваться 013
Проверка показывает потенциал водорода
В марте 2021 года компания Westport Fuel Systems Inc.
объявила об успешном запуске и первых испытаниях двигателя внутреннего сгорания большой мощности, работающего на водороде, с системой прямого впрыска под высоким давлением (HPDI) 2.0. Предварительные испытания показали, что двигатель, работающий на водороде, может обеспечить сгорание и эффективность, сравнимые с топливными элементами, в тяжелых условиях эксплуатации.
«Возможность для OEM-производителей и других сторон избежать новых и значительных инвестиций, которые потребуются для разработки и производства топливных элементов, электродвигателей и аккумуляторов, связанных с предложениями по продуктам для электромобилей на топливных элементах для дальних перевозок большой мощности, при этом используя налаженные поставки. производственных цепей, производственных инвестиций и инфраструктуры, а также экономии за счет масштаба — это невероятно увлекательно», — сказал Скотт Бейкер, вице-президент по инженерным вопросам Westport Fuel Systems, в пресс-релизе компании, объявляющем о результатах первоначальных испытаний.
Компания считает, что эта технология может быть полезной для большегрузных грузовиков и других приложений с высокой нагрузкой, таких как горнодобывающая промышленность, судоходство и железнодорожный транспорт.
В мае компания Daimler Trucks объявила о начале тщательных испытаний последней версии своего грузовика Mercedes-Benz Genh3, прототипа автомобиля на водородных топливных элементах. По словам представителей компании, серия испытаний будет очень требовательной к транспортному средству и компонентам и будет сосредоточена на непрерывной эксплуатации, различных погодных и дорожных условиях, а также различных маневрах вождения.
Целью Daimler в области технологии топливных элементов является достижение дальности до 1000 км (621,4 мили) и более без остановок для дозаправки. Компания хочет, чтобы ее грузовик на топливных элементах имел аналогичные или лучшие характеристики по сравнению с дизельными аналогами, а это означает, что он может обеспечить такой же запас хода и долговечность.
Daimler заявляет, что проведет такие же строгие испытания грузовика, как и грузовики с дизельным двигателем.
Genh3 был разработан с нуля и включает в себя совершенно новые компоненты — систему топливных элементов, полностью электрическую трансмиссию и сопутствующие системы, — сообщает компания. Особое внимание будет уделено им во время испытаний, поскольку вес и положение новых компонентов в грузовике влияют на его управляемость, что может влиять на силы и вибрации, ощущаемые транспортным средством и оператором.
Daimler использует баллоны с газообразным водородом во время испытаний Genh3. Тем не менее, компания считает, что жидкий водород является лучшим вариантом из-за его более высокой плотности энергии по отношению к объему, чем газообразный водород. Daimler говорит, что это приводит к использованию меньших и более легких резервуаров, потому что давление ниже, что позволяет грузовикам перевозить больше груза. В этих баках также можно перевозить больше водорода, что обеспечивает большую дальность полета.
Компания разрабатывает технологию резервуаров с жидким водородом и планирует создать новый прототип системы к концу 2021 года. Затем она проведет испытания с использованием резервуаров с жидким водородом, что позволит продемонстрировать использование как газообразных, так и жидких вариантов.
Грузовик Mercedes-Benz Genh3 был разработан с нуля и оснащен совершенно новыми компонентами. Daimler AG
Какие проблемы еще предстоит решить?
Производство, хранение и инфраструктура водорода являются одними из ключевых задач, стоящих перед рынком в настоящее время, говорит Швадерлапп. Как и Daimler, DEUTZ считает использование жидкого водорода наиболее выгодным. Он также отмечает необходимость разработки интеллектуальных решений для упаковки систем хранения водорода в транспортные средства.
«Бортовое хранилище — важнейший компонент водородной энергетики, — говорит Харсин. Он объясняет, что водород должен быть сжат в ограниченном пространстве путем сжатия или сжижения, чтобы хранить достаточно, чтобы соответствовать требованиям рабочего цикла.
Таким образом, Cummins инвестирует в технологии хранения. Недавно компания объявила о создании совместного предприятия с NPROXX для производства резервуаров для хранения водорода и сжатого природного газа.
Харсин также отмечает сложность, а также способность Cummins решать проблемы интеграции, настройки и улучшения взаимодействия между топливными элементами, батареями, силовым агрегатом и хранилищем топлива. «Понимание и адаптация общей системы трансмиссии будет иметь решающее значение в будущем. Это касается каждого компонента, который преобразует мощность двигателя в движение, и является областью, в которой Cummins может использовать наш глубокий опыт и понимание всех взаимодействующих компонентов и различных требований к работе, необходимых для обслуживания различных секторов». «Для более тяжелых рабочих циклов топливные элементы обеспечат большую гибкость и более эффективное использование машин», — говорит Джереми Харсин из Cummins.Cummins Inc.
Инфраструктура также останется проблемой.
Даже несмотря на то, что в настоящее время существует множество проектов по увеличению заправки водородом, для их разработки потребуются время и ресурсы. Харсин говорит, что внедрение водорода, скорее всего, начнется на рынках, где заправка может производиться централизованно, например, на домашних базах или вблизи крупных водородных центров, где есть доступ к доступной возобновляемой энергии.
Стоимость также является препятствием, которое необходимо преодолеть. Харсин говорит, что стоимость топливных элементов и водорода, по прогнозам, останется выше стоимости двигателей внутреннего сгорания в течение как минимум 5-10 лет. Однако он говорит, что экологические инициативы, продвигаемые корпорациями или правительствами, могут ускорить переход на водород. Клиенты автопарка, эксплуатирующие муниципальную технику или оборудование в аэропортах, распределительных центрах и портах, также могут оказать давление на OEM-производителей, чтобы они предлагали водородные решения, поскольку они стремятся сократить свои выбросы.
«Электроэнергия от аккумуляторов будет изо всех сил пытаться удовлетворить потребность в рабочем цикле для всех приложений, особенно для более крупных», — говорит Харсин. «Водород может предложить решение, которое эффективно выполняет работу при соблюдении требований нулевого уровня выбросов».
В целом, по его словам, водородные решения должны иметь общую стоимость владения, конкурентоспособную с двигателями внутреннего сгорания. «Мы должны постоянно совершенствовать конструкции электролизеров и топливных элементов, чтобы повысить уровень эффективности и снизить затраты за счет масштабирования».
Подобно аккумуляторной технологии, увеличение объемов будет способствовать масштабированию и со временем поможет снизить затраты. «Поскольку производство водорода, его распространение, производство оборудования и компонентов продолжается, стоимость, по прогнозам, снизится в течение следующего десятилетия для широкого спектра применений, что сделает водород конкурентоспособным по сравнению с аналогами двигателей внутреннего сгорания», — говорит Харсин.