Как работает водородный двигатель?

Содержание

Как работает водородный двигатель в автомобиле?

Как работает водородный двигатель?

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.

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.

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.

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.

Читайте также  Что значит атмосферный двигатель?

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, , , Instagram, Pinterest, Yandex Zen, и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Источник: https://auto.today/bok/4339-kak-rabotaet-vodorodnyy-dvigatel.html

Справочная: как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах

Как работает водородный двигатель?

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

Когда появились первые автомобили на водороде?

Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine). Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня.

Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем. Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели.

Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях. Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.

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

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

А где брать водород?

Водород можно получать разными методами:

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

Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия. Так называют получение водорода из легких углеводородов (метан, пропан-бутановая фракция) с использованием парового риформинга.

Риформингом называют процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Водяной пар смешивается с метаном при высокой температуре (700–1000 Сº) и большом давлении с использованием катализатора. При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз. Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока.

Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород. Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.
Источник Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа.

Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.

Как работает топливная система и какие есть варианты?

Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь.

На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции. Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию. В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт.

Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию. Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.

По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода.

Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.

Такие автомобили опасны? Почему?

Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх. Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды.

Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.

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

Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.

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

Какой срок службы у топливных ячеек?

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

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus. В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.

Сколько это стоит?

В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации. Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57. И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством. Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США. Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс.

пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс. Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки. Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет.

Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.

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

Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением. Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.

Читайте также  Что такое битурбо двигатель?

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.

  • водород
  • автомобили
  • электрокары
  • транспорт
  • будущее
  • справочная

Хабы:

  • Автомобильные гаджеты
  • Транспорт
  • Экология
  • Будущее здесь

Источник: https://habr.com/ru/post/450886/

Как работают водородные автомобили

Как работает водородный двигатель?

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.

 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. 

 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.

 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.

 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.

Читайте также  Почему течет радиатор охлаждения двигателя?

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.

Источник: https://1gai.ru/publ/519420-kak-rabotayut-vodorodnye-avtomobili.html

Водородный транспорт: технология будущего или полный провал?

Как работает водородный двигатель?

В минувшем апреле премьер-министр Японии Синдзо Абэ заявил о намерениях своего правительства начать переход к водородной экономике при постепенном отказе от углеводородного топлива. К 2030 году в стране Восходящего солнца должно быть уже 800 000 машин с водородными двигателями. Интересно, как будет происходить эта революция?

На самом деле перевести автомобили, самолеты, корабли и локомотивы на водородное топливо — весьма привлекательная идея. Применение H2 не оставляет «углеродного следа». Легковой автомобиль Toyota Mirai, работающий на водородных топливных батареях, проезжая 100 км, производит около полуведра воды. И все! Никаких парниковых газов. Никаких токсичных выбросов.

Разве это не прекрасная замена углеводородному топливу? Замена отличная, но проблема в том, что природа создала нам обширные месторождения нефти и газа, а вот месторождений водорода не существует. Самый легкий элемент таблицы Менделеева обильно наличествует в окружающем мире, но в виде соединений — в основном с углеродом и кислородом.

Чтобы получить водород в свободном виде, требуется эти соединения разрушить, для чего необходимо затратить энергию, причем при нынешнем уровне развития технологий энергию намного бóльшую, чем мы сможем потом получить, утилизировав водород.

Излучение Солнца, приливы, ветер называют сегодня альтернативными источниками энергии, но водород в их ряду не стоит. H2 — это экологически чистое топливо, которое по сути является аккумулятором энергии, затраченной на его производство (за вычетом неизбежных потерь). Есть целый ряд ныне применяемых и перспективных технологий производства водорода, но основные подразделяются на два типа: оторвать водород от углерода и оторвать водород от кислорода.

1. Блок топливных элементовИспользованы первые серийно производимые концерном Toyota топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л)Максимальная мощность: 124 кВт 2. Повышающий преобразователь превращает постоянный ток, вырабатываемый топливным элементом, в переменный с повышением напряжения до 650 В 3. Никель-металл-гидридный аккумулятор запасает энергию, рекуперируемую при торможении.

При трогании с места питает двигатель совместно с топливным элементом 4. Баллоны высокого давленияРабочее давление внутри: 700 атм. Внутренний объем: 60 л (передний баллон)62,4 л (задний баллон) 5. Электрический моторСинхронный электродвигатель переменного тока:максимальная мощность — 113 кВт (153,6 л.с.)максимальный крутящий момент — 335 Нм 6.

Блок управления управляет топливным элементом, а также зарядкой/разрядкой аккумуляторной батареи 7 Дополнительные приспособленияНасос для подкачки водорода и проч.

Грязное чистое топливо?

Более половины водорода в мире производится методом паровой конверсии метана — это самый дешевый и доступный способ. В многоэтапном процессе с применением высоких температур и катализаторов молекулы метана разлагаются на водород и угарный газ (моноксид углерода). Поскольку в процессе используется ископаемое топливо, назвать полученный таким путем водород не дающим «углеродного следа» как-то не получается.

Другой достаточно распространенный промышленный процесс — это электролиз, знакомый всем еще по школьным химическим опытам. Здесь уже нет ни нефти, ни газа, ни угля — на кислород и водород разлагается обычная вода при приложении к ней электрической энергии.

Но откуда эта энергия? Если рядом с водородным производством чадит тепловая электростанция на мазуте, то и здесь с «углеродным следом» будет все не очень хорошо. Визионеры энергетики будущего говорят о водородных фабриках, питающихся электричеством исключительно от ветропарков, солнечных электростанций и других возобновляемых источников.

В этом случае появится действительно безуглеродная цепочка выработки топлива, но это потребует колоссального прироста генерирующих мощностей в сфере «зеленой» энергетики.

Производство водорода с применением биотехнологий

О судьбе «гинденбурга»

Для тотального перехода на водород потребуются не только энергоресурсы для его производства, но и развитая инфраструктура для его транспортировки и хранения — трубопроводы, железнодорожные цистерны, морские танкеры, резервуары, автозаправки. Одна из главных причин несколько настороженного отношения общества к водородной революции заключается в том, что водород очень летуч и взрывоопасен. Там, где будет храниться, транспортироваться или использоваться водород, необходимо наличие высокочувствительных газоанализаторов, которые просигналят о малейшей утечке.

Правда, сторонники активного использования водорода утверждают, что опасность преувеличена. В отличие от тяжелых газов типа метана, утекший из баллона легкий водород мгновенно поднимается вверх и развеивается. В пример приводят историю катастрофы дирижабля «Гинденбург», в котором вспыхнувший водород горел всего 32 секунды, что позволило 62 из 97 пассажиров не сгинуть в огне и выжить. Но в любом случае присутствие на улицах большого количества транспортных средств, в которых под давлением находится взрывоопасный газ, потребует нового уровня безопасности движения.

Все эти факторы, ограничивающие широкое применение водорода, свидетельствуют в пользу того, что переход на новое топливо будет происходить не очень быстрыми темпами. Продажи пионерской Toyota Mirai на водородных топливных элементах, начавшиеся в 2015 году, приблизились лишь к рубежу 3000 штук — и это на огромном рынке, в который входят не только Япония, но и США, ЕС, ОАЭ. Очевидно, что водород как топливо будет еще долго соседствовать как с традиционными углеводородами, так и с литий-ионными аккумуляторами (в электромобилях).

При этом опережающими темпами водородные технологии смогут развиваться в отдельных наиболее перспективных нишах, например в сфере электрических БПЛА. Дело в том, что КПД водородного топливного элемента очень высок, за счет того что энергия, выделяемая при соединении водорода с кислородом, утилизуется непосредственно в электричество, без значительных потерь в виде тепла, как это происходило бы при сжигании топлива в цикле Карно.

Используя энергию топлива по максимуму, БПЛА с топливным элементом может оставаться в воздухе гораздо дольше, чем беспилотник с сопоставимой взлетной массой, но питающий двигатель от широко применяемых литий-ионных аккумуляторов.

Твердый водород?

В нашей стране лидерами в создании водородно-воздушных топливных элементов (ВВТЭ) для БПЛА и не только являются Институт проблем физической химии ИПФХ РАН и Центральный институт авиационного моторостроения ЦИАМ им. Баранова. ВВТЭ ИПФХ в апреле 2016 года обеспечил рекордный полет длительностью 3 часа 10 минут октокоптера-концепта НЕЛК-88 совместного производства компании НЕЛК и ИПФХ РАН.

Схема размещения гранул «твердого водорода» в крыле БПЛА

Водородная бортовая система обладает очень хорошим ВВТЭ и эффективно работает, но с появлением на борту сжатого баллонного водорода возникли проблемы немалого веса и габарита. Кроме того, сохраняется вероятность утечки газа, что небезопасно. Новейшие сверхпрочные материалы и технологии до конца эту проблему не решили.

Чтобы иметь на борту водорода побольше и в более легкой системе хранения, пробовали перейти на сжиженный при температуре -253°C водород, плотность которого втрое выше плотности водорода, сжатого до стандартных для баллонных систем давлений 300−350 атм., что могло бы увеличить энергоемкость системы.

Но проблемы с сосудом Дьюара, термоизоляцией, заправкой и т. п. от такой идеи заставили отказаться. Выход был найден, когда вспомнили о твердых металлических гидридах. В гидриде водород настолько плотно запакован, что о каких-либо его просачиваниях речи не идет.

Поэтому «твердый» водород — это серьезный аргумент в решении проблемы безопасности и людей, и техники.

В разных гидридах — натрия, магния, бора и др. — водород в весовом отношении существует в разном количестве, и чемпионом здесь является боран аммиака (боразан) с 20%-ным содержанием водорода. Для получения необходимого для ВВТЭ газообразного водорода боран аммиака достаточно осторожно нагреть, чтобы не было его плавления с пенообразованием, до температуры 85−100°С. Получение такой температуры на борту БПЛА не проблема: до нее при работе, например, нагреваются ВВТЭ.

Полет на таблетках

Не так давно в этой сфере произошло два знаковых события. Первое — в самом начале февраля 2016 года, когда британская компания Cella Energy совместно с шотландской ассоциацией морских наук SAMS на полигоне в Аргайле провела успешные испытания твердоводородной технологии на беспилотнике-демонстраторе. По плану полет продолжался десять минут, БЛА поднимался на высоту 80 м.

Второе событие имело место в середине февраля 2016 года в Сингапуре, накануне открытия там Air Show 2016. Тогда серийный мини-БЛА Skyblade 360 UAV компании HES Energy Systems осуществил управляемый полет в течение шести часов и суммарно налетал 300 км со скоростью 50−55 км/ч. В обоих случаях разработчики использовали похожие технологии изготовления материала-носителя водорода и получения из него водорода газообразного.

Материал гидрида был изготовлен в виде гранул, которые размещались на печатной монтажной ленте, что делало удобным производить последовательный, от гранулы к грануле, их осторожный нагрев от бортового источника тепла. Гранулы компании Cella из бoрана аммиака имели квадратное сечение со стороной 1 см.

 Они были помещены в картридж-газогенератор цилиндрической формы, в котором после выделения газообразного водорода поддерживался необходимый уровень рабочего давления — кстати, небольшой.

Технология «гранулы в картридже» позволяет масштабировать топливную загрузку в зависимости от конкретного задания, что обеспечивает гибкость в применении беспилотника.

Ничего не пропадет

При производстве гранул боразана использовалась технология наноструктурирования с получением наночастиц гидрида размером 4−6 нм (в 30 раз меньше размеров песчинки, как это было у компании Cella), и это способствовало высокой отдаче водорода. 1 г структурированной гранулы отдает с эффективностью более 90−95% 1 л газообразного водорода.

Но что делать с отработавшим картриджем, в котором после извлечения водорода из гидрида остается много полезного материала? Конечно, такой картридж никто не собирается выбрасывать, а оставшийся в нем остаток — полиборазилен — восстанавливают до состояния борана аммиака насыщением водородом в присутствии специального катализатора, например, на основе рутения. Уже имеется технология регенерации, по которой все происходит в «одном котле» — прямо в отработавшем картридже, что делает процесс безопасным и упрощает производственную цепочку.

Оценивая перспективы водорода как источника энергии, мы в основном опираемся на существующие технологии его производства и применения. Однако чуть ли не каждый день в этой сфере происходит что-то новое (что показывает стремительное пришествие «твердого водорода»), и, возможно, водородная экономика придет к нам в итоге в совершенно ином обличье.

Статья «Водород, приходи» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2017).

Источник: https://www.popmech.ru/technologies/371842-vodorodnyy-transport-tehnologiya-budushchego-ili-polnyy-proval/