Водородные Автомобили в России

Всё про водородный двигатель для автомобиля что это, как работает, схема, фото, безопасность

Водородный автомобиль считается самым экологичным транспортом наряду с электрокарами. Заправка авто на водородном топливе занимает считанные минуты, а «горючего» хватит на 400 км и более. А баллон водорода после использования оставляет после себя полведра чистой воды.

Почему же автомобильные концерны неохотно переходят на этот альтернативный источник энергии? Вопрос в стоимости и производстве этого газа.

В автомобилях с водородным двигателем применяются специальные топливные ячейки. Называются такие авто FCEV, что расшифровывается как Fuel Cell Electric Vehicles — электрокары с топливным элементом вместе батареи. Самая известная модель – это Toyota Mirai. А вообще многие модели есть только в виде концепта, серийно пока выпускается немного экземпляров.

В статье расскажу что это такое — водородный автомобиль, принцип работы и устройство, что такое водородный двигатель, плюсы и минусы авто на водороде, список моделей, ждёт ли будущее эта технология. Обещаю, будет интересно!

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 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.

Читайте также:  Установка замка зажигания ваз 2106 своими руками с фото

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.

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.

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?

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.

Автомобили на водородном топливе

  • Принцип работы водородных автомобилей
  • Основные характеристики водородных автомобилей
  • Плюсы и минусы авто, работающих на водороде
  • Какие автомобили, использующие водород, уже выпускаются

Современное автомобилестроение развивается с акцентом на производство более экологичных транспортных средств. Это обусловлено развернувшейся во всём мире борьбой за чистоту атмосферного воздуха путём снижения выбросов углекислого газа. Постоянный рост цен на бензин также заставляет производителей искать другие источники энергии. Многие ведущие автостроительные концерны постепенно переходят к серийному производству машин, работающих на альтернативном топливе, что уже в самом ближайшем будущем приведёт к появлению на автодорогах мира достаточного количества не только электрокаров, но также авто с двигателями, работающими от водородного топлива.

Принцип работы водородных автомобилей

Авто, работающее на водороде, призвано снизить атмосферные выбросы углекислого газа, а также других вредных примесей. Использование водорода для приведения в движение колёсного транспортного средства, возможно двумя различными способами:

  • применением водородного двигателя внутреннего сгорания (ВДВС);
  • установкой силового электрического агрегата, работающего от водородных элементов (ВЭ).

В то время, как мы привыкли заполнять бензином или дизельным топливом свой автомобиль, новое чудо – работает на наиболее распространенном элементе во вселенной – водороде

ВДВС представляет собой аналог широко используемых сегодня двигателей, топливом для которых является пропан. Именно эту модель движка проще всего перенастроить для работы от водорода. Принцип его действия тот же, что у бензинового двигателя, только в камеру сгорания вместо бензина поступает сжиженный водород. Авто с ВЭ – это, фактически, электрокар. Водород здесь выступает лишь сырьём для выработки электроэнергии, необходимой, чтобы привести в действие электрический мотор.

Водородный элемент состоит из следующих частей:

  • корпуса;
  • мембраны, пропускающей только протоны – она делит ёмкость на две части: анодную и катодную;
  • анода, покрытого катализатором (палладием или платиной);
  • катода с тем же катализатором.
Читайте также:  ТОП-10 танков в World of Tanks; Сайт Сергея Вильянова

Принцип действия ВЭ построен на физико-химической реакции, состоящей в следующем:

    Водород подаётся в анодный отсек, где под действием катализатора его молекулы отдают свои электроны аноду.

Газообразный водород заправляют в бак автомобиля так же, как и бензин, а затем особый топливный элемент, производящий химическую реакцию за счет водорода и кислорода, преобразует электроэнергию, которая и является движущей силой машины

  • Образовавшиеся протоны (Н+) поступают в катодную часть ВЭ, свободно проходя через мембрану, куда одновременно подаётся кислород.
  • Электроны устремляются по аноду в цепь питания электродвигателя автомобиля, приводя его в движение.
  • Под действием катализатора, подаваемые на катод электроны, соединяются с протонами (Н+), образуя молекулярный водород. Подача в камеру кислорода, способствует образованию молекул воды.
  • Таким образом, при движении автомобиля не выделяется углекислый газ, а лишь водяной пар, электричество и окись азота.

    Есть ли будущее у автомобилей на водородном топливе?

    В 1937 году крушение дирижабля Гинденбург перечеркнуло будущее водорода для использования в транспортных целях. Но теперь, спустя многие десятилетия, вновь начал просыпаться интерес к водороду, особенно в контексте его использования в автомобилях. В этой статье мы поговорим не о не о недостатках водородных автомобилей, а об их устройстве и темпах создания условий для эксплуатации подобного транспорта.

    Источники водорода

    Идея перевести наземный и воздушный транспорт на водородное топливо не нова, первые разработки в этом направлении велись еще в XIX веке, но из-за слаборазвитых технологий, отсутствия острой проблемы глобального потепления и недостаточной автомобилизации, человечество только сейчас заинтересовалось возможностью использования водорода в качестве основного топлива для различных средств передвижения.

    Все было бы хорошо, если по аналогии с нефтью и газом, водород встречался бы в природе в чистом виде. Парадокс в том, что хотя водород и является самым распространенным химическим элементом во всей Вселенной, в природе не существует открытых месторождений, из которых можно было бы беспрепятственно добывать водород. В то время как углеродное топливо относительно легко добыть и оно нуждается в минимальной обработке, с водородом все гораздо сложнее: в мире есть только два более-менее эффективных способа производства H2: “оторвать” водород от молекул кислорода либо отделить его от молекул углерода.

    Существующие модели автомобилей и принцип их работы

    Машины, работающие на водороде, называют Fuel Cell Electric Vehicles или FCEV, на автомобильном рынке уже представлено несколько подобных решений. О конкретных моделях речь пойдет немного позже, сперва следует остановиться на устройстве автомобильной водородной установки. Она имеет так называемый топливный элемент (электрохимический генератор), являющийся своеобразной “батарейкой”, в которую поступает водород, после чего он окисляется и в результате на выходе мы имеем чистый водяной пар с нулевым содержанием углекислого газа. В остальном здесь все практически так же, как в обычном электромобиле, но в случае с водородной установкой используется куда более компактная батарея – емкость литий-ионного аккумулятора в водородных автомобилях в 10 раз меньше, поскольку он используется только для холодного старта и буферизации энергии, полученной при рекуперативном торможении.

    Батарея необходима и потому, что главный источник энергии – блок топливных элементов – переходит в рабочее состояние не сразу, а спустя какое-то время после старта. Первым прототипам требовалось до полутора часов, чтобы начать превращать водород и кислород в водяной пар и электроэнергию. Современные же автомобили на водородной тяге выходят в рабочий режим менее чем за 2 минуты, однако прогрев до температуры, при которой КПД установки доходит до 70-90%, занимает от 15 минут до часа в зависимости от температуры окружающей среды. Водород общей массой 5 кг хранится в специальных баллонах, на заправку которых уходит в среднем 3 минуты. Дальность хода на таком объеме топлива достигает 500 км.

    Желающие приобрести FCEV сегодня могут выбрать Toyota Mirai, (58 000 долларов) либо Honda FCX Clarity (от 33 400 долларов). Впрочем, это только самые распространенные модели, помимо них выпускаются ограниченные серии Mazda RX-8 Hydrogen, Audi A7 h-tron, Hyundai Tucson FCEV, BMW Hydrogen 7, Ford E-450 и даже автобусы Man Lion City Bus. В России эти автомобили встречаются крайне редко, в свободной продаже их можно найти в США, западной Европе и некоторых азиатских странах.

    Экологически грязное производство

    Большая часть производимого водорода добывается с помощью паровой конверсии метана – это самый быстрый и дешевый способ, в ходе которого молекулы метана многократно подвергаются воздействию высоких температур и катализаторов, в результате чего они распадаются на угарный газ и водород. Поскольку для такого производства необходимо использовать ископаемые виды топлива, мы все так же загрязняем атмосферу выбросами CO2, как и в случае с дилеммой производства энергии для электромобилей на старых дымящих ТЭС.

    Для производства водорода также используется метод электролиза, знакомого многим еще со школьной скамьи: в этом случае нет ни нефти, ни газа – на кислород и водород распадается обычная вода путем воздействия на нее довольно большого количества электроэнергии. Казалось бы, с электролизом все должно быть хорошо, но, как уже говорилось выше, основная часть производимого сегодня электричества, генерируется “грязными” теплоэлектростанциями, массово сжигающими уголь, природный газ и мазут.

    Читайте также:  Масло трансмиссионное ТАД-17 1

    Немного цифр

    По оценкам Hydrogen council (совет по водородным технологиям), к 2050 году мировой рынок водорода будет составлять порядка $2.5 трлн или 18% от общего спроса на электроэнергию, что позволит сократить объемы вредных выбросов в атмосферу на 6 гигатонн в год. При этом в транспортном секторе количество легковых автомобилей на водородном топливе составит 400 млн, 15-20 млн грузовых и 5 млн автобусов. Чтобы достичь этих показателей необходимо до 2030 ежегодно инвестировать $20-25 млрд в развитие водородной отрасли. Для сравнения, даже в период кризиса инвестиции в нефтегазовую отрасль составляли около 60 миллиардов долларов. В данный момент 20 стран, включая США, Японию, Германию, Южную Корею и Китай, активно занимаются развитием рынка энергетического водорода, выстраивая партнерские связи между государственным и частным секторами.

    Китай планирует к 2030 году установить 1000 водородных заправочных станций, обслуживающих более 1 млн FCEV. Кроме того, к 2025 ныне быстрорастущий город Ухань (население – около 11 млн человек) должен стать основным водородным хабом страны, до 2020 там построят 20 ВЗС, которыми будут пользоваться три тысячи “водородомобилей”. К 2025 году производством водорода в той или иной степени займутся все топливные предприятия города, некоторые из них переоборудуют для работы с одним только водородом, а количество водородных заправочных станций к этому моменту может составить до 100 штук. Для осуществления задуманного, китайцам потребуется выделить $1.7 млрд инвестиций.

    В Южной Корее по состоянию на 2018 год действовало всего 12 ВЗС, но за счет небольшой площади государства, любой водитель может пересечь его на одном баке водородного топлива. Впрочем, корейское Министерство Промышленности уже объявило о выделении $2.3 млрд инвестиций, которые пойдут на постройку 310 ВЗС по всей стране к 2022. Правительство Южной Кореи также намерено оказывать финансовую помощь предприятиям, разрабатывающим оборудование для водородных автомобилей, а благодаря налоговым льготам для водителей, на дорогах появятся 16 000 FCEV.

    Как и говорилось в начале статьи, наибольшую заинтересованность к водороду проявляет Япония. По данным Hydrogen Analysis Resource Center, в середине 2018 на территории Страны восходящего солнца располагалось 94 ВЗС (это самый высокий показатель во всем мире, на втором месте Германия – 44 ВЗС). Министерство энергетики, торговли и промышленности Японии (METI) разработало долгосрочную стратегию, нацеленную на ускоренное внедрение легковых автомобилей и общественного транспорта на водородных топливных элементах, и расширение сети установок для производства энергии из водорода. Глобальная задача METI состоит не только в снижении количества вредных выбросов транспорта и промышленности в больших городах, но и в уменьшении зависимости от импортируемых ископаемых видов топлива. Если говорить более конкретно, то Япония планирует увеличить потребление водорода с предполагаемых 4000 тонн в 2020 году до 300 000 тонн в 2030 и 10-15 млн тонн в 2050. Что касается количества FCEV, к 2020 году в Японии их число достигнет 40 000, 180 000 – в 2025 и около 800 000 штук к 2030. Весь этот автопарк будут обслуживать 160 ВЗС уже в 2020 и 320 ВЗС в 2025. Помимо всего прочего, к 2030 году японцы введут в эксплуатация 1200 автобусов на водороде. Однако Япония при всем своем желании не сможет обеспечить себя водородом в таких объемах, поэтому METI не исключает возможность перехода страны на водород с помощью импортных поставок из Брунея, Африки и Австралии. Для этого крупные японские компании (например, Kawasaki Heavy Industries и Chiyoda Corporation) оказывают финансовую поддержку проектам по производству водорода в Австралии и Брунее.

    Западная Европа хоть и отстает от Азии по темпам освоения технологий водородной энергетики, не намерена быть среди догоняющих: так, если 5 лет назад количество автобусов на водороде равнялось тридцати, то сейчас их уже 91 – да, в мировых масштабах число незначительное, но учитывая сложность создания абсолютно новой инфраструктуры ВЗС, прогресс налицо. В отличие от Азии, имеющей какой-никакой опыт работы с водородом, европейские государства делают первые шаги по внедрению водородной энергетики. Доказательством могут служить программы вроде HyFive или H2ME, в рамках которых строятся новые заправочные станции и вводится в эксплуатацию все больше легковых автомобилей на водороде. Самыми активными странами в этом вопросе являются Германия, где сосредоточены ведущие мировые автопроизводители и Дания, чье правительство готовится производить водород путем электролиза морской воды с помощью чистой энергии, полученной от ВИЭ. Благодаря развитию HyFive и H2ME у жителей Европы в обозримом будущем появится возможность путешествовать между странами без дозаправки. США лишний раз не стоит упоминать, поскольку острый интерес к водороду там проявляет лишь Калифорния.

    В итоге

    Несмотря на сложности создания сети ВЗС и затратное производство, “скачущие” цены на нефть и газ рано или поздно вынудят человечество отказаться от ископаемых источников энергии в пользу водородного топлива. Конечно, этот процесс займет не одно десятилетие, но рано или поздно безотходная добыча чистого водорода будет налажена, запасы нефти и газа иссякнут, а климат не сможет и дальше терпеть миллионы чадящих автомобилей.

    Ссылка на основную публикацию
    Водородная горелка в домашних условиях
    Водородная горелка своими руками ТехноБлог Dimanjy Водородная горелка, как и следует из названия, работает за счет тепла, выделяемого при сжигании...
    Вирусный лайфхак показывает, как с помощью обувных шнурков можно без ремня закрепить джинсы на талии
    Как подогнать джинсы по фигуре Нужен только обувной шнурок Даже на самые широкие бёдра и тонкую талию джинсы могут сесть...
    Вискомуфта принцип работы, замена подшипника вискомуфты вентилятора
    Вискомуфта принцип работы, замена подшипника вискомуфты вентилятора Вискомуфта (вязкостная муфта) является по своей сути механическим устройством, передающим вращающий момент при...
    Водородные Автомобили в России
    Всё про водородный двигатель для автомобиля что это, как работает, схема, фото, безопасность Водородный автомобиль считается самым экологичным транспортом наряду...
    Adblock detector