Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Где применяют водородное топливо?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
• Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Бесшумная работа двигателя;
• Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
• Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

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

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. 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.

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.

Водородный двигатель. Как работает и недостатки

Двигатели внутреннего сгорания не появились, как отдельные силовые агрегаты резко. Скорее, классический мотор появился в результате доработки и усовершенствования тепловых двигателей. О том, как постепенно появлялся агрегат, который мы привыкли видеть под капотом машин, читайте в отдельной статье.

Однако когда появился первый автомобиль, оснащенный двс, человечество получило самоходное транспортное средство, которое не требовало постоянного кормления, как лошади. С 1885 года в моторах много чего изменилось, но неизменным остался один недостаток. Во время сгорания смеси бензина (или другого топлива) и воздуха выделяется слишком много вредных веществ, загрязняющих окружающую среду.

Если перед появлением самоходных транспортных средств архитекторы европейских стран опасались, что большие города утонут в лошадином навозе, то сегодня жители мегаполисов вдыхают грязный воздух.

Ужесточение экологических стандартов для транспорта заставляет производителей автотранспорта вести разработки более чистого силового агрегата. Так, многие компании заинтересовались созданной ранее технологией Аньоса Джедлика – самоходной тележкой на электротяге, которая появилась еще в 1828-м. И на сегодняшний день эта технология настолько прочно вошла в автомобильный мир, что электромобилем или гибридом уже никого не удивишь.

Но что уж действительно обнадеживает, так это силовые установки, единственным выбросом которых является питьевая вода. Это водородный двигатель.

Что такое водородный двигатель?

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

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

Краткая история

Водородные двигатели внутреннего сгорания появились в тот же период, когда велись разработки и совершенствовался принцип ДВС. Французский инженер и изобретатель сконструировал свой вариант двигателя внутреннего сгорания. Топливо, которое он применял в своей разработке – водород, появлявшийся в результате электролиза H₂O. В 1807 году появился первый водородный автомобиль.

Исаак Де Риваз в 1807 году подал патент на разработку тягача для военного снаряжения. в качестве одного из силовых агрегатов он предлагал использовать именно водородный.

Силовой агрегат был поршневым, а зажигание в нем происходило благодаря образованию искры в цилиндре. Правда, первое творение изобретателя нуждалось в ручной генерации искры. Спустя всего два года он доработал свое произведение, и на свет появилось первое самоходное водородное средство передвижения.

Однако на тот момент разработке не придали значения, потому что газ не так легко получить и хранить, как бензин. Практическое применение водородные моторы получили в Ленинграде во время блокады со второй половины 1941 года. Хотя, стоит признать, что это не были исключительно водородные агрегаты. Это были обычные двс ГАЗ, только топлива для них не было, зато газа в то время было предостаточно, так как им заправляли аэростаты.

В первой половине 80-х годов много стран, причем не только европейские, но и Америка, Россия и Япония взялись экспериментировать с данного типа установками. Так, в 1982-м при совместной работе завода «Квант» и автопредприятия РАФ появился комбинированный мотор, который работал на смеси водорода и воздуха, а в качестве источника энергии использовался акб на 5 кВт/ч.

С тех пор разными странами проявлялись попытки внедрить «зеленый» транспорт в линейки своих моделей, но в большинстве случаев такие машины либо оставались в категории прототипов, либо имели сильно ограниченный тираж.

Как работает

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

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

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

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

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

Типы водородного двигателя

Хотя существует несколько модификаций водородных двигателей, все они делятся на два типа:

• Вид агрегата с топливным элементом;
• Доработанный ДВС, приспособленный для работы на водороде.

Рассмотрим каждый тип по отдельности: в чем их особенности.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

За основу работы топливного элемента взят принцип аккумулятора, в котором происходит электрохимический процесс. Единственное отличие водородного аналога – более высокий КПД (в некоторых случаях более 45 процентов).

Топливная ячейка представляет собой одну камеру, в которую помещены два элемента: катод и анод. Оба электрода покрыты платиной (или палладием). Между ними расположена мембрана. Она делит полость на две камеры. В полость с катодом подается кислород, а во вторую – водород.

В результате происходит химическая реакция, результатом которой является объединение молекул кислорода и водорода с выделением электричества. Побочный эффект от процесса – вода и выделившийся азот. Электроды топливных элементов подключены к электроцепи автомобиля, в том числе и электромотору.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

В этом случае, хотя мотор и называется водородным, он имеет идентичное строение, что и обычный ДВС. Единственное отличие – происходит сгорание не бензина или пропана, а водорода. Если заправлять баллон водородом, то есть одна проблема – этот газ снизит эффективность обычного агрегата приблизительно на 60 процентов.

Вот несколько других проблем, с которыми связан переход на водород без модернизации мотора:

• Когда ВТС будет сжиматься, газ будет вступать в химическую реакцию с металлом, из которого изготовлена камера сгорания и поршень, а нередко это может происходить и с моторным маслом. Из-за этого в камере сгорания образуется другое соединение, которое не отличается особой способностью к качественному сгоранию;
• Зазоры в камере сгорания должны быть идеальными. Если где-то топливная система имеет хотя бы минимальную утечку, при контакте с раскаленными предметами газ легко воспламенится.

По этим причинам водород практичней применять в качестве топлива в роторных моторах (в чем их особенность, читайте здесь). Впускной и выпускной коллекторы таких агрегатов расположены отдельно друг от друга, поэтому газ на впуске не раскаляется. Как бы то ни было, пока моторы модернизируются так, чтобы обойти проблемы использования более дешевого и экологически чистого топлива.

Какой срок службы топливных ячеек?

Во всем мире на сегодняшний день такие авто – большая редкость, и их еще нет в серии, сложно сказать, какой ресурс у данного источника энергии. У мастеров еще нет опыта в этом отношении.

Единственное, что можно сказать, по заявлениям представителей Toyota топливный элемент их серийного автомобиля Mirai способен бесперебойно вырабатывать энергию вплоть до 250 тысяч километров. После этого рубежа нужно наблюдать за эффективностью устройства. Если его работа заметно снизилась, топливная ячейка меняется на официальном сервисном центре. Правда, следует ожидать, что за эту процедуру компания возьмет приличную сумму.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

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

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

Toyota Mirai Honda Clarity

Сколько это стоит автомобиль на водородном двигателе?

Стоимость водородного автомобиля приличная. Причина тому – драгоценные металлы, которые входят в состав электродов топливных элементов (палладий или платина). Также современное авто оснащено бесчисленным множеством систем безопасности и стабилизации работы электроэлементов, что тоже требует материальных средств.

Хотя обслуживание такого автомобиля (до момента замены топливных ячеек) не намного дороже, чем обычного авто последних поколений. Есть страны, которые спонсируют производство водорода, но даже с учетом этого за килограмм газа придется заплатить в среднем 11 с половиной долларов. В зависимости от типа двигателя этого может хватить на расстояние около ста километров.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Если взять водородную установку с топливными элементами, то такой автомобиль будет идентичным электромобилем, какой мы привыкли видеть на дорогах. Разница лишь в том, что электрокар заряжается от сети или от терминала на заправочной станции. Водородный же транспорт сам вырабатывает для себя электричество.

Что касается стоимости таких авто, то они стоят дороже. Например, модели Tesla в базовой комплектации будут стоить от 45 тысяч долларов. Водородные аналоги из Японии можно приобрести за 57 тыс.у.е. Баварцы же свои авто на «зеленом» топливе реализуют по цене от 50 тысяч долл.

Если брать во внимание практичность, то проще заправить машину газом (на это уйдет около пяти минут), чем ждать полчаса (при быстрой зарядке, что не для всех типов батарей позволительно) на стоянке. В этом плюс водородных установок.

Еще один плюс – топливные ячейки особо не нуждаются в обслуживании, а их рабочий ресурс достаточно большой. Что же касается электромобилей, то их огромная батарея приблизительно через пять лет будет требовать замены из-за того, что в ней происходит много циклов зарядки-разрядки. На морозах батарея в электротранспорте разряжается намного быстрее, чем в летний период. А вот элемент на реакции окисления водорода не страдает от этого и стабильно вырабатывает электричество.

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

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

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

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

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

Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

Итак, подытожим. К плюсам двигателей на водородном топливе можно отнести такие факторы:

• Экологически чистый выброс;
• Бесшумная работа силового агрегата (электротяга);
• В случае использования топливного элемента не требуется частое обслуживание;
• Быстрая заправка;
• По сравнению с электромобилями силовая установка и источник энергии работают более стабильно даже на морозе.

Хотя разработку нельзя назвать новинкой, тем не менее, у нее до сих пор существует ряд недостатков, которые побуждают обычного автомобилиста смотреть на нее с опаской. Вот некоторые из них:

• Чтобы водород смог воспламениться, он должен быть в газообразном состоянии. Это создает определенные трудности. Например, для сжатия легких газов требуются специальные дорогие компрессоры. Также существует проблема с должным хранением и транспортировкой топлива, так как он легко воспламеняется;
• Баллон, который будут устанавливать на автомобиль, будет нуждаться в периодической проверке. Для этого автомобилисту нужно будет посещать специализированный центр, а это дополнительные затраты;
• В водородном автомобиле не используется огромная батарея, тем не менее, установка все равно прилично весит, что значительно сказывается на динамических характеристиках транспорта;
• Водород – воспламеняется при малейшей искре, поэтому ДТП с участием такого авто будет сопровождаться серьезным взрывом. Учитывая безответственное отношение некоторых водителей к собственной безопасности и жизням других участников движения, такой транспорт еще нельзя выпускать на дороги.

Если учесть заинтересованность человечества в чистоте окружающей среды, стоит ожидать, что в вопросе доработки «зеленого» транспорта совершится прорыв. Но когда такое случится, это покажет только время.

Источник https://trends.rbc.ru/trends/industry/6048e0629a794750974c67a7

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

Источник https://avtotachki.com/vodorodnyj-dvigatel-kak-rabotaet-i-nedostatki/