Принцип работы водородного двигателя: Водородные двигатели на авто

Водородные двигатели на авто

---

Называть ленивый переход автомобильных двигателей на альтернативные источники энергии, мягко говоря, некорректно. Но тенденция уже намечена. Сначала стандарт Евро1 в 90-х годах прошлого века, потом все плотнее сужающиеся рамки допустимых выбросов в атмосферу. По большому счету, только очень богатые автомобильные производители пока предлагают альтернативу бензину и солярке. А начиналось все совсем не так.

Содержание:

1. Первый автомобиль с водородным двигателем
2. Что такое водородный двигатель
3. Принцип работы двигателя с водородным генератором
4. ДВС на водороде?
5. Недостатки водородных моторов

Первый автомобиль с водородным двигателем

Поскольку речь пойдет сегодня о том, как использовать водородные двигатели на авто, о перспективах их появления на конвейерах автозаводов в принципе, то просто нельзя не вспомнить о том, что такой двигатель появился на 75 лет раньше бензинового силового агрегата.

Это было 1806 году, а само изобретение приписывают франко-швейцарскому изобретателю де Ривазу. Как известно, бензиновый двигатель был изобретен только к концу 19 века.

Водородный двигатель призван решить не только экономическую проблему постоянного подорожания нефтепродуктов. В конце концов, нефть когда-то закончится и в тот момент будет поздно думать о ее альтернативе. С другой стороны, ученые ищут замену обычному топливу для автомобильных двигателей в буквальном смысле, чтобы спасти цивилизацию. Атмосфера планеты уже перенасыщена оксидами азота, оксидами серы, углекислым газом. А с ростом количества частного автомобильного транспорта даже в развивающихся странах, ситуация с экологическими показателями атмосферы планеты близка к критической.

Что такое водородный двигатель

Сегодня явно очерчено два направления, в которых работают конструкторы водородомобилей.

1. Проводятся попытки научить работать на водороде обычный двигатель внутреннего сгорания.
2. Использование топливных элементов на водороде для получения электричества, как источника энергии.

Оба эти направления считаются перспективными и уже можно говорить о более-менее результативных экспериментах в этой области.

К примеру, автомобиль Toyota Mirai работает по принципу гибридного автомобиля. Единственный вид используемой энергии — электричество. Но при этом электродвигатель питается как от никель-металлгидридной батареи, так и от водородного топливного элемента, так называемого электрохимического генератора.

Принцип работы двигателя с водородным генератором

Принцип работы водородомобиля не слишком сложен. Вот схематическое изображение устройства и принципа действия водородного агрегата.

1.  Встречный воздух подается через решетки в передней панели и в бампере.
2. Воздух, а точнее, кислород, который находится в воздухе, подается водородный генератор.
3. Генератор вырабатывает электрическую энергию, которая подается в аккумулятор.
4.  Также часть энергии идет на работу электродвигателя.
5.  Электродвигатель через систему привода вращает ведущие колеса.
6. Вода, которая образована в результате химической реакции, сливается из автомобиля или автоматически, или по команде водителя.

Принцип работы водородного генератора также несложен. Он основан на химической реакции водорода и кислорода, в результате молекулярного взаимодействия которых вырабатывается электрическая энергия. Выше мы разместили наглядную схему, показывающую, как работает водородный топливный элемент.

ДВС на водороде?

Еще одно направление, по которому идут изобретатели и конструкторы — применение ДВС, который смог бы работать на смеси водорода и кислорода. Таких наработок существует больше. К примеру, Мазда, Форд, БМВ и МАН уже несколько лет совершенствуют конструкции водородомобилей. За основу они взяли не обычный поршневой двигатель внутреннего сгорания, а роторный. Это объясняется тем, что выпускной и впускной коллекторы расположены довольно близко друг к другу.

Выпускной коллектор может нагреваться до очень высоких температур, поэтому есть большая вероятность возгорания топлива вне камеры сгорания. Роторный двигатель лишен такой особенности, поэтому за основу взят именно он.

Однако и стандартный двигатель с кривошипно-шатунным механизмом также был использован в качестве эксперимента на автомобиле БМВ 7-й серии. Это был двигатель, который работал как на бензине, так и на водороде абсолютно независимо. 12-цилиндровый шестилитровый двигатель показывал мощность 260 сил, независимо от вида топлива. Расход водорода на сотню составлял около 50 литров. Водородный бак обеспечивал пробег в 200 км, после чего можно было переключить двигатель на бензин.

Недостатки водородных моторов

Проект провалился. Дело в том, что даже при минимальных переделках конструкции автомобиля, необходимо было устанавливать водородный бак, который занимал половину багажника. Кроме того, инфраструктура водородных заправок в мире насчитывает единицы точек, где можно заправить авто водородом. Добывать водород своими руками не имеет никакого смысла, масштабы не те, да и заправочное оборудование должно быть идеально герметичным.

Ученые прогнозируют более динамичное развитие инфраструктуры водородных заправок только к 2030 году, не ранее. Получать чистый водород можно только двумя путями — либо методом электролиза, либо выделять его из природного газа, поскольку в природе чистого водорода не существует.

Перспектива получать водород из воды выглядит заманчиво, но инвесторы не стоят в очереди на финансирование постройки оборудования, необходимого для получения летучего газа из обычной воды. Разработки продолжаются, нефть потихоньку заканчивается, поэтому человечеству стоит задуматься об альтернативных видах топлива несколько активнее, пока не поздно. А пока, удачных всем дорог на наших дизельных и бензиновых автомобилях.

Читайте также:

---

Из истории водородной энергетики — Энергетика и промышленность России — № 15-16 (107-108) август 2008 года — WWW.

EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 15-16 (107-108) август 2008 года

Очевидно, что каждая составляющая топливно-энергетического комплекса имеет свою историю. Иногда эта история – например, использования угля – длится веками, иногда – например, атома – всего лишь десятилетиями. Почему‑то принято считать, что водородная энергетика появилась совсем недавно. Происходит это, конечно же, в силу того, что она до сих пор не нашла широкого применения, хотя над проблемой освоения одного из основных элементов таблицы Менделеева тысячи ученых работают очень давно.

Проблеме использования водорода как топлива более 150 лет. Еще в 1820 году В. Сесил в докладе Кембриджскому философскому обществу предложил использовать водород для привода в движение машин, а первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода, был выдан в Англии в 1841 году.

Эффект обратной вспышки

В Германии, в Мюнхене, в 1852 году придворным часовщиком Христианом Тейтманом был построен двигатель, работавший (в течение нескольких лет) на смеси водорода с воздухом. В 1920‑х годах Г. Ф. Рикардо и А. Ф. Брустелл выполнили детальные исследования работы двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием на водородо-воздушных смесях. В этих работах, по‑видимому, впервые было обнаружено явление обратной вспышки, которым впоследствии занимались многие исследователи. В это же время началось и практическое использование водородных двигателей на дирижаблях фирмы «Цеппелин». Для них в качестве топлива использовался водород, наполнявший дирижабль.

В 1928 году был проведен испытательный перелет такого дирижабля через Средиземное море.

Особое место в истории водородных двигателей занимают работы Рудольфа Эррена, выполненные в 1920‑30‑х годах. Он впервые применил внутреннее смесеобразование в двигателях на водороде. Водород подавался в цилиндр через его стенку, что снижало опасность возникновения обратной вспышки.

При этом у двигателя сохранялась система подачи основного топлива, и он мог работать на любом из топлив, а также на жидком топливе с добавлением водорода. Р. Эррен перевел на водород несколько типов двигателей, в том числе и дизельный, установленный на автобусе «Лэйлэнд». Успешная пробная эксплуатация этого автобуса происходила в пригороде Лондона. Р. Эрреном был разработан и испытан первый водородо-кислородный ДВС. На такте впуска в цилиндр подавалась смесь кислорода с водяным паром, на такте сжатия – водород.

Образующийся при сгорании водяной пар частично возвращался на такте впуска в двигатель и частично конденсировался. Двигатель мог работать без наружного выхлопа, то есть был пригоден для использования в подводных лодках. В это же время в Германии использовались автодрезины, работающие на водороде. Последний производился на заправочных станциях электролизом воды под давлением.

Школа Семенова

В период с 1920‑х до начала 1940‑х годов весьма важные и обширные исследования реакции горения водорода в кислороде и воздухе в различных условиях были выполнены российскими учеными школы
Н. Н. Семенова, учеными Германии, Англии, США. Таким образом, к началу Второй мировой войны были заложены научные и технические основы использования водорода как топлива. Развитие экспериментальных работ по созданию водородных двигателей было прервано войной. Однако первый успешный опыт массового использования водорода как топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания был осуществлен во время Второй мировой войны в России.

В блокадном Ленинграде в 1941 году инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем многие автомобильные двигатели ГАЗ-АА, вращающие лебедки аэростатов заграждения, были переведены на питание водородо-воздушной смесью из аэростатов, потерявших плавучесть.

Содержание воздуха в них достигало 15‑20 процентов, и обратная вспышка могла привести к взрыву аэростата. Для предотвращения этого
Б. И. Шелищ применил водяной затвор, установленный перед двигателем, и ряд других мер защиты с использованием доступных средств. С 1942 года водород из потерявших плавучесть аэростатов стал использоваться и Московской службой ПВО.

В годы войны более 400 автомобильных двигателей для привода лебедок аэростатов заграждения в России работали на водороде.

После нефтяного кризиса

После Второй мировой войны фундаментальные исследования процессов и разработки автомобильных двигателей на водородном топливе проводились во многих странах, в том числе в СССР (в НИИ энергетики Казахстана, Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО АН СССР и некоторых других организациях), но активность исследований в этом направлении существенно снизилась.

Дешевая нефть и не осознанные еще экологические последствия бурного развития автотранспорта на углеводородных топливах не оставляли места для развития водородных технологий в этой отрасли.

Осознание необходимости их развития пришло в начале 1970‑х годов, одновременно с первым нефтяным кризисом и резким обострением экологической ситуации в крупных городах. К этому времени относится начало активной фазы НИОКР по созданию водородных транспортных средств и инфраструктуры их топливообеспечения.

К началу 1980‑х годов в США, Японии, Германии, СССР, Канаде и ряде других стран были созданы экспериментальные водородные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на водороде, бензоводородных смесях, смесях водорода с природным газом и с различными системами хранения водорода на борту автомобиля: в виде гидридов интерметаллических соединений, в жидком и газообразном сжатом состоянии.

В начале 1970‑х годов в Австрии К. Кордеш создал первый экспериментальный водородный электромобиль с водородо-кислородным щелочным топливным элементом (ТЭ) мощностью 6 кВт. Основной задачей работ в этом направлении в последующие годы стало создание эффективной и дешевой двигательной установки на основе водородо-воздушного топливного элемента.

Активные исследования и разработки в области водородной энергетики и технологии начались в нашей стране в середине 1970‑х годов. Они проводились по многим направлениям крупными научными коллективами под руководством
В. А. Легасова, Н. Д. Кузнецова, A. M. Фрумкина, Р. Е. Лозино-Лозинского, А. А. Туполева,
В. П. Глушко, В. П. Бармина,
А. Н. Барабошкина, В. П. Белякова, А. Н. Подгорного и других выдающихся ученых и крупных организаторов науки.

Разрабатывались новые технологические процессы крупномасштабного производства водорода и водородсодержащих газов из природных топлив, воды и нетрадиционного сырья, методы и средства его хранения, транспортировки и распределения, технологии использования водорода и искусственных топлив на его основе в энергетике (в т. ч. автономной), автотранспорте, авиации, ракетной технике, металлургии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Была обеспечена координация фундаментальных и прикладных исследований по линии Академии наук и ГКНТ. Начиная с середины 1970‑х годов систематические исследования проблем использования водородного топлива для автотранспорта выполняли Институт проблем машиностроения АН Украины (Харьков), Научный автомобильный и автомоторный институт (НАМИ, Москва), НПО «Квант» (Москва), Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва), институты Сибирского отделения Академии наук и ряд других организаций.

Главными задачами этих исследований и разработок являлись снижение токсичности выбросов и повышение эффективности использования первичных энергоресурсов. Поскольку в крупных городах число автомобилей весьма велико и существует развитая инфраструктура их топливообеспечения, рациональным путем внедрения водородного топлива в автотранспорт было признано создание на базе существующих моделей автомобилей с ДВС, способных работать как на водороде, так и на бензоводородных смесях различного состава. Одновременно с этим разрабатывались двигательные установки для перспективных автомобилей с нулевым выбросом на базе водородо-воздушных топливных элементов и элементы инфраструктуры.

«РАФы» на бензоводородных смесях

В результате обширных экспериментальных исследований специалистами ИПМаша АН УССР и НАМИ были детально изучены рабочие процессы в двигателях на водороде и бензоводородных смесях как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием. Было показано, что главным фактором, вызывающим обратную вспышку, является контакт водородо-воздушной смеси с горячими остаточными газами в момент впуска, и разработаны пути подавления обратных вспышек.

Созданы были универсальные системы питания автомобильных двигателей, обеспечивающие их устойчивую работу на водороде, бензоводородных смесях и бензине, и эффективные системы хранения водорода на борту на основе комбинации высокотемпературных и низкотемпературных металлогидридов.

К началу 1980‑х годов в СССР различными организациями были созданы и испытаны опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы РАФ и УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.

Опытная эксплуатация бензоводородных автомобилей «Волга», осуществлявшаяся в Харькове с 1980 года, показала перспективность перевода части городского автотранспорта на бензоводородные смеси с содержанием водорода около 5 процентов по весу. При этом резко снижается токсичность выбросов, эксплуатационный расход бензина уменьшается на 35‑40 процентов, а эксплуатационная экономичность повышается на 20‑25 процентов. В 1986 году Минавтопромом СССР было принято решение о выпуске и последующей эксплуатации в городах СССР опытной партии городских микроавтобусов РАФ (200 штук), работающих на бензоводородных смесях. Однако это решение из‑за начавшихся политических процессов не было выполнено.

Автомобили с топливными элементами

В 1970‑80‑е годы в НПО «Квант» был выполнен цикл работ по применению топливных элементов для городских электробусов на водородном топливе. Была решена задача создания щелочных ТЭ, работающих на водороде и воздухе. Найдено эффективное и изящное решение сложной проблемы создания активного воздушного электрода. Для этого был использован разработанный «Квантом» гидрофобизированный электрод с газозапорным слоем, активность которого в процессе работы поддерживается за счет избытка воздуха (с коэффициентом Кn ~ 2,5‑3). Одновременно был решен комплекс электротехнических проблем, связанных с созданием системы электродвижения.

В 1982 году НПО «Квант» и заводом РАФ был создан первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного ТЭ мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи (5 кВт/ч), который был представлен на Москов-ской международной выставке «Электро-82» и прошел экспериментальную эксплуатацию. На основе полученного опыта специалисты НПО «Квант» совместно с венгерскими партнерами разработали технический проект городского автобуса с энергоустановкой на основе водородо-воздушных щелочных топливных элементов.

Однако этот проект, по тем же причинам, что и выпуск малой серии бензоводородных микроавтобусов, не был реализован.

Системы хранения водорода на борту

Создание систем хранения водорода на борту транспортных средств имеет ключевое значение для развития водородных технологий на транспорте. В 1980‑х годах в нашей стране были разработаны опытные образцы таких систем (металлогидридных, газобаллонных, криогенных). Для автомобилей, работающих на бензоводородных смесях, приемлема разработанная в ИПМаше комбинированная система аккумулирования водорода с использованием низкотемпературных и высокотемпературных гидридов интерметаллических сплавов на основе FeTiVa (70‑75 процентов) и Mg2Ni (25‑30 процентов). Такая система обеспечивает минимальные весовые характеристики аккумулятора водорода и полную десорбцию водорода за счет утилизации тепловых потерь двигателя с охлаждающей водой и выхлопными газами. Изготовленные и испытанные ИПМашем несколько опытных металлогидридных аккумуляторов для различных автомобилей («Волга» ГАЗ-24, «Жигули» ВАЗ-2101, автопогрузчик, микроавтобус РАФ) прошли опытную эксплуатацию в составе транспортных средств и показали вполне приемлемые технические характеристики и соответствие нормам безопасности при запасе хода бензоводородных автомобилей до 300 километров.

Металлогидридные системы хранения водорода вполне приемлемы для бензо-водородных автомобилей, автопогрузчиков, тракторов, подводных лодок, но по весовым характеристикам не подходят для транспорта, работающего на чистом водороде. Для таких автомобилей наиболее эффективны легкие композитные супербаллоны с весовым содержанием водорода примерно 8‑10 процентов при давлениях 300‑500 атмосфер. Такие баллоны были разработаны в России для авиационной техники и вполне могут быть использованы в автотранспорте.

Исследовались также и возможности создания криогенных систем хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Экспериментальный автомобиль РАФ с криогенной системой хранения водорода испытан на полигоне НАМИ. По результатам этих работ в НПО «Криогенмаш» был разработан экспериментальный криогенный бак для хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Однако дальнейшего развития после 1985 года эти работы не получили.

Еще не все потеряно

Несмотря на значительное снижение научно-технического потенциала страны в области новых водородных технологий в 1990‑е годы, наиболее дальновидным руководителям и коллективам исследователей в тяжелейших условиях крайне скудного финансирования удалось сохранить и продолжить работы по ряду перспективных направлений. Сохранилась эта тематика, хотя и при минимальном финансировании, в федеральных целевых программах Минпромнауки и программах НИОКР Минатома и Росавиакосмоса. Главными задачами сегодняшних отечественных разработок в области водородной энергетики и технологии являются создание компактных и дешевых топливных элементов (сегодня их стоимость превышает 10 тысяч долларов США за кВт) с ресурсом более 10 тысяч часов, надежных и дешевых систем хранения водорода на борту автомобиля, обеспечивающих запас хода 400‑500 километров, бортовых конверторов углеводородных топлив, усовершенствованных элементов инфраструктуры, новых и усовершенствованных технологий производства водорода и его использования в энергетике (в том числе автономной и основанной на возобновляемых энергоресурсах), авиационно-космической технике и других отраслях народного хозяйства, систем обеспечения безопасности.

В этих направлениях в последние годы получен ряд важных результатов. Созданы опытные образцы ТЭ с твердополимерным электролитом на базе отечественных мембран мощностью до 10 кВт, разрабатываются такие ТЭ мощностью до 200 кВт для автотранспорта, организовано опытное производство отечественных мембран на основе твердополимерного электролита, созданы компактные электролизеры с твердым полимерным электролитом на повышенные давления с энергопотреблением 3,9‑4,2
кВт/ч/нм3 h3 производительностью до 10 нм3/ч, компактные микроволновые конверторы природных топлив в синтез-газ производительностью до 20 нм3/ч, новая технология модификации полимерных мембран для выделения водорода из газовых смесей, обеспечивающая увеличение их селективности на несколько порядков, эффективные каталитические дожигатели водорода производительностью до 100 нм3/ч по водородсодержащему газу (РНЦ «Курчатовский институт» в кооперации с НПО «Пластполимер», ГУП «Компания МЭТИС» и др. ), созданы и испытаны экспериментальные и опытно-промышленные устройства для использования водородных технологий в автономной и стационарной энергетике – водородо-кислородные парогенераторы мощностью до 25 МВт (ИВТАН, Центр Келдыша), энергоустановка на базе водородо-воздушного щелочного ТЭ мощностью около 6 кВт (ФГУП «НПП «Квант»», Independent Power Technology), разработаны новые интерметаллические соединения с емкостью по водороду до 2 процентов (весовых) и выше и организовано их опытное производство (Московский завод полиметаллов «Полимс», МГУ, ИХФ РАН и др.), новые типы блочных катализаторов на теплопроводных носителях для бортовых конвертеров углеводородных топлив и стационарных компактных конверторов (Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН), выполнены разработки усовершенствованного криогенного оборудования, обеспечивающего снижение энергозатрат при производстве жидкого водорода и потерь при его транспортировке, распределении и хранении (ОАО «Криогенмаш» и кооперация), усовершенствованных ДВС для работы на водороде и водородсодержащих топливах (НАМИ). В последнее время к разработкам отечественного водородного автомобиля подключились «АвтоВАЗ» и РКК «Энергия».

Этот далеко не полный перечень результатов последних лет показывает, что российская наука и техника даже в ее сегодняшнем состоянии пока еще способна решать сложные задачи создания новых водородных технологий для автотранспорта, авиации, ракетной техники, энергетики и других отраслей народного хозяйства.

В заключение следует отметить, что история водородной энергетики пишется и сейчас. Как положительный момент стоит отметить факт, что к освоению водорода подключились в последнее время и предприниматели. Согласитесь, без поддержки финансово‑промышленных структур о каком бы то ни было внедрении инноваций говорить бессмысленно. Так, например, особое внимание к проблемам водорода уделяла компания «Норильский никель». И даже если ее интерес лежал в строго коммерческой области, даже если деятельность компании в этом направлении вызывала скепсис многих ученых и не очень ученых мужей – факт сам по себе отрадный. Потому что для всех очевидно: водород как энергоноситель рано или поздно пробьет себе дорогу в будущее.

Tesla в авиации: как физик из России разрабатывает зеленые двигатели для самолетов на деньги Безоса и Гейтса

На экране монитора — огромный цех, в котором стоят несколько разобранных самолетов, а вокруг них всевозможные провода и инструменты. Можно подумать, что это павильон для съемок документального фильма о пилоте или авиаконструкторе. На самом деле это цех компании ZeroAvia, которая производит водородные двигатели для пассажирских самолетов. По видеосвязи ее основатель Валерий Мифтахов описывает в интервью Forbes строение тестового самолета: «Это наши радиаторы, внизу электроника, тут водородные топливные элементы…»

О строении самолетов Мифтахов знает не понаслышке: в 2006 году он получил первую летную лицензию для полетов на вертолете, а в 2009 году — лицензию на пилотирование самолета. Свою компанию в этой сфере он запустил только в 2017-м, но с тех пор уже успел провести первый в мире полет пассажирского самолета на водородном двигателе, а его компания ZeroAvia попала в список лучших изобретений 2020 года по версии журнала Time и привлекла $45,7 млн инвестиций, в том числе от фонда Breakthrough Energy Ventures Билла Гейтса и Amazon Climate Pledge Fund Джеффа Безоса. Forbes разбирался, сможет ли амбициозный стартап «добежать» от тестовых полетов до реальных и готовы ли авиакомпании покупать самолеты на водородных двигателях.

«Жигули» на водороде: как российский автопром может завоевать мир

Реклама на Forbes

Доктор Вэл

46-летний Валерий Мифтахов, или Вэл, как называет себя он сам и его знакомые, родился в Белоруссии. Его отец, Сагитян Мифтахов, был механиком, работал над созданием нефтеперерабатывающего оборудования. Семья часто переезжала с места на место, пока не осела в городке Туймазы под Уфой, где Мифтахов-старший устроился главным энергетиком на завод «Химмаш». Там Валерий вырос, окончил школу, а затем поступил на физика-ядерщика в Московский физико-технический институт (МФТИ).

Работы для физиков в России было мало, поэтому, окончив вуз в 1997 году, Мифтахов вместе с женой и двухлетним сыном уехал в Америку — поступать на PhD-программу по физике высоких энергий. Из нескольких университетов, готовых принять Мифтахова, он выбрал Принстонский. Самым сложным поначалу был язык, признается он: «В школе я учил немецкий, а на физтехе — технический английский. С разговорным были сложности: первые полгода я нормально заказать еду в ресторане не мог». Семья физика в то время жила на его стипендию.

Валерий Мифтахов·ZeroAvia

В конце первого года обучения университет стал направлять своих студентов на местную практику в лаборатории других вузов. Мифтахов выбрал Стэнфорд, благодаря чему оказался в Кремниевой долине. В 1998 году во время бума доткомов он вместе с приятелями из Стэнфорда запустил компанию-разработчика сайтов iNetProm. «Дело приносило немного денег, но достаточно, чтобы нам с приятелями хватало на жизнь», — рассказывает он. Вскоре iNetProm слилась с одним из своих клиентов — компанией BioZakInfobase, которая проводила маркетинговые исследования для биотехнологических компаний. Новый проект стал собирать, систематизировать и продавать базы данных компаний из разных сфер. Мифтахов уверяет, что клиентами BioZakInfobase были даже IBM и Hewlett-Packard. По его словам, бизнес выручал около $2 млн в год.

В 2003 году Мифтахов получил докторскую степень, а в 2004-м решил набраться опыта работы в большой компании. BioZakInfobase оставил партнерам (вскоре, по его словам, компания закрылась) и устроился ассоциатом (от англ. associate. — Forbes) в американский офис McKinsey. За шесть лет работы в компании он дорос до младшего партнера, а затем устроился в Google главой команд, которая, по сути, создавала стартапы внутри IT-гиганта. Но, несмотря на возможности и хорошую зарплату (до $500 000 в год), удовлетворения работа не приносила — хотелось делать что-то свое, признается физик.

Tesla в небе: разработчик сверхзвукового пассажирского самолета Boom Technology стал «единорогом»

Первая Tesla

В 2008 году Tesla начала производить свою первую модель автомобиля, в 2010-м вышла на IPO, а в 2012 году занялась созданием второго автомобиля. Мифтахов так вдохновился развитием Tesla, что тоже решил освоить нишу электромобилей. Он придумал под заказ переоборудовать обычные машины, работающие на бензине, в электромобили.

Еще работая в Google, Мифтахов ради интереса оборудовал с приятелями в гараже свой автомобиль Fiat литий-ионной батареей, заказанной из Китая. В 2013 году, когда все получилось, он ушел из Google и открыл свою компанию ElectricMotorWerks (EMW), которая стала переоборудовать автомобили BMW 3-й серии (очень популярные в США в конце 2000-х). Идея быстро показала свою несостоятельность, спроса на услугу стоимостью $50 000 почти не было, говорит Мифтахов: «В Америке те, у кого есть деньги, любят покупать новые машины. А те, у кого денег нет, покупают машины на вторичном рынке за $5000–7000».

Вдобавок в том же 2013 году BMW обвинила созвучный со своим брендом EMW Мифтахова в нарушении прав на товарный знак и использовании логотипов BMW на баннерах, сайте и в рекламных слоганах. Суд рекомендовал удалить сокращенное наименование EMW и прекратить использовать товарный знак BMW в своих материалах. В качестве сокращенного названия компании Мифтахов с тех пор стал использовать eMotorWerks.

Вместе с услугой переоборудования компания разрабатывала и продавала зарядные устройства для электромобилей. В 2014 году Мифтахов решил сосредоточиться на этом направлении. Он запустил краудфандинговую кампанию на платформе Kickstarter, собрал на предзаказах зарядных станций около $70 000 и вложил их в разработку приложения, с помощью которого можно было наблюдать, как заряжается машина. За счет приложения зарядные станции стали пользоваться большим спросом, уверяет Мифтахов. По его словам, годовой оборот eMotorWerks спустя несколько лет превышал $10 млн. «Я тогда купил себе первую Tesla», — вспоминает он.

В 2016-2017 годах на рынке зарядных устройств для электромобилей началась консолидация: крупные компании скупали стартапы, укрупняя таким образом свою долю. В 2017 году предприниматель начал привлекать раунд на $10 млн, но в итоге продал eMotorWerks одному из потенциальных инвесторов — международной энергетической компании Enel. Сумму продажи он не раскрывает. По данным TechCrunch, она составила $150 млн.

После продажи компании вместе с патентами на зарядную станцию на Мифтахова подал в суд вице-президент по развитию бизнеса eMotorWerks Джордж Бетак. Он как истец утверждал, что внес вклад в разработку зарядных станций, но не был указан в патентах в качестве изобретателя. В 2019 году Бетак отозвал почти все претензии, рассказывает Мифтахов, а в 2020 году стороны урегулировали конфликт. По мнению Мифтахова, Бетак претендовал на то, чтобы его указали в патенте, чтобы получить больший процент от суммы продажи eMotorWerks. Сам Бетак на запрос Forbes в Facebook не ответил.

Бизнес-класс или платье: как в России устроен рынок перепродажи миль авиакомпаний

Летать стыдно

Спустя несколько недель после продажи eMotorWerks в 2017 году Мифтахов зарегистрировал в штате Делавэр компанию ZeroAvia. Идея делать водородные двигатели для самолетов начала зарождаться задолго до продажи: в 2006-м, после того как Мифтахов побывал на вертолетной экскурсии на Гавайях, он получил летную лицензию на пилотирование вертолета, а в 2009 году — лицензию на пилотирование самолета. «В последние годы работы над eMotorWerks я много думал, как совместить мой летный опыт с работой в сфере зеленого транспорта, — вспоминает он. — Хотелось каким-то образом сделать в авиации то же, что происходило на рынке электромобилей. То есть стать Tesla в авиации». На мысли о зеленых авиаперелетах предпринимателя натолкнуло и швейцарское общественное движение Flight shame («Летать стыдно»), которое призывает отказаться от авиаперелетов с целью сократить выбросы углекислого газа.

Мифтахов проанализировал потенциальные технические возможности литий-ионных аккумуляторов, которые используют в электромобилях, и водородных топливных элементов. Решил остановиться на вторых. Батарея, по его словам, в среднем рассчитана на 2000 зарядных циклов. Если самолет будет выполнять по восемь полетов в день, ее придется менять каждые 250 дней. «К тому же батареи очень тяжелые, — объясняет Мифтахов. — Когда ты летишь на обычном самолете, горючее сжигается, и он становится легче — это позволяет сократить расход энергии. Самолету с батареей нужно весь полет нести один и тот же большой вес с собой — энергии для этого нужно намного больше».

История водородной авиации берет свое начало в ХХ веке. Первым экспериментальным самолетом с водородным двигателем, который поднялся в воздух, в 1988 году стал советский Ту-155. Затем в 2008 году компания Boeing объявила, что впервые в истории авиации совершила полет на пилотируемом самолете, работающем на водородных топливных элементах (для этого она оснастила свой двухместный самолет Diamond DA20 водородным двигателем Ford). В 2010 году та же Boeing представила беспилотный летательный аппарат Phantom Eye с водородным двигателем. С тех пор появилось еще несколько беспилотников на водороде, а также большое количество автомобилей с водородными и гибридными двигателями, но ни одного пассажирского самолета.

Реклама на Forbes

Мифтахов объясняет это тем, что ранние прототипы водородных самолетов использовали водород именно как топливо для двигателей внутреннего сгорания. «Минусами такого варианта были высокая температура, высокое давление, — перечисляет Мифтахов. — Относительно недавно в транспорте начали использовать водородные топливные элементы (первый автомобиль с таким элементом выпустила Toyota в 2013 году. — Forbes): у них более высокая эффективность, меньшая нагрузка на материалы. Это дало технологический boost (импульс. — Forbes) отрасли». Первый в мире самолет (не пассажирский) с электродвигателем и системой водородных топливных элементов HY4 создали специалисты Германского центра авиации и космонавтики на базе электрического самолета Pipistrel Taurus Electro G4 — его испытали в 2016 году.

Принцип работы двигателя на водородном топливном элементе похож на работу литий-ионной батареи, однако первый имеет в десять раз больше емкости. Несмотря на то, что водородный двигатель при работе не выбрасывает в атмосферу углекислый газ, это не полностью зеленый вариант: более 95% водорода в настоящее время производится из ископаемого топлива.

Взлет и падение «Гинденбурга»: как был устроен самый большой дирижабль в мире

Электроптица

Первым делом Мифтахов собрал команду из пяти инженеров и снял индустриальный офис на 200–300 кв. м неподалеку от аэропорта в Сан-Карлосе (Калифорния). Команда разобрала пару электромобилей, чтобы изучить их устройство, после чего начала собирать наземную тестовую установку, работающую на литий-ионном аккумуляторе. Сразу собирать водородный прототип не стали, потому что с электродвигателем и батареями было проще протестировать систему управления двигателем, воздушный винт и бортовой компьютер.

К лету 2018 года команда Мифтахова разработала минимально жизнеспособную версию бортового компьютера и установила на автомобиль «Эль Камино» 1969 года выпуска гребной винт, электродвигатель и аккумуляторы. Тогда же ZeroAvia начала проводить тестовые проезды. «Это все было достаточно шумно и выглядело достаточно страшно, — признается Мифтахов. — Из-за этого нас даже попросили съехать из нашего первого цеха». Тогда компания перебралась в другой цех неподалеку от аэропорта «Холлистер» в 50 милях к юго-западу от Сан-Хосе (Калифорния).

Реклама на Forbes

В октябре 2018-го года ZeroAvia провела первый публичный тест модифицированной «Эль Камино» в «Холлистере». Компания разогнала автомобиль до 85 миль (примерно 137 км) в час. Выяснилось, что батарея «не держит напряжение», а скорость вращения винта колеблется. Эти и другие недочеты компания дорабатывала до конца 2018 года.

Поначалу Мифтахов финансировал все разработки только из собственных средств. В начале 2018 года он закрыл первый раунд на $2,5 млн: половину из них он инвестировал сам, вторую вложил один из топ-менеджеров ZeroAvia Сергей Киселев, экс-коллеги Мифтахова из Google и еще несколько его друзей. На эти средства предприниматель приобрел два шестиместных самолета Piper, каждый из которых стоил $1 млн. Первый служил ориентиром: на нем команда изучала пилотные характеристики и работу системы и с его помощью могла посмотреть, как все было устроено в исходном варианте. Второй самолет был «рабочей лошадкой»: на него ZeroAvia перенесла электродвигатель, аккумуляторы, систему охлаждения и бортовую систему с «Эль Камино».

К февралю 2019 года компания получила разрешение Федерального управления гражданской авиации США на первый полет. Сложностей с получением этого разрешения не было, говорит Мифтахов: «Они приезжали к нам, смотрели документы, дизайн. Потом сказали: «Ну, давайте, можно летать». Нам выделили квадрат 80 на 100 км вокруг аэропорта [Холлистер]». В марте 2019 года переоборудованный Piper на электрической тяге поднялся над землей на 500 м и сел обратно на полосу (по словам Мифтахова, команда должна была убедиться, что самолет способен оторваться от земли).

К апрелю самолет провел до 15-ти полетов. После них ZeroAvia привлекла еще около $5 млн в виде конвертируемых займов от частных лиц, имена которых Мифтахов не называет. Эти деньги позволили начать разработку конструкции и системы самолета (прототипом был тот же Piper) уже с водородным двигателем внутри.

Коробка без рака: как стартап ученого из Москвы получил гранты от Microsoft и Amazon на диагностику онкологии

Реклама на Forbes

Деньги от королевы

Собрать конструкцию с водородным двигателем удалось не так быстро, как в случае с аккумулятором. Решая технические задачи, компания проводила эксперименты, в результате которых так сильно повредила крылья Piper, что Федеральное управления гражданской авиации запретило полеты на этом самолете, рассказывает Мифтахов.

На эксперименты и новый самолет ZeroAvia ушла часть инвестиций. Поэтому летом Мифтахов озаботился привлечением государственной помощи. По его словам, это стандартный источник инвестиций для авиации и передовых технологий. Через знакомых инвесторов Мифтахов узнал о британской грантовой программе Института аэрокосмических технологий, который поддерживает правительство. Институт раздает проектам в сфере авиационных исследований гранты на суммы, равные тем, что основатели смогли найти сами. В сентябре 2019 года ZeroAvia получила от института около $3,5 млн. На них компания заказала водородные топливные элементы и другие устройства, необходимые для запуска прототипа. Одним из условий получения гранта было ведение разработок в Великобритании. Для этого ZeroAvia перенесла цех из США в Великобританию.

HyFlyer II·ZeroAvia

Прототип разрабатывали вплоть до лета 2020 года. По словам Мифтахова, было трудно «научить» водородные элементы быстро реагировать на изменение нагрузки — например, когда пилот нажимает на газ. Попотеть пришлось и над охладительной системой: ее в итоге собрали из трубы и насоса, которые отводят тепло, выделяемое топливными элементами, в радиаторы на носу самолета. Эти радиаторы продуваются набегающим на самолет воздухом, за счет чего охлаждаются. Параллельно с работой над конструкцией компания получала разрешение на тестовые полеты в Англии.

В сентябре ZeroAvia провела первый показательный полет самолета Piper с двигателем на водородном топливном элементе. Он прошел в научно-исследовательском центре в британском Крэнфилде. Всего самолет летал около 10 минут. После этого в сентябре, по данным ZeroAvia, прошло до 12-ти тестовых полетов.

Реклама на Forbes

Мест для пассажиров нет

Во время первого показательного полета в самолете работал не только двигатель на водородном топливном элементе, но и электрические аккумуляторы, обратило внимание издание TechCrunch. «В значительной степени полагаясь на аккумуляторы, ZeroAvia смогла осуществить свой громкий демонстрационный полет для инвесторов и правительства Великобритании, но в конечном итоге может отложить первые коммерческие полеты», — писало издание.

Мифтахов утверждает, что при пиковой нагрузке (на этапе взлета) от аккумуляторов поступало около половины энергии, остальное — от водородных элементов. Комбинирование источников энергии — это нормальная практика на этапе тестовых полетов, уверен инженер: «У полета есть несколько стадий: разгон, взлет, набор высоты, круизный режим и посадка. Наибольшая энергия необходима на этапе взлета, и мы действительно тут использовали энергию от батареи. Но вот в круизном режиме почти всю энергию обеспечивали водородные элементы».

По его словам, конструкция сентября 2020 года не подразумевала достаточное количество водорода на борту, чтобы и взлетать, и лететь в круизном режиме дальше только на нем. К тому же с двумя независимыми источниками энергии было легче получить разрешение на полеты в Великобритании, говорит он: «Если у тебя что-то происходит с водородными элементами, ты можешь переключиться на батарею и довести самолет до посадочной полосы».

Батарея для водородных самолетов — один из методов подстраховки на случай отказа топливных элементов, вторит Мифтахову исполнительный директор агентства «АвиаПорт» Олег Пантелеев. По его словам, наличие небольшого аккумулятора на борту водородного самолета абсолютно уместно. При этом для водородных самолетов нужно сформировать сертификационные требования, считает Пантелеев. Эксперт не исключает, что выполнить их будет проще всего с помощью «не очень большой» батареи.

Также, по данным TechCrunch, во время теста четыре из пяти пассажирских мест в шестиместном Piper занимали резервуары с водородом, которые компания прежде хотела разместить над или под крыльями. «Это был тестовый проект, поэтому нам было не важно, где расположить резервуары — в теле самолета или внутри салона, — парирует Мифтахов. — Первый коммерческий самолет мы планируем делать 20-местным. Он больше по размеру — там все резервуары поместятся снаружи под крыльями».

Реклама на Forbes

По мнению Олега Пантелеева из «АвиаПорт», поместить резервуары с водородом под крыльями 20-местного самолета — реалистичная задача. Но такая конструкция возможна только для небольших самолетов, летающих с небольшой скоростью на умеренные расстояния, считает он: «Если речь идет о большом пассажирском самолете, который летает с огромной скоростью, тут нужна великолепная аэродинамика. Нельзя просто прикрутить баки к существующей конструкции — нужно проектировать самолет и выбирать аэродинамическую компоновку, изначально учитывая фактор размещения водорода».

Провести первый полет 20-местного самолета только на водороде ZeroAvia рассчитывает уже в конце 2021 года. Мифтахов планирует отказаться от аккумуляторов в ближайшие несколько месяцев. Теоретически если половина необходимой для взлета энергии и так поступает от топливного элемента, «никто не помешает [ZeroAvia] поставить второй такой же и получить 100% энергии, необходимой для взлета», считает Пантелеев.

Ценник в тумане: как будет формироваться цена авиабилетов после COVID-19

Вопрос долгих лет

С декабря 2020 года Мифтахов привлек два раунда инвестиций — суммарно на $45,7 млн. В первом из них приняли участие основанный Биллом Гейтсом Breakthrough Energy Ventures и Amazon Climate Pledge Fund, финансируемый Джеффом Безосом, а также Ecosystem Integrity Fund, Summa Equity, Horizons Ventures и Shell Ventures. Суммарно они вложили в водородный стартап $21,4 млн. Еще $16,3 млн ZeroAvia получила в виде гранта от британского Института аэрокосмических технологий. Второй раунд на $24,3 млн Мифтахов привлек от тех же инвесторов и авиакомпании British Airways в апреле 2021 года. По итогам раундов у основателя осталось более 25% компании (точную долю он не называет).

Рынок водородной авиации становится конкурентнее в последнее время: в 2020 году на него вышла компания Universal Hydrogen украинца Павла Еременко. В апреле 2021 года проект привлек $20,5 млн от фондов Playground Global, Airbus Ventures, Toyota AI Ventures и др. В сентябре 2020 года авиастроительная компания Airbus представила три дизайна коммерческих пассажирских самолетов с водородным двигателем, которые пообещала выпустить к 2035 году.

Реклама на Forbes

Мифтахов считает выход на рынок Airbus не препятствием, а возможностью для ZeroAvia: «Обычно те, кто конструирует самолеты, не делают двигатели для них, и наоборот. Поэтому я рассчитываю стать поставщиком водородных двигателей для Airbus». Алексей Иваненко, сооснователь стартапа HyPoint, который производит водородные топливные элементы для воздушного транспорта (в том числе для 20-местного самолета ZeroAvia), утверждает, что компания Мифтахова продвинулась в разработке коммерческого образца водородного самолета дальше остальных. В Universal Hydrogen и Airbus на запросы Forbes не ответили.

За счет новых инвестиций ZeroAvia начала разрабатывать водородную систему для 50-местного самолета параллельно с работой над 20-местным. К 2024 году компания намерена создать водородную систему для 20-местного коммерческого судна. Прежде компания планировала коммерческий запуск на 2023 год, но его отложили из-за пандемии. В 2026 году Мифтахов рассчитывает выпустить систему для 50-местного или даже 90-местного самолета.

Иваненко из HyPoint считает планы ZeroAvia реалистичными. Пантелеев, однако, замечает, что отложить коммерческий запуск ZeroAvia может сертификация самолета. Этот риск, а соответственно и сроки коммерческого запуска сложно оценить, говорит он: «Когда у вас есть четко описанные требования для самолетов, вы просто-напросто берете и выполняете их. Когда таковых требований и методов оценки соответствия нет, нужно их писать и доказывать их состоятельность. При каждой ошибке ZeroAvia требования и ограничения могут разрастаться». Мифтахов с этим не согласен. При этом, по его расчетам, на сертификацию 20-местного самолета ZeroAvia потребуется еще $50 млн, 70-местного — $100 млн. Он намерен привлечь их у частных и государственных инвесторов.

На инвестиционной игле: как стартапы подсаживаются на венчурные деньги и почему это плохо

После запуска Мифтахов планирует продавать водородные двигатели и топливо производителям самолетов и авиакомпаниям. Иваненко из HyPoint считает, что авиакомпании уже готовы приобретать водородные двигатели для самолетов. Их интересуют как вложения в зеленые технологии, так и экономия за счет них, говорит он: «Водородные двигатели в обслуживании дешевле, к тому же цена на водород только падает». Авиакомпании готовы рисковать ради экономии, соглашается Пантелеев. По его словам, самая большая статья расходов в самолете с двигателем внутреннего сгорания — техническое обслуживание и ремонт двигателя. А водородная система технически проще системы с двигателем внутреннего сгорания, соответственно, расходы на ее эксплуатацию ниже, уверен он.

Реклама на Forbes

Но даже при появлении сертифицированных водородных двигателей останутся нерешенными вопросы инфраструктуры аэропортов — хранение, заправка и безопасность водорода, предупреждает заместитель гендиректора по экономике и финансам авиакомпании Red Wings Мартинс Антонович: «Самолеты с водородными двигателями авиакомпании смогут эксплуатировать только тогда, когда будет полноценная инфраструктура». Мифтахов рассчитывает, что инфраструктура будет развиваться параллельно с запуском самолетов. И все-таки, по мнению Антоновича, на это потребуется время. «Это вопрос точно не ближайших лет», — резюмирует он.

Миллиардеры против углеродного следа: как Безос, Арно и Маск спасают экологию

9 фото

Машина на водороде на украинских дорогах. Тест-драйв Liga.net — новости Украины, Авто

В сентябре 2021 года в Украине зарегистрировали первые водородные автомобили. Две подержанные машины Toyota Mirai, завезенные из США, каждая за $15 000 приобрели представители ассоциации «Украинского водородного совета» Александр Репкин и Александр Дьяченко. Но есть одно «но» – в Украине нет водородных заправок. Ближайшие в Германии. Другим способом их заправить невозможно.

Новые владельцы Toyota Mirai поясняют покупку авто желанием привлечь внимание инвесторов, которых бы заинтересовало развитие сети водородных заправок в Украине.

А пока, Репкин и Дьяченко демонстрируют седаны желающим, на днях – журналистам. Корреспондент LIGA.net рассмотрел машины в деталях и рассказывает обо всех их особенностях.

Машина-будущее

Toyota Mirai один из самых известных водородных автомобилей в мире – осенью 2020 году эта модель Toyota пополнила автопарк Папы Римского и стала «папамобилем» .

Toyota Mirai – водородный гибридный автомобиль на топливных элементах. Впервые был представлен в ноябре 2013 года на Токийском автосалоне. Автомобиль основан на концепт-каре Toyota FCV. Продажи в Японии стартовали 15 декабря 2014 по цене $57 500, в США и Европе начались в четвертом квартале 2015 года.  

По состоянию на конец 2019 глобальные продажи модели достигли 10 250 единиц. В декабре 2020 года в США дебютировало второе поколение модели.

Репкин и Дьяченко купили седаны белого и черного цвета. «Mirai переводится с японского как «будущее», поэтому мы привезли в Украину не просто машины, а – будущее», – шутит президент ассоциации Александр Репкин.

Визуально вы вряд ли сможете отличить машину на водороде от электрических собратьев или авто с двигателем внутреннего сгорания. Основная разница – принцип работы. Сердце водородной машины – электромотор, который приводится в действия за счет вырабатываемого электричества вследствие химической реакции водорода и кислорода (он поступает из передних воздухозаборов). Продукт реакции – водяной пар.

Максимальный КПД преобразования в электрический ток у водородных машин составляет 45% (для сравнения средний показатель для авто на бензине или дизеле – 35-38%).

Чтобы слить дистиллированную воду, в Mirai есть специальная pipi-button – машина сама сигнализирует, когда нужно это сделать. Только искать выхлопную на привычном месте – бесполезно, трубка находится снизу авто у заднего левого колеса.

В отличие от электрокара, здесь нет никаких элементов, например, батареи, которые сложно или невозможно переделать, рассказывает Репкин.

Бак, изготовленный из специального материала с углеродным волокном (сжиженный водород разрушает металл), находится под задними сиденьями авто. Салон в машине – кожаный. Расположенная по центру панель приборов сразу привлекает внимание: она «двухэтажная» и в некоторой степени напоминает Tesla.

Под капотом машины от японского производителя двигатель на 152 «лошадки» и 335 Нм крутящего момента. Чтобы разогнать авто до 100 км/ч, понадобится 9,6 с. Скоростной максимум – 175 км/ч.

От того, насколько интенсивно вы давите на педаль газа, будет зависеть расход. С полным баком (5 кг водорода) при умеренном темпе можно проехать впечатляющие 650-700 км.

Пока не для Украины

Единственный минус таких машин – это мало развитая сеть водородных заправочных станций. В Украине их совсем нет, для того, чтобы заполнить бак, нужно ехать в Европу.

В Украину Mirai приплыли на корабле из США с частично заполненными баками «горючего». Но на момент тест-драйва журналистами, черный седан уже был на нуле, у белого оставалось полбака.

«Влить» топливо из канистры – невозможно. Машина заправляется так называемым «зеленым водородом» (произведенный только с помощью возобновляемых источников энергии) через специальное отверстие под высоким давлением (700 атмосфер).

Где заправлять

Пока ближайшие к нам заправки есть в Германии. Всего в стране на сегодняшний день их около 150. К концу года 23 водородных заправки откроется в Польше, рассказывает Репкин. Зачем везти сюда авто, если его невозможно заправлять?

«Это дискуссии вроде что было первым: курица или яйцо. Завезя в Украине первые авто на водороде, мы положили конец этому логическому парадоксу», – шутит он.

По его словам, после этого в «Водородный совет» обратились предприниматели, специализирующиеся на создании водородной инфраструктуры и строительстве заправочных станций по всему миру.  «Они готовы инвестировать, готовы создавать заправки для водородных авто и в Украине. Мы ожидаем, что первая такая заправка появится в нашей стране в следующем году», – говорит Репкин.

Репкин рассказывает, что нужно построить не менее 30 таких заправок, прежде всего вдоль трасс и при въезде в города-миллионники.

Сколько стоит заправка такого авто? Заправка до полного бака в Германии обходится в 45 евро (9 евро за 1 кг водорода), рассказывает Репкин. Процесс заправки максимально похож на традиционные авто и длится всего три минуты.

Он утверждает, что Украина имеет все необходимые предпосылки для стремительного развития водородных технологий. Об этом неоднократно рассказывали украинские чиновники. В августе 2020 президент Владимир Зеленский обсудил с инвесторами строительство водородного завода в Украине.

А пока – два седана Toyota Mirai будут стоять в гараже в ожидании водорода, который их оживит.

Если Вы заметили орфографическую ошибку, выделите её мышью и нажмите Ctrl+Enter.

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

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

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

Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку

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

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

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

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

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

Краткая история создания

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

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

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

Особенности водорода как топлива для двигателя

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

Применение водорода в виде топлива имеет ряд нюансов:

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

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

Что такое система охлаждения двигателя и как работает

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

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

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

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

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

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

Преимущества жидкостной системы охлаждения

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

Недостатки системы жидкостного охлаждения

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

Устройство водородного двигателя

Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:

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

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

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

Авто на водороде

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

Принцип работы

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

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

Водородные моторы внутреннего сгорания

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

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

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

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

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

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

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

Двигатели на водородных элементах

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

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

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

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

Как работает водородный автомобиль

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

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

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

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

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

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

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

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

Mazda RX-8 Hydrogen RE

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

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

Где использовались водородные топливные элементы?

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

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

Если говорить в целом, топливные элементы применяются:

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

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

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

Немного истории

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

Риваз и его машина

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

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

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

Фото GM Electrovan

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

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

А что значит водородное топливо на самом деле?

Преимущества и недостатки

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

Плюсы:

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

Также к плюсам стоит отнести:

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

Недостатки водородного двигателя:

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

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

Кроме уже рассмотренных выше, стоит выделить еще ряд недостатков:

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

Плюсы и минусы водородной установки для автомобиля

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

Недостатки водородного топлива:

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

Плюсы водородного топлива:

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

Опасность водородного топлива

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

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

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

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

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

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

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

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

Чем водородные авто лучше электромобилей?

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

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

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

Как выглядит батарея в электрокаре

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

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

Современные автомобили с водородными двигателями

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

К наиболее востребованным моделям стоит отнести:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Водородные автомобили: есть ли у них будущее

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

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

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

*Прогноз Hydrogen Council

Принцип работы водородомобилей

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

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

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

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

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

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

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

Где берут водород

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

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

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

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

Где и как заправляться водородом

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

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

Но в случае с водородом ситуация развивается не так.

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

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

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

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

Водородные заправки

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

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

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

Эксплуатационные отличия водородомобилей от ДВС и электрокаров

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

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

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

Водородные концепты и мелкосерийные проекты прошлого

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

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

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

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

И это далеко не все пробы автопроизводителей по созданию водородомобиля.

Дмитрий Онищенко

Доктор технических наук, профессор МГТУ им. Баумана

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

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

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

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

Серийные и мелкосерийные водородные проекты

Toyota Mirai

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

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

Кроме США и Японии Mirai продают еще и в Европе

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

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

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

Honda Clarity

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

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

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

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

Hyundai Nexo

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

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

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

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

Mercedes-Benz GLC F-Cell

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

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

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

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

BMW X5 i Hydrogen Next

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

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

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

Альянсы по созданию водородомобилей

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

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

Модель	Годы производства	Количество, шт.
BMW 7-я серия	2006–2008	100
Toyota Mirai	2015 — н. в.	≈ 5000
Hyundai Tucson FCEV	2013–2018	10 000
Hyundai Nexo	2018 — н .в.	до 1000
Mercedes-Benz GLC F-cell	2017 — н. в.	до 1000

В итоге

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

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

Трудности в эксплуатации водородных ДВС

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

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

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

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

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

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

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

Где заправляют водородные автомобили?

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

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

Автозаправки бывают 3 типов:

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

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

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

Будущее водородных двигателей

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

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

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

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

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

Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

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

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

Конкурирующие технологии

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

Вот только некоторые из них:

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

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

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

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

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

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

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

Toyota Mirai

Honda Clarity

Британские химики открывают путь к водородным двигателям

• Марк Грегори
• Корреспондент Би-би-си по новым технологиям

12 октября 2013

Подпись к фото,

Пока машины с водородными двигателями дороги в эксплуатации и непрактичны, но уже через десять лет могут появиться на дорогах

Специалисты небольшой венчурной фирмы Acal Energy из города Ранкорн в графстве Чешир утверждают, что нашли способ радикально снизить стоимость эксплуатации автомобильных двигателей, работающих на водороде.

«Мы убеждены, что это прорыв исторического значения, — заявил представитель компании Брендан Билтон. — Барьер преодолен. Путь к массовому использованию новой технологии открыт».

Принцип работы водородного двигателя известен давно. Вместо бензина в автомобиль должны загружаться батареи, содержащие водород в виде соединения с другими веществами. Затем он выделяется в ходе химической реакции и служит топливом.

Главные преимущества — практическая неисчерпаемость запасов водорода на Земле и экологичность: вместо двуокиси углерода двигатели нового типа выбрасывают безвредный пар.

До сих пор основная проблема заключалась в том, что обязательным элементом водородных батарей являлась дорогостоящая платина, в противном случае они оказывались крайне недолговечными.

Химики Acal Energy нашли способ заменить платину жидким раствором солей металлов.

Фирма намерена запатентовать свое достижение и предложить ведущим мировым автопроизводителям, после чего, по оценкам экспертов, «водородные» автомобили смогут поступить в продажу после 2020 года.

Открытие было совершено фактически случайно, в ходе работы над более совершенными растворителем для химчистки.

Автоконцерн Hyundai ранее обнародовал план начать продажи «водородной версии» популярного хэтчбека ix35. Toyota собирается представить концепт-кар с водородным двигателем в конце нынешнего, а Daimler и Volkswagen — к 2017 году. Однако эти модели не могли рассчитывать на коммерческий успех из-за дороговизны.

Двигатели на основе технологии Acal Energy будут существенно дешевле, смогут проходить на одной заправке, в зависимости от мощности, от 450 до 650 километров, а замена батарей займет не больше времени, чем заливка бензина в бак.

Оптимизм экспертов

«Идея выглядит захватывающе, — заявил Би-би-си крупнейший авторитет в области водородных двигателей, профессор Найджел Брэндон из Лондонского Имперского колледжа. — Конечно, им надо еще кое-что довести до ума, но я не вижу, почему бы они не могли это сделать».

Разработчикам предстоит убедить в преимуществах нового бизнес и потребителей.

Среди широкой публики бытует мнение об опасности водорода, навеянное катастрофой дирижабля «Гинденбург» в 1937 году.

Намного более серьезное препятствие — огромные расходы на создание тысяч заправочных станций.

Однако энтузиасты водородного двигателя исполнены оптимизма, указывая в качестве примера на интернет: как только возник массовый спрос, мир покрылся сетью оптико-волоконных кабелей, и деньги для этого нашлись.

Водородная бомба Мир нашел новую альтернативу нефти и газу. Она обойдется в сотни миллиардов долларов: Госэкономика: Экономика: Lenta.ru

Бум на зеленую энергетику уже давно сопровождается попытками найти замену привычным, но совершенно не экологичным углеводородам. Одним из кандидатов на эту роль стал водород. На него делают ставку Европейский союз, Китай, США, Япония и многие другие страны. Суммарная стоимость всех проектов, реализуемых сегодня в области водородной энергетики, достигла уже 90 миллиардов долларов. Объем планируемых инвестиций в последующие 30 лет только лишь от ЕС — до 470 миллиардов евро. В то же время на пути водородной революции пока немало препятствий — в частности, дороговизна производства, нехватка чистой воды и неразвитость систем доставки. Перспективы h3 как главного топлива будущего — в материале «Ленты.ру».

Неисчерпаемое топливо

Главная проблема любого ископаемого источника энергии — ограниченность его объемов. Рано или поздно закончатся и нефть, и газ, и уголь. Существующие возобновляемые источники энергии — ветер, солнце и вода — пока не могут в достаточной степени заменить углеводороды. А вот водород в теории может. Водород практически не встречается на Земле в чистом виде, однако его можно извлечь из большого числа распространенных ресурсов: воды, метана, каменного угля, биомассы, водорослей и даже мусора.

Водород научились получать еще в начале XIX века, но до конца XX века повсеместно использовать водород в качестве устойчивого источника энергии было невозможно. Газогенераторные установки были массивными и требовали топлива для работы. Вторая проблема — такой водород нельзя назвать чистым, так как газогенераторы оставляют углеродный след.

Фото: Public Domain / Wikimedia

Важный шаг к превращению водорода в распространенный источник энергии произошел в 1959 году — американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company создала трактор с силовой установкой, работавшей на так называемых топливных элементах. Принцип работы такой установки прост: запасенный в баллонах водород вступает в химическую реакцию с кислородом, в результате чего выделяется электричество, которое питает электромотор. Помимо этого топливные элементы выделяют в атмосферу побочные продукты, безвредные для окружающей среды, — тепло и водяной пар.

Топливные элементы можно использовать для получения электроэнергии в промышленных масштабах, а выделяемое в процессе реакции тепло — для обогрева зданий. Кроме того, они гораздо компактнее газогенераторной установки, поэтому их можно установить на борту любых транспортных средств. Теоретически топливные элементы могут сделать водород основой топливно-энергетического комплекса (ТЭК), но для этого нужно решить две проблемы.

Фото: Kim Hong-Ji / Reuters

Первая — углеродный след при получении водорода. Топливные элементы обеспечивают нулевой выброс лишь в процессе получения электричества, но для их работы нужен водород. Эту проблему можно решить с помощью электролиза воды: под воздействием электрического тока дистиллированная вода распадается на кислород и водород. Процесс вообще может быть замкнутым: полученное в топливных элементах электричество используется в том числе для получения водорода.

При этом водород, полученный путем электролиза, еще и подразделяют на «желтый» и «зеленый»: для производства первого используется атомная энергия, второго — возобновляемые источники энергии. Таким образом, по-настоящему экологичным водородом многие страны признают лишь «зеленый» подвид.

Вместо ДВС

Второе серьезное препятствие на пути повсеместного внедрения топливных элементов — их высокая цена. На рубеже XX и XXI веков свои автомобили на топливных элементах показали BMW, General Motors, Honda, Hyundai, Toyota и даже «АвтоВАЗ», но о серийном производстве речи еще не шло. В 2008 году Honda выпустила небольшую партию седанов FCX Clarity с водородными топливными элементами, которую сдавали в лизинг (одновременно и аренда, и аналог целевого кредита) в Калифорнии за 600 долларов в месяц. При этом производство каждого автомобиля обходилось Honda в миллион долларов.

Материалы по теме:

В 2014 году Toyota начала продажи Mirai — первого в мире серийного автомобиля на водородных топливных элементах. Два года спустя в продажу поступило второе поколение Honda FCX Clarity, но объемы продаж оставались скромными. Toyota за все время производства реализовала около десяти тысяч Mirai.

Параллельно топливные элементы начали использовать и в других видах транспорта. В 2017 году в Германии на маршрут вышел пассажирский поезд на водородных топливных элементах Coradia iLint. Причем работает он на линиях, которые не электрифицированы, — поезд на топливных элементах заменил дизельные тепловозы. С 2008 года по Альстеру, притоку Эльбы, ходят суда на водородных топливных элементах. Существуют и прототипы самолетов с аналогичными силовыми установками.

Однако и Toyota, и другие производители уверены, что в ближайшем будущем себестоимость автомобилей на топливных элементах будет не выше, чем у машин с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). В 2020 году японский автогигант представил второе поколение модели и планирует увеличить продажи в десять раз.

Фото: Alstom.com

Сразу несколько игроков включились в борьбу за рынок тяжелых грузовиков на топливных элементах. Hyundai в рамках программы Hydrogen Mobility к 2025 году планирует поставить клиентам в Европе 1600 грузовиков на топливных элементах. Toyota совместно с Kenworth начала испытания водородного грузовика еще в 2017 году, а два года спустя поставила несколько машин в порт Лос-Анджелеса. Наконец, одним из главных генераторов новостей стал американский стартап Nikola, который занимается разработкой грузовиков на топливных элементах. Компания обещала начать их производство к 2023 году.

Дело пахнет керосином

Исследовательский центр Bloomberg New Energy Finance (BNEF) оценивает все реализуемые сегодня проекты в области водородной энергетики в сумму свыше 90 миллиардов долларов. Институт экономики энергетического сектора и финансового анализа (IEEFA), в свою очередь, насчитал десятки строящихся установок электролиза на базе ВИЭ суммарной мощностью 50 ГВт и стоимостью 75 миллиардов долларов.

Главным инициатором отказа от ископаемых источников энергии и перехода на водород выступают страны Большой семерки, которые в 2015 году, еще до подписания Парижского соглашения, договорились полностью избавиться от ископаемого топлива к концу века. Европейский союз еще более оптимистичен: в 2019 году был принят «Зеленый пакт для Европы» (The European Green Deal), согласно которому ЕС должен добиться нулевого выброса парниковых газов и отказа от ископаемых источников энергии уже к 2050 году. Особую роль в его реализации должен сыграть водород.

Фото: Bernd von Jutrczenka / Getty Images

В июле 2020 года Еврокомиссия представила «Водородную стратегию для климатически нейтральной Европы». Она предусматривает конкретные шаги по развитию водородной энергетики. Приоритетным направлением станет именно «зеленый» водород. Но на первом этапе, чтобы быстрее уменьшить выбросы парниковых газов, будет использоваться и низкоуглеродистый водород — произведенный на основе ископаемого топлива, например, каменного угля, но с улавливанием углерода.

К 2030 году, согласно стратегии, на территории Евросоюза будут работать электролизеры суммарной мощностью 40 ГВт для производства «зеленого» водорода, а еще 40 ГВт будут производить электролизеры в соседних странах для экспорта водорода в ЕС. Для сравнения: общая мощность всех электростанций России составляет около 250 ГВт. Производство же самого «зеленого» водорода достигнет 10 миллионов тонн. По оценкам ЕК, к 2050 году возобновляемый водород в Европе может потребовать от 180 до 470 миллиардов евро инвестиций. Пока же на энергию на базе водорода приходится менее 1 процента всего энергопотребления в Евросоюзе.

Выстроились в очередь

Не менее амбициозные планы у Китая: в стране надеются, что к 2040 году водород будет составлять 10 процентов всей китайской энергосистемы. На протяжении долгих лет КНР была мировым лидером по производству водорода и занимала около одной трети мирового рынка. Но речь идет о высокоуглеродистом водороде, который получают из угля и нефти без улавливания углерода. Это приводит к тому, что цена килограмма водорода в Китае одна из самых низких в мире — около 9 юаней (1,15 евро).

Для сравнения: ориентировочная стоимость ископаемого водорода в ЕС сегодня составляет около 1,5 евро за килограмм. Предполагаемые затраты на ископаемый водород с улавливанием и хранением углерода составляют около 2 евро за килограмм. А килограмм «зеленого» водорода, в свою очередь, обойдется в 2,5-5,5 евро.

Однако обязательство стать климатически нейтральным к середине века заставляет Китай переориентироваться на производство экологически чистого водорода. К тому же, по расчетам Института Роки-Маунтин (RMI), американской некоммерческой организации, консультирующей по вопросам энергетического перехода, Китай может стать углеродно-нейтральным к середине века без ущерба для экономического роста. Институт утверждал, что «Китай имеет хорошие возможности для получения технологического конкурентного преимущества от перехода к чистым нулевым выбросам», и призвал страну поддержать электролиз водорода.

Электролизер

Кадр: Realstrannik.com

Соседи — Южная Корея и Япония — также намерены развивать водородную индустрию. Первая планирует наладить производство топливных ячеек общей мощностью 40 ГВт, а также выпустить более 6 миллионов водородных автомобилей к 2040 году. Вторая уже построила «зеленую» водородную фабрику в Фукусиме, одну из крупнейших в мире. А Саудовская Аравия при технологической поддержке американской компании Air Products строит в своем «городе будущего» Неоме гигантскую зеленую электролизную установку стоимостью 5 миллиардов долларов и производительностью 650 тонн водорода в сутки.

Вероятно, крупнейший водородный проект современности реализуется в настоящее время в Австралии. В «Азиатском хабе возобновляемой энергии» в горнопромышленном центре Пилбара строятся солнечные и ветровые электростанции общей площадью 6,5 тысячи квадратных километров. Они будут производить более 50 тераватт-часов зеленой энергии, большая часть которой пойдет на производство водорода. Проект стоимостью 16 миллиардов долларов планируется запустить в 2027 году.

Вызов и шанс

Что касается России, то возрастающая роль водорода в мировой энергетике на первый взгляд сулит ей потерю доли на рынке. В действительности же есть шанс не только сохранить, но и упрочить свои позиции. Министр энергетики Александр Новак заявил, что Россия уже договаривается с Германией о совместных исследованиях по производству зеленой энергии — в частности, водорода. Новак подчеркнул, что, на его взгляд, углеводороды продолжат играть ключевую роль в мировой энергетике, а вот энергетический баланс в Европе может измениться.

Действительно, «водородная стратегия» ЕС подразумевает импорт огромных объемов водорода, а у России уже есть каналы его поставки. Например, для импорта водорода в Германию можно использовать существующую сеть газопроводов — в частности, газопроводы OPAL и Eugal, сухопутные продолжения «Северного потока» и «Северного потока 2». Gascade, немецкая дочка «Газпрома», на словах подтвердила принципиальную готовность использовать свои газопроводы для транспортировки водорода.

Александр Новак

Фото: Александр Миридонов / «Коммерсантъ»

Таким образом, у России уже есть покупатель водорода и возможности по его транспортировке. Однако мощностей по производству водорода, тем более экологически чистого, в стране нет. Решить эту проблему должна дорожная карта «Развитие водородной энергетики в России» на 2020-2024 годы. Главную роль в ее реализации должны сыграть «Росатом» и «Газпром». Уже в 2024 году «Росатом» должен запустить пилотные водородные установки на атомных станциях и построить опытный полигон для испытаний водородных поездов. «Газпром», в свою очередь, должен в 2021 году разработать и испытать газовую турбину на метано-водородном топливе, а затем изучать возможности применения водорода в двигателях различных транспортных средств и в газовых установках — газотурбинных двигателях и газовых бойлерах.

Интерес к теме водорода проявляет и «НОВАТЭК». Компания объявила о подписании меморандума о взаимопонимании в целях изучения и оценки возможностей развития производственно-сбытовой цепочки поставок водорода с немецкой компанией Uniper. Компании рассматривают возможность поставки «голубого» водорода, произведенного из природного газа с дальнейшим улавливанием и хранением CO2, а также «зеленого» водорода.

Туманное будущее

По оценкам BofA Securities, к 2050 году стоимость мирового рынка «зеленого» водорода составит 2,5 триллиона долларов. Кроме того, будет создано не менее 30 миллионов рабочих мест. Однако не все разделяют столь оптимистичные прогнозы. Аналитики из Rystad Energy считают, что до водородного триумфа в энергетике еще далеко — лишь половина из запущенных в мире «зеленых» водородных проектов будет реализована до 2035 года. При этом подавляющему большинству проектов потребуется господдержка.

Помимо того, что чистая водородная энергетика требует огромных капиталовложений, существует проблема, связанная с недостатком ключевого сырья — чистой воды. По оценкам экспертов Oilprice, для производства одной тонны водорода методом электролиза нужно девять тонн воды. При этом она требует специальной подготовки и очистки. Например, чтобы подготовить одну тонну деминерализованной воды, пригодной для электролиза, нужно две тонны обычной воды. Таким образом, понадобится 18 тонн воды, чтобы произвести тонну водорода.

Фото: Spencer Platt / Getty Images

Также непонятно, как быть с транспортировкой водорода. Сейчас основные объемы этого топлива перевозятся морскими танкерами, но проблема заключается в выкипании продукта, даже несмотря на использование систем охлаждения. Существенно дешевле доставлять водород по трубам, однако запускать водород в действующие газотранспортные системы можно, только смешав его с природным газом, что означает дополнительные затраты на извлечение.

Еврокомиссия признает, что «чистый» и низкоуглеродный водород еще долго будет значительно дороже водорода, полученного из ископаемых источников энергии. Из хороших новостей: за последние пять лет стоимость технологии электролиза упала на 40 процентов и продолжает снижаться. BloombergNEF прогнозирует, что к 2050 году «зеленый» водород при цене доллар за килограмм станет выгоднее газа на мировых рынках и сможет конкурировать с самым дешевым углем. Но это через 30 лет, а пока путь превращения водорода в главный энергоноситель планеты только начинается.

Как работают автомобили на водороде? – ЦСИРОскоп

Вы наверняка слышали об электромобилях. Но слышали ли вы о транспортных средствах с водородным двигателем ?

Мы строим новую водородную заправочную станцию ​​в нашем центре Clayton в Виктории. Это как заправочная станция, но для автомобилей с водородным двигателем и нулевым уровнем выбросов.

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

Самый распространенный элемент на Земле

Молекулярный водород — это газ.Как химический элемент водород является самым распространенным элементом на Земле. И он содержит много химической энергии.

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

Как на самом деле работает водородный автомобиль?

Топливный элемент — это устройство, которое использует химическую энергию в форме водорода и превращает ее в электричество, которое может питать электродвигатель, как батарея.Итак, автомобиль на водороде приводится в движение электродвигателем.

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

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

Самая большая разница между FCEV и BEV (например, автомобилем Tesla) заключается в источнике электроэнергии. Электромобили работают от аккумуляторов, заряжаемых от электричества (даже от солнечных батарей). Но автомобили на водороде производят собственное электричество. У них на борту есть небольшая электростанция — топливный элемент.

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

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

Водородные автомобили в Австралии

Австралия рассматривает водород как новый источник топлива. В настоящее время реализуется несколько крупномасштабных, демонстрационных и пилотных проектов. «Зеленый водород» — водород, полученный без использования ископаемого топлива, — это потенциальное топливо будущего. Это чистый источник энергии, который может помочь нам достичь будущего с нулевыми выбросами.

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

Как заправить автомобиль водородом?

Станция заправки водородом очень похожа на заправочную станцию. В Германии, США и других странах водородные заправочные насосы расположены на обычных заправочных станциях.

Вы заправляете его как бензиновый или дизельный автомобиль. Водородный заправщик имеет насос с соплом, который крепится к автомобилю. После того, как уплотнение было сделано, газообразный водород начинает заполнять бак автомобиля. Если уплотнение не прикреплено, насос не начнет качать, что гарантирует отсутствие утечек.

Сегодня водородные заправочные станции могут заполнить обычный бак автомобиля водородом примерно за пять минут. Это одно из преимуществ по сравнению с автомобилями с батарейным питанием, зарядка которых может занять намного больше времени.

Наша новая заправочная станция в Мельбурне

Мы приветствуем финансирование Правительством штата Виктория Технологического университета Суинберна для создания Викторианского водородного узла (Vh3).В рамках партнерства с Swinburne CSIRO получит 1 миллион долларов на разработку одной из первых в Австралии станций заправки водородом на нашей площадке в Клейтоне.

Предлагаемая демонстрационная установка водородной технологии и система заправки водородом.

Финансирование осуществляется в рамках гранта в размере 10 миллионов долларов США Технологическому университету Суинберна (Swinburne) для совместной работы над созданием Victorian Hydrogen Hub (Vh3).

Во главе с Суинберном Vh3 призван объединить исследователей, отраслевых партнеров и предприятия для тестирования, испытания и демонстрации новых и появляющихся водородных технологий.Станция будет базироваться на нашем объекте в Клейтоне, совместном объекте с Суинберном.

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

Первоначально для CSIRO и наших партнеров будет доступен парк транспортных средств на водороде в качестве пробной версии и примера использования в реальных условиях.Существует возможность расширения, чтобы обеспечить заправку других транспортных средств с нулевым уровнем выбросов в этом районе.

Движение вперед с водородом в Австралии

Чистый водород уже считается конкурентоспособным по стоимости топливом для автомобильного транспорта. Но одним из основных препятствий для более широкого освоения рынка является отсутствие инфраструктуры, поддерживающей его использование.

Новая водородная заправочная станция — ключевой шаг к устранению этого барьера. Это будет только одна часть нашей новой миссии в области водородной промышленности, которая помогает Австралии снизить риски при развертывании водородных технологий и демонстрировать новые технологии.

И, самое главное, это часть того, как мы помогаем Австралии перейти к будущему с нулевыми выбросами.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 13 апреля 2021 г.

Около века назад количество автомобилей на Земле исчислялись тысячами. Сегодня насчитывается около миллиарда автомобилей — примерно по одному на каждые семь человек на планете, и ожидаемое число к 2040 году достигнет 2 млрд.Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции только с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете что у нас проблема. Многие геологи думают, что мы достигли точки называют «нефтяным пиком», а в ближайшие десятилетия поставки бензина (и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если что произойдет, откуда все наши автомобили будут получать топливо? Краткосрочное решение — повысить эффективность использования топлива. из существующих автомобилей. В долгосрочной перспективе решение может заключаться в переводе автомобилей с бензиновых и дизельных двигателей на электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде газ, который никогда не иссякает.Бесшумные и не загрязняющие окружающую среду, они являются одними из самых чистых и экологичных источников энергии, которые когда-либо были разработаны. Они все, что они обещали быть? Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

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

Что такое топливные элементы?

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

На самом деле есть только два способа привести в действие современный автомобиль. Большинство автомобилей на дороги сегодня используют двигатель внутреннего сгорания сжигать топливо на нефтяной основе, вырабатывать тепло и толкать поршни вверх и вниз, чтобы управлять коробкой передач и колесами. Электрический автомобили работают совершенно по-другому. Вместо двигателя они полагаться на батареи, которые питают электричеством электродвигатели, непосредственно приводящие в движение колеса. Гибридные автомобили имеют оба двигатели внутреннего сгорания и электрические двигателей и переключаться между ними в соответствии с условиями вождения.

Топливные элементы немного похожи на нечто среднее между двигателем внутреннего сгорания мощность двигателя и аккумулятора. Подобно двигателю внутреннего сгорания, они производят мощность за счет использования топлива из бака (хотя топливо находится под давлением газообразный водород, а не бензин или дизельное топливо). Но, в отличие от двигателя, топливный элемент не сжигает водород. Вместо этого он слит химически с кислородом из воздуха, чтобы сделать воду. В процессе, что похоже на то, что происходит в батарее, электричество высвобождается и это используется для питания электродвигателя (или двигателей), который может управлять транспортное средство.Единственным отработанным продуктом является вода, и она настолько чиста, что вы можете выпей это!

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

Блоки топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одна сухая батарея — далеко не достаточно для питания портативного компьютера, не говоря уже о машине. Вот почему топливные элементы, разработанные для транспортных средств, используют стеки. топливных элементов, соединенных в серию. Суммарная электроэнергия, которую они продукция равна количеству ячеек, умноженному на мощность каждой клетка производит.

Типы топливных элементов

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

Топливные элементы PEM

(иногда называемые PEMFC) в настоящее время предпочитают инженеры для приведения в действие транспортных средств, но они ни в коем случае не возможен только дизайн. Поскольку существует много видов батарей, каждый с использованием различных химических реакций, поэтому существует много видов топлива ячейка тоже. Космические аппараты используют более примитивную конструкцию, называемую щелочной. топливный элемент (AFC), в то время как гораздо большее количество энергии может быть созданный альтернативной конструкцией, известной как твердый оксид топливная ячейка (ТОФК). Микробные топливные элементы обладают дополнительным особенность: они используют резервуар с бактериями для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива и производить либо электрический ток (который можно использовать для питания двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом).Другая возможность — иметь автомобиль с солнечной панелью на крыше, который использует электричество Солнца для расщепления воды на водород и кислород. электролизер (см. вставку ниже). Затем эти газы рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество подобных действий по сравнению с прямым использованием солнечной энергии состоит в том, что вы можете накапливать водород в дневное время, когда светит солнце, а затем использовать его для вождения топливный элемент ночью. )

Откуда возьмется весь водород?

За последние 150 лет практически каждый автомобиль работать на жидкости, которую мы довольно ошибочно называем газом.Но в следующие 150 лет многие думают, что автомобили будут работать на настоящем газе: водород. Теоретически заправлять автомобили водородом — отличная идея: это самый простой способ и самый распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство (примерно три четверти) всего вещества во Вселенной. Тогда всего на всех! Но есть загвоздка: ковыряться в воздухе вокруг вас, и вы не найдете много водорода — всего около одного литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (в натуральном выражении, это то же самое, что охотиться за двумя литрами воды наугад перепутал в каждом олимпийском бассейне полный).Так откуда же возьмутся все огромные облака водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком? Нам нужно будет сделать его самим из воды, волшебного вещества, покрывающего 70 процентов поверхности Земли, частично состоящего из водорода. Разделив старый добрый h3O на части, вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты это делаешь? С электролизером!

Почему топливные элементы так долго не приживаются?

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

» В течение десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: как только вы подумаете, что кол вбит в его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология восстает из могилы.»

Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Люди провозглашают топливные элементы следующей большой силой поставки с 1960-х годов, когда космический корабль «Аполлон» ракеты первыми показали, что технология практична.Четыре десятилетия спустя, на наших улицах почти нет машин на топливных элементах — по разным причинам. причины. Во-первых, мир готовится к производству бензиновых двигателей путем миллион, так что они, естественно, намного дешевле, лучше протестированы и многое другое надежный. Обычный автомобиль можно купить за несколько тысяч долларов/фунтов, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах стоил бы вам сотни тысячи. («Относительно доступный» Mirai от Toyota стал широко доступен в 2016 году. по цене чуть менее 60 000 долларов США, что вдвое превышает цену его гибридного Prius.Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в лизинг. распоряжения. В то время, когда я обновляю эту статью, в 2021 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно арендовать за относительно скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость не единственная проблема. Там также массивный нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи везде, где можно обслуживать бензиновые автомобили и заправочные станции повсюду, чтобы снабжать их топливом. Напротив, вряд ли кто ничего не знает о машинах на топливных элементах и ​​заправок практически нет станции подачи сжатого водорода.«Водородная экономика» — это далекая мечта.

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

Фото: Топливные элементы предназначены не только для автомобилей. Этот трактор работает одним. Фотография Кейта Випке предоставлена ​​Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL) (номер фотографии NREL № 33995).

Беда с водородом

Но вы видите проблему? Производство водорода путем электролиза требует энергии, и довольно много: мы должны использовать электричество, чтобы расщепить воду. Если мы будем использовать обычные солнечные батареи для обеспечения этого электричества, их эффективность может составлять около 10 процентов. в то время как электролизер может быть эффективен на 75 процентов, давая жалкую общую эффективность всего в 7.5 процентов. Это довольно плохое начало — и это только начало!

Мы также используем энергию для транспортировки водорода и его сжатия (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли перевозить достаточное количество его в своих баках, чтобы поехать куда угодно. Это реальная проблема, потому что плотность энергии водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы) равен примерно в пять раз меньше бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы пройти так далеко. (при условии, что ваш водородный автомобиль тяжелее бензинового, что может быть не так, потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии).Другая проблема заключается в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что он чрезвычайно крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров, а поскольку водород легко воспламеняется, утечки могут вызвать ужасные взрывы.

И потом, конечно, все неэффективности на противоположном конце процесса, когда топливный элемент автомобиль превращает водород обратно в электричество для питания электродвигателей, приводящих в движение его колеса.

Водород не является топливом

» …водород — это раскрученный фургон… Водород — это не чудесный источник энергии; это просто энергоноситель, как аккумуляторная батарея. И это довольно неэффективная энергия перевозчик, с кучей практических дефектов.»

Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не является топливом, а просто способом транспортировки топлива, полученного в результате какого-либо другого процесса. Так что лучше сравнивать с аккумуляторами (еще один способ упаковки и транспортировки энергии) чем к бензину (настоящему топливу).В общем, сегодняшние водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от аккумуляторов, и часто менее эффективны, чем автомобили с бензиновым или дизельным двигателем!

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

Все эти проблемы, в сумме, объясняют, почему сторонники аккумуляторных автомобилей, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водородные автомобили как «автомобили с дурацкими ячейками», которые «невероятно глупы».

Но у водорода есть и свои плюсы!

Так почему же люди до сих пор гоняются за топливными элементами? Потому что, как утверждают их сторонники, они имеют многочисленные преимущества перед другими электроэнергетическими технологиями. Там, где зарядка автомобиля с батарейным питанием может занять от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут — так же быстро, как вы можете заполнить бензобак обычного автомобиля.Запас хода автомобилей с батарейным питанием также был предметом разногласий. Текущие модели теперь утверждают, что они могут проехать сотни километров или миль без подзарядки, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других целей во время вождения; и диапазон страдает, когда ваша батарея стареет. Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют почти такой же запас хода, как и обычные автомобили, работающие на бензине, хотя их производительность ухудшается с возрастом. В то время как аккумуляторные технологии, возможно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для более крупных транспортных средств и грузовиков.Действительно, Ballard, один из ведущих производителей топливных элементов, утверждает, что вскоре топливные элементы станут наиболее жизнеспособным решением для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы, поезда и даже самолеты, которые в противном случае работали бы на грязном ископаемом топливе. В Калифорнии в настоящее время предпринимаются огромные усилия, чтобы сделать водород более популярным.

Что угодно, кроме масла?

Таким образом, пока автопроизводители не прекратят выпуск бензиновых и дизельных двигателей, у автомобилистов будет мало или совсем не будет стимулов для перехода на автомобили на топливных элементах. Даже тогда, потому что конкурирующие аккумуляторно-электрические и гибридные технологии имеют огромную фору, автомобили на топливных элементах могут никогда не завоевать популярность. Большинство из нас пока будут придерживаться двигателей внутреннего сгорания, хотя заявление крупных автопроизводителей о том, что электромобили — это будущее, заставит нас изменить свой образ жизни где-то в следующем десятилетии. или так. Увидим ли мы прямой переход на электромобили с бортовыми аккумуляторами ты дома заряжаешь? Или, возможно, более плавный переход через гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, которые продлят мировые запасы нефти на достаточно долгое время для нас придумать совершенно новую технологию — может быть, даже автомобили с ядерными двигателями! Никто не знает, что ждет нас в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть будет играть в нем гораздо меньшую роль.Чем раньше мы обнимемся альтернативы — аккумуляторные электромобили, биотопливо, топливные элементы или что-то еще — тем лучше.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 13 апреля 2021 г.

Около века назад количество автомобилей на Земле исчислялись тысячами. Сегодня насчитывается около миллиарда автомобилей — примерно по одному на каждые семь человек на планете, и ожидаемое число к 2040 году достигнет 2 млрд.Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции только с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете что у нас проблема. Многие геологи думают, что мы достигли точки называют «нефтяным пиком», а в ближайшие десятилетия поставки бензина (и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться. Если что произойдет, откуда все наши автомобили будут получать топливо? Краткосрочное решение — повысить эффективность использования топлива. из существующих автомобилей. В долгосрочной перспективе решение может заключаться в переводе автомобилей с бензиновых и дизельных двигателей на электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде газ, который никогда не иссякает. Бесшумные и не загрязняющие окружающую среду, они являются одними из самых чистых и экологичных источников энергии, которые когда-либо были разработаны. Они все, что они обещали быть? Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

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

Что такое топливные элементы?

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

На самом деле есть только два способа привести в действие современный автомобиль. Большинство автомобилей на дороги сегодня используют двигатель внутреннего сгорания сжигать топливо на нефтяной основе, вырабатывать тепло и толкать поршни вверх и вниз, чтобы управлять коробкой передач и колесами. Электрический автомобили работают совершенно по-другому. Вместо двигателя они полагаться на батареи, которые питают электричеством электродвигатели, непосредственно приводящие в движение колеса. Гибридные автомобили имеют оба двигатели внутреннего сгорания и электрические двигателей и переключаться между ними в соответствии с условиями вождения.

Топливные элементы немного похожи на нечто среднее между двигателем внутреннего сгорания мощность двигателя и аккумулятора. Подобно двигателю внутреннего сгорания, они производят мощность за счет использования топлива из бака (хотя топливо находится под давлением газообразный водород, а не бензин или дизельное топливо). Но, в отличие от двигателя, топливный элемент не сжигает водород. Вместо этого он слит химически с кислородом из воздуха, чтобы сделать воду. В процессе, что похоже на то, что происходит в батарее, электричество высвобождается и это используется для питания электродвигателя (или двигателей), который может управлять транспортное средство. Единственным отработанным продуктом является вода, и она настолько чиста, что вы можете выпей это!

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

Блоки топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одна сухая батарея — далеко не достаточно для питания портативного компьютера, не говоря уже о машине.Вот почему топливные элементы, разработанные для транспортных средств, используют стеки. топливных элементов, соединенных в серию. Суммарная электроэнергия, которую они продукция равна количеству ячеек, умноженному на мощность каждой клетка производит.

Типы топливных элементов

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

Топливные элементы PEM

(иногда называемые PEMFC) в настоящее время предпочитают инженеры для приведения в действие транспортных средств, но они ни в коем случае не возможен только дизайн. Поскольку существует много видов батарей, каждый с использованием различных химических реакций, поэтому существует много видов топлива ячейка тоже. Космические аппараты используют более примитивную конструкцию, называемую щелочной. топливный элемент (AFC), в то время как гораздо большее количество энергии может быть созданный альтернативной конструкцией, известной как твердый оксид топливная ячейка (ТОФК). Микробные топливные элементы обладают дополнительным особенность: они используют резервуар с бактериями для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива и производить либо электрический ток (который можно использовать для питания двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом). Другая возможность — иметь автомобиль с солнечной панелью на крыше, который использует электричество Солнца для расщепления воды на водород и кислород. электролизер (см. вставку ниже). Затем эти газы рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество подобных действий по сравнению с прямым использованием солнечной энергии состоит в том, что вы можете накапливать водород в дневное время, когда светит солнце, а затем использовать его для вождения топливный элемент ночью.)

Откуда возьмется весь водород?

За последние 150 лет практически каждый автомобиль работать на жидкости, которую мы довольно ошибочно называем газом.Но в следующие 150 лет многие думают, что автомобили будут работать на настоящем газе: водород. Теоретически заправлять автомобили водородом — отличная идея: это самый простой способ и самый распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство (примерно три четверти) всего вещества во Вселенной. Тогда всего на всех! Но есть загвоздка: ковыряться в воздухе вокруг вас, и вы не найдете много водорода — всего около одного литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (в натуральном выражении, это то же самое, что охотиться за двумя литрами воды наугад перепутал в каждом олимпийском бассейне полный).Так откуда же возьмутся все огромные облака водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком? Нам нужно будет сделать его самим из воды, волшебного вещества, покрывающего 70 процентов поверхности Земли, частично состоящего из водорода. Разделив старый добрый h3O на части, вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты это делаешь? С электролизером!

Почему топливные элементы так долго не приживаются?

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

» В течение десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: как только вы подумаете, что кол вбит в его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология восстает из могилы. »

Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Люди провозглашают топливные элементы следующей большой силой поставки с 1960-х годов, когда космический корабль «Аполлон» ракеты первыми показали, что технология практична.Четыре десятилетия спустя, на наших улицах почти нет машин на топливных элементах — по разным причинам. причины. Во-первых, мир готовится к производству бензиновых двигателей путем миллион, так что они, естественно, намного дешевле, лучше протестированы и многое другое надежный. Обычный автомобиль можно купить за несколько тысяч долларов/фунтов, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах стоил бы вам сотни тысячи. («Относительно доступный» Mirai от Toyota стал широко доступен в 2016 году. по цене чуть менее 60 000 долларов США, что вдвое превышает цену его гибридного Prius.Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в лизинг. распоряжения. В то время, когда я обновляю эту статью, в 2021 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно арендовать за относительно скромные 379 долларов в месяц. ) Стоимость не единственная проблема. Там также массивный нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи везде, где можно обслуживать бензиновые автомобили и заправочные станции повсюду, чтобы снабжать их топливом. Напротив, вряд ли кто ничего не знает о машинах на топливных элементах и ​​заправок практически нет станции подачи сжатого водорода.«Водородная экономика» — это далекая мечта.

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

Фото: Топливные элементы предназначены не только для автомобилей. Этот трактор работает одним. Фотография Кейта Випке предоставлена ​​Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL) (номер фотографии NREL № 33995).

Беда с водородом

Но вы видите проблему? Производство водорода путем электролиза требует энергии, и довольно много: мы должны использовать электричество, чтобы расщепить воду. Если мы будем использовать обычные солнечные батареи для обеспечения этого электричества, их эффективность может составлять около 10 процентов. в то время как электролизер может быть эффективен на 75 процентов, давая жалкую общую эффективность всего в 7.5 процентов. Это довольно плохое начало — и это только начало!

Мы также используем энергию для транспортировки водорода и его сжатия (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли перевозить достаточное количество его в своих баках, чтобы поехать куда угодно. Это реальная проблема, потому что плотность энергии водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы) равен примерно в пять раз меньше бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы пройти так далеко. (при условии, что ваш водородный автомобиль тяжелее бензинового, что может быть не так, потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии).Другая проблема заключается в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что он чрезвычайно крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров, а поскольку водород легко воспламеняется, утечки могут вызвать ужасные взрывы.

И потом, конечно, все неэффективности на противоположном конце процесса, когда топливный элемент автомобиль превращает водород обратно в электричество для питания электродвигателей, приводящих в движение его колеса.

Водород не является топливом

» …водород — это раскрученный фургон. .. Водород — это не чудесный источник энергии; это просто энергоноситель, как аккумуляторная батарея. И это довольно неэффективная энергия перевозчик, с кучей практических дефектов.»

Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не является топливом, а просто способом транспортировки топлива, полученного в результате какого-либо другого процесса. Так что лучше сравнивать с аккумуляторами (еще один способ упаковки и транспортировки энергии) чем к бензину (настоящему топливу).В общем, сегодняшние водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от аккумуляторов, и часто менее эффективны, чем автомобили с бензиновым или дизельным двигателем!

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

Все эти проблемы, в сумме, объясняют, почему сторонники аккумуляторных автомобилей, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водородные автомобили как «автомобили с дурацкими ячейками», которые «невероятно глупы».

Но у водорода есть и свои плюсы!

Так почему же люди до сих пор гоняются за топливными элементами? Потому что, как утверждают их сторонники, они имеют многочисленные преимущества перед другими электроэнергетическими технологиями. Там, где зарядка автомобиля с батарейным питанием может занять от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут — так же быстро, как вы можете заполнить бензобак обычного автомобиля.Запас хода автомобилей с батарейным питанием также был предметом разногласий. Текущие модели теперь утверждают, что они могут проехать сотни километров или миль без подзарядки, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других целей во время вождения; и диапазон страдает, когда ваша батарея стареет. Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют почти такой же запас хода, как и обычные автомобили, работающие на бензине, хотя их производительность ухудшается с возрастом. В то время как аккумуляторные технологии, возможно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для более крупных транспортных средств и грузовиков.Действительно, Ballard, один из ведущих производителей топливных элементов, утверждает, что вскоре топливные элементы станут наиболее жизнеспособным решением для тяжелых транспортных средств, таких как грузовики, автобусы, поезда и даже самолеты, которые в противном случае работали бы на грязном ископаемом топливе. В Калифорнии в настоящее время предпринимаются огромные усилия, чтобы сделать водород более популярным.

Что угодно, кроме масла?

Таким образом, пока автопроизводители не прекратят выпуск бензиновых и дизельных двигателей, у автомобилистов будет мало или совсем не будет стимулов для перехода на автомобили на топливных элементах. Даже тогда, потому что конкурирующие аккумуляторно-электрические и гибридные технологии имеют огромную фору, автомобили на топливных элементах могут никогда не завоевать популярность.Большинство из нас пока будут придерживаться двигателей внутреннего сгорания, хотя заявление крупных автопроизводителей о том, что электромобили — это будущее, заставит нас изменить свой образ жизни где-то в следующем десятилетии. или так. Увидим ли мы прямой переход на электромобили с бортовыми аккумуляторами ты дома заряжаешь? Или, возможно, более плавный переход через гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, которые продлят мировые запасы нефти на достаточно долгое время для нас придумать совершенно новую технологию — может быть, даже автомобили с ядерными двигателями! Никто не знает, что ждет нас в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть будет играть в нем гораздо меньшую роль.Чем раньше мы обнимемся альтернативы — аккумуляторные электромобили, биотопливо, топливные элементы или что-то еще — тем лучше.

Простое объяснение того, как работает водородный автомобиль

Хотя для многих термин «топливный элемент» может показаться сложной передовой технологией, секрет этого нового способа производства энергии заключается в простой химической реакции между кислородом и водородом. Итак, каковы особенности водородного транспортного средства? Как это работает? Каковы его преимущества? И, более конкретно, каковы возможные варианты использования водородного автомобиля в повседневной жизни?

Проблемы водородного электромобиля

Начнем с контекста.Термин «водородный электромобиль» относится к транспортному средству, работающему на определенном источнике энергии — водороде — с использованием специального устройства: топливного элемента. Автомобиль с водородным топливным элементом принадлежит к большому семейству электромобилей , , поскольку он получает тягу от электрической трансмиссии. Для электромобиля, работающего от литий-ионного аккумулятора , электрическая энергия просто сохраняется в аккумуляторе после зарядки от электрической сети. В этом заключается разница с водородным транспортным средством.Электроэнергия, необходимая для работы трансмиссии, вырабатывается не только аккумулятором, но и топливным элементом, использующим водород, хранящийся на борту автомобиля. Большинство водородных транспортных средств, выпускаемых в настоящее время производителями автомобилей, работают таким образом.

Автомобиль с водородным двигателем разделяет те же амбиции вождения без вредных выбросов, что и «обычный» электромобиль. Тем не менее, все еще остается несколько проблем, которые необходимо решить, чтобы максимально снизить воздействие производства водорода на окружающую среду.Текущий метод извлечения этого химического элемента основан на паровой конверсии углеводородов и называется «серым» водородом, потому что его извлекают из ископаемого топлива.
Но есть и другой способ получения водорода: электролиз воды. Если электричество, используемое в процессе электролиза, поступает из устойчивого источника энергии, такого как энергия солнца или ветра, можно производить «зеленый» водород. Этот метод экстракции является решением для будущего.

Как работает водородный электромобиль на топливных элементах

Как на практике работает автомобиль на водородных топливных элементах? Его электрическая энергия обеспечивается топливным элементом.Водород под давлением хранится в специальных баках на борту корабля. Газ (h3) вместе с кислородом (O2) из ​​окружающего воздуха подается в топливный элемент. Затем эти два газа вступают в электрохимическую реакцию внутри элемента, в результате чего вырабатывается электричество, тепло и водяной пар (H3O), который высвобождается в виде газа через небольшую трубку, расположенную под днищем автомобиля.

Полученная энергия, а также энергия аккумуляторной батареи питают электродвигатель автомобиля, который затем может работать бесшумно и с нулевым уровнем выбросов загрязняющих веществ или CO2*.Когда дело доходит до пополнения запасов водорода, заправка происходит на специальных станциях с использованием насосов, которые очень быстро впрыскивают водород в бак автомобиля в виде сжатого газа.

Энергопотребление автомобиля на водородных топливных элементах

Сколько потребляет электромобиль на водородных топливных элементах? Имейте в виду, что атом водорода, два из которых необходимы для образования молекулы диводорода (h3), является одним из самых простых и легких природных элементов в периодической таблице (классификация, в которой перечислены все химические элементы, присутствующие на Земле.) Он имеет очень низкую объемную плотность. Таким образом, чтобы получить количество водорода, необходимого для питания транспортного средства, необходимо хранить значительное количество водорода в больших резервуарах под высоким давлением.

Электромобиль на водородных топливных элементах согласно Renault Group

Электромобиль на водородных топливных элементах для Renault Group представляет собой электромобиль, сочетающий в себе литий-ионный аккумулятор и водородный топливный элемент под одним капотом. Решив использовать обе технологии вместе, бренд сочетает в себе лучшее из обоих миров.Вот почему за культовым ромбовидным логотипом на своем электромобиле Kangoo Z.E. Водород, Renault интегрировал топливный элемент.

Схема установки топливных элементов на борт Renault Kangoo Z.E. Водород.

На этой рабочей схеме Kangoo Z.E. Водород, двигатель водородного электромобиля питается от литий-ионной батареи. Что касается топливного элемента, то он обеспечивает дополнительный запас энергии, увеличивающий запас хода автомобиля (обеспечивая большую автономность и более короткое время зарядки.) Транспортные средства с водородным двигателем обеспечивают водителю практические и финансовые преимущества электроэнергии, а также преимущества, предлагаемые водородом с точки зрения гибкости и запаса хода.

Преимущества автомобиля с водородным двигателем

Сидя за рулем автомобиля с водородным двигателем, водитель выигрывает, прежде всего, от почти удвоенного запаса хода. В рамках взаимодополняющих отношений между топливным элементом и литий-ионным аккумулятором электричество, производимое топливным элементом с использованием накопленного водорода, добавляется к емкости его основной батареи.Например, Renault Kangoo Z.E. Водород оснащен аккумуляторной батареей емкостью 30 кВтч в сочетании с бортовым хранилищем водорода, эквивалентным 29,7 кВтч. Таким образом, его дальность действия увеличивается с 230 до 370 километров (цикл WLTP*). Таким образом, водородную систему можно рассматривать как «расширитель диапазона».
Вишенкой на торте является скорость заправки. Как и при подзарядке от сети, для пополнения водородного бака для питания топливного элемента достаточно максимум десяти минут, что мгновенно увеличивает запас хода автомобиля.
И это не единственные преимущества: автомобиль с водородным двигателем предлагает все преимущества вождения электромобиля, начиная с отсутствия шума двигателя, удовольствия от вождения и доступа к ограниченным зонам вождения в некоторых городских центрах.

Зарядка автомобиля на водородном топливе

Как именно заряжается электромобиль на водородных топливных элементах? Ответ отличается у разных производителей. В Renault есть два способа восстановления запасов энергии автомобиля.Во-первых, подзарядка от стандартного электротерминала для питания литий-ионного аккумулятора (вариант облегчается количеством доступных зарядных станций). Во-вторых, заправка на водородной станции для пополнения бензобака занимает всего несколько минут — в течение дня, например, когда водителю нужно продлить поездку.

Хранилище водорода

Хотя термин «автомобиль на топливных элементах» еще не вошел в наш повседневный язык, он не должен вызывать беспокойства, когда речь идет о безопасности.Конечно, водород, находящийся в баке под высоким давлением, является летучим и легковоспламеняющимся элементом. В случае перегрева или извлечения топливного элемента водород рассеивается и высвобождается менее чем за минуту. Перед выпуском в обращение водородные автомобили должны соответствовать особенно строгим европейским нормам. Кангу З.Е. Водород подлежит европейской сертификации, выданной в соответствии с постановлением ЕС № 79/2009.
На протяжении более двадцати лет технологии, использующие диводород, многократно тестировались и получали одобрение, часто в экстремальных условиях (космическая техника, подводные лодки, строительная техника).
Сегодня, благодаря опыту, накопленному новаторским Kangoo Z.E. Водород с 2014 года. Renault Group идет еще дальше, объявляя о партнерстве с известным мировым лидером в области топливных элементов Plug Power, который на сегодняшний день выпустил более 40 000 систем на топливных элементах. Созданный в результате Инновационный центр не только выведет своих партнеров на передовые позиции в области исследований и разработок, производства и коммерциализации транспортных средств на водороде, но и в авангарде сопутствующих услуг (зарядная инфраструктура, поставка водорода и т. д.).)

Сравнение водородного автомобиля и электрического автомобиля с литий-ионным аккумулятором

Хотя эти две технологии кажутся диаметрально противоположными, на самом деле они являются взаимодополняющими видами мобильности. Вопрос «водород или электромобиль?» зависит, прежде всего, от использования и типа транспортного средства. На легком грузовом автомобиле с высокой грузоподъемностью особенно интересен водород. Несмотря на то, что резервуар, используемый для хранения газа, большой, его вес остается приемлемым. Водород особенно подходит для интенсивного использования в замкнутом цикле, когда заправка легко находится и доступна на маршруте движения автомобиля или даже непосредственно на территории компании.
Электромобили, оснащенные только литий-ионными батареями, предназначены для всех типов водителей и использования, от коротких поездок по городу до более длительных поездок. Но когда батарея разряжена, единственным решением является подзарядка от электросети. Электромобилю требуется больше времени для зарядки, чем его водородному аналогу, но доступно больше зарядных станций, как в частных, так и в общественных местах. Парковку можно легко совместить с зарядкой автомобиля. Таким образом, как электрические, так и водородные технологии являются взаимодополняющими технологиями, разработанными для обеспечения устойчивой мобильности, подходящей для всех типов использования.

Насколько популярны водородные автомобили в Европе?

В 2020 году новые регистрации автомобилей на водородных топливных элементах произошли в основном в Германии, за которой следуют Нидерланды и Франция**. Водородные заправочные станции постепенно расширяются по всей Европе. Например, в 2020 году во Франции будет около 100 станций, а к 2030 году планируется увеличить их количество до 1000. В Европе действует 150 станций, из которых 750 находятся в стадии развертывания. К 2025 году в работе находится 3700 станций.Чтобы поддержать эту развивающуюся инфраструктуру, несколько европейских стран ввели политику стимулирования для продвижения технологии: например, Германия, которая только что выделила этому сектору бюджет в размере 700 миллионов евро, и Франция, которая финансирует покупку водородного автомобиля на сумму до 16 000 евро. евро.
Появление первых серийных водородных электромобилей, в том числе профессиональных автомобилей, которые в настоящее время заправляются на территории компании, поможет ускорить развитие инфраструктуры, обещая светлое будущее для водородных технологий.

 

* WLTP: Согласованная во всем мире процедура испытаний легковых автомобилей. Стандартный цикл WLTP соответствует 57 % городских поездок, 25 % пригородных поездок и 18 % поездок по автомагистралям.

**Отчет за третий квартал 2020 года, опубликованный ACEA, Европейской ассоциацией автопроизводителей.

Читайте также

Электромобили

Различные методы хранения энергии

10 июня 2021 г.

Посмотреть больше

Электромобили

Все, что нужно знать о подключаемом гибридном автомобиле

10 июня 2021 г.

Посмотреть больше

Электромобили

Все, что нужно знать о зарядке подключаемого гибридного автомобиля

09 июня 2021 г.

Посмотреть больше

Автомобили на водороде — как работают автомобили на водородных топливных элементах

Прямо сейчас вы можете сесть за руль автомобиля, который не сжигает ископаемое топливо, не производит вредных выбросов и парниковых газов, работает на той же химической реакции, что и ракеты, и пробегает в два раза больше, чем Tesla.

Это называется транспортное средство на водородных топливных элементах, но если вы не живете в Калифорнии, вы, возможно, никогда не видели его на дороге.

➡ Ты любишь крутые тачки. Мы любим крутые машины. Давайте поболтаем над ними вместе.

В наши дни электромобилям, приводимым в движение батареями, кажется, суждено господствовать на наших дорогах, в то время как водородные автомобили, когда-то считавшиеся транспортными средствами будущего, встречаются редко и относительно малоизвестны. Топливные элементы на самом деле имеют много преимуществ по сравнению с конкурентами, в том числе большее количество миль на галлон и более быстрое время дозаправки.

Так что же случилось с водородными автомобилями, которые нам обещали?

Как работают автомобили на водороде

Toyota Mirai, автомобиль на водородных топливных элементах.

Клеменс БиланGetty Images

Первое, что вы должны знать: водородные автомобили — это электромобили . Мы склонны думать об электромобилях только с точки зрения транспортных средств с батарейным питанием, таких как Tesla, Nissan Leaf и Chevy Bolt, но, несмотря на то, что они работают на газообразном топливе, водородные топливные элементы фактически питают их автомобили электричеством.

«Когда мы говорим об электромобилях, это включает в себя подключаемые гибриды, гибриды, электрические аккумуляторы, топливные элементы и все остальное, что может появиться позже, в котором все еще используется электродвигатель», — говорит Кит Випке, руководитель лабораторной программы по топливу. клеточные и водородные технологии в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

Этот контент импортирован из {embed-name}. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Но топливный элемент сильно отличается от батареи. Громадная литий-ионная батарея в животе Tesla Model S накапливает электрическую энергию в виде напряжения на аноде и катоде. Топливный элемент производит электричество посредством электрохимических реакций между топливом (обычно водородом) и кислородом воздуха. Во время реакции водород и кислород объединяются, производя электрическую энергию и безвредный водяной пар в качестве побочного продукта. Если эта первоначальная химическая реакция достаточно велика, она может привести в движение весь автомобиль.

Этот танец механики и химии похож на водородно-кислородную реакцию, которая приводит в действие ракетные двигатели (вы можете помнить это из «Марсианина»). В этом случае энергия, полученная в результате реакции, проходит через топливный элемент и производит электричество вместо взрыва. В обоих случаях высвобождается огромное количество энергии без токсичных побочных продуктов, что делает водородные топливные элементы таким отличным источником энергии для электромобилей.

Сам водород можно получить, проведя этот процесс в обратном порядке, который называется электролизом.Пропуская электрический ток через воду, H3O разделяется на водород и кислород. Однако чаще всего водород производится из природного газа в процессе, называемом конверсией метана с водяным паром, в котором пар высокой температуры и высокого давления смешивается с природным газом для получения водорода.

Этот танец механики и химии похож на водородно-кислородную реакцию, которая приводит в действие ракетные двигатели.

В ходе этого процесса выделяется некоторое количество углекислого газа, поэтому само водородное топливо не является на 100 % чистым.Но он выгодно отличается от выбросов CO2, связанных с электрическими батареями и гибридами, и, очевидно, лучше, чем любой автомобиль, работающий на ископаемом топливе, с точки зрения воздействия на окружающую среду.

Штат Калифорния требует, чтобы по меньшей мере 33 процента водорода, поступающего в транспортные средства, поступало из возобновляемых источников, с надеждой в конечном итоге перейти к 100-процентному использованию возобновляемых источников энергии. Это ставит автомобили на топливных элементах в один ряд с электрическими батареями, работающими от сети.

Много плюсов, один дорогостоящий минус

Ёсикадзу ЦуноGetty Images

По мере того, как на передний план выходят аккумуляторные электромобили, автомобильная промышленность борется с двумя их основными недостатками для водителей.Во-первых, для полной зарядки автомобиля с аккумулятором могут потребоваться часы (если у вас нет доступа к быстрому зарядному устройству), а во-вторых, даже с полностью заряженным аккумулятором большинству электромобилей трудно проехать половину расстояния по сравнению с обычным автомобилем на одном заряде. полный бак бензина.

В автомобилях на топливных элементах таких проблем нет. Водород можно закачивать в топливный бак автомобиля точно так же, как бензин. Вы можете быстро заправиться так же, как бензином или дизельным топливом. А когда у него полный бак, автомобиль на топливных элементах может проехать так же далеко, как и бензиновый автомобиль.У Toyota Mirai самый короткий запас хода среди всех коммерческих седанов на топливных элементах, представленных в настоящее время на рынке, и он проезжает 317 миль на полном баке. Это почти на 50 процентов больше, чем 220 миль, которые базовая модель Tesla Model 3 может проехать без подзарядки.

«Вы можете выбрать любой электропривод и применить его. Там нет преград.»

«Если вы посмотрите, сколько энергии на самом деле проходит через вашу руку, когда вы держите заправочную колонку на бензоколонке, это порядка 1–2 мегаватт», — говорит Випке.Сравните это с 2 киловаттами — в тысячу раз меньшей мощностью — доступной в стандартной сетевой розетке. Легко понять, почему время зарядки аккумулятора так велико.

«С водородом вы по-прежнему перемещаете молекулы, — объясняет он. — Пока у вас есть достаточное давление и пути потока с низким сопротивлением, вы можете очень быстро доставлять молекулы от станции к машине».

Как только эти молекулы попадают в автомобиль, разница между автомобилем на топливных элементах и ​​автомобилем на батарейках невелика.Аккумуляторные автомобили известны своей невероятно высокой производительностью — Tesla установила рекорд от 0 до 60 с одним автомобилем в 2017 году. Но, по словам Стивена Эллиса, менеджера по автомобилям на топливных элементах в американской Honda, автомобили на топливных элементах могут выстоять.

«Поместите достаточное количество мотора в [Honda] Clarity, и он также сможет разогнаться до 0–60 раз», — говорит он. «Опять же, топливный элемент Clarity — это полностью электрический автомобиль. Вы можете выбрать любой электродвигатель и применить его. Там нет преграды».

Однако в настоящее время за все эти преимущества приходится платить высокую цену.Автомобиль Honda Clarity на топливных элементах в настоящее время сдается в аренду почти в два раза дороже, чем его аккумуляторная модель. К счастью, это включает стоимость топлива, которая в настоящее время составляет около 14 долларов за килограмм водорода. С точки зрения энергии это эквивалентно примерно 5,60 доллара за галлон бензина. Стоимость как транспортного средства, так и топлива со временем должна снизиться, но на данный момент преимущества топливных элементов будут сопровождаться высокой ценой.

Наполнить… Где именно?

Томохиро ОсумиGetty Images

Теперь мы подошли к большому камню преткновения для автомобилей на топливных элементах: сегодня почти невозможно достать топливо за пределами Калифорнии.Калифорнийское партнерство по топливным элементам перечисляет 40 действующих в настоящее время водородных заправочных станций, почти все в Лос-Анджелесе или районе залива. Если владелец автомобиля на топливных элементах хочет путешествовать по стране, ему не повезло.

«Потребители любят автомобили, — говорит Випке. «Задача действительно заключалась в том, чтобы построить заправочные станции достаточно быстро, чтобы не отставать от спроса».

Хотя индустрия топливных элементов не удовлетворяет этот спрос, дело не в недостатке усилий. Промышленность открывает примерно одну новую заправочную станцию ​​в месяц и находится на пути к достижению своей цели по созданию 200 заправок в Калифорнии к 2025 году.Даже в этом случае водород останется далеко позади примерно 8 500 заправочных станций, находящихся в настоящее время в штате, а также 17 000 электрических зарядных станций для аккумуляторных автомобилей.

В остальной части США водородная инфраструктура практически отсутствует, а автомобили на топливных элементах не продаются в большинстве штатов. В Нью-Йорке и Коннектикуте есть пара заправочных станций, но Випке говорит, что Северо-Восток отстает от Калифорнии на четыре-пять лет. Северо-восток с его плотностью и политическим климатом действительно может стать местом следующего водородного бума.Но построить надежную сеть будет сложнее, чем в Калифорнии.

Автобус на водородных топливных элементах Транспортного управления округа Ориндж.

ОСТА

«Проблема заключалась в том, что это не просто один штат, поэтому вам нужно привлечь больше людей и освоить технологию», — говорит Випке. «Это более медленный процесс».

По его оценкам, транспортные средства на топливных элементах потребуются еще годы, чтобы стать жизнеспособным видом транспорта в Нью-Йорке.Хотя это значительно отстает от гибридной и электрической инфраструктуры, Випке считает, что водородные автомобили могут сократить разрыв.

«Одна из причин, по которой авто [производители] так воодушевлены водородом, заключается в том, что он предоставляет им транспортную платформу с нулевым уровнем выбросов, которая фактически может заменить каждый отдельный автомобиль в их автопарке», — говорит он. «Если у вас есть очень большой грузовик или внедорожник с возможностью буксировки и большим запасом хода, заменить эти автомобили электрическим приводом довольно сложно, если вы не используете водород.

Некоторые из этих транспортных средств уже существуют или находятся в разработке. General Motors исследует пикап на топливных элементах, Hyundai представила внедорожник на топливных элементах, а Toyota провела последние три года, разрабатывая и тестируя тягач с водородным двигателем. Жители округа Ориндж могут добираться до места назначения на автобусе на топливных элементах с 2016 года, и по стране курсирует 25 таких автобусов.

Хотя большинство американцев никогда не видели автомобиля на топливных элементах, когда-нибудь рядом с вами будет построена станция для заправки водородом.Как только они станут обычным явлением на северо-востоке, заправочные станции начнут расширяться вглубь от побережья, и Випке и Эллис считают, что через несколько десятилетий заправочные станции, а вместе с ними и водородные автомобили, будут практически повсюду.

---

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на фортепиано.ио

Что такое водородный автомобиль и как он работает?

Водородные автомобили используют водородное топливо в качестве источника энергии. Хотя эта технология используется для ракет и других транспортных средств, в будущем она, похоже, окажет наибольшее влияние на автомобили.

Химическая энергия водорода преобразуется в механическую энергию посредством REDOX-реакции (восстановления/окисления) между водородом и кислородом в специально разработанном топливном элементе.

 

Нажмите здесь , чтобы посмотреть наши последние технические подкасты на YouTube .

Производство водорода

Поскольку водород не содержится в резервуарах или природных месторождениях, как в случае с ископаемым топливом, его необходимо производить из природного газа или биомассы или подвергать электролизу воды. Одним из преимуществ водородной энергетики является снижение выбросов парниковых газов, особенно когда газ производится с использованием возобновляемой электроэнергии для преобразования воды в водород.

Хотя водород можно производить из ископаемого топлива, такого как природный газ, это приводит к выбросам парниковых газов, тем самым устраняя или сводя к минимуму экологические преимущества. Таким образом, возобновляемые источники энергии кажутся ответом, например, в Исландии, где геотермальная энергия используется для производства водорода, или в Дании, где используется энергия ветра.

Как работают водородные топливные элементы?

Водородный топливный элемент преобразует потенциальную химическую энергию в электрическую с помощью протонообменной мембраны (PEM), которая использует газообразный водород (h3) и кислород (O2).Однако, поскольку кислород легко доступен в атмосфере, топливный элемент необходимо снабжать только водородом, необходимым для питания транспортного средства.

Водородные топливные элементы состоят из отрицательно заряженного катода и положительно заряженного анода, контактирующих с электролитом. Электролит представляет собой протонообменную мембрану, специально обработанный материал. Газообразный водород поступает в топливный элемент со стороны анода и под давлением проходит через катализатор. ФЭУ проводит только положительно заряженные ионы, блокируя электроны.Анод проводит электроны, освободившиеся от молекул водорода, через внешнюю цепь. Эти электроны обеспечивают мощность для привода электродвигателя, лампочек и так далее.

Тем временем кислород проталкивается через катализатор со стороны катода, где отрицательный заряд атомов притягивает атомы водорода, протолкнувшиеся через внешнюю цепь, до того, как ионы водорода и кислород рекомбинируют с образованием воды.

Следующее уравнение водородного топливного элемента показывает процесс:

O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^– → 2H ₂ O

2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ^–

2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O (чистая реакция)

Водородные топливные элементы различаются и используют разные материалы для катализатора, в основном наночастицы платины.Эти наночастицы обращены к ПОМ, а катализатор является шероховатым и пористым, чтобы подвергать максимальную площадь поверхности воздействию водорода или кислорода.

Топливные элементы укладываются в стопки. Стеки встроены в модуль, включающий аппаратное и программное обеспечение управления топливом, водой и воздухом, а также управление охлаждающей жидкостью.

Преимущества и недостатки водородных топливных элементов

Водородные топливные элементы имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с традиционными двигателями. Топливные элементы не только более надежны из-за отсутствия движущихся частей, но и более эффективны.Эта более высокая эффективность связана с тем, что химическая потенциальная энергия преобразуется непосредственно в электрическую энергию, а не сначала преобразуется в тепло, а затем снова для механической работы, что известно как «тепловое узкое место». чище, чем от традиционных двигателей, поскольку они выделяют только воду и некоторое количество тепла, а не множество парниковых газов, связанных с традиционными двигателями внутреннего сгорания.

Однако с водородными топливными элементами связан ряд проблем, в том числе высокая стоимость производства.Это в первую очередь связано с расходом редких веществ, таких как платина, необходимых для катализатора. Самые ранние конструкции топливных элементов также плохо работали при низких температурах, но более поздние модификации технологии позволили решить эту проблему. Срок службы топливных элементов также теперь сравним со сроком службы других транспортных средств: ожидается, что PEM прослужит 7300 часов в условиях езды на велосипеде.

Прочтите наше полное руководство о плюсах и минусах водородных топливных элементов здесь

Хранение водорода

Высказывались опасения по поводу хранения водорода в самих автомобилях.После закачки в автомобиль газ хранится в баллоне высокого давления, что заставляет некоторых беспокоиться о безопасности хранения легковоспламеняющегося газа в автомобиле. Тем не менее, все автомобили на рынке должны пройти строгие тесты на безопасность.

Что касается транспорта, были проведены исследования, связанные с использованием борана аммиака, соединения для хранения водорода, из которого водород можно отделить с помощью мембраны. Это дает преимущества при транспортировке, поскольку аммиак легче безопасно хранить в цистернах, чем чистый водород.

Помимо топливных баков транспортных средств и транспортных проблем, водород необходимо хранить на водородных заправочных станциях. Низкая энергия воспламенения в сочетании с высокой энергией сгорания водорода, а также тот факт, что газ имеет тенденцию к утечке из резервуаров, привели к взрывам на водородных заправочных станциях. Опять же, это очевидный фактор, который необходимо учитывать до широкого использования водородных транспортных средств.

Водородная инфраструктура

Чтобы сделать автомобили на водородных топливных элементах транспортом будущего, необходимо улучшить инфраструктуру вокруг транспортных средств.Это потребует увеличения количества водородных заправочных станций по всему миру и в Великобритании, которые должны будут снабжаться прицепами со сжатым водородом, автоцистернами с жидким водородом, водородными трубопроводами или, в качестве альтернативы, использовать какую-либо форму специального производства на месте. Создание этой инфраструктуры, соответствующей потребностям потребителя, может оказаться дорогостоящим, даже несмотря на то, что некоторые предлагают создание домашних водородных заправочных станций.

Нормы и стандарты

Еще одним фактором, который может задержать широкое использование водорода, являются необходимые нормы и стандарты безопасности и хранения газа.Их необходимо будет разработать для различных водородных электромобилей в разных странах.

Стоимость автомобиля и производство

Автомобили с водородным двигателем в настоящее время дороги для покупки, и первыми из них, появившимися на рынке, являются Toyota Mirai, Hyundai Nexo и Honda Clarity. Мало того, что текущие затраты могут превысить начальную цену в размере около 50 000 фунтов стерлингов, темпы производства этих автомобилей все еще относительно низкие, что означает потенциально длительное ожидание после размещения заказа на автомобиль.Однако по мере того, как все больше компаний стремятся выйти на рынок автомобилей на водородных топливных элементах, цены со временем должны начать падать, как это происходит с большинством новых технологий.

Какие плюсы и минусы?

Плюсы:

• Более дешевый налог
  Подобно автомобилям с электрическим приводом и подключаемым гибридам, автомобили на водородных топливных элементах относятся к «автомобилям со сверхнизким уровнем выбросов», что означает, что они относятся к группе с низким уровнем налогообложения. Кроме того, отсутствие выбросов CO2 означает, что владельцам не придется платить акцизный сбор на транспортное средство (дорожный налог), за исключением небольшой ежегодной надбавки за автомобили стоимостью более 40 000 фунтов стерлингов в течение первых пяти лет.
• Плата за въезд
  Тем, кто едет в центр Лондона или в другие районы с платой за въезд, не придется платить, если они управляют транспортным средством на топливных элементах.
• Окружающая среда
  Как уже упоминалось, отсутствие вредных выбросов означает, что автомобили на водородных топливных элементах бережнее относятся к окружающей среде. Это преимущество необходимо квалифицировать в зависимости от того, как производится водород, при этом возобновляемые источники энергии являются наиболее благоприятными. Однако даже в тех случаях, когда ископаемое топливо используется для производства водорода, оно производит меньше вредных выбросов, чем сжигание бензина или дизельного топлива.Кроме того, водородные автомобили позволяют избежать экологических проблем, связанных с добычей бензина или дизельного топлива для традиционных двигателей внутреннего сгорания.
• Диапазон
  Беспокойство по поводу запаса хода стало фактором для электромобилей, даже с новыми технологиями, позволяющими значительно сократить время зарядки. Однако вряд ли это будет проблемой для водородных автомобилей, которые могут проехать 300 миль на одном баке.

Минусы:

• Заправка
  Поскольку в настоящее время существует очень мало водородных заправочных станций, заправка вашего автомобиля сейчас является реальной проблемой.Тем не менее, правительство Великобритании создало многомиллионный фонд для улучшения заправочной инфраструктуры для поддержки новой технологии, а это означает, что заправка не должна быть такой проблемой в будущем.
• Эксплуатационные расходы
  Помимо поиска места для заправки, есть также проблемы с расходами на топливо. Поскольку водород в настоящее время дороже бензина или дизельного топлива, эксплуатация водородного автомобиля может ударить по карману потребителей, по крайней мере, на данный момент.
• Топливные баки
  Как упоминалось в разделе о хранении водорода (выше), есть некоторые опасения по поводу безопасности движения с баком, полным легковоспламеняющегося газообразного водорода.Хотя он легко воспламеняется, то же касается и бензина, а резервуары, используемые для водорода, спроектированы так, чтобы быть особенно прочными. Хотя это увеличивает вес и стоимость транспортных средств, они должны соответствовать стандартам безопасности, прежде чем станут коммерчески доступными, а это означает, что это не должно быть проблемой.

Усовершенствования технологии и инфраструктуры транспортных средств на водороде

Многие предполагаемые недостатки автомобилей на водороде можно устранить за счет инвестиций в инфраструктуру и технологии.Выделенные заправочные станции для водорода стоят дороже, чем внедрение зарядных станций для электромобилей, и, если потребление водородных транспортных средств не увеличится, эти инвестиции вряд ли будут продвигаться. Это создает что-то вроде ситуации «Уловка-22», когда инфраструктура необходима для поддержки освоения водородных транспортных средств, но без освоения водородных транспортных средств потребность в инфраструктуре может быть отброшена за ненадобностью. Тем не менее, правительство Великобритании и ЕС уже поддерживают стремление увеличить количество доступных водородных заправочных станций.

Технологии, управляющие самими транспортными средствами, также со временем будут совершенствоваться, и эта технология также должна стать дешевле по мере увеличения запаса хода для водородных автомобилей. Более низкие затраты, повышенная эффективность и более развитая вспомогательная инфраструктура будут способствовать повышению доверия потребителей и росту популярности водородных автомобилей в будущем.

Различия между автомобилями на топливных элементах и ​​электромобилями

В то время как традиционный двигатель внутреннего сгорания, похоже, уйдет в прошлое, автомобили на водородных топливных элементах сталкиваются с жесткой конкуренцией со стороны других электромобилей.

В то время как как аккумуляторные электромобили, так и автомобили на водородных топливных элементах обеспечивают вождение без вредных выбросов, автомобили с батарейным питанием могут использовать существующую инфраструктуру для подзарядки, хотя они должны быть подключены к сети в течение более длительного периода времени и по-прежнему вызывают вопросы относительно диапазона.

Вопрос в том, какая технология может решить их конкретные проблемы, чтобы стать предпочтительным видом транспорта в будущем.

Использование водорода — Управление энергетической информации США (EIA)

Водород используется во многих промышленных процессах

Почти весь водород, потребляемый в Соединенных Штатах, используется промышленностью для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и переработки пищевых продуктов.Нефтеперерабатывающие заводы США используют водород для снижения содержания серы в топливе.

Водород используется для исследования космоса

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) начало использовать жидкий водород в 1950-х годах в качестве ракетного топлива, и НАСА было одним из первых, кто начал использовать водородные топливные элементы для питания электрических систем космических кораблей.

Космическая ракета НАСА

Источник: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) (общественное достояние)

Источник: Адаптировано из Национального энергетического образовательного проекта (общественное достояние)

Водородные топливные элементы производят электричество

Водородные топливные элементы производят электричество, комбинируя атомы водорода и кислорода.Водород вступает в реакцию с кислородом через электрохимический элемент, аналогичный аккумулятору, для производства электричества, воды и небольшого количества тепла.

Доступно множество различных типов топливных элементов для широкого спектра применений. Небольшие топливные элементы могут питать портативные компьютеры и даже сотовые телефоны, а также военные устройства. Крупные топливные элементы могут поставлять электроэнергию в электрические сети, обеспечивать резервное или аварийное электроснабжение зданий, а также поставлять электроэнергию в места, не подключенные к электрическим сетям.

По состоянию на конец октября 2021 года в США насчитывалось около 166 работающих генераторов электроэнергии на топливных элементах на 113 объектах с общей мощностью производства электроэнергии около 260 мегаватт (МВт). Самый большой одиночный топливный элемент — это Бриджпорт (Коннектикут) Fuel Cell, LLC с генерирующей мощностью около 16 МВт. Следующие два крупнейших действующих топливных элемента имеют генерирующую мощность по 6 МВт каждый. Один из них расположен в энергетическом центре Red Lion в Делавэре, где есть еще пять топливных элементов меньшего размера для комбинированной установки общей электрической мощностью 25 МВт.Большинство всех действующих топливных элементов используют трубопроводный природный газ в качестве источника водорода, но три используют свалочный газ и три используют биогаз, полученный при очистке сточных вод.

Проект San Diego Gas and Electric по преобразованию энергии из газа в электроэнергию будет использовать электрическую сеть для производства водорода путем электролиза и использовать его в топливных элементах для выработки электроэнергии.

Сжигание водорода для производства электроэнергии

Интерес к использованию водорода в качестве топлива для электростанций растет.В Соединенных Штатах несколько электростанций объявили о планах работать на топливной смеси природного газа и водорода в газовых турбинах внутреннего сгорания. Одним из примеров является объект Long Ridge Energy Generation Project мощностью 485 МВт в Огайо с газовой турбиной внутреннего сгорания, которая будет работать на смеси 95% природного газа и 5% водородного топлива в газовой турбине с планом в конечном итоге использовать 100% экологически чистых Водород производится из возобновляемых ресурсов. Другим примером является запланированное Межгорным энергетическим агентством преобразование существующей угольной электростанции в Юте в газовую электростанцию ​​с комбинированным циклом, которая первоначально будет использовать до 30% водорода, а в конечном итоге будет использовать 100% зеленый водород.

Использование водорода в транспортных средствах

Водород считается альтернативным топливом для транспортных средств в соответствии с Законом об энергетической политике 1992 года. Интерес к водороду как к альтернативному транспортному топливу обусловлен его способностью питать топливные элементы в транспортных средствах с нулевым уровнем выбросов (транспортные средства без выбросов загрязнителей воздуха), его потенциалом. для внутреннего производства, а также потенциал топливных элементов для высокой эффективности. Топливный элемент может быть в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине.Водород также может использоваться в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, но сжигание водорода приводит к выбросам оксидов азота и менее эффективно, чем использование в топливных элементах. Некоторые производители транспортных средств предлагают в аренду или продажу легкие автомобили на водородных топливных элементах в Калифорнии, где есть общественные заправочные станции. Испытательные автомобили также доступны в ограниченном количестве организациям, имеющим доступ к водородным заправочным станциям.

Высокая стоимость топливных элементов и ограниченная доступность водородных заправочных станций ограничивают количество используемых сегодня транспортных средств, работающих на водороде.Производство транспортных средств, работающих на водороде, ограничено, потому что люди не будут покупать эти автомобили, если водородные заправочные станции труднодоступны, а компании не будут строить заправочные станции, если у них нет клиентов с водородными транспортными средствами. В Соединенных Штатах насчитывается около 48 водородных заправочных станций, и почти все они находятся в Калифорнии. Программа чистого транспорта штата Калифорния включает помощь в создании общедоступных заправочных станций для автомобилей на водороде по всей Калифорнии для продвижения потребительского рынка автомобилей на топливных элементах с нулевым уровнем выбросов.

No related posts.