Promremont34.ru

Авто мастеру
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое двигатель на водородных элементах

Поедем на водороде? Как обстоят дела с самыми экологически чистыми электромобилями

Продажи электрокаров растут, даже несмотря на пандемию COVID-19. Так, за 2020 год было реализовано 3,1 млн штук по всему миру — их доля в общем объеме составила почти 5% против 2,5% в 2019 году. При этом 2,2 млн пришлось на экологически чистые электромобили и более 900 тыс. — на подзаряжаемые гибриды (PHEV).

Но по-прежнему 95% проданных машин оснащено двигателями внутреннего сгорания. Дело в том, что нерешенными остаются ключевые вопросы, связанные с емкостью батареи (и соответственно, пробегом автомобиля), длительностью зарядки, инфраструктуры… И главная проблема — откуда мы получаем электроэнергию для такого автомобиля?

В большинстве случаев она вырабатывается на тепловых электростанциях — за счет сжигания топлива. Выходит, мы просто обманываем сами себя: экологические проблемы не решаются, а просто переносятся из «чистых» городов, где бегают электромобили, в районы, где добывают нефть, газ, уголь, и сжигают их.

На этом фоне ведущие автопроизводители продолжают осваивать проекты, основанные на использовании водорода как топлива.

Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.

В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами — анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.

Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая — 350 км.

Перспективы водородных энергетических систем

В Токио в конце сентября текущего года прошла встреча министров энергетики и руководителей энергетических структур из более чем 30 стран. На ней обсуждались перспективы водородных энергетических систем в мире на предстоящее десятилетие. Как сообщает агентство Kyodo News, в постановлении совещания названа цель добиться, чтобы через 10 лет в мире было «10 миллионов транспортных средств с водородными системами» и «10 тысяч станций заправки водородом». В январе 2017 года по инициативе японских компаний Toyota Motor Corp. и Air Liquide был создан Hydrogen Council — Международный совет по водородным технологиям. В него вошли 27 концернов, фирм и компаний, в том числе, кроме японских, Audi, BMW, Daimler, Shell, Total и др. Переход на водород позволит значительно сократить выбросы СО2 в таких отраслях, как транспорт, химическая промышленность и металлургия.

Однако, такие революционные переходы влекут за собой коммерческие, финансовые и социальные изменения. Чаще всего сложные и местами весьма болезненные. Последние, во многом связаны с быстротой перемен и недостаточным временем на подготовку к ним.

Водородные топливные элементы

Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.

Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину. Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду. Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.

Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату. Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км. Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.

Водородные технологии Toyota против Илона Маска

Японский автомобильный гигант Toyota выпустил на рынок модульную систему для электрокаров на топливных элементах питания (FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle). Технологию водородного двигателя смогут приобретать и другие автопроизводители, что ускорит развитие сегмента.

Toyota твёрдо намерена продвигать использование водорода и начнёт продавать водородные системы уже с весны этого года.

«Модуль водородных топливных элементов поможет достичь глобальных целей декарбонизации и движения за углеродную нейтральность», — говорится в сообщении производителя.

Интересно, что японский автоконцерн делает ставку на развитие водородных технологий, тогда как популярный бизнесмен и инфлюенсер отрасли Илон Маск (основатель бренда Tesla) настаивает на аккумуляторном будущем. Еще пару лет назад Маск высмеивал водородные автомобили, называя топливные элементы «кучей мусора», и давал им эпитеты вроде «дурацкие» или «умопомрачительно глупые». По мнению Маска:

Но японцы идут «водородным» путём. Toyota уже продает автомобиль Mirai на топливных элементах и планирует десятикратный рост продаж марки на мировом рынке после выпуска Mirai второго поколения. Новая Toyota Mirai на 30% увеличит дальность пробега на одной заправке, то есть до 650 километров, сообщил автопроизводитель в конце ноября. Кроме выпуска собственных автомобилей, японский автогигант Toyota будет продавать модуль на топливных элементах другим автопроизводителям.

«Модуль на топливных элементах достиг высочайшего уровня удельной мощности на единицу объема», — утверждает Toyota.

Добавляется, что техническое обслуживание не требует особых забот. Новая система топливных элементов может сыграть решающую роль в отрасли. Модуль может быть использован компаниями, разрабатывающими топливные элементы для грузовых автомобилей, автобусов, поездов и судов, а также стационарных генераторов. Модуль может быть непосредственно подключен к существующему электрическому транспортному средству, снабженному двигателем, инвертором и батареей.

Преимущества

В электромобилях на топливных элементах (FCEV) водород, хранящийся в резервуаре, соединяется с кислородом из воздуха для производства электроэнергии, а в качестве отходов выделяется безвредный водяной пар.

В отличие от более распространенных электромобилей с батарейным питанием, автомобили на топливных элементах не нуждаются в долгом подключении для зарядки. Они «заполняют бак» почти так же быстро, как традиционные газовые и дизельные автомобили. Все современные модели превышают 300 миль дальности поездки на полном баке.

Да, но и развитие аккумуляторов для электрокаров не стоит на месте — производители также работают над сокращением времени подзарядки электромобилей. Тем не менее у водородного топлива есть еще одно преимущество перед электрическими батареями — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для холодной погоды: они не теряют заряд на морозе, как происходит с электрокарами.

Возражения

Хотя сами электромобили на топливных элементах выделяют только водяной пар из своих выхлопных труб, к загрязнению окружающей среды может привести производство водорода. Об этом говорит Союз заинтересованных ученых (Union of Concerned Scientists (UCS), некоммерческая научная правозащитная организация, базирующаяся в США). В их докладе говорится: несмотря на то, что возобновляемые источники водорода, такие как сельскохозяйственные угодья и свалки отходов, растут, большая часть водорода, получаемого в качестве топлива, поступает из традиционной добычи природного газа.

Но основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива. Средняя цена на водородное топливо в Калифорнии составляет около $16/кг (бензин продаётся галлонами 3,7 литра, а водород — килограммами). Бензин стоит $3 за галлон. Для сравнения: 1 галлон бензина имеет примерно такое же количество энергии, как 1 кг водорода. Однако электромобиль на водороде преодолевает большее расстояние, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания (с эквивалентным количеством топлива).

Кроме того, стоимость заправки водородных автомобилей, скорее всего, снизится в ближайшем будущем. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30%. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими источниками энергии для транспортных средств.

Читать еще:  Zafira b нет температуры двигателя

Кто еще за водород?

Инвестируют в развитие инфраструктуры для автомобилей на топливных элементах и другие крупные японские производители. Так, Honda и Toyota объединились с Shell Oil для строительства новых водородных заправочных станций в Калифорнии. В настоящее время в США продано более 1,1 тысячи электромобилей Honda Clarity на топливных элементах.

Корейский автогигант Kia Hyundai тоже вкладывает деньги в развитие водородных технологий и заявляет, что работает над тем, чтобы сделать водородные топливные элементы коммерчески жизнеспособными. Примером корейских водородных автомобилей является Nexo — технологический флагман Hyundai.

«Nexo создан c ориентиром на наш общий свободный и чистый завтрашний день. Такой, в котором автомобиль существует с человеком в единой среде, не мешая ему, не издавая лишних шумов и не оставляя загрязнений. Это свобода от долгих часов простоя для зарядки электрических батарей», — так позиционирует водородные автомобили рекламная служба Huyndai.

Рейтинг дальности корейского водородного кроссовера по версии EPA (Агентство по охране окружающей среды США) составил 380 миль, что больше, чем у любого аккумуляторного электромобиля на рынке.

«Производитель поставил себе цель продавать несколько тысяч автомобилей Nexo в год», — сообщают СМИ.

Работают в направлении углеродно-нейтрального будущего и промышленные гиганты General Motors и Ford Motor Company. В январе 2021 года GM заявила, что «идет ва-банк к полностью электрическому будущему, стремясь устранить все выбросы выхлопных труб от новых легковых автомобилей через 15 лет».

Ford также говорит о своих намерениях перейти на полностью электрическую линейку автомобилей. До 2025 года компания инвестирует $22 млрд в электромобили, а к 2030 году — перейдет на полностью электрические пассажирские автомобили в Европе.

Какая доля будет принадлежать автомобилям на топливных элементах, сказать сложно. Но модуль, который презентовала Toyota, может послужить серьезному росту в этом сегменте.

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

После того как в 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива, «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

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

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода, — богатые запасы пресной воды (внутренние водоемы, тающие ледники Арктики и снега Сибири). Здесь уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

Водород как надежда на чистое будущее

Последователи «водорода» говорят: как на смену лошадям пришло дизельное топливо, так и на смену нефти придёт новый источник топлива, не загрязняющий атмосферу вредными веществами, — водород. Водород — самое распространённое химическое вещество во Вселенной. Побочные продукты производства электричества из водорода — вода и тепло. Водород поступает в топливный элемент, который затем преобразует его в ток, необходимый для питания электродвигателя.

Различные компании работают над созданием автомобилей на водородных топливных элементах вот уже на протяжении шести десятилетий. Еще в 1966 году концерн General Motors представил первый прототип подобного автомобиля Electrovan, однако в массовое производство тот запущен не был.

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее, другие, как Илон Макс, напротив, всячески критикуют инвестиции в автомобили на топливных элементах и настаивают на развитии аккумуляторов для электрокаров. Как всегда, время рассудит.

Автор: Екатерина Воробьева

Подписывайтесь на канал «Инвест-Форсайта» в «Яндекс.Дзене»

Как работают водородные автомобили

В мире в последние годы наблюдается повышенный интерес к альтернативным источникам энергии. Не обошла эта тенденция и автопромышленность, которая является главным источником загрязнения атмосферы Земли. Именно поэтому большинство стран мира планируют к 2030 году отказаться от использования автомобилей с традиционными двигателями внутреннего сгорания.

Мы знаем, что на смену обычным бензиновым автомобилям скорее всего придут гибриды и электрокары. Но не стоит сбрасывать со счетов и другие автомобили, которые могут работать на альтернативных источниках энергии. Давайте рассмотрим например, водородные автомобили, которые возможно рано или поздно смогут вытеснить с авторынка весь существующий ныне автотранспорт. Мы расскажем вам о том, как работают водородные автомобили, о их плюсах и минусах, сравним их с бензиновыми, дизельными и электрическими автотранспортными средствами.

Принцип работы

Это химическая реакция происходящая в водородном топливном элементе.

Водородные автомобили, которые начала серийно выпускать автопромышленность, в качестве своего альтернативного источника топлива используют как известно, водород, который взаимодействуя с кислородом превращается в водяной пар, а в результате этого выделяется уже энергия. Эта энергия в водородном автомобиле обычно направляется либо на электродвигатели, либо на аккумуляторную батарею, которая затем и питает электродвигатель машины.

На основе этой технологии возможно построить и двигатель внутреннего сгорания, который сможет работать на том же водороде и будет аналогичен моторам, которые работают на бензине.

Преимущества

Подобно электромобилям данные транспортные средства, что работают на водородном топливном элементе, не выделяют углекислого газа. В результате этого получается, что водородные автомобили не способствуют глобальному потеплению или загрязнению атмосферы воздуха. Нынешние водородные автомобили стали практически бесшумными, а это также является хорошим преимуществом перед автомобилями, которые оснащены двигателями внутреннего сгорания (ДВС). К сожалению, но увы, в мире пока не существует оснащенных ДВС машин, которые работали бы совсем бесшумно.

Поскольку в автомобилях с водородным топливным элементом используются только электродвигатели, то в этих видах автотранспорта максимальный крутящий момент доступен сразу, т.е. с 0-ых оборотов в минуту работы двигателя.

Водородные автомобили, в отличие от электрокаров и обычных бензиновых транспортных средств могут иметь более широкий диапазон работы, они более эффективны. Например, 1 грамм водорода выделяет в 3 раза больше энергии, чем грамм бензина. Заправка же водородного автомобиля происходит намного быстрее электрического авто. Кроме того, на полном баллоне заправленного водородом, автомобиль имеет гораздо больший запас хода, чем электрокар. В итоге получается, что водородные автомобили больше подходят для длительных поездок и на длительные расстояния в сравнении с электромобилями, которые рассчитаны как известно для передвижения на небольшие расстояния.

Недостатки

Основным недостатком водородных автомобилей является то, что такое топливо как водород, чрезвычайно сложно и трудно хранить. Чтобы заправить нормальное количество водорода в резервуар, его необходимо для начала сжать, примерно до 700 бар. А для сжатия водорода потребуется энергия. Кроме того, чтобы храненить водород под высоким давлением, требуется тяжелый усиленный высокопрочный резервуар, чтобы это легкоиспоряемое топливо не представляло ни какой опасности всей окружающей среде .

Таким образом, в случае такой утечки или разгерметизации баллона с водородом всегда существует огромный риск, что газообразный легковоспламеняющийся водород воспламениться или хуже того, возьмет и взорвется.

Что касаемо его производительности, то водородные автомобили с ДВС работающие на водороде, нуждаются в гораздо большем объеме количества воздуха, если сравнивать их с бензиновыми автомобилями. Вот например, идеальное химическое соотношение воздуха с топливом для бензиновых моторов составляет около 14,3 к 1, а для водородных автомобилей это соотношение уже будет составлять примерно 38 к 1. Однако при таком соотношении водорода и кислорода водородные двигатели внутреннего сгорания сжигают топливо при очень большой температуре, что приводит к разрыву тройных связей азота в воздухе и в результате этого начинает образовываться закись азота (да, это так и есть, образуется тоже вещество, которое выбрасывается в атмосферу при работе дизельного мотора). Это вещество является одним из самых вредных загрязнителей окружающей природы.

Чтобы уменьшить уровень вредных выбросов в ДВС который работает на водороде необходимо, чтобы соотношение между водородом и кислородом увеличилось почти до 80 к 1. Но вместе с этим, ДВС работающий на водороде потеряет большое количество своей мощности в сравнении с аналогичными бензиновыми моторами. Дело здесь вот в чем, как мы уже ранее сказали, водород является более энергоемким топливом по сравнению с бензином.

Один из способов обойти подобный неблагоприятный эффект, это использовать для максимальной мощности твердый топливный элемент, который будет давать энергию электромоторам, которая потребуется в тех случаев, когда автомобилю будет нужна максимальная мощность. То есть, как вы уже поняли идея заключается в том, чтоб в данном автомобиле при небольшой мощности и нагрузке в качестве альтернативы использовать водородное топливо а не бензин, которое и будет питать ДВС. Для максимальной же мощности в действие вступит уже аккумулятор, который и будет подпитывать электродвигатель.

Читать еще:  Что с двигателем когда свечи белые

Другой проблемой для такого типа двигателей является тот факт, что водород чрезвычайно энергоемкое вещество, т.е. топливо. Если сравнивать его с бензином, то в 1 литре водорода содержится всего около 30% энергии в отличие от того же бензина. Соответственно, что запас хода водородного автомобиля на одном полном заправленном баке будет небольшим, если его сравнивать с бензиновой машиной.

Водородные автомобили (не важно какую технологию они используют: топливный элемент или же водород, который используется напрямую вместо бензина в качестве топлива) так же как и бензиновые транспортные средства не так эффективны, если например их сравнивать с электрокарами. КПД водородных автомобилей составляет примерно 30 — 50%, что сопоставимо с бензиновыми автомобилями. А это почти на половину меньше, чем КПД электрических автотранспортных средств.

Это может означать или означает следующее, что сами водородные автомобили как и бензиновые, основную и большую часть своей энергии теряют в процессе обработки так называемой тепловой выделяемой энергии.

Есть еще один серьезный минус таких машин, которые работают на водородном топливном элементе. Этот тип или вид машин не очень-то приспособлен работать при холоде.

Откуда же берут водород?

Существует два основных способа получения водорода. Первый включает в себя следующее, а именно, взаимодействие паров с метаном (природным газом) в результате чего получается водород и двуокись углерода.

При таком способе получения водорода, существуют две проблемы. Первая, -при этом процессе выделяется углекислый газ, который является парниковым газом наносящим вред атмосфере планеты. Вторая, -газ метан является ископаемым топливом и он не возобновляется.

Второй способ получения водорода, это расщепление воды посредством электролиза. В результате этого процесса из воды выделяется чистый водород, который может служить источником топлива для водородного автомобиля. К нашему сожалению для этого процесса необходимо слишком много энергии, которая не будет потом возобновлена на все 100%. Кроме того, в процессе получения чистого водорода происходят некоторые косвенные выбросы углекислого газа.

В том числе, в процессе получения водорода часть энергии топлива теряется, что делает водородные автомобили менее эффективными в сравнении, например с тем же электрическим транспортом.

В заключительном итоге, в водородных автомобилях топливо стало обычным источником подзарядки аккумуляторных батарей, которые в свою очередь и питают сам электромотор. Тут есть все очень просто. Энергия от водорода поступает в так называемый накопительный аккумулятор, чтобы поддерживать уровень заряда самой батареи, который постоянно снижается из-за питания электродвигателя. Вот и вся хитрость.

Какие водородные автомобили сегодня продаются на мировом авторынке?

Прямо сейчас, единственным массово серийным водородным автомобилем, который можно купить и приобрести, является Toyota Mirai. В настоящий момент эта машина продается в США, в Японии и в некоторых странах Европы и ОАЭ. По имеющимся сегодня данным Японская компания продала уже более 3000 тысяч автомобилей. К большому сожалению этот водородный седан стоит очень дорого.

В среднем его цена- 60 000 долларов США. И эти деньги вы должны выложить и отдать за автомобиль мощностью всего в 152 л.с., где максимальный запас хода равен 500 км, и те только при идеальных условиях езды. В среднем автомобиль может проехать, где-то 300 км, что сопоставимо с автомобилем седан Tesla Model S. Так что запас хода этого водородного автомобиля не очень-то впечатляет.

Но есть еще одна важная проблема для автомобиля. Где вы будете заправлять Toyota Mirai? Ведь водородных заправок даже в мировом масштабе не так уж много. Именно отсутствие такой инфраструктуры и тормозит развитие водородного автотранспорта.

В мире существуют еще две серийные водородные модели автомобилей. Речь идет о Honda Clarity и Hyundai Tucson FCEV. Но эти машины доступны для граждан только в нескольких странах мира, и то в ограниченном тираже.

Недавно, компания Mercedes на автосалоне во Франкфурте представила на всеобщее обозрение свой первый серийный водородный кроссовер, под маркой- GLC, который в скором времени будет доступен для покупки его во всех странах Евросоюза.

Таким образом вы убедились, что выбор водородных авто не так уж на сегодня и богат даже в его глобальном мировом масштабе. Но тем не менее, мировая автопромышленность не стоит на месте, в настоящий момент уже многие автомобильные компании занимаются своими разработками и исследованиями в этой области автомобилестроения.

Например, компания BMW в настоящий момент проводит инженерные испытания своего водородного спорткара, созданного на базе i8.

В том числе активные разработки водородных автомобильных технологий ведет и компания Mazda. Вот например, у известного Японского бренда есть новая разработка роторного мотора, который способен работать на водородном топливе. Подобная технология была также использованна и на прототипе автомобиля RX-8 Hydrogen RE. Эта машина может работать и на водороде, и на бензине. Правда при работе на водороде мощность машины существенно падает и состовляет всего 109 л.с.

Не отстает от таких разработок и компания Aston Martin, которая уже создала Rapide S способный работать как на бензине, так и на водороде. Например, эта машина может использовать разные виды топлива как по отдельности, так и вместе взятые.

Кстати Aston Martin Rapide S стал первым водородным автомобилем, который успешно завершил 24-часовые гонки в Нюрбургринге.

Вывод

Итак, самый существенный вопрос, который волнует сегодня миллионы человек на Земле. Будут ли водородные автомобили в будущем жизнеспособными? И другой немало важный вопрос. Смогут ли они заменить все ныне существующие автомобили?

Однозначно, что на эти вопросы сегодня вам никто не ответит: ни великие инженеры и автоконстукторы, ни физики и ни химики, даже самые известные всему миру фантасты не смогут сегодня дать ответ на эти конкретно поставленные вопросы..

А спрогнозировать заранее на чем будут ездить люди во всем мире примерно через 100 лет, просто невозможно.

Лично мы со своей стороны считаем, что водородные автомобили никогда не смогут стать нашими основными транспортными средствами и заменить традиционные автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Ведь такие автомобили недостаточно эффективны. Кроме того, во всем мире под водородные автомобили нет необходимой инфраструктуры, а чтобы ее развить до уровня бензиновых и дизельных АЗС, потребуется не одно столетие и огромные инвестиционные средства.

Сегодня использование электричества в плане топлива для автомобилей, более предпочтительно. Ведь согласитесь, что использование напрямую электричества для питания электродвигателей куда логичней, чем использование преобразования воды в водород и обратно только с одной целью,- подпитывание или питание аккумуляторных батарей. Причем надо не забывать, что при данном процессе теряется до 50% всей энергии. Согласитесь, это не очень впечатляет.

Тем не менее мы хотим сказать, что водородные автомобили могут использоваться например, в тех же самых автогонках электрокаров, где поддерживать нужный уровень заряда аккумулятора является главной задачей всех спортивных команд. Используя водород во время таких гонок, т.е. гонок электрокаров, командам не нужно будет часто менять аккумуляторы, что естественно увеличит саму зрелищность этих соревнований.

Заправиться водородом: альтернативное топливо

В мире активно идут разработки топлива, которое может заменить бензин и дизель. Каких инноваций стоит ждать в ближайшем будущем — разбиралась РВК.

Создать альтернативу традиционным видам автомобильного топлива ученые пытались не одно десятилетие. Но скорее из спортивного интереса — речи о масштабном выводе разработки на рынок не шло. Запасов бензина и нефти было достаточно. Причем по приемлемым ценам, если не считать периодические скачки. Всерьез о необходимости нового топлива эксперты заговорили в начале 2000-х, когда заметно выросли цены на нефть. Параллельно стали ужесточаться экологические нормы и требования к выхлопам автотранспорта.

Оптимальным ответом на вызовы времени стало предложение гибридных двигателей, которые, кроме бензина, могли бы использовать электричество. Появились и газовые системы. Однако тренд последнего времени — разработка двигателей, которые работают за счет трех источников энергии: аккумуляторных батарей, водородных элементов и суперконденсаторов. Водородные элементы позволяют химически (без пламени) генерировать электричество, а аккумуляторы и конденсаторы его сохраняют. В итоге машина движется за счет накопленной электроэнергии, которую создает газовое топливо.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя abk

В отличие от обычных электрокаров, такой автомобиль получает значительный запас хода — даже больше, чем с бензиновым топливом. И это, кстати, актуально для России с ее огромными территориями и слишком холодными для электродвигателей зимами.

Еще одно важное преимущество водородных топливных элементов — то, что они позволяют запустить двигатель быстро без подзарядки аккумулятора, да и в обслуживании такой двигатель, как заверяют разработчики, неприхотливее классического. В целом за счет цены топлива и долговечности водородные машины, по-видимому, должны стать экономичнее для потребителей.

Варианты технологий

Газовые топливные элементы имеют немало различий. Поэтому компании-разработчики продолжают экспериментировать с вариантами нового двигателя. Самый популярный — топливный элемент с протонно-обменной мембраной. Он отмечается высокой плотностью энергии и быстрым запуском в компактном корпусе. Перспективной считается технология с использованием метанола. Но здесь есть и побочный эффект: углеродный остаток. Водород же в качестве остатка дает воду.

Также топливные элементы могут иметь различные типы электролитов, в которых ионные реакции протекают при разных температурах. Низкотемпературные требуют чистый водород, а значит, больше энергии и специальное оборудование. Высокотемпературные топливные элементы менее затратны, но не везде подходят.

Соревнования разработок

В отличие от беспилотных автомобилей, крупных технологических конкурсов по разработке водородных двигателей не проводится. Потенциальных участников не так много. Среди корпораций — разработчиков водородной технологии можно назвать лишь Toyota, Honda и Hyuindai.

Большинство конкурсов по «водородной альтернативе» проходят среди студентов технических вузов с призовым фондом до 1 тысячи долларов, а испытания проводятся на миниатюрных конструкторских моделях.

Например, ежегодный конкурс Hydrogen Car Challenge (H2 Challenge) среди университетских команд, проводимый компанией TransOptions. В ходе гонки профессиональное жюри оценивает следующие параметры: скорость модели, техническое проектирование, внешний дизайн, качество проектной документации.

Еще пример — ежегодный студенческий конкурс Chem-E-Car Competition, проводимый Американским институтом химических инженеров (American Institute of Chemical Engineers). Участники также работают на миниатюрных моделях, при этом водород должен вырабатываться на месте (либо на автомобиле), а использование баллонов водорода запрещено.

Среди других конкурсов по водородным топливным элементам стоит отметить соревнования, проводимые правительством Великобритании. В данном случае конкурсы имеют целью развитие инфраструктуры и экосистемы на основе водородного топлива.

Первый из таких конкурсов состоялся в 2016 году, в рамках которого участники могли получить софинансирование со стороны Департамента транспорта Великобритании на пополнение своих автопарков автомобилями на водородных топливных элементах. Суммарный объем фонда составил 2 миллиона фунтов стерлингов (160 миллионов рублей), победителями стали 14 организаций, в том числе Europcar (прокат автомобилей), Skanska (строительная компания), служба скорой помощи Йокршира.

Другой конкурс с более весомым бюджетом — 23 миллиона фунтов стерлингов (1,8 миллиарда рублей) — объявило Бюро по автомобилям с низким уровнем выбросов Департамента транспорта Великобритании в 2017 году. Цель подобных соревнований, как объясняют местные власти, — достичь нулевого выхлопа CO2 на транспорте к 2040 году.

Конкурсы для разработчиков водородных технологий вскоре пройдут и в России. В июле стартовал сбор заявок на Up Great в рамках Национальной технологической инициативы. Среди первых трех конкурсов два — на создание водородных двигателей для летательных аппаратов и наземного транспорта. Возможные победители (при условии выполнения задания) станут известны уже в следующем году.

По результатам соревнований могут появиться новые разработки, которые подтолкнут развитие «водородного» рынка и соответствующей инфраструктуры в России. На данный момент ее практически нет.

Игроки рынка топливных элементов

Поскольку расходы на разработку водородных двигателей требуют еще значительных инвестиций, многие автопроизводители пока делают выбор в пользу альтернативных электродвигателей. Однако к 2020 году ожидается выход на рынок более 12 крупных производителей водородных двигателей. В частности, над разработками в этой области работают BMW, Daimler, Honda и Toyota. Демонстрационные авто уже эксплуатируются в Европе, США и Азии.

Хотя разработки водородных двигателей идут уже более десяти лет, основным сдерживающим фактором остается их высокая стоимость (в частности, платины, которая используется в составе). Для доработки и удешевления технологии компании начали создавать консорциумы-партнерства — как, например, Honda, Nissan и VW.

По оценкам Frost & Sullivan, к 2030 году глобальный рынок водородных двигателей составит около 583 тысяч единиц, причем на страны Азиатско-Тихоокеанского региона — Японию и Южная Корею — будет приходиться наибольшая доля продаж (219 тысяч и 80 тысяч соответственно). В других регионах ожидается более медленная динамика:117 тысяч к 2020 году в Европе и 119 тысяч — в Северной Америке.

Предполагается, что лидерами отрасли будут Toyota и Hyundai. На первого придется порядка 30% объема всех продаж к 2030 году, на Hyundai — около 25%.

Кстати, японцы уже разработали свою первую серийную модель автомобиля с водородным двигателем — Toyota Mirai. Автопроизводитель заявляет, что она отличится от своих аналогов повышенным запасом хода, который составит 480 километров.

Свой мелкосерийный водородный автомобиль в конце 2015 года представила и компания Honda — седан Honda Clarity Fuel Cell. Мощность двигателя составляет около 100 кВт (135 л.с.), заявленный запас хода — 700 километров, время заправки не превышает трех минут.

Конечно, стоимость этих машин сильно ограничивает их популярность. Например, в 2017 году водородная Honda стоила 3,3 миллиона рублей. Toyota в 2015 году — 66 тысяч евро, или 5,28 миллиона рублей по текущему курсу.

Создание инфраструктуры для заправки водородным топливом будет играть решающую роль в успешной коммерциализации заработок. Сейчас число водородных станций остается довольно низким, и это основной сдерживающий фактор роста рынка автомобилей на водородных двигателях. Сегодня в мире всего порядка 250 водородных заправочных станций, из них 75% — в Северной Америке и Европе. Великобритания поставила цель — создать к 2018 году 65 заправочных станций и более 840 — к 2030-му.

Ожидается, что автопроизводители будут постепенно продвигать водородные транспортные средства для соответствия нормативным требованиям по количеству выбросов вредных веществ, а также исходя из развития инфраструктуры водородных заправочных станций.

Несмотря на то что основной рынок водородного топлива — автомобили, перспективы этих двигателей наблюдаются и в других транспортных индустриях. Они используются и в авиации, железнодорожном транспорте, морской технике.

Например, компания MAN Truck & Bus производит городские низкопольные автобусы на водороде. Они уже эксплуатируются в Европе.

Компания Boing совместно с европейскими компаниями в 2008 году запустила первый пилотируемый полет самолета с двигателем на топливных элементах. В Германии компания Siemens занимается выпуском подводных лодок на водороде (плюс их в том, что они практически не производят шума).

Испанская судостроительная компания Navantia, S.A. также планировала начать производство водородных подводных лодок для охраны побережья. Однако испытания в 2013 году прошли неудачно: из-за конструкторских ошибок спроектированные лодки оказались значительно тяжелее и испытывали трудности при всплытии.

Зато Исландия планирует перевести на водород весь транспорт, включая общественный, личные автомобили и плавательные средства. Начать решили с рыболовецких судов. Так, в 2008 году сообщалось, что 12 тысяч судов рыболовного флота будут оснащены водородными двигателями.

Перспективы водородных автомобилей в России

Российский рынок транспортных средств на водородных топливных элементах фактически отсутствует. Официальные поставки водородных моделей мировых автопроизводителей — Toyota, Honda, Hyundai — в Россию не планируются, в первую очередь из-за отсутствия заправочных станций, а также конкретных планов развития водородного транспорта в стране.

Вместе с тем существуют определенные перспективы. Водородные автомобили имеют преимущество в потенциальном запасе хода в условиях холодных российских зим на фоне электромобилей, которые значительно сокращают его в холодное время года. Предполагается, что стоимость в обслуживании таких автомобилей может стать ниже классических моделей, что также сыграет существенную роль в потребительских предпочтениях и развитии рынка.

Многое о перспективах развития водородной технологии в России могут сказать результаты конкурсов «Первый элемент» по разработке альтернативных двигателей в рамках технологических конкурсов Up Great.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector