Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
Плюсы водородного двигателя
Минусы водородного двигателя
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.
Водородные автомобили
«Если мы используем “чистый” электромобиль, то и электроэнергия, которая приводит его в движение, должна вырабатываться с помощью “чистой” энергии: солнце, вода или ветер. Однако время и продолжительность, когда мы будем производить такую электроэнергию, не будет совпадать с тем временем, когда мы нуждаемся в ней. Это может быть суточная разница, погодная, сезонная и т.д. Значит, нам надо хранить электроэнергию в батареях долгое время — понадобятся гигантские хранилища. Это нереально, тем более, что нынешние батареи не могут долго хранить энергию. Именно поэтому мы не мыслим будущего без водорода и автомобилей на топливных элементах», — это слова Геральда Килманна, вице-президента по исследованиям и разработкам Toyota.
Японский автопроизводитель видит свое будущее в развитии технологий на топливных элементах, где основным топливом должен стать водород. Но где и как его добывают таким способом, чтобы весь процесс стал экологически чистым? Для ответа на этот вопрос мы отправились в Японию на небольшую опытно-экспериментальную фабрику Hama Wing в Иокогаме, что в 40 минутах езды от Токио. Ее начали строить в 2015 году, а уже в 2018 фабрика должна выйти на проектную мощность. Речь идет о ветряной электростанции, расположенной на самом берегу бухты Иокогама, которая совмещена с производством водорода путем электролиза воды и его хранилищем.
Электричество необходимо для электролизной установки, которая расщепляет воду на кислород и водород, а также компрессоров, которые сжимают водород для последующего стационарного хранения в резервуаре, расположенном на самой станции, либо для транспортировки в грузовиках-заправщиках до конечного потребителя. В данном случае потребителями являются местные предприятия, использующие 2,5-тонные вилочные погрузчики на топливных элементах. Излишки электричества, вырабатываемые ветрогенератором, либо запасаются в хранилище с аккумуляторами, либо отдаются в электросеть города посредством распределительной щитовой. Это если вкратце, но самое интересное кроется в деталях.
Сам процесс выработки водорода происходит в электролизной установке, изготовленной компанией Toshiba. Это небольшой контейнер (длина — 6,2 м, ширина — 2,4 м, высота — 2,9 м), в котором находятся воздушный компрессор, электролизер, охладитель и воздушный ресивер. Рядом с электролизной установкой расположен небольшой резервуар с азотом. Азот нужен для работы охладителя, так как в процессе электролиза выделяется тепло — водород находится в нагретом состоянии. Таким образом система охлаждает всю установку и полученный газ, чтобы исключить возможность его взрыва.
Для транспортировки водорода к конечному потребителю используются дизель-электрические гибридные грузовики Hino Dutro Hybrid последовательно-параллельной схемы, выполненной на манер Toyota Prius. Одного грузовика хватает, чтобы заправить 6 погрузчиков на топливных элементах. Грузовики по сути являются мобильными водородоснабжающими АЗС: они оснащены оборудованием, позволяющим осуществлять закачку водорода под давлением 35 МПа непосредственно в погрузчик на местах, где отсутствует необходимая заправочная инфраструктура.
На заправку «полного бака» одного погрузчика, который вмещает 1,2 кг водорода, уходит 3 минуты. Этого запаса хватает на 8 часов непрерывной работы при температуре окружающей среды 0-40°С. Также на борту стоит преобразователь и бытовая розетка с напряжением 100В — таким образом погрузчик в любой момент может стать на 15 часов источником бесперебойного питания, к которому можно подключать приборы и устройства мощностью до 1 кВт.
У проекта Hama Wing есть несколько важных целей: первая — продемонстрировать всю технологическую цепочку производства и реализации низкоуглеродистого водорода от его получения и хранения до снабжения конечного потребителя; вторая — создать простую и понятную интегрированную систему, которая даст возможность оценить как практическую доступность водорода в качестве вида топлива, так и потенциал дальнейшего коммерческого использования этой системы; третья — использовать производство водорода как эффективную меру для развития региона и борьбы с глобальным потеплением.
О «социальной» значимости данного проекта говорит тот факт, что в центре почти 4-миллионной Иокогамы в парке Ринко, где любят отдыхать местные жители, установлено электронное табло, которое круглосуточно показывает информацию о текущем состоянии ветряка и количестве выработанной электроэнергии. Более того, каждый год порядка 14000 человек посещает «водородную фабрику», чтобы воочию увидеть, как происходит выработка топлива будущего.
Kia решила показать на выставке CES прототип нового Niro EV, который не только имеет электрический мотор, но и обладает массой современных «штук». Например, он уже сейчас может работать с перспективными мобильными сетями 5G, которые в десятки (если не сотни) раз быстрее нынешних. Благодаря 5G автомобиль получит возможность «разговаривать» с другими машинами, с домом хозяина и так далее. А еще эта Киа сможет общаться с пешеходами — различные сообщения появляются на «решетке радиатора» (написано в кавычках, ибо никакой решетки тут нет).
презентация нового водородного кроссовера Hyundai прошла не на автосалоне в Детройте, который откроется уже скоро, а на выставке гаджетов. Итак, встречайте — Hyundai Nexo. Автомобиль, который подтверждает, что корейцы решили бороться с Toyota за перспективный рынок водородомобилей. Кстати о том, как делают водород и почему именно он (а вовсе не электричество) имеет все шансы заменить в будущем традиционный бензин Три баллона для водорода расположены тут под полом задней части кузова и вмещают 6,35 килограмма топлива, а запас хода на одной заправке доходит до 595 километров.
А еще именно Hyundai Nexo станет первой машиной, которая примет участие в испытаниях автопилота четвёртого уровня автономности (подразумевает фактически полный отказ от водителя, его премьера на серийных автомобилях намечена на 2021 год). «Мы понимаем, что будущее — за автономным транспортом, и соответствующие технологии нуждаются в проверке в реальных условиях, что обеспечит их быстрое, безопасное и масштабируемое развертывание», — отметил Янг У Чхоль, вице-президент Hyundai Motor.
Заявленный запас хода Niro EV — меньше 400 километров. По нынешним временам это мало, поэтому корейцы и не акцентируют внимание на этих цифрах. Зато в салон они рекомендуют всем заглянуть. Ведь там новый информационный комплекс, который может появиться на многих моделях компании. Главные особенности: переход на сенсорное управление и функция распознавания голосов и лиц. Последнее означает, что машина сама будет понимать, кто садится за руль или на пассажирские сиденья. И автоматически настроит кресла и включит любимое радио.
Автомобили на водороде против электромобилей, обзор
1 min
Мир переходит на электромобили и автомобили на водородном топливе — это тенденция. Многие страны полностью откажутся от автомобилей на двигателях внутреннего сгорания уже к 2030 году. Законы о запрете автомашин на бензине введены или рассматриваются в Индии, Великобритании, Норвегии, Бельгии и др. странах. Переход на электромобили неизбежен и идет быстрыми темпами. Но у электрокаров есть серьезный конкурент — автомобили на водороде.
Ученые и эксперты считают что электромобили это лишь переходный этап, а в ближайшем будущем водородные авто заменят электромобили так как они имеют гораздо больше технических преимуществ и главное — более экологичные.
Как работают автомобили на водороде?
Устройство водородного авто во многом напоминает устройство электрокара: тот же электрический двигатель, только аккумулятор получает питание не от электросети, а от результата химической реакции с участием водорода. Сама реакция протекает внутри ячеек своеобразных реакторов — топливных элементов. Из себя ячейка представляет пару пористых электродов (положительного катода и отрицательного анода), разделенных мембраной из полимера, на который тонким слоем нанесен катализатор.
Если представить схематически, то со стороны анода из специального баллона в систему подается водород, а со стороны катода — уже кислород. Их встреча вызывает химическую реакцию, в процессе которой протоны свободно уходят через полимерную мембрану, а электроны — задерживаются, создавая напряжение. Так возникает электричество, которое далее по цепи идет на электродвигатель, приводящий автомобиль в движение.
Как мы видим, выхлоп при такой химической реакции «нулевой» — чистый и безвредный водяной пар, этот момент очень нравится экологам. Подобное устройство также делает водородные автомобили независимыми от привычного техобслуживания — не надо менять опостылевшее масло или свечи. В чем еще один плюс и для экологии, и для кошелька водителя.
Автомобиль на водороде
Существуют и альтернативные способы добычи водорода:
• Из бурого угля — получение недорогого водорода. Однако сырье легко воспламеняется, отчего практически не транспортабельно.
• Из побочных промышленных отходов — их сегодня ровно столько, что полученного водорода хватит для заправки 250-750 тыс. автомобилей.
Таким образом, чтобы автомобили на водороде работали во всем мире, им требуется множество водородных заправок, их сейчас крайне мало. На сегодня водородные заправочные станции распространены лишь в США, Германии, Японии. В России на настоящий день только одна заправка — и та неофициальная. Причин такой малочисленности несколько, основное это:
• Водород — взрывоопасный элемент: хранение «топлива» требует повышенных мер безопасности, а значит — больших трат на постройку, обслуживание объекта, работу квалифицированного персонала.
• Взрывоопасность «топлива» требует соблюдения осторожности и при заправке. Поэтому на большинстве заправочных станций этот процесс автоматизировали, что также требовало немалых расходов.
Электромобиль пока еще проигрывает автомашине с двигателем внутреннего сгорания, это:
• Ограниченный пробег электрокаров, небольшая дальность расстояний, которые можно проехать на одной зарядке.
• Пока еще малое количество зарядно-заправочных станций.
• Долгий процесс зарядки аккумулятора.
• Трудность эксплуатации при минусовых температурах.
Водородные автомобили имеют следующие возможности:
Автомобили на водороде против электромобилей
Для сравнения возьмем одну из самых ярких моделей автомашин, работающих от сжиженного водорода — кроссовер Nexo от южнокорейского производителя Hyundai:
• 600 км хода (при полностью заправленном баллоне);
• мощность 161 л/с.
• разгон до 100 км/ч всего за 9,5 сек.
Электрокары будет представлять Tesla Model Y, самый ожидаемый из кроссоверов последних лет, представленный компанией харизматичного предпринимателя и миллиардера Илона Маска.
Плюсы автомобиля на водороде
Начнем с главных достоинств Hyundai Nexo:
1. Автомобиль не только не загрязняет атмосферу вредными соединениями и газами, но даже способствует очищению воздуха. Как утверждают разработчики, созданная ими система фильтрации может вытянуть из обрабатываемого воздуха до 99,9 % вредных примесей. За час оборудование очищает несколько десятков килограмма воздуха — это «порция» более чем для 40 человек.
2. Уже проведены исследования, доказывающие, что 10 000 автомобилей, работающих на сжиженном водороде, заменяют собой в условиях крупного города порядка 600 000 взрослых деревьев.
3. Водород — один из самых распространенных элементов из периодической таблицы Менделеева. В это же время литий, необходимый для изготовления аккумуляторов электромобилей, сравнительно редок — производители уже ведут за элемент настоящие «торговые войны».
4. Ученым доступна новая методика перемещения и хранения водорода в машинах: используется модульная установка, позволяющая сохранять элемент в форме аммиака. Перед использованием на тех же кроссоверах «Хендай» оборудование преобразует аммиак обратно в водород.
5. Возможность покупки подержанного водородомобиля: в отличие от электрокара, его топливные элементы изнашиваются значительно медленнее, чем аккумуляторные батареи. Так, ресурс ячейки для протекания химических реакций — 250 тыс. км пробега.
Минусы авто на водороде
Но инновационный водородомобиль имеет также и существенные недостатки:
1. И электрокары, и машины на водородном топливе приводит в движение все тот же электромотор. В первом случае источником энергии для двигателя выступает аккумулятор, а во втором — блоки с топливными элементами. Одним словом водородомобилю опять же требуется электродвигатель.
2. Сжиженный водород пока что — не самое удобное и безопасное топливо: сравнительно быстро расходуется, требует много места и с большими сложностями хранится.
3. Производительность кроссоверов на водороде Hyundai заметно уступает электромобилям Tesla: передовые модели электрокаров разгоняются до 100 км/ч за 2,5 секунды, а не за 9,5.
5. Свободно пользоваться автомобилями на водородном топливе можно только в Калифорнии, где имеются необходимые заправки. Электромобили же распространены более широко — так, станции для подзарядки можно уже найти на пространствах России и Украины.
Главные водородные концепты современности
Познакомимся поближе с самыми популярными автомобилями на водороде:
Toyota Mirai
• Mercedes-Benz GLC F-Cell. Особенность этого автомобиля на водороде в том, что это некий гибрид, при необходимости его можно подзарядить и от электросети. Водитель может выбрать комфортный для себя режим следования: ускоренный заряд автомашины на ходу, использование лишь заряда батареи, работа только на водороде с сохранением заряда аккумулятора и поступление энергии одновременно и от батареи, и от топливных элементов. Обновленная модель может похвастаться мощностью 211 л/с (первоначально — 197 л/с). На 4,4 кг водородного топлива машина проедет 430 км, а при заряде от электророзетки — 50 км.
• BMW X5 i Hydrogen Next. Для основы была взята стандартная серийная платформа, электродвигатель может питаться и от батареи, и от топливных элементов. Мощность немецкой разработки — 170 л/с.
Какие перспективы у автомашин на водороде
Если полистать новости десятилетней давности, то мы увидим, что машины на водородном топливе ставили в один ряд с электрокарами. Сегодня же видно, что такой транспорт обходится слишком дорого, а в большинстве мировых государств еще нет необходимой заправочной сети.
О том, что надежды на водород не оправдались, можно судить по американскому рынку водородных автомобилей — самому крупнейшему в мире. С 2012 года в США было реализовано всего 8000 транспортных средств на водородном топливном элементе. Свободно ездить на водороде можно только в Калифорнии — штате с самой широкой сетью соответствующих заправок. И то, регион периодически страдает от дефицита водорода, из-за чего владельцы не могут пользоваться своими авто.
Уже ясно, что по вопросам экологии водородные машины снова проигрывают электромобилям. То же самое можно сказать и о самом больном вопросе — о стоимости автомобилей. Не вызывает энтузиазма у автовладельцев и небогатый выбор водородных авто. На рынке доступны считанные модели, а многие автопроизводители к 2020 году уже свернули свои водородные проекты: выпуск таких авто обходится в 3 раза дороже, чем электрокаров.
Вывод из всего сказанного: на настоящий момент позиция водорода на топливном рынке оставляет желать лучшего. Водородные проекты не видятся перспективными крупным игрокам мирового автопрома, а население задумывается о приобретении водородной машины в самую последнюю очередь.
Но есть повод надеяться, что инновация не канет в Лету: ведь водородные топливные элементы весьма выгодны при производстве тех тех же паромов или мусоровозов. Инновации еще не раз нас удивят и возможно в скором будущем будут представлены новые технологии водородного двигателя с уникальными характеристиками.
Новые комментарии:
Отменить ответ
Лет 50 назад уже пытались строить машины на водороде, и они благополучно повзрывались. Не понимаю, зачем постоянно выдумывать велосипед в угоду «зеленых» и «защитников природы»?
Взять хотя бы энергетику – почти каждая влиятельная страна мира хоть раз высказывалась об отказе от традиционных топливных источников, но пока кроме угля, нефти и газа – ничего лучше не придумали.
В Европе убрали атомные электростанции, поставили вместо них ветряки и солнечные батареи, а теперь платят огромные счета за электричество и замерзают, потому что ветер дует слабо, солнца не так много как думали, да и батареи снегом заметает.
Лучше бы оставались на угле и не создавали себе проблем. То же самое и с автопромом – бензин проверен временем, относительно дешев и почти безопасен, в отличие от водорода.