Водородный двс

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

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

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

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

История развития рынка водородных двигателей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Toyota Mirai 2016 года выпуска

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.

Схема работы водородного двигателя

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.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

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

Плюсы водородного двигателя

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

Минусы водородного двигателя

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

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

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

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

Водородный транспорт в России

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

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

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

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

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

Перспективы технологии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Двигатель внутреннего сгорания на водороде: устройство и принцип работы

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач.

С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.

По этой причине автопроизводители постоянно работают над тем, чтобы получить «безвредный» для окружающей среды и относительно дешевый в производстве силовой агрегат, который при этом не будет нуждаться в дорогом топливе.

Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

Содержание статьи

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Во времена Второй мировой войны, когда возникли сложности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, который был родом из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве горючего  для ДВС, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате появилось около полутысячи двигателей, работавших на водороде.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г. построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

Прежде всего, горение водорода по сравнению с нефтяным топливом отличается тем, что водород сгорает намного быстрее. В обычном двигателе смесь бензина или солярки с воздухом заполняет камеру сгорания тогда, когда поршень почти поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка), затем топливо какое-то время горит и уже после этого газы давят на поршень.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Однако чтобы этого добиться, на автомобиле должна стоять установка для электролиза (электролизер), которая и будет отделять водород от воды, чтобы затем получить нужную реакцию с кислородом в камере сгорания. На практике установка получается сложной и дорогой, а создать такую закрытую систему довольно сложно.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Также даже небольшая утечка водорода может стать причиной того, что топливо попадет на разогретый выпускной коллектор, после чего может произойти взрыв или пожар. Чтобы этого не случилось, для работы на водороде чаще задействуют  роторные двигатели. Такой тип ДВС больше подходит для этой задачи, так как их конструкция предполагает увеличенное расстояние между впускным и выпускным коллектором.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды  на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода  на полном баке водорода составляет около 300  км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной).  Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода.  В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания двигателей-гибридов, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы  и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.

Также не особенно большим является и сам выбор водородных  легковых авто. Кроме Honda Clarity можно разве что упомянуть Mazda RX8 Hydrogen, а также BMW Hydrogen 7. Фактически это автомобили-гибриды, которые работают на жидком водороде и бензине. Еще можно добавить в список Mercedes GLC F-Cell. Эта модель имеет возможность подзарядки от бытовой сети электропитания и позволяет пройти до 500 км. на одном заряде.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, принципах работы, а также преимуществах и недостатках моторов данного типа.

Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород  весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для  авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.

К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Что касается недостатков и сложностей, машина с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникать проблемы с заправкой топливом по причине недостаточного количества заправочных станций. Не стоит забывать и о том, что также не просто найти специалистов, которые способны качественно и профессионально обслужить водородную силовую установку. При этом обслуживание будет достаточно затратным.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Читайте также

Toyota построила водородный ДВС для гонок — ДРАЙВ

Первые боевые испытания нового мотора пройдут в рамках серии Super Taikyu 2021, а именно на 24-часовой гонке NAPAC Fuji Super TEC, которая состоится 21–23 мая.

Компания Toyota создала водородный ДВС для автогонок. Шаг необычный, учитывая, что конёк фирмы в этой области — машины на топливных элементах (Mirai). К тому же регулярно рождаются проекты применения электрохимических генераторов в гонках (последнияя затея такого плана — Forze IX). Но в данном случае японцы решили детальнее изучить потенциал ДВС на водороде. Они не первые, заметим. Но это возврат к данному направлению после паузы.

Toyota полагает, что такое расширение водородной тематики способствует дальнейшему становлению «водородного общества». Заправлять гоночный автомобиль Toyota будет водородом, добытом на станции Fukushima Hydrogen Energy Research Field в городе Намиэ, префектура Фукусима (там этот газ получают электролизом за счёт энергии от крупных полей солнечных батарей).

Мотор получился трёхцилиндровым, с рабочим объёмом 1618 см³, турбонаддувом и интеркулером. Отдача не раскрыта. Выбросы углекислого газа — почти нулевые. Почти, потому что во время работы в цилиндры может попадать (и сгорать) небольшое количество моторного масла.

Новый двигатель получил в виде опыта адаптированный под гонки хэтч Corolla Sport. Интересно, что он использует баллон со сжатым водородом, подобно системе питания в современных машинах на ТЭ. Это отличается от подхода, скажем, фирмы BMW, которая экспериментировала с ДВС на водороде семнадцать лет назад. Гоночный концепт h3R, а затем мелкосерийный седан Hydrogen 7 оснащались шестилитровым агрегатом V12, а в качестве источника топлива там стоял бак с жидким водородом. Но позже немцы оставили тему ДВС на водороде и обратились к топливным элементам.

есть ли у них будущее

Загрязнение атмосферы вызывает серьезную озабоченность общественности, организаций по защите окружающей среды. Реальной альтернативой ДВС являются водородные транспортные средства и автомобили на электротяге.

Электричество или водород

В настоящее время существует актуальная проблема, которая заключается в том, что 60% электроэнергии, потребляемой во всем мире, производится на тепловых электростанциях. Для того чтобы обеспечить возросший спрос на электричество, придется сжигать углеводороды в еще больших количествах. Даже при полной замене ДВС электродвигателями произойдет перераспределение вредных выбросов, уменьшение будет не столь значительным. Концентрация CO2 в воздухе снизится в мегаполисах, но возрастет в местах расположения ТЭС. Кроме того, автомобиль не единственный источник загрязнения окружающей среды: об электрических кораблях, самолетах пока не идет даже речи.

Водородная энергетика в этом смысле предпочтительнее. Добыча водорода сопровождается микроскопическими, по сравнению со сжиганием углеводородов, выбросами токсичных веществ. Выхлоп автомобиля на водороде на 99,99% состоит из чистого водяного пара, безвредного для окружающей среды. Но тут возникают другие проблемы, которые носят экономический, технологический, инфраструктурный характер.

Как устроен водородный двигатель

Разработаны два вида двигателей работающих на водороде:

• обычный ДВС, где вместо бензина используется водород;
• с применением топливных элементов.

В первом случае используется все тот же двигатель внутреннего сгорания. Инженерные решения направлены на оптимизацию горения смеси водорода с воздухом, разработку системы питания и снижение взрывоопасности. Данная концепция распространения не получила. Водород, который отличается высокой чистотой, в камере сгорания контактирует с маслом. Поэтому отработанные газы, пусть в значительно меньшем количестве, но содержат токсичные компоненты. Помимо этого, эксплуатация таких автомобилей небезопасна, требует значительных затрат.

При использовании топливных элементов транспортное средство, которое приводится в движение водородным двигателем, принципиально является тем же электромобилем. Разница в том, что на чистой электротяге батарея заряжается от внешних источников, а в водородном автомобиле электроэнергия непрерывно черпается из топливных элементов.

Они состоят из двух камер, одна из которых является анодом, а другая катодом. Между ними находится мембрана. Все компоненты покрыты дорогостоящими редкоземельными металлами, играющими роль катализатора. В результате реакции гидролиза водород, находящийся в анодной камере, соединяясь с кислородом из атмосферного воздуха в катоде, превращается в водяной пар. Процесс сопровождается выделением свободных электронов, которые поступают в электрическую сеть автомобиля.

Такая схема значительно эффективнее, практически отсутствуют вредные выхлопы. Львиная доля усилий конструкторов направлена на развитие двигателей на топливных элементах.

Преимущества и недостатки водородных двигателей

Достоинства и недостатки силовых агрегатов с топливными элементами вытекают из особенностей водорода как топлива, технического уровня двигателей. Факторы, считающиеся безоговорочным достоинствами:

• простота конструкции, соответственно, надежность;
• КПД, превышающий таковой у бензинового двигателя, но уступающий электрическому;
• отсутствие каких-либо шумов;
• почти полное отсутствие вредных выбросов;
• высокая мощность двигателей;

приемлемая автономность: современные водородные автомобили способны преодолевать на одной заправке до 500 километров.

Среди недостатков можно выделить следующие:

• увеличенная масса автомобиля;
• взрывоопасность водорода, которая резко повышается при наличии неисправностей в двигателе;
• высокая стоимость эксплуатации автомобиля.

Реальная эксплуатация показывает, что километр пути на автомобиле с водородным двигателем обходится минимум на 50% дороже, по сравнению с бензиновым ДВС. Расход водорода в несколько раз меньше, чем бензина, но все перекрывает его цена.

В этом кроется главная проблема водородной энергетики. В виде соединений с другими веществами запасы h3 на Земле безграничны, но в чистом виде его почти нет. Для его получения используется сложная технология. К этому добавляются проблемы хранения, транспортировки, создания инфраструктуры.

Перспективы водородных автомобилей

Для того чтобы полноценно осветить на этот вопрос, необходимо точно знать цель, с которой бензиновый двигатель пытаются заменить водородным. Если речь идет о внедрении технически более совершенного двигателя, то в этом ракурсе перспективы водородоавтомобилей почти такие же, как и у бензиновых агрегатов, немного выше. ДВС, как бы он не совершенствовался, имеет принципиальное ограничение: низкий коэффициент полезного действия.

Водородный двигатель в этом смысле предпочтительнее, но уступает электромобилям. С другой стороны, обогреть салон чистым электричеством, без снижения автономности, невозможно: запас на автомобиле ограничен. Водородные двигатели таких проблем не знают: при гидролизе выделяется тепло.

Если приоритетом является экология, здесь водородный двигатель имеет приоритет перед остальными. Но не все так однозначно. Современные технологии добычи водорода находятся на таком уровне развития, что дешевле всего получать h3 путем сжигания газа или угля. При этом выделяется углекислый газ, для борьбы с которым и внедряют водородный автомобиль. Экологически чистые способы добычи водорода не обладают достаточной производительностью, значительно повышают его стоимость, которая и так немаленькая.

Если удастся разработать экономичную, производительную, экологически чистую технологию добычи водорода, автомобиль на таком топливе, без сомнения, получит широкое распространение. По эксплуатационным характеристикам он уже сейчас превосходит ДВС.

По сравнению с электрическим у водородного двигателя существует ключевое преимущество: на заправку водородом потребуется около 5 минут, тогда как зарядка батареи на специальных станциях занимает несколько часов.

5 причин, почему электричество и водород не заменят ДВС — журнал За рулем

10–15 лет назад переход на альтернативные виды топлива казался далеким будущим, а сейчас отказ от транспорта с ДВС — часть государственной политики развитых стран.

Франция и Великобритания планируют с 2040 года запретить продажу всех новых автомобилей, работающих на бензине или дизельном топливе, а к 2050 году автомобили с ДВС должны и вовсе исчезнуть с дорог. Правда, есть несколько «но», которые могут помешать этим планам сбыться.

1. Батареи не обеспечивают большого запаса хода

Материалы по теме

Пробег на одном заряде ограничен несколькими сотнями километров, после чего автомобиль нужно оставлять на зарядной станции на несколько часов.

При этом дизельные машины уже давно ездят больше тысячи километров на одном баке, и, чтобы продолжить поездку, нужно лишь найти ближайшую заправку и залить полный бак.

С другой стороны, энергетики работают над системой быстрой зарядки, которая позволяет заряжать автомобиль за минуты. Например, новый Hyundai Ioniq 5 с помощью подобной зарядки может получить 80% заряда батареи всего за 18 минут, при этом на полном заряде он проезжает 470–480 км по циклу WLTP.

2. Производство батарей и электричества неэкологично

Более трети электроэнергии, которая производится в мире, образуется за счет сжигания угля, — а это один из самых грязных источников энергии. С тем, что использование угля — проблема, которую нужно решать, согласен и идеолог электротранспорта Илон Маск.

Производство литий-ионных аккумуляторов, которые используются в большинстве электромобилей, тоже неэкологично. Самый яркий пример негативных последствий добычи лития — это пустыня Атакама в Чили, разрастающаяся из-за литиевых заводов. Для добычи этого редкоземельного элемента требуется гигантское количество воды, которую выкачивают из недр. Из-за этого в Атакаме осушаются оазисы и погибают животные.

3. Электромобили негде заряжать

Количество электрокаров в мире едва достигает 1%, а их владельцы уже испытывают проблемы с зарядными станциями — те часто не работают, на месте зарядок стоят обычные автомобили, а количество разъемов напоминает о досмартфоновской эре, когда каждый производитель создавал свой стандарт.

Материалы по теме

Если количество электротранспорта будет расти в геометрической прогрессии, нагрузка на электросети серьезно возрастет, так как быстрые зарядки потребуют более высоких напряжений и токов заряда. Это значит, что не все сети смогут справиться с возросшей нагрузкой.

Кроме того, есть и концептуальная проблема. На заправку полного бака автомобиля с традиционным двигателем уходит несколько минут. Для полной зарядки электромобиля сегодня требуется несколько часов, из-за чего нужно полностью менять подход к тому, чем увлечь клиентов на это время. По идее, АЗС должны превратиться в досуговые и деловые центры, но предпосылок к этому пока нет.

4. На электрокарах сложно заработать

Китай выделяет субсидии на производство электрокаров и устанавливает зарядные станции за счет бюджета, в Швейцарии электромобили избавили от ввозной пошлины, а Германия инвестирует в исследования по усовершенствованию электротранспорта. Но если отменить поддержку государства, начинаются проблемы.

Материалы по теме

В странах, где власти отменили субсидии на покупку электрокаров, продажи сразу же провалились. Электромобили пока не выдерживают конкуренции со стороны традиционного транспорта.

Модельный ряд крупных автопроизводителей пополняется, в основном, электромобилями, которые построены на базе премиальных моделей. Сейчас технологии не позволяют сделать народный электрокар, который бы продавался так же, как традиционные бестселлеры, поэтому приходится компенсировать стоимость, выпуская премиум.

Пока производство электромобилей не станет рентабельным, говорить о захвате ими рынка преждевременно.

5. Батареи, в конце концов, иногда взрываются

Литий-ионные батареи имеют такое неприятное свойство, как взрывоопасность. Из-за этого авиакомпании до сих пор отказываются перевозить аккумуляторы такого типа.

Внутри этих батарей образуются «усы» — микроскопические нити из лития, которые вызывают короткое замыкание и провоцируют взрыв батареи. Из-за короткого замыкания электролит внутри аккумуляторов начинает кипеть и раскаляться. Корпус батареи не выдерживает температуры, и его содержимое начинает выливаться наружу.

Поэтому электромобили так быстро сгорают, если попадают в аварию. Более того, металлический литий вступает в реакцию с водой и образует водород, потому тушить литиевые аккумуляторы водой — плохая идея. Конечно, ученые ищут решения проблемы. Недавно они разобрались, как образуются «усы», и теперь думают, как минимизировать их появление.

Но мир по-прежнему ждет более безопасной альтернативы литий-ионных батарей для электрокаров.

Но есть же альтернатива — водородный двигатель! Или нет?

Материалы по теме

Водородный двигатель гораздо экологичнее ДВС, так как вообще не выделяет вредных для окружающей среды газов, при этом имеет гораздо более высокий КПД. На одной заправке водородные автомобили уже сейчас могут проезжать до 500 километров, а заправка водородом длится не дольше, чем бензином.

Но есть проблема — в природе водород в чистом виде практически не встречается. Поэтому приходится обходиться электролизом: под электрическим током дистиллированная вода разлагается на водород и кислород. К сожалению, сейчас для массового производства водорода дешевле всего получать электроэнергию при помощи сжигания газа или угля.

Но компании не просто так инвестируют сегодня в эту технологию десятки миллионов долларов — они верят, что со временем водородные автомобили станут новыми электрокарами.

***

Мы перечислили несколько проблем двигателей, представляющих альтернативу современным ДВС. Но важно понимать, что технологии идут вперед, и с каждым годом пробег на одном заряде увеличивается, мощность повышается, а механизмы рекуперации становятся более совершенными.

Каким будет электромобиль, который сможет потеснить традиционные машины с ДВС? Первое, о чем мечтают автомобилисты, — огромный запас хода. Второе — мощность, которой хватит, чтобы прокатиться с ветерком. И третье — не космическая цена.

Toyota перевела GR Yaris на водород, чтобы сохранить ДВС и рабочие места — Авторевю

Корпорация Toyota готовит масштабное наступление на фронте электромобилей, но отнюдь не планирует расставаться с традиционными силовыми установками. Тойотовский план по «озеленению» ДВС — это перевод поршневых двигателей на водород. Примерно так, как BMW предлагала в середине 2000-х, — впрыскивать h3 в цилиндры и сжигать его, получая в качестве выхлопа почти чистый водяной пар. Правда, на самом деле в Японии этой технологией занимаются еще с 70-х годов, просто в Европе и Америке гораздо шире известны опыты баварского концерна, несмотря на то, что практического применения водородная «семерка» так и не нашла. Но вот теперь про водород в роли горючего топлива вспомнили снова.

Точнее, Toyota вспомнила про него в 2017 году, когда начала искать альтернативы ДВС. А теперь представлен результат этих поисков — прототип хот-хэтча GR Yaris h3 c трехцилиндровым турбомотором 1.6, переведенным на непосредственный впрыск водорода. Конструктивно это тот же двигатель G16E-GTS, который стоит на обычном GR Ярисе, но его топливная система (бак и заправочный механизм) унифицированы с водородомобилем Toyota Mirai. С той только разницей, что Mirai использует водород в электрохимическом генераторе для получения электричества, а GR Yaris — вместо бензина.

К сожалению, Toyota не раскрывает ни мощность, ни динамические характеристики, ни показатели расхода топлива и запаса хода. Видимо, потому что похвастать пока особо нечем. О возможностях этого силового агрегата довольно красноречиво говорят результаты водородной Короллы, которая весной 2021 года принимала участие в 24-часовых гонках на автодроме Fuji Speedway.

Тот автомобиль был оснащен таким же двигателем. Он позволил Королле за сутки преодолеть 358 кругов, или 1634 км, — это меньше половины дистанции, которую прошел победитель марафона. Средняя скорость за сутки составила 67 км/ч, однако непосредственно на трассе водородомобиль провел только 11 часов 54 минуты, все остальное время Corolla находилась в боксах или на отдельной заправочной станции в паддоке. То есть средняя скорость движения в гонке — 136 км/ч.

Из 12 часов простоя восемь часов ушло на устранение технических сложностей и на проверки по части безопасности, а сами дозаправки заняли четыре часа. Пополнять бак приходилось от специальной компрессорной станции на базе грузовика, которая расположилась за пределами пит-лейна. За всю гонку Тойоте потребовалось 35 остановок примерно по семь минут каждая. Таким образом, на одной полной заправке удавалось пройти меньше 50 км.

Тут нет опечатки — пятьдесят километров. Но и ничего удивительного тоже нет. Эффективность использования водорода в ДВС примерно в два раза ниже, чем в топливных ячейках, которые установлены на Mirai. Мощность, очевидно, недотягивает и до бензинового ДВС. Сложности с производством водорода, его хранением и заправкой очевидны. В чем же тогда смысл тойотовских экспериментов?

Пресс-релиз, которым сопроводили GR Yaris h3, говорит, что водородный двигатель, в отличие от электромоторов, звучит и работает как традиционный ДВС, а значит, хранит в себе эмоции и дух езды на «классическом» автомобиле. Но, разумеется, у Тойоты есть и другие резоны. О них еще весной после гонки говорил сам глава корпорации Акио Тойода — силовые агрегаты на водородном топливе позволят сохранить примерно миллион рабочих мест в японском автопроме.

Эти места находятся под угрозой из-за стремительного перехода индустрии на электротягу, а Toyota чувствует свою ответственность за состояние дел в индустрии. Двигатели на горючем водороде, с одной стороны, обеспечат чистый выхлоп и переход к углерод-нейтральному транспорту, а с другой — дадут заводам возможность более мягко адаптироваться к новой реальности. К тому же автомобили с такими силовыми агрегатами обещают быть дешевле, чем электромобили, ведь они обходятся без дорогих батарей и не требуют вложений в разработку «с нуля» электрических компонентов.

Правда, сама Toyota признает, что эта технология еще не готова к коммерциализации, поэтому работы будут продолжены. По слухам, конечной целью может стать применение такого двигателя на гибридных Приусах будущих поколений. Но, как подчеркивал Акио Тойода, водородные ДВС не панацея, а лишь один из вариантов решения сложной экологической проблемы автопрома. И это одна из причин, почему нынешней осенью Toyota оказалась среди четырех автопроизводителей (наряду с концернами Renault-Nissan, Hyundai-Kia и Volkswagen), которые на климатическом саммите в Глазго не стали подписывать декларацию о прекращении выпуска машин ДВС к 2035 году.

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.

Toyota создаст водородный двигатель внутреннего сгорания

А пока любители LPG могут отдыхать спокойно, потому что это еще пилотный проект и, вероятно, он пойдет в серийное производство, но только через некоторое время. Toyota предполагает, что новый двигатель будет использоваться для испытаний на автомобилях, участвующих в серии Super Taikyu.

Остальной текст смотрите в видео

Двигатель с искровым зажиганием, сжигающий водород, по мнению японских инженеров, имеет только преимущества, в том числев он не выделяет углекислый газ (кроме углекислого газа, образующегося при сжигании следов моторного масла; однако это явление типично для большинства поршневых двигателей) и очень охотно реагирует на команды, подаваемые педалью газа. Если двигатель 1.6 R3 с турбонаддувом и водородом (топливо хранится в сжатом виде!) Зарекомендовал себя в сложных гоночных условиях, не исключено, что через некоторое время он пойдет в серийное производство.

Здесь стоит вспомнить, что водородный двигатель внутреннего сгорания уже заигрывал св BMW (серия 7 Hydrogen), а в Берлине уже в 2006 году парк городских автобусов с агрегатами, приспособленными для сжигания водорода. Вскоре в серийное производство поступят и грузовики MAN на водородном топливе. Так это закат сжиженного газа ?!

.

Toyota разработала водородный двигатель внутреннего сгорания. Он лучше бензинового?

Toyota Mirai второго поколения - почти 5-метровый лимузин в стиле купе.Благодаря использованию топливных элементов , - это завод электроники , работающий на прокатке. Электроэнергия, питающая электродвигатель автомобиля, вырабатывается в результате реакции водорода с кислородом. И вот инженеры японской марки решили спасти двигатели внутреннего сгорания ...

Двигатель внутреннего сгорания на водороде

Новая идея специалистов Toyota - это , сжигание водорода двигателем с искровым зажиганием - , для нужд этого решения была модифицирована система питания и впрыска (по сравнению с теми, что используются в бензиновых агрегатах).Топливо хранится в сжатом виде. По мнению японцев, у нового 1,6-литрового турбомотора нет ничего, кроме плюсов. Он не отравляет окружающую среду углекислым газом - и в незначительных количествах при сжигании моторного масла (что также характерно для бензиновых двигателей). Он работает тише, без вибраций и отлично реагирует на педаль газа. Теперь новый водородный двигатель 1.6 , установленный под капотом Corolla Sport , будет подвергнут испытанию в гонках серии Super Taikyu.Японцы не исключают, что если двигатель хорошо проработает в таких сложных условиях, то он может поступить в серийное производство и на обычные автомобили.

Toyota разработала водородный двигатель внутреннего сгорания вместо бензина / Тойота

Toyota Mirai.Топливные элементы. Электричество

Новый Toyota Mirai Только название относится к первому воплощению «водородного автомобиля».Автомобиль построен на заднеприводной платформе GA-L (из семейства TNGA), которую японский концерн использует в своих моделях Lexus. Использование этой архитектуры - помимо большего простора в салоне по сравнению с его предшественником - позволило освободить место для третьего бака с водородом.

Теперь танки расположены буквой Т.Самый длинный монтируется под полом (посередине платформы), два меньших - поперек задних сидений и багажного отделения. Всего они могут содержать 5,6 кг водорода (142,2 л), что на один килограмм больше, чем в первой модели. Сами водородные баллоны имеют более прочную многослойную структуру - они очень легкие и устойчивы к перескакиванию. Водород составляет 6 процентов. общий вес топлива и баков. Архитектура TNGA также позволила переместить узел топливных элементов из его текущего положения под полом кабины в переднюю часть автомобиля под капотом.Над задней осью спрятаны более компактная тяговая батарея и электродвигатель. Преимущества этой конфигурации - заниженный центр тяжести и идеальное распределение веса (Mirai II весит около 1,9 т) между передней и задней частью в соотношении 50:50 - оба этих фактора имеют первостепенное значение для управляемости. По мнению японцев, газообразный водород Mirai обеспечивает стабильность на уровне двигателя внутреннего сгорания с передним расположением двигателя.

Toyota Mirai II.Благодаря использованию топливных элементов автомобиль представляет собой движущуюся силовую установку. Он не только не выделяет выхлопных газов - из выхлопных газов выходит водяной пар, но и очищает воздух во время вождения. / Dziennik.pl

Водородные топливные элементы

Водородные топливные элементы содержат полимер в твердом состоянии, как и в предыдущей модели.Однако набор меньше и использует меньше ячеек (330 вместо 370). Тем не менее максимальная мощность подскочила со 114 кВт до 128 кВт. Такой трюк стал возможен благодаря более высокой удельной мощности, которая увеличилась с 3,1 кВт / л до 5,4 кВт / л (за исключением оконечных ячеек). Инженеры Toyota также улучшили устойчивость привода к низким температурам воздуха. Теперь автомобиль должен быстрее выходить на полную мощность даже при -30 градусов по Цельсию. Представление? Синхронный двигатель с постоянными магнитами выдает 182 л.с. и 300 Нм. Такой потенциал позволяет машине разогнаться с места до 100 км / ч за 9,2 секунды.Максимальная скорость была ограничена 175 км / ч.

Mirai II получил высоковольтную литий-ионную батарею для замены никель-металлогидридной батареи.Новый аккумулятор меньше по размеру, энергоэффективнее и эффективнее. Он содержит 84 элемента, а его номинальное напряжение увеличилось до 310,8 В с 244,8 В, а емкость составляет 4 Ач (емкость аккумулятора в Mirai первого поколения составляет 6,5 Ач). Вес аккумулятора уменьшен с 46,9 до 44,6 кг. Мощность увеличена с 25,5 кВт x 10 секунд до 31,5 кВт x 10 секунд. Меньшие размеры батареи позволяют перемещать ее за спинку заднего сиденья, где она не ограничивает пространство в салоне или багажнике. Все изменения и новые решения направлены на увеличение дальности действия Mirai второго поколения примерно на 30 процентов.по сравнению со старым воплощением проехавшим около 500 км. По сообщению Toyota, новый водородный лимузин преодолеет около 650 км после одного посещения водородной заправочной станции . На 100 км необходимо около 0,84 кг водорода (средний расход WLTP).

Электромобиль, который живет за счет топливных элементов вместо большой батареи / Тойота

Нет заправочной станции для водорода?

Напоминаем, что строительство заправочной станции для водорода в Польше осуществляет компания Зигмунта Солоржа.Вначале бизнесмен планирует построить две водородные заправки, первая из которых заработает к середине года в районе Конина, где также планирует принадлежащий ему энергетический концерн ZE PAK (Zespół Elektrowni Pątnów Adamów Konin). создать мощную фотоэлектрическую электростанцию. Вторая водородная станция заработает в Варшаве с сентября 2021 года.

Mirai II Generation не только не выделяет выхлопных газов (пар выходит из выхлопных газов), но очищает воздух во время движения.Новая модель оснащена каталитическим фильтром, встроенным в воздухозаборники, поступающего в топливные элементы. Фильтр из нетканого материала улавливает микроскопические частицы загрязняющих веществ, включая диоксид серы, оксиды азота и твердые частицы PM 2,5. Этот раствор удаляет от 90 до 100 процентов. От 0 до 2,5 микрон в диаметре от воздуха, проходящего через систему топливных элементов. Рётаро Симидзу, главный инженер Mirai нового поколения, показал копию, которая уже прошла 728000 пробок.лира воздуха. Как он пояснил, это эквивалент воздуха, которым в течение года могут дышать 40 человек.

Экологичный лимузин в стиле купе скрывает топливные элементы.А двигатель работает от электричества. Одно посещение водородной заправки позволяет проехать около 650 км. / Dziennik.pl Toyota Mirai

в Польше предлагается в двух комплектациях.Вариант Prestige стандартно поставляется с системой очистки воздуха, двухзонным автоматическим кондиционером, интеллектуальным ключом, двухдиапазонными фарами, светодиодными дневными ходовыми огнями и 19-дюймовыми легкосплавными дисками с шинами 235/55 R19.

В салоне

передние сиденья с подогревом, тканевая обивка, а также мультимедийная система с цветным сенсорным экраном диагональю 12,3 дюйма, аудиосистема Premium Audio JBL с 14 динамиками, Android Auto и интерфейс Apple CarPlay.Сенсорный экран также используется для управления спутниковой навигацией на польском языке с обновлением карты за 3 года.

Toyota Mirai в версии Prestige стоит 299 900 злотых.

Toyota Mirai Представительский

Toyota Mirai Executive - этот вариант включает в себя панорамный монитор с системой камеры 360 градусов (Panoramic View Monitor), зарядное устройство для беспроводного телефона в центральной консоли, обивку из синтетической кожи, подогрев рулевого колеса и крайних сидений во втором ряду, а также система контроля слепых зон в зеркалах (BSM), система обнаружения препятствий (ICS), система предотвращения столкновений, система предупреждения о перекрестном движении сзади (RCTA) и адаптивная система дальнего света (AHS).

Toyota Mirai Executive стоит от 314 900 злотых.

Версия Executive может быть расширена пакетом VIP Black или VIP White (35 тыс.злотый). Оба комплекта включают: 20-дюймовые легкосплавные диски с шинами 245/45 R20, трехзонный автоматический кондиционер, обивку полуанилиновой натуральной кожей, вентиляцию передних сидений и память для водительского сиденья и рулевой колонки. Кроме того, имеется проекционный дисплей HUD на лобовом стекле, цифровое зеркало заднего вида с цветным дисплеем, панорамный люк с электрическими жалюзи и интеллектуальная система автоматической парковки S-IPA. Задние пассажиры могут использовать центральную консоль и мультимедийную панель управления в подлокотнике второго ряда сидений.

Версия VIP White отличается от версии VIP Black цветом салона.Сиденья обиты белой полуанилиновой кожей. На приборной панели появляется белая отделка со вставками медного цвета. Передние и задние двери также имеют медную отделку, а подлокотники в дверях и между сиденьями - из бронзы.

В Toyota Mirai с топливными элементами требуется менее килограмма водорода, чтобы проехать 100 км. / Тойота

У Mazda другая идея

Стоит напомнить, что в прошлом, напримерв Mazda подошла к водороду совершенно иначе, чем к конкурентам: топливные элементы используются для выработки электроэнергии для привода двигателей.

Инженеры

Hiroshima использовали двигатель Ванкеля для создания RX-8 Hydrogen RE, который мог работать как на водороде, так и на бензине.Система позволяла водителю переключаться с водорода на газ, если поблизости не было водородных заправок. Также была создана водородная Mazda Premacy Hydrogen RE - минивэн, оснащенный электрическим и роторным двигателем на двух видах топлива. Сегодня все больше и больше говорят о возвращении двигателя Ванкеля. Недавно компания разработала прототип Mazda 2 EV с небольшим блоком с одним вращающимся поршнем, чтобы расширить диапазон электрического привода. Похожее решение можно использовать в одном из аккумуляторных вариантов Mazda MX-30.Двигатель также работает на альтернативном топливе, которым, несомненно, является водород.

Mazda RX-8 Hydrogen RE и Premacy Hydrogen RE Hybrid / Mazda .90 000 водородных автомобилей - как они работают? Они делятся на две группы

Водородные двигатели приобретают все большую популярность. С одной стороны, они представляют собой гораздо более экологичную альтернативу сжиганию нефтепродуктов, а с другой стороны, они могут устранить многие недостатки электродвигателей - тяжелые батареи с неудобной утилизацией или длительным временем зарядки.

Однако стоит знать, что на дорогах можно встретить автомобили, использующие водород в качестве топлива двумя совершенно разными способами.Концепции столь же разнообразны, как буквально - двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Более того, именно об этих двух типах водородных двигателей мы и поговорим.

Двигатель внутреннего сгорания на водороде

Двигатели внутреннего сгорания известны нам уже много десятилетий.От дизельных двигателей до двигателей с искровым зажиганием, работающих на бензине, СНГ или СПГ. Но что делать, если вместо бензина или газа в машине был установлен водородный бак? Несколько компаний по всему миру уже разработали первые бензиновые двигатели с газовым зажиганием, работающие на водороде. Это включает в себя Двигатели Toyota, Deutz и Aquarius.

Как и в других двигателях на газовом топливе, будь то СНГ или КПГ, водород также должен находиться под высоким давлением в баке.Затем он впрыскивается в моторный отсек, где происходит взрыв, и в результате расширения поршень отталкивается, раскручивает коленчатый вал, и создается вращательное движение, которое затем - вкратце - передается на колеса.

Фотография: Toyota Двигатель внутреннего сгорания на водороде

Зачем в этом случае заменять бензин водородом? Как показали первые тесты Toyota, двигатель (в данном случае 1,6-литровый трехцилиндровый агрегат) работает тише и меньше вибрирует в результате сгорания водорода.Воздействие на окружающую среду также является огромным преимуществом. Как и в случае с природным газом (КПГ), известный, например, Наши кухонные плиты не выделяют никаких ядовитых или загрязняющих веществ, включая углекислый газ, в результате сгорания водорода. Теоретически при сжигании водорода с кислородом образуется только… вода. Это гораздо более чистое химическое соединение, которое через несколько лет может вылететь из выхлопных труб многих автомобилей по всему миру.

Водородный электродвигатель

Электромобили известны человечеству даже дольше, чем их аналоги внутреннего сгорания.Это тоже тип транспортного средства, который называют «зеленым», но у многих людей такая экологичность вызывает много сомнений. В первую очередь из-за аккумуляторов, которые кажутся незаменимым элементом электромобилей.

Фото: ПГНиГ

Производство аккумуляторов недешево и - с утилизацией - также оставляет свой углеродный мир.Аккумуляторы, как уже упоминалось ранее, также являются ахиллесовой пятой электриков, поэтому многие люди еще не решились на такое решение. Батареи тяжелые, представляют большую опасность при возгорании автомобиля, а их зарядка может занять несколько часов. Если бы только можно было устранить их из электромобиля ...

Теперь это возможно.И как минимум несколькими способами. Они менее эффективны, например, от солнечных батарей на крыше автомобиля. Из-за их низкой эффективности он не используется в коммерческих целях, а только как часть научных проектов сверхлегких транспортных средств. Второе, гораздо более эффективное и уже широко используемое решение - вырабатывать электричество из топливных элементов: мы не храним энергию, приводящую в движение электродвигатель, в батареях, а постоянно вырабатываем ее из топлива, которое находится в баке.И водород отлично подходит в этой роли. Как это работает?

Фотография: Toyota

Схема работы топливных элементов была разработана еще в 1838 году.немецко-швейцарского химика Кристиана Фридриха Шёнбейна. Ячейка состоит из двух электродов - катода и анода, разделенных электролитом или электролитической мембраной. Обычно электроды выполнены в виде науглероженной бумаги с платиновым покрытием в качестве катализатора реакции.

Когда водород подается в элемент, он окисляется и, следовательно, отдает электроны, которые, в свою очередь, образуют катионы водорода.На катоде кислород реагирует с электронами, восстанавливаясь до анионов кислорода. Мембрана внутри позволяет протонам течь от анода к катоду, блокируя при этом другие ионы, включая образующиеся анионы кислорода. Достигнув катода, катионы водорода реагируют с этими оксидными анионами с образованием воды, и электроны с анода достигают катода через электрическую цепь, производя энергию. Короче говоря, клетка расщепляет водород на катионы и анионы. Первые свободно проходят по ссылкам, а вторые должны ориентироваться.В этом случае он проходит по цепи, в которой генерируется напряжение.

Фотография: Toyota

Однако до 1960-х годов водородные элементы не использовались широко.В 1980-х они стали частью космических кораблей НАСА, включая Gemini 5 и программу Apollo. Они не только производили электричество в космосе, но и использовали побочный эффект - питьевую воду, полученную в процессе выработки электричества.

Достоинства такого решения как минимум не меньше, чем у аккумуляторных электромобилей, а также все связано с отсутствием аккумуляторов.К тому же бак с водородом очень легкий. Более 120 литров сжатого газообразного водорода могут весить (в зависимости от давления) всего около 5 кг.

Фотография: Toyota

К сожалению, есть и минусы.Самая большая - помимо доступности и цены на водород - это рабочая температура. И хотя сейчас используются низкотемпературные ячейки, работающие в диапазоне от нескольких десятков до 250 градусов по Цельсию, необходимо «прогреть» двигатель перед его запуском. Это означает, что перед запуском необходимо подождать от нескольких до нескольких секунд, в зависимости от поколения и модели двигателя с водородной ячейкой. К счастью, все новые и новые модели снижают эти требования, поэтому есть много признаков того, что вскоре двигатели с водородными элементами начнут запускаться «на месте».

Будущее за водородом?

Самой большой проблемой, по крайней мере, в Польше, остается низкая популярность водорода.Его проще всего купить в Германии, где мы будем платить около 40 злотых за килограмм. В случае Toyota Mirai, одной из немногих потребительских моделей с водородными элементами, 1 кг водорода достаточно, чтобы проехать около 100 км. Так что цена сопоставима с бензиновым автомобилем, сжигающим около 7 литров на 100 км. Баки в Mirai вмещают чуть более 5 кг водорода, поэтому они позволят проехать около 500 км на одной заправке.

Есть ли в Польше заправки водородом? Пока их 11 - в Варшаве, Познани, Ломже, Гданьске, Гдыне, Конине и Ястшембе-Здруй, но большинство из них обслуживают только автобусы общественного транспорта, которые в водородных версиях были известны с улиц польских городов за несколько лет.Первые «гражданские» станции находятся в Гданьске и Варшаве.

Фото: Paceman / Shutterstock Водородный автобус

Независимо от того, говорим ли мы об электрических автомобилях или автомобилях внутреннего сгорания, водород кажется решением на будущее.Он решает одновременно две самые насущные проблемы - экологию, которой не хватает в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, и удобство, на которое можно пожаловаться при эксплуатации электромобилей.

Тем не менее, вы должны иметь в виду, что водород также должен производиться, что небезразлично для окружающей среды, и цена все еще не очень обнадеживающая, но есть много признаков того, что следующие несколько лет могут сильно измениться в этом вопросе. .

.

Для водорода, но не в ячейках. Как Toyota собирается спасать двигатели внутреннего сгорания… и получится ли?

Водород - одно из наиболее частых предложений среди потенциальных преемников ископаемого топлива в автомобильной промышленности. Многие ведущие производители автомобилей, такие как Mercedes и Hyundai, уже работают над автомобилями, работающими на водородных элементах. Пока что Toyota достигла в этой области наибольших успехов и теперь предлагает второе поколение серийных водородных автомобилей - модель Mirai.В течение нескольких месяцев он также был доступен на польском рынке как первый водородный автомобиль в истории.

В Mirai водород попадает в топливные элементы, где происходит процесс обратного электролиза (распад атомов водорода и правильно направленных электронов генерирует ток). Таким образом, на практике это электромобиль, аккумулятор которого заряжается от бортовой «мини-электростанции», как это описал Филип Булински в нижеследующем тексте.

Toyota Mirai

превращает не воду в вино, а водород в электричество.Как это работает и что скрывает?

Хотя гибриды нам гораздо ближе, чем водородные электромобили, Toyota не только разрабатывала оба привода одновременно, но и ...

В настоящее время этим путем развития следуют все производители автомобилей, но - не единственный возможный путь для . Водород также можно использовать в классическом двигателе внутреннего сгорания. Вот где должны порадоваться все «настоящие автолюбители»: штатные двигатели со знакомой звуковой и силовой схемой могут быть спасены в будущем.Ведь если они питаются водородом, из выхлопной трубы выходит только вода.

Можем ли мы радоваться экономии двигателей внутреннего сгорания?

Все не так просто. Это было доказано компанией BMW, которая представила свой первый прототип автомобиля с водородным двигателем внутреннего сгорания, модель 520h, в 1979 году. В конце концов, после 30 лет работы немцы отказались от этой программы. У меня самого была возможность перевозить BMW 7 Hydrogen еще в 2009 году, но вскоре после того, как программа разработки этих двигателей была, как сказал тогда член правления BMW Ян Робертсон в интервью со мной, «отложена в Мюнхене».

BMW 7 Водородный парк с водородными двигателями внутреннего сгорания (2008)

(фото: BMW)

Даже если отвлечься от экологических проблем, водородные двигатели внутреннего сгорания представляют собой, прежде всего, серьезную техническую проблему . Недостаточно просто подключить водородный бак к бензиновому двигателю и ожидать, что все заработает. Toyota работает над таким агрегатом с 2017 года и долгое время смогла создать только двигатель, который использовал смесь водорода и неэтилированного бензина в равных пропорциях.

В итоге японцы смогли представить работающий двигатель внутреннего сгорания, работающий на чистом сжиженном водороде. Рядный трехцилиндровый двигатель G16E-GTS объемом 1,6 литра впервые был использован в прототипе Corolla, который дебютировал в японской 24-часовой гонке на длинные дистанции Fuji SUPER TEC.

Toyota Corolla с водородным двигателем внутреннего сгорания во время Fuji SUPER TEC 24h

(фото Toyota)

Автомобиль

добрался до финиша, который японцы сочли настолько успешным, что поехали с ним в Японию для следующих гонок, а в Европе представили еще один прототип: модель Yaris GR h3.Это не случайно: в конце концов, трехцилиндровый агрегат - это конструкция, ранее известная по GR Yaris. Как и в популярном хот-хэтче, здесь также установлен непосредственный впрыск и классическое зажигание. Бронированный бак с водородом, хранящимся под огромным давлением 700 бар, был позаимствован у модели Mirai. Yaris GR h3 был представлен мне на ежегодном форуме Toyota Kenshiki в Брюсселе вместе с удивительным багги Lexus ROV, который своеобразным образом представляет еще одно потенциальное использование водорода в транспортных решениях будущего.

Японцам удалось создать работающий водородный двигатель внутреннего сгорания, но это еще не решило всех проблем, связанных с этой технологией. Главный из них - это то, что ... такой двигатель, однако, выделяет некоторое количество выхлопных газов . Поскольку это поршневая конструкция, вам нужно масло, которое также горит и выходит через выхлопную трубу (... то есть преобразование двигателя Volkswagen TSI в водород, вероятно, не слишком спасет мир - извините за шутить).

Lexus ROV Концепция багги (2021)

(фото Toyota)

Масло не останавливается. Поршни двигателя внутреннего сгорания получают воздух, что составляет 78 процентов. состоит из азота. При высоких температурах в камере сгорания образуются вредные оксиды азота, от которых автомобильная промышленность сейчас хочет полностью избавиться. В таком водородном двигателе по-прежнему нужны различные фильтры и катализаторы, которых больше нет в электромобилях, и которые здесь повышают стоимость автомобиля и его эксплуатации.

В таком двигателе также будет очень полезен нагнетатель (конструкция Тойоты сохраняет турбонагнетатель от бензинового двигателя). Водородный двигатель внутреннего сгорания не очень эффективен. Японцы не отдают своей мощности, потому что она, наверное, не потрясающая. В ранее разработанных агрегатах этого типа проблема заключалась еще и в большом расходе топлива. Обе проблемы возникают из-за того, что водород в качестве топлива имеет низкую удельную энергию .

Toyota Yaris GR h3 (2021)

- цена: + 0 руб.

(фото.Тойота Мотор Европа) 9000 3

Даже при давлении 700 бар он по-прежнему вырабатывает примерно 1,3 кВтч на литр, а неэтилированный бензин - около 9 кВтч на литр (оба значения без учета теплового КПД). Поэтому резервуар должен иметь большой объем и соответствующую (то есть огромную) защиту от высокого давления и низкой температуры хранимого материала, который характеризуется очень взрывоопасными свойствами. В конечном счете, танк слишком велик, а диапазон до все еще не раскрыт.

Итак, каковы аргументы в пользу водородного двигателя внутреннего сгорания? На практике выбросы выхлопных газов минимальны. Он описывается различными исследованиями и расчетами, но все они показывают, что это уровень ниже 1%. выбросы сопоставимого двигателя внутреннего сгорания . Остается еще один важный аргумент: будущие поколения смогут управлять V8!

Директор компании Toyota по водородам: «Топливные элементы подходят не для всех типов автомобилей»

Компания Toyota нашла еще несколько аргументов в пользу этого решения.Об этом мне рассказал Ферри Франц, директор отдела водорода европейского отделения компании. Франц отмечает, что «Toyota работает над внедрением современных, экологически чистых технологий, которые могут сократить выбросы CO2 везде, где это возможно».

Ферри Франц, директор по водородным технологиям, Toyota Motor Europe

(фото: Toyota Motor Europe)

И использование топливных элементов возможно далеко не везде. « Топливные элементы в их нынешнем виде не могут использоваться в меньших по размеру автомобилях , таких как Yaris.Вся трансмиссия слишком велика, чтобы в нее поместиться. Однако, как видите, он может вместить водородный двигатель внутреннего сгорания. Выбросы выхлопных газов из выхлопной трубы не полностью равны нулю, но они настолько микроскопичны, что это новый тип привода, который мы хотим разработать », - сообщает Франц.

Это также гарантирует, что разработка на каком-то этапе выйдет за рамки гонок и гонок. в конечном итоге приведет к запуску этой новой технологии для Toyota ». Гонки - хорошее место для тестирования нового привода, потому что они подвергают наш прототип привода экстремальным и долгосрочным нагрузкам, что позволяет нам успешно проверить его надежность и показать что может пойти не так с таким двигателем. Сейчас мы уже думаем о следующих шагах. : сотрудники Gazoo Racing из Японии только что встречаются с нашими специалистами по водороду из Кельна рядом с нами и решают, какие дальнейшие шаги предпринять », - говорит мне Франц, с которым я встречался в Кеншики. Форум в Брюсселе.

Toyota Yaris GR h3 (2021)

- цена: + 0 руб.

(фото: Toyota Motor Europe)

Сэм пока не желает признавать, когда на рынке может появиться автомобиль с водородным двигателем внутреннего сгорания.«Все сводится к тому, сколько будет стоить такой привод и сколько места он займет в машине. На данный момент мы еще не знаем, удастся ли сделать такой привод дешевле, чем топливные элементы ». - резюмирует он.

Какие возможности может дать Toyota в дальнейшем развитии водородных двигателей внутреннего сгорания? Я отвечу на этот вопрос сам, основываясь на анализе водородных характеристик Toyota Corolla в японских гонках на длинные дистанции. В первые из 24 часов гонки за рулем было потрачено всего 12 часов, так как на заправку потребовалось 4 часа (35 раз по 7 минут) и 8 часов на проверки безопасности и ремонт.Для последнего старта команда пришла с технологиями, которые позволили сократить время дозаправки с 7 до 2 минут, а мощность двигателя приблизилась к бензиновому эквиваленту. Всего этого японцы добились менее чем за полгода.

Следуйте за нами в Новостях Google:

.90 000 автомобилей с водородным двигателем - как это работает?

Водород можно использовать в автомобилях двумя способами. Его можно использовать в качестве топлива в традиционном двигателе, который сжигается в камере, или его можно использовать в топливных элементах для выработки энергии для привода электродвигателя. Энергия связи водорода и кислорода в молекуле воды h3O ниже, чем суммарная энергия связи молекул водорода h3 и кислорода O2.

Следовательно, , когда водород и кислород связываются с образованием молекул воды, вырабатывается избыточная энергия. Его можно удалить из системы в виде тепла (которое преобразуется в механическую энергию в двигателе внутреннего сгорания) или в виде электрохимической энергии (в топливных элементах).

Расположение компонентов в автомобиле с водородными элементами

(фото: пресс-материалы / Honda)

Прерывание зажигания является серьезной проблемой при использовании водорода в поршневых двигателях. Причины тому, прежде всего, очень низкая энергия воспламенения водорода и широкий диапазон пределов воспламеняемости.Кроме того, при сгорании водорода в воздухе образуется небольшое количество оксидов азота. Примером такого решения является BMW Hydrogen Series 7. Еще одним недостатком в этом случае является использование жидкого водорода для хранения.

Это правда, что в жидком состоянии в 846 раз меньше, чем в газообразном состоянии при температуре 0 градусов Цельсия и давлении 1 атм. , но он потребляет много энергии, и поэтому его нужно охладить до температура -253 градуса по Цельсию.Так что машина не может долго стоять без запуска. Подсчитано, что примерно через 9-14 дней водород нагреется до такой степени, что превратится в газ и испарится из резервуара.

В автомобилях, в которых используются топливные элементы, резервуары используются для хранения сжатого водорода. Их цилиндрическая форма напоминает те, которые используются для сжиженного нефтяного газа. Однако они конструктивно намного более продвинуты с точки зрения используемой технологии. Внутренний слой из алюминия или стали (прибл.20 процентов общая масса), а снаружи покрыта композитным материалом.

Благодаря этому они обладают высокой устойчивостью к механическим повреждениям и относительно небольшим весом. Например, Honda FCX Concept использует 171-литровый бак, в котором хранится газ под давлением 35 МПа. С полным баком машина способна проехать 569,7 км.

Схема работы автомобиля на топливных элементах относительно проста. На первом этапе водород из бака подается в ячейку, куда также подается воздух, чаще всего с помощью турбонагнетателя.Затем ток (постоянный ток) передается от элемента к тяговому преобразователю, где он преобразуется в переменный ток и передается на асинхронный двигатель. Завершающий этап - передача крутящего момента на колеса автомобиля.

Водородные баки на Honda FCX Concept 2006

(фото: пресс-материалы / Honda)

Самым важным элементом всей системы, конечно же, являются топливные элементы. Это электрохимические устройства, вырабатывающие полезную энергию (электричество, тепло) в результате химической реакции водорода с кислородом.Ячейка состоит из двух электродов: катода и анода. Они разделены электролитом или электролитической мембраной. Они пропускают поток катионов и блокируют поток электронов .

Попадая на анод, он распадается на протоны и электроны. Первые могут беспрепятственно проходить через электролит к катоду, на который подается воздух. С другой стороны, поток электронов на катод проходит через внешнюю цепь , вызывая генерацию электрического тока.Эта электрохимическая реакция водорода и кислорода дает электричество, воду и тепло.

• Реакция на аноде: h3 => 2H ₊ + 2e _-
• Реакция на катоде: ½ O2 + 2H ₊ + 2e _- => h3O
• Его можно резюмировать следующим образом: h3 + ½ O2 => h3O, что сопровождается выделением тепла и электричества.

Есть много типов топливных элементов.Один из критериев по их можно разделить по температуре, так как некоторые из используемых веществ обладают очень хорошими электролитическими свойствами при высоких температурах. Мы различаем высокотемпературные и низкотемпературные топливные элементы .

Работа первого происходит при температуре около 600 градусов Цельсия. Они могут использовать водород низкой чистоты, а также некоторые углеводороды, такие как метан. Еще одно преимущество - их высокая эффективность. К сожалению, , самый большой недостаток - большая инерция по времени элемента , он не может быть запущен сразу, поэтому они не используются в автомобильной промышленности.

Низкотемпературные элементы используются для питания автомобилей. Они работают при температурах ниже 250 градусов Цельсия, но, к сожалению, требуется чистый водород. Однако нет необходимости использовать термостойкие материалы, что означает безопасность и удобство использования в автомобилях.

Электродвигатели в Honda FCX Concept 2006

(фото: пресс-материалы / Honda)

Существует три основных типа низкотемпературных ячеек.Первый - это AFC (щелочные топливные элементы), в котором электролитом является гидроксид калия. Диапазон рабочих температур от 65 до 220 градусов Цельсия, что способствует быстрому вводу в эксплуатацию. Они обладают высоким КПД, малым весом и малой грузоподъемностью. Также они отличаются относительно коротким сроком эксплуатации и большими проблемами с отводом воды, которые необходимо устранить перед повторным запуском.

Топливные элементы на основе фосфорной кислоты (PAFC) используют концентрированную фосфорную кислоту в качестве электролита. Диапазон рабочих температур от 150 до 205 градусов Цельсия. Они отличаются высокой толерантностью к углекислому газу, однако имеют ряд недостатков, таких как высокая коррозионная активность, попадание воды и разбавление электролита, большие габариты и масса.

Топливные элементы для Honda FCX Concept 2006

(фото: пресс-материалы / Honda)

В концепте Honda FCX используются элементы с электролитической мембраной PEM (протонообменная мембрана). В стандартном элементе PEM электролит представляет собой полимерную мембрану, покрытую тефлоном. Рабочая температура составляет от 160 до 195 градусов Цельсия, но благодаря использованию Honda ароматических соединений удалось снизить температурный диапазон, и в модели FCX Concept он составляет от -20 до 95 градусов Цельсия.

Преимущества - это, конечно, быстрый запуск, отсутствие коррозии, вызванной электролитом, высокая эффективность, компактная конструкция и прочные материалы, использованные для изготовления диафрагмы. К сожалению, его производство очень дорогое, в том числев необходимостью использования платины.

Водородная система привода для Honda FCX Concept 2006

(фото: пресс-материалы / Honda)

Водородные топливные элементы, безусловно, станут преемником традиционного двигателя внутреннего сгорания. Электромобили - это только переходное поколение. Со временем это в конечном итоге снизит стоимость производства топливных элементов до такой степени, что автомобилей с водородным двигателем будут доступны для каждых автомобилей, а затем они быстро заменят традиционные двигатели внутреннего сгорания.Когда это случится? Надеюсь, не при моей жизни.

.

Toyota Corolla запускает водородный двигатель внутреннего сгорания!

Toyota приближает нас к нулевым выбросам. Разработан проект по переоборудованию двигателей внутреннего сгорания на водородные. Мощность двигателя Toyota Corolla будет поступать от сгорания водорода.

Переработка бензина на водород

Toyota разработала водородный двигатель вместо бензинового. Двигатель будет работать от искрового зажигания, которое будет подавать энергию за счет сгорания водорода.В этом автомобиле используется двигатель GR Yaris.

Автомобиль не загрязняет окружающую среду углекислым газом, работает намного тише и без вибрации, в отличие от двигателей внутреннего сгорания.

Самым большим преимуществом нового решения является то, что для зажигания будет использоваться водород вместо бензина, двигатели внутреннего сгорания не останутся в прошлом. Полная замена устройств будет намного дороже.

Исходным условием этого проекта было для создания водородного двигателя на основе двигателя внутреннего сгорания, что позволило преобразовать современные автомобили внутреннего сгорания на водород и ускорить процесс достижения углеродной нейтральности , - говорит Наоки Ито, инженер Toyota Daily.пл

24-часовой тест нового двигателя

Toyota Corolla

прошла 24-часовой тест на выносливость на треке Fuji, благодаря которому удалось быстрее выявить недостатки и провести несколько модернизаций. Например, была увеличена скорость реакции на педаль акселератора и уменьшено нежелательное возгорание.

Другими усовершенствованиями, внесенными в автомобиль в связи с необходимостью адаптации его к водородному раствору, были модификация систем питания и впрыска по сравнению с теми, которые используются в бензиновых агрегатах.

Водородный зеленый

Зеленый водород производится без выбросов из возобновляемых источников энергии. Это топливо Toyota Corolla.

Поставщиками зеленого водорода были

японских компании (Fukushima Hydrogen Energy Research Field (Fh3R), Obayashi и Toyota Motor Kyushu), сотрудничающих с разработкой водородного двигателя. Заводы производят его, в частности, за счет геотермальной энергии и солнечной энергии.

Источник: Dziennik.pl, фото unsplash

.

Водородный двигатель внутреннего сгорания. Deutz спасет автомобильную промышленность?

• 

Хотя с экологической точки зрения топливо, получаемое из воды, имеет ряд недостатков, нельзя отрицать его главное преимущество - возможность крупномасштабного хранения энергии. Хранить этот элемент непросто, но в отличие от батарей - при правильной инфраструктуре - заправка может занять всего несколько минут.Это означает, что производителям не нужно использовать большие и тяжелые батареи, а время простоя транспортного средства сведено к минимуму. Поэтому неудивительно, что производители коммерческих автомобилей склоняются к водороду, который - для получения прибыли - должен оставаться в движении как можно дольше.

Deutz - это компания с давними традициями (ее корни уходят корнями в 1864 год) в производство двигателей для грузовых автомобилей. Производитель только что объявил, что в серийной версии у него уже есть прототип - водородный силовой агрегат! Ранее об исследованиях такой технологии сообщали и другие магнаты в сфере тяжелого транспорта - DAF и MAN.Прототип агрегата TCG 7,8 ч3 представляет собой рядный шестицилиндровый двигатель объемом 7,8 л. Производитель заявляет, что двигатель развивает мощность, равную 200 кВт, или 272 л.с.

Компания не хвастается техническими деталями - по фотографиям видно, что мы имеем дело с классической конструкцией искрового зажигания. Однако на первых порах агрегат не пойдет на грузовики. На первом этапе - в начале следующего года - производитель планирует использовать его в стационарных целях, например, в электрогенераторах.Однако в дальнейшем можно ожидать испытаний в условиях переменной нагрузки, например, в качестве привода для моторных лодок, генераторов энергии в маневровых локомотивах и, в конечном итоге, в грузовых автомобилях.

Рисунок

Сжигание водорода - будущее тяжелого транспорта? /

Хотя идея сжигания водорода, который славится своей горючестью, кажется естественной, технически создать такую ​​установку очень сложно.Это огромная проблема для инженеров-материаловедов. Водород разрушительно действует на все металлы (так называемая водородная коррозия), поэтому долговечность классического - из стали и алюминиевых сплавов - водородного привода резко невысока. Поэтому камеры сгорания и все другие элементы (например, головки), находящиеся в прямом контакте с водородом, должны быть устойчивы не только к высоким давлениям и температурам, но также - а именно к разрушительному влиянию самого водорода.

***

видео

Видеопроигрыватель требует, чтобы в браузере был включен JavaScript.

Что отвечает за остановку машины?

.

---

Смотрите также

• 
  Знак конец полосы кто уступает дорогу
• 
  Датчик температуры радиатора
• 
  Может ли такси ехать по выделенной полосе
• 
  Акура это
• 
  Передаточное устройство
• 
  Неоновая подсветка днища автомобиля
• 
  Вес двигателя ваз
• 
  Toyota taurus
• 
  Замки капота спортивные
• 
  Антифриз lada
• 
  Объем бензобака калина