Сделай репост и информация будет всегда под рукой ✅
Водородный автомобиль считается самым экологичным транспортом наряду с электрокарами. Заправка авто на водородном топливе занимает считанные минуты, а «горючего» хватит на 400 км и более. А баллон водорода после использования оставляет после себя полведра чистой воды.
Почему же автомобильные концерны неохотно переходят на этот альтернативный источник энергии? Вопрос в стоимости и производстве этого газа.
В автомобилях с водородным двигателем применяются специальные топливные ячейки. Называются такие авто FCEV, что расшифровывается как Fuel Cell Electric Vehicles — электрокары с топливным элементом вместе батареи. Самая известная модель – это Toyota Mirai. А вообще многие модели есть только в виде концепта, серийно пока выпускается немного экземпляров.
В статье расскажу что это такое — водородный автомобиль, принцип работы и устройство, что такое водородный двигатель, плюсы и минусы авто на водороде, список моделей, ждёт ли будущее эта технология. Обещаю, будет интересно!
Немного истории
Впервые двигатель внутреннего сгорания придумал Франсуа Исаак де Риваз в 1806 г. Этот изобретатель извлёк чистый водород при помощи такой технологии, как электролиз воды. Он изобрёл поршневой двигатель, который назвали в его честь — машина де Риваза. Через пару лет изобретатель сконструировал передвижное устройство с настоящим водородным двигателем. Таким образом, первый водородный автомобиль появился гораздо раньше, чем думают многие.
Риваз и его машина
А самые первые водородные топливные элементы создал в 1863 году английский учёный Вильям Гроув. При помощи опыта он выявил, что при разложении воды на кислород и водород высвобождается энергия. В дальнейшем он создал водородные ячейки, которые стали называть Fuel Cell. Их можно было объединить для получения необходимого количества энергии для автомобиля.
Во время блокады Ленинграда был высокий дефицит бензина, а вот водорода было немало. Техник Б. Шелищ предложил вместо стандартного топлива применять смесь воздуха и водорода для двигателей. Таким образом, в городе работало на водороде более 500 автомобилей ГАЗ-АА.
Первый водородный автомобиль на топливных ячейках создала компания General Motors в 1966, и назывался он GM Electrovan. Гораздо позже, в 1980-х годах, одновременно во многих развитых странах (Япония, США, Канада, Германия и СССР) запустили эксперимент по созданию автомобилей, которые использовали в качестве топлива водород, а также его смеси с бензином и природным газом.
Фото GM Electrovan
После этих экспериментов в 2000-х годах крупные автоконцерны стали разрабатывать коммерческие автомобили на водородном двигателе. Самым продвинутым и популярным автомобилем стал Toyota Mirai, в котором находится многоячеистый топливный генератор.
На данный момент создание автомобиля на водородном топливе – это дорогое удовольствие, поэтому многие производители ищут способы для снижения этих расходов.
А что значит водородное топливо на самом деле?
История создания водородного двигателя
Начнем с того, что идея построения водородного двигателя появилась в 1806 году. Его создатель был Франсуа Исаак де Риваз, который был водородом из воды с использованием электролиза. Как видите, водородной двигатель «родился» задолго до появления ряда вопросов, связанных с охраной окружающей среды и токсичности выхлопной энергии.
Другими словами, попытки запуска двигателя внутреннего сгорания водородом не были приняты для защиты окружающей среды, но для тривиального использования водорода в качестве топлива. Несколько десятков лет спустя (в 1841 году) первый патент был выдан на таком моторе, в 1852 году. В Германии был создан блок, который успешно работал над смесью воздуха и водорода.
Однако после войны дальнейшее развитие водородного двигателя было остановлено как в СССР, так и во всем мире. Тогда двигатель был отозван из добычи только после топливного кризиса в 1970-х годах. В результате в 1979 году BMW построил автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Устройство работало относительно стабильно, не было никаких взрывов или выбросов водяного пара.
Другие производители автомобилей также начали работать в этой области, что привело к не только множеству прототипов, но и довольно успешных примеров двигателей водорода (бензина водорода и дизельных двигателей) до конца двадцатого века.
Однако после топливного кризиса работа над водородными двигателями также была остановлена. В настоящее время интерес к альтернативным источникам энергии снова увеличивается, в настоящее время из-за серьезных проблем, связанных с охраной окружающей среды, а также из-за быстрой сокращающихся нефтепродуктов на нашей планете и естественно растущей цене нефтепродуктов.
Кроме того, правительства многих стран стремятся получить энергетическую независимость, а водород довольно доступная альтернатива. В настоящее время GM, BMW, Honda, Ford Corporation и т.д. Работает на водородных двигателях.
Что такое водородное топливо?
Водородное топливо поставляется на заправки в газообразном или жидком состоянии. Водород в этом виде уменьшается в объёме более чем в 800 раз. Примерное время одной заправки составляет не более 3-5 минут. Для сравнения – заправка бензином занимает примерно то же самое время.
На чём ездит водородный автомобиль? На водороде – экологически чистом источнике энергии.
Водород для топлива добывают следующими способами:
- Электролиз воды. Это выделение водорода из воды с помощью электричества. Такой метод применяется в тех регионах, где стоимость электроэнергии дешёвая, в том числе и в России. Чистота выхода водорода при помощи электролиза – около 100%! Но здесь присутствует повышенное загрязнение окружающей среды. Предсказывают, что когда-нибудь будут созданы множество солнечных и ветряных электростанций, которые будут производить топливо без отрицательного воздействия на окружающую среду.
- Паровая конверсия метана. Этот природный газ нагревают до температуры 1000 градусов по Цельсию и смешивают с катализатором. Этот метод будет работать до тех пор, пока метан не закончатся в недрах земли. Реформированный водород – самый популярный и дешёвый метод создания.
- Газификация биомассы. Это извлечение водорода в реакторе из отходов животных и сельского хозяйства, а также сточных вод. Сейчас существуют огромные территории с биомассой, потенциал которой не оценён и тратится впустую.
В чём преимущество этого альтернативного источника энергии?
- Топливные элементы не выделяют вредных выбросов.
- Огромный потенциал и возможные прибыли.
- Моментальная заправка автомобилей (3 минуты).
- Топливные ячейки на 80% эффективнее бензина, а также дёшево стоят.
Автомобиль на водороде не оставляет так называемого «углеродного следа», который загрязняет окружающую среду. Например, Toyota Mirai за 100 км пробега выделяет 5 л воды и больше ничего, никаких выбросов в атмосферу. Но, к сожалению, на Земле слишком не существует месторождений чистого водорода, а вот нефти и газа – хоть отбавляй. Зато водорода полным-полно в атмосфере, но в виде соединений, которые надо разрушить, чтобы извлечь желанный элемент. А для этого надо затратить немалую энергию, по сравнению с той, которую мы получим при прямом расходовании водорода.
Ещё одна хорошая статья: Что такое рестайлинг автомобиля: что означает слово, развод ли это, фото
Будущее автомобилей на водородных топливных элементах?
Есть много производителей, которые исследовали технологию водородных топливных элементов, и некоторые из них создали автомобили с водородным двигателем в небольших количествах, но смогут ли они удовлетворить наши будущие потребности в транспорте?
Водород использовался для питания двигателей в течение многих лет и является самым распространенным элементом на нашей планете, в то время как способность производить много энергии в небольшом устройстве означает, что автомобили, работающие на водороде, могут путешествовать намного дальше, чем полностью электрические автомобили. Есть также преимущества в отношении выбросов, что делает его самым чистым доступным топливом.
Спрос на более чистый транспорт очевиден: продажи электромобилей с батарейным питанием вырастут на 162% в год до ноября 2021 года по сравнению с предыдущими 12 месяцами. Однако это также означает, что многие производители инвестируют в электромобили, а не в водород. Еще одним препятствием на пути к внедрению является отсутствие инфраструктуры и слишком мало водородных заправочных станций, которые водители могут использовать для заправки бензином и дизельным топливом.
Несмотря на эти трудности, есть ряд причин, по которым водородные топливные элементы могут стать будущим автомобилей; Не в последнюю очередь это экологические преимущества, время дозаправки по сравнению с зарядкой аккумулятора и обилие топлива.
Многие производители уже рассматривают водород как дополнение к электроэнергии, которая в настоящее время производит примерно такое же количество CO2 в течение всего срока службы транспортного средства (124 г / км для электромобилей и 120 г / км для водородных топливных элементов). Однако использование биомассы для получения водорода может привести к снижению выбросов в течение жизненного цикла автомобилей на топливных элементах примерно до 60 г / км CO2; значительно ниже, чем у электромобилей.
Однако, чтобы действительно стать автомобилем будущего, водородные топливные элементы нуждаются в инвестициях в технологию и вспомогательную инфраструктуру, чтобы обеспечить легкодоступную дозаправку. Пока этого не произойдет, водородные топливные элементы не смогут конкурировать с электромобилями, бензином и дизелем.
Плюсы и минусы водородной установки для автомобиля
Расскажу про плюсы и минусы топлива, которым заправляют водородный автомобиль.
Недостатки водородного топлива:
- Нет эффективного способа добычи газа, к тому же производство загрязняет окружающую среду.
- Для создания сети водородных заправок требуются внушительные средства (около 2 млн. долл. на одну среднюю заправку). Поэтому очень сложно найти заправки, их практически нет.
- Высокая стоимость автомобиля.
- Передвигаться можно лишь в тех местах, где имеются заправки.
- Стоимость заправки будет стоить столько же, как и бензин. В этом смысле электрокар гораздо выгоднее.
- Водородный автомобиль тяжёлый из-за сложной конструкции: много топливных ячеек, аккумулятор, электропреобразователь, большие баллоны для водорода, где давление целых 700 атм. В электромобиле всё проще – требуется только место под большой АКБ.
Плюсы водородного топлива:
- Нет вредных выбросов в атмосферу.
- Водородные двигатели практически не шумят.
- Быстрая заправка – менее 5 минут.
- Есть большой потенциал для развития.
- Водород даёт в 3 раза больше энергии, чем бензин.
- Высокий крутящий момент при начале движения.
- Водорода очень много на планете – 1% от массы Земли. При сгорании он просто превращается в воду, поэтому – это неиссякаемый источник энергии по сравнению с другим ископаемым топливом.
- Водород безопаснее бензина, он воспламеняется в 15 раз меньше. Но если на водород попадёт искра, то он моментально воспламенится.
- Хороший запас хода водородного авто – 400-1000 км.
Водородный двигатель
Водородный транспорт — это такое транспортное средство, которое имеет в своей конструкции силовой агрегат, работающий на топливе водорода. Такие ТС могу быть или с ДВС, или с газотурбинным приводом, или водородными элементами.
Вопрос: можно ли использовать водород в обычном ДВС? Ответ: если доработать некоторые элементы, то да.
Но, при использовании в качестве топлива водород, вместо бензина, мощность мотора снизится до 65-82%. А, если немного доработать такой агрегат, например, изменить систему зажигания, то мощность возрастет до 117%. Обычные бензиновые ДВС без доработок плохо пригодны для работы на водороде, потому что, водород очень летуч, он может попадать в коллектор и там воспламеняться. Поэтому, наиболее подходящий мотор для работы на водороде — это роторный. В роторном двигателе расстояние между впускным и выпускным коллектором больше.
Опасен ли водород для человека?
Водород очень летуч, а также это легковоспламеняющийся газ, который хранить и перевозить следует предельно аккуратно. Сгорает он тоже довольно быстро. Например, газ в дирижабле «Гинденбург» полностью сгорел за полминуты, поэтому погибло только треть пассажиров.
Когда на дорогах появится большое количество водородных автомобилей, то надо будет ввести новые меры безопасности. Ведь при пробитии бака с водородом и наличием искр рядом газ может загореться. Поэтому в водородных автомобилях баки делают очень прочные, которые даже могут выдержать выстрел из крупнокалиберного пистолета. Поэтому при соблюдении правил безопасности, авто на водороде не опаснее бензиновых и дизельных моделей.
Чем водородные авто лучше электромобилей?
Этот вопрос не совсем правильный, поскольку автомобили на водородных ячейках и электробатарее считаются электромобилями. Всё зависит от того, чем заправляют машину – водородом или электричеством.
Водород в автомобиле применяют в двух вариантах: сжигание топлива в цилиндрах или подзарядка топливных элементов.
Главное отличие водородных топливных ячеек от батарей в том, что они служат очень много лет и не нуждаются в обслуживании. А батарея в электромобиле выходит из строя уже через 5 лет.
Как выглядит батарея в электрокаре
На холоде водородное транспортное средство включится без проблем, а аккумулятор электрического авто может полностью потерять заряд. Стоимость электрокаров дешевле, чем водородного: Toyota Mirai стоит 57 тыс. долл., а Tesla – от 45 тыс. долл. Водородные машины заправляются за считанные минуты, а электрокары – пару часов.
Теперь перейдём к устройству и принципу работы водородного авто, как он обеспечивает работу двигателя?
Сколько это стоит автомобиль на водородном двигателе?
Стоимость водородного автомобиля приличная. Причина тому – драгоценные металлы, которые входят в состав электродов топливных элементов (палладий или платина). Также современное авто оснащено бесчисленным множеством систем безопасности и стабилизации работы электроэлементов, что тоже требует материальных средств.
Хотя обслуживание такого автомобиля (до момента замены топливных ячеек) не намного дороже, чем обычного авто последних поколений. Есть страны, которые спонсируют производство водорода, но даже с учетом этого за килограмм газа придется заплатить в среднем 11 с половиной долларов. В зависимости от типа двигателя этого может хватить на расстояние около ста километров.
Как работает водородный автомобиль
Расскажу про то, как устроен автомобиль на примере популярной модели Toyota Mirai.
Не так давно, в 2013 году Тойота представила миру первый в мире серийный водородный автомобиль Mirai, который сам вырабатывает для себя электричество. В нём находится электрический двигатель, который имеет мощность 154 л. с. В Mirai находятся 370 топливных элементов, постоянный ток которых преобразуется в переменный, а напряжение при этом повышается до 650 В. Максимальная скорость Toyota Mirai 175 км/ч. Дополнительный аккумулятор собирает лишнюю энергию, который может при необходимости обеспечить питание небольшого дома. Запас хода этого автомобиля 500 км, а по факту – примерно 350 км. Для сравнения — электрокар Tesla Model S может пройти на одном заряде целых 540 км, но, к сожалению, зарядка занимает целых 1,5 часа.
За несколько км пробега автомобиль Mirai вырабатывает стакан дистиллированной воды, которая вполне пригодна к употреблению (она с лёгким привкусом пластика).
А как работает топливный элемент, простыми словами? Автомобиль заправляется водородом. Он смешивается с платиновым катализатором и кислородом в электрохимической системе. В результате этой реакции вырабатывается электрический ток, который питает двигатель и аккумуляторную батарею. В результате реакции образуется вода или пар.
Топливные ячейки с протонообменными мембранами сразу же производят энергию, обеспечивают очень высокую мощность и мало нагреваются. Максимальный срок службы водородных ячеек 250 тыс. км пробега, которые при необходимости можно заменить.
А какое устройство и принцип работы водородного двигателя? Для работы применяют роторные ДВС, потому что стандартные поршневые двигатели быстро выходят из строя из-за влияния водорода на смазку и детали ДВС. Из-за высокой разницы между бензином и водородом перевести обычный двигатель непросто, особенно если это делать своими руками. Водород при горении вызывает перегрев клапанов, масла, поршней. Если нагрузку сделать очень высокую, то возникает детонация.
Ещё одна хорошая статья: Амортизатор автомобиля: что такое, как работает, конструкция, типы, схема
Решили эту задачу заменой чистого водорода на его смесь с бензином. Подача газа уменьшается при повышении крутящего момента, чтобы предотвратить перегрев деталей силового агрегата. Это применяется в таких моделях, как Mazda RX-8 Hydrogen RE и BMW Hydrogen 7, который был выпущен всего в 100 экземплярах. Здесь переключение между 2 типами топлива происходит автоматически. Но, несмотря на успешность эксперимента, всё равно имелись проблемы: сильно падала мощность авто, запаса водорода хватало всего на 200 км, а также из-за наличия бензина автомобиль не был признан экологически чистым.
Mazda RX-8 Hydrogen RE
Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор на основе углеродных трубок, который стоит в 650 дешевле платины.
Таким образом, механизм работы водородного автомобиля похож на работу электромобилей. Всё дело только в источнике энергии.
Где заправляют водородные автомобили?
К сожалению, заправочных водородных станций в мире совсем мало. В 2021 г. их около 300, половина которых находится в Северной Америке, а другие – в Японии, Германии и Китае.
Кроме этого, существуют домашние и мобильные заправки. Они могут производить около тонны чистого водорода в год. Этого вполне хватит для заправки нескольких автомобилей в день. Топливо производится при помощи гидролиза воды, установку запускают только ночью, чтобы не нагружать электрическую сеть.
Автозаправки бывают 3 типов:
- Малые. Они производят около 20 кг водорода в 24 часа. Хватит для полной заправки 5 легковых автомобилей.
- Средние. Вырабатывают от 50 до 1250 кг топлива в сутки. Могут в день заправлять 250 стандартных машин или 25 грузовиков.
- Промышленные. Производят более 2500 кг чистого водорода. Могут заправлять больше 500 легковушек в сутки.
Заправка состоит из компрессора, диспенсера, системы очистки, электрического лизёра, система хранения водорода. Топливо может производиться как при помощи электролиза воды, так и с помощью паровой конверсии метана.
Для того, чтобы заменить большую сеть бензиновых заправок на водородные, понадобится примерно 1,5 трлн. долларов. А стоимость одной водородной станции обойдётся в 2-3 млн. долл., но окупаемость её быстрее, чем для электрической станции из-за быстрой зарядки.
Список автомобилей на водородном топливе
Существует ли автомобиль на водородном топливе? Да, причём их количество не такое уж и малое. Расскажу про самые популярные модели.
Honda Clarity
Автомобиль продавали в Японии и Калифорнии до 2014 года. Запас хода около 600 км, что больше, чем у любого электрокара. Заправляется Honda Clarity за считанные минуты.
Затем автоконцерн Honda выпустил конкурента Toyota Mirai, цена которого 72 тыс. долл. под названием Clarity Fuel Cell. На полной заправке можно было проехать до 700 км. Мотор имеет мощность 174 л.с. Автомобиль 5-местный.
Toyota Mirai
Это японский автомобиль, который создали после несколько десятков лет разработок. Автомобиль сначала выпустили для японского рынка, а затем и для американского.
Запас хода автомобиля на одной заправке 502 км, максимальная скорость – 178 км/ч., мощность – 153 л.с. В авто встроена система, которая видит препятствия и автоматически включает тормоз. В машине есть сенсорные экраны, при помощи которых осуществляется управление навигацией и микроклиматом.
Ford Airstream
Это гибридный автомобиль с электрическим мотором и водородными ячейками. Поэтому кроме водорода автомобиль может применять для движения аккумуляторы, которые подзаряжаются от водородных элементов.
На аккумуляторе Ford Airstream может проехать около 40 км (это половина заряда), а затем активируется водородное топливо. Запас хода чуть более 450 км, а максимальная скорость — 135 км/ч.
Mercedes-Benz GLC F-CELL
Это первый серийный автомобиль, который сочетает в себе аккумулятор и водородные топливные ячейки. На электричестве он может проехать 50 км, а на водороде – около 430 км. Отмечу, что аккумулятор можно зарядить от обычной электрической розетки.
Автомобиль можно использовать как в качестве электрокара на небольшие расстояния, так и в качестве водородного авто для длительных поездок.
Pininfarina H2 Speed
Это итальянский автомобиль, который способен разгоняться до 100 км/ч всего за 3,4 секунд. Максимально автомобиль может разгоняться до 299 км/ч. Запасы чистого водорода в баке – чуть более 6 кг. Кроме этого Pininfarina имеет мощный аккумулятор и электромоторы. Цена этого продвинутого автомобиля составляет 2,5 млн. долл.
BMW Hydrogen 7
Авто создано на базе стандартной BMW 7. Он работает как на бензине, так и на жидком водороде. В BMW Hydrogen 7 имеется бензиновый бак на 74 литра и большой водородный баллон весом целых 8 кг. Таким образом, максимальный запас хода в этой машине 780 км.
Ещё одна хорошая статья: Хэтчбек: что это такое в машине, как выглядит, фото, модели авто
Автомобиль автоматически переключается между двумя типами топлива. Мощность двигателя на водороде – 228 л.с., а на бензине – больше на 32 л.с. Максимальная скорость 229 км/ч, разгон до 100 км/ч осуществляется чуть меньше, чем за 10 секунд.
Hyundai Nexo
Этот автомобильный концерн также стал одним из первых производить серийные водородные автомобили. Мощность двигателя Hyundai Nexo составляет 161 л.с., запас хода – 600 км. Разгоняется авто до 100 км/ч за 10 секунд. Цена автомобиля от 70 тыс. долл.
Grove Obsidian
Это водородный китайский автомобиль нового поколения, у которого запас хода составляет впечатляющие 1000 км. Он экономно расходует топливо за счёт облегчённого корпуса из углеродного материала и невысокому аэродинамическому сопротивлению. Заправка бака происходит всего за 3 минуты, а сам топливный бак очень прочен. А если бак будет повреждён, то водород из него вытечет в жидком виде и сгорит менее чем за 2 минуты.
Серийно автомобили станут выпускать с 2021 года, а к 2030 планируется создать 1 миллион экземпляров.
Другие авто
Ограниченно выпускают:
- Audi A7 h-tron quattro;
- Hyundai Tucson FCEV;
- Mazda RX-8 Hydrogen RE;
- Автобус Ford E-450;
- Низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.
Испытывают:
- Focus FCV;
- Honda FCX;
- Nissan X-TRAIL FCV;
- Toyota Highlander FCHV;
- Volkswagen — space up!;
- Mercedes-Benz A-Class и Mercedes-Benz Citaro;
- Irisbus;
- Toyota FCHV-BUS;
- единичные модели в Чехии, Китае и Бразилии.
