logo1

logoT

 

Машины на водородном топливе


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.

Транспорт на топливном элементе / водородном топливе

Технология водородного топливного элемента

Транспортные средства, работающие на водородном топливе (fuel cell vehicle — FCV или fuel cell electric vehicle — FCEV), снабжены специальным устройством — топливным элементом — которое заправляется сжатым водородом. Водородный топливный элемент содержит пластины, покрытые катализатором, который запускает химическую реакцию по соединению водорода и кислорода из воздуха с образованием электричества для работы двигателя и водяного пара. Помимо использования специфической экзотермической реакции для выработки энергии, автомобили на водородном двигателе устроены аналогично электромобилям на литий-ионном аккумуляторе.

Мировой рынок автомобилей на водородном топливном элементе

На сегодняшний день продажи автомобилей на водородном топливе сильно отстают от электромобилей. Критики утверждают, что им никогда не удастся выйти за пределы нишевой технологии. На конец 2017 года практически все компании, которые поддерживали развитие технологии водородного топлива, в том числе Honda Motor, Hyundai Motor и Audi, переориентировали свои стратегии в сторону электромобилей. 

По состоянию на конец 2019 года лишь немногие автопроизводители сделали легковые автомобили с топливными элементами коммерчески доступными. Toyota Motor Corporation остается единственным крупнейшим мировым автопроизводителем, который по-прежнему делает ставку на автомобили на водородном топливе. Компания выпустила седан Mirai в конце 2014 года, но продала менее 10 тыс штук по всему миру. Hyundai Motor предлагает кроссовер Nexo с марта 2018 года  и продала чуть менее 2900 шт по всему миру. Продажи его предыдущей модели на водородном двигателе, Tucson, составили около 900 штук. Автомобиль Clarity от компании Honda Motor можно взять в аренду, в то время как Mercedes-Benz GLC F-CELL компании Daimler AG был доставлен лишь нескольким клиентам из корпоративного и государственного секторов. Также на рынке представлена модель Chevrolet Equinox.

Перспективы рынка автомобилей на водородном топливном элементе

Китай, Япония и Южная Корея поставили перед собой амбициозные цели стоимостью в миллиарды долларов по выводу миллионов автомобилей на водородном топливном элементе на свои дороги к конце 2020-х гг. Многие сторонники в этих странах считают, что водородный транспорт дополняет электротранспорт, а не конкурирует с ним. 

Китай, крупнейший в мире автомобильный рынок, где ежегодно продается около 28 млн автомобилей, планирует к 2030 году ввести в эксплуатацию более 1 млн автомобилей на водородном топливе. На данный момент таких транспортных средств в этой стране всего 1500, при этом большую часть составляют автобусы.

Япония, где продается более 5 млн автомобилей в год, хочет увеличить к этому моменту количество автомобилей на водородном топливном элементе до более 800 тыс с 3400 в настоящее время. 

Южная Корея, чей автомобильный рынок составляет всего одну треть от японского, поставила перед собой цель в 850 тыс автомобилей такого типа к 2030 году, хотя по состоянию на конец 2018 года было продано менее 900 таких автомобилей.

Крупный пассажирский транспорт на водородном топливном элементе

Водород считается более эффективным выбором для тяжелых транспортных средств, которые проезжают большие расстояния, поэтому в настоящее время особое внимание уделяется разработке городских автобусов на основе этой технологии. Спрос на автобусы на водородном двигателе несколько выше, чем на частный легковой транспорт. И у Toyota, и у Hyundai есть предложения в этом сегменте, в том числе автобус Toyota Sora, и они уже начали продавать запчасти производителям автобусов, особенно в Китае.

Несколько китайских производителей разработали собственные автобусы, в частности, государственная SAIC Motor, крупнейший автопроизводитель страны, и Geely Auto Group, которая также владеет брендами Volvo Cars и Lotus.

Преимущества автомобилей на водородном топливном элементе

Основными преимуществами водородного элемента по сравнению с литий-ионной батареей являются сравнительно небольшой вес, более высокая экологичность (при производстве и при утилизации аккумуляторов используются токсичные вещества) и широкая доступность топлива (водород — самый распространенный элемент во вселенной, его можно извлекать из массы разнообразных источников). Время заправки топливного резервуара такого транспортного средства сопоставимо со временем заправки бензинового двигателя, что значительно меньше любых предложений по зарядке электрического аккумулятора, доступных на данный момент. Дальность перемещения на одной заправке также в несколько раз выше, чем у современных электромобилей.

Недостатки автомобилей на водородном топливном элементе

Отсутствие разветвленной сети дорогостоящих заправочных станций обычно называют главным препятствием для широкого распространения водородного транспорта. В то же время основной причиной отсутствия инфраструктуры для заправки топливом является то, что не хватает самого транспорта на дорогах, чтобы сделать ее прибыльной.

Кроме того, водород является легковоспламеняющимся химическим веществом и потребителей беспокоит угроза взрыва водородного топлива. 

Американский предприниматель Илон Маск, основатель компании Tesla, еще в 2014 году отзывался с пренебрежением о будущем водородных технологий в связи с высокой стоимостью, сложностью производства, хранения и транспортировки водорода.

История создания автомобилей на водородном топливе

Первый в истории автомобиль, работающий на водородном топливном элементе, был сконструирован американской компанией General Motors в 1966 году. Для этого была использована технология, разработанная специально для космической программы. Однако, разработка этой технологии для использования в обычных транспортных средствах так и не сдвинулась с мертвой точки до 1990-х годов. В последние годы экспериментальные автомобили на водородном двигателе были построены рядом компаний, в том числе General Motors и Honda.

В 1992 году свои разработки в области производства электроэнергии из водорода и получения водорода начала компания Toyota. В 2002 году она начала продажи ограниченной серии автомобилей на водородном топливном элементе Toyota FCHV в Японии и США.

В 2007 году компания General Motors (GM) начала реальное тестирование более 100 специально выпущенных Chevrolet Equinox на водородном двигателе, в рамках которого машины передавались на три месяца обычным пользователям. За несколько лет испытаний пилотные автомобили наездили много миллионов миль.

В 2009 году компания Honda выпустила небольшой серией модель Clarity FCX на топливном элементе и за пять лет произвела несколько сотен таких автомобилей.

В 2013 году GM и Honda приняли решение объединить свои усилия по разработке и коммерческому продвижению этой технологии, с целью выпустить более доступный автомобиль на топливном элементе к 2020 году.

Последние новости рынка водородного транспорта

Аналитические обзоры по рынку водородного транспорта

Организации, работающие в сфере водородного транспорта

Компании, работающие в сфере водородного транспорта

Проекты в сфере транспорта на водородном топливе

Продукты категории транспорт на водородном топливе

Водородный Aurus готовится выехать на старт – Коммерсантъ FM – Коммерсантъ

Первый российский водородный автомобиль показали широкой публике. Отечественный бренд Aurus презентовал на Восточном экономическом форуме машину, которая ездит на этом экологически чистом виде топлива. Внешне представительский седан не отличается от бензиновой версии, но у него нет выбросов СО2, а запас хода составляет примерно 600 км. Глава Минпромторга Денис Мантуров в начале июля заявлял, что производство автомобилей на водороде начнется в России в 2024 году. Однако до определенного момента оно не будет массовым, а серийный выпуск тех же Aurus на таком топливе возможен лишь в долгосрочной перспективе.

Когда водородные машины смогут появиться на российских дорогах? Руководитель проекта 110km.ru Денис Смольянов считает, что сами авто реально создать к 2024 году, а вот вся необходимая инфраструктура к ним так быстро не появится: «Не так много топлива, которое можно хранить долгое время. Бензин вы можете залить в бак, в какую-нибудь большую канистру. Хранить долго электричество в месте, где нет какой-то инфраструктуры, довольно сложно. Проблематично построить в условной пустыне или тайге электрозаправки, поставить аккумуляторы, они не будут хранить электричество длительное время.

В этом плане водород может быть гораздо интереснее, чем электромобили.

Если мы расставляем на какой-нибудь трассе водородные заправки, то сможем обеспечить постоянное движение транспорта».

Тем временем в ближайшей перспективе Россия может получить поезда на водороде. Во всяком случае, об этом заявил губернатор Сахалинской области Валерий Лимаренко. По его словам, в его регионе такие составы планируется запустить уже в 2023 году. Железнодорожное сообщение с локомотивами на чистых топливных элементах входит в пилотный проект по созданию на Сахалине целого водородного кластера. Развивать такое движение в этом регионе вполне логично, а вот распространить водородные поезда на всю страну вряд ли получится, считает директор Института экономики транспорта и транспортной политики Высшей школы экономики Михаил Блинкин:

«Активное внедрение водорода как транспортного топлива имеет смысл только там, где создаются современные мощности в промышленных количествах. На железных неэлектрифицированных дорогах переход на водородное топливо — излишняя роскошь. Да, есть возможность использования водородной тяги. В какой-то перспективе можно об этом говорить, но опять же это возможно там, где есть водородные заправки по разумной цене и с доступной логистикой. Это очень важный вопрос».

Власти Сахалинской области также заявили, что региональный водородный кластер в регионе позволит ежегодно производить примерно 100 тыс. тонн такого топлива. До 2030 года для этого там планируется построить три завода. Впрочем, само развитие водородной энергетики в России пока несет скорее имиджевый характер, считает ведущий эксперт Фонда национальной энергетической безопасности и Финансового университета Игорь Юшков:

«Сейчас для России водород — это, конечно, попытка показать, что мы видим тенденции мировой энергетики, слышим, что происходит в Европе, видим все их программы по декарбонизации, не более того. Для нас есть логика в развитии водородной индустрии, прежде всего, на Сахалине с точки зрения того, что, например, в Южной Корее и в Японии будет развиваться потребление водорода, а мы из нашего газа будем производить и им экспортировать. Можно часть направлять на внутренний рынок и обеспечивать спрос, но его как такового нет. И просто так он не появится, даже если мы будем продавать водород другим странам».

Насколько реализуем план по увеличению числа экологичных машин

Смотреть

Россия тем временем планирует к 2050 году зарабатывать на экспорте водорода $24-100 млрд ежегодно. Такие прогнозы весной представило Министерство энергетики. По его подсчетам, к указанным срокам страна будет поставлять на мировой рынок до 33,5 млн тонн такого топлива.

Владимир Расулов

Машины на водороде вряд ли приживутся в России | Обзор прессы

Машины на водороде вряд ли приживутся в России

Автомобили на водороде, внедрением которых заинтересовались российские власти, не смогут конкурировать с электромобилями и тем более машинами с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), полагают в «Петромаркете». В частности, легковые машины на водородном топливе останутся более дорогими, чем электротранспорт, а стоимость «зеленого» водорода в ЕС будет выше, чем электроэнергии. В случае РФ сам водород может оказаться дешевле, но «водородомобиль» все же окажется более дорогим для владельца, чем электрический аналог.

«Ъ» ознакомился с исследованием «Петромаркета» «Зеленая революция: что она несет России?», посвященном сравнительному анализу перспектив автомобилей на разных видах «зеленого» топлива. Эксперты консалтинговой компании делают вывод, что машины на водородном топливе, применение которого сейчас активно обсуждают власти России, не смогут составить конкуренции электромобилям. В «Петромаркете» считают перспективы водородных машин «исключительно неблагоприятными»: «Даже в случае радикального снижения их цены (ныне очень высокой) по совокупной стоимости владения они будут проигрывать не только электромобилям, но и автомобилям с двигателем внутреннего сгорания на углеродно-нейтральном синтетическом топливе».

В России до сих пор не определились с приоритетами, параллельно идет разработка госпрограмм развития как электро-, так и водородного транспорта. Причем на данный момент у государства не установлены цели по снижению выбросов от автотранспорта, и пока это не планируется. В то же время чиновники активно обсуждают локализацию низкоуглеродных решений, а также развитие заправочной сети одновременно для компримированного газа, СПГ, электромобилей и водородного транспорта. В «Петромаркете» полагают, что для продвижения на рынок автомобилей с низкими и нулевыми выбросами СО2 уже в ближайшие пять лет в РФ потребуется установить достаточно серьезные ограничения на выбросы для новых автомобилей.

Среди проблем так называемых «водородомобилей» эксперты «Петромаркета» выделяют дороговизну «зеленого» водорода (производимого с помощью электричества из возобновляемых источников путем электролиза воды) по сравнению с собственно электричеством. По их оценке, производство водорода более энергоемкое, и разрыв не устранить. По расчетам, чтобы водородный автомобиль мог проехать 1 км, необходимо примерно в 2,5 раза больше электроэнергии из ВИЭ, чем для осуществления той же работы электромобилем, заключают в «Петромаркете».

Также в исследовании говорится о крайне высокой стоимости водородного автомобиля по сравнению со стоимостью электромобиля. «Даже если предположить, что водородный автомобиль к 2050 году упадет в цене в относительном выражении настолько же, насколько электромобиль, то этого все равно будет недостаточно, чтобы соперничать с последним по стоимости владения», — отмечается в исследовании. Такой сценарий падения стоимости водородных машин достижим только при заметном расширении их производства, отмечают в «Петромаркете», а это пока выглядит нереалистичным из-за «почти единодушной ориентации автопроизводителей на выпуск электромобилей».

В дайджесте размещен фрагмент материала, опубликованного в газете «Коммерсантъ» №99 от 10.06.2021

Автор: Ольга Никитина

Полный текст вы можете прочитать на сайте издания

опасно или выгодно?, утилизация автомобилей и машин, #утилизация

С поисками все новых альтернативных источников топлива человечество логично пришло к использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания. Самыми известными моделями на водородном топливе, выпускаемыми в наши дни, являются:

  • Honda FCX Clarity;
  • Mercedes-Benz F-Cell;
  • Toyota Mirai;
  • BMW 7 Hydrogen;
  • Mazda RX-8 Hydrogen.

Казалось бы, это решение может распространиться смело и на другие концерны, решив проблему нефтяного кризиса. Однако водород – во-первых, не единственная, а во-вторых, не самая безопасная альтернатива. Недаром электромобили вроде Tesla сейчас выигрывают партию.

Знаете ли вы? Что первый ДВС на водородном топливе изобрел француз де Риваз в 1806 году. А в период Ленинградской блокады, когда не было бензина, гениальные конструкторы переделали двигатели более, чем 500 транспортных средств под водород, и те работали без отказа до конца блокады.

Плюсы водородного топлива

Согласно исследованиям, водород понижает номинальную мощность мотора почти на 80%, однако если исправить под него систему зажигания, водород, наоборот, повысит ее мощность на 18%. И в этом плюс: изменения, которые вносятся в конструкцию автомобиля, небольшие и недорого стоящие.

Второе преимущество – неоспоримая экологическая чистота топлива. Когда Toyota презентовала свой последний «водородный» автомобиль, один из журналистов демонстративно сделал несколько глотков выхлопов, которые после водорода выходят жидкими. Следовательно, планете подобные автомобили вредят гораздо меньше.

Наконец, доступность водорода говорит в его пользу: это топливо можно получать даже из компоста, канализационных вод, биомусора. То есть, не нужно платить нефтяникам.

Есть ли минусы?

Опасность довольно большая состоит в том, что водород – один из самых легких газов, который в чистом виде без удержания просто улетит в верхние слои атмосферы. Поэтому его связывают в виде воды или метана, и уже внутри двигателя высвобождают. Этот процесс делает более дорогой технологию, да и стоимость сжиженного водорода, которая колеблется от 2 до 8 евро.

Пока что ни у нас, ни в Европе нет достаточного количества водородных заправок. Во многом это обусловлено низкой рентабельностью. А также тем, что стоит чистому водороду просочиться сквозь любую щель, он превращается в гремучий легко взрываемый газ. Для его воспламенения достаточно в 10 раз меньше энергии, чем для воспламенения бензина. Горит водород неярко, его сложно сразу заметить, но задохнуться ядовитыми газами очень просто. Так вывод – пока что водородные ДВС слишком дороги и для кошелька, и для здоровья человека.

Первый в мире микроавтобус на водороде сделали в СССР — да/нет?

Несколько опытных водородных «рафиков» обслуживали Олимпийскую деревню в Москве в 1980 году.

РАФ‑22031 называют первым в мире водородным микроавтобусом. Еще в 1976 году НАМИ разработал систему питания, при которой на холостом ходу и малых нагрузках двигатель работал на водороде. По мере возрастания нагрузки добавлялся бензин АИ‑93, а при максимальной мощности водород уже не подавался.

Материалы по теме

Несколько опытных водородных «рафиков» обслуживали Олимпийскую деревню в Москве в 1980 году.

Одну из главных олимпийских нагрузок нес завод РАФ. В Риге разработали почти полтора десятка специальных олимпийских версий РАФ-2203. По Олимпийской деревне курсировали рижские автопоезда РАФ-3407-9225-9226 (тягач и два прицепа). А электробус РАФ-2910 с дополнительной пассажирской дверью слева сделали для сопровождения марафонского бега и соревнований по спортивной ходьбе — чтобы не травить спортсменов выхлопами.

Позднее, в 1982 году, НПО «Квант» и Рижская автомобильная фабрика создали еще один водородный автомобиль — уже на топливных элементах. К сожалению, ситуация в стране фактически похоронила интересные разработки.

Необычные факты из истории техники Михаил Колодочкин коллекционирует много лет. Вот, например, вы знали, какая опция впервые в СССР появилась на полноприводной ГАЗ-М72?

Есть вопросы? Задавайте! [email protected]

Материалы по теме

Фото: НАМИ

Наше новое видео

Понравилась заметка? Подпишись и будешь всегда в курсе!

За рулем на Яндекс.Дзен

Водородный транспорт — хорошая идея только в теории / Хабр

Я очень хочу потыкать острой палкой в идею об электрических автомобилях на водородных топливных элементах (ТЭ). Некоторые люди совершенно очарованы этой идеей. Как можно не очароваться? На вход подается водород, абсолютно "чистое" топливо, а на выходе получается только вода или пар, и никакого углекислого газа, оксидов азота, сажи, и т. д. Водородный двигатель — тихий и компактный. Это не тепловой двигатель, и поэтому на него не распространяются жесткие ограничения цикла Карно. Заправка очень быстрая и не сильно сложнее чем обычная бензиновая заправка.

Кроме того, если вы — нефтяная компания, и спрос на бензин и дизель начнет уменьшаться, вы только что обнаружили новое топливо, которое можно продавать! Вы спасены!

Если вы живете в частном доме и хотите потреблять меньше энергии, вы думаете что можете делать водород из воды используя электричество от солнечных панелей на крыше, убивая сразу двух зайцев: вы получаете топливо для вашей машины и запасаете излишки энергии от солнечной генерации, с помощью единственной магической технологии. Звучит потрясающе!

К сожалению, дьявол кроется в деталях, и он не то чтобы сильно прячется, если вы будете смотреть внимательно.

В моей предыдущей статье я обсуждал эффективность в энергетических циклах двигателей внутреннего сгорания и электрических автомобилей. Я буду ссылаться на результаты из этой статьи когда буду делать предположения об электрических автомобилях на топливных элементах (fuel cell electric vehicle, FCEV). Я буду делать аналогичные допущения и использовать похожие источники.

Дисклеймер: я упомянут в нескольких патентах компании Texaco о получении водорода из природного газа для подачи на протонообменную мембрану (ПОМ, ПЭМ) топливных элементов (теперь патенты принадлежат Chevron, которая поглотила Texaco). Я занимался водородом еще с институтских времен, и примерно каждый второй проект на протяжении десятилетий, которые я провел в компании Zeton, включал в себя водород или синтез-газ.

Однако, еще раз хочу четко сказать: водород это прекрасная идея — в теории. Но большая проблема с водородом заключается... в самой молекуле водорода. Никакие изобретения или технологии не решат эту проблему.

Давайте разбирать цепочку эффективности электрического транспорта на водородных топливных элементах этап за этапом, также как мы делали с двигателем внутреннего сгорания и электрическими машинами на аккумуляторах (battery electric vehicle, BEV).

Производство водорода

КПД самого производства водорода — примерно 70%, в лучшем случае, к сожалению. Я недавно [статья 2017 года — прим. перев.] разговаривал с Hydrogenics, большим производителем щелочных и ПЭМ-электролизеров. Эффективность их более дешевых щелочных электролизеров — примерно 60%, а эффективность ПЭМ-электролизеров — 70%, когда он работает на минимальном токе. (Вы можете делать гораздо больше водорода на этом же приборе просто увеличив ток, но жертвуя эффективностью.) Это достаточно близко к теоретическому пределу эффективности электролиза — ~83%, которая получается, если поделить низшую теплоту сгорания (HTC) получаемого водорода на энергию затрачиваемую на электролиз. Мы не вернем эту потерю в топливном элементе потому что мы не используем теплоту конденсации водяного пара.

Большинство производителей электролизеров указывают КПД в расчете на высшую теплоту сгорания (ВТС), то есть включая теплоту конденсации пара. В этом случае 70% (НТС) КПД электролизеров превращаются в примерно 83% (ВТС).

Проблема электролиза в том, что часть энергии очевидно идет на создание молекул кислорода. Это может быть полезно в больших системах, которые могут собирать и сжимать чистый кислород (который затем можно продавать), либо если водород используется не как топливо, а как сырье в технологическом процессе, и этот процесс также использует кислород. К сожалению, водородная заправка не будет использовать кислород, она будет просто выпускать его в воздух.

Поэтому давайте остановимся на 70% (НТС) КПД конвертации электричества в водород, предположительно, электричества от возобновляемых источников (ВИЭ). Если совсем строго, мы еще должны учесть 6% потерь в электросети от источника электричества до электролизера.

70% КПД электролиза почти совпадает с наивысшей доступной на данный момент эффективностью технологии получения водорода из природного газа, парового риформинга (паровой конверсии) метана (steam methane reforming, SMR). Большие установки повышают эффективность, утилизируя теплоту продуктов процесса и сжигая побочные газы после очистки водорода.

Максимально чистый водород нужен, чтобы увеличить эффективность и долговечность топливных элементов. Они очень чувствительны к угарному газу, который уменьшает эффективность платинового катализатора в топливном элементе (то есть, является каталитическим ядом). К сожалению, невозможно конвертировать углеводороды в водород, не получив на выходе также какое-то количество угарного газа. Более того, сам катализатор может преобразовать углекислый газ в угарный газ, поэтому водородное топливо должно быть полностью очищено от обоих газов. Даже инертные газы, такие как аргон и азот, уменьшают эффективность ПЭМ-топливного элемента, потому что надо позаботиться об их выводе на аноде. Поэтому реальные топливные элементы требуют очень чистый водород: посмотрите на спецификации ПЭМ-топливных элементов производства Ballard, Plug Power, и других.

К сожалению, эффективность паровой конверсии метана стремительно падает с уменьшением установки. Тепловые потери увеличиваются, что имеет особенно большое значение в таком высокотемпературном процессе как паровая конверсия. Вы быстро обнаружите это когда попробуете спроектировать процесс для относительно небольшой водородной заправки.

Доставка природного газа по трубопроводам к установке по паровой конверсии в водород и последующая доставка водорода от централизованной установки к заправкам скорее всего будет стоить больше чем 6% от энергии конечного водорода, но давайте будем щедрыми и примем эти потери тоже за 6% чтобы делать меньше подсчетов (хотя, в конечном счете, это все равно будет неважно). Таким образом, вне зависимости от того, начинаем мы с электричества или с метана, мы приходим к 70%*94% ~= 66% КПД производства водорода, без существенных возможностей для улучшения потому что мы уже близки к термодинамическим пределам.

Стоит отметить что КПД электролиза горячего пара может казаться очень высоким (даже выше 100%), например, при использовании твердооксидного топливного элемента в реверсе. Естественно, при этом не учитывается работа по испарению воды и нагреву пара. Никто не использует электролиз пара если у него нет а) источника "бесплатного" пара и б) процесса в котором используется горячий водород или горячий кислород или желательно оба газа. Кроме того, как всякие высокотемпературные устройства, паровые электролизеры "не любят" работать с перерывами, поэтому вам также нужен стабильный круглосуточный источник электричества, а возобновляемые источники — не стабильные.

Хранение водорода

Теперь нам надо хранить водород, и загвоздка опять в самой молекуле. Хотя плотность энергии водорода на единицу массы очень большая, даже в форме криогенной жидкости (при температуре 24 выше абсолютного нуля) водород имеет плотность всего 71 кг/м3. Поэтому единственная практичная на данный момент форма хранения водорода для небольших машин — это газ высокого давления. Любые способы увеличения объемной плотности хранения водорода или уменьшения давления (например, гидриды металлов, абсорбенты, органические носители, и т. д.) или сильно увеличивают массу бака, или увеличивают потери водорода во время хранения, или требуют энергии для извлечения водорода. Я бы не рассчитывал на некий магический прорыв в этой области: у нас было тридцать лет на исследования с того момента, как водород стал всерьез рассматриваться как топливо.

Про опасность водорода хорошо известно, и в моей статье не будет картинки с дирижаблем "Гинденбург"! На самом деле, уже достаточно давно научились безопасно обращаться с водородом в промышленности если использовать разные меры предосторожности. Но я не хочу, чтобы мои соседи даже думали о производстве водорода под давлением 400 или 600 атмосфер с помощью своих домашних солнечных панелей. Это кажется мне кошмарной идеей по многим причинам.

Чтобы сжать водород с давления ~20 атмосфер на выходе с установки по паровой конверсии из метана или с примерно атмосферного давления (на выходе из некоторых электролизеров) до 400 атмосфер надо потратить энергию, обычно электричество. К сожалению, мы вынуждены рассеивать тепло от сжатия водорода на достаточно низкой температуре чтобы сберечь элементы компрессора, и поэтому это тепло трудно как-то использовать. Более того, давление в баке на заправке может снизиться с 400 атмосфер только до 395 во время заправки одной машины, поэтому вся работа по сжатию делается при самом высоком коэффициенте сжатия [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. Бак на заправке должен быть очень большим. В противном случае, требования заправляющего компрессора или ограничения по переносу тепла могут уменьшить скорость заправки (ведь мы помним, что скорость заправки — чуть ли не главная причина, по которой нам интересен водород в качестве топлива для транспорта!).

На большом масштабе, с гигантскими компрессорными агрегатами, можно хранить водород под большим давлением теряя не больше 10% от теплоты сгорания (НТС) хранимого водорода на работу компрессоров, что, на самом деле, удивительно хорошо, учитывая вышесказанное. (Заметим, что политропный КПД самих компрессоров — это лишь малая часть этих потерь. Мы смотрим на другую меру эффективности.) К сожалению, когда мы уменьшаем размер компрессоров, эффективность улетает вниз. Многоступенчатый диафрагменный компрессор для автомобиля может потреблять до половины энергии сжимаемого водорода или даже больше. При уменьшении масштаба также растут капитальные расходы в расчете на единицу энергии проходящей через установку на протяжении ее жизненного цикла. Прискорбно, что транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична по той же причине, по которой его тяжело хранить — свойства молекулы. [Тут автор не развивает мысль почему транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична, но в другой статье он пишет, что доставка водорода по трубопроводам требует в три раза больше энергии, чем доставка природного газа, на единицу переносимой энергии — прим. перев.] Все мечты о "водородной экономике" предполагают малые и распределенные системы производства водорода, так что мы не должны гонять водород с места на место, что оставляет нам только один реалистичный вариант: электролиз.

Таким образом, у нас остается 70% (производство) * 94% (потери в электросети или на работу трубопровода) * 90% (хранение под высоким давлением) = 59% КПД от исходной энергии до бака автомобиля. Для сравнения, для бензина этот показатель — 80%. Конечно, мы не будем использовать водород в неэффективном двигателе внутреннего сгорания как замену бензину, особенно если водород получен из углеводородов: мы бы лучше просто сжигали эти углеводороды в ДВС напрямую.

Если нас заботят выхлопы парниковых газов, производство водорода из метана точно не решает проблему [см. недавнюю статью "Насколько чист "голубой" водород?" на эту тему — прим. перев.]. Мы бы лучше просто ездили на Приусах. Электролиз с использованием электричества из возобновляемых источников — это единственный возможный вариант.

Топливный элемент с протонообменной мембраной

Печально, но мы все еще не закончили терять энергию — далее идут потери в топливном элементе. Хотя это и не тепловой двигатель, топливный элемент все равно имеет собственные термодинамические пределы. Топливные элементы достигают эффективности в 50–60%, и это недалеко от теоретического предела в 83% для идеального топливного элемента. 

Давайте будем щедрыми и возьмем 60% как КПД топливного элемента. Реальные ТЭ которые можно купить имеют эффективность около 50% — лучше, чем у небольшого двигателя, примерно так же, как у судовых двигателей или стационарных скоростных двигателей, или у газовых турбин.

Вся цепочка, от источника энергии до колес

Учитывая эффективность электрического инвертора и мотора (90%), общая эффективность "от электростанции до колес" — 94%*70%*90%*60%*90% = 32%. Напомню, что по показателю "от скважины до колес", Приус достиг эффективности 30% на бензине, то есть мы "сделали" Приус, и это без вредных выхлопов. И с быстрой заправкой. Ура! Ура?...

Мой самодельный электрический автомобиль, "E-Fire", имеет эффективность 76.5%... и тоже не дает никаких выхлопов. [Источник этой оценки неясен: если автор берет такие же потери в инверторе, моторе, и электросети, его батарея должна иметь КПД 90%. — прим. перев.] несмотря на очень маленькую батарею по нынешним стандартам, всего 18.5 кВч, этого хватает на мою дорогу до работы и обратно. Я уже проехал на этой машине 20 тыс. км. без парниковых выхлопов, и я никогда не ждал ее зарядки: я заряжаю ее один раз ночью, и один раз утром на работе. Эта машина не делает всего того, что делает машина с ДВС, не пытается, и не должна этого делать.

Капитальные затраты на водородный стек

Таким образом, электромобили на топливных элементах (FCEV) в лучшем случае примерно в 2.4 раза хуже чем лучшая доступная сейчас альтернативная технология, электромобили на аккумуляторах (BEV). Взамен мы получаем более быструю заправку и, возможно, немного большую дальность хода на одной заправке, и это все. Не слишком ли высока цена за немного большее удобство? Хотя, подождите, мы ведь даже не начали говорить о цене....

Водород это очень дорогое топливо, с любой точки зрения.

В 2.4 раза худшая эффективность транспорта на топливных элементах означает что мы должны установить в 2.4 раза больше генерирующих мощностей из возобновляемых источников. Сам по себе этот факт должен заставить сторонников водорода задуматься.

Мы также должны построить инфраструктуру по распределению водорода. Вы не будете заправляться водородом дома, это слишком огнеопасно. Это значит что кто-то должен заняться этой инфраструктурой как бизнесом, но никто не захочет это делать потому что на этом не получится заработать.

Наконец, давайте посмотрим на сам электромобиль на ТЭ. В нем, конечно, должен быть бак для водорода и топливные элементы. А также все остальные части обычных электромобилей, включая аккумулятор! Аккумулятор будет меньше, ближе по размеру к аккумуляторам в гибридах, но он все равно нужен чтобы было куда девать энергию от рекуперативного торможения, чтобы управлять потребностями в системе топливных элементов чтобы уменьшить ее стоимость. Батарея также нужна во время старта и выключения топливных элементов. Таким образом, электромобиль на ТЭ — это гибрид.

В дополнение ко всему вышесказанному, сами топливные элементы по-прежнему очень дороги. Хотя цены однозначно снизятся с началом массового использования и производства, также как сейчас снижаются цены на литий-ионные аккумуляторы, металлы платиновой группы (МПГ), такие как платина и палладий, используемые в катализаторах топливных элементов, не позволят ценам упасть слишком сильно. Уменьшите долю МПГ, и топливные элементы станут еще более чувствительными к примесям в водороде, и, я подозреваю, эффективность упадет. Замените МПГ на более дешевые металлы, такие как никель, и большая часть преимуществ топливных элементов пропадет: они должны будут работать при более высоких температурах, и т. д.

Toyota Mirai, электромобиль на топливных элементах

Означает ли это, что водород — это мертвая идея для персональных электромобилей? Одним словом, на мой взгляд, ДА. Я полностью согласен с Илоном Маском в этом вопросе. Разве что, уточнив, что мы говорим не о мире в котором электричество ничего не стоит, или его цена даже становится отрицательной потому что генерация из возобновляемых источников становится такой дешевой что не требует вообще никаких денежных вложений. Но я готов поспорить, что а) этого никогда не произойдет, б) даже если мы приблизимся к этой странной экономической ситуации, капитальные затраты и другие практические проблемы с электролизерами, компрессорами, резервуарами для хранения и топливными элементами все равно полностью убьют идею.

Сравнение двух реальных автомобилей которые можно купить (по крайней мере, в Калифорнии) показывает, что мои оценки оптимистичны в пользу водорода. Для автомобилей с аналогичными характеристиками и дальностью хода, водородный автомобиль потребляет в 3.2 раза больше энергии и стоит в 5.4 раза больше в расчете на проеханный километр:

Конечно, обе технологии будут улучшены в будущем, но расчеты выше по тексту задают пределы. Невозможно преодолеть законы термодинамики неким хитрым изобретением или принимая желаемое за действительное.

Означает ли все это, что топливные элементы вообще не нужны? Вовсе нет! Существуют устоявшиеся области в которых ПЭМ-топливные элементы имеют смысл, но это лишь те ситуации, где энергоэффективность гораздо менее важна, чем, например, быстрая заправка. Таким образом, Plug Power находит свою нишу на рынке складских вилочных погрузчиков, особенно на охлаждаемых складах.

Вилочный погрузчик на топливных элементах

То же самое относится к так называемым "power to gas" (P2G) схемам. Это совсем другая модель: они используют "избыточную" возобновляемую электроэнергию для производства водорода, который затем под низким давлением подмешивается в газовую сеть, где в конечном итоге используется для производства тепла, часто в устройствах, которые в конечном итоге рекуперируют тепло конденсации водяного пара (продукта горения водорода). Как средство хранения электроэнергии схемы P2G настолько смехотворно неэффективны, что о них даже не стоит говорить, но зато они требуют лишь небольших капитальных вложений и сокращают выбросы парниковых газов, когда водород вытесняет метан. Это не так уж и плохо, если только вы не сделаете вывод, что однажды мы ПОЛНОСТЬЮ заменим природный газ водородом... Это будет очень глупо.

Другие применения водорода на транспорте

На данный момент, в некоторых видах транспорта: самолеты, поезда, суда, аккумуляторы практически или совсем неприменимы. Главный вопрос в этих случаях стоит так: насколько мы заботимся о токсичных выбросах? Если они волнуют нас больше всего, водород — единственные решение. Но если мы больше думаем о парниковом эффекте, мы также можем использовать биотопливо как альтернативу водороду. [При сжигании биотоплива в воздух попадает углекислый газ, но этот углерод был извлечен из атмосферы самими растениями в течение предыдущего года, поэтому общий атмосферный баланс не нарушается — прим. перев.] Для самолетов биотопливо, скорее всего, — это единственное практическое решение до тех пор пока мы не изобретем что-то с гораздо большей плотностью энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, возможно, перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы. И хотя мы не сможем полностью заменить бензин и дизель на биотопливо, даже если полностью забудем об экономике (цифры по этому поводу см. на сайте www.withouthotair.com), если мы покроем 90% перевозок (в километрах, или тоннокилометрах) электричеством, мы можем производить достаточно биотоплива чтобы покрыть оставшиеся 10%, ПЛЮС все те другие виды транспорта, в которых в сейчас невозможно использовать аккумуляторы. Гораздо важнее избавиться от токсичных выхлопов в городах, чем на трассах, в море, или высоко над землей.

Очевидно, что использование водорода или электрохимии для уменьшения выбросов CO2 с целью получения жидких углеводородов значительно менее эффективно, чем сам водород [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. То же самое и с аммиаком, который кажется кому-то способом преодолеть некоторые недостатки водорода. Аммиак — ядовитый газ, и, опять же, производить его менее эффективно, чем водород. Мысль о заправке автомобилей аммиаком повергает меня в ужас, учитывая количество смертей, связанных с аммиаком в результате его использования в качестве хладагента и в сельском хозяйстве.

Так называемое "e-топливо" (e-fuel, power-to-liquid) — это, на самом деле, производная водородного топлива. Оно делается из углекислого газа, воды (продукт горения водорода), и электричества. При реверсе термодинамического процесса неизбежны потери. С учетом того, что потом мы используем это топливо в неэффективном ДВС, вся схема получается очень очень неэффективной.

Е-топливо - это способ использовать еще больше излишков энергии в тщетных попытках превратить водород в более эффективное (удобное) топливо. К сожалению, если мы не сможем производить достаточно биотоплива для того транспорта, в котором мы не можем использовать аккумуляторы, нам, возможно, придется сначала использовать топливные элементы, и только в самом крайнем случае — е-топливо. И мы будем горько плакать, глядя на его стоимость.

Настоящее будущее "зеленого" водорода

Сейчас более 96% водорода производится из ископаемого топлива либо целенаправленно (паровая или автотермальная конверсия метана), либо как побочный продукт при производстве нефти. Мы должны научиться производить водород очень эффективно из возобновляемого электричества, но не тратить его как автомобильное топливо, а использовать при производстве удобрений: аммиака и мочевины. Нам придется избавиться от гигантской инфраструктуры по производству и доставке углеводородов.

В продолжение темы, читайте мою статью: "Hydrogen from renewable energy — our future?" Или зеленый камуфляж?

Дисклеймер [от автора статьи, не переводчика]: все что я пишу в своих статьях — это мое личное мнение. Я пытаюсь всегда приводить ссылки на источники, когда могу. Скорее всего, в моих цифрах и рассуждениях есть ошибки. Я заранее извиняюсь за них. Если вы можете указать мне на них со ссылкой на хороший источник, я отвечу и исправлю текст. Мой работодатель, Zeton Inc., работает в совсем другой области, и не имеет ни интереса, ни даже позиции по поводу водорода. Мы проектируем и строим пилотные установки.

90 000 автомобилей с водородным двигателем - как это работает?

Водород можно использовать для питания автомобилей 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 меньше суммарной энергии связи молекул водорода h3 и кислорода O2.

Следовательно, , когда водород и кислород связываются с молекулами воды, вырабатывается избыточная энергия. Он может быть удален 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)

Преждевременное зажигание является серьезной проблемой при использовании водорода в поршневых двигателях. Причинами этого являются, прежде всего, очень низкая энергия воспламенения водорода и широкий диапазон пределов воспламеняемости.Кроме того, при сгорании водорода в воздухе образуются небольшие количества оксидов азота. Примером такого решения является BMW Hydrogen Series 7. Еще одним недостатком в данном случае является использование жидкого водорода для хранения.

Правда, в жидком состоянии в 846 раз меньше, чем в газообразном при температуре 0 градусов Цельсия и давлении 1 атм, но потребляет много энергии и поэтому его надо охлаждать до температура -253 градуса Цельсия.Так 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, использующих топливные элементы, баки используются для хранения сжатого водорода. Их цилиндрическая форма напоминает те, которые используются для сжиженного нефтяного газа. Конструктивно они гораздо более совершенны с точки зрения используемых технологий. Внутренний слой из алюминия или стали (ок.20 процентов общая масса), а снаружи покрыт композитным материалом.

Благодаря этому они обладают высокой устойчивостью к механическим повреждениям и сравнительно 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 камеру, куда также подается воздух, чаще всего с применением турбокомпрессора.Затем ток (постоянный ток) передается от ячейки к тяговому преобразователю, где он преобразуется в переменный ток и передается на асинхронный двигатель. Заключительный 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 между водородом и кислородом.Ячейка состоит из двух электродов: катода и анода. Они разделены электролитом или электролитической мембраной. Они пропускают поток катионов и блокируют поток электронов .

Когда он попадает на анод, он распадается на протоны и электроны. Первые могут свободно проходить через электролит к катоду, к которому подается воздух. С другой стороны, поток электронов к катоду проходит через внешнюю цепь , вызывая генерацию электрического тока.Эта электрохимическая реакция водорода и кислорода производит электричество, воду и тепло.

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

Существует множество типов топливных элементов.Один из критериев, согласно их можно разделить на температурные, так как некоторые из используемых веществ обладают очень хорошими электролитическими свойствами при высоких температурах. Мы различаем высокотемпературные и низкотемпературные топливные элементы .

Эксплуатация первого происходит при температуре около 600 градусов Цельсия. Они могут использовать водород низкой чистоты, а также некоторые углеводороды, такие как метан. Еще одним преимуществом является их высокая эффективность. К сожалению, самым большим недостатком является высокая инерционность ячейки по времени, ее нельзя запустить сразу, поэтому в автомобилестроении они не используются.

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

Электродвигатели в Honda FCX Concept 2006

(фото: пресс-материалы / Honda)

Существует три основных типа низкотемпературных элементов.Первыми являются щелочные топливные элементы (AFC), где электролитом является гидроксид калия. Рабочая температура от 65 до 220 градусов Цельсия, что способствует быстрому вводу в эксплуатацию. Они имеют высокий КПД, малый вес и малую вместимость. Также они отличаются относительно коротким сроком службы и большими проблемами с отводом воды, которые необходимо устранять перед повторным запуском.

В фосфорнокислотных топливных элементах (PAFC) в качестве электролита используется концентрированная фосфорная кислота. Рабочая температура составляет от 150 до 205 градусов Цельсия. Они отличаются высокой устойчивостью 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 стандартной ячейке PEM электролит представляет собой полимерную мембрану, покрытую тефлоном. Рабочая температура от 160 до 195 градусов Цельсия, но благодаря использованию Хондой ароматических соединений удалось уменьшить диапазон температур, и в модели FCX Concept он составляет от -20 до 95 градусов Цельсия.

Преимуществами являются, конечно же, быстрый запуск, отсутствие коррозии, вызванной электролитом, высокий КПД, компактная конструкция и прочные материалы, используемые для изготовления диафрагмы. К сожалению, процесс его производства очень дорог, в т.ч.в необходимостью использования платины.

Система водородного 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 на водороде станут доступными на каждые , и тогда они быстро заменят традиционные двигатели внутреннего сгорания.Когда это произойдет? Надеюсь, не при жизни.

.

Автомобиль на водороде - как это работает

Сегодня мы представляем самую важную информацию на эту тему. А в сентябре вы сможете увидеть Mirai своими глазами в избранных автосалонах Toyota в Германии, Великобритании и Дании.

Если бы вы спросили автомобильных инженеров, какой двигатель будет использоваться в автомобилях будущего, все они, не задумываясь, ответили бы: электрический.По сравнению с двигателями внутреннего сгорания имеет много преимуществ: очень высокий крутящий момент, возможность работы в чрезвычайно широком диапазоне оборотов, простота и долговечность, обусловленные минимальным количеством подвижных частей, простота и точность регулирования параметров, малые габариты и вес. , и, наконец, КПД, достигающий 98% (для типичных двигателей внутреннего сгорания он составляет всего около 33%).

Так почему же электромобили до сих пор не доминируют на рынке, хотя электродвигатели широко используются во всех областях техники, от бытовых нужд до железных дорог, метро и трамваев? Предоставление автономного источника электроэнергии, способного преодолевать большие расстояния и быстро подзаряжаться, когда он истощается, остается проблемой.Несмотря на колоссальный прогресс в аккумуляторных технологиях, они по-прежнему большие и тяжелые, и хотя их можно подзарядить от обычной электрической розетки, пополнение запаса энергии означает как минимум перерыв в пути на несколько десятков минут. И это только в том случае, если мы используем для этих целей нагнетатели, которые нельзя воткнуть в обычную розетку и которые быстро разряжают батарею. При обычной, общедоступной технологии зарядки это занимает несколько часов. Насколько удобнее доехать до заправки за несколько минут!

Электричество из водорода

Решением этой проблемы может стать использование топливных элементов.Эти устройства вырабатывают электричество в результате прямого взаимодействия топлива с кислородом воздуха без поршней, цилиндров и других движущихся частей. Чистый водород является наиболее эффективным топливом для топливного элемента. Звучит космически — горение водорода в ракетных двигателях при температуре почти 3000 градусов по Цельсию? Да тот же водород, но в топливном элементе окисление происходит холодным, благодаря наличию катализатора. Между прочим, водородные топливные элементы были разработаны именно для выработки электроэнергии в космических кораблях.

Казалось бы, такое сложное решение еще долго останется достоянием учебных автомобилей, которыми можно любоваться только на автомобильных выставках.Между тем, серийный легковой автомобиль на топливных элементах уже доступен на рынке — это Toyota Mirai.

Электрическое будущее

Серийная модель Mirai (в переводе с японского «будущее») была разработана как развитие представленного в 2013 году концепта Toyota FCV (Fuel Cell Vehicle).Хотя внешне он очень похож на него, он содержит множество улучшений, значительно улучшивших его характеристики. В конструкции силового агрегата также используется ряд масштабных компонентов, производных от Toyota Hybrid Synergy Drive (HSD), что с одной стороны положительно сказывается на надежности, а с другой позволяет значительно снизить затраты благодаря экономии. масштаба.

Mirai — четырехдверный седан, сравнимый по размерам с Toyota Camry.Привод на переднюю ось обеспечивает проверенный в агрегатах HSD электродвигатель мощностью 113 кВт (154 л.с.), развивающий крутящий момент 335 Н • м. Электронный блок управления двигателем (PCU) (Power Control Unit) также был взят от агрегатов HSD. При низком энергопотреблении электроэнергия подается от никель-металлгидридной батареи емкостью 1,6 кВтч, которая также сохраняет энергию, регенерируемую при рекуперативном торможении (электродвигатель в этом случае работает как генератор).На более высоких скоростях электричество вырабатывается набором топливных элементов.

Зрелая технология

Комплект топливных элементов с полимерным электролитом Mirai совершенно новой конструкции мощностью 114 кВт (155 л.с.).Используемые в нем решения заслуживают отдельной статьи; Их ценность доказывает тот факт, что конструкторам Toyota удалось добиться рекордной удельной мощности в 3,1 кВт/дм³ — в два раза выше, чем у модели FCHV-adv studio. Для повышения эффективности системы между блоком топливных элементов и контроллером мощности установлен электронный преобразователь для увеличения напряжения до 650 вольт. Его использование позволило уменьшить количество топливных элементов и вес всей системы.Когда потребность в мощности максимальна, т. е. когда вы быстро разгоняетесь, топливным элементам помогает батарея.

Комплект топливных элементов весит всего 56 кг и имеет объем всего 37 дм³, поэтому его можно разместить под полом автомобиля, чтобы он не ограничивал полезное пространство кузова.Также под полом находятся два водородных бака (передний на 60 литров и задний на 62,4 литра), которые сами по себе являются настоящим чудом техники. Изготовленные из многослойного композита, они выдерживают огромное давление в 70 МПа, и при этом очень легкие, а рекордный коэффициент мощности означает, что целых 5,7% массы полных баков составляет водородное топливо. Внутренняя нейлоновая подкладка обеспечивает необходимую герметичность, следующий слой композита с армированием углеродным волокном обеспечивает устойчивость к давлению, и, наконец, внешний слой композита с армированием стекловолокном гарантирует устойчивость к механическим повреждениям.Использование стеклянных волокон позволило сократить расход очень дорогих углеродных волокон и тем самым удешевить баки при сохранении требуемых параметров.

Чисто, тихо, быстро

Следствием использования водородного топлива является абсолютная чистота выхлопных газов - это просто водяной пар; Он больше не может быть чище.Водород может быть полностью возобновляемым топливом — скептики скажут, что для его получения, например электролизом воды, нужна электроэнергия, вырабатываемая электростанциями, но она может поступать от гидро-, ветряных или солнечных электростанций. Водород также может быть получен несколькими другими способами, что решает проблему диверсификации источников энергии. Другие экологические аспекты Mirai заключаются в том, что при эксплуатации меньше загрязняется окружающая среда – моторное масло и клиновые ремни не нужно менять, рекуперативное торможение снижает износ тормозных накладок.Еще одним ценным преимуществом является идеальная тишина, обеспечиваемая электроприводом, и бесшумная работа топливных элементов.

Электропривод способен разогнать Mirai до максимальной скорости 178 км/ч, а содержащийся в баках водород позволяет на одной заправке проехать 480 км (до 700 км при заправке на станциях нового поколения).Заправка занимает всего три минуты — сравнимо с заправкой на заправке.

Toyota Mirai теперь доступен в Японии, и автомобиль появится на американском рынке в любой момент.Ожидается, что продажи в Европе начнутся в сентябре, сначала в Великобритании, Дании и Германии (ориентировочная чистая цена на немецком рынке составляет около 60 000 евро), а затем и в других странах по мере развития инфраструктуры заправки водородом.

.90 000 польский водородный автомобиль. Прототип должен быть представлен в году

Польский водородный автомобиль в виде прототипа с дорожным полотном будет показан в 2022 году, по словам Михала Енджеевского, основателя Ampere Life. Автомобиль должен быть построен в меньшем масштабе, чем целевой автомобиль, и продемонстрировать работу транспортного средства на практике. Срок, указанный для готового автомобиля, составляет 4-5 лет.

Польский автомобиль на водороде – прототип в следующем году

"Мы находимся на стадии проектирования первого вида, как будет выглядеть наша машина.Это будет довольно большой внедорожник. У нас также есть план всей системы, как она будет работать, т. е. где будут располагаться баки и двигатель», — так комментирует это Михал Енджеевский для агентства Newseria.

Компания также объявила о разработке нового метода заправки водородного автомобиля.По словам представителя Ampere Life, она будет автоматизирована и не потребует выхода из машины. Благодаря этому решению энергоэффективность водорода должна увеличиться на 10 процентов. - запас хода должен быть больше, чем у выпускаемых в настоящее время водородных автомобилей. К сожалению, не было указано, сколько она должна быть хотя бы приблизительно.

Michał Jędrzejewski по этому поводу: " Кроме того, когда будет разработано альтернативное топливо, такое как метан, которое может дать гораздо больший запас хода, чем один только водород, наш автомобиль будет адаптирован к этому изменению."

«Мы столкнулись с гонкой инноваций на автомобильном рынке.Мы предпочитаем смотреть на три-четыре шага вперед — хотя это может показаться абстрактным, говорить о водородном автомобиле сейчас, когда у нас есть аккумуляторные автомобили», — так описывает его создатель.

Польский водородный автомобиль также должен быть адаптирован для работы на других видах топлива, кроме водорода.

Польский автомобиль на водороде станет генератором электроэнергии

Новый польский водородный автомобиль, по заверениям его создателей, также должен быть мини-генератором электроэнергии, который должен быть достаточно эффективным, чтобы питать, например, электроэнергию.дача.

Михал Енджеевский описывает свою идею следующим образом: «У водорода много применений, потому что его можно использовать для производства бытовой энергии.Мы хотели бы, чтобы мы просто делились этой энергией. Моя мечта — создать жилой комплекс, который производит энергию сам, а все соседи ее делят».

С этим автомобилем польский стартап Ampere Life намерен присоединиться к небольшой группе брендов, в настоящее время состоящей из трех производителей, предлагающих автомобили с водородным двигателем.Напомним, что в настоящее время это: Toyota с моделью Mirai, Hyundai с моделью Nexo и Honda, которая предлагает модель Clarity на рынках Японии и Калифорнии.

Михал Енджеевский считает, что водород — это топливо будущего: «Есть много теорий заговора о водороде.Например, Илон Маск не согласен с тем, что будущее за водородным автомобилем, но, на наш взгляд, его проще производить, он более экологичен, дешевле и — с развитием альтернативных видов топлива — будет иметь больший запас хода, чем автомобиль, работающий на водороде. батарейками, которые через какое-то время придется утилизировать. Хотя разрабатываются новые, более экологичные решения, однажды он все равно станет избыточным материалом, его энергетическая ценность будет снижаться по мере его использования.С другой стороны, баллон с водородом можно наполнять без остановок».

Сложный вопрос, является ли водород топливом будущего, мы уже затрагивали в материалах: "Водород - топливо будущего без будущего?" и "Водород "грязнее", чем углерод? Тревожный отчет ученых!"Однако стоит немного уточнить живучесть водородного привода, значительно упрощенного в приведенной выше формулировке. Термин «водородные автомобили» немного вводит в заблуждение. В настоящее время это электромобили, которые сами производят необходимую им энергию, используя топливные элементы, использующие водород. В результате реакции окисления в них вырабатывается электричество, а образующиеся выхлопные газы состоят из паров воды. Необходимо помнить, что баллон, упомянутый в выступлении, является всего лишь баком для водорода и на самом деле, если только его конструкция соответствует требованиям допуска, его можно заправлять этим топливом без остановок.Однако топливные элементы имеют определенный срок службы. В настоящее время ученые только работают над продлением их последнего поколения, в котором используется полимерный электролит, до 40 тысяч. время.

.

Тойота Мирай. Сколько стоит водородная революция?

Сколько стоит гибридная революция? 300 тысяч. Ровно 299 900 злотых. именно так оценили новейшую Toyota Mirai — автомобиль на водороде. Если быть точным, то это де-факто электромобиль, но электроэнергию вырабатывает он сам. На топливных элементах из водорода, который в Польше… негде заправлять. Увидимся.

Японцы последовательно настаивают на гибридах, отказываясь от использования электромобилей, утверждая, что они неэффективны и вызывают большие ограничения.Напрасно искать прайс-листы японского производителя электромобилей. Но есть Toyota Mirai, которая должна стать и фактически уже является еще одной вехой в автомобильной промышленности. Как раньше были гибриды. По словам Toyota, именно Mirai открывает новое измерение в автомобильной промышленности.

Toyota Mirai

Auto имеет даже второе поколение. Он высадился, вырос и, что интересно, регулярно продавался в сети Toyota в Польше. Цена? Зависит от версии оборудования. Более дешевый Prestige стоит 299 900 злотых, Executive дороже и требует 15 000 злотых.доплаты.

Как в обычном гибриде

Комплектация

Prestige в стандартной комплектации оснащена системой очистки воздуха, двухзонным автоматическим кондиционером, смарт-ключом, би-светодиодными фарами головного света, светодиодными дневными ходовыми огнями и 19-дюймовыми легкосплавными дисками с шинами 235/55 R19.

Также на борту есть подогрев передних сидений, мультимедийная система с цветным сенсорным экраном 12,3”, аудиосистема JBL с 14 динамиками и интерфейсом Android Auto и Apple CarPlay, навигация на польском языке с 3-летним обновлением карт.

Тойота Мирай

В стандартную комплектацию

также входит пакет систем активной безопасности Toyota Safety Sense, в том числе адаптивный круиз-контроль, система раннего предупреждения о пешеходах и велосипедистах, система предупреждения о выходе из полосы движения, помощник по обслуживанию полосы движения, распознавание дорожных знаков и автоматический дальний свет.Кроме того, автомобиль в стандартной комплектации получил систему определения усталости водителя, систему автоматического оповещения о чрезвычайных ситуациях и систему поддержки подъема и спуска с холма.

Пакет на 35 тысяч.

Представительская версия Toyota Mirai дополнена системой камер кругового обзора, зарядным устройством для беспроводной связи на центральной консоли, обивкой из искусственной кожи, подогревом рулевого колеса и крайних сидений во втором ряду и системой контроля слепых зон в зеркалах, система обнаружения препятствий для предотвращения столкновений при маневрах, системы Rear Cross Traffic Alert и Adaptive High Beam System.

Как бы кому не хватило, версию Executive можно обогатить пакетом VIP Black или VIP White за мелочь в 35 тысяч. злотый. Оба пакета включают 20-дюймовые легкосплавные диски с шинами 245/45 R20, трехзонный автоматический кондиционер, вентиляцию передних сидений, а также память водительского сиденья и рулевой колонки. Водитель также получает такие удобства, как проекционный дисплей HUD, цифровое зеркало заднего вида с цветным дисплеем и систему автоматической парковки. Задние пассажиры могут пользоваться центральной консолью и панелью управления мультимедиа в подлокотнике второго ряда сидений.Панорамная крыша с солнцезащитным козырьком с электроприводом увеличивает удовольствие от поездки. Все как в обычном тойотовском гибриде.

Тойота Мирай 2

А на чем стоит Toyota Mirai? Как и в случае с автомобилем первого поколения, Mirai представляет собой не что иное, как электромобиль, работающий на электричестве, которое, впрочем, постоянно вырабатывается само собой. Именно от топливных элементов, которые нужно заправлять жидким водородом, заправляемым на станции. Пока таких в Польше нет. Точнее, они есть, но не для коммерческого использования.Коммерческие объекты еще предстоит построить. В их строительстве заинтересованы крупнейшие польские производители топлива, но, несмотря на объявления станций, станций до сих пор нет. Ближайший из действующих пока находится в Берлине.

водородные заправочные станции

Это не помешало Зигмунту Солорзу, бизнесмену, инвестирующему в энергетический рынок, приобрести парк из 40 автомобилей Toyota Mirai. Зачем, если негде заправиться? Как заявил поляк Илон Маск, он сам построит станции. Первый в районе Конин и в первой половине этого года.Именно там работает энергетический концерн ZE PAK, принадлежащий Солорзу (Zespół Elektrowni Pątnów Adamów Konin), который планирует создать мощную фотоэлектрическую электростанцию. Вторую водородную станцию ​​планируется запустить чуть позже, к сентябрю, но она будет располагаться в Варшаве.

Электропривод

Как насчет привода Miraia? Под водородным капотом Toyota работают электродвигатели мощностью 182 л.с. и крутящим моментом 300 Нм. Установка потребляет электроэнергию, которая вырабатывается в результате реакции водорода и кислорода.Единственным побочным продуктом этого процесса является вода. Чистая вода, которую можно даже пить.

Toyota Mirai

дешевле дизелей?

А теперь самое главное. Mirai потребляет в среднем 1 кг водорода на 100 км (производитель заявляет 0,84 кг/100 км). На вокзале в Берлине его цена 40 злотых за килограмм. Как нетрудно подсчитать, проехать сто километров на водородном автомобиле стоит около 40 злотых. Как это относится к электромобилям или старым добрым автомобилям внутреннего сгорания?

Toyota Mirai

За 7 литров дизельного топлива, которое нам понадобится для проезда 100 км, мы заплатим 35 злотых.За 15 кВт электроэнергии в домашней сети, необходимой нашему электрику, всего 9 злотых, а на станции быстрой зарядки те же 15 кВт стоят около 35 злотых.

Нет больше углерода

Может быть, стоимость и не радует, учитывая высокую, даже выше, чем у электромобилей, стоимость покупки, но важно то, что заправки водородом хватает на то же время, что и обычная заправка. На самом деле, это будет продолжаться до тех пор, пока строятся станции.

Однако в водородном автомобиле важно другое.Для производства электроэнергии нам не нужна угольная электростанция или даже электростанция на ВИЭ (возобновляемых источниках энергии). Электроэнергию мы вырабатываем сами, из водорода, который в свою очередь можно производить из чего угодно, даже из мусора.

Toyota Mirai

Мы избавляемся от двух самых противоречивых элементов, которые отпугивают электромобили: аккумуляторы, которые сами по себе вредны для окружающей среды и с которыми в принципе не знаешь, что делать дальше, и сомнительный источник энергии, например, угольная энергетика. растения.

Батарейкам говорим нет

Если Mirai — электромобиль, то где тяжелые аккумуляторы? В этом основное отличие автомобиля на аккумуляторе от автомобиля на водороде. Их просто нет в водородной машине. Вместо них Toyota установила три водородных бака весом по 100 кг. Они могут удерживать запас водорода на расстоянии 500 км. А кислород Мирай поступает из воздуха.

.90 000 Водород меняет лицо автомобильной промышленности - TruckFocus.pl

Водород меняет лицо автомобильной промышленности. Таким образом, будет ездить не только больше и больше автомобилей, но также автобусов и грузовиков.

Газообразный водород, который легко получить, может стать топливом будущего. Такой электропривод на водороде, в отличие от аккумуляторов, работает даже на больших расстояниях, ведь зарядка занимает несколько минут, а запас хода составляет около 700 км. Водородные транспортные средства — это не только легковые автомобили, но и грузовики, автобусы и вилочные погрузчики.Как подчеркивают специалисты, водородный привод совершенно безопасен. Его можно получить из воды, бытовых отходов или угля.

- Мы все верим, что будущее автомобилей в городах - это электромобили, - подчеркнул Витольд Новицкий, вице-президент Toyota Central Europe, в интервью информационному агентству Newseria Biznes в ходе 27-го Экономического форума в Крынице.

- Электромобили с батарейным питанием - это будущее для коротких расстояний. Там, где нам нужен автомобиль немного большего размера или когда мы хотим выехать за город, электромобиль — это решение.Однако в этом случае электричество берется уже не от батареи, которая тяжелая, имеет ограниченный запас хода и длительное время зарядки, а от топливного элемента, работающего на водороде, объясняет он.

На конец 2016 года в мире насчитывалось около 2 млн электромобилей (данные Международного энергетического агентства), а по разным прогнозам в 2030–2040 годах их может быть до 100 млн. По данным Европейской ассоциации автопроизводителей, в 2016 году в ЕС было зарегистрировано более 155 000 автомобилей. электромобилей и 278 тыс.гибридный. Всего на польских дорогах находится около 2000 автомобилей. электромобили. Их работе может помешать время зарядки и ограниченный радиус действия.

- В случае обычных автомобилей заправка бензином или дизельным топливом занимает несколько минут, газовым топливом чуть дольше, а заправка аккумуляторов электричеством занимает от 3 до даже 12 часов. Поэтому эти автомобили на нынешнем этапе скорее подходят для движения в крупных городских агломерациях, — говорит проф.Марек Бжежански, директор Института автомобилей и двигателей внутреннего сгорания Краковского технического университета.

В дальних поездках водородные автомобили могут стать экологически безопасным решением. Их преимуществом является короткое время зарядки, аналогичное традиционным автомобилям.

- Это полностью электрический автомобиль на топливных элементах без недостатков аккумуляторного электромобиля. Зарядка занимает 3 минуты, а запас хода составляет 700 км. Мы можем смело ездить по Польше на таком автомобиле, полагая, что в пути будут станции, где мы будем «заправляться» водородом.Это технология, которая уже существует, но требует огромных инвестиций в инфраструктуру: электрические розетки для зарядки и водородные станции. Это технология, которой мы будем пользоваться через 10 лет, — говорит Витольд Новицки.

На рынке представлены три модели водородных автомобилей, в т.ч. Toyota Mirai, продажи которой к 2020 году должны достигнуть 30 000 частей. Над водородными автомобилями работают и другие крупные концерны: Honda, Lexus, BMW, Ford, Mercedes, Audi и Hyundai. Технология быстро развивается.Южная Корея объявляет, что к 2020 году на ее дорогах будет 10 000 автомобилей. таких автомобилей (против ок. 120 в 2016 г.). В настоящее время проблемой является отсутствие необходимой инфраструктуры, но она планомерно расширяется. В 2015 году в Европе насчитывалось 40 водородных заправок, в 2020 году их будет 200, а в 2025 году их количество превысит тысячу. Япония имеет самую разветвленную инфраструктуру, около 100 станций.

Эксперты подчеркивают, что водород, известный как легковоспламеняющийся газ, является гораздо более безопасным топливом, чем бензин или сжиженный нефтяной газ.Благодаря тому, что он в 14 раз легче воздуха, он быстро поднимается вверх, не представляя угрозы для пассажиров и автомобиля. Кроме того, он может быть получен экологически чистым способом и не выделяет выхлопных газов. Единственным побочным продуктом является водяной пар.

- Водород - энергоноситель будущего, - подчеркивает проф. Марек Бжежанский. - Топливный элемент питается от водорода, который может непрерывно питать топливный элемент. У нас также есть небольшой запас электроэнергии в виде батареи, которую мы можем заряжать либо от сети, либо от топливного элемента.Это решение, за которым будущее.

Водородный привод применяется не только в легковых автомобилях, но и в железнодорожном, городском транспорте, грузовых и вилочных погрузчиках. Также продолжаются исследования самолетов на жидком водороде. Это топливо – возможность стать независимым от нефти и газа и внешних поставщиков энергоносителей. Тем более, что топливные элементы также могут питать дома и офисы. В экстренной ситуации автомобили с водородным двигателем также могут выступать в качестве источника энергии.Например, топливные элементы Toyota Mirai имеют максимальную мощность 114 кВт и способны обеспечить домохозяйство электричеством на срок до недели.

- Водород получают, среди прочего, из из угля. Это один из самых дешевых способов. Может быть зеленый метод использования угля. Это уже происходит в Австралии, — говорит Анджей Шалек, эксперт по новым технологиям Toyota Motor Poland.

Получение водорода из угля может сработать, особенно в Польше, где энергетический сектор составляет 80 процентов. на основе этого сырья.

- Метод извлечения водорода из углерода имеет глобальное применение. Его производят, например, методом газификации в Австралии, а чистый сжиженный водород доставляют в Японию танкерами. Это очень прибыльный метод, многие страны проводят исследования и деятельность в этом направлении, потому что он позволяет избежать безработицы в угольном секторе, - объясняет Анджей Шалек.

.

Электрические или водородные автомобили? Анализ исследований и ключевые выводы

Кроме того, существуют также эмоциональные проблемы, т. е. существующий сегодня страх перед тем, что запас хода электромобиля слишком мал, а их аккумуляторы слишком долго заряжаются. Оба вопроса, убеждены авторы исследования, будут решены и перестанут тормозить массовый переход на электромобили на этапе «Вытягивания» с 2023/2025 гг. Запас хода электромобиля увеличится, а больше зарядных станций и мощных розеток уменьшит страх застрять в дороге.Наконец, идет дискуссия о фактическом снижении выбросов CO 2 : поскольку электроэнергия, используемая при производстве электромобилей, не всегда и не всегда поступает из возобновляемых источников, такие автомобили уже несут определенную нагрузку на окружающую среду от самое начало. Расчеты показывают, что только после пробега более 100 000 км электромобиль будет выбрасывать меньше CO 2 (в сумме за время производства и эксплуатации), чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Это тоже изменится в пользу электромобилей в ближайшие годы.Исследование показывает, что благодаря увеличению количества возобновляемой электроэнергии, используемой при производстве электромобилей и аккумуляторов для них, первоначальная нагрузка будет постепенно снижаться, благодаря чему вскоре электромобили станут «чище» с точки зрения углекислого газа.

Horváth & Partners также занималась вопросом так называемого темная фаза в использовании электромобилей — ее часто поднимают сторонники водорода. Темновая фаза определяется как время, в течение которого производство электроэнергии из возобновляемых источников невозможно из-за темноты и/или отсутствия ветра.Чтобы сбалансировать это, к основному энергопотреблению батареи был добавлен дополнительный пул.

Осталась самая интересная часть исследования: какой вид энергии будет наиболее эффективным и финансово выгодным для привода электромобилей – аккумуляторное электричество или водород?

В случае автомобилей, оснащенных аккумуляторной батареей, теряется 8 процентов энергии - столько энергии теряется во время транспортировки, прежде чем электричество поступает в автомобильный аккумулятор.Еще 18 процентов теряются при преобразовании тока, необходимого для электрического привода двигателя. Это означает, что эффективность автомобиля с аккумулятором составляет от 70 до 80 процентов, в зависимости от модели.

В автомобилях, работающих на водороде, потери гораздо больше: 45 процентов энергии расходуется только на извлечение водорода в процессе электролиза. Из оставшихся 55 процентов исходной энергии еще 55 процентов исчезают, когда водород преобразуется в электричество в автомобиле. Таким образом, КПД трансмиссии автомобиля с водородным двигателем составляет, в зависимости от модели, от 25 до 35 процентов.Однако справедливости ради добавим, что эффективность альтернативных видов топлива еще ниже и составляет всего 10-20 процентов.

«Несмотря на то, что водород из возобновляемых источников обладает действительно большим потенциалом, дискуссия о нем приобрела нездоровую эмоциональность», — также предупреждают эксперты консалтинговой и консультационной компании Boston Consulting Group (BCG) в отчете, цитируемом «Handelsblatt». ". Horváth & Partners также приходят к таким выводам.

Вместо того, чтобы тратить миллиарды на реализацию видения общества, использующего водородную энергию, расходы должны быть сосредоточены на технологиях, которые являются экономически жизнеспособными, заключают авторы.

«Мы считаем, что у возобновляемого водорода есть большой потенциал, где он может быть действительно успешным. В основном в промышленности, а также в тяжелом транспорте, воздушном и морском», — говорит Франк Клозе, один из авторов исследования.

Выводы однозначны:

Топливный элемент имеет множество преимуществ (дальность хода, быстрая заправка, отсутствие тяжелых аккумуляторов в автомобиле), но имеет один существенный недостаток - он относительно неэффективен, как с точки зрения энергоэффективности, так и стоимости .«Ни одна устойчивая экономика не может позволить себе использовать вдвое больше возобновляемой энергии для привода водородных автомобилей вместо того, чтобы использовать ее для питания аккумуляторов электромобилей», — говорит директор по исследованиям Дитмар Фоггенрайтер. Только в нишевых приложениях, в случае грузовиков и автобусов, на большие расстояния можно было использовать водород. Потому что в этих приложениях вес батареи, запас хода и время, необходимое для дозаправки, играют решающую роль, а по мере увеличения емкости батареи увеличиваются ее вес и время зарядки.Кроме того, заправочных станций для грузовых автомобилей не так много, поэтому переоборудовать их для снабжения грузовиков водородом будет не так дорого.

Что получит от этого пользователь?

Понятно, что электромобили на водороде, по сравнению с автомобилями на батареях, будут не только дороже покупать, но и эксплуатировать. Двойное количество начальной энергии водородных автомобилей по сравнению с автомобилями с аккумулятором отразится на ценах для покупателя.Уже сегодня водители платят 11 евро за 100 км за водородные автомобили и всего от 2 до 7 евро за 100 км (в зависимости от цен на электроэнергию в отдельных странах) за электромобили, оснащенные аккумулятором.

Показывает, какие автомобили будут использовать большинство водителей в будущем.

.

Что такое водородный автомобиль, как он работает, сколько стоит?

Водородные автомобили (FCEV) по-прежнему представляют собой очень новый и непопулярный подход к автомобилям с нулевым уровнем выбросов. Хотя интерес к этой технологии со стороны производителей автомобилей растет, так как она имеет очень сильные преимущества и преимущества перед электромобилями (BEV), в которых используются аккумуляторы. Автомобили на водороде, несомненно, будут становиться все более популярными, поэтому мы объясняем, что такое автомобиль на водороде, как он работает и сколько стоит.

Что такое топливный/водородный элемент?

В топливном/водородном элементе происходит электрохимическая реакция между водородом и кислородом. Основными компонентами топливного элемента являются анод, катод и электролит. В присутствии электролита ионы горючего, т.е. ионы водорода, реагируют с ионами кислорода с образованием электричества, водяного пара и тепла. Эта реакция протекает при температуре 80 ° С. Другое более распространенное название этой реакции — «холодное горение». Вырабатываемое таким образом электричество приводит в действие электродвигатель, который, в свою очередь, вращает колеса автомобиля.

Толщина одного топливного элемента составляет примерно два миллиметра. В водородном транспортном средстве используются сотни топливных элементов, известных как «стек топливных элементов».

Как делают водородный автомобиль?

Основные компоненты водородного автомобиля. Источник: afdc.energy.gov
Вспомогательная батарея

Вспомогательная батарея в водородном автомобиле обеспечивает низкое напряжение для запуска автомобиля и питания систем и аксессуаров автомобиля.

Аккумулятор

Основной или основной аккумулятор, как мы его можем назвать, накапливает электроэнергию, вырабатываемую при торможении. Он используется для поддержки тягового двигателя.

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Преобразователь преобразует постоянный ток высокого напряжения от блока тяговых аккумуляторов в постоянный ток более низкого напряжения. Он необходим для питания аксессуаров автомобиля и зарядки вспомогательной аккумуляторной батареи.

Тяговый электродвигатель

Это главный двигатель автомобиля.Он использует электричество от топливных элементов.

Блок топливных элементов

Группа одиночных топливных элементов, использующих водород и кислород для выработки электроэнергии. Например, водородный Hyundai Nexo имеет 440 топливных элементов.

Горловина топливного бака

Крышка топливного бака немного отличается от крышки на автомобиле с двигателем внутреннего сгорания. Сопло распределителя водорода крепится к специальной насадке. Пистолет-дозатор немного похож на пистолет для заправки сжиженным газом.

Топливный (водородный) бак

Хранит водород в газообразном виде на борту транспортного средства. Водород хранится под огромным давлением 700 бар.

Контроллер силовой электроники

Контроллер управляет потоком электроэнергии, подаваемой топливным элементом на тяговую батарею, путем управления скоростью тягового электродвигателя и создаваемым им крутящим моментом.

Термический (охлаждающий)

Эта система поддерживает диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.

Как работает топливный/водородный элемент?

В топливном элементе кислород берется из воздуха и перекачивается к катоду, а водород поступает к концу платинового анода, который действует как катализатор для отделения положительных ионов водорода от газа. Эти ионы проходят через электролит к катоду, создавая положительный заряд. Поскольку отделенные электроны не могут проходить через электролит, они обтекают внешнюю цепь, создавая заряд, используемый для питания электродвигателя.

Побочными продуктами этого процесса являются вода, обычно в виде пара, и тепло. Без движущихся частей топливные элементы работают тихо и надежно. Отработанное тепло топливного элемента можно использовать для нагрева или охлаждения.

Автомобиль на водороде. Фото: Toyota

Как работает водородный автомобиль?

Автомобиль на водороде (FCEV), как и электромобиль (BEV), использует электричество для питания одного или нескольких электродвигателей, приводящих в движение колеса.В водородном автомобиле электричество поступает непосредственно от топливных элементов или от аккумулятора, в котором накапливается избыточная энергия, регенерируемая при торможении. Рекуперация энергии и хранение в батареях работает аналогично электрическим или гибридным автомобилям.

Во время движения электричество подается топливными элементами и/или батареями на электродвигатель, приводящий в движение автомобиль. Поток энергии управляется чрезвычайно обширным программным обеспечением, которое контролирует, среди прочего.в скорость и крутящий момент электродвигателя. Кроме того, необходимо контролировать нагрев и систему охлаждения, поддерживающую надлежащий диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя и других компонентов.

Кислород чрезвычайно важен в случае водородных автомобилей, он необходим для генерации реакции. Он должен быть чистым, поэтому в водородных автомобилях есть целая система очистки от кислорода. На первом этапе используется воздушный фильтр, который собирает частицы и химические вещества.На втором этапе воздух проходит через мембранный увлажнитель. Последним этапом является подача воздуха через газодиффузионный слой непосредственно в топливный элемент. Эта система очистки воздуха подает незагрязненный кислород к мембране электролита.

Автомобиль на водороде: преимущества и недостатки

Самым большим преимуществом водородных автомобилей (FCEV) перед электромобилями (BEV) является то, что топливные элементы не нужно перезаряжать, как батареи. Принцип работы автомобиля практически такой же, как и у автомобилей внутреннего сгорания. Подъезжаем к заправочной колонке на машине на топливных элементах, заправляемся водородом за несколько минут и уезжаем. Мы не тратим несколько часов или, по крайней мере, 30-40 минут на зарядное устройство для подзарядки аккумуляторов.

Водородные автомобили также имеют преимущество перед электромобилями (BEV) с точки зрения реального запаса хода. Один из первых относительно широко доступных водородных автомобилей Toyota Mirai II преодолел 555 километров по дорогам общего пользования в тесте ADAC. Производитель указывает запас хода по WLTP в 650 километров.Эти результаты не очень реалистичны для электромобиля BEV. Кроме того, Toyota может похвастаться тем, что Mirai II поколения очищает воздух, поступающий через воздухозаборники.

Еще один серийный водородный автомобиль — Hyundai Nexo, запас хода которого на одном баке составляет около 600 километров.

Одним из преимуществ водородных автомобилей является, конечно же, то, что производится при производстве энергии. Производится только тепло и пар.

Автомобиль на водородном топливе (FCEV), несмотря на его несомненные преимущества, также имеет некоторые недостатки и ограничения. Первая огромная проблема — это хранение водорода под огромным давлением, , таким образом, чтобы даже в случае аварии он не взорвался. Toyota во втором поколении Mirai справилась с этой проблемой и разработала конструкцию, защищающую бак, который защищен даже в случае аварии.

На данный момент самой большой проблемой водородных автомобилей в Польше является отсутствие заправочных станций. К счастью, Orlen объявила, что в 2022 году построит четыре водородные заправочные станции, а к 2030 году их должно быть построено 100.Чуть лучше ситуация в Германии, где мы будем заправляться водородом в 92 балла. В США довольно много водородных станций, но практически все они расположены в штате Калифорния.

Сколько стоит водородный автомобиль?

В 2022 году, когда мы хотим купить водородный автомобиль, у нас фактически есть выбор из двух моделей. Toyota Mirai — единственная машина, которую мы можем купить в польском автосалоне. Это 4-дверный, почти 5-метровый седан с двигателем мощностью 182 л.с. Сколько стоит Тойота Мирай? На выбор предлагается две версии оснащения: Prestige стоит 309 900 злотых, а Executive — 324 900 злотых.

На рынке также есть Hyundai Nexo, который можно найти на сайте польского импортера, но информации о цене там нет. В Германии Nexo доступен по цене от 77 290 евро.

Сколько стоит заправка водородом?

Как мы уже упоминали, общедоступной водородной станции в Польше нет, поэтому цены неизвестны. Однако в Германии много станций, а цена в марте 2022 года составляет 9,50 евро за 1 кг водорода. При конвертации по текущему обменному курсу (около 4,60 злотых / 1 евро) за 1 кг мы заплатили бы около 44 злотых.

Например, Toyota Mirai потребляет около 1 кг водорода на 100 км, поэтому проезд на 100 км будет стоить около 44 злотых.

.

Смотрите также

     ico 3M  ico armolan  ico suntek  ico llumar ico nexfil ico suncontrol jj rrmt aswf