После исчерпывания природных запасов нефти, людям придется полностью положиться на альтернативные виды получения энергии. Водородный двигатель, как замена ДВС, работающих на черном золоте, является одной из перспектив будущих десятилетий.

Силовые установки такого типа имеют больший КПД и меньшую степень токсичности выхлопных газов. Впрочем, главное преимущество моторов, работающих на водороде, – неограниченный запас сырья для производства топлива. Вода, именно она может стать основой топлива будущего.

Интерес к использованию водорода появился еще во время топливного кризиса 70-х годов, но первый водородный двигатель был изобретен только в начале XIX столетия. Действительное применение технология получила во время блокады Ленинграда, когда водородом заправляли лебедки аэростатов, транспорт.

Несмотря на очевидные преимущества, знания способов получения водорода и его использования для работы двигателя внутреннего сгорания, существует несколько значительных «но», замедляющих внедрение этой прогрессивной технологии.

Особенности водорода, как топлива для ДВС

• после сгорания остается только водяной пар;
• реакция происходит намного быстрей, чем в случаи с бензином либо дизелем;
• детонационная устойчивость позволяет повысить степень сжатия;
• благодаря своей летучести, водород способен проникать в самые малые полости, зазоры между деталями (лишь особые сплавы повышенной прочности способны переносить разрушительное воздействия водорода на структуру металла);
• теплоотдача сгорания водорода в 2,5 раза больше, чем у бензиновой смеси;
• широкий диапазон реакции. Минимальная пропорция водорода, достаточная для реакции с кислородом, составляет всего 4%. Такая особенность позволяет настраивать режимы работы двигателя, дозируя консистенцию смеси;
• хранение водорода осуществляется в сжатом или жидком агрегатном состоянии. При пробое бака, газ под давлением испаряется.

Ввиду перечисленных выше особенностей, использования водорода, как чистого топлива для ДВС, невозможно без внедрения изменений конструкции силового агрегата, а также навесного оборудования.

Устройство и принцип работы

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О. Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

Гибридные модели и возможные модификации

Благодаря большому интересу к использованию водорода в качестве топлива для ДВС, гидродвигатели внутреннего сгорания имеют различные модификации и типы исполнения.

Схема устройства гибридного водородного двигателя

Мотор, разработанный В.С. Кащеевым, имеет иное устройство. Помимо впускного клапана (6) для подачи воздуха, выпускного для вывода выхлопных газов (7), ГБЦ имеет отдельный клапан для подачи водорода (9) и свечу зажигания (10), которые находятся в предкамере (8). Последняя расположена в ГБЦ выше уровня поршня в положении НМТ.

После преодоления поршнем НМТ в камеру сгорания подается и воспламеняется водород (предварительно поршень затягивает воздух через впускные клапаны). В это же самое время открываются выпускные клапаны. Из-за разницы атмосферного давления, отработанные газы устремляются в выпускной коллектор, создавая за собой вакуум, который перемещает поршень к ВМТ и за счет импульса обратно в крайнее нижнее положение. Как видим, принцип немного отличается, но суть остается неизменной.

Технология гибридных силовых установок – это промежуточная ступень между началом использования водорода в качестве топлива и полным отказом от использования нефтепродуктов. Автомобили с моторами такого типа могут передвигаться как на бензине, так и на водороде.

Еще более широкого распространения получило применение водорода в качестве компонента топливно-воздушной смеси. Для работы ДВС используется обычное топливо и небольшая часть гремучего газа. Это позволяет повысить степень сжатия, и уменьшить токсичность выхлопных газов.

Одним из возможных путей развития двигателей на водороде является применение силовых установок с топливными элементами. Во время химической реакции водорода и кислорода выделяется энергия, которая используется для питания электродвигателей автомобиля.

Трудности эксплуатации водородных ДВС

Главное препятствие на пути внедрения технологии – это стоимость получения водорода (Н2), а также комплектующих для его хранения и транспортировки. К примеру, для сохранения сжиженного состояния нужно поддерживать стабильную температуру -253º С. Наиболее доступный способ получения Н2 – это электролиз воды. Промышленное снабжение водородом требует больших энергетических затрат. Рентабельным этот процесс сможет сделать ядерная энергетика, которой также пытаются найти рациональную альтернативу. Транспортировка и хранение газа требуют использования дорогостоящих материалов и высококачественных механизмов. К другим недостаткам водородного топлива можно отнести:

• взрывоопасность. В замкнутом пространстве достаточная для реакции концентрация гремучего газа может спровоцировать взрыв. Усугубить ситуацию способна высокая температура воздуха. Из-за высокой степени диффузности водорода существует риск попадания Н2 в выхлопной коллектор, где реакция с горячими выхлопными газами приведет к возгоранию смеси. Роторный двигатель, ввиду особенностей компоновки, является более предпочтительным для водородного автомобиля;
• для хранения водорода требуется емкость большого объема, а также специальные системы, препятствующие улетучиванию Н2 и обеспечивающие защиту от механических деформаций. Если для автобусов, грузовиков либо водного транспорта такая особенность не играет большой роли, то легковые автомобили теряют ценные кубометры багажного отделения;
• в режимах высокотемпературных нагрузок водород способен провоцировать разрушительное воздействие на детали цилиндропоршневой группы и моторное масло. Применение соответствующих сплавов и смазочных материалов ведет к удорожанию производства и эксплуатации двигателей, работающих на водороде.

Перспективы развития

Автомобилестроение – далеко не единственная область, где могут применяться водородные двигатели. Водный, железнодорожный транспорт, авиация, а также различная вспомогательная спецтехника могут использовать силовые установки подобного типа.

Интерес к внедрению технологии водородных двигателей проявляют как дочерние предприятия, так и крупные автоконцерны (BMW, Volskwagen, Toyota, GM, Daimler AG и прочие). Уже сейчас на дорогах можно встретить не только опытные образцы, но и полноценные представители модельного ряда, приводимые в движение с помощью водорода. BMW 750i Hydrogen, Honda FSX, Toyota Mirai и многие другие модели отлично зарекомендовали себя во время дорожных испытаний. К сожалению, высокая стоимость водорода, отсутствие инфраструктуры заправочных станций, а также достаточного количества квалифицированных сотрудников, оборудования для ремонта и обслуживания не позволяют запустить такие автомобили в массовое производство. Оптимизация всего цикла использования гремучего газа являются первоначальной задачей области развития водородной энергетики.

Автопроизводители делают все возможное для того, чтобы предложить нам экологически чистые транспортные средства. В это время мировые запасы нефти сокращаются, и опасения по поводу последствий глобального потепления остаются актуальными. В результате этого начали появляться интересные технологии производства двигателей. Сначала это были гибридные автомобили с бензиновыми и электрическими моторами. Потом появились полностью электрические автомобили, такие как Nissan Leaf и Tesla Model S. А последней новинкой в этом направлении стали водородные автомобили.

Водород – это доступный и возобновляемый источник энергии. На сегодняшний день существует лишь два таких серийных автомобиля от известных компаний – Toyota Mirai и Hyundai ix35 Fuel Cell. Мы решили рассказать вам о 10 вещах, которые вы должны знать о машинах, работающих на водороде.

1. Мощность = вода

У Hyundai ix35 Fuel Cell нет традиционного двигателя под капотом. Его место занимает топливный элемент, как следует из названия кроссовера. Он получает кислород из воздуха снаружи автомобиля и водород из бака в автомобиле, в результате чего происходит химическая реакция, необходимая для получения электродов, питающих автомобиль. Единственный производственный отход – H2O, то есть, вода.

Интересует мощность? Проверьте! Нулевые выбросы? Да, это реальность!

2. Они бесшумны… почти

Сядьте в автомобиль на водороде, включите зажигание (простым нажатием кнопки в случае с Hyundai), и вы не услышите ничего. Как и в электрокарах, в таких машинах отсутствует звук работы двигателя. Ну, почти отсутствует.

Если выйти из автомобиля, находясь на сравнительно тихой улице, вы услышите минимальный гул топливного элемента, который выполняет свою работу. В условиях городского трафика этот звук вообще невозможно заметить. Во время движения вы будете слышать только привычный шум колес. Нажимая педаль акселератора, вы ничего не услышите, но зато почувствуете реальную мощность.

3. Едь, едь, едь

Все это может казаться слишком хорошим, чтобы быть правдой. Может возникать вопрос о том, чем придётся пожертвовать владельцам водородных авто. Некоторые люди думают, что мощность – слабое место таких машин. Но стоит лишь нажать педаль газа и результат вас явно не разочарует.

Hyundai ix35 Fuel Cell – это переднеприводный кроссовер, поэтому разрабатывался он явно не для установки скоростных рекордов. Но нажатие на педаль акселератора оставляет исключительно положительные впечатления – тело начинает приятно прижиматься к сиденью.

4. Здесь тоже есть аккумулятор

Сам автомобиль работает на газе, но и аккумуляторная батарея в нем установлена. Она необходима для запуска и начального ускорения, так как есть небольшая (меньше 1 секунды) задержка между нажатием на педаль и получением необходимой отдачи топливного элемента.

Подзарядка аккумулятора происходит с помощью кинетической энергии, вырабатываемой при торможении.

5.Нет тахометра, только мощность

В водородных машинах нет двигателя внутреннего сгорания и традиционной коробки передач. Здесь используется нечто похожее на автоматическую трансмиссию. Поэтому вместо привычного для всех нас тахометра на панели приборов установлена шкала мощности.

Да, мощность! Чем сильнее вы нажимаете на педаль акселератора, тем выше будет подниматься стрелка на шкале мощности. Выглядит немного глупо, но забавно! Просто смотрите на эту часть приборного щитка, нажимая на педаль, и наслаждайтесь.

6. Автономность

Одна из самых существенных проблем, с которой сталкиваются владельцы электрокаров, заключается в ограниченном пробеге на одном заряде аккумуляторов. В этом плане автомобили с традиционными ДВС более конкурентоспособны.

Но в случае с водородными автомобилями все не так плохо. Вам не придётся делать много остановок для дозаправки во время длительных поездок. Так, Toyota Mirai сможет проехать без дозаправки около 500 километров, а вот Hyundai утверждает, что ix35 Fuel Cell преодолеет на одном баке водорода до 594 км. А это очень и очень хороший показатель для экологически чистого автомобиля!

7. Заправка – быстро, но очень проблематично

Процесс дозаправки происходит как и в обычных автомобилях – надо открыть лючок топливного бака и вставить специальный «пистолет» для заправки бака водородом. Примечательно, что заполнить бак можно лишь за 3-5 минут (в зависимости от объема), а это гораздо быстрее, чем даже самая быстрая зарядка электрического автомобиля (примерно полчаса).

Это более удобно, но есть одна очень и очень большая проблема: найти заправку, где продается водород сегодня практически нереально. Например, даже в Великобритании работает лишь 4 общественные станции, предназначенные для заправки водородных транспортных средств.

По прогнозам, в Великобритании количество таких заправок до 2020 года увеличится до 65, но даже в столь развитой стране это будет очень маленькая сеть. На сегодняшний день в Великобритании работает свыше 8000 обычных АЗС. Ни о каком сравнении не может быть и речи. Чего уж говорить о России…

8. Информационно-развлекательная система

Может казаться, что машина на водороде не может быть очень мощной, но не волнуйтесь – мощности вполне достаточно и для быстрого разгона, и для проигрывания ваших любимых аудио- и видеоматериалов.

Как и в обычном автомобиле, в салоне водородных “железных коней” есть полноценный набор современной электроники. Климат-контроль, синхронизация со смартфоном по Bluetooth, навигация, парковочные датчики, круиз-контроль, камера заднего вида – всё это можно установить в такую машину.

9. Только четыре колеса

Четыре колеса – стандартная характеристика каждого автомобиля. Но о нише для запаски придётся забыть, ведь всё пространство «съел» топливный бак. Емкость для хранения водорода занимает много места, поэтому придётся или учиться пользоваться ремонтным комплектом или возить в багажном отделении запаску в чехле. Скорее всего, оптимальным решением станет покупка подходящей «докатки».

10. Это не дешево… пока

Как уже упоминалось ранее, сегодня на рынке есть только два серийных автомобиля на водороде – Toyota Mirai и Hyundai ix35 Fuel Cell. В Европе цена «корейца» составляет примерно 76 000 долларов, а вот за модель Toyota придётся выложить примерно 57 500 долларов.

Это совсем недешево, особенно учитывая столь ограниченное количество мест, где можно заправить такой автомобиль. Hyundai отмечает, что планирует выпустить более компактную модель с такой силовой установкой. Скорее всего, она будет отличаться более доступной ценой. Да и другие автомобильные производители серьезно взялись за изучение новой технологии.

А что вы думаете о водородных машинах? Есть ли у них будущее в мире и на российских дорогах в частности?

Рано или поздно запасы нефти по всему миру подойдут к концу. Естественно, это вряд ли произойдет прямо завтра, но уже сегодня цены на топливо на основе нефти существенно выросли. Данный факт стал хорошим стимулом для разработчиков, которые занимаются изобретением топлива будущего. К тому же это должно быть не просто топливо, а, желательно, возобновляемое топливо. Многие уверены, что машина на водороде - игрушка. Давайте посмотрим, так ли это.

Топливо будущего

Про такое топливо еще давным-давно писал в своих приключенческих романах известный писатель Жюль Верн. В одном из своих романов на тему альтернативного источника энергии писатель сказал, что продуктом для энергии станет обычная вода. И так случилось. Да, это не вымысел.

Вода, а точнее, один из ее составляющих - водород - не только первый химический элемент. Это еще и источник энергии будущего. И представьте себе, это будущее уже совсем рядом.

Сегодня японские компании производят двигатели, которые работают только на таком виде топлива. от «Тойоты» - первый в мире серийный автомобиль, оснащенный данным двигателем.

Машина представляет собой седан с четырьмя дверями. В нем установлен электрический двигатель мощностью в 151 л. с. Вы спросите, при чем здесь водород, ведь мотор электрический? Давайте разберемся.

Технологии «Тойоты-Мирай»

Электрический двигатель запитан от специального конвертера. А он уже получает энергию непосредственно из водорода. Газ содержится в баках автомобиля под высоким давлением. Емкости изготовлены из

Но для реакции еще необходим кислород. Да, это так. Кислород машина получает прямо из радиатора во время движения. Одной заправки двух баков водородом будет достаточно, чтобы преодолеть на автомобиле до 480 км. Заправка занимает всего 3 минуты. За данное время в баки машины зальется 170 литров газа. В среднем машина на водороде расход составит порядка 4,7 литра на 100 км пробега.

Как это работает?

Когда водород вступает в реакцию с кислородом, происходит бурная химическая реакция, в ходе которой вырабатывается электрическая энергия. Она сохраняется в аккумуляторе. В движение автомобиль приводится синхронным двигателем переменного тока.

Технические характеристики «японца»

Максимальная скорость, на которую способна машина на водороде, составляет 180 км/ч. До 100 км автомобиль способен разогнаться всего за 9 секунд.

Кроме того что на «японце» можно ездить и не наносить вреда экологии, также данный автомобиль можно применять в домашних условиях в качестве электростанции. Инженеры и конструкторы, которые принимали участие в разработке новинки, утверждают, что при помощи такой системы ток подается на целый дом. Таким образом, можно свободно пользоваться в течение 5 дней.

Скидки на топливо для покупателей

Те жители Японии и США, которые приобретут автомобиль на водороде, получат большие скидки и бесплатную заправку своих машин. Авторы грандиозного проекта уверены, что их ждет успех. Однако другие автопроизводители не сидят сложа руки. И вскоре потребители могут получить большой выбор машин на альтернативном топливе.

Великий и ужасный

О том, что водород может стать номером 1 в вопросах альтернативного топлива, говорят достаточно давно. Еще до экономического кризиса в далеком 2008 году СМИ постоянно печатали репортажи о том, как прекрасно можно использовать силу водорода.

Любая машина на водороде считалась прорывом, а ее создателей возводили чуть ли не в лик святых. Неподготовленные читатели и автолюбители уверенно считали это настоящим прорывом, но нужно сказать, что это не так.

150 лет назад

Реальное положение вещей немного отличается от того, что пишут в блогах, посвященных альтернативной энергетике. Водород в таком качестве используется уже около 150 лет. Автомобиль на водороде помог выиграть войну.

Самый первый двигатель внутреннего сгорания на таком топливе был построен Ленуаром в 1860 году. Затем, в 1942 году, случился достаточно массовый перевод всей автомобильной техники именно на водородный источник энергии.

Это случилось в блокадном Ленинграде. Изначально водород должен был применяться в системах ПВО для аэростатов. Однако великие русские инженеры сумели изменить ситуацию.

Как это было?

Аэробусы применялись для защиты города. Эти, наполненные до краев водородом, летающие объекты из резины не давали возможности фашистским самолетам вести прицельную стрельбу по городу.

Однако резиновая воздушная защита имела один огромный минус. Из-за того, что оболочка аэробуса пропускала этот газ, аэробусы снижались. Вместо водорода его место занимали различные водяные пары, а также другие газы. Поэтому иногда аэробусы опускали на землю, стравливали и заправляли заново.

Для заправки аэробусов применялись лебедки и бензиновые грузовики ГАЗ АА. А в условиях блокады бензин стоил в Ленинграде очень дорого. Война истощила запасы, а Борис Шелиц, который тогда был военным техником, служил как раз на заправочной станции этих самых аэробусов. Так вот. Не стало бензина то есть совсем. Он пробовал использовать для спуска летающих тел электрические лебедки. Однако вскоре закончилось и электричество. Было испробовано множество различных источников альтернативной энергии.

Однажды военный техник подумал, что водород можно использовать иначе, чем просто стравливать в небо. Ведь тепло, которое выдает этот газ при сгорании, в 4 раза превышает таковое от угля, в 3 раза - от бензина и других нефтепродуктов. Шелиц попросил разрешения на эксперимент, и ему его подписали. Нужно ли говорить, что так появилась машина на водороде?

Принцип работы

Схема ученого сводилась к присоединению аэробуса при помощи шланга ко входному коллектору двигателя автомобиля. Водород попадал прямо в цилиндры, минуя при этом карбюратор. Дозировка водорода, а также необходимого для реакции воздуха, выполнялась при помощи дроссельной заслонки или же педалью «газа».

Первые опыты Шелиц проводил в мороз. Двигатель завелся легко, несмотря на температуру за бортом. Мотор проработал стабильно и долго. Правда, аэростаты взорвались, а Шелица контузило. После этого была придумана специальная система защиты. Она основана на водяном затворе, который исключал загорание смеси при вспышках в коллекторе мотора. Так машина на водороде стала более безопасной.

Кстати, после того как один из двигателей разобрали, на нем практически не было следов износа. В цилиндрах не было нагара, а были лишь водяным паром.

Водород спасает жизни

Изобретенная таким образом машина на водороде во время войны помогла спасти множество жизней, выстоять блокаду, а сам Шелиц получил за эту разработку награду, и даже запатентовал ее. Разработчик был награжден Красной Звездой.

Водородное такси

После войны, когда водород уже негде было достать, об этом стали забывать. Однако некоторые люди еще помнят, как на Украине, в Харькове, работало такси, но не простое, а водородное.

Сэкономить вместе с газом Брауна

В большинстве даже самых современных автомобильных ДВС топливо сгорает далеко не оптимально. Около 60% смеси воздуха и горючего просто-напросто теряются в недрах выпускного коллектора. В коллекторе смесь сгорает не полностью, а при этом еще и образует достаточно токсичные выхлопные газы.

Можно использовать водородный генератор. Это принципиально новое оборудование, которое позволит значительно сэкономить на топливе в машине. Большинство таких устройств обладают стандартной принципиальной схемой. Однако непосредственно генератор водорода для автомобилей различных производителей может иметь определенные различия.

Водород в качестве добавки к топливу хотели использовать давно. Но тогда не было систем, позволяющих оптимизировать смесь топлива и так называемого газа Брауна, который подавался в цилиндры.

Генератор водорода для автомобиля в своей работе применяет принцип электролиза. Вода здесь применяется в качестве катализатора. Но она не разлагается на две составляющие - кислород и водород. В современных генераторах используют не что иное, как Это гидроген коричневого или же зеленого цвета. Иногда его называют водяным газом или оксигидрогеном. Формула его HHO. Его отличие в том, что он полностью безопасен и не взрывается. К тому же весь газ, который выработается, полностью поступит в цилиндры.

Подобные генераторы состоят из устройства, которое производит электролиз, и емкости. Процессы электролиза контролируются специальным модулятором. В инжекторных моторах конструкция также предусматривает оптимизатор. Он позволяет в автоматическом режиме регулировать соотношение смести топлива и воздуха с газом Брауна.

Виды катализаторов

Устройства, которые используются в электролизерах, бывают простые, с разделенными ячейками и сухого типа.

В первом случае электролизер имеет самую простую и достаточно примитивную конструкцию. Управление им тоже очень простое. Устройство способно выдавать до 0,7 л газа за минуту. Он предназначается для автомобилей с объемом двигателя до 1,4 л.

Катализатор с раздельным типом ячеек - уже нечто более эффективное. Здесь в комплекте с оборудованием имеется все необходимое программное обеспечение. Устройство может выдать порядка 2 л в минуту. Данный аппарат имеет максимальную эффективность.

Устройство сухого типа применяется преимущественно на машинах с достаточно длительными рабочими циклами. Производительность у него средняя. Она зависит от того, сколько пластин в этой конструкции. Так как пластины имеют открытое расположения, то получается обеспечить хорошее охлаждение.

Как сделать топливную ячейку для авто?

Топливную ячейку или устройство, которое будет вырабатывать водород из воды и размещаться на борту автомобиля, можно сделать самостоятельно. Сгенерированный газ затем необходимо подать во впускной коллектор. Так можно добиться существенного снижения расхода топлива, а в некоторых случаях можно увеличить мощность автомобиля.

Модернизируем генератор

Для того чтобы улучшить систему добычи водорода, добавьте к этой системе еще одну емкость. Она должна находиться немного выше, чем первая. Соединить их можно при помощи трубок. Так можно более эффективно использовать систему.

Электронный блок

Данную часть генератора можно также собрать своими руками, особенно если есть познания в сфере электроники. Если таких познаний и навыков нет, то лучше обратиться к специалистам в этих областях. Блок управления должен в автоматическом режиме изменять ток, который подается на пластины, исходя из оборотов мотора.

Мощность можно установить лишь опытным путем на холостых оборотах мотора, а также под нагрузкой. Электронный блок должен получать информацию с датчиков автомобильной системы управления.

После монтажа этого генератора нужно еще раз удостовериться в герметичности и надежности всех соединений этой конструкции. Утечка опасна не только вероятностью взрыва, такая машина будет вести к В итоге эффект будет крайне отрицательным. Но в целом такая машина на водороде, своими руками сделанная, позволяет экономить от 25% до 40% топлива.

Подобная техника и такие способы экономии топлива уже давно и успешно используются во всем мире. Известный актер Арнольд Шварценеггер уже давно ездит на комбинированной машине, которая работает на бензине с водородом. Автомобиль обошелся кинозвезде в 150 тысяч долларов. Расход топлива на этом комбинированном двигателе составляет 5,8 л на 100 км.

Сегодня такая машина на водороде в России тоже может быть очень актуальной.

Итак, мы выяснили все особенности и принцип работы автомобилей на данном экологическом виде топлива. Как видите, это вполне реальная альтернатива сегодняшнему бензину. И есть надежды, что уже в ближайшие десятилетия человечество перейдет на новую ступень развития, где по улицам будут ездить автомобили, работающие на водороде.

Originally posted by zilm at Почему мы никогда не будем ездить на водородных автомобилях

Недавно Toyota объявила о том, что передаёт все свои патенты , связанные с автомобилями на топливных элементах в публичное пространство, и теперь они доступны для использования совершенно бесплатно. Новость умиляет тем, что патентов набралось аж 5 680 штук, задумайтесь только, как старались корпоративные юристы, патентуя всё вплоть до округлостей на кнопках. Но дело не только в этом, ведь в прошлом году именно Tesla стала первой, кто в мире патентных троллей и бесконечных судов открыл свои патенты . К слову, их у компании, выпускающей самый известный электромобиль, было меньше трёх сотен.

Toyota Mirai - первый в мире автомобиль на водородных топливных
элементах, который можно будет купить, а не взять в лизинг.
Но я хочу поговорить не столько об этом событии, сколько о том, почему даже появление первого автомобиля на топливных элементах, который можно купить, ничего не меняет для водородных автомобилей, и почему эта ветвь развития является абсолютно тупиковый. Илон Маск, CEO Tesla Motors, называет топливные элементы (fuel cells) "fool cells" (элементы одурачивания), аккумуляторные эксперты сходятся в том, что все в индустрии знают, что топливные элементы это ерунда, просто не все признают это, я же сосредоточусь на фактах.



Из-за падения цен на нефть стоимость галлона (3.76 литра) бензина в США упала
до $2, но даже во время дорогой нефти цена не поднималась выше $4.
1. Водород дорог.
Это просто факт. Сейчас рыночная цена на газ - $8.96 за эквивалент галлона бензина, 0.997 кг (данные за октябрь 2014 г.). Бак Toyota Mirai вмещает 5 кг водорода. Таким образом, одна заправка обошлась бы вам в $45 и её хватило на 480 км по методике тестирования EPA (данные ещё не проверены EPA, но вряд ли эта цифра окажется больше), что выливается в $9.38 за 100 км. Для сравнения, Toyota Prius проедет те же 100 км, потратив $2.76, а Tesla Model S - $2.99, если использовать ту же методику EPA и текущие средние американские цены.

К 2017 году Toyota планирует довести годовой выпуск Mirai до 2 100 штук.
Хотя существует множество оценок , предполагающих, что при больших объемах производства стоимость водорода снизится до $3 за кг (и приблизится к текущей цене на бензин), даже сама Toyota менее оптимистична в своих прогнозах: стоимость бака для Mirai снизится до $30 в будущем . Сейчас в США производится 7.31 миллионов кг ворода в день, в год около 2 600 миллионов килограмм. При среднегодовом пробеге около 21 500 км , его бы хватило для 12 миллионов автомобилей, то есть даже если бы водородных автомобилей в США продавали 10% от всех новых авто в течении 10 лет, производство лишь удвоилось, что не дало бы такого радикального снижения цены.

Предприятие по паровой конверсии природного газа в водород.
2. Производство водорода "грязнее" электрогенерации
Сейчас 95% водорода производится из углеводородов с помощью реакции паровой конверсии или частичного окисления. Остаётся от природного газа или углеводородов CO 2 , тот самый с которым все страны дружно борятся развитием альтернативной энергетики и альтернативных автомобилей. Если вспомнить, что в Европе и Азии, в отличие от США, нет своего природного газа, для того чтобы из него делать водород, то всё становится ещё печальней. Сейчас использование водорода ставит в прямую зависимость от цены на газ, что не сильно отличается от нефтяной зависимости, электричество же генерируется из десятка различных источников. Теоретически, водород можно получать электролизом, но сейчас такой газ для США будет в 3 раза дороже получаемого из метана. Более того, так как получение электричества не экологически чистый процесс, а конверсия электричества в водород, затем обратно из водорода в электричество в топливных элементах имеет низкий суммарный КПД, выбросы будут значительно выше, чем для электромобилей.

Реакция паровой конверсии метана: в качестве
побочного продукта выделяется пресловутый CO 2
Для получения одного килограмма водорода требует 52.5 кВтч на электролизере с 75% эффективностью . Таким образом, Toyota Mirai, используя водород, полученный с помощью электролиза будет тратить 54,69 кВтч на 100 км. Даже огромная, более чем 2-х тонная Model S потребляет 23.75 кВтч на 100 км, а Mirai заметно меньше и не может похвастаться разгоном до сотни за 4 секунды. Добавьте к этому транспортировку водорода, компрессию, строительство электролизеров, строительство водородных заправок и станет понятно, что даже теоретически это не путь по уменьшению вредных выбросов в атмосферу.

Водородная заправочная станция стоит $2 млн. и
способна заправить лишь 30 автомобилей за сутки.
3. Водородная инфраструктура очень дорога и не развита.
Одна водородная заправочная станция обходится в $2 миллиона . Калифорния уже потратила $100 миллионов на водородные заправочные станции. Высокую цену станции подтверждают и европейские источники, например только господдержка на одну станцию в Великобритании составляет £1 млн. Вы думаете, зато такая станция может обслужить сотни машин? Нет, станции рассчитаны на заправку максимум 30 автомобилей в день . С одной стороны больше и не надо, откуда там взяться хотя бы двум, но с другой стороны суперзарядка Tesla Motors на 6-12 стоек обходится компании в $100k - $150k, а более продвинутая версия с солнечными батареями на крыше и аккумуляторами на 500кВтч для сохранения солнечной энергии в "целых" $300k. Надо ли добавлять, что такая станция в действительности может обслужить больше сотни машин в день.

Всего за год без какой-то государственной помощи Tesla Motors сделала
возможными дальние поездки на Model S по Западной Европе.
Сейчас в США 13 водородных заправочных станций . В 2015 году планируют открыть ещё пару десятков. Я думаю, не ошибусь, если скажу, что эти планы следуют за водородными автомобилями на протяжении последних 10 лет. Правда, одна лишь компания Tesla Motors, используя часть прибыли от продажи своих электромобилей без государственных грантов, за один месяц, декабрь 2014 года открыла 54 своих суперзарядки, 12 из них в США, каждая на 6-8 зарядочных стоек. За год в Европе открыто более 120 суперзарядок, такое же количество водородных станций обошлось бы в четверть миллиарда долларов.

Водородный Hyundai Tucson стоит $144 400, и даже такая высокая
цена не означает, что он не субсидируется производителем.
4. Водородные автомобили дороги.
Хотя Toyota Mirai будет продаваться на американском рынке за $62 000, большинство экспертов сходится во мнении, что эта цена субсидирована производителем ( , ) Точных цифр от самой Тойоты нет, косвенно же это подтверждается высказыванием главы R&D компании о том, что автомобили на топливных элементах смогуть быть конкурентными по цене с электромобилями к 2030 году и стоимостью топливных элементов . Субсидирование производителем подтверждает и цена в $144 400 Hyundai Tucson на топливных элементах, продающийся в Южной Коррее. Но даже после такой большой субсидии со стороны производителя, покупатели не торопятся покупать автомобили на топливных ячейках.

Баки из углепластика со сжатым под давлением 680 атмосфер
водородом располагаются под днищем Toyota Mirai.
5. Нет ни одного преимущества водородных автомобилей перед электромобилями.
Большую часть недостатков я уже перечислил. Оставлю за бортом безопасность: хотя я бы побоялся ездить на двух баллонах с водородом под днищем, производитель утверждает, что это безопасно, так давайте поверим ему. Попробуем найти хоть какие-то преимущества автомобилей на водороде перед электромобилями. Запас хода? У Toyota Mirai - 480 км, у Tesla Model S - 424 км, Tesla Roadster после обновления в следующем году сможет проехать почти 640 км, все цифры по одной и той же методике тестирования EPA, "яблоки с яблоками", что называется. А есть же ещё и плагин-гибриды, которые дают симбиоз экономичности электромобилей с возможностью движения на обычном топливе на дальние расстояния. В общем, запас хода после появление Tesla уже не аргумент.

Tesla Model S P85D разгоняется от 0 до 100 км/ч за 3.3 секунды, в то время как
водородные автомобили довольствуются лишь динамикой самых слабых "дизелей".
Динамика? Разгон Toyota Mirai (от $62 000 в США) около 10 секунд до сотни, электромобиль BMW i3 (от $42 000 в США) набирает ту же скорость за шесть с половиной секунд , a Model S P85D разгоняется до сотни как McLaren F1. Остаётся единственное преимущество - скорость заправки за 3 минуты. Это могло бы быть козырем, если когда-нибудь водородных заправок стало как бензиновых. До этого момента преимущество у электромобилей - постоянная зарядка дома или на работе обеспечивает полностью заряженный автомобиль без необходимости куда-то специально заезжать. А быстрая зарядка даёт возможность полностью зарядиться за время обеда с семьёй при поездках на дальние расстояни. Если же спор идёт за абсолютные цифры, быстрая замена батареи позволяет через 1,5 минуты продолжить движение с "полным баком".

Honda тоже планирует выпустить автомобиль на топливных элементах
в конце 2015 года, правда пока он больше похож на концепт.
Резонно возникает вопрос: а зачем тогда это всё Toyota и другим компаниям. Тут надо уточнить, что кроме японского гиганта интерес к автомобилям на топливных элементах в разное время возникал лишь у Honda, Hyundai и немцев (Audi, VW, Mercedes, BMW). Остальные автомобильные производители были к ним равнодушны. В то же время и от этих компаний всё чаще слышится снижение интереса ( , BMW , Hyundai) к автомобилям на топливных ячейках. Итак,

Сомневаюсь, что недавно представленный
водородный концепт Mercedes F 015 вообще ездит.
Зачем автомобильные компании продолжают делать водородные автомобили?
а) Диверсификация
Разработка и создание рабочего прототипа может стоить всего $1 млн. Создание концепта для автосалона ещё проще - он не обязан ездить. Для компаний с десятками миллиардов долларов оборота - это просто капля в море. А вдруг стрельнет, а вдруг именно эта технология окажется перспективной через 5 лет.

б) Сотрудничество между компаниями
Honda и BMW активно сотрудничают с Toyota и было бы в каких-то случаях не этично и не дальновидно не поддерживать её.

Электрический Fiat 500e продаётся лишь в Калифорнии, США для соответствия
экологическому законодательству. В Европе об этой машине никто не слышал.
в) Соответствие экологическим требованиям
Экологические требования в развитых странах ужесточаются каждый год. Например, для Калифорнии несколько производителей выпускает электромобили только для того, чтобы соответствовать . Сейчас законодательство изменилось так, что выпустить один автомобиль на водородных топливных элементах стало выгоднее в 5 раз, чем электромобиль. Добавьте сюда поддержку установки заправочной инфраструктуры постоянными грантами и вы получите готовый рецепт существования автомобилей не нужных самим производителям.

За 15 лет все автомобили Toyota получили гибридные версии.
г) Маркетинг
15 лет назад Toyota создала уникальный для того времени автомобиль, гибрид Toyota Prius. Вначале его производство было даже убыточным для компании, но позже продажи увеличились, себестоимость снижалась, и сейчас слово гибрид и экономичность для всех ассоциируется, главным образом, с Toyota. Продажи гибридных автомобилей составляют приличную долю доходов компании и спустя 15 лет стали высокомаржинальными. И тут появляются электромобили и плагин-гибриды. В этом сегменте конкуренция быстро нарастает, хотя доля продаж ещё заметно меньше, чем у обычных гибридов. В то же время доля обычных гибридов начинает падать, а электромобили и плагин-гибриды растут каждый год. При этом у Toyota нет никаких серьёзных наработок в этом сегменте.

Что надо сделать? Правильно, нужно сделать "poker face", говорить, что всё это ерунда, и дальше продавать Prius-ы

Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.

Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.

Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.

Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.

По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.

Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.

Типы и принцип работы водородных двигателей

Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

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

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

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

Водородные двигатели внутреннего сгорания

При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.

ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия.

Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.

Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.

Проблемы и задачи развития водородных двигателей

Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.

Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.

Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана. С большими затратами связана его транспортировка и хранение.

В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.

Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.

Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.