Автомобили на водородном топливе. В чем преимущество?

Эффективное, но дорогое топливо

Публика уже привыкла к борьбе за популярность гибридов, машин с ДВС или электрокаров. Последние пока что занимают самую выгодную позицию, а может ли появиться еще кто-то эффективнее и экологичнее? Тогда стоит вспомнить о транспорте на водородном топливе. Такие машины очень похожи на электрические авто отсутствием вредных выхлопов, однако главное достоинство в заправке — для наполнения баллона водородом до отказа нужно около 10 минут, а хватит горючего на дистанцию в 500 км. Кажется, намного выгоднее, чем электромобиль, однако так ли это на самом деле?

Плюсы и минусы авто, работающих на водороде

Среди основных преимуществ водородомобилей можно отметить:

• высокую экологичность, заключающуюся в отсутствии большинства вредных веществ в выхлопах, характерных для работы бензинового двигателя, – углекислого и угарного газа, окиси и диоксидов серы, альдегидов, ароматических углеводородов;
• более высокий КПД, по сравнению с бензиновыми авто;

• меньший уровень шума от работы двигателя;
• отсутствие сложных, ненадёжных систем топливоподачи и охлаждения;
• возможность использования двух видов топлива.

Кроме того, машины, работающие на ВДВС, имеют меньший вес и больше полезного объёма, несмотря на необходимость установки баллонов для топлива.

К недостаткам водородомобилей можно отнести:

• громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
• высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
• несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для водородного топлива;
• отсутствие технологии хранения водорода;
• отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.

Однако, с переходом к массовому выпуску авто, оснащённых водородными силовыми установками, большая часть этих недостатков наверняка будет устранена.

История водородных автомобилей

Еще в 1990-х годах производители углубились в разработку транспортных средств, которые передвигаются на топливных элементах. Основная причина поиска альтернативного горючего — введение новых стандартов выбросов CO2 и энергетический кризис. Единственные экологически чистые автомобили того времени — электрокары, имели несколько ограничений: длительная зарядка аккумулятора, небольшой запас хода, дорогостоящие комплектующие. В итоге компании начали искать другой способ привести машину в действие.

В качестве основного топливного элемента выбрали водород. Химические свойства, экологичность и распространенность в окружающей среде подтолкнули инженеров к мысли, что работа с этим веществом может принести доход и внушительные перспективы. Водородные машины должны были проезжать такие же дистанции, как и бензиновые аналоги, с той же мощностью и скоростью. Однако основная сложность была в другом — как изготовить необходимый двигатель и направить энергию топливного элемента в правильное русло?

Оказывается, первый ДВС на водороде был придуман еще в позапрошлом веке. Большинство экспертов склоняются к исследованиям французского естествоиспытателя Франсуа де Риваз, который в начале XIX века получал водород электролизом воды. В современном мире крупные производители почти одновременно выпустили водородные автомобили с похожей базовой технической “начинкой”.

Принцип работы автомобилей на водородных элементах

Механизм работы и типы моторов очень похожи на деятельность электромобилей, но главное отличие в способе создания энергии. Машины на топливных элементах тоже используют электричество для движения, но получают его не от заряда розеткой. Энергия вырабатывается в процессе физико-химических реакций, которые происходят в самом агрегате. Принцип работы состоит в следующем:

• автомобиль заправляется водородом, который контактирует с кислородом и катализатором. В результате вырабатывается электрический ток, который насыщает энергией двигатель и батарею.

Подобный транспорт заправляют на специальных станциях, которые самостоятельно вырабатывают водород с помощью электролиза воды. Обслуживание автомобиля означает замену водородных элементов, которые исчерпали свой ресурс. Обычно заменяют катализаторную мембрану, которая помогает вырабатывать электричество.

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).

Статья в тему: Методы увеличения мощности ДВС

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.

Преимущества использования автомобилей на водородном двигателе

• Расширение продукции. Разработка и производство прототипа может обойтись в 1 млн долларов. Если создавать концепт для автовыставки, то такое транспортное средство не обязательно должно ездить. Для крупных автомобильных концернов эта сумма небольшая, но какой может быть результат. Вполне возможно, что через пару лет водородные технологии будут на высоте.

• Неисчерпаемость. Мировой океан содержит 1,2×1013 тонн водорода, при этом суммарная масса элемента — 1% от общей массы планеты. Однако самое главное достоинство водорода в том, что при сгорании он превращается в воду. Происходит круговорот веществ в природе.

• Экологичность. Когда водород используется в качестве топлива, то не происходит парниковый эффект (в результате выделяется вода). Водород быстро улетучивается и не создает никаких застойных зон.

• Безопасность. Весовая теплотворная способность элемента в 2,8 раза выше, чем у бензина. А это значит, что водород воспламеняется в 15 раз меньше, чем углеводородное горючее.

Причины интереса к водородному транспорту

Использование водорода в качестве энергоносителя позволит как существенно сократить потребление ископаемых углеводородных топлив, так и значительно продвинутся в решении экологической проблемы снижения загрязнения атмосферы городов вредными для здоровья человека составляющими выхлопных газов автомобилей и тепловозов[2].

В 2009 году примерно 25 % выбросов углекислого газа в атмосферу Земли производилось в результате работы разного рода транспорта[3]. По оценке МЭА, уже к 2050 году это число удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей[4]. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.

В морском транспорте зачастую используются низкокачественные дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы СО2 морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год[5].

Другой причиной повышения интереса к водородному транспорту является рост цен на энергоносители (в настоящее время подавляющее их большинство — уголь, нефть и их производные), дефицит топлива, стремление различных стран обрести энергетическую независимость[2].

Недостатки владения водородными автомобилями

Рассмотреть минусы транспорта на топливных элементах можно на примере первого массового водородного авто Toyota Mirai. Как оказалось, у машин подобной модификации, есть и темная сторона.

• Стоимость. Сегодня японский автомобиль на водороде продается почти за 70 000$ в среднем, а это цена базовой версии Tesla Model S в США. Toyota Mirai дороже Chevrolet Volt или Toyota Prius в 2-3 раза. При этом компания еще и теряет доход, поскольку инсайд-информация указывает на реальную стоимость автомобиля в 100 000$. Еще один водородный автомобиль Hyundai Tucson (iX35) Fuel Cell вышел совсем недавно лимитированной серией. Модель оценили в 144 000$.

• Заправка. Сегодня 1 кг водорода стоит почти 8$, а если брать расход 1-1,3 кг на дистанцию в 100 км, то стоимость поездки можно сравнить с движением на бензиновом автомобиле. Гибридный или дизельный агрегат будет даже выгоднее. В это время на 100 км на электромобиле можно потратить меньше 2$. При этом водород труднодоступен. Даже в мегаполисах не так легко найти подходящую заправочную станцию. Все потому, что этот бизнес и не очень выгодный. Для строительства небольшой водородной АЗС необходимо почти 300 000$, а для станции среднего размера — 2 000 000$. Небольшая заправка может заправить за сутки около 30 машин, а на большая почти 250 агрегатов. Это небольшие цифры при затратах на содержание подобных станций. Еще существуют и крупные АЗС, но они могут обойтись в 10 000 000$. Такие предприятия строятся рядом с заводами по выработке водорода, или же на станции должно быть большое хранилище. Все это сложное и дорогое строительство.

• Габариты и вес. Модель на топливных элементах Toyota Mirai имеют длину 4900 мм и вес в 1850 кг, вместимость до 4 пассажиров и багажное отделение в 361 л. Параметры указывают на то, что водородное авто тяжелое и не особо просторное. Лишний вес образуется из-за сложной конструкции: топливные ячейки, электрический преобразователь и дополнительный аккумулятор. Небольшой салон получается из-за массивных баллонов для водорода. Ситуация с электромобилем немного легче — хотя и присутствует крупная АКБ, зато конструкция проще.

Каковы будущие перспективы FCEV?

Идея использовать двигатели на топливных элементах потихоньку развивается не только в умах производителей, но и на деле. Особенно радужные перспективы применения водородных моторов для общественного транспорта. В Германии ездят сотни городских и туристических автобусов на водороде. В 2020 году был анонсирован выпуск первого поезда на водородном топливе, который сможет заменить дизельные составы.

Однако многие эксперты считают, что когда будет придуман способ быстрой зарядки электромобиля, то водородные машины могут отойти на второй, или даже третий план. Все дело в том, что решение всех проблем, связанных с транспортом на водороде займет намного больше времени, чем строительство сверхбыстрых станций. Первая такая “заправочная” станция появилась в США в 2020 году, а в 2020 году несколько предприятий должны открыться в Европе. Но пока станции для электрокаров не так быстро распространяются, водородные автомобили набирают популярность.

Содержание

• 1 История
• 2 Причины интереса к водородному транспорту
• 3 Двигатель внутреннего сгорания 3.1 История
• 3.2 Современное применение