Водородные двигатели: что мешает продвижению автомобилей на легком газе :: Свое дело :: РБК

что мешает продвижению автомобилей на легком газе :: Свое дело :: РБК

Прощание с бензином

У водородных двигателей долгая и непростая история: еще в 1979 году BMW выпустила первый автомобиль, работающий на этом газе. Однако нефтяные кризисы 1970-х, заставившие задуматься о разработке такого автомобиля, миновали, и вплоть до 2000-х автогиганты положили идею под сукно. Все изменилось в новом веке, когда нефть снова стала дорожать, а правительства задумались о снижении выбросов в атмосферу углекислого газа. Экологичность — один из главных плюсов водородных двигателей, ведь единственный побочный продукт их работы — обычная вода. Ни углекислого газа, ни соединений свинца.

Читайте на РБК Pro

В 2007 году BMW выпустила партию из ста автомобилей Hydrogen 7, способных работать как на бензине, так и на водороде, сопроводив это событие масштабной рекламной кампанией: за рулем таких авто появлялись голливудские звезды Брэд Питт, Анджелина Джоли, Ричард Гир, Шарон Стоун. Однако сотней машин дело и ограничилось: их технические характеристики оставляли желать лучшего. Компания выбрала тупиковый путь: гибридная модель сжигала водород в камере сгорания, и газового баллона в 8 кг хватало всего на 200–250 км. А стоил автомобиль на уровне топовых моделей концерна.

Фото: Paul Sancya / AP

Другие компании извлекли из эксперимента BMW урок. Сейчас уже три фирмы серийно выпускают легковые автомобили на водородных топливных ячейках, использующих топливо более эффективно: в результате электрохимической реакции они вырабатывают энергию, которая подается на электрический двигатель. Первой работающей по такой схеме была машина Hyundai ix35 Fuel Cell, поступившая в автосалоны в начале 2013 года. Годом позже в Японии стартовали продажи Toyota Mirai, а в 2015–2016 годах на японский и американский рынки вышла Honda Clarity. Еще полтора десятка компаний в последние годы объявили о скором выпуске или по крайней мере о начале разработки таких автомобилей. Совершенствование технологий позволило существенно удешевить производство: цена Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс.

Тем не менее цены кажутся высокими по сравнению с обычными машинами: так, Hyundai ix35 с обычным двигателем стоит от $10 тыс. до 35 тыс. Да и сам водород пока обходится дороже бензина. Но инновационные автомобили не только чище, но и потенциально выгоднее. Согласно подсчетам бывшего главного исследователя по вопросам альтернативной энергии Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) Стива Хенча использовать водород в качестве энергоносителя намного выгоднее, чем обычный бензин. Энергоемкость одного галлона (4,54 л) бензина и 1 кг водорода, эквивалентного ему по объему, почти одинакова: 130 против 130–140 мДж. Галлон бензина в США стоит около $2,90, 1 кг водорода обойдется дороже — в $8,6. Однако если учесть, что термодинамическая эффективность бензина составляет 20–25%, а водорода — 60% и более, получится, что топливные ячейки в 2,5–3 раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания. А значит, на том же объеме топлива водородные автомобили смогут проехать в 2,5–3 раза дольше.

Высокая энергия

В России компании также проявляют интерес к водородным технологиям. В 2006 году «Норильский никель» приобрел контрольный пакет акций американского пионера водородной энергетики Plug Power. Однако кризис 2008–2009 годов вынудил «Норникель» продать бумаги.

В 2014 году в России появился производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компании удалось найти свою нишу: она поставляет аккумуляторные системы для дронов, в том числе военных. Топливными элементами AT Energy были, например, оснащены дроны компании «АФМ-Серверс», снимавшие с воздуха Олимпиаду-2014 в Сочи. «Оснащение дронов водородными элементами дает большой выигрыш по длительности полета, кроме того, они перестают зависеть от температуры воздуха», — говорит основатель компании Данила Шапошников.

В июне 2017 года AT Energy подписала стратегическое соглашение с АО «Линде Газ Рус», дочерней компанией производителя промышленных газов Linde Group. Партнеры будут поставлять владельцам беспилотных аппаратов баллоны с водородом производства Linde. Это поможет решить важнейшую проблему водородной энергетики для беспилотников — заправочной инфраструктуры.

Легок на помине

Ажиотаж по поводу самого легкого в природе газа, стартовавший в начале 2000-х, был подхвачен политиками. В 2004 году губернатор Калифорнии Арнольд Шварценеггер рисовал картины «водородных шоссе», которыми будет опоясан его штат всего через шесть лет. Ничего такого, конечно, не произошло. «Автомобильная отрасль консервативна: все новые технологии дорогие, требуют оптимизации моделей по массе и габаритам, испытаний на ресурс», — говорит гендиректор AT Energy Данила Шапошников.

Сказалась и экономическая ситуация. «В глобальном контексте замедление развития водородной энергетики связано с тем, что выбор технологий снижения выбросов в энергетике, транспорте, горнодобывающей промышленности и ЖКХ определяется экономической выгодой, — говорит советник по возобновляемой энергии в MoJo Energy Говард Рамсден, в 2000-х принимавший участие в разработке законодательства Европейского союза в области электроэнергетики. — Если финансовые механизмы стимулирования выбора низкоуглеродных технологий не являются существенными для стимулирования потребителя, то он либо не будет менять своих привычек, либо будет делать это очень вяло. Водородные технологии оказались слишком дороги для производителей в условиях двух глобальных экономических кризисов, где война за покупателя была жесткой».

Проблемы вызваны не только экономической конъюнктурой. Первому элементу таблицы Менделеева то и дело достается от глав технологических компаний. Так, владелец Tesla Илон Маск неоднократно называл топливные ячейки «ошеломляюще тупой технологией», противопоставляя их электрическим аккумуляторам, на которые сделала ставку его компания. Основная претензия заключается в том, что в качестве средства хранения энергии ячейки уступают аккумуляторам, поскольку преобразование химической энергии в электрическую внутри топливного элемента ведет к неизбежным потерям.

Илон Маск (Фото: Marcio Jose Sanchez / AP)

Другие критики отмечают, что водородные автомобили по умолчанию небезопасны. Водород невидим, легко воспламеняется и не имеет запаха, а значит о его утечке водитель не догадается вплоть до взрыва. Правда, и Toyota и Honda специально отмечают, что в их моделях водород хранится в герметичных и ударопрочных контейнерах из углеволокна. И все-таки никакое углеволокно не выдержит сильного удара при ДТП.

И даже подсчеты экономических выгод водорода могут быть обманчивы. «Главная проблема — высокая стоимость производства самих топливных элементов, так как водородные батареи содержат платину, один из самых дорогих металлов в мире, — напоминает Кристиан Цбинден. — Многие заблуждаются, считая водородную энергетику спасением от глобального изменения климата. На самом деле энергия из водорода — это плацебо, поскольку при производстве подобных батарей используется непропорционально большое количество электроэнергии. Поэтому «зелеными» данные технологии назвать нельзя». Самый распространенный в наши дни процесс получения водорода — паровой риформинг метана. Он требует использования углеводородов. Правда, теоретически его можно заменить электролизом воды, энергию для которого будут давать, например, солнечные батареи.

Кроме того, под водородные двигатели нужно строить специальные сети заправок. «Вопрос не столько в разработках производителей двигателей, сколько в подготовке и развитии необходимой инфраструктуры, — считает Никита Игумнов, финансовый эксперт, ранее работавший в инвестпроектах Газпромбанка, в органах управления и контроля МОЭСК и «Мосэнергосбыта». — При реализации данного направления возникнет ряд проблем, требующих решения. Среди них — высокая стоимость производства, хранения и транспортировки топлива, а также необходимость масштабного развития необходимой инфраструктуры: заправки, терминалы хранения, производственные мощности. Все эти вопросы требуют масштабных инвестиций».

Нишевой элемент

И все-таки будет ошибочным считать водородную энергетику тупиковым направлением. «Например, она давно применяется в ракетостроении, но СМИ редко об этом пишут», — отмечает Шапошников. Пока автомобили на топливных элементах делают первые шаги, их меньшие братья — автопогрузчики уже вовсю переходят на самый легкий газ. В июле Walmart приобрела 55 млн акций одного из пионеров водородной энергетики — компании Plug Power, объявив о планах оснастить 30 своих центров дистрибуции водородными автозаправками, где смогут заряжаться погрузчики компании (сейчас такими заправками оснащены 22 американских магазина Walmart). В апреле этого года Amazon.com купила более 50 млн акций Plug Power, параллельно начав оснащать водородными заправками свои склады.

Компании-конкуренты считают, что водород поможет их центрам быть более эффективными. «Складская техника — это ниша, в которой водородные топливные ячейки уже прочно закрепились, — говорит Данила Шапошников. — Электрические аккумуляторы погрузчиков быстро садятся и подолгу заряжаются. Возникают большие паузы в работе. Кроме того, батареи имеют короткий срок службы. А техника на водороде надежна, неприхотлива и, кроме того, экологична — такие погрузчики могут работать в закрытых помещениях».

То, что силовые установки, работающие на водороде, практически бесшумны, делает их привлекательными для производства военной техники. Уже сейчас такими установками оснащают, например, подводные лодки. Водород служит и для нужд домохозяйств: энергетические станции мощностью от 1 до 5 кВт могут вырабатывать электроэнергию в режиме когенерации, попутно давая тепло для системы отопления и нагрева воды.

В Японии такие автономные системы получили широкое признание после аварии на «Фукусиме», когда ядерная энергетика стала восприниматься как нечто страшное. Агентство по природным ресурсам и энергетике Японии рассматривает развитие водородной промышленности как один из приоритетов, рассчитывая за три года довести число используемых домохозяйствами водородных электрогенераторов до 1,4 млн. Кроме того, правительство мотивирует промышленные компании использовать водород в качестве источника электроэнергии на заводах и фабриках. А организаторы летних Олимпийских игр 2020 года в Токио собираются превратить их в демонстрацию возможностей водородных двигателей.

Среди ниш, где водород находит себе применение уже сегодня, — стационарное резервное питание. «Топливные ячейки требуют мало обслуживания: поставил — забыл, — говорит Шапошников. — Когда напряжение в сети падает до нуля, они включаются. Небольшой баллон с газом, установленный, например, на сотовой вышке, даст ей энергии на сутки, пока ремонтная бригада устраняет проблему. Другая ниша — автономное энергоснабжение удаленных пунктов: можно раз в год наполнять газгольдер, обеспечивая электричеством и теплом небольшой поселок полярников где-нибудь в Арктике». Это решение подойдет для многих труднодоступных уголков страны.

Водородная энергетика будет развиваться даже при отсутствии прорыва в автомобильной отрасли, говорят эксперты. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но и в автомобильной промышленности этот элемент рано списывать со счетов. Да, водород высокого давления требует строительства сотен заправочных станций. Но есть более дешевая альтернатива, которую сейчас разрабатывает сразу несколько компаний, в частности один из лидеров по производству топливных ячеек — канадская Ballard Power, делающая пилотный проект для китайского Министерства транспорта. Жидкий химический состав можно будет заливать в обычные бензохранилища, которыми оснащены АЗС, и заправлять им машину как бензином. В специальном реакторе из жидкости будет выделяться газообразный водород, поступающий в топливную ячейку. Голубая мечта Шварценеггера не столь уж и несбыточна.

Водородный двигатель автомобиля — как работает и основные недостатки

Авто компании разрабатывают новые виды двигателей для автомобилей будущего. Кто-то ставит ставку на электромоторы, а кто-то разрабатывает водородные двигатели. Рассмотрим водородный двигатель и его преимущества.

Как работает

Автомобиль на водородном топливе имеет так называемый топливный элемент или по-научному — электрохимический генератор. Это своего рода «вечная» батарейка, внутри которой идет реакция окисления водорода и на выходе получается чистый водяной пар, азот и электричество. Т.е. выхлоп такого водородного автомобиля экологический чистый, в нем содержание углекислого газа CO2 равняется нулю.

Автомобиль с топливными элементами, по сути электромобиль. Только с более компактной батареей: ёмкость литий-ионного аккумулятора в 10 раз меньше, чем обычного электромобиля. Батарея нужна только в качестве буфера для хранения энергии, получаемой при рекуперативном торможении и для быстрого холодного старта.

Потому что главный источник энергии — блок топливных элементов — выходит на рабочий режим не сразу. На первых прототипах водородных машин для этого требовалось около полутора часов. На современных — не более 2 минут, чтобы начать превращение водорода и воздуха в водяной пар, азот и электроэнергию. Но на прогрев до рабочей температуры, когда КПД установки достигает 90%, уходит от 15 минут до часа в зависимости от окружающей температуры.

В баллонах хранится 5 кг водорода, обеспечивающие запас хода до 500 км. Полная заправка баллонов займет три минуты.

Главные недостатки

Главный недостаток — высокая себестоимость. Помимо электрохимического генератора, который при массовом производстве может стоить дешевле батарей для электромобилей, нужны еще прочные и легкие баки. Для этого используют дорогой углепластик.

Серьезный недостаток — энергетическая эффективность. Если использовать водород только как промежуточное звено в цепочке доставки энергии от электростанции к колесам автомобиля, то КПД составит не более 30% с учетом потерь на перекачку и охлаждение водорода перед заправкой. В отличие от 70-80% у электромобилей.

Если получать водород из попутного нефтяного газа, то КПД становится несравнимо выше — до 70%. Правда, ценой выбросов углекислого газа.

Если производить автомобили с водородными двигатели, то где взять заправки? В Европе количество водородных заправок можно пересчитать по пальцам, у нас их вовсе нет. Инженеры для таких случаев изобрели бивалентный двигатель, который может одновременно работать на водородном топливе и бензине. Владелец данного автомобиля не будет зависеть от наличия на заправке водородного топлива.

Лет через десять, когда количество водородных заправок в Европе возрастет, тогда водородомобили получат жизнь. Пока реалии не радуют. Взять хотя бы стоимость машины на чисто водородных элементах — она превышает стоимость обычного автомобиля почти в два раза. И на 20 процентов дороге гибридных версий.

Toyota собирается расширять производство автомобилей с водородным двигателем | Новости из Германии о событиях в мире | DW

Японский автопроизводитель Toyota собирается расширить выпуск машин с водородным двигателем. В компании полагают, что в перспективе оснащать такими моторами можно будет не только автомобили класса люкс, но и компактные модели. Об этом сообщил немецкой газете Welt am Sonntag пресс-секретарь концерна Toyota Хисаши Накаи. Материал будет опубликован в воскресенье, 24 марта.

В то же время при попытке найти замену классическому двигателю, сжигающему бензин или дизельное топливо, немецкие автопроизводители VW, BMW и Daimler договорились сконцентрироваться на создании электромобилей.

«В ближайшем будущем это будет лучшей и самой эффективной возможностью снизить выбросы в атмосферу углекислого газа», — прокомментировал этот решение глава концерна VW Герберт Дис (Herbert Diess).

Преимущества водородного двигателя

Однако японцы решили пойти иным путем и сделать ставку на термоэлектрический генератор, самым распространенным видом которого является водородный двигатель.

«Мы относимся с пониманием к тому, что кто-то, возможно, хочет сконцентрироваться только на одной технологии», — отметил представитель концерна Хисаши Накаи. — Однако считаем, что нам нужно и то, и другое — электробатарея и термоэлектрический генератор».

Главные преимущества водородного двигателя состоят в том, что он работает бесшумно и не производит вредных выбросов в атмосферу. Автомобиль Toyota Mirai, уже продающийся и в России, стал первой в мире автомоделью с водородным двигателем в серийном производстве. Сегодня автомобили с водородными двигателями выпускают и другие производители, такие как Hyundai. 

Принцип работы водородного двигателя

Принцип работы водородного двигателя состоит в следующем. Углеродные топливные баки автомобиля заправляются сжатым водородом. Потом через передний воздухозаборник поступает необходимый для работы двигателя воздух.

В результате химической реакции при взаимодействии водорода и кислорода из поступившего воздуха вырабатывается электроэнергия. При нажатии на педаль газа образовавшееся в результате реакции электричество приводит в действие электромотор, и автомобиль начинает движение.

Единственный побочный продукт этого процесса — вода, которая не наносит вреда окружающей среде, указывается на сайте японского автопроизводителя.

Компактные автомобили с водородным двигателем

До сих пор водородный двигатель не смог найти широкого применения в автостроении. Тем не менее специалисты Toyota полагают, что по мере проникновения таких машин на рынок их производственные расходы сократятся на столько, что автомобили с водородным двигателем станут рентабельными не только в среднем и премиум-классе и среди компактных автомобилей.

«Даже если на это потребуется время, в перспективе будут производиться и компактные автомобили с термоэлектрическими генераторами», — подчеркнул Накаи.

______________

Подписывайтесь на новости DW в | Twitter | Youtube | или установите приложение DW для | iOS | Android

Смотрите также:

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Скромная доля электромобилей на рынке Германии

  Почти 17 200 электромобилей было продано в Германии в первом полугодии 2018 года — и еще 16 700 машин с гибридным приводом. Это хотя и означает рост по сравнению с аналогичным периодом прошлого года на 51%, но в сравнении с продажами новых бензиновых и дизельных машин составляет лишь 1,8%. Ничтожно мало — по сравнению с почти 40% в Норвегии, являющейся мировым лидером по этому показателю.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Отставание по электромобильности

  Причин отставания две. Немецкий автопром слишком долго не верил в приход новой эры электромобильности, делая ставку на двигатели внутреннего сгорания, в производстве которых немцы были в числе мировых лидеров. В итоге, многие электромобили сегодня существуют в основном на бумаге (см. фото). Другая причина — предоставление властями льгот покупателям электромобилей началось в ФРГ лишь недавно.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Перелом с сентября 2018 года?

  Но сентябрь 2018 года может стать поворотным моментом. Прежде всего благодаря презентации электрического внедорожника e-tron. Это первая модель Audi, работающая полностью на электромоторе — и, как признают в самой компании-производителе, ее первая «вызревшая» серийная модель электромобиля. Поставки первым покупателям начнутся уже в конце 2018 года, а зарезервировать машину можно уже сейчас.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  E-tron на троне?

  Презентация Audi e-tron состоялась 17 сентября в США, что можно истолковать как готовность потягаться силами с мировым лидером в производстве элитных электромобилей, американской компанией Tesla. Так, e-tron будет иметь запас хода в 400 км, что сравнимо с Model 3 от Tesla.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Volkswagen пока не впечатляет

  У электромобилей других марок, которые, как и Audi, принадлежат концерну Volkswagen, цифры менее впечатляющие. Так, под брендом Volkswagen концерн сейчас продает клиентам только 2 электрические модели — E-Golf (с начала 2014 года) и E-Up (с конца 2013). Технические характеристики таковы: запас хода у E-Golf — 300 км (и это по старым, менее экологичным нормам), у E-Up — 160 км.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Будущее называется I.D.

  В этом году премьер электромобилей от VW не ожидается. Концерн сейчас перестраивает свой завод в немецком Цвикау, где в 2019 году начнется производство совершенно новой линейки электромобилей под общим брендом I.D. Среди прочего — и изображенного на фото микроавтобуса I.D. Buzz.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Другое будущее под названием EQC

  Пытаются наверстать упущенное и в концерне Daimler. Сайт автопроизводителя, оттенив прошлые эксперименты с электромобильностью, уже вовсю рекламирует новую линейку электромобилей марки Mercedes — EQC. Но в серию первая машина EQC — внедорожник — выйдет в середине 2019 года. Следом за внедорожником компания обещает полную линейку на новой технологии, от компакт-класса до премиум-сегмента.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Smart только электрический

  А вот принадлежащая Daimler марка Smart будет полностью переориентирована на электромобильность. С 2020 года машины Smart будут продаваться во всей Западной Европе только с электрическим двигателем. А в США, Канаде и Норвегии от бензиновых Smart отказались еще 2017 году.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  BMW удивит в 2020 году

  BMW уделяла внимание электромобильности больше других немецких автопроизводителей — так что уже имеет в активе две серийные модели машин с электрическими двигателями: i3 (на фото) и i8. Но с запасом хода в 200 км (i3) и у баварских автопроизводителей есть куда расти — поэтому с 2020 года BMW обещает вывести на рынок новые серийные модели электромобилей.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Porsche нужно еще время

  Миллиарды евро инвестирует сейчас в разработки и другая дочерняя фирма Volkswagen — Porsche. Полностью электрическая модель этого бренда ожидается в 2020 году. Предварительное название модели — Taycan.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Opel ждут перемены

  Поклонники выпускающейся в ФРГ марки Opel могли уже с 2012 года купить электромобиль Ampera. Но на самом деле он производился в США. Поэтому после приобретения компании Opel в 2017 году французским концерном PSA новый владелец объявил о планах по выпуску новых электромобилей: в 2020 году на рынок должна выйти новая Corsa с электрическим приводом, а к 2022 — еще четыре модели электромобилей.

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Стартапы в эру электромобильности

  Перспективы электромобильности увлекли не только гигантов немецкого автопрома, но и небольшие стартапы. Например, ахенская фирма e.GO Mobile AG, созданная всего лишь в 2015 году, уже к концу 2018 года собирается выпустить на рынок свою первую серийную модель e.GO Life (на фото).

• Немецкие электромобили: что можно уже купить и что нас ждет?

  Почтальон приезжает на электромобиле

  А немецкая почта — Deutsche Post, так и не найдя в 2014 года ни одного автопроизводителя, готового поставить небольшие автофургоны для развоза почты, сама приобрела никому не известную тогда фирму StreetScooter. Фирма прекрасно справилась с заданием, и сейчас по дорогам Германии разъезжает уже более 6 тысяч выпущенных ею желтых электромобилей.

  Автор: Инза Вреде, Павел Лось

как российский автопром может завоевать мир

Просто один пример, как это будет работать. В сегодняшнем технологическом укладе автомобили BMW, Mercedes, Audi считаются продуктами самой высокой технологии, вершиной современной конструкторской мысли. В каждом из них примерно 1500 трущихся деталей, требующих длинной и фондоёмкой цепочки оборудования для особо точной обработки различных металлов, много подшипников, масел и тд. Это самые сложные и ответственные элементы автомобиля: двигатели, коробки передач, мосты, карданы, тормозные и рулевые системы и т.д. Для производства автомобилей по традиционной технологии добываются миллионы тонн разных видов руды, уголь, производится метал очень сложных составов со строгими физико-химическими характеристиками, требуется оборудование для дорогостоящих процессов литья, прокатки, штамповки, сварки, окраски…Крутится гигантская производственно-технологическая цепочка с миллионами рабочих мест. Так изготавливается любой автомобиль. Именно поэтому господдержка направляется прежде всего производителям с глубокой локализацией. Но… наступает новый технологический уклад. Появляется один из первых образцов-автомобиль Tesla (Model 3). В этом автомобиле ещё только первого поколения нового технологического уклада — кузов композитный, двигатель электрический. Всего 140-150 трущихся деталей. Это означает, что дорогостоящее оборудование заготовительных производств автозаводов (металлургия, кузница, прессовое, арматурное,) и особо точного механообрабатывающего (двигатели, КПП, мосты, карданы) можно сдать в металлолом. Туда же скоро можно отправить сварку и окраску, поскольку композиты и пластики можно окрашивать при приготовлении массы для формования. Mercedes недавно обнародовал, что инвестиции в строительство его завода в России (пока без мощностей по производству двигателей, КПП и других сложных механических узлов и литейного производства) мощностью 25 000 авто в год составили около €300 миллионов. На мощность 100 000 автомобилей (даже бюджетного сегмента) с полным набором локализации производства традиционных узлов и агрегатов потребуются существенно более высокие инвестиции. Это цена пути углубления традиционной технологии для автопрома. Есть над чем задуматься. Но гораздо более существенные и дорогостоящие изменения автопром потребует от других отраслей. С точки зрения нового технологического уклада производства автомобиля, это означает, что автопрому больше в таких масштабах не нужна прежняя металлургия и традиционная металлообработка, радикально меняются требования к продукции таких отраслей, как химия и нефтегазохимия.

Крошечный водородный двигатель заменил аналоги на ископаемом топливе

Израильская компания Aquarius Engines на этой неделе продемонстрировала свою последнюю разработку — крошечный водородный двигатель. Инженеры надеются, что новинка заменит газовые двигатели-генераторы и водородные топливные элементы в будущих электрифицированных транспортных средствах.

При весе всего 10 кг простой двигатель использует один движущийся поршень для развития мощности. Помимо транспортных средств, Aquarius разрабатывает двигатель, который используется в качестве автономного микрогенератора.

У двигателя Aquarius всего один центральный цилиндр, в котором поршень перемещается между двумя головками двигателя. В предыдущих итерациях Aquarius использовал традиционные ископаемые виды топлива, но теперь разработчики обратили внимание на водород. Компания сообщает, что австрийская инженерная фирма AVL-Schrick недавно завершила сторонние испытания прототипа. Результаты эксперимента подтвердили, что модифицированная версия двигателя может работать исключительно на водороде.

Двигатель Aquarius не только небольшой, легкий и удобный в транспортировке, но и очень простой. Он не требует регулярного обслуживания — Aquarius состоит всего из 20 частей, из которых движется только один поршень. По заявлению компании, для смазки не требуется даже масла. На видео ниже показано, как части соединяются в единое целое.

Потенциал использования более чистого сжигаемого водорода в качестве топлива повышает привлекательность нового двигателя, особенно на рынках в странах, которые уже стремятся сократить выбросы. Например, компания недавно наладила стратегическое партнерство с японскими корпорациями по производству автозапчастей TPR и Musashi Seimitsu Industry Co. Ltd.

---

Читайте также

Высокий рост, пропавшие зубы, новые кости: что произошло с телом человека за сто лет

Огромную моль нашли в Австралии. Ее размах крыльев — 25 см

Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?

Определили жизнеспособность водородных двигателей | 32CARS.RU

Водород до сих пор изо всех сил пытался выполнить свои ранние обещания в качестве альтернативного топлива для автомобильного транспорта, но до сих пор его популярность очень низка.

Использование водорода в топливных элементах для производства электроэнергии без вредных выбросов по-прежнему имеет огромный потенциал, но импульс для запуска двигателей внутреннего сгорания на нем уменьшился. Тем не менее интерес остается, примером является разработка Toyota водородного трехцилиндрового гоночного двигателя, взятого у GR Yaris и используемого для питания специально разработанной Corolla Sport, участвующей в гонке Fuji 24 Hours.

Хотя водород является чистым топливом по сравнению с бензином или дизельным топливом, он полностью исключает выбросы только при преобразовании в системе топливных элементов для выработки электроэнергии. При сгорании в двигателе это не совсем так. Хотя не образуются несгоревшие углеводороды (HC), окись углерода (CO) или CO2, образуются оксиды азота (NOx). Воздух на 78% состоит из азота, и при сгорании он окисляется, образуя токсичный NOx – но сколько именно, зависит от того, насколько горячими становятся предметы в камере сгорания, и именно в этом водородные двигатели могут иметь преимущество.

Водород гораздо менее требователен, чем бензин или дизельное топливо, смешивается и горит полностью и эффективно в гораздо более широком диапазоне соотношений воздуха и топлива. В результате водородный двигатель может работать очень экономно (больше воздуха, меньше топлива) и при этом производить гораздо более низкие уровни выбросов NOx на выходе из двигателя, чем бензин или дизель. Выбросы из выхлопной трубы могут быть уменьшены до минимального уровня с помощью существующей технологии выхлопных газов.

Эти привлекательные факты зависят от ряда вещей. Хотя водород несет большое количество энергии по массе, он гораздо менее плотный, чем жидкое топливо, поэтому двигатели с впрыском, в которых топливо впрыскивается во впускной коллектор и смешивается с воздухом вне цилиндров, вырабатывают значительно меньшую мощность, работающую на водороде чем на бензине. Непосредственный впрыск улучшает ситуацию и в сочетании с турбонаддувом с изменяемой геометрией делает водородные двигатели внутреннего сгорания более жизнеспособными.

Но все же есть компромисс. Современные водородные двигатели с турбонаддувом прямого впрыска могут производить больше энергии, чем эквивалентный бензиновый двигатель, увеличивая долю водорода в топливно-воздушной смеси, но уровень NOx увеличивается. В противном случае водородные двигатели по существу являются модифицированными бензиновыми двигателями, которые в производственной форме имели бы более прочные компоненты и системы прямого впрыска водорода. Водород можно хранить в тех же хорошо зарекомендовавших себя баках для сжатого газа на 700 бар, которые используются в транспортных средствах на топливных элементах.

Более поздние исследовательские программы предполагают, что существует реальная возможность запуска транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, которые практически не загрязняют окружающую среду, используя технологию, которая подходит как для тяжелых транспортных средств, так и для легковых автомобилей. Грацский технологический университет совместно с компанией Bosch добился некоторых обнадеживающих результатов с 2,0-литровым двигателем с турбонаддувом с искровым зажиганием, а Рикардо возглавляет исследовательскую программу по водородным двигателям для тяжелых транспортных средств.

Учитывая близость к существующей технологии и производству, сжигание этого обильного газа легче воздуха может стать полезным шагом к полной электрификации, а также стимулировать развитие водородной сети, необходимой для транспортных средств на топливных элементах.

московские автобусы заменят водородные электробусы

Московское правительство подписало соглашение с КамАЗ и Роснано о производстве водородных электробусов. Об этом сообщил мэр Москвы Сергей Собянин.

В Роснано обещают, что использование электробусов на водородном топливе в десять раз снизит концентрацию углекислого газа в Москве.

Модель представят в 2022 году. Перед массовым использованием власти обещают протестировать транспорт на безопасность. Серийное производство и внедрение начнется в 2023 году.

«Традиционные двигатели внутреннего сгорания уходят в прошлое. Больше двух лет назад мы начали менять дизельные автобусы на электробусы. Сегодня они составляют почти 10% парка», – отмечает Собянин.

Собянин отмечает, что при использовании водорода выделяются «только пар и тепло», которыми зимой можно отапливать салон. Такие электробусы смогут ездить на длинные дистанции, а заправлять их достаточно раз в сутки.

Ранее Москва практически полностью отказалась от троллейбусов. Многие москвичи были с этим не согласны и раскритиковали пришедшие им на смену электробусы.

В частности, движение «Москвичи за троллейбус» говорило о том, что электробус с ультрабыстрой зарядкой, работающий в Москве, — самый дорогой из всех существующих типов электробуса. По плану электробус едет 40 минут, а потом 30 минут стоит на подзарядке.

Двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, изобрели в 1806 году. Как и электромобили, транспорт с водородным двигателем «питается» электричеством. Такое транспортное средство заправляется водородом, который, под действием катализатора и кислорода, производит электрический ток.

Водородные двигатели быстро заправляются и практически бесшумны. С другой стороны, водород — горючий газ, поэтому транспортировать и хранить его нужно осторожно.

Больше новостей некоммерческого сектора в телеграм-канале АСИ. Подписывайтесь.

Может ли водород поддерживать двигатель внутреннего сгорания?

Все более строгие правила выбросов затрудняют для автопроизводителей продолжать предлагать автомобили с двигателями внутреннего сгорания, при этом некоторые страны, такие как Соединенное Королевство, даже предпринимают шаги для полного запрета двигателей.

Интересно, что водород может оказаться спасителем двигателя внутреннего сгорания.

Ряд автопроизводителей предложили преобразовать водород, полученный из возобновляемых источников, в синтетическое топливо с нейтральным выбросом углерода.Porsche и его партнеры даже построили пилотный завод, способный производить синтетическое топливо в промышленных масштабах.

Toyota сейчас тестирует другое, гораздо более старое решение, связанное с водородом: сжигание этого вещества непосредственно в двигателе внутреннего сгорания.

На прошлой неделе автопроизводитель представил гоночный автомобиль, чей рядный 3-цилиндровый двигатель предназначен для работы на чистом водороде. Гоночный автомобиль все еще проходит испытания, но в мае этого года он войдет в этап гоночной серии Super Taikyu Series 2021 года в Японии.

Как уже упоминалось, это решение не ново.BMW представила прототип 7-й серии, двигатель V-12 которого мог работать на водороде. Это было еще в 2006 году. Основные необходимые изменения касаются топливного бака и топливных форсунок.

При сжигании водорода выбросы CO2 нулевые. Однако технология не лишена недостатков. При сжигании водорода в двигателе внутреннего сгорания образуются вредные оксиды азота. Однако есть способы минимизировать это, например, использование селективного каталитического восстановления на основе мочевины, как в современных дизельных двигателях.

Как мы уже выяснили, более серьезной проблемой является низкая эффективность. Энергия уже тратится на производство водорода из возобновляемых источников, и к тому времени, когда водород сгорает в двигателе и мощность передается на трансмиссию и, в конечном итоге, на колеса, фактически передается только около 25% энергетической ценности водорода.

Вот почему электромобили на топливных элементах, такие как Toyota Mirai, имеют больше смысла при использовании водорода в качестве топлива. Здесь водород объединяется с кислородом воздуха, чтобы создать электричество, которое затем приводит в действие электродвигатель, который может напрямую приводить в действие колеса.Здесь КПД приближается к 50%. И вредных выбросов тоже нет. Просто вода.

Еще один недостаток водорода? Отсутствует инфраструктура, позволяющая чистым образом закупать материал и поставлять его клиентам. Вот почему электромобили с аккумуляторными батареями, которые могут использовать существующую электрическую сеть, вероятно, будут основным источником личного транспорта в будущем, хотя водород все еще может иметь место в транспорте на дальние расстояния.

Центр данных по альтернативным видам топлива: основы водорода

Водород (H ₂ ) — альтернативное топливо, которое можно производить из различных внутренних источников.Хотя рынок водорода в качестве транспортного топлива находится в зачаточном состоянии, правительство и промышленность работают над чистым, экономичным и безопасным производством и распределением водорода для широкого использования в электромобилях на топливных элементах (FCEV). Легковые автомобили FCEV теперь доступны в ограниченных количествах для потребительского рынка в локализованных регионах внутри страны и по всему миру. Рынок также развивается в отношении автобусов, погрузочно-разгрузочного оборудования (такого как вилочные погрузчики), наземного вспомогательного оборудования, грузовиков средней и большой грузоподъемности, морских судов и стационарного оборудования.Для получения дополнительной информации см. Свойства топлива и Центр ресурсов по анализу водорода.

В нашей окружающей среде много водорода. Он хранится в воде (H ₂ O), углеводородах (таких как метан, CH ₄ ) и других органических веществах. Одна из проблем использования водорода в качестве топлива заключается в возможности его эффективного извлечения из этих соединений.

В настоящее время паровой риформинг, сочетающий высокотемпературный пар с природным газом для извлечения водорода, составляет большую часть водорода, производимого в Соединенных Штатах.Водород также можно получить из воды путем электролиза. Это более энергоемко, но может быть выполнено с использованием возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце, и избегая вредных выбросов, связанных с другими видами производства энергии.

Почти весь водород, производимый в США каждый год, используется для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и обработки пищевых продуктов.

Хотя производство водорода может приводить к выбросам, влияющим на качество воздуха, в зависимости от источника, FCEV, работающий на водороде, выделяет только водяной пар и теплый воздух в качестве выхлопных газов и считается автомобилем с нулевым уровнем выбросов.Основные усилия в области исследований и разработок направлены на то, чтобы сделать эти автомобили и их инфраструктуру практичными для широкого использования. Это привело к первоначальному выпуску легких серийных автомобилей для розничных потребителей в северной и южной Калифорнии и доступности автопарка в северо-восточных штатах.

Узнайте больше о водороде и топливных элементах из отдела технологий водородных и топливных элементов.

Водород в качестве альтернативного топлива

Водород считается альтернативным топливом в соответствии с Законом об энергетической политике 1992 года.Интерес к водороду как альтернативному транспортному топливу обусловлен его способностью приводить в действие топливные элементы в FCEV с нулевым уровнем выбросов, его потенциалом для внутреннего производства, быстрым временем заполнения и высокой эффективностью топливных элементов. Фактически топливный элемент, соединенный с электродвигателем, в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине. Водород также может служить топливом для двигателей внутреннего сгорания. Однако, в отличие от FCEV, они производят выбросы из выхлопной трубы и менее эффективны.Узнайте больше о топливных элементах.

Энергия 2,2 фунта (1 кг) газообразного водорода примерно такая же, как энергия 1 галлона (6,2 фунта, 2,8 кг) бензина. Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, он хранится на борту транспортного средства в виде сжатого газа для достижения дальности движения обычных транспортных средств. В большинстве современных приложений используются резервуары высокого давления, способные хранить водород при плотности 5 000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Например, FCEV, производимые производителями автомобилей и доступные в дилерских центрах, имеют резервуары на 10 000 фунтов на квадратный дюйм.Розничные диспенсеры, которые в основном расположены рядом с автозаправочными станциями, могут заполнить эти резервуары примерно за 5 минут. Другие технологии хранения находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы. Узнайте больше о хранении водорода.

Данные с розничных станций заправки водородом, собранные и проанализированные Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, показывают, что среднее время, затрачиваемое на заправку топливом FCEV, составляет менее 4 минут.

Калифорния является лидером в строительстве водородных заправочных станций для автомобилей FCEV. По состоянию на середину 2020 года в Калифорнии для посетителей были открыты 43 розничные водородные станции, а еще 19 находились на различных стадиях строительства или планирования. Эти станции обслуживают более 8000 автомобилей FCEV. Калифорния продолжает предоставлять финансирование для строительства водородной инфраструктуры в рамках своей Программы чистого транспорта. Энергетическая комиссия Калифорнии имеет разрешение выделять до 20 миллионов долларов в год до 2023 года и инвестирует в первые 100 общественных станций для поддержки и поощрения этих транспортных средств с нулевым уровнем выбросов.Кроме того, в северо-восточных штатах планируется построить 12 станций розничной торговли, некоторые из которых уже обслуживают клиентов автопарка.

Производители автомобилей предлагают FCEV только потребителям, живущим в регионах, где существуют водородные станции. Неразничные станции в Калифорнии и по всей стране также продолжают обслуживать автопарк FCEV, включая автобусы. Многие распределительные центры используют водород в качестве топлива для погрузочно-разгрузочных машин в своей нормальной работе. Кроме того, было сделано несколько объявлений о производстве большегрузных автомобилей, таких как линейные грузовики, для которых потребуются заправочные станции с гораздо большей мощностью, чем существующие заправочные станции для легких грузовых автомобилей.Найдите водородные заправочные станции в Соединенных Штатах.

Как водородные двигатели внутреннего сгорания могут способствовать нулевым выбросам

Регулирующие органы ужесточают правила выбросов для шоссейных грузовиков на многих крупнейших мировых рынках (Приложение 1). Начиная с 2030 года регулирующие органы в Европе будут требовать от производителей сократить выбросы CO ₂ для новых шоссейных грузовиков на 30 процентов по сравнению с уровнями 2019 года.

Аудио

Послушайте эту статью

В США целевой показатель сокращения выбросов к 2027 году на 46 процентов ниже уровня 2010 года.В пятнадцати штатах США во главе с Калифорнией действуют дополнительные предписания, согласно которым к 2030 году 30 процентов проданных грузовиков будут иметь нулевые выбросы. Аналогичным образом, китайские регулирующие органы требуют от производителей оборудования снизить выбросы от тяжелых грузовиков на 24 процента с 2021 года по сравнению с 2012 годом. Вероятны дополнительные долгосрочные цели, учитывая, что Китай недавно присоединился к растущей группе стран с нулевыми показателями выбросов на уровне или до 2060 г.

Приложение 1

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему сайту.Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Напишите нам по адресу: [email protected]

Грузовики повышенной проходимости традиционно меньше подвергались контролю со стороны регулирующих органов; однако OEM-производители в внедорожное пространство ожидает все возрастающее давление со стороны клиентов на декарбонизацию. За последние два года крупные горнодобывающие компании поставили амбициозные цели по декарбонизации, стремясь к Сферам 1 и 2. CO ₂ нейтралитет.Например, Anglo American и Fortescue объявили о своих целевых показателях углеродной нейтральности Scope 1 и 2 к 2040 году в 2019 и 2020 годах соответственно. Компании BHP, Rio Tinto, Teck и Vale стремятся достичь этого рубежа к 2050 году. Приблизительно 30 процентов выбросов парниковых газов (ПГ) месторождения 1 и 2 на руднике вызвано дизельными двигателями, в основном от горнодобывающих машин, таких как самосвалы, самосвалы. грузовики, погрузчики, бульдозеры, экскаваторы. Снижение этих выбросов до нуля потребует массового перехода на автомобили с нулевым уровнем выбросов в горнодобывающем секторе.

В то время как игроки строительства и сельского хозяйства отставали от майнеров, давление на развитие Количество решений с нулевым уровнем выбросов в этих секторах также растет. Для строительных машин правила качества воздуха на уровне города ужесточают правила декарбонизации и направляют клиентов. экскаваторам, погрузчикам, грейдерам и автопогрузчикам с нулевым уровнем выбросов. Учитывая растущую обеспокоенность общества по поводу устойчивости в сельскохозяйственном секторе, давление со стороны потребителей может привести к быстрому переходу на сельскохозяйственные тракторы и опрыскиватели с нулевым уровнем выбросов.

Четыре технологии трансмиссии с нулевым уровнем выбросов используются для тяжелых дорожных и внедорожных транспортных средств

Существует четыре технологии с истинным нулевым уровнем выбросов для транспортных средств: электромобили с аккумуляторными батареями (BEV), электромобили на водородных топливных элементах (FCEV), водородные двигатели внутреннего сгорания (h3-ICE) и двигатели внутреннего сгорания на биотопливе или синтопливе используется устойчивый источник углерода). Гибридные и газовые двигатели представляют собой промежуточные технологии для сокращения выбросов в среднесрочной перспективе, но сами по себе не могут достичь нулевого уровня выбросов.

Четыре технологии с нулевым уровнем выбросов имеют разные преимущества и недостатки, что приводит к разным уровням пригодности для разных типов транспортных средств (Иллюстрация 2).

Приложение 2

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Напишите нам по адресу: [email protected]

CO ₂ Выбросы. Хотя мы называем все четыре технологии нулевыми выбросами, выбросы CO ₂ , образующиеся в процессе производства электроэнергии, водорода или синтетического топлива, могут значительно варьироваться. Хотя BEV являются углеродно-нейтральными, если они заряжаются исключительно от возобновляемых источников энергии, их использование в настоящее время приводит к высоким выбросам углерода при подключении к электросети в большинстве регионов (с учетом высокой углеродоемкости глобальной структуры сетей). Выбросы углерода при производстве водорода также сильно различаются, но их легче контролировать.Например, «зеленый» водород можно производить из 100% солнечной и ветровой энергии в регионах, богатых возобновляемыми источниками энергии, и доставлять его на любую заправочную станцию. Углеродная интенсивность для биотоплива и синтетического топлива зависит от источников биомассы и углерода, соответственно.

Качество воздуха. В то время как BEV и FCEV не производят никаких выбросов в выхлопной трубе, h3-ICE по-прежнему выделяют оксиды азота (NOx), которые требуют дополнительной обработки, аналогичной таковой для дизельных двигателей (биотопливо и синтопливо выделяют NOx и твердые частицы).Некоторые производители двигателей h3-ICE утверждают, что условия эксплуатации двигателя допускают гораздо меньшее образование NOx, чем у дизельных двигателей, и, таким образом, могут считаться нулевым воздействием. Будут ли эти двигатели пригодны для использования в городских условиях или для подземных горных работ, будет зависеть от точных уровней выбросов и пороговых значений, разрешенных местными правилами загрязнения воздуха.

Эффективность. КПД между баками и колесами колеблется от 75 до 85 процентов для BEV, примерно до 50 процентов для FCEV и от 40 до 45 процентов для двигателей внутреннего сгорания.На уровне от скважины до колеса различия еще более заметны: с учетом потерь при преобразовании при производстве водорода из электричества и синтетического топлива из водорода КПД падает примерно до 35 процентов для FCEV, примерно до 30 процентов для h3-ICE и примерно до 20 процентов для синтетических топлив. Эффективность от скважины к колесу для BEV зависит от того, где производится возобновляемая энергия (поскольку более длинные линии передачи подразумевают более высокие потери) и используется ли быстрая зарядка.

В целом, показатели эффективности являются приблизительными и различаются в зависимости от характера движения: двигатели внутреннего сгорания становятся более эффективными при более высоких нагрузках (стимул для уменьшения объема двигателя в дизельных транспортных средствах), тогда как FCEV наиболее эффективны при низких нагрузках (мотив для топлива увеличение размера клеток и гибридизация).

Хотите узнать больше о нашей автомобильной и монтажной практике?

Капзатраты на трансмиссию. Капитальные затраты следуют обратному порядку эффективности: высокая эффективность BEV влечет за собой дорогие батареи, в то время как менее эффективные водород и биотопливо / синтопливо можно сжигать в простых двигателях внутреннего сгорания, которые в значительной степени идентичны сегодняшним дизельным двигателям — действительно, они могут быть даже дешевле, чем дизельные двигатели, из-за более низких требований к очистке выхлопных газов (хотя для разработки технологии необходимы дальнейшие исследования и разработки).Тем временем топливные элементы снова оказываются посередине. Таким образом, оптимальный компромисс между первоначальными капитальными затратами и текущим расходом топлива, который сводит к минимуму совокупную стоимость владения (TCO), значительно отличается в зависимости от типа транспортного средства и варианта использования. Например, размер и вес транспортного средства определяют необходимую трансмиссию и количество потребляемого топлива. Схема движения и маршрут, например время, затраченное на ускорение, определяют эффективность трансмиссии и требуемый запас хода. Не менее важно то, как региональные и местные рыночные условия формируют картину оптимизации совокупной стоимости владения, включая доступность и стоимость электроэнергии, водорода и биотоплива, а также необходимую инфраструктуру для подзарядки или заправки топливом.

Другие ограничения. Наряду с эффективностью и капитальными затратами, дополнительные факторы играют роль в формировании показателей совокупной стоимости владения для различных силовых агрегатов: аккумуляторные батареи требуют больше времени для перезарядки, чем любое топливо, будь то водород (для топливных элементов или сжигания) или биотопливо и синтетическое топливо. Это может привести к сокращению времени безотказной работы, что может повлиять на совокупную стоимость владения в случаях использования, требующих круглосуточной работы. И батареи, и водород требуют жертв с точки зрения полезной нагрузки и / или места: батареи тяжелые, а топливные элементы и h3-ICE требуют больших баков.Транспортные средства, которые особенно ограничены по полезной нагрузке или пространству, могут поэтому быть ограничены более энергоемким биотопливом или синтетическим топливом.

Следовательно, h3-ICE может быть жизнеспособным вариантом силового агрегата в различных условиях, включая карьерные самосвалы (Иллюстрация 3).

Приложение 3

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами.Напишите нам по адресу: [email protected]

Сжигание водорода — это новое решение, но оно может заполнить важную нишу за счет использования устоявшихся технологий и цепочек поставок.

Среди четырех технологий с нулевым уровнем выбросов сжигание водорода все еще находится в зачаточном состоянии, несмотря на (неоднородную) историю, восходящую к двигателю де Риваза 1806 года, который работал на водородно-кислородной смеси. Долгое время водородные двигатели внутреннего сгорания не принимались во внимание, поскольку очень высокая стоимость водорода делала трансмиссию неэкономичной.Однако сегодня некоторые автопроизводители, поставщики компонентов и стартапы пересматривают сжигание водорода как дополнительный компонент своих будущих портфелей силовых агрегатов, наряду с батареями и топливными элементами.

Несмотря на впечатляющие разработки, аккумуляторы и технология топливных элементов еще не готовы удовлетворить очень высокие требования к мощности, необходимые для суровых условий, которым подвергаются многие автомобили большой грузоподъемности (особенно в сегменте внедорожников). Например, карьерные самосвалы требуют мощности в несколько мегаватт, работают круглосуточно и подвергаются сильным вибрациям и тепловыделению, а также загрязнению воздуха.Двигатели внутреннего сгорания соответствовали этим требованиям на протяжении десятилетий, и переход с дизельного топлива на водород может стать прямым способом обезуглероживания этих двигателей с относительно небольшими потребностями в дальнейших технических инновациях.

Повышение рентабельности аккумуляторных электромобилей за счет снижения затрат на конструкцию

Даже там, где батареи и топливные элементы технически осуществимы, сжигание водорода может занять ниши. Низкие требования к капитальным затратам для двигателей внутреннего сгорания, снижение цен на водород и относительно высокий КПД, достигаемый с помощью h3-ICE при высоких нагрузках, создают условия, в которых сжигание водорода может быть конкурентоспособным решением для TCO (Иллюстрация 4).Более того, поскольку двухтопливные двигатели внутреннего сгорания могут работать на водороде, сжиженном природном газе (СПГ) или дизельном топливе (или смесях водород-газ), в зависимости от наличия, они могут помочь декарбонизировать сегменты транспортных средств, где водородные поставки и инфраструктура еще не достигли полной покрытие.

Приложение 4

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами.Напишите нам по адресу: [email protected]

Помимо этих соображений, h3-ICE предлагают другие преимущества для автомобильных OEM-производителей и поставщиков компонентов: они используют текущие инженерные ноу-хау и рабочие места, опираются на существующие цепочки поставок и производственные мощности в автомобильной промышленности и не создают устойчивости и целостности. проблемы, связанные с поставкой и переработкой драгоценных металлов или редкоземельных элементов.

Сжигание водорода и водородные топливные элементы дополняют друг друга, поскольку они процветают в одной экосистеме

Одна из проблем, связанных с h3-ICE, — это их предполагаемая конкуренция с водородными топливными элементами.Однако, хотя есть некоторые приложения, в которых две технологии могут конкурировать, более вероятно, что обе могут помочь увеличить долю водорода в будущей смеси силовых агрегатов и способствовать успеху друг друга.

Для обоих силовых агрегатов наличие водородных заправочных станций и стоимость водорода в насос — это ключевые факторы, определяющие успех, и сегодня они вызывают наибольшую озабоченность. Однако обе трансмиссии требуют (в основном) одной и той же инфраструктуры. ; таким образом, каждый автомобиль h3-ICE поможет снизить затраты на водородные топливные элементы, и наоборот.Точно так же обе трансмиссии используют одну и ту же технологию водородного бака, что составляет значительную долю общих затрат на трансмиссию. Разрешение OEM-производителям и поставщикам резервуаров амортизировать НИОКР и капитальные вложения для большего количества автомобилей поможет снизить кривую затрат для всех водородных автомобилей и поддержит конкурентоспособность обоих решений. Наконец, некоторые игроки активно разрабатывают гибридные решения с водородными двигателями внутреннего сгорания, топливными элементами и батареями, чтобы максимизировать эффективность при переменных профилях нагрузки.

Достижение нулевых выбросов в транспортных сегментах во всем мире — огромная задача; тем не менее, h3-ICE могут играть свою роль в нескольких приложениях, обеспечивая дополнительные решения для FCEV и BEV.

Преимущества

h3-ICE включают меньшие потери полезной нагрузки и занимаемое пространство, более быстрое время дозаправки по сравнению с грузовиками BEV, более низкие затраты и более высокую устойчивость к нагреву и вибрации. Эти преимущества могут быть полезны для различных сегментов транспортных средств, в том числе:

• легковых автомобилей, таких как эвакуаторы
• автомобилей средней грузоподъемности, в том числе среднемагистральных и пожарные машины
• большегрузных автомобилей, таких как автобетононасосы
• горных и строительных машин, таких как гусеничные бульдозеры, экскаваторы и самосвалы
• сельскохозяйственных машин, таких как уборочная техника и тракторы

Несколько игроков, в том числе производители автомобилей, поставщики двигателей, инженерные компании и стартапы h3-ICE, уже исследуют сжигание водорода в рамках своих предложений решений с нулевым уровнем выбросов на дорогах и бездорожье.Важно отметить, что они сравнивают этот потенциал с дополнительными ресурсами НИОКР, необходимыми для разработки технологий, связанных с батареями и топливными элементами. Китай, в частности, набирает обороты в отношении h3-ICE. Будущее портфолио силовых агрегатов будет сложным, но добавление к нему автомобилей, работающих на водороде, может окупиться.

Водородные двигатели — обзор

2.5.3 Использование для сжигания в транспортных средствах

Водород может использоваться в качестве топлива в обычных двигателях с искровым зажиганием, таких как двигатели Отто и дизельные двигатели, используемые в легковых автомобилях, и газовые турбины, используемые на обычных электростанциях .Первый водородный двигатель был продемонстрирован в 1808 году Франсуа де Риваз (Википедия, 2017). Время от времени появлялись усовершенствованные конструкции, не вызывающие коммерческого интереса. КПД двигателя такой же высокий, как у бензина или дизельного топлива, а водородное пламя быстро распространяется от ядра воспламенения (см. Таблицу 2.5). Однако из-за более низкой плотности энергии при давлениях, подходящих для поршневых цилиндров, объем смещения должен быть в два-три раза больше, чем для бензиновых двигателей, что вызывает проблемы с пространством в моторных отсеках пассажирских транспортных средств.Один производитель автомобилей, занимающийся разработкой легковых автомобилей на водородном топливе, использовал огромные 8- или 12-цилиндровые двигатели с рабочим объемом более 4 литров, чтобы приблизиться к приемлемым характеристикам (BMW, 2004). Эффективные обычные бензиновые или дизельные автомобили имеют общий рабочий объем около 1,2 литра, распределенный на трех-четырех цилиндрах (VW, 2003).

Таблица 2.5. Свойства водорода и других видов топлива, связанные с безопасностью (с использованием Dell и Bridger, 1975; Zittel and Wurster, 1996)

Свойство	Водород	Метанол	Метан	Пропан	Бензин	Установка
Минимальная энергия зажигания	0.02	—	0,29	0,25	0,24	10 — 3 J
Температура пламени	2045		1875				9019 9018 9018 Авто -температура возгорания на воздухе	585	385	540	510	230–500	° C
Максимальная скорость пламени	3,46	—	0.43	0,47		м с — 1
Диапазон воспламеняемости в воздухе	4–75	7–36	5–15	2,5–9,3	1,0–7,6	об. .%
Диапазон взрывоопасности в воздухе	13–65		6,3–13,5		1,1–3,3	об.%
Коэффициент диффузии в воздухе	0,61	0,61	0.10	0,05	10 — 4 м 2 с — 1

На рисунке 2.49 показаны результаты компьютерного моделирования процесса горения водорода в воздухе (в камере сгорания, которая может представлять собой цилиндр двигателя или, скорее, газовая турбина), обосновывая замечание о быстром расходе впрыскиваемого водорода. H ₂ входит с левой стороны. Распределение кислорода показывает «неиспользованный» кислород вдоль камеры, в которую воздух втягивается через многочисленные отверстия на внешней поверхности.Внизу рис. 2.49 показано распределение образовавшихся оксидов азота. Это похоже на только что показанное распределение высоких температур, поскольку образование оксидов азота резко возрастает при температурах выше 1700 К. Образование высоких уровней NO _x является проблемой для сжигания водорода, что в данном случае больше не является экологически чистым. Однако добавление каталитического нейтрализатора может существенно уменьшить проблему (Verhelst, 2014).

Поведение водорода в термодинамических двигателях было установлено с помощью моделирования, такого как показанное на рис.2.49, а также измерениями — например, чтобы установить влияние степени сжатия (Verhelst and Sierens, 2003; Karim and Wierzba, 2004). Высокая степень сжатия важна из-за низкой объемной плотности энергии водорода. У широкого диапазона воспламеняемости и легкости возгорания есть две стороны. Один из них — плавная работа при низких нагрузках. Однако при высоких нагрузках возникает ряд проблем с преждевременным зажиганием, обратным зажиганием или детонацией, которые необходимо решать (Shoiji et al., 2001). Существуют важные аспекты безопасности из-за широкого диапазона воспламеняемости водорода (см. Таблицу 2.2). Их необходимо контролировать, например, с помощью двухклапанных систем на каждом цилиндре или с помощью лазерного зажигания (NFC, 2000; Pal and Agarwal, 2015).

Были проведены работы по двигателям, работающим на смесях водорода с бензином или с природным газом (Fontana et al., 2004; Akansu et al., 2004), и по использованию сжигания водорода только для выработки электроэнергии для двигателя (van Blarigan and Келлер, 1998; Юань и др., 2016).

Из-за большого количества водорода по объему, необходимого для использования в двигателях внутреннего сгорания, приличный рабочий диапазон для легкового автомобиля обычных размеров требует гораздо более высокой плотности хранения H ₂ , чем это возможно в газовой форме.Поэтому используется жидкий водород, что подразумевает охлаждение до температуры 20 К (с использованием энергии, что еще больше снижает эффективность) и использование очень специальных заправочных станций. Эти технологии были разработаны и использованы для прототипов автомобилей, работающих на водороде (Fischer et al., 2003). Были сконструированы специальные резервуары для хранения жидкого водорода с использованием множества слоев металлических цилиндров с высококачественной изоляцией между ними (Michel et al., 1998). Даже в этом случае существует проблема утечки тепла и проблема утечки водорода.

Сгорание водорода несколько легче внедрить в автобусы, потому что больший размер моторного отсека составляет меньшую часть от общего размера и — из-за более низких рабочих скоростей (при городском использовании) автобусы могут размещать водород, хранящийся на крыше, как это сделано в прототипах водородных автобусов производства MAN (Knorr et al., 1998). Кроме того, корабли могли использовать водородное топливо вместо дизельного топлива в обычных двигателях.

Предложение об использовании водорода для прямого сгорания в турбинах привлекло большое внимание в случае самолетов.Запасы жидкого водорода могут быть встроены в крылья или фюзеляж, и могут использоваться почти обычные газотурбинные двигатели. Ранние испытания самолетов на жидком водороде включают бомбардировщик Boeing B57 1957 года и в 1988 году Туполев Ту-154, а недавно был начат аналогичный проект под названием Криоплан на базе самолета Airbus A310 (Pohl, Malychev, 1997; Klug and Faass, 2001 ). Более громоздкие запасы топлива привели к предположению, что эти самолеты должны работать на более низких высотах, что окажет положительное влияние на выбросы NO _x (Svensson et al., 2004). Это также снижает значимость выбросов в воду, поскольку поглощение солнечной радиации водой (приводящее к потеплению парниковых газов) более выражено на высоте более 10 км. Разработан проект самолета, способного работать от нуля до 5 Маха (в пять раз больше скорости звука, что составляет 1,22 × 10 ⁶ м / с ^{— 1} на уровне моря), при этом в транспортном средстве используется жидкий водород. обычный режим газотурбинного двигателя с ТРДД до 3 Маха и режим прямоточного воздушно-реактивного двигателя выше этой скорости (Qing and Chengzhong, 2001).

Liquid H ₂ уже несколько лет используется в космических аппаратах. Здесь общая масса при отталкивании является существенным ограничивающим параметром. Таким образом, высокое содержание энергии по массе делает водород более предпочтительным по сравнению с любой другой системой на основе топлива, и считается целесообразным дополнительное усложнение криогенного хранения. Двигатель может быть газовой турбиной или ракетным двигателем, в зависимости от режима работы космического корабля (полет в атмосфере Земли или уход от гравитации Земли).И водород, и кислород должны переноситься в жидкой форме, поскольку космическая среда за пределами атмосферы Земли не содержит воздуха или кислорода. Основной особенностью ракетного двигателя является сопло, через которое отводятся пороховые газы для обеспечения прямой тяги. Новые разработки в области высокоэффективной конструкции с несколькими соплами все еще продолжаются (Yu et al., 2001), как и эксперименты с несколькими видами топлива (обычно жидким водородом и твердыми углеводородами) для удовлетворения требований на разных этапах полета в околоземном пространстве. с многоразовыми космическими аппаратами типа «шаттл» (Chibing et al., 2001). Оптимальное относительное расположение мест нагнетания жидкого водорода и жидкого кислорода было изучено путем экспериментов и моделирования (Kendrich et al., 1999).

Автомобиль Toyota с «водородным двигателем» ревет через 24 часа эндуро

НАГОЯ, Япония — Спортивный автомобиль, разработанный Toyota Motor, пересек финишную черту и стал первым автомобилем, работающим на водородном двигателе, а не только на топливных элементах. пройти 24-часовой тест на выносливость.

Toyota представила Corolla Sport в серии Super Taikyu в этом году, которая проводится в субботу и воскресенье в префектуре Сидзуока в Японии, между Токио и Нагоя.В отличие от большинства автомобилей с водородным двигателем, в которых используются топливные элементы, которые используют водород для выработки электроэнергии для двигателей, этот автомобиль работал на переработанном бензиновом двигателе внутреннего сгорания, используемом в GR Yaris, с некоторыми небольшими изменениями.

Автомобиль практически не выделял углекислый газ.

Четыре топливных бака из углеродного волокна, уложенные штабелями до потолка, занимают заднюю часть Corolla. Когда в субботу днем ​​машина снесла Fuji Speedway на старте гонки, шум двигателя был взрывным и разнесся по арене, но казался не хуже, чем у конкурентов с обычным бензиновым двигателем.

Но через 20 минут различия были очевидны. «Королла» уже стояла в стороне от автоцистерны с водородом для дозаправки. Автомобиль нужно доливать чаще, чем другие автомобили. Во время 24-часовой гонки автомобилю Toyota потребовалось 35 заправок, по сравнению с примерно 20 пит-стопами для других участников.

За шесть-семь минут дозаправка Corolla также заняла больше времени. Водородный автомобиль японского автопроизводителя проехал примерно половину расстояния и примерно половину средней скорости его конкурентов, работающих на бензине.

Toyota, сильная в производстве автомобилей на топливных элементах, будет участвовать в гонках на водородных автомобилях, чтобы выявить и решить проблемы, сдерживающие коммерциализацию водородных двигателей, и сделать эту технологию конкурентоспособной по сравнению с электромобилями.

«Электромобили занимают центральное место в электрификации, и если все перейдет на электромобили, то в Японии будет потерян 1 миллион рабочих мест», — заявил журналистам президент Toyota Акио Тойода. Тойода, сам гонщик по прозвищу Моризо, участвовал в гонке на выносливость в качестве гонщика.

«Мы должны помнить о том, что целью является углеродная нейтральность», — сказал Тойода. «Я хочу показать, что [водородные двигатели] можно использовать на спортивных объектах».

Toyota уже давно поддерживает автомобили на водородных топливных элементах в качестве стратегии, выпустив в 2014 году новаторский автомобиль на топливных элементах Mirai.

Но использование водородного двигателя вместо топливных элементов имело бы определенные преимущества. В таких транспортных средствах будет использоваться обычная технология двигателей, и они будут обеспечивать впечатления от вождения, аналогичные бензиновым автомобилям.И «легко создать крутящий момент на низких оборотах, что делает его идеальным для грузовиков», — сказал представитель Toyota.

Однако есть препятствия. BMW и Mazda Motor также столкнулись с этой технологией, но высокая скорость сгорания водорода затрудняет контроль. Автомобили также требуют больших топливных баков, а это означает, что места для ног мало. Поэтому автопроизводители в основном выбирают топливные элементы, которые более эффективно используют водород.

Наряду с запасом хода, крейсерской скоростью и частой дозаправкой автомобили с водородным двигателем сталкиваются с еще одним недостатком: им требуются большие топливные баки, которые занимают место для ног.BMW и Mazda потерпели неудачу в своих попытках разработать такие автомобили.

Но автомобили с бензиновым двигателем частично компенсируют выбросы углерода в мире. Honda Motor, General Motors и Volvo Cars заявили, что в конечном итоге откажутся от производства автомобилей с бензиновым двигателем. Toyota рассматривает водородные двигатели как реальную безуглеродную альтернативу.

22-фунтовый водородный двигатель заменит традиционный двигатель

Израильская компания Aquarius Engines представила новый водородный двигатель, который, по его словам, может избавить от глобальной зависимости от водородных топливных элементов и ископаемого топлива, пояснила компания в заявлении для прессы через PR Newswire .

Машина, которая весит всего 22 фунта (10 кг), представляет собой однопоршневой линейный двигатель, работающий исключительно на водороде. Поскольку в нем всего 20 компонентов и одна движущаяся часть, его производство и обслуживание намного дешевле, чем у традиционных двигателей.

Хотя Aquarius Engines до сих пор не выпустила немного спецификаций для своего нового двигателя, компания заявляет, что «облегченная конструкция Aquarius Hydrogen Engine и уникальный метод внутреннего газообмена значительно снизят выбросы и снизят глобальный углеродный след».

Компания заявила, что ее новый водородный двигатель успешно прошел испытания австрийской инженерной фирмой AVL-Schrick, показавшие, что модель действительно работает на водороде.

«В компании Aquarius Engines мы всегда мечтали вдохнуть кислород в водородную технологию. в качестве топлива будущего «, — сказал Гал Фридман, председатель Aquarius Engines.

.» Из начальных испытаний видно, что наш водородный двигатель, не требующий дорогостоящих водородных топливных элементов, может быть доступным, экологически чистым и экологически безопасным решением. о проблемах, с которыми сталкиваются глобальный транспорт и удаленное производство энергии », — продолжил Фридман.«По мере того, как мир отказывается от ископаемого топлива, наш новый водородный двигатель может вызвать начало эры Водолея».

Споры между электричеством и водородом бушуют в

Действительно, как и во многих зеленых инициативах, финансовый стимул перехода на водород будет играть большую роль и, вероятно, определит, будем ли мы в конечном итоге использовать водородные автомобили или электромобили в массовом масштабе.

На самом деле, главным преимуществом нового водородного двигателя Aquarius с его одной подвижной частью является то, что он намного дешевле, чем водородные топливные элементы.Компания добавляет, что машина даже не требует смазки для обслуживания.

Тем не менее, для того, чтобы нынешняя тенденция отклонилась от электромобилей, может потребоваться больше времени. На этой неделе генеральный директор Volkswagen Auto Group Герберт Дисс раскритиковал водородные автомобили в Twitter и заявил, что группа поддерживает электрификацию.

Илон Маск быстро ответил, сказав: «Дисс прав. Водород — невероятно глупая форма хранения энергии для автомобилей. Едва ли стоит рассматривать его в качестве разгонного блока ракеты, который является его наиболее убедительным применением.«

Нельзя сказать, что многие компании не исследуют водородное топливо как экологически безопасный способ транспортировки, в том числе Segway с его безумным мотоциклом, работающим на водороде в стиле Трона. производители TPR и дочерняя компания Honda Musashi Seimitsu. Япония — одна из немногих стран, сделавших большие ставки на водород в рамках своей стратегии зеленого роста.

Aquarius Engines представила первую версию своего 22-фунтового двигателя в 2014 году, хотя и тот не работал на 100-процентном водороде.Он был разработан для использования в качестве бортового генератора энергии в транспортных средствах или в качестве стационарного генератора электроэнергии.

Создание и будущее водородного двигателя

После нескольких лет обещаний, что водород является чистым топливом будущего, только потому, что ничего особенного не произошло, теперь кажется, что будущее, наконец, почти наступило.

Производители автомобильной техники, включая Mazda и Toyota, в настоящее время разрабатывают водородные двигатели для питания своих транспортных средств, и эти двигатели однажды могут заменить не только технологию водородных топливных элементов и традиционные двигатели внутреннего сгорания, но, возможно, даже электромобили (ED).

Однако, в то время как рынок электромобилей движется вперед, использование технологии водородных двигателей в коммерческих транспортных средствах все еще находится на начальной стадии, и возможность использования газообразного водорода в качестве полезной и практической альтернативы еще предстоит доказать.

Что такое водородный двигатель?

Источник: Тим Моссхолдер / Unsplash

Водородный двигатель — это усовершенствованная версия традиционных двигателей внутреннего сгорания, в которых в качестве топлива используется жидкий водород вместо бензина. Автомобиль, работающий на водородных двигателях, называется автомобилем с водородным двигателем внутреннего сгорания (HICEV).Они отличаются от автомобилей, электрифицированных на водородных топливных элементах (FCEV), таких как Toyota Mirai или Hyundai Tucson, в которых используется топливный элемент, в котором водород химически реагирует с кислородом в воздухе для производства электричества, которое приводит в действие электродвигатель.

Водородные двигатели вырабатывают энергию за счет сгорания водорода и используют системы подачи и впрыска топлива, которые являются модифицированными версиями систем, используемых с бензиновыми двигателями. За исключением сгорания небольшого количества моторного масла, что также имеет место в бензиновых двигателях, водородные двигатели не выделяют CO2 при использовании.

Источник: onurdongel / iStock

Водородные двигатели выделяют в основном воду или водяной пар в качестве побочного продукта, но процесс производства водородного топлива может вызвать выбросы парниковых газов. Однако одно исследование показало, что даже если водород извлекается самым неэффективным способом, это, вероятно, сократит выбросы CO2 более чем на 30% по сравнению с бензином.

Разница между HICEV и FCEV

Ключевое различие между HICEV и FCEV заключается в способе использования водорода в этих транспортных средствах.Первый включает в себя сгорание водорода, в то время как последний выполняет электрохимическую реакцию и использует жидкий водород для выработки энергии для своего электродвигателя.

Источник: Global Market Insights

Технология водородных двигателей внутреннего сгорания (HICE) все еще находится на ранней стадии разработки. Между тем, мировой рынок электромобилей на топливных элементах уже преодолел отметку в 1 миллиард долларов США, и в ближайшие годы ожидается, что он будет демонстрировать ежегодный рост примерно на 38%.

Происхождение и эволюция водородного двигателя

Источник: Sam Loyd / Unsplash

В 1806 году Франсуа Исаак де Риваз создал экспериментальный двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовалась смесь водорода и кислорода. Двигатель De Rivaz считается самым первым в мире двигателем, работающим на водороде.

De Rivaz Engine Источник: Mobility Head

Вскоре после этого, в 1820 году, преподобный У. Сесил написал для Кембриджского философского общества статью под названием «О применении водородного газа для производства движущейся энергии в машинах».” В этой статье описан двигатель, работающий по принципу вакуума, где вакуум создается за счет сжигания газообразного водорода.

Примерно 150 лет спустя Пол Дигес запатентовал модификацию двигателя внутреннего сгорания, которая могла работать как на бензине, так и на водороде. Конечно, к тому времени автомобили с бензиновым двигателем были нормой, и лишь немногие производители видели необходимость в разработке автомобилей с водородным топливом.

В последующие годы пагубные последствия использования ископаемого топлива для увеличения загрязнения воздуха, здоровья, глобального потепления, кислотных дождей и других областей в транспортных средствах и промышленности стали широко признаваться вместе с их воздействием.Ученые, активисты, лидеры и исследователи начали выражать озабоченность по поводу увеличения выбросов CO2 и экологических рисков, связанных с добычей и использованием ископаемого топлива.

Растущие экологические проблемы и спрос на экологически чистые альтернативы энергии заставили многие автомобильные компании сосредоточиться на разработке топлива с низким содержанием свинца, а затем на водороде и электромобилях.

В начале 2000-х годов японский автопроизводитель Mazda начал устанавливать двигатели Ванкеля на свою модель RX-8.Двигатель Ванкеля — это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором используется эксцентриковая поворотная конструкция для преобразования давления во вращательное движение. При заданной мощности они компактнее и весят меньше двигателя внутреннего сгорания. Их также можно легко преобразовать для работы на водороде.

Совсем недавно они обновили конструкцию, разработав водородный роторный двигатель RENESIS, в котором используется инжектор газообразного водорода с электронным управлением и который может быть адаптирован для работы в качестве гибридного бензин-водородного двигателя.

BMW Hydrogen 7 Источник: More Cars / Wikimedia Commons

На этом работа по разработке эффективного водородного двигателя не закончилась.Примерно в 2006 году BMW разработала двухтопливный водородно-бензиновый двигатель внутреннего сгорания для своего ограниченного производства Hydrogen 7, который был разработан, чтобы продемонстрировать, что водород может работать в качестве топлива. Во время испытаний автомобилю удалось разогнаться со скоростью 187 миль в час (301 км / ч), и компания также заявила, что их водородный автомобиль достиг нулевого уровня выбросов CO2.

Однако претензии BMW были позже отклонены Агентством по охране окружающей среды США (EPA), указавшим, что автомобиль все еще выделяет углерод в результате испарения моторного масла.Кроме того, эффективность автомобиля при работе на водороде была чрезвычайно низкой, в среднем около 5,6 миль на галлон (50 л / 100 км). В основном это было связано с разницей в плотности энергии бензина и водорода.

Преимущества двигателей с водородным двигателем

Источник: NASA / Unsplash

Существуют различные важные причины, по которым водородные двигатели рассматриваются некоторыми как будущее автомобильной промышленности, и почему производители автомобилей тратят миллионы долларов на их создание. эффективные гидродвигатели.

Эксперты и компании в области энергетики считают, что водород может служить бесконечным и относительно низкоуглеродным источником энергии. Это также может стать жизнеспособной альтернативой использованию тяжелых металлов в батареях, которые наносят ущерб окружающей среде и могут стать очень дорогими в ближайшие годы с ростом электромобилей.

Источник: Global Market Insights

Низкая энергия воспламенения и высокая эффективность

Водородный ДВС имеет низкую энергию воспламенения по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, поскольку при сжигании водорода в этих двигателях используются более низкие температуры пламени и меньшая теплопередача.Это позволяет двигателю работать на очень бедных смесях и при этом быстро сгорать. Кроме того, из-за высокого коэффициента диффузии (водород смешивается с воздухом быстрее, чем бензин) использование водорода снижает опасность, связанную с возможными утечками.

Без выбросов углерода

Считается, что водородные двигатели обеспечивают больший объем повышения энергетической безопасности и сокращения углеродного следа. Это связано с тем, что при работе этих транспортных средств на водороде в качестве побочных продуктов не выделяются углеродные соединения.

Быстрая заправка

Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, его необходимо хранить в виде сжатого газа, чтобы обеспечить запас хода обычных транспортных средств. Это требует использования резервуаров высокого давления, способных хранить водород с плотностью 5 000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Розничные диспенсеры, которые устанавливаются на автозаправочных станциях, могут заполнить эти баки примерно за 5 минут. Это намного быстрее, чем время, необходимое для подзарядки электромобилей, даже при быстрой зарядке.Хотя, конечно, электромобили можно заряжать дома, а водородные автомобили — нет. Другие технологии хранения находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы.

Альтернативный источник энергии

Поскольку двигатели внутреннего сгорания могут быть адаптированы для сжигания водорода вместо бензина или в дополнение к нему, ряд стран работают над инициативой по увеличению производства водорода для использования в качестве топлива в самолетах. , корабли и даже для выработки электроэнергии.Если водород производится с использованием альтернативной энергии, это может быть рентабельным способом быстрого сокращения использования ископаемого топлива в ряде областей.

Недостатки водородных двигателей

Источник: Tramino / iStock

Несмотря на многочисленные достоинства их использования, водородные двигатели до сих пор не используются в больших масштабах, и существуют многочисленные сложности, связанные с водородным топливом. Рост эффективных транспортных средств с батарейным питанием и FCEV также привел к потере интереса производителей автомобилей и новаторов к разработке HICE.Помимо этого, существует также ряд серьезных проблем, которые необходимо решить, прежде чем это станет практической альтернативой электромобилям.

Дорогая технология

Процесс извлечения водорода является дорогостоящим и энергоемким. Хотя FCEV, работающий на водороде, считается транспортным средством с нулевым уровнем выбросов, извлечение самого водорода не означает нулевого выброса. В настоящее время большая часть водорода извлекается с помощью парового риформинга, который сочетает в себе высокотемпературный пар с природным газом для извлечения водорода.

Водород можно также получать из воды с помощью электролиза. Это более энергоемко, но может быть выполнено с использованием возобновляемых источников энергии, что позволит устранить значительную часть выбросов. Однако стоимость производства водорода по-прежнему выше, чем у бензина (или электричества), поэтому необходимо будет немного их снизить, прежде чем водородные двигатели смогут стать рентабельными в больших масштабах.

Более низкая плотность энергии

Водород менее энергоемкий, чем другие виды топлива, а это означает, что вам нужно больше его для выполнения определенного объема работы.Добавьте к этому присущую поршневому двигателю неэффективность, и водородные двигатели не дают в целом значительного энергетического преимущества.

Загрязнение

Хотя водородные двигатели не выделяют углерод, из-за тепла, выделяемого в камере сгорания, оксид азота может образовываться как побочный продукт. Это соединение вредно для окружающей среды, а это означает, что, хотя водородные двигатели имеют нулевой выброс углерода, они не являются свободными от выбросов.

Проблемы безопасности

Транспортные средства, работающие на водородных двигателях внутреннего сгорания, оборудованы баками для водородного топлива под давлением.Эти резервуары спроектированы так, чтобы быть очень безопасными, но в случае утечки легковоспламеняющийся водород может нанести серьезный ущерб. Решением может быть установка в автомобиле специальных датчиков для обнаружения любых таких утечек, за что приходится платить.

Большой размер и пониженная выходная мощность

Для водородных двигателей внутреннего сгорания стехиометрическое соотношение воздух / топливо составляет 34: 1. Это означает, что водородный двигатель использует вдвое больше воздуха для полного сгорания.

Однако это также приводит к снижению выходной мощности, и, следовательно, водородный двигатель имеет тенденцию выдавать только половину мощности по сравнению с бензиновым двигателем того же размера.Чтобы уравновесить эту потерю мощности, водородные двигатели делают больших размеров и часто оснащены турбонагнетателем.

Будущее, факты и тенденции, связанные с водородной энергетикой

Производство чистого водорода Источник: Ballard Power

• Автомобильный сектор не единодушен в целесообразности водородной технологии для сегмента легковых автомобилей, и некоторые производители автомобилей, такие как Volkswagon и Audi больше не работает над HICEV, вместо этого сосредоточившись на электромобилях.Другие автопроизводители, в том числе Toyota, Renault и Hyundai, более оптимистично настроены в отношении автомобилей, работающих на водороде, и, как ожидается, продолжат разработку водородных двигателей. Toyota Mirai HFCV был представлен в 2014 году и с декабря 2019 года продано 10300 автомобилей по всему миру, в то время как южнокорейская Hyundai производит внедорожник Nexo с водородным двигателем.
• Для ускорения производства водорода Европейский Союз поставил цель установить по всему континенту электролизеры мощностью 40 ГВт.Испания уже объявила о плане потратить 10,5 млрд долларов (8,9 млрд евро) на строительство водородных электролизеров мощностью 4 гигаватт (ГВт), работающих на солнечной энергии. Другие страны, в том числе Дания, создают заводы для увеличения производства водорода при электролизе на основе электроэнергии. Даже лидер ОПЕК Саудовская Аравия строит завод по производству экологически чистого водорода.

• Корпорация Microsoft тестирует использование водородных топливных элементов для замены дизельных генераторов в качестве резервного источника питания.Американский стартап ZeroAvia планирует создать самолет с водородным двигателем к 2024 году.
• Израильский производитель двигателей, Aquarius Engines, разработал новый водородный двигатель весом 22 фунта (10 кг), в котором используется уникальная система внутреннего газообмена, и компания утверждает, что это легкая, экономичная и экологически чистая альтернатива традиционным двигателям внутреннего сгорания.

• Asian Renewable Energy Hub — это масштабный проект устойчивой энергетики в Австралии, который в настоящее время находится в стадии реализации.При полной функциональности планируется вырабатывать более 50 ТВтч электроэнергии за счет солнечной и ветровой энергии. Основная часть этой электроэнергии будет использоваться для производства аммиака и чистого водорода.
• В настоящее время в США и Великобритании доступны только три автомобиля с водородным двигателем, это Honda Clarity, Toyota Mirai и Hyundai Nexo. Однако ожидается, что в ближайшие годы это число будет расти, поскольку многообещающие разработки в области водородной энергетики и технологии двигателей происходят во всем мире.

Хотя водородные двигатели по-прежнему сталкиваются с рядом проблем, ожидается, что в ближайшие годы рынок водорода как экологически чистого источника энергии будет быстро расти, и, по некоторым оценкам, к 2030 году он достигнет 70 миллиардов долларов.