ООО «Центр Грузовой Техники»

8(812)244-68-92

Содержание

СМИ сообщили о создании Mercedes-Benz грузовика с водородным двигателем :: Autonews

Компания Mercedes-Benz планирует представить свой новый автомобиль 16 сентября. Об этом говорится в сообщении немецкого концерна в Facebook. Кроме этого, глава отдела дизайна Mercedes-Benz Годен Вагенер опубликовал в Instagram несколько тизерных изображений таинственного автомобиля. По его словам, с помощью концепта будет продемонстрировано новое направление дизайна бренда под названием Sensual Purity.

По данным Motor1, речь идет о грузовом автомобиле с водородной силовой установкой. На тизерных изображениях можно рассмотреть силуэт будущей машины, сдвоенные задние колеса, а также резервуары, которые, скорее всего, предназначены для хранения водорода.

Также премьеру новинки анонсировали на официальном YouTube-канале Daimler AG. В описании к трансляции указано, что также немцы планируют рассекретить свою новую «стратегию по электрификации своих автомобилей». Не исключается, что помимо водородного грузовика Mercedes-Benz расскажет и о других «зеленых» автомобилях, которые будут представлены в будущем.

Помимо немцев, работу над водородными большегрузами ведут сразу несколько других компаний. Так, в конце октября Hyundai обещает представить грузовик под названием HDC-6 Neptune. В его силовых установках на топливных элементах электричество вырабатывается в результате химической реакции между водородом и кислородом, а единственным «выхлопом» является обычная вода. Не исключается также, что автомобиль получит полуавтономные системы управления.

Также о своих планах по разработке таких тягачей ранее сообщала Toyota. В 2017 г. японцы продемонстрировали прототипа такой фуры. Силовые агрегаты прототипа, в которых использовали технологии легковой модели Mirai, способны выдавать свыше 670 л.с. и 1800 нм крутящего момента. При заполненных топливных баках фура способна проехать свыше 320 километров.

Водородный двигатель: типы,устройство,принцип работы,фото,видео | АВТОМАШИНЫ

Первым разработчиком, представившим водородный двигатель для автомобиля широкой публике, был концерн «Тойота».

Ещё в 1997 году ими был презентован внедорожник FCHV, который тогда так и не запустили в серийное производство

Сегодня ведут исследования и другие компании, среди них:

  • Honda Motor,
  • Volkswagen,
  • General Motors,
  • Daimler AG,
  • Ford Motor,
  • BMW и так далее.

Содержание статьи

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Во времена Второй мировой войны, когда возникли сложности с поставками нефтяного топлива, техник из СССР Борис Исаакович Шелищ, который был родом из Украины, заложил основы российской водородной энергетики. Он также предложил использовать смесь водорода и воздуха в качестве горючего  для ДВС, после чего его идеи быстро нашли практическое применение. В результате появилось около полутысячи двигателей, работавших на водороде.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г. построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Наука непрерывно развивается. Каждый день придумываются новые концепты. Но только лучшие из них воплощаются в жизнь. Сейчас существует всего два типа водородных двигателей, которые могут быть рентабельными и производительными.

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

На данный момент тяжело сказать, какая из двух технологий по созданию водородных двигателей победит. У каждой есть свои плюсы и минусы. В любом случае работы в данном направлении не прекращаются. Поэтому, вполне возможно, что к 2030 году машину с водородным двигателем можно будет купить в любом автосалоне.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ).

Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

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

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

 

Минусы водородного мотора

Водородные двигатели для автомобилей при всех плюсах не лишены недостатков:

  1. Высокая стоимость, на которую влияют, во-первых, электрический генератор, во-вторых, необходимые для эксплуатации авто баки из углепластика.
  2. Низкая энергетическая эффективность. У электромобиля КПД равняется 70%, у водородного топлива – 30%, если же водород получать из нефти, этот показатель увеличится примерно в 2 раза, но тогда появится углекислый газ.
  3. Малое количество заправок. Если в Европе они хотя бы есть, то в России такие заправочные станции в принципе отсутствуют.
  4. Необходимость периодической проверки баллонов, заправленных водородом, в целях безопасности.
  5. Увеличение веса машины и, как следствие, ухудшение маневренности.

Безусловно, защита окружающей среды имеет огромное значение, но пока что автолюбители не готовы жертвовать собственным комфортом и деньгами ради экологии.

Рекомендации по созданию водородного двигателя своими руками

В обычных условиях выделить гидроген из воды практически невозможно.

Для успешного протекания процесса необходимо использование специальных катализаторов. На сегодняшний день применяются такие их разновидности:

  1. достаточно простая конструкция, управляемая весьма примитивным механизмом, выполняется в виде цилиндрических банок. К сожалению, элементарное устройство данного катализатора негативно отразилось на производительности водородного двигателя. Её максимальная величина характеризуется показателем 0,7 л газа, выделяемого за одну минуту. Такой вид катализатора подходит для ДВС на водороде с небольшой ёмкостью, а именно до 1,5 литров. Увеличение количества банок способствует возможности эксплуатации силового агрегата большего объёма;
  2. наилучшей эффективностью обладает катализатор, представленный обособленными ячейками. Такая система характеризуется максимальным коэффициентом полезного действия;
  3. на долгосрочную эксплуатацию рассчитаны открытые пластины или сухой катализатор. Благодаря свободному доступу воздуха из окружающей среды создаётся возможность наиболее эффективного охлаждения.
    Из перечисленных разновидностей система имеет средний показатель производительности, выражающийся величиной, колеблющейся в пределах 1-2 л газа, выделяемого из воды на протяжении одной минуты.

Конструкторские бюро и исследовательские институты не прекращают изыскания по разработке водородных двигателей, обладающих приемлемой производительностью при максимальном КПД. Уже сегодня практикуется применение гибридных устройств, в которых успешно сочетаются различные источники питания. Оптимальной считается комбинация водорода с бензином. Также учёные продолжают поиски идеального катализатора, способного обеспечить наибольшую производительность.

Формирование водородного агрегата

Для начала надлежит обеспечить устройство трубопровода с добавочными ёмкостями Датчик уровня жидкости, закреплённый в центре крышки, препятствует ложному срабатыванию во время движения вверх-вниз. Этим прибором управляется система автоматической подпитки.

Датчик давления регулирует подкачку воды, включая т отключая её при показателях соответственно 40 и 45 psi.

При достижении нагрузки в 50 psi приводится в действие предохранитель, в конструкции которого предусмотрены две функционально значимые части:

  • вентиль аварийного сброса используется в экстремальных ситуациях;
  • разрывной диск, принцип работы которого заключается в активации при показателе давления в 60 psi, обеспечивая сохранность системы.

 

Особое внимание следует уделить качественному отводу тепла. Для этой цели подбирается наиболее холодная свеча.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны.

Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной).  Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода.  В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

ТРУДНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОРОДНЫХ ДВС

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

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

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

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

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

Дифференциал Torsen: устройство,виды и принцип работы
Что выбрать: гидроусилитель или электроусилитель руля?
Датчик дроссельной заслонки: предназначение,типы,виды,неисправности,фото
Датчик холостого хода: принцип действия,устройство,виды,фото,назначение
Автомобильные стекла: что это такое и какие виды бывают?

Заработать на водороде – Коммерсантъ Санкт-Петербург

Внедрение водородного топлива — перспективное направление и для России, и для всего мира: оно является более технологичным и экологичным. Популяризация подобных технологий связана с рядом существенных ограничений — высокой ценой топлива, необходимостью новых технологических решений для его хранения и транспортировки, а также с развитием инфраструктуры для обслуживания автомобилей. Эксперты отмечают, что экономическая выгода водородного топлива по сравнению с остальными пока неочевидна.

В начале ноября Смольный сообщил, что в Петербурге может появиться каршеринг на водородном топливе. Соответствующий проект рассматривается городом, Минпромторгом РФ и компанией Hyundai. По словам вице-губернатора Петербурга Евгения Елина, городское правительство намерено «забежать вперед и посмотреть, как это будет работать», организовав эксплуатацию таких автомобилей. Впрочем, конкретных сроков названо не было, равно как и подробностей запуска данного проекта, касающихся потенциального оператора каршеринга и количества таких машин.

Как пояснили BG в Минпромторге РФ, речь идет о развитии нового для нашей страны направления — использования, а в будущем и создания транспорта, работающего на водородном топливе. При этом «Каршеринг на водородном топливе» может стать одним из пилотных проектов, реализуемых в мегаполисах. В ведомстве также отметили, что поставщиками водородного топлива могут стать «Газпром» и «Росатом».

Найти отличия

Для начала стоит разделить два направления использования водорода в качестве топлива. «Первый — это применение его в качестве именно топлива для двигателей внутреннего сгорания. Этот вариант старше, чем использование бензина или дизельного топлива, причем почти на век. Прообраз такого двигателя появился еще в 1806 году»,— говорят эксперты «Авито Авто». С двигателями подобного типа создавали легковые модели Mazda (причем в этом случае двигатель роторный и двухтопливный), BMW (тоже двухтопливная схема), Audi, Ford, Hyundai, Toyota, Honda — и это далеко не полный список. В настоящее время в этом направлении (но не единственном и не наиболее приоритетном) работает и производитель грузовиков и автобусов MAN. Кроме того, имели место и российские, и даже еще советские разработки, отмечают эксперты. «Одним словом, это просто одна из ветвей развития современных двигателей. Как для легковой, так и для грузовой техники, для железнодорожных локомотивов и даже для авиации»,— заключают они.

Второе направление — относительно новое и считающееся одним из наиболее перспективных — это водородные топливные элементы, то есть системы, позволяющие использовать водород во взаимодействии с кислородом (без процесса горения) для генерации электроэнергии непосредственно на борту автомобиля. «В автомобиле с водородным двигателем, как правило, есть два бака — с водородом и воздухом, при смешивании которых выделяется электричество. Его можно использовать непосредственно для питания электродвигателя»,— рассказывает Роман Абрамов, исполнительный директор «СберАвто», добавляя, что это прекрасная на первый взгляд технология, не требующая масла, поршней, двигательных элементов, не наносящая вред окружающей среде. «Водородные топливные элементы действительно достаточно перспективны. Подобные разработки — как экспериментальные, так и серийные — также имеют многие производители, среди них Toyota, Hyundai, Mercedes, Opel, Honda, Volkswagen»,— добавляют эксперты «Авито Авто». Пионером в этой области можно назвать компанию Toyota, которая несколько лет назад представила автомобиль Toyota Mirai. «Это не концепт, а работающий продукт, который можно увидеть на улицах Японии и, думаю, в других развитых азиатских стран»,— говорит господин Абрамов. Кроме того, BMW совместно с Toyota ведет разработки для своих авто, развивают это направление Honda и Hyundai. «Какие-то попытки совершают многие производители, у Lada была "Нива" на водородном топливе. Тем не менее пока у всех, кроме Toyota, это остается на уровне экзотики и прототипов»,— указывает он.

Некоторые эксперты автоиндустрии считают, что водородный двигатель применим в первую очередь в транспортных средствах, предназначенных для коммерческого использования (например, машины такси, грузовые автомобили). В частности, такой позиции придерживается глава концерна Volkswagen Герберт Дис. «VW сделал выбор в пользу производства электромобилей, и, как отмечал Герберт Дис, одна из причин — в том, что водородный двигатель обладает большим потенциалом для использования в грузовом транспорте, чем для оснащения персональных легковых автомобилей. Одна из возможных причин такой позиции — то, что машина на водородном топливе в производстве дороже, чем авто с электрическим двигателем»,— объясняют в «Авито Авто».

Преимущества и недостатки

Необходимость перехода на водородное топливо обусловлено и климатическими, и экологическими требованиями. «В 2019 году наша страна подписала Парижскую конвенцию по климату, которая предусматривает разработку технических решений по переходу на экологические виды топлива, так называемое "зеленое" топливо. Россия имеет высокий потенциал для производства экологически чистого водорода. К 2030 году стоимость водорода станет сопоставима со стоимостью традиционных источников энергии, но в настоящее время использование "зеленого" топлива до конечного потребителя затруднительно, в том числе с финансовой точки зрения»,— замечает ректор БГТУ «Военмех» им.   Устинова Константин Иванов. При этом, по его словам, переход транспортной системы Петербурга на «зеленое» топливо потребует колоссальных инвестиций и глобальных инфраструктурных решений.

Водородное топливо — гораздо более технологичный и экологичный вид топлива, оно обеспечивает бесшумную работу, малый расход, а также полную экологичность по причине выбросов водяного пара. Такие автомобили можно очень быстро заправлять — едва ли не быстрее, чем бензиновые или дизельные, что является существенным плюсом на фоне длительной зарядки аккумуляторов. Кроме того, автомобили на топливных элементах имеют лучший запас хода.

Среди недостатков эксперты отмечают сложность и дороговизну получения водорода как топлива: в случае получения его из природных газов не снижаются углеродные эмиссии, а в случае электролиза — необходимо большое количество редкоземельных и драгоценных металлов для установки. «Однако как показало время, если развивать любую технологию, можно достичь снижения стоимости, как это было с литий-ионными батареями, стоившими сначала целое состояние»,— говорит Александр Багрецов, руководитель проектов направления «Оценка и финансовый консалтинг» группы компаний SRG.

По словам директора по административно-хозяйственной деятельности ООО «Байкал-Сервис ТК» Александра Разина, для использования водорода в качестве топлива потребуются не только энергоресурсы для его производства, но и развитая инфраструктура хранения и транспортировки — трубопроводы, железнодорожные цистерны, морские танкеры, автозаправки. «Как известно из химии, водород очень летуч и взрывоопасен. Хранение, транспортировка или использование водорода потребуют наличия высокочувствительных газоанализаторов, сверхпрочных материалов. К примеру, существующая технология водородно-воздушных топливных элементов, которая уже используется на автомобилях Honda, Toyota, Hyundai, пока не показала свою безоговорочную эффективность, так как оборудование довольно тяжелое и габаритное, а вероятность утечки чрезвычайно летучего газа снижает безопасность и требует высочайшего уровня технологий, что, безусловно, влияет на экономику проекта»,— рассуждает господин Разин.

К другим недостаткам можно отнести высокую стоимость машин, которые по своему устройству существенно сложнее бензиновых или электрических, добавляет Дмитрий Мешков, исполнительный директор ООО «Соллерс Инжиниринг». По его словам, в обозримом будущем можно говорить лишь о реализации локальных проектов, таких как создание пассажирского транспорта на водородном топливе для крупных и богатых городов. «Однако и тут не все просто, поскольку у таких автомобилей нет очевидных преимуществ перед электрическими»,— добавляет он.

По словам вице-президента Независимого топливного союза Дмитрия Гусева, практика показывает, что рост транспорта с альтернативными двигателями возможен только при создании достаточной инфраструктуры. А на стартовом этапе развитие инфраструктуры — это долгосрочные инвестиции. «Поэтому первым шагом для развития водородных двигателей будет создание сетей водородных заправок, о чем пока даже упоминания нет в "Энергостратегии-2035"»,— поясняет господин Гусев, предполагая, что в ближайшие пятнадцать лет, если не будет существенных изменений, автомобилей и заправок на водороде не планируется.

Мария Кузнецова


Водородный генератор своими руками – схема, конструкция установки, чертежи

Удорожание энергоносителей стимулирует поиск более эффективных и дешевых видов топлива, в том числе на бытовом уровне. Более всего умельцев–энтузиастов привлекает водород, чья теплотворная способность втрое превышает показатели метана (38.8 кВт против 13.8 с 1 кг вещества). Способ добычи в домашних условиях, казалось бы, известен – расщепление воды путем электролиза. В действительности проблема гораздо сложнее. Наша статья преследует 2 цели:

  • разобрать вопрос, как сделать водородный генератор с минимальными затратами;
  • рассмотреть возможность применения генератора водорода для отопления частного дома, заправки авто и в качестве сварочного аппарата.

Краткая теоретическая часть

Водород, он же hydrogen, – первый элемент таблицы Менделеева – представляет собой легчайшее газообразное вещество, обладающее высокой химической активностью. При окислении (то бишь, горении) выделяет огромное количество теплоты, образуя обычную воду. Охарактеризуем свойства элемента, оформив их в виде тезисов:

  1. Горение водорода – процесс экологически чистый, никаких вредных веществ не выделяется.
  2. Благодаря химической активности газ в свободном виде на Земле не встречается. Зато в составе воды его запасы неиссякаемы.
  3. Элемент добывается в промышленном производстве химическим способом, например, в процессе газификации (пиролиза) каменного угля. Зачастую является побочным продуктом.
  4. Другой способ получения газообразного водорода – электролиз воды в присутствии катализаторов – платины и прочих дорогих сплавов.
  5. Простая смесь газов hydrogen + oxygen (кислород) взрывается от малейшей искры, моментально высвобождая большое количество энергии.

Для справки. Ученые, впервые разделившие молекулу воды на hydrogen и oxygen, назвали смесь гремучим газом из-за склонности к взрыву. Впоследствии она получила название газа Брауна (по фамилии изобретателя) и стала обозначаться гипотетической формулой ННО.

Раньше водородом наполняли баллоны дирижаблей, которые нередко взрывались

Из вышесказанного напрашивается следующий вывод: 2 атома водорода легко соединяются с 1 атомом кислорода, а вот расстаются весьма неохотно. Химическая реакция окисления протекает с прямым выделением тепловой энергии в соответствии с формулой:

2H2 + O2 → 2H2O + Q (энергия)

Здесь кроется важный момент, который пригодится нам в дальнейшем разборе полетов: hydrogen вступает в реакцию самопроизвольно от возгорания, а теплота выделяется напрямую. Чтобы разделить молекулу воды, энергию придется затратить:

2H2O → 2H2 + O2 — Q

Это формула электролитической реакции, характеризующая процесс расщепления воды путем подведения электричества. Как это реализовать на практике и сделать генератор водорода своими руками, рассмотрим далее.

Создание опытного образца

Чтобы вы поняли, с чем имеете дело, для начала предлагаем собрать простейший генератор по производству водорода с минимальными затратами. Конструкция самодельной установки изображена на схеме.

Из чего состоит примитивный электролизер:

  • реактор – стеклянная либо пластиковая емкость с толстыми стенками;
  • металлические электроды, погружаемые в реактор с водой и подключенные к источнику электропитания;
  • второй резервуар играет роль водяного затвора;
  • трубки для отвода газа HHO.

Важный момент. Электролитическая водородная установка работает только от постоянного тока. Поэтому в качестве источника питания применяйте сетевой адаптер, автомобильное зарядное устройство или аккумулятор. Электрогенератор переменного тока не подойдет.

Принцип работы электролизера следующий:

  1. К двум электродам, погруженным в воду, подводится напряжение, желательно от регулируемого источника. Для улучшения реакции в емкость добавляется немного щелочи либо кислоты (в домашних условиях – обычной соли).
  2. В результате реакции электролиза со стороны катода, подключенного к «минусовой» клемме, станет выделяться водород, а возле анода – кислород.
  3. Смешиваясь, оба газа по трубке поступают в гидрозатвор, выполняющий 2 функции: отделение водяного пара и недопущение вспышки в реакторе.
  4. Из второй емкости гремучий газ ННО подается на горелку, где сжигается с образованием воды.

Чтобы своими руками сделать показанную на схеме конструкцию генератора, потребуется 2 стеклянных бутылки с широкими горлышками и крышками, медицинская капельница и 2 десятка саморезов. Полный набор материалов продемонстрирован на фото.

Из специальных инструментов потребуется клеевой пистолет для герметизации пластиковых крышек. Порядок изготовления простой:

  1. Плоские деревянные палочки скрутите саморезами, располагая их концами в разные стороны. Спаяйте головки шурупов между собой и подсоедините провода – получите будущие электроды.
  2. Проделайте отверстие в крышке, просуньте туда разрезанный корпус капельницы и провода, затем герметизируйте с 2 сторон клеевым пистолетом.
  3. Поместите электроды в бутылку и завинтите крышку.
  4. Во второй крышке просверлите 2 отверстия, вставьте трубки капельниц и накрутите на бутылку, заполненную обычной водой.

Для запуска генератора водорода налейте в реактор подсоленную воду и включите источник питания. Начало реакции ознаменуется появлением пузырьков газа в обеих емкостях. Отрегулируйте напряжение до оптимального значения и подожгите газ Брауна, выходящий из иглы капельницы.

Второй важный момент. Слишком высокое напряжение подавать нельзя — электролит, нагревшийся до 65 °С и более, начнет интенсивно испаряться. Из-за большого количества водяного пара разжечь горелку не удастся. Подробности сборки и запуска импровизированного водородного генератора смотрите на видео:

О водородной ячейке Мейера

Если вы сделали и испытали вышеописанную конструкцию, то по горению пламени на конце иглы наверняка заметили, что производительность установки чрезвычайно низкая. Чтобы получить больше гремучего газа, нужно изготовить более серьезное устройство, называемое ячейкой Стэнли Мейера в честь изобретателя.

Принцип действия ячейки тоже основан на электролизе, только анод и катод выполнены в виде трубок, вставляющихся одна в другую. Напряжение подается от генератора импульсов через две резонансные катушки, что позволяет снизить потребляемый ток и увеличить производительность водородного генератора. Электронная схема устройства представлена на рисунке:

Примечание. Подробно о работе схемы рассказывается на ресурсе http://www.meanders.ru/meiers8.shtml.

Для изготовления ячейки Мейера потребуется:

  • цилиндрический корпус из пластмассы или оргстекла, умельцы нередко используют водопроводный фильтр с крышкой и патрубками;
  • трубки из нержавеющей стали диаметром 15 и 20 мм длиной 97 мм;
  • провода, изоляторы.

Нержавеющие трубки крепятся к основанию из диэлектрика, к ним припаиваются провода, подключаемые к генератору. Ячейка состоит из 9 или 11 трубок, помещенных в пластиковый либо плексигласовый корпус, как показано на фото.

Под ячейку Мейера можно приспособить готовый пластиковый корпус от обычного водопроводного фильтра

Соединение элементов производится по всем известной в интернете схеме, куда входит электронный блок, ячейка Мейера и гидрозатвор (техническое название – бабблер). В целях безопасности система снабжена датчиками критического давления и уровня воды. По отзывам домашних умельцев, подобная водородная установка потребляет ток порядка 1 ампера при напряжении 12 В и обладает достаточной производительностью, хотя точные цифры отсутствуют.

Принципиальная схема включения электролизера

Реактор из пластин

Высокопроизводительный генератор водорода, способный обеспечить работу газовой горелки, выполняется из нержавеющих пластин размером 15 х 10 см, количество – от 30 до 70 шт. В них просверливаются отверстия под стягивающие шпильки, а в углу выпиливается клемма для присоединения провода.

Кроме листовой нержавейки марки 316 понадобится купить:

  • резина толщиной 4 мм, стойкая к воздействию щелочи;
  • концевые пластины из оргстекла либо текстолита;
  • шпильки стяжные М10—14;
  • обратный клапан для газосварочного аппарата;
  • фильтр водяной под гидрозатвор;
  • трубы соединительные из гофрированной нержавейки;
  • гидроокись калия в виде порошка.

Пластины нужно собрать в единый блок, изолировав друг от друга резиновыми прокладками с вырезанной серединой, как показано на чертеже. Получившийся реактор плотно стянуть шпильками и подключить к патрубкам с электролитом. Последний поступает из отдельной емкости, снабженной крышкой и запорной арматурой.

Примечание. Мы рассказываем, как сделать электролизер проточного (сухого) типа. Реактор с погружными пластинами изготовить проще – резиновые прокладки ставить не нужно, а собранный блок опускается в герметичную емкость с электролитом.

Схема водородной установки мокрого типа

Последующая сборка генератора, производящего водород, выполняется по той же схеме, но с отличиями:

  1. На корпусе аппарата крепится резервуар для приготовления электролита. Последний представляет собой 7—15% раствор гидроокиси калия в воде.
  2. В «бабблер» вместо воды заливается так называемый раскислитель – ацетон либо неорганический растворитель.
  3. Перед горелкой обязательно ставится обратный клапан, иначе при плавном выключении водородной горелки обратный удар разорвет шланги и «бабблер».

Для питания реактора проще всего задействовать сварочный инвертор, электронные схемы собирать не нужно. Как устроен самодельный генератор газа Брауна, расскажет домашний мастер в своем видео:

Выгодно ли получать водород в домашних условиях

Ответ на данный вопрос зависит от сферы применения кислородно-водородной смеси. Все чертежи и схемы, публикуемые различными интернет-ресурсами, рассчитаны на выделение газа HHO для следующих целей:

  • использовать hydrogen в качестве топлива для автомобилей;
  • бездымно сжигать водород в отопительных котлах и печах;
  • применять для газосварочных работ.

Главная проблема, перечеркивающая все преимущества водородного топлива: затраты электричества на выделение чистого вещества превышают количество энергии, получаемое от его сжигания. Что бы ни утверждали приверженцы утопичных теорий, максимальный КПД электролизера достигает 50%. Это значит, что на 1 кВт полученной теплоты затрачивается 2 кВт электроэнергии. Выгода – нулевая, даже отрицательная.

Вспомним, что мы писали в первом разделе. Hydrogen – весьма активный элемент и реагирует с кислородом самостоятельно, выделяя уйму тепла. Пытаясь разделить устойчивую молекулу воды, мы не можем подвести энергию непосредственно к атомам. Расщепление производится за счет электричества, половина которого рассеивается на подогрев электродов, воды, обмоток трансформаторов и так далее.

Важная справочная информация. Удельная теплота сгорания водорода втрое выше, чем у метана, но – по массе. Если сравнивать их по объему, то при сжигании 1 м³ гидрогена выделится всего 3.6 кВт тепловой энергии против 11 кВт у метана. Ведь водород – легчайший химический элемент.

Теперь рассмотрим гремучий газ, полученный электролизом в самодельном водородном генераторе, как топливо для вышеперечисленных нужд:

  1. Конечная цена установки, низкая производительность и КПД делает крайне невыгодным сжигание водорода для отопления частного дома. Чем «наматывать» счетчик электролизером, проще поставить любой из электрокотлов – ТЭНовый, индукционный либо электродный.
  2. Чтобы заменить 1 л бензина для автомобиля, потребуется 4766 литров чистого водорода или 7150 л гремучего газа, треть которого составляет кислород. Самый завравшийся изобретатель в интернете еще не сделал электролизер, способный обеспечить подобную производительность.
  3. Газосварочный аппарат, сжигающий hydrogen, компактнее и легче баллонов с ацетиленом, пропаном и кислородом. Плюс температура пламени до 3000 °С позволяет работать с любыми металлами, стоимость получения горючего здесь особой роли не играет.

Для справки. Чтобы сжигать гидроген в отопительном котле, придется основательно переработать конструкцию, поскольку водородная горелка способна расплавить любую сталь.

Заключение

Гидроген в составе газа ННО, полученный из самодельного водородного генератора, пригодится для двух целей: экспериментов и газосварки. Даже если отбросить низкий КПД электролизера и затраты на его сборку вместе с потребляемым электричеством, на обогрев здания попросту не хватит производительности. Это касается и бензинового двигателя легковой машины.

Как создали «москвич», работающий на воде, но не запустили в производство

В 1976 году в Харькове был создан автомобиль с работающим на воде двигателем.

Над советскими автомобилями очень часто иронизируют. Дизайн некоторых из них иногда кажется слишком примитивным. Все дело в том, что большинство не разбирающихся в автомобилях людей судит о качестве машин только по внешнему виду. Другая проблема советского автопрома состоит в том, что далеко не все инновационные проекты были реализованы.

В СССР было очень много прорывных технологий. Некоторые проекты получались весьма абсурдными (как поезд на резиновых колесах, о котором мы рассказывали), а некоторые могли бы перевернуть всю индустрию, будь они реализованы. Во времена Советского Союза вопрос о создании электромобилей еще не поднимался, а проблема необходимости альтернативы бензиновым двигателям уже существовала. Вода — ресурс более доступный и дешевый, чем нефть. Двигатель, работающий на воде, стал бы мировым открытием.

Сразу после Второй мировой войны в харьковском институте машиностроения специалисты начали работу над созданием альтернативного топлива. Советским ученым удалось добиться прогресса в этой области, и уже в 1976 году первый водородный двигатель был установлен на «москвич». Вода в двигателе проходила через определенные химические элементы и разделялась на водород и кислород. Что интересно, «москвич» сохранил возможность передвигаться и на бензине.

Автомобили, работающие на воде, были бы гораздо менее вредными для окружающей среды. Такое инновационное изобретение получило бы мировую известность, но по неизвестным причинам работа над водородным двигателем прекратилась (а немцы эту задумку все же реализовали). К сожалению, вместо того, чтобы перевернуть всю индустрию машиностроения двигателем нового поколения, все чертежи были отложены в ящик, а все работы приостановлены. «Москвич», работающий на воде, так и не покинул пределы Харькова.

К сожалению, такие проекты не были редкостью, однажды мы рассказывали, какие полезные открытия ученых так и не нашли достойного применения.

Челябинские ученые разрабатывают водородный двигатель для спутников


Можно ли научить космические аппараты и спутники выходить на заданную орбиту «на воде»? А вернее, на ее составляющей — водороде, самом распространенном элементе и на Земле?

Это дешевое, экологически чистое топливо может произвести переворот в ракетостроении, сделать полеты в космос более доступными и безопасными. Но доставлять на орбиту большие «газовые объемы» слишком дорого, это тормозит создание такого двигателя. Аспирант ЮУрГУ Михаил Шалашов придумал, как решить эту проблему: он предлагает получать водород и кислород прямо в космосе с помощью электролиза воды. Проект получил высокую оценку экспертов, на него в 2019 году выделен грант Фонда содействия инновациям «УМНИК». Автор ноу-хау рассказал «ЮП» о возможностях, которые прорывная разработка может дать для освоения космоса.

Водородный проект

— Что даст запуск вашего проекта?

— Если он будет реализован, это может в разы продлить «жизнь» спутников. Дело в том, что многие из них выводятся на орбиту ниже МКС, где еще присутствует остаточная атмосфера. Они тормозятся, постепенно сходят с орбиты и падают на Землю. Этого можно избежать, если оснастить их двигательной установкой, с помощью которой выводить на более высокую орбиту. Мы предлагаем использовать для корректировки «курса» малых космических аппаратов не традиционное токсичное ракетное топливо, а вполне безопасные водород и кислород. Причем исходным «сырьем» для такого экотоплива может служить обычная вода, она же будет и «на выходе», после его сжигания.

— А как ее разделить на нужные газовые компоненты?

— У меня родилась идея использовать давно известный процесс электролиза. На спутнике будет электролизер, разделяющий воду на водород и кислород. Он сможет работать на электричестве, производимом солнечными панелями. Солнечная энергия преобразуется в электрическую, заряжает батареи, которые и будут подпитывать установку. В этом принципиальная новизна нашей разработки.

— Использовать водород в качестве топлива — идея не новая?

— Создать ракетный двигатель, работающий на кислородно-водородном топливе, предлагал еще в 1903 году Константин Циолковский, но долгое время эта идея не получала применения. Как известно, смесь водорода с воздухом может привести к возгоранию и даже взрыву, и сконструировать безопасную установку — сложная техническая задача. Но сегодня она вполне решаема, и на смену традиционным кислородно-керосиновым ракетным двигателям уже приходят кислородно-водородные, более мощные и безопасные.

— Но и у них есть и свои минусы.

— Это так. Поскольку кислородно-водородное топливо втрое легче керосиновой смеси, оно при той же массе требует втрое большего объема. Однако этот недостаток с избытком компенсируется выигрышем в мощности, высоким удельным импульсом. При равной стартовой массе космическая ракета на кислородно-водородном топливе способна вывести на орбиту втрое больший полезный груз, чем на кислородно-керосиновом.


3D-модель спутника с водородным двигателем

«Буран» на водороде

— Есть ли у вашего двигателя аналоги?

— Пока кислородно-водородное топливо в основном используется за рубежом, причем только в верхних ступенях космических ракет, где оно дает наибольший эффект. Примером тому — универсальная ступень «Центавр» ракет семейств «Атлас» и «Титан-3», вторая и третья ступени «Сатурна-5». По этому принципу работают двигатели, разработанные компаниями «Пратт-Уитни», и «Рокетдайн».

Попытка применять кислород и водород в качестве ракетного топлива предпринималась и в советском ракетостроении. Так, такой двигатель разработали в 80-х в НПО «Энергомаш», он успешно прошел испытания и в 1988 году вывел на орбиту корабль многоразового использования «Буран». Но потом из-за нехватки средств эти работы были приостановлены. Они возобновились сравнительно недавно: в ГКНПЦ им. Хруничева изготовили экспериментальные кислородно-водородные разгонные блоки для ракеты-носителя нового поколения «Ангара». Для них разработали два варианта системы поджига топлива — электроплазменную и лазерную, успешно испытанную в 2018 году.

— В чем новизна вашей разработки?

— В отличие от нашего проекта, водород и кислород в зарубежных аналогах обычно применяется для маршевых двигателей, предназначенных для вывода на орбиту с Земли. Для них приходится брать большие запасы жидкого водорода и кислорода, которые мы предлагаем заменить водой, чтобы вырабатывать нужные элементы уже в космосе. Но главная особенность проекта — это идея оборудовать спутники электролизером.

В нашем варианте водородно-кислородными двигателями будут оснащены так называемые кубсаты, или модульные спутники, состоящие из кубиков 10 на 10 см. Они универсальны, их характеристики: размер, масса, сила тяжести — давно известны, как и «поведение» на орбите. У них будут емкости для воды, накопления водорода и кислорода, камера сгорания.

«Печка» для спутника

— Какие могут возникнуть проблемы?

— К примеру, как «научить» электролизер работать в условиях нулевой гравитации. А чтобы дистиллированная вода не замерзала при сверхнизких космических температурах, планируем добавлять к ней специальные присадки.

Кроме того, для получения горючего водорода из воды электролизер будет оснащен протонно-обменной мембраной (такой «молекулярный фильтр» недавно разработали челябинские ученые). Возможно, их будет несколько: в Германии для условий космоса уже придумали двухмембранную технологию: одна — для превращения воды в пар, а другая — для электролиза.

А чтобы не создавать угрозу взрыва, кислород и водород будут храниться в отдельных баках под давлением всего 5 мегапаскалей. Срок их хранения всего несколько дней, газы быстро «пойдут в печку». Причем никакой газовой турбины, кислород и водород будут работать «по схеме вытеснения» и смешиваться в заданных объемах. Эта система проста, надежна в эксплуатации и безопасна.

— Какие перспективы открывает ваша разработка? И когда планируете ее запустить в серию?

— Сейчас мы прорабатываем вопрос проектирования электролизера как основной части двигательной установки, проводим научные изыскания, подбираем материалы. Через полгода планируем перейти к изготовлению макета, который можно будет испытать на стенде. Проведем анализ проделанной работы, просчитаем более компактные габариты устройства для установки на спутник. А через полтора-два года планируем и запатентовать нашу разработку.

К слову, к ней уже проявляют интерес в НИИ машиностроения города Нижняя Салда, который, как и наш вуз, вошел в космическую составляющую масштабного проекта создания научно-образовательного центра мирового уровня. А после обучения в аспирантуре я бы хотел продолжить спутниковую разработку в кластере космических индустриальных технологий инновационного центра «Сколково».

Как работает водородный двигатель в автомобиле?

Традиционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет ряд существенных недостатков, что заставляет ученных искать ему достойную замену. Самым популярным вариантом подобной альтернативы является электродвигатель, однако он не единственный, кто может составить конкуренцию ДВС. В данной статье речь пойдет о водородном моторе, который по праву считается будущим автомобилестроения и может решить проблему с вредными выбросами и дороговизной топлива.

Краткая история

Несмотря на то, что сохранность окружающей среды только сейчас стала массовой проблемой, об изменении стандартного двигателя внутреннего сгорания ученые задумывались и раньше. Так, мотор, работающий на водороде, «увидел мир» еще в 1806 году, чему поспособствовал французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (он производил водород при помощи электролиза воды).

Прошло несколько десятков лет, и в Англии выдали первый патент на водородный двигатель (1841 год), а в 1852 году немецкие ученые сконструировали ДВС, который мог работать на воздушно-водородной смеси.

Чуть позже, во времена блокады Ленинграда, когда бензин был дефицитным продуктом, а водород имелся в достаточно большом количестве, техник Борис Шелищ предложил использовать для работы заградительных аэростатов воздушно-водородную смесь. После этого на водородное питание перевели все ДВС лебедок аэростатов, а общее число работающих на водороде машин достигало 600 единиц.

В первой половине ХХ века интерес общественности к водородным двигателям был невелик, но с приходом топливно-энергетического кризиса 70-х годов ситуация резко изменилась. В частности, в 1879 году компания BMW выпустила первый автомобиль, который вполне успешно ездил на водороде (без взрывов и водяного пара, вырывающегося из выхлопной трубы).

Следом за BMW, в этом направлении начали работать другие крупные автопроизводители, и к концу прошлого столетия практически каждая уважающая себя автокомпания уже имела концепцию разработки машины на водородном топливе. Тем не менее, с окончанием нефтяного кризиса исчез и интерес общественности к альтернативным источникам топлива, хотя в наше время он снова начинает пробуждаться, подогреваемый защитниками экологии, борющимися за снижение токсичности выхлопных газов автомобилей.

Более того, цены на энергоносители и желание обрести топливную независимость только способствуют проведению теоретических и практических исследований ученными многих стран мира. Самыми активными являются компании BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Интересный факт! Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, но найти его в чистом виде на нашей планете будет очень непросто.

Принцип работы и типы водородного двигателя

Основным отличием водородной установки от традиционных двигателей является способ подачи топливной жидкости и последующее воспламенением рабочей смеси. При этом принцип трансформации возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в полезную работу остается неизменным. Учитывая, что горение нефтяного топлива происходит достаточно медленно, топливно-воздушная смесь наполняет камеру сгорания раньше, чем поршень займет свое крайнее верхнее положение (так называемую верхнюю мертвую точку).

Стремительная реакция водорода дает возможность сдвинуть время впрыска ближе к тому моменту, когда поршень начинает возвращаться к нижней мертвой точке. Нужно отметить, что давление в топливной системе не обязательно будет высоким.

Если водородному двигателю создать идеальные рабочие условия, то он может иметь топливную систему питания закрытого типа, когда процесс смесеобразования будет проходить без участия атмосферных воздушных потоков. В таком случае после такта сжатия в камере сгорания остается водяной пар, который, проходя через радиатор, конденсируется и снова превращается в обычную воду.

Однако применение такого вида устройства возможно только тогда, когда на транспортном средстве имеется электролизер, отделяющий водород от воды для его повторной реакции с кислородом. На данный момент добиться таких результатов крайне сложно. Для стабильной работы двигателей применяется моторное масло, а его испарения являются частью выхлопных газов.

Поэтому беспроблемный запуск силовой установки и ее устойчивая работа на гремучем газе без использования атмосферного воздуха – пока что неосуществимая задача. Различают два варианта автомобильных водородных установок: агрегаты, функционирующие на основе водородных топливных элементов, и водородные двигатели внутреннего сгорания.

Силовые установки на основе водородных топливных элементов

В основе принципа работы топливных элементов лежат физико-химические реакции. По сути, это те же свинцовые аккумуляторные батареи, вот только коэффициент полезного действия топливного элемента несколько выше, чем АКБ, и составляет около 45% (иногда больше).

В корпус водородно-кислородного топливного элемента помещена мембрана (проводит только протоны), разделяющая камеру с анодом и камеру с катодом. В камеру с анодом поступает водород, а в камеру катода – кислород. Каждый электрод заранее покрывают слоем катализатора, в роли которого нередко выступает платина. При его воздействии молекулярный водород начинает терять электроны.

В это же время протоны проходят через мембрану к катоду и под влиянием того же катализатора соединяются с электронами, поступающими снаружи. В результате реакции образуется вода, а электроны из камеры анода перемещаются в электроцепь, подсоединенную к мотору. Проще говоря, мы получаем электрический ток, который и питает двигатель.

Водородные двигатели на основе топливных элементов сегодня используются на автомобилях «Нива», оснащенных энергоустановкой «Антэл-1», и машинах «Лада 111» с агрегатом «Антел-2», которые были разработаны уральскими инженерами. В первом случае одного заряда хватает на 200 км, а во втором – на 350 км.

Следует отметить, что из-за дороговизны металлов (палладия и платины), входящих в конструкцию таких водородных двигателей, подобные установки имеют очень большую стоимость, что существенно увеличивает и цену транспортного средства, на котором они установлены.

А знаете ли вы? Специалисты компании Toyota начали работать с технологией топливных элементов еще 20 лет назад. Примерно тогда стартовал и проект гибридного автомобиля Prius.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Данный тип силовых установок очень похож на распространенные сегодня моторы на пропане, поэтому, чтобы перейти с пропана на водородное топливо, достаточно просто перенастроить двигатель. Уже существует немало примеров подобного перехода, но нужно сказать, что в этом случае КПД будет несколько ниже, чем при использовании топливных элементов. В то же время, для получения 1 кВт энергии водорода потребуется меньше, что вполне компенсирует данный недостаток.

Использование этого вещества в обычном моторе внутреннего сгорания вызовет целый ряд проблем. Во-первых, высокая температура сжатия «заставит» водород вступить в реакцию с металлическими элементами двигателя или даже моторным маслом. Во-вторых, даже небольшая утечка при контакте с раскаленным выпускным коллектором точно приведет к возгоранию.

По этой причине для создания водородных конструкций используются только силовые агрегаты роторного типа, так как их конструкция позволяет уменьшить риск возгорания за счет расстояния между впускным и выпускным коллектором. В любом случае, все проблемы пока удается обходить, что позволяет считать водород достаточно перспективным топливом.

Хорошим примером транспортного средства с водородной установкой может послужить экспериментальный седан BMW 750hL, концепт которого был представлен еще в начале 2000-х годов. Автомобиль оснащен двенадцатицилиндровым мотором, работающим на основе ракетного топлива и позволяющим разогнать машину до 140 км/час. Водород в жидкой форме хранится в специальном баке, и одного его запаса хватает на 300 километров пробега. Если же он полностью расходуется, система автоматически переключается на бензиновое питание.

Водородный двигатель на современном рынке

Последние исследования ученых в области эксплуатации водородных двигателей показали, что они не только очень экологичны (как электродвигатели), но могут быть очень эффективными в плане производительности. Более того, по техническим показателям водородные силовые установки обходят своих электрических собратьев, что уже было доказано (к примеру, Honda Clarity).

Также следует отметить, что, в отличие от систем Tesla Powerwall, водородные аналоги имеют один существенный недостаток: зарядить аккумулятор при помощи солнечной энергии уже не получится, а вместо этого придется искать специальную заправочную станцию, которых на сегодняшний день даже в мировом масштабе насчитывается не так уж и много.

Сейчас Honda Clarity выпущен достаточно ограниченной партией, и приобрести автомобиль можно только в Стране восходящего солнца, так как в Европе и Америке транспортное средство появится только в конце 2016 года.

Интересно знать! Генератор Power Exporter 9000 (может входить в комплектацию Honda Clarity) способен питать всю домашнюю технику почти целую неделю.

Также в наше время выпускаются и другие транспортные средства, использующие водородное топливо. К ним относятся Mazda RX-8 hydrogen и BMW Hydrogen 7 (гибриды, работающие на жидком водороде и бензине), а также автобусы Ford E-450 и MAN Lion City Bus.

Среди легковых автомобилей самыми заметными представителями водородных транспортных средств на сегодня являются автомобили Mercedes-Benz GLC F-Cell (есть возможность подзарядки от обычной бытовой сети, а суммарный запас хода составляет около 500 км), Toyota Mirai (работает только на водороде, и одной заправки должно хватать на 650 км пути) и Honda FCX Clarity (заявленный запас хода достигает 700 км). Но и это еще не все, ведь автотранспорт на водородном топливе выпускается и другими компаниями, например, Hyundai (Tucson FCEV).

Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

При всех своих преимуществах, нельзя сказать, что водородный транспорт лишен определенных недостатков. В частности, необходимо понимать, что горючая форма водорода при комнатной температуре и нормальном давлении представлена в виде газа, что вызывает определенные трудности в хранении и транспортировке такого топлива. То есть существует серьезная проблема конструирования безопасных резервуаров для водорода, применяющегося в качестве топлива для автомобилей.

Кроме того, баллоны с этим веществом требуют периодической проверки и сертификации, которые могут выполняться только квалифицированными специалистами, имеющими соответствующую лицензию. Также к этим проблемам стоит добавить и дороговизну обслуживания водородного мотора, не говоря уже об очень ограниченном количестве заправочных станций (по крайней мере, в нашей стране).

Не стоит забывать и о том, что водородная установка увеличивает вес автомобиля, из-за чего он может оказаться не столь маневренным, как вам бы того хотелось. Поэтому, учитывая все вышесказанное, хорошенько подумайте: стоит ли приобретать водородное транспортное средство, или пока с этим лучше повременить.

Однако нужно сказать, что и преимуществ в подобном решении немало. Во-первых, ваш автомобиль не будет загрязнять окружающую среду токсичными выхлопными газами, во-вторых, массовое производство водорода может помочь решить проблему резко меняющихся цен на топливо и перебоев в поставках обычных видов топливных жидкостей.

К тому же, во многих странах уже построены сети трубопроводов для метана, и их несложно адаптировать для прокачки водорода с последующей доставкой к заправкам. Производить водород можно как в малых масштабах, то есть на местном уровне, так и массово – на крупных, централизованных предприятиях. Рост производства водорода послужит дополнительным стимулом для роста поставок этого вещества в бытовых целях (например, для отопления домов и офисов).

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Почему бы нам просто не запустить двигатели внутреннего сгорания на водороде?

Мы знаем, что нам нужно найти замену ископаемому топливу. Автопроизводители прилагают все усилия, чтобы найти решение этой дилеммы. Похоже, что большинство из этих решений связано с избавлением от наших любимых двигателей внутреннего сгорания. Но нельзя ли просто перепроектировать типичный поршневой двигатель, чтобы он работал на чем-то более чистом, например, на водороде?

Если бы это было так просто. Как объясняет Джейсон Фенске из Engineering Explained, вы можете сконструировать поршневой двигатель, работающий на водороде. Это было бы не очень хорошо.

Водород - заманчивое альтернативное топливо. При правильном сгорании из него выделяется только водяной пар. Уже в этом месяце Fenske изучает возможности водорода в нескольких видеороликах, как в качестве топлива для поршневых двигателей, так и для роторных двигателей.

Есть две основные проблемы с водородным двигателем внутреннего сгорания. Во-первых, водород не такой энергоемкий, как другие виды топлива, а это означает, что вам нужно много его, чтобы выполнить небольшую работу. Добавьте к этому присущую поршневому двигателю неэффективность (в лучшем случае вы превращаете только около 30 процентов энергии топлива в поступательное движение), и вы получите рецепт разочарования.

Вторая проблема? Когда вы сжигаете водород, вы получаете другие выбросы, помимо водяного пара. В основном, вы получаете NOx, токсичные выбросы, лежащие в основе скандала с мошенничеством с дизельными двигателями Volkswagen. Если вы ищете чистую альтернативу бензину, выбросы водорода NOx исключают его из эксплуатации.

Ответ? Используйте водород в топливном элементе для выработки электроэнергии. Топливные элементы намного эффективнее двигателей внутреннего сгорания, а водородный топливный элемент имеет более чистые выбросы, чем водородный двигатель внутреннего сгорания.Чтобы узнать больше, посмотрите полное видео Фенске ниже.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти то же содержимое в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Почему водородные двигатели внутреннего сгорания - не очень хорошая идея

Водородная энергия для транспортных средств звучит заманчиво: вода - единственный выброс, а водород, кажется, доступен везде, верно?

Неправильно.

Водород может приводить в действие транспортные средства, но то, как он приводит их в действие, имеет все значение. Двигатели водородного внутреннего сгорания сильно отличаются от автомобилей на водородных топливных элементах, и Джейсон Фенске из Engineering Explained разбирает оба этих момента в видео.

Самая главная причина, по которой водородные двигатели внутреннего сгорания не годятся? Они создают оксид азота, который вреден для людей и окружающей среды. Несмотря на то, что углерод не является частью процесса сгорания водорода, NOx не является компромиссом, поскольку автопроизводители стремятся к автомобилям с нулевым уровнем выбросов.

Во-вторых, водородные двигатели внутреннего сгорания во многих отношениях не так эффективны, как водородные топливные элементы. К тому времени, когда водород попадает в двигатель, через трансмиссию и в дифференциал, приводящий в движение колеса автомобиля, передается только 25 процентов потенциальной энергии водорода. В водородном топливном элементе водород попадает в топливный элемент, где электроны отправляются в преобразователь, затем в блок управления мощностью и в электродвигатель. Затем двигатель приводит в действие редуктор, приводящий в движение колеса автомобиля.Несмотря на многочисленные передачи, топливная энергия водорода более эффективно передается на колеса, до 50 процентов по данным Фенске.

В основном автомобили на топливных элементах - это электромобили, работающие на водороде.

Эффективность также имеет каскадный эффект. Поскольку водород занимает много места при хранении, автомобили с водородными топливными элементами могут иметь меньшие топливные баки по сравнению с автомобилями, работающими на водороде. А поскольку водород не совсем дешев, топливный элемент гораздо более эффективен в эксплуатации и потребляет на 25 процентов меньше энергии, чтобы выполнять ту же работу, что и двигатель водородного внутреннего сгорания.

Если вам не терпится получить дополнительную информацию о водороде и о том, как он питает топливные элементы и двигатели, нажмите "Играть" выше.

HyTech Power, возможно, решил водород, одну из самых сложных проблем в чистой энергии

Это странный химический поворот в том, что топливо встроено в самое обычное вещество на Земле: воду.

Водород - символ славы h3O - оказался чем-то вроде универсального элемента, швейцарским армейским ножом для получения энергии. Его можно производить без парниковых газов.Он легко воспламеняется, поэтому может использоваться в качестве топлива для сжигания. Его можно подавать в топливный элемент для производства электричества напрямую, без сжигания, с помощью электрохимического процесса.

Может храниться и распространяться в виде газа или жидкости. Его можно комбинировать с CO2 (и / или азотом и другими газами) для создания других полезных видов топлива, таких как метан или аммиак. Его можно использовать в качестве химического сырья в различных промышленных процессах, помогая производить удобрения, пластмассы или фармацевтические препараты.

Довольно удобно.

И это самый распространенный химический элемент во Вселенной, так что можно подумать, что у нас есть все, что нам нужно. К сожалению, это не так просто.

Выделять водород из других элементов, хранить его и преобразовывать обратно в полезную энергию - это дорого как с точки зрения денег, так и энергии. Ценность, которую мы получаем от этого, никогда полностью не оправдывала того, что мы вкладываем в его производство. Это одна из тех технологий, которая, кажется, постоянно находится на грани прорыва, но никогда не достигает цели.

Уроженец Сиэтла Эван Джонсон считает, что он может это изменить.Он думает, что наконец-то понял, как разблокировать водородную экономику.

Джонсон - далеко не первый и не единственный человек, ставший этой целью. Но после 10 лет работы, испытаний и подготовки он разработал ряд технологий и практический бизнес-план, который проложил путь к реальному коммерческому масштабу использования водорода.

И хотя HyTech Power, где Джонсон является техническим директором, очевидно, стремится к финансовому успеху, Джонсон видит в своих продуктах нечто большее: способ использовать водород для немедленного уменьшения загрязнения при одновременном увеличении масштабов и снижении затрат, достаточных для внесения более фундаментальных изменений в энергетику. система.

Стационарный дизель-генератор с водородными форсунками HyTech. HyTech Power

HyTech нацелена на большой рынок, чтобы выйти на еще больший

HyTech Power, базирующаяся в Редмонде, штат Вашингтон, намеревается представить три продукта в течение ближайшего года или двух.

Первый будет использовать водород для очистки существующих дизельных двигателей, повышая их топливную эффективность на треть и устраняя более половины их загрязнения воздуха, со средней окупаемостью за девять месяцев, сообщает компания.Это потенциально огромный рынок с большим существующим спросом, который, как надеется HyTech, позволит капитализировать свой второй продукт - модернизацию, которая превратит любой автомобиль внутреннего сгорания в автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEV), позволив ему работать на чистом водороде. В первую очередь это будет нацелено на крупные флоты.

И это станет третьим продуктом - тот, на который Джонсон положил глаз с самого начала, тот, который может революционизировать и децентрализовать энергетическую систему - стационарный продукт для хранения энергии, предназначенный для конкуренции и, в конечном итоге, вытеснения с такими большими батареями, как Powerwall Теслы.

По крайней мере, таков план.

Мир энергетики, конечно, полон громких стартапов, и путь от прототипа к рыночному успеху долог и опасен. Для успеха HyTech потребуется нечто большее, чем просто умные технологии. Потребуется хорошее исполнение.

С этой целью компания недавно привлекла поддержку нескольких опытных руководителей Boeing, в том числе Джерри Аллина, который проработал 30 лет в Boeing и в декабре вышел на пенсию, чтобы возглавить расширение HyTech в качестве главного операционного директора.

Мягкая и неторопливая, с аккуратно подстриженной бородой, Аллин занимает небольшой офис на втором этаже бежевого здания HyTech, которое в основном занято огромным гаражом / мастерской. «Я очень скептически относился к технологии, как и обычно», - говорит он, но «как только я смог увидеть ее собственными глазами и понять физику, я подумал:« О, черт возьми ». Это действительно интересно! »

Его привлекло то, что исходные продукты не требуют новых рынков или инфраструктуры. «Теперь они действительно могут изменить мир», - говорит он.Ключевым моментом является в первую очередь дизельные двигатели. Их миллионы, они грязные и дорогие, и политики стараются их очистить. Это большой спрос. Компания «ожидает совершить много ошибок», - говорит Аллайн, но потенциальный рынок почти непостижимо велик.

Работа в гараже HyTech, переоборудование больших дизельных грузовиков. HyTech Power

И ставки не могли быть выше.В последние годы стало ясно, что какое-то безуглеродное, пригодное для хранения, горючее топливо является если не необходимым для полной декарбонизации энергетической системы, то, по крайней мере, чрезвычайно полезным.

Перед тем, как углубиться в продукты HyTech, стоит объяснить, почему доступный водород является такой заманчивой перспективой для тех, кто озабочен устойчивой энергетикой.

Проблема с водородом: его дорого собирать, хранить и преобразовывать.

Около 95 процентов мирового производства водорода осуществляется за счет парового риформинга метана (SMR), продувки природного газа высокотемпературным паром под высоким давлением.Это энергоемкий процесс, который требует использования ископаемого топлива и оставляет после себя поток углекислого газа, поэтому его использование для обезуглероживания энергетической системы ограничено.

Но также можно извлечь водород непосредственно из воды с помощью электролиза - это процесс поглощения воды (содержащей различные «электрокатализаторы») электричеством, стимулируя химическую реакцию, которая расщепляет водород и кислород. Если электролиз проводится с использованием возобновляемой электроэнергии с нулевым выбросом углерода, полученный водород является топливом с нулевым выбросом углерода.

Это решает проблему углерода, но есть и другие. Водород в воде на самом деле не хочет выпускать кислород (они «прочно связаны»), поэтому их расщепление требует довольно много энергии. Полученный водород необходимо хранить, либо сжимая его в виде газа с помощью больших насосов, либо (слабо) связывая его с чем-то еще и храня в виде жидкости. Для этого газа или жидкости потребуется распределительная инфраструктура. Наконец, водород должен быть извлечен из хранилища и преобразован обратно в энергию путем его сжигания или пропуска через топливный элемент.

К тому времени количество энергии, вложенной в процесс, значительно превышает то, что может быть возвращено обратно.

Это был барьер. Если сложить все затраты на преобразование энергии, «добыча» водорода для использования в энергетической системе с нулевым выбросом углерода, как правило, была убыточным бизнесом. Полезные услуги, предоставляемые водородом, не могут компенсировать энергию (и деньги), необходимые для ее производства и использования. По крайней мере, на сегодняшний день.

Вот почему, хотя люди добывают и сжигают водород с 17-го века, двигатели и топливные элементы, работающие на водороде, существуют примерно с 19-го, а водород прошел через многочисленные циклы ажиотажа, вплоть до 21-го века. - разрекламированная «водородная экономика» так и не получила широкого распространения.

Таких не так уж и много. Shutterstock

Еще в конце 2000-х годов большинство экспертов в области энергетики списали водород со счетов. С тех пор изменились две вещи.

Доступный водород может устранить основные препятствия на пути к устойчивой энергетике

Главное, что изменилось, - это глобальный переход на чистую энергию. Чтобы решить проблему изменения климата, мир фактически согласился полностью декарбонизировать энергетическую систему в течение столетия.Это вызвало интенсивное исследование инструментов, необходимых для создания системы с нулевым выбросом углерода.

Мы знаем, как производить электроэнергию с нулевым выбросом углерода (возобновляемые источники, гидроэнергетика, атомная энергия), поэтому один из ключевых шагов в декарбонизации - «электрифицировать все» или, по крайней мере, использовать как можно больше энергии.

Но широкомасштабная электрификация - непростая задача. Существует множество существующих приложений, работающих на горючем жидком топливе. Помимо практически всего транспорта, подумайте о миллионах и миллионах зданий по всему миру, отапливаемых нефтью или природным газом.

Значительная часть транспорта может быть электрифицирована, и все эти печи теоретически можно заменить электрическими альтернативами, такими как тепловые насосы, но сделать все это за оставшееся время для обезуглероживания - поистине монументальная задача.

Конечно, было бы неплохо выиграть время, если бы у нас было жидкое топливо с нулевым выбросом углерода, которое мы могли бы просто использовать в этих существующих системах, чтобы сократить выбросы от транспортных средств и приборов, которые мы уже используем. (Великобритания экспериментирует с отоплением домов водородом; Норвегия запретит любое использование мазута для отопления домов к 2020 году.)

Кроме того, если переменная возобновляемая энергия (солнце и ветер) должна обеспечивать большую часть или всю нашу энергию, нам понадобится какой-то способ хранить эту энергию, когда солнце и ветер не хватает. Нам потребуется не просто посекундное или почасовое хранение (что вполне возможно с помощью аккумуляторов), но и ежедневное, ежемесячное или ежегодное хранение (для которого аккумуляторы не подходят), чтобы обеспечить защиту от долговременных колебаний солнца и ветра. . Было бы неплохо, если бы мы могли хранить много резервной энергии в виде стабильного жидкого топлива.

Короче говоря, в наших планах по устойчивой энергетике есть дыра в форме водорода.

Второе, что изменилось, это то, что исследования, разработки и ранние рыночные испытания неуклонно снижали стоимость и повышали долговечность основных компонентов водородной технологии.

В общем, потребность в сочетании с инновациями может, наконец, означать, что под рукой есть рентабельные продукты. Вот почему «во всем мире наблюдается возрождение водородной активности», - говорит Адам Вебер, руководитель группы преобразования энергии в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Или, как недавно сказал Пьер-Этьен Франк, секретарь торговой группы Hydrogen Council, «2020-2030 годы будут для водорода такими же, как 1990-е годы для солнца и ветра».

Несмотря на все недавние инновации, Джонсон снова и снова обнаруживал, что каждый раз, когда он отказывался от стандартных компонентов и создавал свои собственные - практически каждый элемент в продуктах HyTech спроектирован и изготовлен по индивидуальному заказу, а сырье заказано через Интернет, - цена пошла вниз. Не знаю почему.”

Джонсон - высокий, стройный и светловолосый, заядлый мастер и строитель, глаза которого загораются, когда он говорит о технике. После учебы в Тихоокеанском университете Сиэтла он провел первые 10 лет своей 20-летней карьеры в области сжатия видео. Но работа в Норвегии с Innovation Norway над хранением водородной энергии привела к тому, что у него возникла проблема с водородом. С тех пор он стал истинным верующим. «Ставка на водород в будущем - лучшее, что вы можете сделать», - говорит он.

«Если электролиз действительно настолько дешевле, это меняет правила игры»

Начинается с электролизера, который извлекает водород из воды. Джонсон не смог найти такой дешевый, простой и эффективный, как он хотел, поэтому он построил свой собственный.

Электролизер HyTech (в данном случае присоединенный к стационарному дизель-генератору). HyTech Power

Ничего особенного, просто трубка, наполненная дистиллированной водой. Примерно в центре подвешена небольшая титановая пластина, покрытая специальной смесью электрокатализаторов, оптимизированных для разделения водорода и кислорода.Газы поднимаются с пластины непрерывным потоком пузырьков. Он полностью закрыт металлом, в нем нет движущихся частей, поэтому он чрезвычайно прочен и не требует значительного обслуживания.

В целом, по словам Джонсона, система «очень проста и бессмысленна». (Это тема, к которой он часто возвращается - предпочтение замкнутых, простых, полностью перерабатываемых систем.) Но благодаря эффективности электрокатализаторов, добавляет он, «очень точно, сколько энергии необходимо для производства необходимый водород.

Джонсон может похвастаться тем, что его электролизер может производить водород примерно в три или четыре раза быстрее, чем электролизеры с аналогичной площадью основания, используя примерно треть электрического тока. Это представляет собой постепенное снижение затрат.

«Очевидно, я не могу проверить их экономику издалека, - сказал мне Джеймс Бреннер из Национального центра исследований водорода при Технологическом институте Флориды, - но если электролиз действительно намного дешевле, это меняет правила игры».

Теперь давайте посмотрим, что HyTech планирует с этим делать.

Модернизация. HyTech Power

Способ очистки дизельных двигателей для рынка, который остро нуждается в одном

Первый продукт, дебют которого запланирован на апрель, является ключом ко всему остальному.

Это называется системой внутреннего сгорания (ICA), модификация двигателей внутреннего сгорания, которая позволяет им существенно повысить топливную эффективность и уменьшить загрязнение воздуха. Это достигается путем добавления к топливу крошечных количеств газообразного водорода и кислорода непосредственно перед его сгоранием в цилиндрах двигателя.Смесь HHO придает интенсивность сгоранию, позволяя топливу сгорать более полно, генерируя больше энергии и меньше загрязнений.

Система ICA может технически работать с любым двигателем внутреннего сгорания, но для начала HyTech нацелена на самые грязные двигатели с самой быстрой окупаемостью, а именно на дизельные двигатели - в транспортных средствах, таких как грузовики, автофургоны, автобусы и вилочные погрузчики, а также большие стационарные дизельные генераторы, которые по-прежнему обеспечивают резервное (и даже основное) питание миллионов людей во всем мире.

Все эти дизельные двигатели выделяют канцерогенный дым, содержащий твердые частицы (сажа) и оксиды азота (NOx), которые наносят вред здоровью человека. Штаты и города по всему миру борются с загрязнением воздуха дизельным топливом.

Но дизельные сажевые фильтры (DPF), которые задерживают частицы, дороги, требуют технического обслуживания и требуют частой замены. Жидкости для избирательного каталитического восстановления (SCR), добавляемые в выхлопные газы для удаления NOx, сами по себе являются загрязнителями, и их необходимо часто менять.

Короче говоря, существует много дизельных двигателей, они очень грязные (ответственны за до 50 процентов загрязнения городского воздуха зимой), и многие люди тратят много денег, пытаясь их очистить. Это большой рынок.

Предложение

HyTech на этом рынке весьма примечательно: оно утверждает, что его ICA может повысить топливную экономичность дизельного двигателя на 20–30 процентов, уменьшить содержание твердых частиц на 85 процентов и сократить выбросы NOx на 50–90 процентов.Вместе с сажевым фильтром и некоторым количеством SCR он может дать дизельный двигатель, который соответствует официальным калифорнийским стандартам для автомобилей со «сверхнизким уровнем выбросов».

Стоимость преобразования грязного дизельного двигателя в относительно чистый: около 10 000 долларов на установку, которые, по оценке HyTech, окупятся за девять месяцев за счет сокращения расходов на топливо и техническое обслуживание.

Устройство помощи внутреннего сгорания (ICA) HyTech, установленное на большом дизельном двигателе.(Видите маленький ряд форсунок?) HyTech Power

HyTech - не первая и не единственная компания, разработавшая систему присадок HHO, но ничто на рынке не может сравниться с такими цифрами.

ICA достигает этой эффективности благодаря компьютеризированному контроллеру времени, который определяет и анализирует вращение коленчатого и распределительного валов, чтобы определить точное время и размер впрыска HHO. Предыдущие системы HHO более или менее заполняли двигатель HHO через воздухозаборник, но HyTech использует «впрыск через порт» с отдельным инжектором на впускном клапане каждого цилиндра, управляемым таймером. Каждый инжектор (размером примерно с человеческий волос) впрыскивает крошечные, точно отмеренные струи HHO в цилиндр именно тогда, когда это необходимо.

Такой уровень точности позволяет ICA использовать гораздо меньше водорода, чем его конкуренты, гораздо более эффективно. Небольшой бортовой электролизер производит более чем достаточно.

Это смелые заявления, но пока они остаются верными. ICA был включен в список EPA как кандидат на технологию сокращения выбросов; Уважаемая испытательная фирма SGS обнаружила, что ICA повысила топливную экономичность грузовика FedEx на 27.4 процента; FedEx в настоящее время проводит дорожные испытания ICA на автопарке грузовиков и обнаруживает, что экономия топлива на 20–30 процентов выше, а затраты на техническое обслуживание сажевого фильтра значительно снизились. При стороннем тестировании и при ограниченных местных продажах в районе Редмонда ICA выполнила свои обещания.

Если он сможет сделать это в масштабе HyTech - надежно повысить экономию топлива на треть и снизить загрязнение почти до нуля с окупаемостью за девять месяцев - возможностей не будет конца. По оценкам компании, рынок очистных работ, включая портовые грузовики, грузовые суда, рефрижераторы, грузовики дальнего следования, автобусы, генераторы и все другие грязные дизельные двигатели, составляет 100 миллиардов долларов.

ICA не полагается на новую инфраструктуру или субсидии. Это способ выйти на большой рынок, немедленно сократить выбросы и накопить финансирование для долгосрочных усилий по полной замене дизельного топлива.

HyTech также хочет очистить существующие автомобили

Позже в этом году HyTech представит свою вторую линейку продуктов: модифицированные водородом автомобили с ДВС. Проще говоря, потребуется любой двигатель, который работает на дизельном топливе, бензине, пропане или СПГ, и переключить его на 100-процентный водород.(В настоящее время компания находится в процессе сертификации своего модифицированного продукта Калифорнийским советом по воздушным ресурсам как имеющего нулевые выбросы.) Это позволит любому водителю получить автомобиль с нулевым уровнем выбросов по значительно меньшей цене, чем стоимость покупки нового электрического или электрического автомобиля. автомобиль на водородных топливных элементах.

Джонсон признает, что, если бы он проектировал автомобиль с нуля, он бы спроектировал его на основе водородного топливного элемента без сгорания, но «мы не заинтересованы в том, чтобы становиться автомобильной компанией», - говорит он.Вместо этого HyTech хочет очистить существующие автомобили.

Не каждый может позволить себе автомобиль Toyota Mirai на водородных топливных элементах (от 58 365 долларов). Shutterstock

Для такого применения с чистым водородом (в отличие от смешанного HHO) электролизер немного отличается. Водород проходит через мембрану, которая лишает его остатков кислорода или азота, оставляя чистый водород для сгорания транспортного средства.(Это делает электролизер протонообменной мембраной, или PEM, электролизером, вариант, знакомый любителям водорода.)

По своему обыкновению, Джонсон разработал свою собственную мембрану, смешав сырье, чтобы создать что-то более эффективное и дешевое, чем другие продукты PEM на рынке.

Есть еще одно отличие, которое представляет собой еще одну из основных технологических разработок Джонсона.

Потребляемая мощность двигателя транспортного средства варьируется и может быстро увеличиваться и уменьшаться, поэтому системе необходимо хранить немного водорода в качестве буфера на случай, если он потребляет больше, чем может произвести электролизер.

Обычные автомобили на водородных топливных элементах (например, Toyota Mirai) хранят водород в виде сильно сжатого газа при давлении около 8000 фунтов на квадратный дюйм. Но со сжатым газом возникают самые разные проблемы. Для сжатия газа требуется много энергии, для этого требуется собственная специализированная инфраструктура, заправочные станции для сжатого газа чрезвычайно дороги в строительстве, а сжатый водород, ну, взрывоопасен, поэтому каждый полный его бак - потенциальная бомба.

Джонсон не хочет иметь с этим ничего общего. Итак, он пошел другим путем.Его система хранит водород, слабо связанный с металлами в виде «гидридов», в инертном жидком растворе без давления (~ 200 фунтов на квадратный дюйм).

Проблема с гидридами была двоякой: а) создание связи, достаточно слабой, чтобы ее можно было разорвать без излишней энергии, когда необходимо высвободить водород, и б) увеличение плотности энергии образующейся жидкости. (На сегодняшний день большинство гидридных жидкостей обладают меньшей энергетической плотностью, чем сжатый водород, и намного меньше ископаемого топлива. Они весят слишком много для той энергии, которую они производят.)

Джонсон думает, что решил обе проблемы. Он не раскрывает подробностей используемых гидридов, но у него достаточно высокое соотношение мощности к весу, чтобы побить литий-ионные батареи (которые очень тяжелые), и достаточно слабую гидридную связь, чтобы ее можно было разорвать, используя только перенаправляем отходящее тепло от двигателя (не требуется дополнительного тепла или давления).

Более того, он работает с командой над наноматериалами для гидридов и ожидает «огромного скачка» в соотношении мощности к весу в ближайшие годы; в конечном итоге, по его словам, он хочет, чтобы плотность энергии была конкурентоспособной с ископаемым топливом.

Эффективный электролиз плюс эффективное накопление гидридов означает, что в результате модернизации Hy-Tech будет создан автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEV) со средней дальностью полета 300 миль, сравнимый с электромобилями высокого класса, но способный работать с любым существующим транспортным средством. Когда я посетил завод HyTech в Редмонде, Джонсон отвез меня на обед в гигантском пикапе Ford Raptor, работающем на водороде.

Ford Raptor, работающий на чистом водороде. HyTech Power

Есть два способа «заправить» автомобиль.Медленный способ - включить его на ночь, чтобы электролизер мог заполнить бак. Самый быстрый способ - заполнить его раствором гидрида, который можно получить на месте, дома или на заправочной станции, не имея ничего, кроме электролизера, немного дистиллированной воды и резервуара.

Пока не существует инфраструктуры, поддерживающей такую ​​быструю заправку, но это не похоже на сжатый водород под высоким давлением, подчеркивает Джонсон. Это не опасно; не производит токсичных побочных продуктов; он не требует множества государственных правил безопасности и правоприменения; Теоретически, на заправочных станциях «мама и папа» можно было бы довольно дешево запустить насос.

Несколько утопическое видение Джонсона состоит в том, что в конечном итоге в каждом доме и на предприятии будет электролизер и полный бак связанного водорода, который можно будет использовать либо для выработки электроэнергии для здания (подробнее об этом в третьем этапе), либо для топлива водородных транспортных средств.

По словам Джонсона, цель - оставить двигатели внутреннего сгорания, но «это все равно, что бросить курить - каждый хочет остыть индейки». Этого просто не произойдет ". Модернизация существующих транспортных средств за небольшую часть стоимости нового транспортного средства с нулевым уровнем выбросов позволит компании быстро начать сокращение транспортных выбросов.

Святой Грааль HyTech: долгосрочное и доступное хранилище энергии

Наконец, получив финансирование и капитализацию за счет продуктов для модернизации, HyTech приступит к производству аккумуляторов энергии. Его масштабируемое хранилище энергии (SES) предназначено для конкуренции с большими батареями, такими как Powerwall от Tesla, либо в качестве локального хранилища для домов и предприятий, либо в качестве хранилища в масштабе сети, подключенного к крупным солнечным и ветряным электростанциям.

Идея хранения водородной энергии заключается в том, что когда-нибудь скоро будут регулярные периоды, когда ветер и солнце вырабатывают электроэнергию, значительно превышающую спрос.Эти излишки энергии будут стоить очень дешево - по сути, мы будем искать способы не тратить их зря.

Одной из набирающих популярность идеей является «преобразование энергии в газ», то есть преобразование этой избыточной энергии в водород и его хранение. «Водород - это, наверное, самое простое, что вы можете сделать при низких ценах на электроэнергию», - говорит Вебер.

Часть этого водорода можно закачать в существующие газопроводы, что снизит углеродоемкость газа. Некоторые из них могут быть объединены с диоксидом углерода для создания другого жидкого топлива. И некоторые из них можно было бы напрямую преобразовать обратно в энергию с помощью топливных элементов. «Стационарное хранилище - это прекрасных потенциальных возможностей для водородных топливных элементов», - говорит Леви Томпсон, директор Лаборатории технологий водородной энергетики Мичиганского университета.

Проблема, опять же, заключалась в том, что сквозная эффективность накопления водородной энергии на основе электролиза обычно была меньше половины, чем достигается литий-ионной батареей.

Плохой рисунок, иллюстрирующий накопление водородной энергии. Shutterstock

И снова Джонсон думает, что сломал его.

Вот как работает система SES HyTech: энергия поступает (в идеале от солнечных панелей или ветряных турбин) для запуска электролизера. Произведенный водород либо поступает в топливный элемент (да, Джонсон построил свой собственный), либо связывается в виде гидридов и хранится в резервуаре. Когда требуется энергия, гидридные связи разрываются с использованием отработанного тепла системы, высвобождая больше водорода для топливного элемента.

Избегая сжатия и обнаружив, что гидридная связь достаточно слабая, чтобы ее можно было разорвать отходящим теплом, Джонсон заметно повысил эффективность.Он еще больше повысил эффективность с помощью другой умной техники. В большинстве хранилищ водорода используются огромные электролизеры и топливные элементы, которые не могут точно масштабировать производство энергии в соответствии с потребностями. Джонсон построил свою систему по модулям: она содержит стопки электролизеров и топливных элементов меньшего размера, которые можно запускать по одному по мере роста спроса. «Глупо просто», - говорит он с улыбкой.

Внешне SES работает как большая батарея, но есть отличия и компромиссы.

С другой стороны, несмотря на то, что он значительно увеличил сквозную эффективность по сравнению с водородными конкурентами, Джонсон все еще не совсем соответствовал эффективности батарей. Он говорит, что на данный момент эффективность SES составляет около 80 процентов. По крайней мере, когда они новые, традиционные свинцово-кислотные батареи составляют около 90 процентов, а литий-ионные батареи - около 98 процентов или выше, хотя все батареи со временем изнашиваются. (Джонсон ожидает, что эффективность SES будет продолжать расти по мере разработки новых материалов для своих электролизеров и топливных элементов - он думает, что 85 или 90 процентов находятся в пределах досягаемости.)

С другой стороны, SES прослужит намного дольше, чем батарея, пройдя более 10 000 циклов зарядки и разрядки, по сравнению с примерно 1000 для литий-ионной батареи.Это приблизит срок ее службы к сроку службы типичной солнечной панели, что позволит более удобно соединять их в пару.

В отличие от аккумуляторов, которые нельзя полностью зарядить или разрядить из-за опасения ухудшения характеристик, SES может перейти от 100-процентной емкости до 0 и обратно без повреждений.

И когда он действительно изнашивается, в отличие от батарей, SES полностью подлежит переработке. Металлы плавятся, перетираются и используются повторно; вода перегоняется.

Лучше всего то, что раствор гидрида может храниться неограниченное время без обслуживания или потери потенциала.Его не нужно сжимать или охлаждать, как сжатый водород. Он не разлагается, как электрохимический заряд аккумуляторов. Гидриды можно хранить столько, сколько необходимо.

Это делает SES фантастическим кандидатом на долгосрочное хранение энергии, святым Граалем по-настоящему устойчивой энергетической системы. Если бы электричество было дешевым и достаточно обильным, в принципе не было бы ограничений на количество резервной энергии, которую можно было бы накапливать.

Это также делает SES идеально подходящим для распределенной энергетической системы.Без движущихся частей, надежных компонентов, устойчивых к экстремальным температурам и погодным условиям, и 98-процентной возможности вторичной переработки, это был бы чрезвычайно простой способ для любого, у кого есть несколько солнечных панелей, получить степень энергетической независимости. Это может быть особенным благом для удаленных, автономных сообществ.

Жутко горящий электролизер. HyTech Power

Какой бы ни была судьба HyTech, потребность в водороде вызовет инновации.

Распределенная безуглеродная водородная экономика - это то, о чем размышляет Джонсон, когда дает себе время подумать.Но в наши дни перед нами стоит более неотложная задача: запустить HyTech.

Ни один из экспертов по водороду, с которым я разговаривал, не обнаружил каких-либо особых тревожных сигналов в технических заявлениях HyTech, но все они проявили с трудом завоеванный скептицизм "шоу - не говори". В водородном мире произошло много новых событий. История усеяна трупами многообещающих стартапов, которые не смогли воплотить свои инновации в жизнеспособные рыночные продукты.

Тем не менее, Hytech, похоже, занимает хорошие позиции, имея надежную команду руководителей, некоторое раннее финансирование, положительные результаты испытаний, партнерские отношения с такими крупными игроками, как FedEx и Caterpillar, а также целевой рынок с продемонстрированным спросом на ее продукцию. Скорее всего, через год или два мы узнаем, справились ли они с этим.

В любом случае, по мере того, как стремление к созданию устойчивой энергетической системы всерьез набирает обороты, потребность в водороде будет только возрастать. Нам нужно топливо с нулевым выбросом углерода и нам нужно долгосрочное хранение энергии. Водород подходит обоим счетам.

Когда есть большая социальная потребность и деньги, люди становятся умными. Если Джонсон сможет добиться нескольких поэтапных достижений в водородной технологии, совершая покупки в Интернете и возясь в своей лаборатории, скоро другие сделают то же самое.А по мере выхода продуктов на рынок масштабирование приведет к снижению затрат, как это произошло с ветряной и солнечной энергией.

Во многих отношениях доступный водород - это последняя часть головоломки устойчивой энергетики, энергоноситель, который может заполнить трещины в системе, работающей в основном на ветровой и солнечной энергии. За прошедшие годы его несколько раз оставляли умирать, но, поскольку мир серьезно относится к декарбонизации, водород может, наконец, выиграть свой день на солнце.

Маск называет водородные топливные элементы «глупыми», но технологии могут угрожать Tesla

Клиент заправляет автомобиль водородом на заправочной станции TrueZero в Милл-Вэлли, Калифорния.Штат тратит более 2,5 миллиарда долларов из фондов чистой энергии для ускорения продаж автомобилей на водороде и аккумуляторных батареях. Это включает 900 миллионов долларов, выделенных на завершение строительства 200 водородных станций и 250 000 зарядных станций к 2025 году.

Bloomberg | Bloomberg | Getty Images

Tesla и ее конкуренты на рынке электромобилей с батарейным питанием доминируют в спорах о том, кто будет контролировать будущее автомобилей, но в Соединенных Штатах есть еще один вид экологически чистых транспортных технологий, основанный на самых распространенных технологиях. ресурс во вселенной.

Электромобили на топливных элементах (FCEV) объединяют водород, хранящийся в резервуаре, с кислородом из воздуха для производства электроэнергии, с водяным паром в качестве побочного продукта. В отличие от более распространенных электромобилей с батарейным питанием, автомобили на топливных элементах не нужно подключать к электросети, а все текущие модели превышают 300 миль при полном баке. Они наполняются форсункой почти так же быстро, как традиционные газовые и дизельные автомобили. Хотя сами автомобили на топливных элементах испускают водяной пар только из выхлопных труб, Союз обеспокоенных ученых отмечает, что производство водорода может привести к загрязнению.Хотя возобновляемые источники водорода, такие как сельскохозяйственные угодья и свалки, увеличиваются, большая часть водорода, используемого в качестве топлива, поступает из традиционной добычи природного газа. Тем не менее, отдача по-прежнему меньше, чем у бензиновых аналогов.

Водородная энергия присутствует на рынке уже много лет, но ее объем крайне ограничен. В настоящее время в Калифорнии 39 общественных водородных заправочных станций (еще 25 находятся в стадии разработки), а также пара на Гавайях. Теперь у Восточного побережья появляется собственная инфраструктура. Несколько станций уже работают, и еще больше в Нью-Йорке, Нью-Джерси, Массачусетсе, Коннектикуте и Род-Айленде.

Коммерческий успех, проблемы потребителей

Водород более широко используется на коммерческом рынке. Более 23000 вилочных погрузчиков на топливных элементах работают на складах и в распределительных центрах США в более чем 40 штатах, в том числе на предприятиях Amazon и Walmart. Десятки автобусов на топливных элементах используются или планируются в Огайо, Мичигане, Иллинойсе и Массачусетсе, а также в Калифорнии.

Количество заправочных станций водородом растет во всем мире. Toyota и Honda объединяются с правительством Квебека для создания водородной инфраструктуры в Монреале в этом году, и даже богатая нефтью Саудовская Аравия получает свою первую станцию.

Toyota, второй по величине производитель автомобилей в мире, является крупнейшим игроком на потребительском рынке США автомобилей на водородных топливных элементах. Его Mirai - семейный автомобиль на водородных топливных элементах - нашел 5000 покупателей с тех пор, как он был представлен осенью 2015 года. Расс Кобле, представитель группы по охране окружающей среды и передовых технологий Toyota, сказал, что компания ожидает увеличения продаж по мере открытия новых заправочных станций.

«Toyota уже давно утверждает, что технология водородных топливных элементов может быть решением с нулевым уровнем выбросов для широкого спектра типов транспортных средств», - сказал он.

Toyota заявляет, что масштабируемость технологии водородных топливных элементов также привела к появлению двух приложений для Калифорнийских технико-экономических обоснований в другой области, представляющей интерес для Tesla: грузовики с полуприцепами.

Полуприцеп Toyota Motor, работающий на водородных топливных элементах, представлен на AutoMobility LA в преддверии автосалона в Лос-Анджелесе

Патрик Т. Фэллон | Bloomberg | Getty Images

Honda также сделала большой выбор в пользу водорода. По словам представителя Honda Натали Кумаратне, в настоящее время на дорогах США находится около 1100 автомобилей Honda Clarity Fuel Cell. Honda предлагает в аренду только Clarity Fuel Cell в Калифорнии - она ​​предлагает в аренду или продажу гибридные версии автомобиля, работающие от аккумуляторной батареи.Из 20 174 автомобилей Clarity, проданных или сданных в аренду в 2018 году, 624 были вариантами топливных элементов, 948 - электрическими батареями и 18 602 - гибридными.

Honda и Toyota объединились с дочерней компанией Shell Oil для строительства новых водородных заправочных станций в Калифорнии. По словам Кумаратне, два объекта уже построены, а пять находятся в стадии строительства. Компания выступает за строительство станций на северо-востоке США, некоторые из которых находятся в стадии разработки. «Партнерство с другими производителями водородных топливных элементов и влиятельными лицами отрасли имеет смысл.«У всех нас есть своя кожа», - сказала она.

Hyundai, которая в настоящее время имеет 220 автомобилей на водородных топливных элементах на дорогах США, также видит рост продаж. «Мы ожидаем, что Северо-Восток станет следующим крупным регионом. рост водородной инфраструктуры ", - сказал Дерек Джойс, представитель корейского производителя продукции и группы передовых силовых агрегатов. Компания только что представила Nexo в США. Агентство по охране окружающей среды оценивает запас хода среднеразмерного кроссовера до 380 миль, что больше, чем у любого электромобиля с батарейным питанием. рынок.

По состоянию на 1 февраля в США было продано и сдано в аренду чуть более 6000 электромобилей на топливных элементах, вдвое больше Японии, следующего по величине рынка.

Маск о водородных «дурацких элементах»

Соучредитель и генеральный директор Tesla Илон Маск назвал водородные топливные элементы «невероятно глупыми», и это не единственное, что он сказал о технологии. Он назвал их «дурацкими ячейками», «грудой мусора» и сказал акционерам Tesla на ежегодном собрании несколько лет назад, что «успех просто невозможен.«

Маск нашел неожиданный источник поддержки в 2017 году, когда Йошиказу Танака, главный инженер, отвечающий за Mirai, сказал Reuters:« Илон Маск прав - лучше заряжать электромобиль напрямую от розетки ». Но Toyota Исполнительный директор добавил, что водород является жизнеспособной альтернативой бензину. Председатель Toyota Такеши Учиямада сказал Reuters на том же автосалоне в Токио в 2017 году: «Мы действительно не видим враждебных отношений с нулевой суммой между электромобилями (электромобиль с батарейным питанием). и водородный автомобиль.Мы вовсе не собираемся отказываться от технологии водородных электрических топливных элементов ».

Автомобильная промышленность в целом не разделяет взглядов Маска на будущее, основанное на принципе« батарея или разрушение ». В 2017 году был проведен опрос 1000 руководителей автомобильной отрасли. KPMG пришли к выводу, что водородные топливные элементы имеют лучшее долгосрочное будущее, чем электромобили, и будут представлять собой «настоящий прорыв» (78 процентов), причем руководители автомобилестроительных компаний назвали короткое время дозаправки, всего несколько минут, главным преимуществом. 62% респондентов заявили KPMG, что проблемы с инфраструктурой приведут к краху рынка электромобилей с батарейным питанием.

В Калифорнии продолжаются дебаты по поводу того, окупили ли субсидии, предложенные штатом для запуска рынка топливных элементов, инвестиции, судя по ограниченному использованию заправочных станций и отсутствию прибыли. Калифорния привержена усилиям, начатым при бывшем губернаторе Джерри Брауне, по финансированию инициатив в области возобновляемых источников энергии, которые включали план транспортных средств с нулевым выбросом в размере 900 миллионов долларов и финансирование инфраструктуры зарядки электромобилей, включая 200 водородных станций к 2025 году.

Мы могли видеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи, а также обеспечивают гораздо больший радиус действия.

Дэвид Антонелли

Кафедра физической химии в Ланкастерском университете

GM не выпускала автомобиль на топливных элементах для потребительского рынка, но у нее есть совместное предприятие с Honda по производству стеков топливных элементов на заводе в Мичигане. началась в 2013 году и расширилась в 2017 году, когда обе компании заявили, что завод в Мичигане, где производятся топливные трубы, может производить автомобили начиная с 2020 года.

Ford экспериментировал с вариантами топливных элементов своих автомобилей Focus и Fusion, а также Edge кроссовер, но таких машин в продажу не предлагает.

«С постоянно растущей долей возобновляемых источников энергии водородные топливные элементы могут сыграть важную роль в будущем», - сказал представитель Ford. «С точки зрения массового вывода на рынок, однако, аккумулятор в настоящее время занимает более выгодное положение по сравнению с топливным элементом - не в последнюю очередь из-за ситуации со стоимостью и доступной инфраструктуры. Наша работа будет по-прежнему сосредоточена на электрификации, поскольку мы отслеживаем прогресс в области водорода. В настоящее время у нас нет планов предлагать автомобили на водородных топливных элементах ».

Fiat Chrysler не продает автомобиль на топливных элементах в США. S., но в течение 15 лет он поддерживал исследования под руководством профессора Дэвида Антонелли, кафедры физической химии в Ланкастерском университете в Великобритании, которые могли снизить затраты на технологию. Его команда работает с материалом, который позволяет сделать топливные баки меньше, дешевле и более энергоемкими, чем существующие технологии водородного топлива, а также транспортные средства с батарейным питанием.

«Стоимость производства нашего материала настолько низка, а плотность энергии, которую он может хранить, намного выше, чем у литий-ионной батареи, что мы можем видеть системы водородных топливных элементов, которые стоят в четыре раза меньше, чем литий-ионные батареи. а также обеспечивает гораздо больший радиус действия ", - сказал Антонелли.Лицензия на технологию предоставлена ​​коммерческой компании Kubagen, созданной Антонелли.

Модель автомобиля и цены на заправку остаются серьезными проблемами

Безопасность вызывает беспокойство, поскольку водород легковоспламеняем, но бензин и литий-ионные аккумуляторы тоже. Транспортировка водорода для использования на заправочных станциях создает дополнительные риски для безопасности - станции используют датчики для отслеживания утечек. В Калифорнии не сообщалось о серьезных инцидентах, а промышленный сектор перевозил водород на протяжении десятилетий.

По данным Национальной ассоциации противопожарной защиты, транспортные средства с альтернативным топливом, категория, которая включает как водородные топливные элементы, так и электрические батареи, не более опасны, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания. Статистика NFPA показывает, что примерно каждые 3 минуты в США возникает пожар из-за двигателя внутреннего сгорания.

Однако самым большим препятствием может быть цена.

Средняя цена на водородное топливо в Калифорнии составляет около 16 долларов за кг - бензин продается за галлоны (объем), а водород за килограмм (вес).Для сравнения: 1 галлон бензина имеет примерно такое же количество энергии, как 1 кг водорода. Большинство электромобилей на топливных элементах несут от 5 до 6 кг водорода, но проходят вдвое больше, чем современный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания с эквивалентным газом в баке, что дает эквивалент бензина на галлон от 5 до 6 долларов.

Автомобили на водородных топливных элементах в настоящее время имеют средний запас хода от 312 до 380 миль, согласно EPA. Заправка из порожнего топлива будет стоить около 80 долларов (большинство водителей не позволяют баку полностью опуститься перед заправкой, поэтому в конечном итоге заправка обходится от 55 до 65 долларов).Эта стоимость в настоящее время оплачивается автопроизводителями, которые предоставляют арендаторам предоплаченные карты на три года заправки топливом на сумму до 15 000 долларов. В Калифорнии, где самые высокие в стране цены на бензин, заправка обычного автомобиля большим бензобаком может стоить 40 долларов и более.

Kelley Blue Book оценивает годовые затраты на топливо для Toyota Mirai, Honda Clarity Fuel Cell и Hyundai Nexo в 4495 долларов, что в три-четыре раза превышает стоимость бензиновых альтернатив.

«Мы понимаем, что автопроизводители не могут продолжать платить за топливо, и мы видим линию прямой видимости, чтобы попасть туда, но это объемная игра, и нам нужно набрать критическую массу», - сказал Шейн Стивенс, главный и главный разработчик. сотрудник компании FirstElement Fuel, которая управляет 19 из 39 водородных заправочных станций в Калифорнии и разрабатывает 12 из 25 дополнительных станций для штата.Ближайшая цель его компании - 10 долларов за килограмм, что равняется примерно 4 долларам за галлон газа. «Это хорошее краткосрочное приемлемое число, которое можно достичь в ближайшие три-пять лет и избавить людей от топлива, субсидируемого автопроизводителями», - сказал Стивенс.

Самая большая проблема: автомобили остаются дорогими. Например, Nexo - самый дорогой Hyundai, продаваемый в США, со стартовой ценой в 59 345 долларов (стартовые цены на Santa Fe сопоставимого размера от бренда начинаются с 24 250 долларов). Модели топливных элементов Toyota Mirai и Honda Clarity имеют аналогичную рекомендованную производителем розничную цену в диапазоне 59 000 долларов.Эти покупки автомобилей имеют право на государственные скидки - в Калифорнии доступна налоговая скидка в размере 5000 долларов США.

Лизинг был популярным выбором потребителей для электромобилей на топливных элементах и ​​аккумуляторных батареях, потому что эта технология является новой, и первые пользователи не хотят быть привязанными к текущей модели в течение длительного времени по мере развития технологий и повышения эффективности.

Как и в случае с любой новой технологией, стоимость топливных элементов должна снизиться, если рынок будет расти и достигнет эффекта масштаба в производстве и инфраструктуре.«У Honda есть долгосрочные обязательства по производству водорода, но вы не можете продавать автомобили без инфраструктуры», - сказал Кумаратне.

Стивенс сказал, что если рынок в Калифорнии достигнет «нескольких сотен тысяч автомобилей», он сможет быть конкурентоспособным по цене с бензином. Это большой скачок по сравнению с 6000 проданными на данный момент автомобилями, но большинство новых автомобильных рынков начинаются с ограниченного производства. Toyota заявила, что планирует увеличить производство с 3000 единиц Mirai в год до 30 000 автомобилей к 2021 году. «Это десятикратное увеличение."

" Несколько сотен тысяч машин в Калифорнии не так уж и далеко. И это всего лишь Toyota, - сказал Стивенс. - Речь идет не о субсидировании всего роста инфраструктуры, а просто о том, чтобы помочь нам преодолеть препятствие, а это уже не за горами. Если мы дойдем до нескольких сотен тысяч автомобилей, мы действительно сможем отказаться от государственных субсидий и стать самоокупаемыми ».

Поправка: водород - самый распространенный ресурс во вселенной. Из-за ошибки редактирования более ранняя версия эта статья искажает этот факт.

MAZDA: Водородные автомобили | Экологические технологии

Водородный роторный двигатель чрезвычайно экологичен и идеально подходит для общества, в котором люди могут продолжать наслаждаться вождением Zoom-Zoom, заботясь о Земле

Водородный роторный двигатель

Водородный роторный двигатель Mazda, основанный на нашей уникальной технологии роторного двигателя, но адаптированный для использования водорода в качестве топлива, не выделяет CO2 и обеспечивает превосходные экологические характеристики.
Поскольку для роторного двигателя потребовалось всего несколько изменений конструкции, чтобы он мог работать на водороде, Mazda смогла построить автомобили с роторным двигателем с низкими затратами. Кроме того, двухтопливная система позволяет автомобилю работать как на бензине, так и на водороде. Водителю не нужно беспокоиться о нехватке водорода, что делает автомобиль удобным, потому что он может путешествовать на большие расстояния в районы, где нет водородных станций.

Технологии водородного роторного двигателя RENESIS


В водородном роторном двигателе RENESIS используется прямой впрыск с инжектором газообразного водорода с электронным управлением.Эта система всасывает воздух из бокового порта и впрыскивает водород непосредственно во впускную камеру с помощью инжектора газообразного водорода с электронным управлением, установленного в верхней части корпуса ротора. Технология, проиллюстрированная ниже, полностью использует преимущества роторного двигателя в достижении сгорания водорода.

Схема водородного роторного двигателя RENESIS

Посмотреть видео, показывающее движение водородного роторного двигателя

1 RE Характеристики, подходящие для сжигания водорода - естественное подавление обратного воспламенения -

При практическом применении водородных двигателей внутреннего сгорания предотвращение так называемого обратного воспламенения (преждевременного воспламенения) является серьезной проблемой.Возгорание - это возгорание, вызванное контактом топлива с горячими частями двигателя во время процесса впуска. В поршневых двигателях процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуска происходят в одном месте - внутри цилиндров. В результате свечи зажигания и выпускные клапаны достигают высокой температуры из-за высокой температуры сгорания, и процесс впуска становится склонным к обратному воспламенению.

Напротив, конструкция RE не имеет впускных и выпускных клапанов, а низкотемпературная впускная камера и высокотемпературная камера сгорания разделены.Это обеспечивает хорошее сгорание и помогает избежать возгорания.

Кроме того, RE поощряет тщательное смешивание водорода и воздуха, поскольку продолжительность процесса впуска больше, чем в поршневых двигателях.

2 Комбинированное использование прямого впрыска и предварительного смешивания

Для достижения высокой производительности в режиме водородного топлива применяется система прямого впрыска путем установки инжектора газообразного водорода с электронным управлением в верхней части корпуса ротора.Конструктивно RE обладает значительной свободой расположения форсунок, поэтому хорошо подходит для прямого впрыска.

Кроме того, на впускной трубе установлен газовый инжектор для предварительного смешивания, позволяющий одновременно использовать прямой впрыск и предварительное смешивание в зависимости от условий движения. Это обеспечивает оптимальное сгорание водорода.

В режиме бензинового топлива топливо подается от той же бензиновой форсунки, что и в стандартном бензиновом двигателе.

3 Принятие сжигания обедненной смеси и EGR

Сжигание обедненной смеси и рециркуляция выхлопных газов (EGR) используются для снижения выбросов оксидов азота (NOx).NOx в основном снижается за счет сжигания обедненной смеси на низких оборотах двигателя и за счет системы рециркуляции отработавших газов и трехкомпонентного катализатора на высоких оборотах двигателя. Трехкомпонентный катализатор такой же, как и в базовой модели. Оптимальное и надлежащее использование сжигания обедненной смеси и системы рециркуляции отработавших газов обеспечивает достижение как высокой производительности, так и низкого уровня выбросов.

4 Двухтопливная система

Когда в системе заканчивается водородное топливо, она автоматически переключается на бензин. Для большего удобства водитель также может вручную переключать топливо с водорода на бензин нажатием кнопки.

Транспортные средства с водородным роторным двигателем

Premacy Hydrogen RE Гибрид /
Водород RE Plug in Hybrid

Premacy Hydrogen RE Hybrid сочетает в себе водородный роторный двигатель Mazda с гибридной системой для значительного повышения производительности и практичности.

Premacy Hydrogen RE Hybrid унаследовал двухтопливную систему от Mazda RX-8 Hydrogen RE и сочетает ее с недавно разработанной гибридной системой для значительного улучшения ходовых характеристик и практичности.Гибрид Premacy Hydrogen RE предоставляется в аренду государственным органам и компаниям в Японии с марта 2009 года.

Компоновка Premacy Hydrogen RE Hybrid

Усовершенствованный водородный силовой агрегат RE воплощает волнение и мощь Zoom-Zoom!

Premacy Hydrogen RE Hybrid производит примерно на 40 процентов больше мощности, чем Mazda RX-8 Hydrogen RE, что приводит к значительному ускорению.Это также улучшает экономию топлива. Сердце автомобиля, водородный роторный двигатель, переключается с продольной на поперечную компоновку. Уменьшенное сопротивление впуску / выпуску двигателя и улучшенная эффективность сгорания обеспечивают высокую выходную мощность в широком диапазоне оборотов двигателя.
Гибридная система эффективно преобразует энергию сгорания водорода в электричество, которое приводит в движение колеса с помощью электродвигателя. Эта установка чрезвычайно энергоэффективна и обеспечивает исключительную реакцию автомобиля.В результате водители наслаждаются низким расходом топлива, а также ощущением непосредственности и мощной ездой, а также запасом хода в 200 километров на водородном топливе. Для еще большего запаса хода модель оснащена двухтопливной системой Mazda, которая позволяет автомобилю работать как на бензине, так и на водороде. Будучи Premacy, он также более удобен в использовании, чем RX-8 Hydrogen RE, предлагая большее грузовое пространство и места для пяти взрослых.

Посмотрите видео, показывающее, как движется водородный роторный двигатель

«Mazda Premacy Hydrogen RE Range Extender EV» на основе «Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid».Он включает в себя подключаемую систему, большую высоковольтную батарею и двигатель с улучшенным тепловым КПД.

RX-8 Водород RE
Совершенный «зеленый» автомобиль, обеспечивающий непревзойденный баланс удовольствия от вождения и экологичности

Mazda RX-8 Hydrogen RE, разработанная и введенная в продажу Mazda, является первой в мире практической реализацией транспортного средства с водородным роторным двигателем. Без ущерба для ощущения крутящего момента и ускорения, а также без ущерба для выхлопных газов, характерных для двигателей внутреннего сгорания, он не выделяет CO2 и почти не выделяет NOx, что делает его идеальным «зеленым» автомобилем.В Японии автомобиль был предложен в аренду местным органам власти и предприятиям с 2006 года, а в 2008 году Mazda начала участвовать в норвежском проекте водородной магистрали HyNor.

Упаковка

Вместимость базового автомобиля - четыре взрослых человека, с двумя водородными баками, установленными в багажнике. Резервуары находятся под давлением 35 МПа, что является действующим национальным стандартом для водородных заправочных станций. Клапан заливной горловины водорода обычно используется в транспортных средствах на топливных элементах и ​​расположен на противоположной стороне клапана заливки бензина на базовом автомобиле.

Компоновка автомобиля

Лучше ли внутреннее сгорание водорода, чем топливные элементы?

Хотя водород - и водородные топливные элементы - все еще могут играть важную роль в транспорте будущего, даже многие сторонники водорода признают, что внутреннее сгорание водорода, вероятно, не будет.

Так было не всегда. Около 15 лет назад была большая надежда на идею внутреннего сгорания водорода - по сути, запуск двигателей, мало чем отличающихся от бензиновых, на хранении первого элемента таблицы Менделеева.

BMW предлагала версию BMW 7-й серии 2005-2007 годов под названием Hydrogen 7 с 6,0-литровым двигателем V-12, который мог работать на бензине или водороде. Он заявлял, что КПД на водороде составляет около 40 процентов - по сравнению с большинством бензиновых двигателей.

НЕ ПРОПУСТИТЕ: Энергопотребление для транспортных средств на водородных топливных элементах: выше, чем у электриков, даже у гибридов

Mazda была особенно активна в этой области и утверждала, что ее роторный двигатель Ванкеля особенно хорошо подходит для работы с водородом, поскольку конструкция двигателя уже имеет тенденцию работать при более низких температурах, чем обычные поршневые двигатели, и, таким образом, может снизить опасения по поводу NOx.Сначала у него была двухтопливная версия RX-8, которая могла при необходимости переключаться между водородом и бензином, а затем в Premacy h3 RE как часть серийной гибридной системы. Когда мы ездили на этом автомобиле в первые дни существования Green Car Reports , мы обнаружили, что он довольно веселый благодаря своей системе электродвигателя.

Mazda Premacy Hydrogen RE Гибрид

Проблемой для любого из этих транспортных средств - не считая чистой стоимости - была непрактичность хранения достаточного количества водорода для получения значимого диапазона.Hydrogen 7 мог проехать всего 125 миль на 17,6 фунтах водорода, после чего в игру вступил бензин. С другой стороны, нынешний автомобиль на топливных элементах Hyundai Nexo 2019 года может проехать 380 миль на 13,7 фунтах водорода.

В последние годы эффективность транспортных средств на топливных элементах превысила отметку в 50 процентов - это означает, что более половины энергии, содержащейся в водороде, используется для работы транспортного средства. Hyundai, например, заявила, что сама батарея топливных элементов в Nexo работает с КПД до 60 процентов.

ПРОВЕРКА: Эта диаграмма 11-летней давности объясняет проблему транспортных средств на водородных топливных элементах

Хранение водорода в автомобиле по-прежнему остается проблемой, поэтому технология, которая может идти дальше за драгоценную унцию водорода (то есть топливные элементы), является победителем. Топливный элемент Honda Clarity, например, проезжает 366 миль на своих 12 фунтах водорода, хранимых при давлении 10000 фунтов на квадратный дюйм и требующих трех отдельных цилиндрических баков для поддержания достаточно практичной упаковки (даже при этом спинки задних сидений не складываются и не позволяют пройти через.

2017 Honda Clarity Топливный элемент

Кроме того, внутреннее сгорание водорода не решает основную проблему с водородом, а именно его доставку и распределение из устойчивых источников. Ассортимент водородных транспортных средств является еще одним препятствием, поскольку инфраструктура постепенно развивается.

Конечно, должна была быть причина, по которой руководители отделов исследований и разработок и инженеры нескольких крупных автопроизводителей, часто имеющие докторскую степень и очень хорошо понимающие, как работают энергия и сгорание, а также проблемы, с которыми сталкиваются топливные элементы и производство водорода, принимали во внимание в первую очередь внутреннее сгорание водорода.

Я посетил несколько таких презентаций. В то время топливные элементы были громоздкими и непомерно дорогими. Сохранение схемы внутреннего сгорания считалось более дешевым и могло производиться наряду с существующими моделями.

ПОДРОБНЕЕ: из-за нехватки водорода автомобили на топливных элементах задыхаются в Калифорнии

Но времена изменились. Топливные элементы стали намного меньше и более энергоемкими, и теперь их размер примерно равен сумме ручной клади, а в следующем поколении они могут стать еще меньше.

Водородные двигатели внутреннего сгорания по-прежнему производят одни из самых скандальных загрязняющих веществ, NOx, из-за которых их выбросы «хорошо для колес» не так экологичны, даже до того, как скандал с выбросами Volkswagen сосредоточил внимание на этом компоненте выхлопных газов.

Хотя приведенное ниже видео из Engineering Explained, выпущенное в конце прошлого года, объясняет, почему внутреннее сгорание водорода сейчас выглядит глупой идеей, стоит вспомнить, почему: инженерия и экономическое обоснование того, что работает в настоящее время (и почему), очень сильно развиваются быстро.

Итак, объявите водородное внутреннее сгорание мертвым. Но мы не готовы делать такие заявления в отношении топливных элементов. По мере того, как растет количество электрических и электрифицированных транспортных средств, топливные элементы могут все больше функционировать как часть всей экосистемы электромобилей; и, возможно, обменять на батареи - в промышленных приложениях или в контурах коммерческих автомобилей, где они, в конце концов, могут оказаться разумной идеей.

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях?

Как работают топливные элементы в водородных автомобилях? - Объясни это

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 марта 2020 г.

Столетие назад или около того, количество автомобилей на Земле исчисляется тысячами. Сегодня существует около миллиарда автомобилей - примерно одна на каждые семь человек на планете, и ожидаемое количество достигнет 2 миллиардов к 2040 году. Думайте о Земле как о гигантской заправочной станции с ограниченным запасом топлива, и вы довольно быстро поймете что у нас проблема. Многие геологи думают, что мы достигли точки они называют «пиком нефти», а в ближайшие несколько десятилетий поставки бензина (и все остальное, сделанное из нефти) начнет истощаться.Если такое случается, откуда все наши машины будут получать топливо? Кратковременное решение - повысить эффективность использования топлива. от существующих автомобилей. В долгосрочной перспективе решение может быть переключение автомобилей с бензиновых и дизельных двигателей на электрические топливные элементы, которые немного похожи на батареи, работающие на водороде газ, который никогда не выходит из строя. Бесшумные и экологически чистые, они среди самые чистые и экологически чистые источники энергии из когда-либо созданных. Они все, кем обещаны быть? Давайте подробнее разберемся, как они работают!

Фото: демонстрационный автомобиль Ford Motor Company на водородных топливных элементах (модифицированный Ford Focus).Фото любезно предоставлено Космическим центром Кеннеди НАСА (NASA-KSC).

Что такое топливные элементы?

Фото: Под капотом автомобиля Ford на водородных топливных элементах. Фото любезно предоставлено Ford Motor Company и Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии.

На самом деле есть всего два способа привести современный автомобиль в действие. Большинство машин на Дорога сегодня использует двигатель внутреннего сгорания сжигать топливо на нефтяной основе, выделять тепло и толкать поршни вверх и вниз, чтобы управлять трансмиссией и колесами.Электрический машины работают совершенно по-другому. Вместо двигателя они полагаться на батареи, которые питают электроэнергией электродвигатели, приводящие в движение колеса напрямую. Гибридные автомобили имеют оба двигатели внутреннего сгорания и электрические двигатели и переключайтесь между ними в зависимости от условий вождения.

Топливные элементы немного похожи на нечто среднее между двигателем внутреннего сгорания. мощность двигателя и аккумулятора. Как двигатель внутреннего сгорания, они производят мощность за счет использования топлива из бака (хотя топливо находится под давлением водородный газ, а не бензин или дизельное топливо).Но, в отличие от двигателя, топливный элемент не сжигает водород. Вместо этого он слит химически с кислородом воздуха для получения воды. В процессе, что похоже на то, что происходит в батарее, электричество высвобождается и это используется для питания электродвигателя (или двигателей), который может управлять средство передвижения. Единственный продукт отходов - это вода, и она настолько чиста, что вы можете выпей это!

Думайте о топливных элементах как о батареях, которые никогда не разряжаются. Вместо медленно истощая химические вещества внутри них (как это делают обычные батарейки), топливные элементы работают на постоянном запасе водорода и продолжают производить электричество до тех пор, пока в баке есть топливо.

Как топливный элемент производит электричество из водорода?

То, что происходит в топливном элементе, называется электрохимическим. реакция. Это химическая реакция, потому что она включает соединение двух химических веществ. вместе, но это тоже электрическая реакция, потому что электричество производится по мере протекания реакции.

Топливный элемент состоит из трех основных частей, аналогичных элементам батареи. Это имеет положительно заряженный терминал (показан здесь красным), отрицательно заряженный терминал (синий) и разделяющее химическое вещество, называемое электролитом, между двумя (желтый) держать их отдельно.(Думайте об этом как о бутерброде с ветчиной. Два клеммы - это куски хлеба, а электролит - это ветчина между ними.)

Вот как топливный элемент производит электричество:

  1. Газообразный водород из резервуара (показан здесь большими коричневыми пятнами) подается по трубе к положительной клемме. Водород легковоспламеняющийся и взрывоопасен, поэтому танк должен быть очень сильным.
  2. Кислород из воздуха (большие бирюзовые капли) спускается по второй трубе к отрицательной клемме.
  3. Положительный полюс (красный) изготовлен из платины, катализатора из благородного металла. разработан, чтобы ускорить химический процесс, происходящий в топливном элементе.Когда атомы газообразного водорода достигают катализатор, они расщепляются на ионы водорода (протоны) и электроны (маленькие черные капли). Если вы запутались: ионы водорода - это просто атомы водорода с удаленными электронами. Поскольку для начала у них есть только один протон и один электрон, ион водорода - это то же самое, что и протон.
  4. Протоны, будучи положительно заряженными, притягиваются к отрицательному выводу (синий) и проходят через электролит. (желтый) к нему. Электролит представляет собой тонкую мембрану из специальной полимерной (пластиковой) пленки. и только протоны могут проходить через него.
  5. Тем временем электроны проходят по внешнему контуру.
  6. При этом они приводят в действие электродвигатель (оранжевый и черный), который приводит в движение колеса автомобиля. В конце концов, они тоже попадают на отрицательный вывод (синий).
  7. На отрицательном полюсе протоны и электроны рекомбинируют с кислородом воздуха в химической реакции, в результате которой образуется вода.
  8. Вода выходит из выхлопной трубы в виде водяного пара или пара.

Этот тип топливного элемента называется PEM (разные люди говорят, что это означает полимерно-обменную мембрану или протонообменную мембрану, потому что она включает обмен протонами через полимерную мембрану).Это будет держать работает до тех пор, пока есть запасы водорода и кислорода. Поскольку в воздухе всегда много кислорода, единственное ограничение Фактор - это количество водорода в баке.

Стопки топливных элементов

Один топливный элемент производит примерно столько же электроэнергии, сколько одиночная сухая батарея - недостаточная для питания портативного компьютера, не говоря уже о машине. Вот почему в топливных элементах, предназначенных для транспортных средств, используются стеки. топливных элементов, соединенных вместе в серию.Общее электричество они продукция равна количеству ячеек, умноженному на мощность каждой клетка производит.

Типы топливных элементов

Фото: Вот как на самом деле выглядит топливный элемент. Это типичный водородный топливный элемент с протонообменной мембраной (PEM), который может производить 5 киловатт (5000 ватт) энергии. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / National Лаборатория возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Топливные элементы PEM (иногда называемые PEMFC) в настоящее время инженеры предпочитают приводить в движение автомобили, но они никоим образом не возможен только дизайн.Так же, как есть много видов батарей, каждая используя различные химические реакции, поэтому существует много видов топлива ячейка тоже. Космические аппараты используют более примитивную конструкцию, называемую щелочным. топливный элемент (AFC), в то время как гораздо большее количество энергии может быть генерируется альтернативной конструкцией, известной как твердооксидный топливная ячейка (ТОТЭ). Микробные топливные элементы имеют дополнительную особенность: они используют бак бактерий для переваривания сахара, органических веществ или другого топлива и производить электрический ток (который может использоваться для питания двигатель) или водород (который может питать топливный элемент обычным способом).Другая возможность - иметь автомобиль с солнечной панелью на крыше, который использует электричество Солнца для разделения воды на водород и кислород. электролизер (см. вставку ниже). Затем эти газы рекомбинируются в топливном элементе для производства электроэнергии. (Преимущество такого подхода по сравнению с прямым использованием энергии Солнца состоит в том, что вы можете накапливать водород в дневное время, когда светит Солнце, а затем использовать его для движения топливный элемент ночью.)

Откуда возьмется весь водород?

За последние 150 лет или около того практически каждая машина бег по жидкости, которую мы весьма сбивчиво называем газом.Но в следующие 150 лет многие люди думают, что автомобили будут работать на настоящем газе: водород. Теоретически запустить автомобили на водороде - отличная идея: это самый простой способ. и наиболее распространенный химический элемент, и он составляет подавляющее большинство (что-то вроде трех четвертей) всей материи Вселенной. Тогда хватит всем! Но есть загвоздка: тыкайся в воздухе вокруг вас, и вы не найдете много водорода - только около одного литр водорода на каждый миллион литров воздуха. (В натуральном выражении это то же самое, что случайно найти около двух литров воды перепутал в каждом олимпийском бассейне полный).Так откуда же взяться всем огромным облакам водорода, чтобы управлять нашим глобальным автопарком? Нам нужно будет сделать его самим из воды, волшебного вещества, которое покрывает 70 процентов поверхности Земли, частично состоит из водорода. Разделите старый добрый h3O на части, и вы получите h3 (водород) и O2 (кислород). Как ты это делаешь? С электролизером!

Электролизеры и электролизеры

Электролизер - это часть электрохимического аппарата (что-то который использует электричество и химию одновременно), предназначенный для выполнять электролиз: расщеплять раствор на атомы, из которых он состоит, пропуская через него электричество.Электролиз был впервые был введен в 18 веке британским химиком сэром Хамфри Дэви. (1778–1829), который использовал примитивную батарею под названием Гальваническая свая открыть ряд химических элементов, включая натрий и калий.

Электролизер немного похож на аккумулятор, работающий в обратном направлении:

  • В батарее химикаты упакованы в герметичный контейнер с двумя электрические клеммы погружаются в них. При подключении клеммы в цепь, химические вещества вступают в реакцию внутри контейнер и производят электричество, которое течет по цепи.(Подробнее об этом читайте в нашей основной статье об аккумуляторах.)
  • В электролизере вы помещаете раствор в емкость и окунаете два клеммы в него. Вы подключаете клеммы к аккумулятору или другому источник питания и пропускать электричество через раствор. Химическая происходят реакции, и раствор распадается на атомы. Если раствор, который вы используете, - чистая вода (h3O), вы обнаружите, что она быстро распадается в газообразный водород (на отрицательном электроде) и газообразный кислород (на положительный электрод).Их относительно легко собрать и хранить газы для использования в будущем.


Фото: Демонстрация водородной энергии. Свет (от Солнца) попадает в солнечную батарею (синий прямоугольник слева), делая электричество. Электролизер использует эту электрическую энергию для разделения воды на кислород и водород. (собраны в пробирки в середине рисунка). Затем водород подается в топливный элемент (металлический ящик справа), производящий электричество и зажигает лампу (справа). Фотографии Уоррена Гретца любезно предоставлены Министерством энергетики США / Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).

Как работает электролизер?

Вот как очень простой электролизер производит водород из воды:

  1. Аккумулятор соединяет положительную клемму (иногда называемую анодом) с отрицательной клеммой (или катодом) через электролит. В простом лабораторном эксперименте электролитом может быть чистая вода. В реальном электролизере производительность значительно улучшается за счет использования твердой полимерной мембраны в качестве электролита, которая позволяет ионам перемещаться через нее.
  2. При включении питания вода (h3O - показаны здесь как две красные капли, соединенные с одной зеленой) расщепляется на положительно заряженные ионы водорода (атомы водорода без электронов показаны красным) и отрицательно заряженные ионы кислорода (атомы кислорода с дополнительными электроны, показаны зеленым).
  3. Положительные ионы водорода притягиваются к отрицательному полюсу и попарно рекомбинируют с образованием газообразного водорода. (h3).
  4. Аналогичным образом отрицательные ионы кислорода притягиваются к положительному выводу и попарно рекомбинируются там с образованием газообразного кислорода. (O2).

Почему топливные элементы так долго приживаются?

Фото: Может пройти некоторое время, прежде чем насосы для заправки водородом станут обычным явлением. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

« На протяжении десятилетий водород был Дракулой автомобильного топлива: когда вы думаете, что ставка была сделана через его сердце с нулевым уровнем выбросов, технология поднимается из могилы».

Лоуренс Ульрих
The New York Times, апрель 2015 г.

Люди провозглашали топливные элементы следующим большим достижением в области энергетики. поставляет с 1960-х годов, когда космический корабль Аполлона ракеты впервые продемонстрировали, что технология практична. Четыре десятилетия спустя на наших улицах почти нет автомобилей на топливных элементах - из-за множества причины. Во-первых, мир настроен на производство бензиновых двигателей за счет миллион, поэтому они, естественно, намного дешевле, лучше протестированы и многое другое надежный. Купить обычную машину можно за несколько тысяч. долларов за фунт, но до недавнего времени автомобиль на топливных элементах обошелся бы вам в сотни долларов. тысячи.(«Относительно доступный» автомобиль Toyota Mirai наконец стал широко доступен в 2016 году. по цене чуть менее 60 000 долларов США, что вдвое превышает цену его гибрида Prius. Отчасти поэтому некоторые автомобили на топливных элементах доступны только в лизинг. распоряжения. В 2020 году автомобиль Honda Clarity Fuel Cell можно будет сдать в аренду за относительно низкую плату. скромные 379 долларов в месяц.) Стоимость - не единственная проблема. Также есть массивная нефтяная экономика для поддержки бензиновых двигателей: есть гаражи везде, где обслуживают бензиновые автомобили и заправочные станции повсюду, чтобы снабдить их топливом.Напротив, почти никто ничего не знает об автомобилях на топливных элементах и ​​практически не имеет станции подачи сжатого водорода. «Водородная экономика» - это далекая мечта.

Легко увидеть, как может работать мир, полный водородных автомобилей. У нас было бы много заводов по производству электролизеров по всему миру, производящих водородный газ из воды. Теперь газы занимают гораздо больше пространство, чем жидкости или твердые тела, поэтому нам нужно превратить водород газ в жидкий водород, что упрощает транспортировку и хранение, сжав его до высокого давления.Затем мы транспортировали водород на заправочные станции («водородные станции»?) где люди могли бы заправлять его в свои автомобили, которые работали бы на топливных элементах вместо обычных бензиновые двигатели.

Проблема с водородом

Но вы видите проблему? Для производства водорода электролизом используется энергия - и довольно много: мы должны использовать электричество для разделения воды. Если мы будем использовать обычные солнечные батареи для обеспечения этого электричества, они могут быть примерно на 10 процентов эффективнее. в то время как электролизер может иметь КПД 75 процентов, что дает жалкую общую эффективность всего лишь 7.5 процентов. Это довольно плохое начало - а это всего лишь начало!

Мы также используем энергию для транспортировки водорода и его сжатия (превращая газообразный водород в жидкость), чтобы автомобили могли перевозить его в своих баках в количестве, достаточном для поездки куда угодно. Это настоящая проблема, потому что плотность энергии водород (количество энергии, которое он несет на единицу своего объема или массы), равно только около одной пятой бензина. Другими словами, вам нужно в пять раз больше, чтобы зайти так далеко. (при условии, что ваш водородный автомобиль тяжелый, как ваш бензиновый, что может быть не так - потому что бензиновым автомобилям нужны тяжелые двигатели и трансмиссии).Другая проблема в том, что водород трудно хранить в течение длительного времени, потому что он чрезвычайно крошечные молекулы легко вытекают из большинства контейнеров, а поскольку водород легко воспламеняется, утечки могут вызвать ужасные взрывы.

И затем, конечно, есть все недостатки на противоположном конце процесса, когда топливный элемент Автомобиль превращает водород обратно в электричество, чтобы приводить в действие электродвигатели, приводящие в движение его колеса.

Водород не является топливом

" ...водород - это разрекламированная подножка ... Водород - не чудесный источник энергии; это просто энергоноситель, как аккумулятор. И это довольно неэффективная энергия носитель, с кучей практических недоработок ».

Профессор Дэвид Маккей
Устойчивая энергетика без горячего воздуха

Водород сам по себе не является топливом, а просто средством транспортировки топлива, полученного в результате какого-либо другого процесса. Так что лучше сравнить с батареями (еще один способ упаковки и транспортировки энергии) чем бензин (настоящее топливо).В целом, современные водородные автомобили значительно менее эффективны, чем лучшие электромобили, работающие от батарей, и часто менее эффективны, чем обычные автомобили с бензиновым или дизельным двигателем! Мы могли бы использовать солнечные элементы для электролиза воды "для бесплатно », но мы могли бы с таким же успехом хранить ту же энергию в батареях и использовать их для питания наших автомобилей. Автомобили на топливных элементах звучат многообещающе, но если автомобили с аккумулятором действительно лучше, водород может оказаться дорогим. отвлечение от важного дела по переключению мира с ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии.

Все эти проблемы, подытоженные, объясняют, почему сторонники аккумуляторных автомобилей, такие как Илон Маск из Tesla, любят высмеивать водород. автомобили как «автомобили для дурацких камер».

Но и у водорода есть свои плюсы!

Так почему люди до сих пор ищут топливные элементы? Потому что, как утверждают их сторонники, у них есть множество преимуществ перед другими технологиями в области энергетики. Если на зарядку автомобиля с батарейным питанием может уйти от получаса до целой ночи, вы можете заправить водородный автомобиль всего за пять минут - так же быстро, как вы можете заправить бензобак обычного автомобиля.Запас хода автомобилей с батарейным питанием также был предметом разногласий. Современные модели теперь заявляют, что могут проехать сотни километров или миль без подзарядки, но не все из них справляются с этим; это зависит от того, сколько энергии вы используете для других целей во время вождения; и дальность действия снижается по мере старения аккумулятора. Автомобили на топливных элементах, напротив, имеют такой же запас хода, что и обычные газовые автомобили, хотя их характеристики ухудшаются с возрастом. В то время как аккумуляторные технологии, возможно, лучше всего работают в небольших автомобилях, топливные элементы одинаково хороши для больших автомобилей и грузовиков.Некоторые из этих вещей могут измениться со временем по мере развития и развития двух конкурирующих технологий - водородных топливных элементов и аккумуляторных батарей.

Что-нибудь, кроме масла?

Таким образом, до тех пор, пока масло не станет дороже, у автомобилистов будет мало или нет стимула переходить на автомобили на топливных элементах. Даже тогда есть соперник технологии, которые могут остановить распространение автомобилей на топливных элементах. Мы могут придерживаться двигателей внутреннего сгорания, но питать их биотопливом. Или может оказаться более эффективным строить электромобили с бортовыми аккумуляторами, которые заряжаются на дома.Или, возможно, массовый переход на гибридные автомобили с бензиновыми двигателями. и электродвигатели, увеличат мировые запасы нефти на достаточно долгое время для нас придумать совершенно новую технологию - возможно, даже атомные автомобили! Никто не знает, что нас ждет в будущем, но одно можно сказать наверняка: нефть будет играть в нем гораздо меньшую роль. Чем раньше мы обнимемся альтернативы - электромобили на батареях, биотопливо, топливные элементы или что-то еще - тем лучше.

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

  • Министерство энергетики США: Транспортные средства на топливных элементах: Руководство правительства США по плюсам и минусам автомобилей на топливных элементах, включая то, как они работают, что в них хорошего и плохого, и какую экономию топлива можно ожидать.Есть также видео тест-драйва некоторых современных автомобилей на водородных топливных элементах.
  • Калифорнийское партнерство по топливным элементам: Промышленное лобби, продвигающее использование технологии топливных элементов. На сайте много полезной справочной информации.
  • Водородная экономика: всестороннее введение в Википедии о плюсах, минусах и практических вопросах, связанных с использованием водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу.
  • Национальный исследовательский центр топливных элементов, Калифорнийский университет в Ирвине: хорошая отправная точка для получения более подробной технической информации.

Статьи

  • Toyota раскрывает план по превращению грузовиков в экологически чистые «электростанции» Джиллиан Эмброуз, The Guardian, 17 сентября 2020 г. Грузовики Toyota со встроенными топливными элементами могут работать как мобильные электрогенераторы.
  • ИБП
  • для развертывания гибридов топливных элементов / аккумуляторов в качестве грузовиков для доставки с нулевым выбросом, Мария Галлуччи, IEEE Spectrum, 24 августа 2018 г. Грузовики для доставки топливных элементов начинают появляться в экологически чистой Калифорнии.
  • Сначала появились водородные автомобили.Теперь заправочные станции Нила Э. Будетта. The New York Times, 18 мая 2017 года. Если великая водородная экономика когда-либо собирается взлететь, нам понадобится намного больше водородных станций.
  • Почему в автомобильном будущем будут доминировать топливные элементы Скотт Самуэльсен, IEEE Spectrum, 5 декабря 2016 г. Энтузиаст топливных элементов отвечает критикам страстной защитой технологии.
  • Битва автомобилей с нулевым уровнем выбросов: водородные или электрические? Руперт Вингфилд-Хейс. BBC News, 8 июня 2015 г.Toyota, пионер гибридных автомобилей, теперь делает ставку на водородные топливные элементы как на способ увеличения диапазона электромобилей.
  • Автомобили на водородных топливных элементах возвращаются для очередного пробега Лоуренс Ульрих. The New York Times, 16 апреля 2015 г. Почему автопроизводители снова обращаются к топливным элементам.
  • Портативная солнечная электростанция очищает воду и производит водород. Автор: Вилли Джонс, IEEE Spectrum, 20 октября 2010 г. Новое изобретение для оказания помощи при стихийных бедствиях позволяет очищать воду, вырабатывать электричество и производить водород с помощью бортового электролизера и топливного элемента.
  • Наследие Аполлона на топливных элементах Ричарда Холлингема. BBC News, 16 июля 2009 г. Краткий обзор автомобилей на топливных элементах и ​​того, как они были вдохновлены ракетно-космическими технологиями.
  • Керамические топливные элементы от Дункана Кларка. The Guardian, 13 июля 2009 г. Как топливные элементы могут быть использованы для производства электричества в доме.
  • Toshiba разрабатывает крошечный топливный элемент: BBC News, 24 июня 2004 г. Топливные элементы могут питать как небольшие приборы, так и автомобили.

Книги

Топливные элементы и водородная экономия
Электролизеры и ионный обмен

Патенты

  • Патент США 7,241,950: Электролиз воды на солнечных батареях для получения водорода и кислорода, автор Qinbai Fan и др., Институт газовой технологии, 10 июля 2007 г.Современный высокоэффективный электролизер на солнечной энергии.
  • Патент США 1 495 681: Электролизер для производства водорода и кислорода, Джакомо Фаузер, 27 мая 1924 г. Относительно простой водородно-кислородный электролизер начала 20 века.

Деятельность

  • [PDF] Работа с топливными элементами НАСА: Отличная небольшая активность для 5–12 классов. Вы можете построить автомобиль на топливных элементах и ​​заправить его водородом, полученным путем расщепления воды.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2008, 2018. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Поделиться страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2008/2018) Топливные элементы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/fuelcells.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте ...

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *