Водород как топливо для автомобиля плюсы и минусы
Плюсы и минусы водородного топлива
Водородное топливо уже давно занимает ведущие позиции среди других источников энергии. Обладающий уникальными свойствами, водород по праву называют топливом ближайшего будущего. По сравнению с дизельным и бензиновым топливом, у него больший КПД, а также экологичность. Попытаемся разобраться, почему его до сих пор не используют?
История двигателя внутреннего сгорания на водороде
Применение водорода в качестве топлива началось еще в XIX веке, когда французский изобретатель Франсуа Исаака де Риваз в 1806 году разработал самый первый в мире ДВС, потребляющий водородное топливо. Необходимую электрическую энергию он получал методом электролиза воды. Позже бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар заставил самоходный экипаж двигаться с помощью энергии водорода. Так бы водород и служил бы человечеству в качестве основного топлива, но в 1870 году в ДВС стали применять бензин, сведя на нет первые опыты с водородным топливом.
Водородное топливо в блокадном Ленинграде
О водороде вспомнили только в блокадном Ленинграде в конце 1941 года, благодаря военному технику Б. И. Шелищу, который предложил использовать отработанный водородный газ для заправки автотранспорта. От налетов вражеской авиации Ленинград защищался зенитными орудиями, а также заградительными аэростатами, наполненными водородом, чтобы помешать прицельной бомбардировке города.
Когда водородные аэростаты спускались на землю, их использовали в качестве альтернативного источника топлива. Всего лишь за неделю группа техников переоборудовала на водородное топливо 600 грузовиков ГАЗ. После войны об этом изобретении снова забыли, перейдя опять на бензин.
В 1970 годах, когда произошел энергетический кризис, люди опять оценили необходимость альтернативных источников энергии. Так, Украинским ИПМ был переоборудован весь свой автомобильный парк водородное топливо, отлично справившись с топливным кризисом. Об успешных экспериментах снова забыли после распада советского союза.
Современные автомобили на водороде находятся пока в стадии проектирования, а вернее выпускать серийно опытные модели пока не собираются из-за неразвитой инфраструктуры заправок автотранспорта водородным топливом. В промышленных масштабах получить водород электролизом воды недешево, поэтому автокомпании пока не спешат на него переходить, ожидая более дешевый и простой способ получения топлива.
Преимущества водородных ДВС
Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов.
Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны.
КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.
Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:
Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах.
Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.
Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.
Несовершенство технологий хранения такого топлива.
Дорогие водородные элементы.
Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.
Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.
Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы.
Производители транспорта на водородном топливе
Мировые производители все же проводят испытание в этой сфере и даже выпускают автотранспорт на водородном топливе:
Toyota — модель Toyota Highlander FCHV;
Ford Motor Company проводит испытания с концептом Focus FCV;
Honda со своей моделью Honda FCX;
Hyundai выпускает Tucson FCEV;
Daimler AG отвечает за модель Mercedes-Benz A-Class;
Все же водород является единственной приемлемой экологической энергией с огромным будущим. От ученых зависит только разработать инфраструктуру, обнаружить способ добычи водорода, наладить порядок в инструкциях по эксплуатации топлива, и тогда навсегда уже забыть о выхлопных газах, нефтяных вышках и других проблемах бензиновой зависимости.
Водород — как добавка к топливо-воздушной смеси. Стоит ли свеч игра?
Еще год назад, когда ездил на Мазде, сломал голову как победить аппетит прожорливого авто)…
Нашел интересную статью:
forums.drom.ru/honda-odyssey/t1151404350.html
Один из вариантов был — собрать водородный (ННО) генератор.
Второй вариант — купить малолитражку (тойоту Платз, старенький Приус, или Оку) и довести до ума 😉
Осуществил оба).
Хороший вопрос для чего вся затея… Что даёт электролизер? — экономию топлива! 20-30%… На деле — нужен эксперимент и реальный пример.
Весь секрет экономии — это наиболее полное сгорании ТВС при добавке, разложенного из воды, 2Н2 и О2. Скорость сгорания ТВС с добавкой водорода становится на порядок выше… В итоге смесь сгорает наиболее полно — это именно сгорание, а не детонация.
Заказал c алиэкспресс: EFIE-эмулятор и ШИМ контроллер, MAF-корректор собрал самостоятельно. Так же был приобретен сканер elm327 для монтиринга процессов двигателя и правильной настройки системы подачи HHO.
Рассчитал и собрал сам генератор. Но дело не пошло далеко: в статье в качестве электролита используется раствор обычной соды. Как я ни менял концентрацию ток не поднимался больше 5 А, а с ним и выход газа — очень мал. Похожий результат www.drive2.ru/l/4973322/?page=0#a149952102
Позднее нашел в городе КОH под заказ, заказал… но пока он ехал — я разбил машину вхлам)). Не захотела она таких издевательств))).
Как результат все комплектующие есть, а машины нет! но есть ОКА…
она и так экономная лучше не куда! 🙂 ради эксперимента придется поставить генератор на нее — очень хочется проверить действительно ли есть эффект, или все это средство набить карманы мошенникам.
наконец пришёл заказанный КОН — ниже фото испытания генератора с раствором едкого кали на выход газа (с 20% KOH).
Ниже мои расчеты генератора, взятые из опыта предшественников с интернет простора после корректировки для Оки.
Ока с движком 0.75 л.
для достижения максимальной эффективности (экономии топлива в целом) — выход газа из электролизера должен составлять 0.75*(0.4… 0.5л/м на каждый литр объема двигателя)=0.3 … 0.4 л/м.
где Эффективность — это использование минимальной нагрузки на двигатель со стороны электрогенератора при расчетном выходе газа без паразитных потерь тока на нагрев электролита — для достижения наибольшего КПД всей системы.
Для чего необходим (ШИМ, PWM) контроллер? — для нужной подачи тока в электролизер. Сам электролизер должен быть рассчитан соответственно: (плотность тока рабочей площади пластин без потерь на нагрев последних оптимальная t= 50°C).
К примеру из опыта предшественников потенциал между пластинами должен быть в пределах 2.3… 2.4V, рабочая площадь
пластин (80*160)=128см2, оптимальный ток при этом составлял 22… 25 А (при условии нагрева не выше 50°С). Плотность тока при этом составляла 0.17 А/см2, выход газа 1.2л/мин. при токе 35А выход газа — 2л/мин
При рабочей площади пластин 100 см2, плотности электролита 20%, напряжении 14,3 В, токе 14 А выход газа около 0,7 литров (маловато). Но по любому и с нержавейкой шёл нагрев до 60-ти гр.
для ОКИ нужен генератор с выходом газа 0.4л/м при потреблениии тока около 8-12А /0.14(A/см2) получаем рабочую площадь пластин =57см2 … 86см2
размеры 6*10 см… 6*15см
Нарезаны пластины с рабочей площадью: 130х70=91см2 (х2=182см2)
Водородное топливо – альтернатива или тупиковое направление?
Экологи и ученые уже давно бьются над решением проблемы создания максимально экологичного и чистого вида топлива. Причем оно должно быть не только дешевым, но и неисчерпаемым, поскольку призвано заменить привычные для нас энергоресурсы. Его цена не должна превышать стоимости угля, нефти и природного газа. Задача кажется невыполнимой, однако все чаще взоры энергетиков обращаются на водород как вид топлива, способный удовлетворить имеющимся требованиям и стать широкоиспользуемым ресурсом.
Ко всему прочему ситуация в мире становится нестабильна и каждое государство хочет снизить зависимость от того или иного топлива, добыча которого производится на территории других стран. Все чаще водород рассматривается как возможность использования его в качестве альтернативного варианта. У него есть определенные плюсы, но есть и минусы. Попробуем разобраться в аспектах использования водорода, как топлива, его преимуществах и недостатках. А также постараемся ответить на вопрос: быть ли ему полноценной заменой существующих видов топлива.
Сам по себе водород является побочным продуктом энергетического процесса и по идее должен уничтожаться, поскольку его скопление очень опасно. Но энергетики решили найти ему практическое применение.
Водород в качестве альтернативного топлива
Транспортные средства достаточно активно используют природные источники энергии, потребляя около трети всей нефти, добываемой в мире, и из всех видов транспорта автомобили являются наиболее энергоемкими. Использование углеводородного топлива на нефтяной основе сопровождается выбросом в атмосферу большого количества вредных веществ. Это приводит к глобальному загрязнению окружающей среды. В качестве альтернативы предлагается начать активно использовать гидроген и на его основе устанавливать в машины топливные элементы. Давайте сначала поймем, почему выбор пал на этот изотоп.
Идея создания углеводородного электродвигателя пришла с запада, а точнее из Америки. Интерес к газу как альтернативному питанию для транспорта обусловлен, прежде всего:
Принцип действия ТЭ основан на прокачивании кислорода и водорода через катоды и аноды, контактирующими с платиновым катализатором. В результате происходит химическая реакция, в которой образуется вода и электрический ток. Топливный элемент, подсоединенный к электродвигателю, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем бензиновый мотор внутреннего сгорания.
Следует отметить, что большинство развитых стран охотно переходят на водородный изотоп и начали строить АЗС на его основе. Заправки появились в Японии, США и Германии. Также крупные автомобильные концерны готовы предложить новые разработки автомобилей с водородными ТЭ. Немалый интерес к этому типу горючего проявляют авиаконструкторы и уже фирмой “Боинг” был разработан самолет “Джамбо Джет” на основе водорода. А перекись водорода, являющаяся соединением водорода, применяется в электромоторах ракет и подводных лодок. Более подробную информацию о топливе можно прочитать в статье “Почему биотопливо считается перспективным направлением?”
Плюсы и минусы
У вида горючего есть сторонники, которые уверены, что за водородом будущее. Но есть и скептики, которые находят больше минусов, чем плюсов. Взвесим все “за” и “против”.
Плюсы водородного топлива.
Что же говорят скептики, отрицая возможность его применения?
Как видим, пока обоснованных минусов больше. Отсутствие стандартов добычи, переработки, хранения водородного изотопа, а также приемлемых конструкторских решений ведет к недоверию общества, которое пока не готово пересаживаться на новые водородные авто, а промышленность не видит целесообразности проводить реконструкцию производства из-за низкого спроса.
Как работает топливный элемент?
В статье уже упоминалось о топливном элементе, который планируется устанавливать в автомобилях нового типа. Давайте подробнее познакомимся с его принципом действия.
Топливный элемент – электрохимическое устройство, которое преобразует энергию, хранящуюся в химической формуле, в электроэнергию, воду и тепло. Он состоит из двух электродов: анода и катода. Для их изготовления используют угольные пластины, покрытые платиной. На аноде подающийся гидроген распадается, при потере электрона. В это время кислород на катоде соединяется с пришедшим патроном. По большому счету топливный элемент можно сравнить с батареей, у которой вырабатывается постоянный ток в результате химической реакции. Разница между ТЭ и батареей заключается в том, что он не накапливает электричество, не разряжается и его не нужно повторно заряжать. Он будет работать до тех пор, пока имеется запас топлива и воздуха. Отличительной особенностью еще можно назвать то, что элементы не сжигают топливо, как другие электрогнераторы.
Еще к плюсам углеводородных двигателей можно отнести их способность работать при низких температурах, что сокращает время запуска. Это происходит благодаря графитовым ячейкам, которые дают возможность проходить реагентам с сохранением электрического контакта с электролитом. Благодаря этому в холода не придется прогревать двигатель.
Правда у таких элементов имеется одна особенность. Низкая плотность изотопа несет с собой трудности проектирования системы для его хранения в машине. Для хранения придется использовать бак, превышающий обычный в 800 раз. Но сегодня разработаны основные решения для его хранения:
Пока заправка авто с водородным двигателем весьма дорогой процесс, требующий гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который обеспечивает запечатанную систему.
Массовые авто на водороде: быть или не быть?
Однозначно ответить на этот вопрос пока нельзя. Конечно, попытки создать или получить усовершенствованное экологически чистое и дешевое горючее не будут остановлены. Возможно, разработки будут вестись в совершенно другом направлении и гидроген не станет единственным альтернативным вариантом. Пока же некоторые дилерские центры готовы предложить автомобили на водородном изотопе. Так, уже есть марки Toyota, Honda, Mercedes-Benz, Hyundai, но их стоимость достаточно высока. Проходят испытания Ford, Nissan, Daimler и Volkswagen. Большой энтузиазм по внедрению проявляют азиатские страны, в частности Япония, Китай и Южная Корея. В этих странах наибольшие показатели ВЗС (водородно заправочных станций). Правительства этих стран проводят активную политику по внедрению легковых автомобилей и общественного транспорта на водородных частицах, а также расширяют сети для промышленного производства горючего.
Европейские страны, хотя и не в отстающих, но все же не спешат переводить автопром на водород. Связано это с минусами, которые были рассмотрены выше. К тому же государствам придется серьезно раскошелиться, чтобы содержать водородные станции. Водородным заправочным станциям непросто заменить разветвленную сеть обычных АЗС и по сегодняшним подсчетам она может обойтись более полутора триллионов долларов США. Еще одним сложным аспектом является получение самого изотопа. Сегодня используют:
В качестве последних серьезно рассматривают возможность получать газ из солнечной энергии, энергии ветра, из биомассы (с помощью бактерий) и отходов (путем их сжигания). Пока все методы имеют свои несовершенства, над которыми ученым и энергетикам еще предстоит поработать.
Подводя итоги, надо сказать, что успех внедрения углеводородного топлива и его использования во многом будет зависеть от сотрудничества стран и государств в этой области. Пока что уровень не очень высок. Не проводятся массовые испытания, не разрабатываются необходимые стандарты и не проводятся информационно-рекламные мероприятия призванные повысить интерес населения к новому горючему. Процесс перехода будет осуществляться постепенно и возможно займет не одно десятилетие. Однако в перспективе водород как вид топлива может быть очень востребован и для этого имеются все предпосылки.
Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
Плюсы водородного двигателя
Минусы водородного двигателя
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.