1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое двигатель на водородных элементах

Заправиться водородом: альтернативное топливо

В мире активно идут разработки топлива, которое может заменить бензин и дизель. Каких инноваций стоит ждать в ближайшем будущем — разбиралась РВК.

Создать альтернативу традиционным видам автомобильного топлива ученые пытались не одно десятилетие. Но скорее из спортивного интереса — речи о масштабном выводе разработки на рынок не шло. Запасов бензина и нефти было достаточно. Причем по приемлемым ценам, если не считать периодические скачки. Всерьез о необходимости нового топлива эксперты заговорили в начале 2000-х, когда заметно выросли цены на нефть. Параллельно стали ужесточаться экологические нормы и требования к выхлопам автотранспорта.

Оптимальным ответом на вызовы времени стало предложение гибридных двигателей, которые, кроме бензина, могли бы использовать электричество. Появились и газовые системы. Однако тренд последнего времени — разработка двигателей, которые работают за счет трех источников энергии: аккумуляторных батарей, водородных элементов и суперконденсаторов. Водородные элементы позволяют химически (без пламени) генерировать электричество, а аккумуляторы и конденсаторы его сохраняют. В итоге машина движется за счет накопленной электроэнергии, которую создает газовое топливо.

В отличие от обычных электрокаров, такой автомобиль получает значительный запас хода — даже больше, чем с бензиновым топливом. И это, кстати, актуально для России с ее огромными территориями и слишком холодными для электродвигателей зимами.

Еще одно важное преимущество водородных топливных элементов — то, что они позволяют запустить двигатель быстро без подзарядки аккумулятора, да и в обслуживании такой двигатель, как заверяют разработчики, неприхотливее классического. В целом за счет цены топлива и долговечности водородные машины, по-видимому, должны стать экономичнее для потребителей.

Варианты технологий

Газовые топливные элементы имеют немало различий. Поэтому компании-разработчики продолжают экспериментировать с вариантами нового двигателя. Самый популярный — топливный элемент с протонно-обменной мембраной. Он отмечается высокой плотностью энергии и быстрым запуском в компактном корпусе. Перспективной считается технология с использованием метанола. Но здесь есть и побочный эффект: углеродный остаток. Водород же в качестве остатка дает воду.

Также топливные элементы могут иметь различные типы электролитов, в которых ионные реакции протекают при разных температурах. Низкотемпературные требуют чистый водород, а значит, больше энергии и специальное оборудование. Высокотемпературные топливные элементы менее затратны, но не везде подходят.

Соревнования разработок

В отличие от беспилотных автомобилей, крупных технологических конкурсов по разработке водородных двигателей не проводится. Потенциальных участников не так много. Среди корпораций — разработчиков водородной технологии можно назвать лишь Toyota, Honda и Hyuindai.

Большинство конкурсов по «водородной альтернативе» проходят среди студентов технических вузов с призовым фондом до 1 тысячи долларов, а испытания проводятся на миниатюрных конструкторских моделях.

Например, ежегодный конкурс Hydrogen Car Challenge (H2 Challenge) среди университетских команд, проводимый компанией TransOptions. В ходе гонки профессиональное жюри оценивает следующие параметры: скорость модели, техническое проектирование, внешний дизайн, качество проектной документации.

Еще пример — ежегодный студенческий конкурс Chem-E-Car Competition, проводимый Американским институтом химических инженеров (American Institute of Chemical Engineers). Участники также работают на миниатюрных моделях, при этом водород должен вырабатываться на месте (либо на автомобиле), а использование баллонов водорода запрещено.

Среди других конкурсов по водородным топливным элементам стоит отметить соревнования, проводимые правительством Великобритании. В данном случае конкурсы имеют целью развитие инфраструктуры и экосистемы на основе водородного топлива.

Первый из таких конкурсов состоялся в 2016 году, в рамках которого участники могли получить софинансирование со стороны Департамента транспорта Великобритании на пополнение своих автопарков автомобилями на водородных топливных элементах. Суммарный объем фонда составил 2 миллиона фунтов стерлингов (160 миллионов рублей), победителями стали 14 организаций, в том числе Europcar (прокат автомобилей), Skanska (строительная компания), служба скорой помощи Йокршира.

Другой конкурс с более весомым бюджетом — 23 миллиона фунтов стерлингов (1,8 миллиарда рублей) — объявило Бюро по автомобилям с низким уровнем выбросов Департамента транспорта Великобритании в 2017 году. Цель подобных соревнований, как объясняют местные власти, — достичь нулевого выхлопа CO2 на транспорте к 2040 году.

Читать еще:  Шум под капотом на холодном двигателе

Конкурсы для разработчиков водородных технологий вскоре пройдут и в России. В июле стартовал сбор заявок на Up Great в рамках Национальной технологической инициативы. Среди первых трех конкурсов два — на создание водородных двигателей для летательных аппаратов и наземного транспорта. Возможные победители (при условии выполнения задания) станут известны уже в следующем году.

По результатам соревнований могут появиться новые разработки, которые подтолкнут развитие «водородного» рынка и соответствующей инфраструктуры в России. На данный момент ее практически нет.

Игроки рынка топливных элементов

Поскольку расходы на разработку водородных двигателей требуют еще значительных инвестиций, многие автопроизводители пока делают выбор в пользу альтернативных электродвигателей. Однако к 2020 году ожидается выход на рынок более 12 крупных производителей водородных двигателей. В частности, над разработками в этой области работают BMW, Daimler, Honda и Toyota. Демонстрационные авто уже эксплуатируются в Европе, США и Азии.

Хотя разработки водородных двигателей идут уже более десяти лет, основным сдерживающим фактором остается их высокая стоимость (в частности, платины, которая используется в составе). Для доработки и удешевления технологии компании начали создавать консорциумы-партнерства — как, например, Honda, Nissan и VW.

По оценкам Frost & Sullivan, к 2030 году глобальный рынок водородных двигателей составит около 583 тысяч единиц, причем на страны Азиатско-Тихоокеанского региона — Японию и Южная Корею — будет приходиться наибольшая доля продаж (219 тысяч и 80 тысяч соответственно). В других регионах ожидается более медленная динамика:117 тысяч к 2020 году в Европе и 119 тысяч — в Северной Америке.

Предполагается, что лидерами отрасли будут Toyota и Hyundai. На первого придется порядка 30% объема всех продаж к 2030 году, на Hyundai — около 25%.

Кстати, японцы уже разработали свою первую серийную модель автомобиля с водородным двигателем — Toyota Mirai. Автопроизводитель заявляет, что она отличится от своих аналогов повышенным запасом хода, который составит 480 километров.

Свой мелкосерийный водородный автомобиль в конце 2015 года представила и компания Honda — седан Honda Clarity Fuel Cell. Мощность двигателя составляет около 100 кВт (135 л.с.), заявленный запас хода — 700 километров, время заправки не превышает трех минут.

Конечно, стоимость этих машин сильно ограничивает их популярность. Например, в 2017 году водородная Honda стоила 3,3 миллиона рублей. Toyota в 2015 году — 66 тысяч евро, или 5,28 миллиона рублей по текущему курсу.

Создание инфраструктуры для заправки водородным топливом будет играть решающую роль в успешной коммерциализации заработок. Сейчас число водородных станций остается довольно низким, и это основной сдерживающий фактор роста рынка автомобилей на водородных двигателях. Сегодня в мире всего порядка 250 водородных заправочных станций, из них 75% — в Северной Америке и Европе. Великобритания поставила цель — создать к 2018 году 65 заправочных станций и более 840 — к 2030-му.

Ожидается, что автопроизводители будут постепенно продвигать водородные транспортные средства для соответствия нормативным требованиям по количеству выбросов вредных веществ, а также исходя из развития инфраструктуры водородных заправочных станций.

Несмотря на то что основной рынок водородного топлива — автомобили, перспективы этих двигателей наблюдаются и в других транспортных индустриях. Они используются и в авиации, железнодорожном транспорте, морской технике.

Например, компания MAN Truck & Bus производит городские низкопольные автобусы на водороде. Они уже эксплуатируются в Европе.

Компания Boing совместно с европейскими компаниями в 2008 году запустила первый пилотируемый полет самолета с двигателем на топливных элементах. В Германии компания Siemens занимается выпуском подводных лодок на водороде (плюс их в том, что они практически не производят шума).

Читать еще:  Что такое турбовинтовой двигатель

Испанская судостроительная компания Navantia, S.A. также планировала начать производство водородных подводных лодок для охраны побережья. Однако испытания в 2013 году прошли неудачно: из-за конструкторских ошибок спроектированные лодки оказались значительно тяжелее и испытывали трудности при всплытии.

Зато Исландия планирует перевести на водород весь транспорт, включая общественный, личные автомобили и плавательные средства. Начать решили с рыболовецких судов. Так, в 2008 году сообщалось, что 12 тысяч судов рыболовного флота будут оснащены водородными двигателями.

Перспективы водородных автомобилей в России

Российский рынок транспортных средств на водородных топливных элементах фактически отсутствует. Официальные поставки водородных моделей мировых автопроизводителей — Toyota, Honda, Hyundai — в Россию не планируются, в первую очередь из-за отсутствия заправочных станций, а также конкретных планов развития водородного транспорта в стране.

Вместе с тем существуют определенные перспективы. Водородные автомобили имеют преимущество в потенциальном запасе хода в условиях холодных российских зим на фоне электромобилей, которые значительно сокращают его в холодное время года. Предполагается, что стоимость в обслуживании таких автомобилей может стать ниже классических моделей, что также сыграет существенную роль в потребительских предпочтениях и развитии рынка.

Многое о перспективах развития водородной технологии в России могут сказать результаты конкурсов «Первый элемент» по разработке альтернативных двигателей в рамках технологических конкурсов Up Great.

Принцип работы

Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н2О.

Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом. Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним. Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

Что на деле?

Общая установленная мощность объектов энергетики ЕС превышает тысячу ГВт (сказать точнее сложно, поскольку данные Евростата опаздывают на два года). Таким образом, планы по строительству электролизеров на 40 гигаватт не выглядят революционными. Особенно, если учесть, что за последние 10 лет из эксплуатации там было выведено 66 ГВт только в связи с закрытием угольных ТЭС.

В планах Брюсселя – дальнейшее сокращение их доли в общем объёме генерации. Вкупе с намерением Германии закрыть к 2022 году все свои АЭС, ещё недавно производивших около четверти всего электричества в ФРГ, это грозит Старому свету дефицитом энергоресурсов, избежать которого водород никак не поможет. Покрывать его придётся, прежде всего, за счёт роста потребления природного газа, а потому всерьёз рассуждать о том, что H2 в обозримой перспективе сможет составить ему конкуренцию весьма наивно.

В США же речь и вовсе идёт о заявлениях, за которыми не стоит ничего конкретного, кроме желания сделать пиар на зелёных технологиях. Та же NextEra, например, на самом деле собирается лишь «провести ряд экспериментов с новыми технологиями, чтобы установить их экономическую эффективность». А уже потом, в случае, если испытания пройдут успешно, принять решение о переводе ТЭС в Окичоби на водород. Произойдёт ли это в действительности, и если да, то когда именно, сказать сегодня невозможно.

Тем более, что финансовые результаты корпорации, достигнутые по итогам второго квартала, мягко говоря, не впечатляют. Её прибыль по сравнению с аналогичным периодом 2019-го упала на 15,5%, до $4,2 млрд, что на $1,12 млрд меньше, чем прогнозировали аналитики с Уолл-Стрит. Это значит, что в ближайшее время вопросам рентабельности в NextEra будут уделять особое внимание, что никак не коррелируется с внедрением водорода. Ведь любой из методов его производства гораздо дороже, чем добыча нефти или газа.

Читать еще:  2 тактные двигатели рабочая температур

Авто на водороде

  • Тойота, приручившая водород, — Fuel Cell Sedan — это комфорт и вместительность стандартной модели. Для того чтобы увеличить пространство в салоне и багажнике, сжатые резервуары водорода расположены в полу автомобиля. Предназначена машина для пяти пассажиров, цена составит 67500 $.
  • Технологии космоса в обычной жизни. BMW Hydrogen 7 уже доказал свои возможности на практике, порядка ста автомобилей BMW Hydrogen 7 были тестированы выдающимися деятелями культуры, политики, бизнеса и средств массовой информации. Опыт испытания в реальных условиях показал, что переход на водород полностью совместим с комфортом, динамикой и безопасностью, которые вы могли бы ожидать от BMW. Авто можно переключать с одного вида топлива на другой. Максимальная скорость 229 км/ч.
  • Генератор энергии Honda FCX Clarity. По словам разработчиков, можно подключить к трансформатору и снабжать электричеством все бытовые приборы. Баки с водородом находятся под задними сидениями, а после полной заправки топлива ей хватит на 500 км. Цена от 62807 $.
  • Часть автобусов MAN работает на водороде.

Топливный элемент

Двигатели с топливным элементом самостоятельно производят электроэнергию путем расщепления водорода на отрицательные электроны и положительные протоны. Использование таких двигателей приносит пользу при больших объемах, поэтому чаще всего применяются в большегрузах. На данный момент в Дании, США и Японии тестируют железнодорожные составы, которые работают на двигателях с топливным элементом. Это перспективный путь развития альтернативного топлива, потому что расход водорода меньше расхода бензина на единицу расстояния.

Еще одним направлением для разработки таких двигателей является авиация. В самолете ТУ-154 как раз таки и использовался такой топливный элемент, конечно же, после распада СССР все разработки в этом направлении были заморожены. Тем не менее над проектом пассажирского самолета, который будет работать на водороде, работают ученые Европейского Союза и Китая. Для того чтобы двигатель мог работать, такой самолет должен развить гиперскорость, что будет возможно сделать только при наличии дополнительного двигателя. Преимущества ДВС на водороде связаны с его воздействием на окружающую среду и высоким КПД.

Другие автоновости за этот день

В связи с проводимой оптимизацией деятельности подразделений Госавтоинспекции с 1 октября 2021 года предоставление государственных услуг будет прекращено в обособленном подразделении Межрайонного регистрационно-экзаменационного отдела ГИБДД ГУ МВД России по г. Санкт-Петербургу и Ленинградской области, расположенном по адресу: г. Санкт-Петербург, Дальневосточный пр., д. 41, стр. Б.

Запуск рабочего движения по новому участку Софийской улицы до Московского шоссе и промзоны «Металлострой» подрядные организации обеспечили в установленный срок. Протяжённость нового участка дороги — свыше 4 км. Работы, по заказу города с 2019 года вела подрядная организация «Буер».

«Группа ГАЗ» представляет целую серию премьер на Международной выставке коммерческого транспорта COMTRANS 2021. 15 моделей автомобилей и автобусов нового поколения, свыше 100 новых конструктивных решений: электромобили и водоробусы, машины с интеллектуальными цифровыми сервисами, автобусы повышенной комфортности для маломобильных пассажиров, транспорт с системами обеззараживания воздуха для дополнительной защиты здоровья в период эпидемии, грузовики с автоматической коробкой передач и системами ADAS — эти и другие новинки можно будет увидеть на выставке COMTRANS в МВЦ «Крокус Экспо» в Москве с 7 по 11 сентября.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector