Водородные двигатели: принцип работы машин на водородном топливе, плюсы и минусы

Содержание
  1. Немного истории
  2. История создания водородного двигателя
  3. Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку
  4. Где использовались водородные топливные элементы?
  5. Прав ли Илон Маск?
  6. Водород против лития
  7. Отличительная черта водородных двигателей
  8. Принцип работы водородного двигателя
  9. Водородные моторы внутреннего сгорания
  10. Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания
  11. Двигатели на водородных элементах
  12. Особенности заправки водородом
  13. А где брать водород?
  14. А сколько это стоит?
  15. Авто на водороде
  16. Самые популярные автомобили с водородным ДВС
  17. Honda Clarity
  18. Toyota Mirai
  19. Ford Airstream
  20. Mercedes-Benz GLC F-CELL
  21. Pininfarina H2 Speed
  22. BMW Hydrogen 7
  23. Hyundai Nexo
  24. Grove Obsidian
  25. Другие авто
  26. Плюсы и минусы водородной установки для автомобиля
  27. Трудности в эксплуатации водородных ДВС
  28. Вода как вид топлива, говорят возможно.
  29. Опасность водородного топлива
  30. Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?
  31. Можно ли сделать своими руками?
  32. Подведем итоги

Немного истории

О необходимости сохранения окружающей среды человечество стало задумываться совсем недавно, а вот мысли о замене обычного ДВС учёные начали задумываться намного раньше.
Так, с руки учёного Франсуа Исаака де Риваза, уроженца Франции, первый двигатель на водороде был изготовлен в 1806 г. В 1841-м в Британии был получен первый патентный договор на изготовление водородного мотора, а в 1852-м германские учёные смогли создать ДВС, функционирующий на воздушно-водородной смеси.
Однако планам внедрения водородных моторов помешали бензиновые двигатели, получившие распространение после 1870 года.
Повторно о водороде как альтернативном топливе вспомнили только в 1941 году в блокадном Ленинграде. Тогда советский техник Б.Шелищ применил воздушно-водородный «коктейль» для запуска заградительных аэростатов.

Потом о водороде снова позабыли, пока в 70-х годах в двери не постучался всемирный топливный кризис. В конце 70-х автоконцерн БМВ выпустил своё первое авто, функционирующее на водороде, а затем его примеру последовали и другие компании, в числе которых — американская General Motors и Ford, японская Honda и прочие.
Тем не менее, как только кризис сошёл на нет, интерес к водороду как источнику энергии снова угас. И вот спустя десятилетия человечество снова вспомнило о его существовании, чему поспособствовала не только активизация защитников окружающей среды, но и рост цен на горючее.

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.

Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку

Интерес к применению водорода появился еще в 70-х годах в период острого дефицита топлива. Первым современным разработчиком, который представил двигатель для автомобиля работающий на водороде, стал концерн Toyota. Именно он в 1997 году выставил на всеобщее обозрение внедорожник FCHV, который так и не пошел в серийное производство.

Несмотря на первую неудачу, многие компании продолжают исследования и даже производство таких автомобилей. Наибольших успехов добились концерны Тойота, Хендай и Хонда. Разработки ведут и другие компании — Фольксваген, Дженерал Моторз, БМВ, Ниссан, Форд.

В 2016 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom. Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение в конце 2017 года по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Интерес к покупке Coranda iLint уже проявила Норвегия, Дания и другие страны.

Где использовались водородные топливные элементы?

Особенность топливных элементов водородного типа —способность производить энергию для электрического мотора. Как результат, система заменяет ДВС или становится источником бортового питания на транспортном средстве.Впервые топливные элементы были использованы в 1959 году компанией из США.

Если говорить в целом, топливные элементы применяются:

  • НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ. В отличие от КПД стандартного двигателя, они показывают лучшие результаты. На испытании первого автобуса топливные элементы показали КПД в 57%. Сегодня такие устройства тестируются многими производителями автомобилей — Хонда, Форд, Ниссан, Фольксваген и другими.
  • НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. На современном этапе больше 60% транспорта на ж/д — тепловозы. Сегодня водородные поезда разрабатываются во многих странах — Японии, Дании, США и Германии.
  • НА МОРСКОМ ТРАНСПОРТЕ. Водородные топливные элементы наиболее востребованы на подводных лодках. Активные работы в этом направлении ведутся в Германии и Испании, а в роли заказчиков выступают другие страны, среди которых Италия, Греция, Израиль.
  • В АВИАЦИИ. Первые самолеты на водородном двигателе появились еще в 80-х годах прошлого века. На современном этапе новый вид топлива применяется для создания беспилотных летательных аппаратов (в том числе вертолетов).

Также водородные топливные элементы нашли применение на вилочных погрузчиках, велосипедах, скутерах, мотоциклах, тракторах, автомобилях для гольфа и другой технике.

Прав ли Илон Маск?

Словосочетание «водородный автомобиль» в современном мире имеет два значения. Существуют две концепции использования этого газа в качестве автомобильного топлива. Водородным автомобилем называют транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания, в котором для движения используется энергия, выделяющаяся при сгорании водорода. Сегодня это би-топливные автомобили, такие как BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen, работающие как на бензине, так и на водороде. Вторая концепция — автомобили на водородных топливных элементах.

Этот вид транспортного средства, по сути, разновидность электромобиля. Тягу создает электромотор, а основное отличие в том, что роль источника питания играет не аккумулятор, а блок водородных топливных элементов, вырабатывающих электроэнергию в результате взаимодействия водорода и кислорода. Самое важное здесь, что реакция в топливных элементах происходит без процесса горения.

В смеси с воздухом или кислородом водород образует гремучий газ — название говорит само за себя. Гремучий газ самовоспламеняется при атмосферном давлении — именно это и стало причиной крушения «Гинденбурга». Кроме того, водород не обладает запахом, зато имеет свойство проникать сквозь другие материалы. Поэтому обращение с ним требует предельной осторожности.

Описание
6 марта 2018 года: Hyundai Nexo с двигателем на топливных элементах (дистанция до 800 км), Женевский автосалон. Фото: Shutterstock

В отличие от оболочки «Гинденбурга», взрывоопасный газ в системе автомобиля на топливных элементах или би-топливного автомобиля никогда не находится в условиях опасного атмосферного давления. Газ хранится в прочных и герметичных баках, непроницаемых для водорода и защищенных от внешних воздействий. Так, в Toyota Mirai, первом в мире серийном автомобиле на водородных топливных элементах, газ хранится в двух баллонах высокого давления (700 бар) из углепластика с трехслойной структурой емкостью 60 и 62,4 литра. По заявлению производителя, разрушение баллонов невозможно даже в случае ДТП. Утечка газа вне бака также маловероятна — автоматика отключит подачу при любом изменении давления в системе. BMW и немецкая экспертная организация TÜV Süddeutschland (TUV) проводили испытания системы хранения водорода BMW Hydrogen 7. Бак с газом пытались разрушить под высоким давлением, нагревали до температуры 1000 °C в течение 70 минут, подвергали механической деформации и ударным нагрузкам. Водород так и не взорвался.

Водород против лития

Серийные электромобили, в которых для движения используется энергия, накопленная в аккумуляторах, появились задолго до 2013 года, когда Toyota представила концепт Mirai. Силовая установка электромобиля — это тяговый электродвигатель, который приводит в движение ведущие колеса. Для питания электродвигателя используется ТАБ — тяговая аккумуляторная батарея. Электромобиль прост, а потому его ценность для потребителя потенциально очень велика. Однако превращению электромобилей в самый массовый вид транспорта мешает отсутствие революционных технологических прорывов в развитии аккумуляторных батарей. Вернее, один важный прорыв все-таки произошел: с появлением литий-ионных аккумуляторов, имеющих более высокую емкость при небольшом весе в сравнении с традиционными никель-металл-гидридными и совсем уже архаичными свинцовыми аккумуляторами. После этого в развитии аккумуляторных технологий наблюдается лишь стабильное поступательное движение. Производители постоянно предлагают решения, позволяющие повысить емкость литий-ионных батарей. Так, российская технологическая компания Drive Electro разработала на основе самых прогрессивных литий-титанатных (LTO) аккумуляторных ячеек батареи для пассажирского транспорта. На подзарядку литий-титанатных батарей второго поколения требуется всего от 6 до 20 минут, а это примерно в 20 раз меньше в сравнении со средним временем зарядки литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, литий-титанатные батареи не подвержены воздействию экстремальных низких температур — их можно заряжать без дополнительного подогрева и эксплуатировать при температуре до –40 °С. Это позволяет говорить о круглогодичной эксплуатации электромобилей в российских условиях. Что же касается долговечности, то, по заявлению производителя, аккумулятор выдерживает не менее 20 тысяч циклов полного заряда и разряда, что эквивалентно примерно 15 годам ежедневной эксплуатации. Правда, следует сразу оговориться, что пока статистики, подтверждающей это заявление, нет. Компания устанавливает свои батареи только на электробусы, да и те начали курсировать по улицам Москвы только в сентябре 2017 года.

Отличительная черта водородных двигателей

В конструктивном плане водородный мотор мало чем отличаются от стандартных ДВС. В нем также присутствуют поршни, камера сгорания и шатунно-кривошипный механизм. Так в чем же отличие?
Дело в том, что водородные моторы используют иной способ поставки топливной смеси и её последующее возгорание. Кроме того, процесс сгорания водорода занимает намного меньше времени, чем в случае с горючим нефтяного происхождения. Отличия незначительны, и на первый взгляд может сложиться впечатление, что переоборудовать обычный ДВС в водородный несложно, но это не так.
Ряд проблем использования двигателя на водороде:

  1. Водород сложно получить. Не секрет, что он содержится в воде и по праву считается самым распространённым химическим элементом в мире, правда, в чистом виде он практически не представлен. Это значит, что автомобиль необходимо оснащать специальной установкой закрытого типа — электролизёром, отвечающим за расщепление воды и позволяющим добыть водород. Однако на практике такая установка сложна в изготовлении, что сильно влияет на её конечную стоимость.
  2. Водород из-за высокой температуры сжатия легко вступает в реакцию с различными металлическими элементами силовой установки и даже с моторным маслом.
  3. Даже маленькая утечка водорода при контакте с разогретым коллектором вызовет возгорание. Именно поэтому сегодня при создании водородных моторов используются исключительно роторные силовые установки, так как они позволяют снизить риск возгорания из-за большего расстояния между коллектором впуска и выпуска.

Тем не менее, большую часть проблем пока удаётся решать, причём не только на роторных установках, но и в двигателях, использующих поршневые механизмы, что позволяет водороду оставаться наиболее перспективной заменой бензину/дизелю.

Принцип работы водородного двигателя

Функционирование двигателя на водородном топливе отличается от действия двигателя внутреннего сгорания, прежде всего, особенностями подачи и воспламенения смеси топлива, но принцип работы остаётся таким же.

Бензин горит медленно, а в случае с водородом время впрыска сдвигается к моменту возвращения поршня к крайнему положению, давление же может быть низким.

Водородный двигатель в идеальных условиях и вовсе способен работать без поступления воздуха: в камере сгорания останется после сжатия пар, который снова станет водой (это обеспечит радиатор). Однако на практике добиться этого сложно, т. к. на авто придётся устанавливать электролизер (специальное устройство, отделяющее водород от воды с целью осуществления реакции с кислородом).

Водородные моторы внутреннего сгорания

В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.

В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).

В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.

После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от H2O для последующей реакции с O2.

Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.

Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

Устройство водородного двигателя внутреннего сгорания

Такой движок практически ничем не отличается от пропанового агрегата, поэтому часто владельцы таких машин просто перенастраивают двигатели (но это и приводит к снижению КПД).

Как работает машина с водородным двигателем? В ней установлен генератор: внутри него протекает реакция окисления водорода, в конце которой получаются азот, пар и электрический ток (углекислый газ в продуктах распада отсутствует).

Автомобиль с таким силовым агрегатом можно сравнить с электрокаром, но с более компактным аккумулятором. На рабочий режим элемент выходит спустя пару минут после запуска, а вот на прогрев до рабочей температуры может уйти и час (на точное время влияет температура окружающей среды). Появляется вода, а электроны из анодной камеры попадают в электрическую цепь, подключенную к движку. Иными словами, получается ток, питающий автомобильный водородный двигатель.

Двигатели на водородных элементах

Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).

В анодную секцию подается H2, а в катодную камеру — O2. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).

Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.

Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

Особенности заправки водородом

Работающие на водородном топливе авто заправлять сложнее, чем привычный транспорт. Заправка выполняется газом в сжатом или сжиженном состоянии.

При этом водород уменьшается в объёме почти в 850 раз, температура в жидком виде достигает –259°C, а давление газа – 350 или 700 атмосфер.

На большинстве заправок топливо продаётся в газообразном состоянии. Жидкость встречается только на 10% станций. Использующих её машин тоже немного, включая выпускавшуюся в 2007-2008 годах модель BMW HydroGen 7 и авто HydroGen3 от GM с баками для газообразного и жидкого водорода.

Время заправки водородным топливом составляет около 5 минут. Примерно столько же тратится на заполнение полного бака бензинового транспорта. Современные технологии позволяют уменьшить это время до 3 минут – быстрее, чем придётся ждать на заполнение баллона с природным газом.

А где брать водород?

Водород можно получать разными методами:

  • паровая конверсия метана и природного газа;
  • газификация угля;
  • электролиз воды;
  • пиролиз;
  • биотехнологии.

Наиболее экономичным способом производства водорода сейчас считается паровая конверсия. Так называют получение водорода из легких углеводородов (метан, пропан-бутановая фракция) с использованием парового риформинга. Риформингом называют процесс каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара. Водяной пар смешивается с метаном при высокой температуре (700–1000 Сº) и большом давлении с использованием катализатора.
При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз.
Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород.
Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.

Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.

А сколько это стоит?

Говоря об эффективности, невозможно пройти мимо стоимости энергии и самих автомобилей. Самой большой выбор автомобилей на водородных топливных элементах сегодня доступен в США. Кроссовер Hyundai Tucson Fuel Cell можно приобрести только в лизинг на 36 месяцев с первоначальным взносом в 2999 долларов и ежемесячной платой в 499 долларов. Тойота Mirai стоит 57 500 долларов, однако компания предлагает выгодные арендные соглашения покупателям из Калифорнии, где сегодня действует самая развитая инфраструктура заправочных станций. Цены на Honda Clarity Fuel Cell начинаются от 34 290 долларов. Покупатель автомобиля на топливных элементах в США получает назад часть денег от государства в качестве поощрения за участие в развитии «зеленой» мобильности. Например, в случае покупки Clarity Fuel Cell выплата составит 7500 долларов. Помимо перечисленных в США продаются и такие модели, как Mercedes-Benz F-Cell или Hyundai Nexo. В Британии есть собственный бренд — Riversimple Rasa. Запуск в серию автомобилей на водородных топливных элементах планируют практически все крупнейшие автопроизводители — от французского Renault до General Motors и китайского FAW.

Количество брендов, предлагающих электромобили на глобальном рынке, исчисляется десятками. На российском рынке на данный момент официально представлено менее 10 моделей, среди которых Nissan Leaf 2, Tesla Model 3, BMW i3s, Smart Fortwo Electric Drive и другие. Самый дорогой — Tesla Model X стоимостью не менее 9 миллионов рублей. Самый дешевый — Renault Twizy за 949 тысяч рублей.

Коммерческие станции подзарядки для электромобилей взимают плату не за электроэнергию, а за время подключения. Стоимость составляет от 10 до 15 рублей за минуту. При силе тока до 125A и напряжении 550В аккумулятор Tesla Model 3 будет полностью заряжен примерно за 50 минут. При стоимости минуты 10 рублей за полный цикл придется заплатить 500 рублей. С учетом среднего запаса хода в 320 километров стоимость одного километра составит 1,56 рубля.

Поскольку в России нет инфраструктуры водородных заправочных станций, о цене топлива для водородных автомобилей можно судить лишь по рынкам других стран. Так, в Германии 1 килограмм водорода стоит 9,5 евро, и заправка 4,7 кг (средний объем топливного бака) обойдется примерно в 45 евро. При запасе хода в 600 км стоимость одного километра составит примерно 0,75 евро.

И для сравнения: в России стоимость 1 километра, пройденного на автомобиле, потребляющем 10 литров бензина с октановым числом 92 на 100 км, сегодня составляет примерно 4,3 рубля.

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.

Самые популярные автомобили с водородным ДВС


На фото: Riversimple Rasa

Несмотря на то, что учёные продолжают ломать голову над устранением текущих проблем, связанных с использованием водородных моторов, количество машин на водородном топливе продолжает расти. Самыми известными авто, функционирующими на водороде, являются:

  1. Тойота Mirai FCV – автомобиль впервые дебютировал в 2013 году, но в продажу поступил лишь в 2015-м. Имеющиеся в нем баллоны обеспечивали «дальнобойность» около 500 км.
  2. BMW 750hL, концептуальная версия которого была показана ещё в 2000-м году. Машина комплектуется специальным баком с водородов, запаса которого достаточно для преодоления расстояния в 300 км.
  3. Honda Clarity – ещё один автомобиль, использующий водород вместо классического топлива. Основные достоинства модели — эффектная внешность и впечатляющий, по меркам водородных авто, запас хода, составляющий 589 км.
  4. Riversimple Rasa – небольшой водородный автомобиль родом из Великобритании. Его главной особенностью стал небольшой вес (чуть более 500 кг) и внушительный запас хода – порядка 500 км.

Кроме того, производители продолжают представлять «водородные» концепт-кары, среди которых — Audi H-tron Quattro, водородный Mercedes GLC, грузовик Nikola One от Nikola Motor, суперкар H2 Speed от дизайнерского дома Pininfarina и многие другие.

Honda Clarity

Автомобиль продавали в Японии и Калифорнии до 2014 года. Запас хода около 600 км, что больше, чем у любого электрокара. Заправляется Honda Clarity за считанные минуты.

Затем автоконцерн Honda выпустил конкурента Toyota Mirai, цена которого 72 тыс. долл. под названием Clarity Fuel Cell. На полной заправке можно было проехать до 700 км. Мотор имеет мощность 174 л.с. Автомобиль 5-местный.

Toyota Mirai

Это японский автомобиль, который создали после несколько десятков лет разработок. Автомобиль сначала выпустили для японского рынка, а затем и для американского.

Запас хода автомобиля на одной заправке 502 км, максимальная скорость – 178 км/ч., мощность – 153 л.с. В авто встроена система, которая видит препятствия и автоматически включает тормоз. В машине есть сенсорные экраны, при помощи которых осуществляется управление навигацией и микроклиматом.

Ford Airstream

Это гибридный автомобиль с электрическим мотором и водородными ячейками. Поэтому кроме водорода автомобиль может применять для движения аккумуляторы, которые подзаряжаются от водородных элементов.

На аккумуляторе Ford Airstream может проехать около 40 км (это половина заряда), а затем активируется водородное топливо. Запас хода чуть более 450 км, а максимальная скорость — 135 км/ч.

Mercedes-Benz GLC F-CELL

Это первый серийный автомобиль, который сочетает в себе аккумулятор и водородные топливные ячейки. На электричестве он может проехать 50 км, а на водороде – около 430 км. Отмечу, что аккумулятор можно зарядить от обычной электрической розетки.

Автомобиль можно использовать как в качестве электрокара на небольшие расстояния, так и в качестве водородного авто для длительных поездок.

Pininfarina H2 Speed

Это итальянский автомобиль, который способен разгоняться до 100 км/ч всего за 3,4 секунд. Максимально автомобиль может разгоняться до 299 км/ч. Запасы чистого водорода в баке – чуть более 6 кг. Кроме этого Pininfarina имеет мощный аккумулятор и электромоторы. Цена этого продвинутого автомобиля составляет 2,5 млн. долл.

BMW Hydrogen 7

Авто создано на базе стандартной BMW 7. Он работает как на бензине, так и на жидком водороде. В BMW Hydrogen 7 имеется бензиновый бак на 74 литра и большой водородный баллон весом целых 8 кг. Таким образом, максимальный запас хода в этой машине 780 км.

Автомобиль автоматически переключается между двумя типами топлива. Мощность двигателя на водороде – 228 л.с., а на бензине – больше на 32 л.с. Максимальная скорость 229 км/ч, разгон до 100 км/ч осуществляется чуть меньше, чем за 10 секунд.

Hyundai Nexo

Этот автомобильный концерн также стал одним из первых производить серийные водородные автомобили. Мощность двигателя Hyundai Nexo составляет 161 л.с., запас хода – 600 км. Разгоняется авто до 100 км/ч за 10 секунд. Цена автомобиля от 70 тыс. долл.

Grove Obsidian

Это водородный китайский автомобиль нового поколения, у которого запас хода составляет впечатляющие 1000 км. Он экономно расходует топливо за счёт облегчённого корпуса из углеродного материала и невысокому аэродинамическому сопротивлению. Заправка бака происходит всего за 3 минуты, а сам топливный бак очень прочен. А если бак будет повреждён, то водород из него вытечет в жидком виде и сгорит менее чем за 2 минуты.

Серийно автомобили станут выпускать с 2020 года, а к 2030 планируется создать 1 миллион экземпляров.

Другие авто

Ограниченно выпускают:

  • Audi A7 h-tron quattro;
  • Hyundai Tucson FCEV;
  • Mazda RX-8 Hydrogen RE;
  • Автобус Ford E-450;
  • Низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

  • Focus FCV;
  • Honda FCX;
  • Nissan X-TRAIL FCV;
  • Toyota Highlander FCHV;
  • Volkswagen — space up!;
  • Mercedes-Benz A-Class и Mercedes-Benz Citaro;
  • Irisbus;
  • Toyota FCHV-BUS;
  • единичные модели в Чехии, Китае и Бразилии.

Плюсы и минусы водородной установки для автомобиля

Расскажу про плюсы и минусы топлива, которым заправляют водородный автомобиль.

Недостатки водородного топлива:

  • Нет эффективного способа добычи газа, к тому же производство загрязняет окружающую среду.
  • Для создания сети водородных заправок требуются внушительные средства (около 2 млн. долл. на одну среднюю заправку). Поэтому очень сложно найти заправки, их практически нет.
  • Высокая стоимость автомобиля.
  • Передвигаться можно лишь в тех местах, где имеются заправки.
  • Стоимость заправки будет стоить столько же, как и бензин. В этом смысле электрокар гораздо выгоднее.
  • Водородный автомобиль тяжёлый из-за сложной конструкции: много топливных ячеек, аккумулятор, электропреобразователь, большие баллоны для водорода, где давление целых 700 атм. В электромобиле всё проще – требуется только место под большой АКБ.

Плюсы водородного топлива:

  • Нет вредных выбросов в атмосферу.
  • Водородные двигатели практически не шумят.
  • Быстрая заправка – менее 5 минут.
  • Есть большой потенциал для развития.
  • Водород даёт в 3 раза больше энергии, чем бензин.
  • Высокий крутящий момент при начале движения.
  • Водорода очень много на планете – 1% от массы Земли. При сгорании он просто превращается в воду, поэтому – это неиссякаемый источник энергии по сравнению с другим ископаемым топливом.
  • Водород безопаснее бензина, он воспламеняется в 15 раз меньше. Но если на водород попадёт искра, то он моментально воспламенится.
  • Хороший запас хода водородного авто – 400-1000 км.

Трудности в эксплуатации водородных ДВС

Главным препятствием для внедрения новой технологии является чрезмерные расходы на получение водородного топлива, а также на приобретение комплектующих материалов.

Возникают проблемы и с хранением H2. Так, для удерживания газа в требуемом состоянии требуется температура на уровне -253 градусов Цельсия.

Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство H2 требуется в промышленных масштабах, не обойтись без высоких энергетических затрат.

Чтобы повысить рентабельность производства, требуется применение возможностей ядерной энергетики. Чтобы избежать рисков, ученые пытаются найти альтернативы такому варианту.

Перемещение и хранение требует применения дорогих материалов и механизмов высокого качества.

Нельзя забывать и о других сложностях, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации:

  • Взрывоопасность. При утечке газа в закрытом помещении и наличии небольшой энергии для протекания реакции возможен взрыв. Если воздух чрезмерно нагрет, это только усугубляет ситуацию. Высокая проникаемость H2 приводит к тому, что газ попадает в выхлопной коллектор. Вот почему применение роторного мотора считается более предпочтительным.
  • При хранении водорода применяются емкости, имеющей большой объем, а также системы, исключающие улетучивание газа. Кроме того, используются устройства, исключающие механическое повреждение емкостей. Если для грузовых машин, водного или пассажирского транспорта эта особенность не имеет большого значения, легковая машина теряет ценные кубометры.
  • При больших нагрузках и высокой температуре H2 провоцирует разрушение элементов ЦПГ (цилиндропоршневой группы) и смазки в двигателе. Использование специальных сплавов и смазочных материалов приводит к повышению стоимости производства водородных двигателей.

Вода как вид топлива, говорят возможно.


Сегодня мы зальём несколько капель воды в бензобак и утроим пробег автомобиля. Добудем водород из обычной воды методом электролиза, и этого хватит для обслуживания дома. А чашка морской воды, которой на Земле видимо-невидимо, решит мировой энергетический кризис. Мы обсуждаем сегодня возможность использования воды в виде альтернативного топлива.

Если вы следите за новостями, то вероятно слышали о широко нашумевших случаях извлечения энергии из воды. На вашу почту, вероятно, приходили сообщения о коварном правительстве и нефтяных компаниях, которые скрывают правду о двигателе, работающем на воде. Попробуйте погуглить фразу «двигатель на воде», и вы обнаружите массу примеров: это чисто, это бесплатно, это не выделяет углекислый газ, но наука не развивает двигатель, работающий на воде вследствие заговора молчания.

Автору приходилось слышать об устройстве гидролиза воды, которое работает от автомобильного аккумулятора. Получаемый газ добавляется в цилиндры двигателя, существенно снижая потребность в бензине и значительно повышая мощность. Так как генератор автомобиля вырабатывает 12 Вольт постоянно, источник энергии из воды неиссякаем. Fox News посвятили целую передачу, в которой двое приятелей заправляли армейский Хаммер одной только водой. Звучит впечатляюще, правда?

Не столь давно новости выдали следующую историю об энергии из воды. Пенсионер с инженерным опытом, занимаясь дома разработкой средства от рака, обнаружил, что морская вода электризованная радиоволнами, может гореть. Телерепортёры радостно подхватили новость и подняли шум. Это неудивительно, ведь морской воды полно, сжигание её не выделяет вредных веществ, а тепло от реакции можно использовать для получения электричества или многих других целей.

Можно ли использовать воду в виде топлива? Может ли решение находиться прямо под нашим носом? Или перефразируем вопрос: Могут ли столь громкие заявления не гарантировать здорового скептицизма?

Короткий ответ да, заявления о двигателях на воде гарантируют скептицизм и не дают решения проблем, о которых задумывались ранее. Использование воды в виде топлива потребляет больше энергии, чем вырабатывает. Телевизионные репортёры трубят о двигателях на воде, не анализируя научную сторону сенсации.

Давайте начнём с морской воды. Джон Канзиус (John Kanzius) носился с идеей атаковать раковые клетки радиоволнами, нацеливая металлические пластины. Во время экспериментов была замечена конденсация паров воды в пробирке, что привело к попыткам опреснять морскую воду. Это сработало. Интенсивные радиоволны приводили к электролизу воды, высвобождая водород. В ходе реакции водород может поддерживать постоянное пламя. Горение, в свою очередь, можно использовать для выработки электроэнергии. Раструм Рой (Rustum Roy), химик Университета Пенсильвании, назвал электролиз радиоволнами «наиболее значительным открытием в воде за последние 100 лет». Затраты электроэнергии для генерации радиоволн значительно превышают энергию полученного пламени, но кого это интересовало? Каким-то образом новость попала в прессу под нужным углом зрения, полностью игнорируя важнейшие вопросы получения энергии. СМИ вырвали из контекста нужную часть сказанного Роем, что полностью исказило его высказывание. Проще говоря, получение пламени Канзиуса требовало невероятных затрат электроэнергии. Вода никак не является топливом. В данном случае вода явилась элементом преобразования радиоволн в тепло. Можно было бы сказать: «Хорошо, пусть это неэффективно сейчас. Но можно работать в таком направлении и развивать тему двигателя работающего на воде. Кто может предсказать потенциал?» Если бы! Термодинамика неумолима. Затраты электроэнергии для получения радиоволн всегда будут превышать энергию пламени. Кстати, Джон Канзиус продолжает искать методы борьбы с раковыми клетками.

А как насчёт автомобильных двигателей? Используя энергию генератора, получать водород из воды, добавлять его в топливо, существенно поднимая эффективность. Наполнять бак водой одновременно с заправкой бензином, используя воду как топливо. Правильно? Нет, не правильно. Сварщик засмеял бы подобный вопрос без долгих раздумий. Кислородно – водородная горелка известна давно, она используется для сварки металлов. Основной недостаток окисления водорода это высокая взрывоопасность, вспомните взрыв при запуске «Челенджера» в 1986 году. Правда автомобилестроители не рассматривают такой вид топлива по другой причине, затраты на гидролиз воды значительно превышают энергию пламени. Но ведь сварка не самый лучший образец экономичности, да и горелка соответствует требованиям, давая температуру более 2000°C. Превышение затрат энергии на гидролиз воды в автомобиле потребует более мощную систему электроснабжения и, соответственно, более мощный двигатель. В любом случае, энергетический баланс системы с «двигателем на воде» не будет положительным.

К сожалению, вода в виде топлива не выдерживает критики. Относитесь скептически к подобным заявлением. Инженеры лучше знают физику, чем телерепортёры.

Теперь самое время сказать, что некоторые истории о двигателе на воде почти правдивы. Брюс Кровер (Bruce Crower), любитель — рационализатор гоночных двигателей из Южной Калифорнии, использует энергию пара в двигателе внутреннего сгорания. К обычному четырёхцилиндровому двигателю он приладил два дополнительных цилиндра. Зная, что ДВС впустую выбрасывает много тепловой энергии, Кровер решил задействовать её в дополнительных цилиндрах. Для этого в выпускной тракт подаётся немного воды, которая, превращаясь в пар, приводит в действие пятый цилиндр. Пара дополнительных цилиндров расположена оппозитно, назначение шестого цилиндра вытолкнуть отработку в атмосферу. В отличие от других, рассмотренных случаев, Двигатель Кровера работает. Брюс Кровер прекрасно понимает, что вода не может быть топливом. Он превращает тепло в кинетическую энергию посредством водяного пара. Что интересно, такой двигатель не требует радиатора и системы охлаждения в привычном для нас исполнении.

Итак, будьте скептичны к громким заявлениям о двигателях на водяном топливе. Скорее всего, корреспонденты не захотят портить сенсационность дотошным рассмотрением физики процесса. Требуйте доказательства и обоснование. Будьте скептичны.

Переведено с разрешения автора Brian Dunning. Copyrighted by Skeptoid Media

Опасность водородного топлива

В рассмотренных выше недостатках упоминалось об опасности применения водородного топлива для двигателя. Это главный минус новой технологии.

В сочетании с окислителем (кислородом) возрастает риск воспламенения водорода или даже взрыва. Проведенные исследования показали, что для воспламенения H2 достаточно 1/10 части энергии, необходимой для зажигания бензиновой смеси. Другими словами, для вспыхивания водорода хватит и статической искры.

Еще одна опасность заключается в невидимости водородного пламени. При горении вещества огонь почти незаметен, что усложняет процесс борьбы с ним. Кроме того, чрезмерное количество H2 приводит к появлению удушья.

Опасность в том, что распознать данный газ крайне сложно, ведь у него нет запаха и он полностью невидим для человеческого глаза.

Кроме того, сжиженный H2 имеет низкую температуру, поэтому в случае утечки с открытыми частями тела высок риск серьезного обморожения. Находится данный газ должен в специальных хранилищах.

Из рассмотренного выше напрашивается вывод, то водородный двигатель опасен, и использовать его крайне рискованно.

На самом деле, газообразный водород имеет небольшой вес и в случае утечки он рассеивается в воздухе. Это значит, что риск его воспламенения минимален.

В случае с удушьем такая ситуация возможна, но только при нахождении в замкнутом помещении. В ином случае утечка водородного топлива опасности для жизни не несет. В оправдание стоит отметить, что выхлопные газы ДВС (а именно угарный газ) также несут смертельный риск.

Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?

Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.
Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки. 
Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.
Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.

Можно ли сделать своими руками?

Технология работы двигателя на газ известна давно, и многие концерны достигли успехов в вопросе внедрения водородных двигателей. Над совершенствованием классического ДВС задумались и народные умельцы.

Суть заключается в подаче в камеру сгорания специального газа. Такое устройство носит название системы Брауна. При этом бензин также подается в двигатель, но смешивается с газом, что обеспечивает лучшее горение.

В результате появляется водяной пар, очищающий клапана и поршни двигателя от нагара, улучшающий характеристики мотора и повышающий его ресурс.

Чтобы своими руками разложить воду на газ, требуется катализатор, дистиллят, электроды и электричество.

Конструкция собирается из подручных материалов. Допускается применение одной банки, но лучше использовать шесть.

После вырезаются пластинки и объединяются по принципу крест-накрест. Далее они обматываются проволокой и крепятся на крышке. Важно, чтобы электроды не замыкались между собой.

На последнем этапе банки заполняются электролитом и катализатором. Такая схема может работать на любом автомобиле.

Если же говорить о полноценном водородном двигателе, то в гаражных условиях сделать его конечно же не получится из-за сложности технологии.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.
Что касается недостатков и сложностей, машина с водородным двигателем сегодня имеет высокую стоимость, а также могут возникать проблемы с заправкой топливом по причине недостаточного количества заправочных станций. Не стоит забывать и о том, что также не просто найти специалистов, которые способны качественно и профессионально обслужить водородную силовую установку. При этом обслуживание будет достаточно затратным.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Источники


  • https://fastmb.ru/soveti_auto/3538-vodorodnyy-dvigatel-osobennosti-dostoinstva-i-nedostatki.html
  • http://KrutiMotor.ru/vodorodnyj-dvigatel-ustrojstvo/
  • https://AutoTopik.ru/obuchenie/1366-vodorodnyy-dvigatel.html
  • https://tass.ru/tech/6816508
  • https://moj-vnedorozhnik.ru/v-pomoshch-voditelyu/princip-raboty-vodorodnogo-dvigatelya-dlya-avtomobilya
  • https://autogeek.com.ua/hydrogen-fuel-cell-electric-vehicles/
  • https://habr.com/ru/post/450886/
  • https://CarExtra.ru/obzory/vodorodnyiy-dvigatel.html
  • https://motorist.guru/modeli/vodorodnyj-avtomobil.html
  • https://www.skepton.ru/water-engine/

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Ремонт автомобиля, решение проблем с авто
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: