Автомобиль на водороде. есть ли у него будущее и как он работает?

Производство водорода

Еще одной проблемой таких машин является производство водорода, так как это довольно проблематичное мероприятие.

Наиболее распространенный метод называется паровой реформинг. Он заключается в том, что пар смешивается с природным газом, затем нагревается до определенной температуры с последующим добавлением катализатора, такого как никель, в результате чего получается водород и моноксид углерода (ядовитый газ). Около 95 % водорода в мире производится этим путем.

К сожалению, это не экологически чистый процесс, потому что результатом являются и побочные продукты. Таким образом, хотя сам по себе водород в автомобиле не загрязняет окружающую среду, производство данного топлива будет загрязнять наш с Вами воздух.

В результате даже защитники автомобилей на водородном топливе признаются, что производство водорода будет загрязнять окружающую среду в лучшем случае как автомобили на бензиновых двигателях, а в худшем – значительно больше.

«зеленые методы»

В настоящее время не было придумано экологически чистых и достаточно эффективных методов производства водородного топлива для каждодневной заправки миллионов автомобилей.

Конечно же, поклонники автомобилей, работающих на водородном топливе, непреклонны: они уверены, что мы должны продвигаться вперед, ибо наше будущее зависит от работы автотранспорта, который не будет причинять ущерб нашей планете.

Двигатель на водородном топливе

Есть две перспективы. Первая (краткосрочная) — необходимо добиться большей эффективности использования нефтетоплива, долгосрочная — решением может стать переключение транспортных средств с бензиновых/дизельных двигателей на электрические топливные элементы (электрохимические генераторы), работающие на водороде, которые никогда не разряжаются. Бесшумные, не загрязняющие окружающую среду, это одни из самых экологически чистых источников энергии, когда-либо разработанных. Разберёмся, как они работают.

Есть два способа заставить современный автомобиль двигаться:

1. Использовать двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В процессе сжигания нефотетоплива вырабатывается тепло, благодаря чему транспортное средство может ехать.
2. Электромобили работают совершенно по-другому. Там используются аккумуляторы, которые подают электроэнергию на электродвигатели, напрямую приводящие в движение колеса.

Есть гибридные автомобили, сочетающие оба варианта, водитель может переключатся между ними в соответствии с условиями вождения. Устройство водородного двигателя — нечто среднее между ДВС и аккумулятором. Он вырабатывает энергию, используя топливо из бака (газообразный водород под давлением, а не бензин или дизель). Процесса сжигания нет, H2 химически соединяется с кислородом из воздуха, образуя воду. Высвобождаемое электричество используется для питания электродвигателя. Никаких выхлопных газов.

Что происходит внутри

В основе принципа действия водородного двигателя лежит электрохимическая реакция. Состав топливного элемента — это три основные части:

• положительно (желтая) и отрицательно (сиреневая) заряженные клеммы;
• электролит (серый).

Электричество возникает следующим образом:

1. Газообразный H2 из резервуара подаётся к положительному полюсу. Поскольку вещество взрывоопасно, бак должен быть чрезвычайно прочным.
2. Кислород из воздуха (голубые капли) идёт по второй трубке.
3. Положительная клемма металлическая (платина или палладий). Достигая катализатора, атомы H2 распадаются на ионы и электроны.
4. Положительно заряженные протоны притягиваются к отрицательному полюсу, двигаясь к нему через электролит. Последний представляет собой тонкую полимерную мембрану.
5. Электроны проходят через внешнюю цепь.
6. Приходит в действие электродвигатель, заставляющий колёса автомобиля двигаться.
7. На отрицательной клемме протоны и электроны рекомбинируют с кислородом путём химической реакции, которая производит воду.
8. Выхлоп — водяной пар.

Процесс будет продолжаться до тех пор, пока есть запасы H2 и O2. Поскольку воздух всегда доступен, единственный ограничивающий фактор — количество водорода H2 в баке.

Как работает водородный автомобиль

Расскажу про то, как устроен автомобиль на примере популярной модели Toyota Mirai.

Не так давно, в 2013 году Тойота представила миру первый в мире серийный водородный автомобиль Mirai, который сам вырабатывает для себя электричество. В нём находится электрический двигатель, который имеет мощность 154 л. с. В Mirai находятся 370 топливных элементов, постоянный ток которых преобразуется в переменный, а напряжение при этом повышается до 650 В. Максимальная скорость Toyota Mirai 175 км/ч. Дополнительный аккумулятор собирает лишнюю энергию, который может при необходимости обеспечить питание небольшого дома. Запас хода этого автомобиля 500 км, а по факту – примерно 350 км. Для сравнения — электрокар Tesla Model S может пройти на одном заряде целых 540 км, но, к сожалению, зарядка занимает целых 1,5 часа.

Мнение эксперта

Попов Андрей Геннадьевич

Автослесарь, стаж работы 19 лет

Задать вопрос

За несколько км пробега автомобиль Mirai вырабатывает стакан дистиллированной воды, которая вполне пригодна к употреблению (она с лёгким привкусом пластика).

А как работает топливный элемент, простыми словами? Автомобиль заправляется водородом. Он смешивается с платиновым катализатором и кислородом в электрохимической системе. В результате этой реакции вырабатывается электрический ток, который питает двигатель и аккумуляторную батарею. В результате реакции образуется вода или пар.

Мнение эксперта

Мелехов Алексей Викторович

Автоэлектрик , стаж работы 9 лет

Задать вопрос

Топливные ячейки с протонообменными мембранами сразу же производят энергию, обеспечивают очень высокую мощность и мало нагреваются. Максимальный срок службы водородных ячеек 250 тыс. км пробега, которые при необходимости можно заменить.

А какое устройство и принцип работы водородного двигателя? Для работы применяют роторные ДВС, потому что стандартные поршневые двигатели быстро выходят из строя из-за влияния водорода на смазку и детали ДВС. Из-за высокой разницы между бензином и водородом перевести обычный двигатель непросто, особенно если это делать своими руками. Водород при горении вызывает перегрев клапанов, масла, поршней. Если нагрузку сделать очень высокую, то возникает детонация.

Ещё одна хорошая статья: ВСЁ про лямбда-зонд: что это такое, принцип работы, для чего нужен, где находится, срок службы

Решили эту задачу заменой чистого водорода на его смесь с бензином. Подача газа уменьшается при повышении крутящего момента, чтобы предотвратить перегрев деталей силового агрегата. Это применяется в таких моделях, как Mazda RX-8 Hydrogen RE и BMW Hydrogen 7, который был выпущен всего в 100 экземплярах. Здесь переключение между 2 типами топлива происходит автоматически. Но, несмотря на успешность эксперимента, всё равно имелись проблемы: сильно падала мощность авто, запаса водорода хватало всего на 200 км, а также из-за наличия бензина автомобиль не был признан экологически чистым.

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор на основе углеродных трубок, который стоит в 650 дешевле платины.

Таким образом, механизм работы водородного автомобиля похож на работу электромобилей. Всё дело только в источнике энергии.

Современные автомобили с водородными двигателями

Возможность применения двигателей на водородном топливе заинтересовала многих производителей. В результате в автомобильной индустрии появляется все больше машин, работающих на данном газе.

К наиболее востребованным моделям стоит отнести:

• Компания Тойота выпустила автомобиль Fuel Cell Sedan. Для устранения проблем с дефицитом пространства в салоне и багажном отсеке емкости с водородным топливом размещены на полу транспортного средства. Fuel Cell Sedan предназначен для перевозки людей, а его стоимость составляет 67.5 тысяч долларов.
• Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.
• Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
• «Монстр» от Дженерал Моторс показан в октябре 2016 года. Особенность автомобиля заключается в невероятной надежности, что подтверждено проведенными исследованиями армией США. Во время испытаний транспортное средство прошло больше 3 миллионов километров.
• Концерн Тойота выпустил на рынок водородную модель Mirai. Продажи начались еще в 2014 году на территории Японии, а в США — с октября 2015 года. Время на заправку Mirai составляет пять минут, а запас хода на одной заправке 502 км. ФОТО 21 22 Недавно представители концерна заявили, что планируют внедрять данную технологию не только в легковой транспорт, но и в вилочные погрузчики и даже грузовики. 18 колесный грузовик уже тестируется в Лос-Анжелесе.
• Производитель Лексус планирует свой вариант автомобиля с водородным двигателем в 2020 году, поэтому о транспортном средстве известно мало подробностей.
• Компания Ауди представила концепт H-tron Quattro в Детройте. По заверению производителя машина может проехать на одном баке около 600 км, а набрать скорость до 100 км/час удается за 7,1 секунду. Машина имеет «виртуальную» кабину, заменяющую стандартную приборную панель.
• БМВ в сотрудничестве с Тойотой планирует выпуск своего водородного транспортного средства к 2020 году. Производитель заверяет, что запас хода новой модели составляет больше 480 км, а дозаправка будет занимать до 5 минут.
• В 2013 году в компании Форд заявили, что активное производство водородных двигателей начнется уже к концу 2017 года при сотрудничестве с Ниссан и Мерседес-Бенц. Но реализовать задуманное на практике пока не удается — работники концерна находятся на этапе разработки.
• Мерседес-Бенц на Франкфуртском автосалоне представил внедорожник GLC, который появится на рынке в конце 2019 года. Авто комплектуется аккумулятором на 9,3 кВт*ч, а запас хода составляет 436 км. Максимальная скорость ограничивается электроникой на уровне 159 км/час.
• Nikola Motor представила грузовой автомобиль с водородным двигателем, имеющий запас хода от 1287 до 1931 км. Стоимость нового автомобиля составит 5-7 тысяч долларов за аренду в месяц. Выпуск планируется начать с 2020 года.
• Производитель Хендай создал новую линейку Tucson. На сегодняшний день произведено и реализовано 140 машин. Бренд Hyundai Genesis представил свой автомобиль с водородным двигателем GV Впервые транспортное средство было представлено в Нью-Йорке, но его производство пока не планируется.
• Великобритания тоже не отстает в плане новых технологий. В стране уже можно арендовать водородный автомобиль Riversimple Rasa на три или шесть месяцев. Машина весит чуть больше 500 кг и способна проехать на одной заправке около 500 км.
• Дизайнерский дом Pininfarina создал машину на водородном топливе H2 Speed. Особенность авто заключается в способности ускорятся до сотни всего за 3,4 секунды, а максимальная скорость — 300 км/час. Время на заправку составляет всего три минуты. Стоимость новой модели достигает 2,5 млн. долларов.

Как экспортировать водород и водородные технологии

Европа сейчас активно стимулирует водородную экономику, и у России есть большой потенциал для экспорта водорода в ЕС, отмечает Сергей Киселев.

Самая дорогая часть в водородной экономике — это транспортировка, объясняет Добровольский, а самый простой способ транспортировать водород — трубопровод.

Достоинство России как страны-экспортера — в наличии системы трубопровода в Европу. Проверить всю газовую инфраструктуру на возможность перекачки водорода — достаточно дорогая задача, но для России это шанс остаться экспортерами энергоресурсов, резюмирует Добровольский.

Добровольский также отмечает, что Россия во многих областях водородных технологий обладает компетенциями, не уступающими мировым, и есть шанс стать не только поставщиком водорода, но и поставщиком технологий. Для этого на рынке сейчас идеальные условия, потому что он только формируется и устоявшихся технологий еще нет.

Слушайте нас на любой удобной платформе: Apple Podcasts, CastBox, «Яндекс Музыке», Google Podcasts, Spotify и ВК Подкасты. А еще следите за нами в Instagram «Что изменилось?» и Telegram РБК Трендов — там мы подробно обсуждаем то, что не успели проговорить в выпуске, и делимся интересными материалами по теме.

Больше о водородных технологиях и возобновляемых источниках энергии читайте в материалах РБК Трендов:

1. Электромобиль — не панацея: как изменится рынок топлива в будущем
2. Гибрид на рельсах: как выглядит первый в России водородный трамвай
3. Водородная энергетика России и Европы: перспективы рынка на $700 млрд
4. Средство роскошного передвижения: что ждет рынок электромобилей в России
5. Футуролог Кирилл Игнатьев — о перспективах электромобилей
6. Биотопливо из сахарной свеклы: как заработать на циклической экономике

Немного истории

Впервые двигатель внутреннего сгорания придумал Франсуа Исаак де Риваз в 1806 г. Этот изобретатель извлёк чистый водород при помощи такой технологии, как электролиз воды. Он изобрёл поршневой двигатель, который назвали в его честь — машина де Риваза. Через пару лет изобретатель сконструировал передвижное устройство с настоящим водородным двигателем. Таким образом, первый водородный автомобиль появился гораздо раньше, чем думают многие.

Риваз и его машина

А самые первые водородные топливные элементы создал в 1863 году английский учёный Вильям Гроув. При помощи опыта он выявил, что при разложении воды на кислород и водород высвобождается энергия. В дальнейшем он создал водородные ячейки, которые стали называть Fuel Cell. Их можно было объединить для получения необходимого количества энергии для автомобиля.

Во время блокады Ленинграда был высокий дефицит бензина, а вот водорода было немало. Техник Б. Шелищ предложил вместо стандартного топлива применять смесь воздуха и водорода для двигателей. Таким образом, в городе работало на водороде более 500 автомобилей ГАЗ-АА.

Первый водородный автомобиль на топливных ячейках создала компания General Motors в 1966, и назывался он GM Electrovan. Гораздо позже, в 1980-х годах, одновременно во многих развитых странах (Япония, США, Канада, Германия и СССР) запустили эксперимент по созданию автомобилей, которые использовали в качестве топлива водород, а также его смеси с бензином и природным газом.

Фото GM Electrovan

После этих экспериментов в 2000-х годах крупные автоконцерны стали разрабатывать коммерческие автомобили на водородном двигателе. Самым продвинутым и популярным автомобилем стал Toyota Mirai, в котором находится многоячеистый топливный генератор.

На данный момент создание автомобиля на водородном топливе – это дорогое удовольствие, поэтому многие производители ищут способы для снижения этих расходов.

А что значит водородное топливо на самом деле?

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Этот вопрос не совсем правильный, поскольку автомобили на водородных ячейках и электробатарее считаются электромобилями. Всё зависит от того, чем заправляют машину – водородом или электричеством.

Водород в автомобиле применяют в двух вариантах: сжигание топлива в цилиндрах или подзарядка топливных элементов.

Главное отличие водородных топливных ячеек от батарей в том, что они служат очень много лет и не нуждаются в обслуживании. А батарея в электромобиле выходит из строя уже через 5 лет.

Как выглядит батарея в электрокаре

На холоде водородное транспортное средство включится без проблем, а аккумулятор электрического авто может полностью потерять заряд. Стоимость электрокаров дешевле, чем водородного: Toyota Mirai стоит 57 тыс. долл., а Tesla – от 45 тыс. долл. Водородные машины заправляются за считанные минуты, а электрокары – пару часов.

Теперь перейдём к устройству и принципу работы водородного авто, как он обеспечивает работу двигателя?

Технологиям далеко до массовых

— По данным Hydrogen Council, компании планируют вложить в водородные проекты около $500 млрд до 2030 года. Но многие говорят о незрелости этих технологий. Насколько, по вашей оценке, водородные технологии сегодня созрели для внедрения?

— Они находятся в начале своего развития. Говорить о том, что это технологии массового спроса, пока рано. Это касается и производства, и хранения, и транспортировки водорода. Технологии вроде как есть, но их как бы и нет.

К примеру, можно ли сегодня перевозить сжиженный водород в промышленных объемах на дальние расстояния? Можно, но для этого в мире существует только один корабль. Японская Kawasaki построила танкер для перевозки сжиженного водорода в Японию из Австралии, где его делают из местного угля. Еще один корабль корейцы планируют запустить в 2023 году. Можно перевозить в связанном виде или грузовиками со специальными цистернами, но это пока очень дорого и неэффективно. Нужно разрабатывать новые технологии, улучшать существующие, удешевлять их.

Но давайте посмотрим на опыт других отраслей. Я хорошо помню свой мобильный телефон в 1996–1997 годах. Он назывался мобильным, потому что его можно было переносить с места на место. По сути, это был очень большой и дорогой чемодан, который мгновенно разряжался. Кто бы мог подумать, что через 20 лет мы будем пользоваться легкими и удобными смартфонами?

С водородными технологиями то же самое. Сейчас это очень большие и дорогие системы, которые не дают желаемый экономический эффект. Но я уверен, что в ближайшее время они станут технологиями массового спроса не только для промышленных потребителей, но и для частных домохозяйств.

Экономика инноваций

Водородная энергетика и транспорт будущего: подкаст «Что изменилось?»

— Какие проблемы пока не удается решить?

— Во-первых, есть много возможностей для производства водорода, но не все они позволяют произвести безуглеродный водород. Если мы говорим о производстве с использованием углеводородов, то оно будет сопряжено с выбросами CO₂. То есть параллельно нужно заниматься технологиями улавливания. Пока они дороги и относительно неразвиты. И это серьезное ограничение для проектов, которые предполагают использование газа, угля или нефти.

Во-вторых, нужны системы хранения. Водород — очень летучий и взрывоопасный газ. Его нужно хранить при крайне низких температурах, а такая инфраструктура требует существенных инвестиций и сложных технических решений, которые не везде возможны.

В-третьих, проекты по транспортировке пока являются пилотными. Речь идет скорее о тестировании возможностей. Когда появятся решения для массовой транспортировки и сколько они будут стоить — один из самых важных вопросов на сегодня. От этого во многом зависит, в каком виде водород будет транспортироваться.

— Какие здесь возможны варианты?

— Если мир не найдет эффективного решения по перевозке чистого водорода, то транспортировать будут аммиак или водород в связанном виде. Рынок аммиака достаточно развит, он сам по себе является продуктом с различным рыночным применением, его перевозят в обычных цистернах по железным дорогам или морю. Поэтому можно использовать сам аммиак как конечный продукт.

Можно, конечно, произвести водород и преобразовать его в аммиак для транспортировки, а уже на месте восстановить до водорода. Но сама по себе такая схема сейчас неэффективна. Если вы произвели водород, потом его перевезли в виде аммиака и восстановили, то в конце концов у вас останется лишь 25–30% от того объема энергии, который был затрачен изначально. До тех пор, пока мы не сократим потери и не удешевим сами технологии, такой способ практически не имеет перспектив.

Факторы, сдерживающие внедрение водородных технологий

• отсутствие водородной инфраструктуры (частично эту проблему можно разрешить в частности устройством домашних заправок при частных жилых домах).
• несовершенные технологии хранения водорода (см. статью Хранение водорода);
• отсутствие стандартов безопасности, хранения, транспортировки, применения и т. д.;
• распространённые современные способы безопасного хранения водорода требуют большего объёма топливных баков, чем для бензина. Поэтому в разработанных на сегодняшний день автомобилях замена топлива на водород приводит к значительному уменьшению объёма багажника. Возможно в будущем эта проблема будет преодолена, но скорее всего за счёт некоторого увеличения габаритов легковых авто. (Для других классов автомобилей (автобусов, грузовых автомобилей, разнообразных специальных автомашин) проблема увеличения габаритов транспортного средства не столь остра. В частности на автобусах топливные элементы могут размещаться на крыше кузова, подобно тому как это делается например с троллейбусным электрооборудованием.)

Применение водорода в топливных элементах

Большое значение для практического применения имеет преобразование химической энергии органического топлива в электрическую — создание топливных элементов. Распространены низкотемпературные (150 °С) топливные элементы с жидким электролитом (концентрированные растворы серной или фосфорной кислот и щелочей KОН). Топливом в элементах служит водород, окислителем — кислород из воздуха.

Образование электроэнергии в элементе — это процесс обмена электронами между горючим и окислителем с образованием нового соединения — продукта реакции (рис. 3).

Отличие реакции в элементе от реакции окисления при горении состоит в том, что в первом случае процессы протекают с точки зрения термодинамики обратимо, т.е. разность энергий электронов у исходных веществ и продуктов реакции непосредственно превращается в электроэнергию (упорядоченное движение электронов). При горении же химическая энергия переходит в энергию хаотического теплового движения атомов, молекул и их частей.

Рис. 3. Схема водородно-кислородного элемента: 1 – катод; 2 — электролит; 3 — анод

Основные преимущества топливных элементов:

• высокая эффективность прямого преобразования химической энергии топлива (водорода) и окислителя (кислорода) в электроэнергию (КПД составляет 50…70 %);
• высокие удельные массовые характеристики: 1,2…5 кг/кВт, в перспективе 0,8…1 кг/кВт;
• компактность (большая плотность тока): 2…5 л/кВт, в перспективе 0,6…1 л/кВт;
• низкая рабочая температура (до 100 °С), что обеспечивает возможность быстрого запуска и быстрого достижения максимальной мощности энергоустановки;
• возможность многократных перегрузок по току;
• высокий уровень отработки (для щелочных топливных элементов).

Топливный элемент — составная часть электрохимического генератора, который, кроме того, содержит системы кондиционирования, подготовки топлива, утилизации отходов и др. (рис. 4). Первичным топливом могут быть метан, пары метанола, керосина, синтез-газ и т.д. Коэффициенты полезного действия у генераторов с топливными элементами изменяются от 30 % (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины) до 60…65 % (энергоустановки с твердооксидными топливными элементами).

Эксперты связывают «водородное будущее» автотранспорта прежде всего с топливными элементами. Водород и кислород соединяются в «ящике с мембраной» (так упрощенно можно представить топливный элемент) и получают водяной пар плюс электричество. В отличие от аккумуляторной батареи в топливном элементе обеспечивается непрерывный подвод реагирующих компонентов (горючего и окислителя) в зону электрохимической реакции, что позволяет преодолеть основной недостаток классического электромобиля (при сохранении всех достоинств) — недостаточную энергоемкость источника энергии. Удельная энергоемкость топливного элемента в 10 раз превышает этот параметр для лучших аккумуляторных батарей (порядка 1000 Вт · ч/кг вместо 100 Вт · ч/кг). При этом наблюдается полное отсутствие вредных выбросов, пробег определяется только запасом топлива на борту.

Рис. 4. Схема электрохимического генератора

Все это делает топливный элемент, работающий на водороде и воздухе, наиболее привлекательным источником энергии, особенно для городского транспорта. Однако серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах сдерживаются малым числом соответствующих заправочных станций. Да и стоимость топливных элементов пока велика.