Преимущества и недостатки водородного топлива для автомобилей

В 1806 Франсуа Исаак де Ривз предложил идею: получение водорода из воды методом электролиза. Патент на прообраз водородного двигателя выдали в 1841 году. В 1852 году немцы соорудили силовой агрегат, работавший на водороде. В блокадном Ленинграде использовали водород в качестве горючего машины на водородном топливе — за неделю переоборудовали более 600 грузовиков. К идее использования водорода для автомобилей вернулись во второй половине XX века. Арабское нефтяное эмбарго 1970-х годов подтолкнуло к более серьезным экспериментам с водородными моторами. Сегодня их считают серьезной альтернативой двигателям внутреннего сгорания, работающих на бензине и дизтопливе. Все ведущие авто корпорации мира занимаются разработками и совершенствованием водородных двигателей. Первой была Toyota, двадцать лет назад приступившая к проектированию нового типа двигателя. Она же выпустила первый водородный автомобиль — Toyota Mirai АСМ, правда, в основном для наработки практического опыта. Основное препятствие (пока) массового распространения подобных машин — высокая цена и слабо развитая сеть водородозаправочных станций.

Водородное топливо для автомобилей

Водородное топливо, оно же гидрогенное, по крайней мере на современном этапе не делится на октановые числа как бензин, поэтому говорить о таком специальном топливе для автомобилей пока не приходится. Теплотворность водорода намного выше, чем у бензина. Отсюда его высокая экономичность. В пересчете на равные эквиваленты (1 килограмм водорода равен одному галлону или 3,79 литра бензина), на гидрогене можно проехать расстояние в два раза больше.

Водородный автомобиль Toyota Mirai

Как работает водородный двигатель

Принцип работы в сгорании водорода в двигателе. По сравнению с обычным нефтяным топливом гидрогенное сгорает гораздо быстрее. В традиционном двигателе бензин или дизтопливо, смешанные с воздухом, заполняют камеру сгорания. Когда поршень на миг застывает в крайнем верхнем положении, топливо воспламеняется. Продукт горения — газ, давит на поршень, и автомобиль движется. Эта же реакция в водородном двигателе происходит значительно быстрее. Цилиндр наполняется жидким гидрогеном в тот момент, когда поршень двинулся к нижней мертвой точке. Происходит реакция. Результат — вместо выхлопных газов образуется настолько чистая вода, что ее можно пить. Однако остаются смазочные масла, без них невозможна работа двигателя. Эти масла, хоть и в малых количествах, попадают в камеру сгорания, загрязняя топливо. Это основной и трудно устранимый недостаток гидрогенного двигателя. BMW и Mazda в 1970-е года выпускавшие автомобили с роторными двигателями, предприняли попытку создать на основе роторного водородный силовой агрегат. В силу своей конструкции — впускной и выпускной коллекторы находятся на большом расстоянии друг от друга — роторные моторы избавлены от попадания смазочного масла в камеру сгорания. Попытка оказалась неудачной: мощность упала в два раза, а расход топлива вырос в два раза. Проект пока свернули. Другая технология пришла из космоса — топливные ячейки. Водород проходит через такую ячейку с катализатором, соединяется с кислородом — образуется вода. Только по конструкции этот агрегат напоминает электромобиль — накопленная энергия попадает в аккумуляторы, а из них в электромотор.

Водородные топливные элементы

Они состоят из корпуса, разделенного пополам мембраной — в одной части анод, в другой — катод. Они покрыты палладием или платиной — это катализаторы. Это самая дорогая часть ВЭ — 70% от общей стоимости изделия. Сейчас ведутся исследования по замене этих дорогостоящих металлов на более дешевые: иридий, иридий-кобальтовую смесь, соединения железа с магнием и другие. Применение этих металлов снижает стоимость ВЭ в два-три раза. Для работы топливных элементов нужен водород и кислород. Первый в анодном отделении отдает свои электроны аноду. Для этого и нужен катализатор. Полученные в анодном отделении протоны через мембрану переходят в катодное отделение, в которое так же подается кислород. Сами электроны по аноду попадают в систему питания электродвигателя и приводят его в движение. Катализатор катода соединяет электроны с протонами — так образуется молекулярный водород. А кислород, попадая в камеру сгорания, образует молекулы воды. В этом экологичность водородных автомобилей — нет выхлопа с углекислым газом, только водяной пар и небольшая окись азота.

Водородный автомобиль BMW i8 (концепт)

Преимущества и недостатки водородного двигателя

  • О главном достоинстве мы уже говорили — не загрязняет атмосферу. Все что он выделяет, это водяной пар.
  • У него довольно простая конструкция, значит, при массовом производстве цена снизится.
  • Ему не нужны сложные системы подачи топлива, что опять снижает конечную цену.
  • Он бесшумен. Правда, с одной стороны это плюс, с другой — минус: шумно работающий мотор предупреждает об опасности. Поэтому при массовом производстве таких авто — уже договорились — будут устанавливать прибор «искусственной шумности».
  • Относительно высокий КПД — 45% против 35% у бензинового. Отчасти это объясняется изменениями системы зажигания.
  • И, повторимся, на одной заправке можно проехать в два раза дальше, чем на бензине.

Недостатки тоже существенны, хотя и не касаются непосредственно самой конструкции:

  • Производство топлива требует больших затрат и отличается сложностью.
  • Хотя ведущие страны взяли на себя обязательства по развитию сети станций для заправки автомобилей водородом, их строительство идет медленно.
  • Сложность хранения самого топлива, которое отличается большой взрывоопасностью — не до конца проработаны стандарты хранения и безопасности.
  • Так же до конца недоработаны технологии его хранения.
  • Высокая стоимость элементов, производящих водород.
  • Повышенный вес автомобилей — преобразователи и аккумуляторные батареи отличает большой вес и внушительные размеры.

Производство водорода

На современном этапе водород получают путем переработки метана — 90% всего мирового объема производства.

Остальные 10% производятся:

  1. Путем электролиза, при этом расходуется большое количество электрического тока, что не лучшим образом сказывается на конечной стоимости топлива.
  2. Переработкой аммиака. Химическая реакция разделяет его на одну часть азота и три части водорода. На сегодня это наиболее дешевый способ производства и не очень затратный.
  3. Экспериментальным и опытным путем установлено, что гидроген можно получать из различных источников — ветра, солнечной энергии, переработки мусора и сточных вод — за этими альтернативными видами производств, похоже, много будущего. По крайней мере, такие технологии существуют и в небольших масштабах используются.

Перспективы развития

Особой альтернативы водороду, как виду автомобильного топлива нет. Во-первых, нефти становится все меньше. Ей необходима замена. Во-вторых, Необходимо снизить выбросы углекислого газа в атмосферу. 23-25% этих выбросов приходится на долю современного автомобиля. В-третьих, электромобили, на которых потрачено столько сил и средств, по многим параметрам несколько уступают водородным — выше вес, долгое время зарядки, незначительная дальность поездки, ниже скорость разгона и некоторые другие факторы. Поэтому будущее в автомобильном мире пока за водородным движителем.

Ссылка на основную публикацию