Что такое водородный автомобиль, реальность и перспективы

Откуда появились водородные ДВС

В 70-х в мире разразился энергетический кризис, что подвигло ученых заняться поиском альтернативы бензину. Одним из первых на водороде стал ездить внедорожник Тойота, но в конце 90-х он так и не пошел в серию. Исследования в этой области продолжались. Кроме Тойота успехов добились Хендай и Хонда.

Но энергетический кризис закончился, а вместе с ним пропал и интерес к моторам, работающим на альтернативном топливе. Сейчас проблема снова стала актуальной, экологи опять заставляют обратить на нее внимание. Проводить практические эксперименты с водородом подталкивает повышение цен на топливо. Активнее всего к созданию двигателей на водороде подходят BMW, Honda и Ford. В 2016 году был выпущен первый поезд, двигатель которого работает на H2.

Особенности водородных автомобилей

Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.

Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива. Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов. Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.

Принцип действия

В мире в последние годы наблюдается повышенный интерес к альтернативным источникам энергии. Не обошла эта тенденция и автопромышленность, которая является главным источником загрязнения атмосферы Земли. Именно поэтому большинство стран мира планируют к 2030 году отказаться от использования автомобилей с традиционными двигателями внутреннего сгорания.

Мы знаем, что на смену обычным бензиновым автомобилям скорее всего придут гибриды и электрокары. Но не стоит сбрасывать со счетов и другие автомобили, которые могут работать на альтернативных источниках энергии. Давайте рассмотрим например, водородные автомобили, которые возможно рано или поздно смогут вытеснить с авторынка весь существующий ныне автотранспорт. Мы расскажем вам о том, как работают водородные автомобили, о их плюсах и минусах, сравним их с бензиновыми, дизельными и электрическими автотранспортными средствами.

Главные аргументы в пользу водорода

Самый весомый аргумент в пользу использования водорода в качестве топлива в автомобиле – это его экологичность.

В последнее время не проходит, наверное, ни одного дня, чтобы в средствах массовой информации не упоминалось о проведении различных форумов, совещаний, митингов и других подобных мероприятий в поддержку защиты окружающей среды.

И одними из основных «отравителей» воздуха и источников выброса в атмосферу углекислого газа CO2 – виновника глобального потепления  на Земле – являются автомобили с двигателем внутреннего сгорания.

Однако водородный автомобиль, наряду с обычным электромобилем, лишен этого недостатка. «Выхлопом» такой машины является простая вода H2O, которая, естественно, абсолютно не загрязняет атмосферу.

Еще одним важным аргументом в пользу применения водорода в качестве топлива является тот факт, что запасы углеводородного сырья (нефть, уголь, природный газ), из которых производят топливо для автомобилей (бензин, дизельное топливо, метан, пропан-бутан и т. д.), иссякнут уже во вполне обозримом будущем.

А вот запасы водорода, если его извлекать из воды, практически, неисчерпаемы.

Преимущества и недостатки

Для лучшего понимания того, как обстоят дела с водородными моторами сейчас, и насколько перспективными являются двигатели на водородном топливе, следует рассмотреть их сильные и слабые стороны.

Начнём с преимуществ. К ним можно отнести следующие факторы:

• Доступность топлива. Поскольку газ получают из воды, причём абсолютно из любой, этот ресурс можно считать практически безграничным. Если удастся усовершенствовать электролиз или разработать другую эффективную технологию извлечения Н2 из Н2О, в качестве источника вещества можно будет применять даже сточные воды;
• Экологическая безопасность. Внедрение таких моторов позволит полностью решить проблему загрязнения машинами окружающей среды. Масштабный переход на водород снизит опасный парниковый эффект. Звучит громко, но это топливо способно спасти нашу планету. Такой выхлоп совершенно безопасен для человека. По сути на выходе из выхлопной трубы получается дистиллированная, очищенная вода. Сотрудники компании Toyota доказали, что эту воду можно пить безо всяких опасений;
• Опыт. Поскольку разработка водородных моторов ведётся не один десяток лет, целый ряд проблем и ограничений уже удалось преодолеть. Инженеры и учёные не стоят на месте, у технологии есть хорошие перспективы;
• Универсальность. Водород может применяться не только в ДВС, но и на электромобилях, питая за счёт топливных элементов электромоторы;
• Двигатели с таким типом топливо создаёт минимальный шум в процессе своей работы;
• Двигатели становятся более приёмистыми, мощными и производительными, повышается КПД в сравнении с классическими ДВС;
• Сам водород расходуется в незначительном количестве в процессе эксплуатации авто;
• Автомобили на таком виде горючего характеризуются большим запасом хода, то есть могут проехать большую дистанцию без дозаправки;
• Обслуживание ДВС на водороде не сложнее, чем работа с дизельными или бензиновыми двигателями;
• Высокий потенциал. Тоже большой плюс, который в полной мере проявится, когда удастся исключить хотя бы несколько текущих недостатков технологии.

И тут мы плавно переходим к минусам.

Недостатки у водородных моторов действительно есть. Причём они достаточно существенные и весомые. Эти минусы не позволяют говорить о скором массовом внедрении водорода как замены бензину или дизельному горючему.

1. Газ сложно извлекать из воды. Хотя водород чуть ли не самый распространённый газ на нашей планете, встретить его в чистом виде проблематично. Он мало весит, из-за чего поднимается и остаётся в самых верхних слоях нашей атмосферы. Газ на атомном уровне вступает в реакцию с другими компонентами, из-за чего мы получаем такие вещества как вода, метан и пр. Пока извлечение водорода из воды является крайне нерентабельным, что стало главным препятствием по внедрению водородных моторов. Цена за 1 литр газа в сжиженном состоянии может составлять от 3-4 до 10-12 долларов.
2. Дефицит АЗС. Также большой проблемой считается минимальное количество автозаправочных станций, которые предлагают своим клиентам водород. Само оборудование для заправки очень дорогое. Плюс самих машин очень мало.
3. Высокая стоимость модернизации ДВС. В теории водород можно заправлять в обычные ДВС. Но чтобы применять новый вид горючего, в двигатель требуется внести некоторые изменения. Если всё оставить без изменений, произойдёт падение мощности на 30-40%, и параллельно уменьшится моторесурс. Также водород характеризуется выделением тепла с повышенной температурой, которая быстро начинает разрушать традиционные для нынешних ДВС поршни и клапана. Фактически двигателю приходилось бы работать в режиме постоянных чрезмерных нагрузок. То есть без серьёзной модернизации классический ДВС использовать для работы на водороде нельзя.
4. Большие цены на материалы. Именно высокая стоимость основных материалов, необходимых для водородных моторов, является ключевым препятствием в вопросе их развития. Платина, выступающая как катализатор, невероятно дорогая, и для обычного автомобилиста недоступная. Потому стоит лишь надеяться на поиски более дешёвых альтернативных материалов.
5. Взрывоопасность и возможность возникновения пожара. Весомый аргумент, который говорит не в пользу этого типа топлива для двигателей.
6. Повышение веса автомобиля. Мощные аккумуляторы, преобразователи, более прочные и массивные материалы для двигателя приводят к суммарному заметному увеличению веса ТС.
7. Проблема хранения. Такое топливо можно хранить при высоком давлении, либо в сжиженном состоянии. У каждого их них есть свои подводные камни и объективные сложности с реализацией хранилища.

Также учёные до конца не понимают, насколько губительным может оказаться водород при его резком увеличении в плане количества для и без того находящегося в плачевном состоянии озонового слоя. Относить это к недостаткам сложно, но и преимуществом точно не назовёшь.

Современные водородные автомобили

Поскольку водород стал достаточно перспективным и привлекательным вариантом топлива для автомобилей, многие автокомпании серьёзно заинтересовались в создании водородных машин.

Нельзя сказать, что их огромное количество. Но несколько ярких представителей выделить можно. К ним относятся:

• Fuel Cell Cedan или просто FCV. Это автомобиль от компании Toyota. Они специально поместили ёмкость для водорода под пол, чтобы сэкономить пространство в салоне и багажнике. Легковой автомобиль предназначен для городской эксплуатации. Купить его можно за 68 тысяч долларов;
• Разработка компании BMW. Фактически это BMW 7 серии, куда поместили особый двигатель, способный переключаться с одного вида топлива на другой;
• Авторами этого проекта выступают инженеры компании Honda. Машина способна проехать на водороде около 600 километров. Заправка занимает 3-6 минут;
• Машина от компании Toyota. Причём это серийный автомобиль, которые начали продавать в Японии ещё с 2014 года, а в США машина появилась в 2015 году. Заправляется полный бак водородом в течение 5 минут, а запас хода составляет 500 километров;
• H-Tron. Это концепт в исполнении компании Audi, который немцы продемонстрировали в рамках автосалона в городе Детройт. Производитель уверяет, что модель рабочая, может проехать на полном баке 600 километров, а до 100 километров в час разгоняется за 7 секунд.

У таких компаний как Hyundai, Lexus, BMW, Mercedes и Ford есть определённые прототипы, задумки и пресс-релизы, связанные с выпуском их собственных водородных автомобилей. Но тут речь идёт только о перспективах. Те же концерны Lexus и BMW (в сотрудничестве с Toyota) обещают презентовать свои машины в 2020 году. Насколько эти заявления соответствуют действительности, и сможем ли мы увидеть рабочие прототипы или предвестников серийных моделей, говорить сложно.

Водородная технология достаточно спорная и неоднозначная. Имеется ряд преимуществ, перспектив и предпосылок, но в настоящее время реализовать полный потенциал невозможно. Отсутствуют возможности и методы дешёвого извлечения водорода из воды. А это во многом останавливает движение на пути к дальнейшему развитию.

У водородных моторов есть будущее. Но чтобы оно было светлым и перспективным, предстоит проделать огромную работу. Получится или нет, вопрос сложный и практически не имеет однозначного ответа.

Honda FCX Clarity

Модель имеет силовую установку в виде водородных топливных элементов. Лизинговые продажи стартовали в Америке 11 лет назад, а для заправки топливом разрабатывалась очень компактная по размерам энергетическая станция (Home Energy Station). Подсистема разгона и торможения в этом автомобиле оснащена эксклюзивным ионистором в виде супер-конденсатора без наличия традиционных «обкладок». Запас хода на одном заряде составляет 700 км. Розничная цена модели – почти 63 тысячи американских долларов.

Hyundai Tucson/ix35 FCEV

Внедорожник класса «К1» был запущен в серийное производство шесть лет назад. Модель, занявшая лидирующие позиции в области использования водородного топлива, отличается компактными размерами. Автомобиль оснащён силовой установкой, представленной двумя газовыми баллонами, которые заполняются сжатым водородом под давлением 700 атм. В динамике эта машина очень хороша, но оптимальный вариант – городской цикл езды.

Hyundai Nexo

Южнокорейская модель второго поколения водородных кроссоверов отличается не только новой платформой, но также лёгким кузовом, аккумуляторной батареей в багажнике и улучшенным строением топливных элементов. Объём трёх одинаковых по размерам баков составляет 52,2 л водорода. Модель была протестирована за Полярным кругом, где довольно легко подтвердила свою работоспособность в суровых климатических условиях.

Toyota Mirai FCV

Японский водородный экомобиль – это новая эра автомобилестроения. Для четырёхдверного седана характерно наличие заметно улучшенной силовой установки, модернизированных и усовершенствованных агрегатов. В модели Тойота Мирай установлены высокоэффективные водородные топливные элементы FC stack и синхронный электрический двигатель переменного тока. Запас хода на одном заряде двух заправочных баллонов составляет 650 км.

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.

Ещё одна хорошая статья:  Лифтбек: что это значит, плюсы и минусы, чем отличается от хэтчбека, седана и универсала, список лучших

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.

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.

Перспективы водородных ДВС

На данный момент к категории водородных моторов относятся как силовые агрегаты, которые функционируют на водороде, так и двигатели, использующие в работе водородные топливные ячейки. По мнению специалистов, водородные двигатели сегодня следует рассматривать, как единственно приемлемую с экологической точки зрения энергию.

Перед учёными в настоящее время стоит задача разработки наиболее приемлемой инфраструктуры, а также определения высокоэффективного способа добычи нестандартного вида топлива. Немаловажное значение придаётся подготовке документации, регламентирующей вопросы транспортирования, хранения и эксплуатации водорода.

Есть ли будущее у автомобилей на водородном топливе

В настоящее время имеется множество препятствий для того, чтобы перевести большую часть автомобилей на водородное топливо:

Высокая цена водорода. Примерная цена 9 долларов на 100 км пробега. Гибридный автомобиль (Toyota Prius) проедет те же сто км за 2,8 долларов, а Tesla Model S – за 3 бакса. А снижение цены на водород до уровня цен на бензин не прогнозируют даже сами производители автомобилей. Поэтому здесь не получится никакой экономии как при покупке транспорта, так и при заправках.

Производство водорода — вредно для экологии. Сейчас водород производится при помощи паровой конверсии метана, либо частичного окисления. После производства чистого водорода в атмосферу оксид углерода (углекислый газ, CO2), против которого борются многие страны при помощи альтернативных источников энергии для автомобилей. Поэтому здесь получается замкнутый круг.

Отсутствие развития водородных заправок. Для открытия средней водородной заправочной станции требуется не очень большие средства. Все станции можно пересчитать по пальцам, поэтому на водородном автомобиле далеко не уедешь. Придётся осуществлять поездки только в тех местах, где имеются эти самые водородные станции.

Высокая цена на водородные автомобили. Цена на Toyota Mirai на данный момент составляет от 58 тыс. долларов, а на самом деле его продают почти по себестоимости. Из-за таких цен многие не спешат с покупкой таких автомобилей.

Отсутствие преимуществ перед электрокарами. Запас хода, цена заправки, безопасность, мощность и разгон – везде выигрывают электрические автомобили по сравнению с водородными машинами. Единственный плюс у водородных авто – это очень быстрая заправка – 3-5 минут, тогда как электромобили заправляются за 30 минут и более. В любом случае можно в электрокарах можно быстро поменять батарею и через пару минут ехать на «полном баке». Да и когда изобретут более быстрый метод заправок электрических автомобилей, то водородные авто отойдут на 2 план.

Для чего тогда автоконцерны производят и разрабатывают автомобили? Во-первых, это вложение, вдруг через несколько лет именно эта технология окажется наиболее перспективной. Во-вторых, между фирмами идёт соперничество. В-третьих, в некоторых штатах законодательство так поменялось, что сделать водородное авто в 5 раз выгоднее, чем электрокар, плюс государство даёт постоянные гранты и вливания на развитие заправок. Если появится большое количество заводов по производству водорода, то цена автомобилей и водорода будет более интересная.

Чем водородные авто лучше электромобилей

Если взять водородную установку с топливными элементами, то такой автомобиль будет идентичным электромобилем, какой мы привыкли видеть на дорогах. Разница лишь в том, что электрокар заряжается от сети или от терминала на заправочной станции. Водородный же транспорт сам вырабатывает для себя электричество.

Что касается стоимости таких авто, то они стоят дороже. Например, модели Tesla в базовой комплектации будут стоить от 45 тысяч долларов. Водородные аналоги из Японии можно приобрести за 57 тыс.у.е. Баварцы же свои авто на «зеленом» топливе реализуют по цене от 50 тысяч долл.

Если брать во внимание практичность, то проще заправить машину газом (на это уйдет около пяти минут), чем ждать полчаса (при быстрой зарядке, что не для всех типов батарей позволительно) на стоянке. В этом плюс водородных установок.

Еще один плюс – топливные ячейки особо не нуждаются в обслуживании, а их рабочий ресурс достаточно большой. Что же касается электромобилей, то их огромная батарея приблизительно через пять лет будет требовать замены из-за того, что в ней происходит много циклов зарядки-разрядки. На морозах батарея в электротранспорте разряжается намного быстрее, чем в летний период. А вот элемент на реакции окисления водорода не страдает от этого и стабильно вырабатывает электричество.

Где заправляют водородные автомобили?

К сожалению, заправочных водородных станций в мире совсем мало. В 2018 г. их около 300, половина которых находится в Северной Америке, а другие – в Японии, Германии и Китае.

Кроме этого, существуют домашние и мобильные заправки. Они могут производить около тонны чистого водорода в год. Этого вполне хватит для заправки нескольких автомобилей в день. Топливо производится при помощи гидролиза воды, установку запускают только ночью, чтобы не нагружать электрическую сеть.

Автозаправки бывают 3 типов:

1. Малые. Они производят около 20 кг водорода в 24 часа. Хватит для полной заправки 5 легковых автомобилей.
2. Средние. Вырабатывают от 50 до 1250 кг топлива в сутки. Могут в день заправлять 250 стандартных машин или 25 грузовиков.
3. Промышленные. Производят более 2500 кг чистого водорода. Могут заправлять больше 500 легковушек в сутки.

Заправка состоит из компрессора, диспенсера, системы очистки, электрического лизёра, система хранения водорода. Топливо может производиться как при помощи электролиза воды, так и с помощью паровой конверсии метана.

Для того, чтобы заменить большую сеть бензиновых заправок на водородные, понадобится примерно 1,5 трлн. долларов. А стоимость одной водородной станции обойдётся в 2-3 млн. долл., но окупаемость её быстрее, чем для электрической станции из-за быстрой зарядки.

Сколько это стоит автомобиль на водородном двигателе?

Стоимость водородного автомобиля приличная. Причина тому – драгоценные металлы, которые входят в состав электродов топливных элементов (палладий или платина). Также современное авто оснащено бесчисленным множеством систем безопасности и стабилизации работы электроэлементов, что тоже требует материальных средств.

Хотя обслуживание такого автомобиля (до момента замены топливных ячеек) не намного дороже, чем обычного авто последних поколений. Есть страны, которые спонсируют производство водорода, но даже с учетом этого за килограмм газа придется заплатить в среднем 11 с половиной долларов. В зависимости от типа двигателя этого может хватить на расстояние около ста километров.

Проблемы эксплуатации автомобилей на водороде

Общая проблема обеих типов — хранение водорода в автомобиле. Смесь водорода с воздухом взрывоопасна. Что произойдет с водородомобилем в случае ДТП? Чтобы обеспечить приемлемый запас хода водород необходимо держать в сжиженном состоянии. Бак для сжиженного газа — это дорогостоящее и имеющее большой вес устройство. В случае широкого распространения водородомобилей потребуется сеть заправочных станций, а для этого потребуются время и деньги.

В настоящий момент водородный двигатель не может в полной мере заменить традиционные моторы для автомобиля. Понимая принцип его работы, нельзя забывать о факторе опасности вещества.

Автопроизводители не смогут поголовно оснащать свои машины мотором, работающим на водороде, пока не устранят ряд препятствий. Главным из них считается сложность получения самого газа. Плюс комплектующие стоят дорого, что в настоящий момент делает производство слишком затратным.

Также есть проблемы с обеспечением надлежащего хранения вещества. Ведь чтобы поддерживать газ в нужном состоянии, требуется постоянно поддерживать температуру на уровне около -253 градусов.

Самым простым способом, который используют для получения газа, является электролиз обычной воды. Для промышленных масштабов нужны огромные энергозатраты на электролиз. С целью повышения рентабельности речь заходит об использовании ядерной энергетики. Но риски слишком высокие, потому инженеры и учёные думают над тем, как отыскать достойную альтернативу.

Чтобы перевозить и хранить полученный газ, применяются очень дорогие материалы и специальные механизмы, обладающие повышенным качеством и соответствующей стоимостью.

В процессе эксплуатации есть и другие сложности и препятствия, среди которых стоит выделить следующие:

• Опасность взрыва. Если газ начнёт выходить из хранилища или просто из бака авто в условиях закрытого помещения, даже наличие небольшого источника энергии, такого как включённая лампочка в гараже, спровоцирует взрыв. А в случае нагретого воздуха ситуация становится ещё более опасной. Вещество обладает повышенной проницаемостью, что может спровоцировать попадание газа в коллектор выхлопной системы. В этой связи предпочтительнее для водорода использовать роторные двигатели;
• Хранение. Оно предусматривает применение больших ёмкостей со специальными системами, защищающими от улетучивания. Также требуется защита от механических повреждений. В случае с грузовиками и большими автобусами это не проблема. А вот применительно к легковым авто появляются сложности, поскольку под бак отводится большое количество кубометров;
• Негативное влияние и разрушение цилиндропоршневой группы. Это становится возможным, когда водород имеет высокую температуру и сталкивается с большими нагрузками. Страдает ЦПГ и смазка. Чтобы исключить эти проблемы, требуется специальный сплав и особые смазывающие компоненты, которые увеличивают стоимость изготовления водородных моторов. Отсюда и высокая цена самих автомобилей.

Проблем объективно много. Насколько они решаемые, говорить сложно. Хотя разработчики уверены, что изменить ситуацию в лучшую сторону возможно. И уже делаются большие шаги, подтверждающие подобные заявления.