Aklaypart.ru

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

Чем заправить водородный двигатель

Справочная: как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах

В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.

Когда появились первые автомобили на водороде?

Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).

Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем.

Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.

Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.

В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.

На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.

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.


Источник

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.

Как работает топливная система и какие есть варианты?

Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.

На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.

Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию.

В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию.

Читать еще:  Двигатель высокого давления и низкого

Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.

По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.

Такие автомобили опасны? Почему?

Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.

Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.

Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.

В Mirai и других моделях водородных авто используются очень прочные баки для водорода. Toyota сделала свои баки пуленепробиваемыми, их стенки из сверхпрочного волокна выдерживают выстрелы из крупнокалиберного оружия. Для тестов компания наняла снайперов и пробить бак смогла только пуля калибром .50 после двойного попадания в одно и тоже место.

Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.

Какой срок службы у топливных ячеек?

Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.

Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?

Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.

В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.

Сколько это стоит?

В настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации. Так, при поездке в Европе протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно $45, а вот владелец Mirai заплатит около $57. И это при том, что правительство некоторых стран субсидирует производство водорода для машин. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем $11.45.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством.

Если сравнивать стоимость большинства электромобилей и Toyota Mirai, то они сравнимы, это несколько десятков тысяч долларов США. Стоимость Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс. Стоимость электрокаров Tesla начинается с $45 тыс. (базовая комплектация с прайсом в $35 тыс. пока доступна лишь для предзаказа). Электромобили от BMW стоят около $50 тыс.

Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки.

Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.

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.

Читать еще:  Чем покрасить защиту картера двигателя

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.


Водородные АЗС в 2019 году(источник)

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.

Водородная установка для автомобиля, с нее все начиналось

Согласно историческим сведениям, первый двигатель ДВС был водородный, хотя порой использовался и светильный газ. Но потребовалось еще много лет для совершенствования подобного мотора, и только в 1859 году был построен первый самоходный экипаж, топливом для которого служили упомянутые газы. Так что можно сказать, что современный транспорт начинался с автомобиля с водородным двигателем. Хотя в дальнейшем он уступил свое место бензиновому.

Известно несколько случаев, когда при отсутствии привычного горючего, водородный генератор обеспечивал автомобиль топливом. Но тем не менее, при всех достоинствах такого источника энергии он не нашел широко применения, хотя многие автомобильные корпорации, та же самая Toyota, работают над возможностью создания автомобиля на водородном топливе, и надо сказать не без успеха.

Как устроен водородный автобус? Принцип его работы

Водородный автобус внешне мало чем отличается от обычного автобуса с ДВС. А по принципу работы в какой-то степени напоминает электробус.

Ниже вкратце перечислены те основные элементы, наличие которых характерно для устройства автобуса, работающего на водороде (рис. 2):

  • Водородные топливные баки;
  • Топливные элементы. В результате химических реакций, происходящих в них, энергия водорода превращается в электрическую энергию;
  • Система охлаждения топливных элементов;
  • Преобразователи постоянного тока DC/DC. Регулируют напряжение постоянного тока;
  • Тяговый электродвигатель;
  • Аккумуляторные батареи;
  • Система охлаждения электроники.

Принцип работы автобуса, работающего на водороде, заключается в следующем:

Водородный автобус подъезжает к специально оборудованной для этой цели заправочной станции, где в течении буквально 3-5 минут заправляется водородом. Емкости для водорода обычно расположены на крыше автобуса.

Затем газ поступает в топливные элементы – электрохимические устройства, где энергия водорода преобразуется в электрическую энергию. Полученная таким образом электроэнергия, пройдя через блок преобразователей, питает тяговый электродвигатель, который приводит в движение водородный автобус. Вместо обычного электромотора в водородном автобусе может быть установлен электропортальный задний мост с двумя бортовыми мотор-редукторами.

Кроме того, в этом автобусе имеется одна или две аккумуляторные батареи. Они служат в качестве дополнительного источника электроэнергии. Заряжаются они как от водородных топливных элементов, так и от рекуперативной тормозной системы, которая начинает вырабатывать электричество при торможении водородного автобуса.

Автомобили на водороде

Людям глубоко заинтересовавшихся идеей автомобильных двигателей на водородном топливе или двигателей с гибридной системой, лидеры авторынка могут предложить некоторые варианты автомобилей, работающих по подобным схемам. В данной сфере заметно преуспели такие концерны как Daimler, Honda, Shanghai, VW. Они выпустили на рынок автомобили с водородным типом топлива, которые достойно представили работу своих инженеров.

Honda FCX

Работа данного автомобиля основывается на водородной системе. Он способен достигать скорости равной 160 км/час. Одной водородной заправки хватает для того, чтобы автомобиль преодолел путь в 500 км. Объем бака позволяет заправить 5 килограмм водорода в сжиженном виде. С каждым днем интерес автолюбителей к данной модели автомобиля растет.

Mercedes F-Cell

Данный автомобиль относится к серии «B-class» и оснащен электромотором на водородном топливе, который увеличил свою мощность на 115 л.с. Одной заправки достаточно для того, чтобы автомобиль преодолел расстояние в 400 километров. На данный момент автомобиль Mercedes F-Cell не порадовал публику своим появлением, и сейчас инженеры работают над его совершенствованием.

Читать еще:  Фундамент двигателя что это

BMW Hydrogen 7

Это еще один представитель «семерочной» линейки автоконцерна BMW. Он обладает ДВС гибридного типа. Источниками энергии является водород и бензин. Двигатель на водородном топливе системы Hydrogen заставил своих изобретателей потрать над его созданием около 20 лет. Этот автомобиль достигает отметки спидометра в 100 км/час всего за 9,5 секунд.

А все-таки попробовать можно – водородный генератор для автомобиля

Несмотря на такой безрадостный вывод о водородной энергетике в промышленном масштабе, можно попробовать использовать вариант получения, так называемого газа Брауна непосредственно на автомобиле. По сути, это тот же самый водород, результат электролиза воды, только проведенного на машине. Под капотом монтируется специальная установка, генератор водорода, питание на которую подается от бортовой сети.

Понятно, что при прочих равных условиях мощность, расходуемая на движение, уменьшится, часть энергии будет дополнительно тратиться на производство газа. Но результаты, полученные в ходе многочисленных испытаний, показывают, что подобная установка позволяет экономить до тридцати процентов бензина.

Как устроен такой генератор, позволяет понять рисунок. Пример изготовления простейшего его варианта показан на видео
» alt=»»>
и
» alt=»»>
Его основу составляют металлические электроды, часть из которых подсоединена к плюсу, а часть к минусу б/с. Внутрь залита вода (синяя стрелка) а из емкости выходит газ Брауна (голубая стрелка). Через шланг газ подается во впускной патрубок ДВС.

Как реально подобная установка располагается под капотом, видно на фото.

Вот такой небольшой генератор газа Брауна позволит любой автомобиль сделать немного ближе к творениям концерна Toyota или BMW, получая некоторую экономию бензина.

Правда споры по поводу того, получает ли владелец выгоду от такого устройства, не стихают. Одни утверждают что генератор того стоит, другие оперируя формулами и прочими доводами, доказывают что это миф, и на самом деле от водородного генератора нет никакого толку.

Водород считают горючим будущего, но так ли это? Для его повсеместного использования существует множество проблем, и хотя ведущими автопроизводителями, такими например, как Toyota, в этом направлении прилагаются значительные усилия, есть определенные сомнения, что в ближайшем времени водород сможет заменить бензин. Но есть мнение, что если использовать простейший генератор газа Брауна, то вполне возможно добиться экономии бензина на своем автомобиле, не дожидаясь прихода водородной энергетики.

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.

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.

Биодизель/биоэтанол

Биодизелем называют топливо, добываемое из растительного, соевого и рапсового масел, а также животных жиров. При смешивании в небольших пропорциях со стандартным ДТ этот вид топлива может заливаться в мотор без изменения конструкции и обладает завидной экологичностью за счет биоразлагаемости. Однако за все нужно платить: биодизель требует площадей для посадки растений и обходится дороже своего собрата без приставки био-.

Свои минусы есть и у биоэтанола , представляющего собой этиловый спирт. Его октановое число выше 100, поэтому применяется он в основном «коктейльно» — в смеси с бензином, чтобы избежать повреждения моторов, рассчитанных на топливо попроще. Кроме того, поскольку это спирт, в нем есть вода. А значит топливная система должна быть стойка к коррозии и подогреваться зимой.

Как и биодизель, биоэтанол требует посевных площадей, например с сахарным тростником, и с традиционными бензином, газом и дизельным топливом полноценно конкурировать пока не может.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector