Можно ли экономить бензин с помощью водорода?
Друзья, решил проверить можно ли экономить горючее в автомобиле с помощью водорода. Разработка и сборка окончена. В следующим видео тесты.
Друзья, решил проверить можно ли экономить горючее в автомобиле с помощью водорода. Разработка и сборка окончена. В следующим видео тесты.
Первый электромобиль был создан в 1841 году и представлял собой тележку с электрическим мотором.
Данная разработка в то время скорее демонстрировала потенциал человеческого разума и не была направлена на практическое применение. Зато сейчас машины на электротяге производятся в таких количествах, что многие автопроизводители уже подумывают о том, чтобы полностью прекратить разработку авто с ДВС. Сегодня мы рассмотрим виды топлива, которые могут стать полноценной заменой бензину в обозримом будущем (спойлер: их предостаточно и без электричества).
Водород
Разработка водородного двигателя увенчалась успехом даже раньше, чем электрического, – в 1806 году. С тех пор технология совершенствовалась и находила практическое применение. Сегодня водородные двигатели выпускают такие бренды, как Audi, BMW, General Motors, Ford, Honda, Hyundai, Toyota.
Автомобили с таким типом двигателя заправляются на специальных заправках сжатым водородом. Любопытно, что сегодня водород – самое энергоемкое топливо в мире. Калорийность одной весовой части чистого газообразного водорода превосходит бензин в 2,5 раза. Это означает, что весовой запас данного топлива в баллоне может быть во столько же раз меньше, а его сгорание может происходить в обычном поршневом двигателе.
Процесс преобразования водорода в автомобильное топливо не особенно сложен. Так, в топливной системе есть мембрана, разделяющая камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, во вторую – кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего платиной), в результате чего водород начинает терять отрицательно заряженные частицы (электроны). В это время через мембрану к катоду проходят положительно заряженные частицы (протоны). Они соединяются с электронами, образуя на выходе водяной пар и электричество.
Как видим, принцип работы агрегатов водородного автомобиля схож с электромобильными. При этом емкость водородного аккумулятора в 10 раз больше емкости литий-ионного: заправка баллона с 5 кг водорода занимает около 3 минут, а хватает его на 500 км.
Сложности у такой технологии тоже имеются. К примеру, из-за высокой температуры горения водорода блок цилиндров силового агрегат необходимо усиливать керамикой, что непросто и накладно.
Альтернативным вариантом здесь стали катализаторы – силовые установки беспламенного горения водорода. Однако им требуется баллонный кислород, стоимость которого высока: при окислении водорода в катализаторе вырабатывается электрический ток. Работает такая установка бесшумно и с высоким КПД.
Увы, высокая стоимость данного топлива (1 кг водорода обходится почти втрое дороже галлона бензина), применение драгоценных металлов, проблемы с инфраструктурой и не самое экологичное производство сводят на нет все плюсы данной технологии. В настоящее время водородные автомобили являются примером дорогостоящей альтернативы транспорту с ДВС. Возможно, перспективы развития будут пересмотрены, когда запасы ископаемого топлива подойдут к концу.
Сжатый воздух
Об автомобилях, работающих на сжатом воздухе, писал еще Жюль Верн в 1860 году. В действительности идея использования энергии сжатого воздуха в качестве движущей силы транспортного средства получила практическое применение в конце XIX века. На таком топливе работали автомобили, трамваи, локомотивы (духоходы) и т.д.
К сожалению, когда производители автомобилей выбрали двигатель внутреннего сгорания основным силовым агрегатом, все прочие разработки в этой сфере оказались лишены перспектив. Пневматический привод в транспорте сохранился лишь у вспомогательных механизмов: тормозных, дверных и всех прочих, не требующий затрат большого количества энергии.
Существующие сегодня пневмомобили представляют собой либо экспериментальные прототипы, либо спецтранспорт, работающий в условиях, при которых использование других видов двигателей затруднено, например, в цехах с повышенной пожароопасностью. При этом некоторые крупные автобренды симпатизируют технологии пневмодвигателя.
Так, в 2012 году индийский концерн Tata Motors и компания MDI представили амбициозный проект AirPod – серию городских авто, работающих на сжатом воздухе. В 2014 году на Парижском автосалоне состоялась премьера автомобиля Citroën C4 Cactus Airflow 2L с аэрогибридным силовым агрегатом, позволявшим проехать 100 км лишь на 2 литрах бензина. А двумя годами позже компания Peugeot обнародовала разработку кроссовера 2008 с похожей системой Hybrid Air.
Работает пневмомобиль на энергии, запасаемой от нагнетания сжатого воздуха в баллоны. Через систему распределения воздуха «топливо» попадает в пневмодвигатель и приводит автомобиль в движение.
Основным недостатком пневмомобиля является небольшой запас хода. Повышается дальнобойность таких авто за счет увеличения давления сжатого воздуха, но такой способ существенно усложняет производство как самих баллонов, так и систем воздухораспределения.
Метанол и этанол
Китайская экономика одна из самых быстрорастущих в мире. В ней очень популярны нестандартные решения. К примеру, последние несколько лет производство электрокаров в этой стране увеличилось в несколько раз и составляет около 50% всего производимого транспорта.
Но использования одних автомобилей на электрической тяге для самой многочисленной страны мира недостаточно. Поэтому часть китайского автопарка было решено перевести на метиловый спирт. Только в 2019 году от бензина отказались машины китайского правительства, такси и грузовики служб доставки.
К слову, самый богатый опыт применения спирта в качестве топлива имеет Бразилия. После мирового нефтяного кризиса 1973-1975 годов в этой стране была принята программа «Топливо на основе этанола». Поэтому в 1990-х годах в Бразилии этиловый спирт служил горючим более чем для 7 млн машин, а его смесь с бензином (газохол) – еще для 9 млн авто. Этанол в этой стране изготавливают из сахарного тростника, а продают через заправочную сеть, насчитывающую 25 тысяч станций.
Вторым мировым лидером по использованию этанола в автотранспорте являются США. Здесь также реализуется программа замены бензина спиртом, который получают при переработке излишков кукурузы и других зерновых культур. Чистый этанол в этой стране используется как горючее в 21 штате, а на бензоэтаноловую смесь приходится 10% топливного рынка США. Применение спирта в качестве топлива получило поддержку и в некоторых европейских странах, в частности, во Франции и Швеции.
Стандартный двигатель внутреннего сгорания не нужно переделывать для работы на смеси бензина и спирта. Существует два способа применения спирта в качестве горючего для автомобильных моторов – частичная (до 20%) и полная замена бензина и дизельного топлива.
Среди достоинств спиртового топлива стоит выделить высокие антидетонационные свойства, высокое октановое число, отсутствие серных выбросов, низкую токсичность. Все это повышает КПД силового агрегата, работающего на таком топливе.
Из недостатков, препятствующих массовому применению спиртов в качестве топлива для ДВС, нужно отметить малую теплоотводность, высокую гигроскопичность и повышенное содержание альдегидов.
Биотопливо
Биодизельное топливо – прекрасный пример совмещения заботы о чистоте экологии нашей планеты с переработкой пищевых отходов. Данное жидкое моторное биотопливо представляет собой смесь моноалкильных эфиров жирных кислот. Биодизель получают из триглицеридов (реже из свободных жирных кислот) реакцией переэтерификации (этерификации) одноатомными спиртами (метанол, этанол и др.). Источником триглицеридов могут служить различные растительные масла или животные жиры.
В зависимости от вида сырья, используемого для его производства, биотопливо разделяют на поколения. Так, биодизель 1-го поколения получают из различных сельскохозяйственных культур; биодизель 2-го поколения – из жиросодержащих отходов, биодизель 3-го поколения – из липидов микроводорослей.
Биотопливо используется для автотранспорта в чистом виде и в виде различных смесей с дизельным топливом. В США смесь дизельного топлива с биодизелем обозначается литерой B, а число после нее означает процентное содержание биодизеля: В2 (2% биодизеля, 98% дизельного топлива), В100 (100% биодизеля). Аналогичная система маркировки топлива была введена в ЕС в 2018 году. Применение смесей не требует внесения изменений в двигатель.
Среди главных достоинств данного вида топлива стоит выделить хорошие смазочные характеристики – немецкий грузовик даже установил мировой рекорд, проехав более 1,25 млн км на биодизельном топливе со своим оригинальным двигателем. Кроме того, биотопливо отличается более высоким цетановым числом и высокой температурой воспламенения (топливо на рапсовом масле воспламеняется при температуре 320°С). А еще побочным продуктом производства биотоплива является глицерин, имеющий широкое применение в промышленности.
Недостатки такого топлива – малый срок его хранения (около трех месяцев) и необходимость подогрева в холодное время года. А еще сырье, из которого производится биодизель, требует обширных сельскохозяйственных площадей.
***
Очевидно, что, выкачав все нефтяные ресурсы планеты, мы все же не останемся без транспортных средств, благо альтернативных источников питания даже сейчас предостаточно. А если учесть, что разработки в этой сфере ведутся как никогда активно, у нас есть все шансы получить дешевое и экологичное топливо уже в этом столетии. Главное – не обмануться в ожиданиях.
"Скажу откровенно, процесс сертификации был достаточно сложным и длительным. Прошло полтора месяца, прежде чем мы получили украинские номера. Благодаря чему сейчас у всех, кто пожелает растаможить водородную машину, процедура займет всего три дня", - написал Репкин в Facebook.
"Теперь дело за постепенным развитием инфраструктуры для водородного транспорта… Среди первых наших шагов будет сертификация еще одного автомобиля и создание первой водородной заправки в Украине", - добавил он.
Революционная технология водородных топливных элементов обеспечивает действительно нулевые выбросы при работе двигателя, с запасом хода более 650 км.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Апрель 2021
Тест-пилот Тойоты Хироаку Хишиура отметил, что водородный ДВС ощущается так же, как и "нормальный" бензиновый.
На пути к доминированию в массовом производстве автомобилей, у таких батарей еще очень много преград. На сегодняшний день, самое лучшее решение - перевод всего авто на метан. Высокое октановое число без присадок, физическое отсутствие всяких примесей и ядовитых продуктов выхлопа, на выходе из трубы только вода и углекислый газ, и что немаловажно - стоит дешево и доступен в больших количествах уже сейчас. Больше того, уже ест некоторая инфраструктура для заправки таких авто. Нужна только политическая воля, чтобы заставить перевести хотя бы легковые авто на газ, и в городах сразу станет легче дышать, люди перестанут так часто умирать от рака и прочих последствий тесного соседства с миллионом газенвагенов.
Компания Hyperion Motors из Южной Калифорнии показала водородный суперкар XP-1. Работа над ним велась последние 10 лет.
Инженеры утверждают, что использовали технологии NASA для создания этого авто: от продвинутых систем генерации водорода и электроэнергии до новых типов материалов.
Например, монокок изготовлен из металлокомпозита, в составе которого есть углеволокно и титан, а диффузор армирован кевларом. Благодаря этому удалось добиться веса всего в 1032 кг.
Это салон суперкара
Подвеска независимая, на двойных поперечных рычагах из сверхлегкого алюминиевого сплава. Она дополнена гидравлической регулировкой дорожного просвета.
Салон оснащён 98-дюймовым дисплеем. Педали и селектор коробки передач выполнены из титана. Мультимедиа системой можно управлять жестами. Над водителем и пассажиром раскинулся стеклянный купол с автозатемнением.
В силовую установку Hyperion XP-1 вошли несколько электромоторов на постоянных магнитах, ионистор, выступающий в роли источника тока, модуль топливных элементов с полимерной электролитической мембраной и трехступенчатая трансмиссия.
А водород хранится в специальных баках из углеволокна. Его хватает на 1000 миль или 1600 км.
Всего за 2,2 секунды суперкар разгоняется до 97 км/ч. Максимальная скорость – 355 км/ч.
Планируется выпустить 300 автомобилей. Поставки стартуют в начале 2022 года. Цена пока не раскрывается.
Материал посвящен использованию водорода в автомобилях.
Действительно, в сравнении с бензином водород — одна сплошная проблема: его очень трудно хранить и непросто получать, он взрывоопасен, а водородные автомобили в разы дороже бензиновых. Но при этом водород считается наиболее перспективным видом альтернативного топлива для транспорта. К тому же, на производство водородных автомобилей инвесторы готовы тратить многомиллиардные инвестиции.
Приговор бензину уже подписан
Согласно последнему отчету BP Statistical Review of World Energy 2018, мировые разведанные запасы нефти составляют 1,696 млрд баррелей, чего при сохранении текущего уровня потребления хватит лет на пятьдесят. Неразведанные запасы нефти, предположительно, дадут нам еще полвека углеводородной энергетики, но и стоимость ее добычи может оказаться такой, что нефть попросту станет невыгодна в сравнении с другими источниками энергии. Когда месторождения с удобной добычей истощатся, цена на сырье автоматически пойдет вверх: если сейчас стоимость добычи барреля в России некоторыми оценивается в 2-3 доллара (по альтернативным оценкам, в 18 долларов), то для сланцевой нефти это уже 30-50 долларов. А впереди у человечества реальная перспектива перейти на добычу шельфовой и арктической нефти, цена которой будет еще выше.
Всплеск интереса к электротранспорту в 70-х годах XX века возник как раз на фоне скачкообразного роста цен на нефть из-за политического кризиса — недостатка в сырье не было, но четырехкратный рост цен мгновенно сделал бензиновые автомобили и нефтяную энергетику роскошью.
А еще на пути бензиновых авто встали более спорные препятствия — забота об экологии в городах и странах, где автомобильный выхлоп стал проблемой. Из-за этого, например, Германия приняла резолюцию о запрете производства автомобилей с ДВС с 2030 года. Франция и Великобритания обещают отказаться от углеводородного топлива до 2040 года. Нидерланды — до 2030 года. Норвегия — до 2025 года. Даже Индия и Китай рассчитывают запретить продажи дизельных и бензиновых авто с 2030 года. Париж, Мадрид, Афины и Мексика запретят к использованию дизельные машины с 2025 года.
Сжигание водорода в ДВС
Сжигание водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания кажется самым простым и логичным способом применения газа, ведь водород легко воспламеняется и сгорает без остатка. Однако из-за разницы в свойствах бензина и водорода перевести ДВС на новый вид топлива оказалось не так-то просто. Сложности возникли с долгосрочной эксплуатацией движков: водород вызывал перегрев клапанов, поршневой группы и масла, из-за втрое большей, чем у бензина, теплоты сгорания (141 МДж/кг против 44 МДж/кг). Водород неплохо показывал себя на низких оборотах движка, но при росте нагрузки возникала детонация. Возможным решением проблемы была замена водорода на бензиново-водородную смесь, концентрация газа в которой динамически уменьшалась по мере роста оборотов двигателя.
Двухтопливная BMW Hydrogen 7 в кузове E65 сжигает водород в ДВС вместо бензина
Источник: Sachi Gahan / Flickr
Одним из немногих серийных автомобилей, где водород сжигался в ДВС подобно другому топливу, стал BMW Hydrogen 7, вышедший всего в 100 экземплярах в 2006–2008 годах. Модифицированный шестилитровый ДВС V12 работал на бензине или водороде, переключение между видами топлива происходило автоматически.
Несмотря на успешное решение проблемы перегрева клапанов, на этом проекте все равно поставили крест. Во-первых, при сжигании водорода мощность двигателя падала примерно на 20% — с 260 л. с. на бензине до 228 л. с. Во-вторых, 8 кг водорода хватало всего на 200 км пробега, что в разы меньше, чем в случае с дизельными элементами. В-третьих, Hydrogen 7 появился слишком рано — когда «зеленые» автомобили еще не были так актуальны. В-четвертых, ходили упорные слухи, что Агентство по охране окружающей среды США не разрешило называть Hydrogen 7 автомобилем без вредного выхлопа — из-за особенностей работы ДВС, частицы моторного масла попадали в камеру сгорания и там воспламенялись вместе с водородом.
Mazda RX-8 Hydrogen RE — тот случай, когда водород загубил всю динамику роторного двигателя. Источник: Mazda
Еще раньше, в 2003 году, была представлена двухтопливная Mazda RX-8 Hydrogen RE, добравшаяся до заказчиков только к 2007 году. При переходе на водород от мощности легендарного роторного RX-8 не оставалось и следа — мощность падала с 206 до 107 л. с., а максимальная скорость — до 170 км/ч.
BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 Hydrogen RE были лебединой песней водородных ДВС: к моменту появления этих автомобилей стало окончательно ясно, что куда эффективней использовать водород в давно известных топливных элементах, чем просто жечь.
Топливные элементы в автомобилях
Первым успешным экспериментом по созданию транспортного средства на водородном топливном элементе можно считать трактор Гарри Карла, построенный в 1959 году. Правда, замена дизеля на топливный элемент снизила мощность трактора до 20 л. с.
В последние полвека водородный транспорт выпускался в штучных экземплярах. Например, в 2001 году в США появился автобус Generation II, водород для которого производился из метанола. Топливные элементы создавали мощность до 100 кВт, то есть около 136 л. с. В том же году российский ВАЗ представил «Ниву» на водородных элементах, известную под именем «Антэл-1». Электродвигатель выдавал мощность до 25 кВт (34 л. с.), разгонял авто максимум до 85 км/ч и на одной заправке работал 200 км. Единственный произведенный автомобиль остался «лабораторией на колесах».
Российский автомобиль на водородных топливных элементах — в то время технологии ушли дальше дизайна. Источник: «АвтоВАЗ»
В 2013 году Toyota встряхнула автомобильный мир, представив модель Mirai на водородных топливных элементах. Уникальность ситуации была в том, что Toyota Mirai был не концепт-каром, а готовым к серийному производству автомобилем, продажи которого начались уже год спустя. В отличие от электромобилей на аккумуляторах, Mirai сама вырабатывала электричество для себя.
Toyota Mirai. Источник: Toyota
Электродвигатель переднеприводной Mirai имеет максимальную мощность 154 л. с., что немного для современного электромобиля, но весьма неплохо в сравнении с водородными авто прошлого. Теоретический запас хода на 5 кг водорода составляет 500 км, фактический — около 350 км. Tesla Model S по паспорту может пройти 540 км. Вот только на заправку полного бака водорода уходит 3 минуты, а батарея Tesla заряжается до 100% за 75 минут на станциях Tesla Supercharger и до 30 часов от обычной розетки на 220 В.
Постоянный ток из 370 водородных топливных элементов Mirai преобразуется в переменный, а напряжение увеличивается до 650 В. Максимальная скорость машины достигает 175 км/ч — немного в сравнении с углеводородным топливом, но более чем достаточно для повседневной езды. Для запаса энергии используется никель-металл-гидридный аккумулятор на 21 кВт∙ч, в который передаётся избыток от топливных элементов и энергия рекуперативного торможения. Учитывая японские реалии, при которых населённые пункты могут в любой момент пострадать от землетрясения, в багажнике Mirai 2016-го модельного года установлен разъем CHAdeMO, через который можно организовать электроснабжение небольшого частного дома, что делает автомобиль генератором на колёсах с предельной ёмкостью 150 кВт∙ч.
Кстати, всего за несколько лет Toyota удалось значительно уменьшить массу генератора: если в начале века в прототипах он весил 108 кг и выдавал 122 л. с., то в Mirai топливный элемент вдвое компактней (объем 37 литров) и весит 56 кг. Справедливо будет прибавить к этому 87 кг топливных баков.
Для сравнения, популярный современный турбомотор Volkswagen 1.4 TSI схожей с Mirai мощностью 140–160 л.с. славится своей «лёгкостью» благодаря алюминиевой конструкции — он весит 106 кг плюс 38–45 кг бензина в баке. Кстати, батарея Tesla Model S весит 540 кг!
За 4 км пробега Mirai вырабатывает только 240 мл дистиллированной, относительно безопасной для питья воды — энтузиасты, пробовавшие «выхлоп» Mirai, сообщали только о лёгком привкусе пластика.
Пить воду, слитую из Mirai, безопасно, хотя сперва зрелище шокирует
В Toyota Mirai установлено сразу два бака для водорода на 60 и 62 литра, в сумме вмещающих 5 кг водорода под давлением 700 атмосфер. Toyota разрабатывает и производит водородные баки самостоятельно вот уже 18 лет. Бак Mirai сделан из нескольких слоёв пластика с углеволокном и стеклотканью. Использование таких материалов, во-первых, повысило стойкость хранилищ к деформации и пробитию, а, во-вторых, решило проблему наводораживания металла, из-за которого стальные баки теряли свои свойства, гибкость и покрывались микротрещинами.
Строение Toyota Mirai. Спереди расположен электродвигатель, топливный элемент спрятан под водительским сидением, а под задним рядом и в багажнике установлены баки и аккумулятор. Источник: Toyota
Каковы перспективы?
По оценкам Bloomberg, к 2040 году автомобили будут потреблять 1900 тераватт-час вместо 13 млн баррелей в сутки, то есть 8% от спроса на электричество по состоянию на 2015 год. 8% — пустяк, если учесть, что сейчас до 70% добываемой в мире нефти уходит на производство топлива для транспорта.
Перспективы рынка аккумуляторных электромобилей куда более явные и впечатляющие, чем в случае с водородными топливными ячейками. В 2017 году рынок электромобилей составлял 17,4 млрд долларов, в то время как водородный автомобильный рынок оценивался в 2 млрд долларов. Несмотря на такую разницу, инвесторы продолжают интересоваться водородной энергетикой и финансировать новые разработки.
Примером тому является созданный в 2017 году «Водородный совет» (Hydrogen Council), включающий 39 крупные компании, таких как Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Его целью является исследование и разработка новых водородных технологий и их последующее внедрение в нашу жизнь.
Справились? Тогда попробуйте пройти нашу новую игру на внимательность. Приз — награда в профиль на Пикабу: https://pikabu.ru/link/-oD8sjtmAi
Ruslan Karmanov
Почему революционный водородный транспорт муссируется годами, а толку нуль
Жанр регулярного сладострастно-пассивного “ну вот и всё…” – один из основополагающих в современной субкультуре омега-части социума.
А прорывные новости про энергетические перемоги – особый подвид такого времяпровождения.
Стартовая диспозиция любой подобной новости проста – подразумевается, что в мире есть специальная Эта Страна, которая “только и умеет что нефть из дырки в земле выкачивать и продавать в огромных количествах”, и что Эту Страну, в силу такого предположения, безусловно уничтожает любое Прорывное Открытие.
Так как целевая аудитория таких новостей инфантильна и глупа, то рассуждать логически они не могут и упирают на эмоции. Отсюда различные рассказы про “узнав эту новость кремлёвский карлик в рыданиях забился под стол”, “через пару недель акции Газпрома будут валяться на улице” и “Маск объявил настенную батарейку Powerwall, рашка фсё, через три месяца эти батарейки будут раздавать на улицах Москвы улыбающиеся американские солдаты”.
Объяснять этой целевой аудитории, которая представляет себе промышленность по компьютерным играм, что добыча нефти – это не “дырку прокрутил и сидишь рядом посмеиваешься, денежки идут”, а чуть сложнее – нет смысла. Их техническая максимальная мощность логически-рассудочного аппарата и ёмкость памяти просто не приспособлена к такому.
Одна из часто репостящихся “новостей” разряда “ну вот и всё…” – это новость про Прорывной Водородный Автомобиль.
Встречаются разные тексты – например такой:
Твердили же 30 лет подряд, что Америку «убьёт» страна, от которой никто этого ожидать не будет. Всех, кто ждёт — не дождётся краха «главной цитадели мирового зла» разочарую.
Вместе с США рухнет и Россия. Причём, даже раньше.
Как зима всегда приходит «неожиданно», так и Япония «неожиданно» совершила реальный прорыв в энергетику без углеводородов. Смотрите. Вот первая ласточка:
Ласточку зовут Тойота Мираи.
Японский автомобильный гигант Toyota начал серийное производство первого в мире автомобиля с водородным двигателем.
Новый седан «Mirai» работает только на водороде, а вместо вредных выхлопов производит чистую воду. По словам конструкторов, одной заправки хватит на 650 км пути.
Он от 2016 года, но вот например примерно такое же “ну вот и всё…” про эту же тему, но от 2014 года. В данном сценарии Априори Гениальное Открытие присваивается другой Успешной Стране (не Японии) у которой Всё Точно Получится – Израилю. С опять же выпячиванием преимуществ и наличием прописанного “правильного вывода” в финале:
Трудно переоценить, как эти технологии способны изменить геополитику.
Похоже, что кому-то придётся очень больно упасть с пьедестала , а нефтяные короли превратятся в корольков.
Вообще Mirai сделан в 2013 году, ну а рабочий прототип показан аж в 1997.
Разбираемся.
Машина на водороде
Использование водорода как топлива имеет неоспоримые преимущества. Это почти полное отсутствие вредных выхлопов от двигателя (почти – потому что смазывать двигатель чем-то надо и сколько-то масла все равно сгорает и нуждается в замене), потому что в результате реакции, выделяющей энергию, получается обычная вода.
Это всё.
То есть это весь список преимуществ, да.
Всё остальное – увы, минусы
Варианты реализации схемы “автомашина на водороде”
Основных варианта – два.
1.Водород в баллонах, подаётся в ДВС – который или сразу приводит в движение автомобиль, или вращает генератор (т.е. “гибридный электрокар на водороде”);
2.Водородные топливные элементы, т.е. батарея из очень чистого алюминия – в неё подаётся вода и при реакции окисления выделяется водород. Который обычно в данном варианте вращает генератор, вырабатывающий электрический ток;
Оба этих варианта давно известны и имеют свои ярко выраженные минусы и проблемы, что не мешает раз в год, а то и чаще, вытаскивать какой-нибудь очередной прототип и с криками “it’s alive!!!” бегать и кричать об очередном “нувотивсё”.
Результат работы двигателя – не только вода
В “лабораторном ДВС на водороде” для окисления используется чистый кислород, поэтому получается вода. В реальности никто баллоны с кислородом возить не хочет и использует атмосферный воздух, в состав которого входит азот (много азота). В результате при реакции окисления образуются ещё и окислы азота. На фоне их негативных эффектов всякий углекислый газ – это детские шалости. Поэтому с “экологичностью” есть некоторая проблема.
Также водород вступает в реакцию со смазкой внутри двигателя, что ведёт к дополнительным проблемам – она быстро вырабатывается и продукты распада присутствуют в получающейся воде в больших количествах. Чистый водород вообще очень агрессивная штука и реагирует буквально со всем.
Батарейка, а не аккумулятор
“Водородная батарейка”, используемая во втором варианте – это именно батарейка. Обычно блок алюминиевых пластин, в которые заливается вода, и при реакции получается водород. Который сжигают, чтобы крутить движок. В батарее могут быть не пластины, могут быть гранулы – или алюминиевый порошок.
Суть не меняется – это именно одноразовая батарейка, т.е. когда весь алюминий поучаствует в реакции, то дальше можно только менять батарейку целиком на новую. Это не аккумулятор. Его нельзя перезаряжать. Только в переплавку, где алюминий будут восстанавливать из оксида до металла нужной чистоты – тратя примерно в 6 раз больше электричества, чем выделялось от генератора, вращаемого двигателем гибридной системы на водороде.
Дополнительным пунктом будет то, что эта батарейка не умеет “останавливаться”. То есть, если вам надо разогнаться, вы “газуете” – начинается реакция с выделением водорода – и тут вам надо остановиться. В этом сценарии батарейка продолжает расходоваться, реакцию нельзя “выключить по требованию”. Отсюда усложнение конструкции, ведь надо как-то отводить/сохранять водород. Либо надо добавлять аккумулятор, который будет использовать энергию рекуперации и “сглаживать” пики потребления. Тогда вся конструкция превращается в гибридный электромобиль с водородной двигательной установкой – соответственно опять же вырастает общая масса и сложность конструкции, стоимость обслуживания, появляется износ и замена аккумулятора, снижается надёжность и КПД.
Дополнительная масса
Дополнительные компоненты, которые не упоминаются в восторженных пресс-релизах – аккумуляторы, баллоны с водородом – утяжеляют машину и, следовательно, снижают общий КПД системы – а также растёт износ конструкции и затраты расходников (покрышки, масло). Которые из водорода не сделаешь.
Безопасность
Водород не просто опасен, а очень опасен. Поэтому надо выделять его в минимальных количествах и сразу передавать на двигатель, чтобы минимизировать потери в случае детонации.
Водород крайне трудно хранить, потому что он очень хорошо “просачивается” через разные материалы, и хранить его надо в жидком виде. Смесь водорода с воздухом – взрывоопасна. В силу этого вариант “автомобиль с баком жидкого водорода” очень сложен по части безопасности. Конструкция опять же усложняется и удорожается – и появляется, например, штатная утечка водорода из бака (приличная, несколько процентов за 10 суток).
Получающуюся в результате реакции воду надо куда-то девать – если её выливать на проезжую часть (по аналогии с выбросом выхлопных газов), то появляется проблема “как эксплуатировать такие машины на дорогах общего пользования зимой”.
Чтобы были понятны масштабы и не было “а ну и что, ведь вода выделяется и в обычном ДВС” – немножко цифр. В результате работы двигателя на водороде у рассматриваемой в примере Тойты Мираи выделяется около 250мл воды на 10 километров. Это 25мл на километр.
При проезде тысячи машин за минуту (нормальная многополосная автострада) на километр дороги будет выливаться в прямом смысле слова – не выходить в виде пара, а вниз, струйкой воды – 25 литров. За час на этот километр дороги окажется вылито 1500 литров воды. За сутки – 36 тонн. Сравнивать с “из выхлопной трубы тоже пар идёт” – немножко не выйдет, не те масштабы.
КПД получения водорода
Чтобы при помощи реакции с алюминием получить один кубометр водорода, надо потратить примерно в 6 раз больше электроэнергии на получение этого алюминия – с нужной чистотой. И это не считая затрат на “сделать из него батарейку, расходуя дополнительные материалы, установить её” и прочих. Технологиям получения алюминия – много лет, обычно получается он в три приёма:
Берётся руда и получается глинозём (Al2O3);
Электролизом глинозёма получаем алюминий;
Рафинируем алюминий до нужной чистоты;
Все эти фазы очень затратны на энергию, особенно вторая. Выбросы вредных веществ при производстве водорода – очень масштабны. Перспектив по улучшению технологии и снижения расходов на получение алюминия нужной чистоты – не предвидится.
Общая проблема гибридного транспорта
Основная проблема с гибридами и их восприятие как “панацеи” – что все считают гибридный транспорт гибридом строго полезных качеств.
Ну, типа как у сортов яблок – скрещивают сорт “крепкие” и сорт “сладкие”, чтобы получить сорт “крепкие и сладкие”.
В реальности у гибридов – полный комплект минусов от исходных до-гибридных вариантов. Узлов у гибрида больше, расходников ему надо больше, надёжность у него ниже. Массу надо с собой возить бОльшую, обслуживания надо больше, запчастей надо больше, сложных отказов 2 и более подсистем – тоже больше.
Поэтому гибридный автомобиль с баками водорода имеет проблемы и с водородом (хранение, утечка, дороговизна), и с батареей (износ, затраты на охлаждение, снижение КПД при определённых режимах работы), при этом продолжает требовать смазку (двигающихся частей стало больше, а не меньше). Это как-то вот аккуратно всегда за скобками оставляют, ослеплённые супер-рекламой супер-возможностей.
Суммарно
Машины на водородном движке будут требовать или регулярной физической смены батарейного блока (который потом надо утилизировать), или дорогой и опасной заправки водородом (стоимость даже небольшой сети водородных заправок, с учётом всех мер безопасности – околокосмическая).
Чистого водорода в природе не добывается, суммарный КПД всего процесса – от добычи до использования – очень маленький. Для показухи говорят только о КПД финальной части, самого процесса в ДВС.
Используемые “дополнительные” компоненты – от аккумуляторных батарей (в ряде конструкций гибридных автомобилей) до платиновых катализаторов – увеличивают стоимость всей системы и сдвигают срок окупаемости за горизонт, плюс прибавляют расходников.
В сухом остатке никакой революции “водородного” транспорта не получается – что по части экологии, что по затратам – водородный транспорт гораздо хуже обычного ДВС на бензине. Поэтому десятилетиями проводятся эксперименты и выпускаются работающие прототипы, но никаких значимых – хотя бы на уровне погрешности измерений – изменений не планируется.
Что, конечно, не мешает гуманитариям фантазировать про “Ну вот и всё…” и “революция в энергетике – рашке недели две осталось, максимум”.
https://www.atraining.ru/trainers/karmanov/nu-vot-i-vse-poka...