Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости

Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.

Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.

Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку

Интерес к применению водорода появился еще в 70-х годах в период острого дефицита топлива. Первым современным разработчиком, который представил двигатель для автомобиля работающий на водороде, стал концерн Toyota. Именно он в 1997 году выставил на всеобщее обозрение внедорожник FCHV, который так и не пошел в серийное производство.

Несмотря на первую неудачу, многие компании продолжают исследования и даже производство таких автомобилей. Наибольших успехов добились концерны Тойота, Хендай и Хонда. Разработки ведут и другие компании — Фольксваген, Дженерал Моторз, БМВ, Ниссан, Форд.

В 2021 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom (ранее GEC-Alsthom) . Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение в конце 2017 года по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Интерес к покупке Coranda iLint уже проявила Норвегия, Дания и другие страны.

Плюсы автомобиля на водороде

Начнем с главных достоинств Hyundai Nexo:

1. Автомобиль не только не загрязняет атмосферу вредными соединениями и газами, но даже способствует очищению воздуха. Как утверждают разработчики, созданная ими система фильтрации может вытянуть из обрабатываемого воздуха до 99,9 % вредных примесей. За час оборудование очищает несколько десятков килограмма воздуха — это «порция» более чем для 40 человек.

2. Уже проведены исследования, доказывающие, что 10 000 автомобилей, работающих на сжиженном водороде, заменяют собой в условиях крупного города порядка 600 000 взрослых деревьев.

3. Водород — один из самых распространенных элементов из периодической таблицы Менделеева. В это же время литий, необходимый для изготовления аккумуляторов электромобилей, сравнительно редок — производители уже ведут за элемент настоящие «торговые войны».

4. Ученым доступна новая методика перемещения и хранения водорода в машинах: используется модульная установка, позволяющая сохранять элемент в форме аммиака. Перед использованием на тех же кроссоверах «Хендай» оборудование преобразует аммиак обратно в водород.

5. Возможность покупки подержанного водородомобиля: в отличие от электрокара, его топливные элементы изнашиваются значительно медленнее, чем аккумуляторные батареи. Так, ресурс ячейки для протекания химических реакций — 250 тыс. км пробега.

Особенности водорода как топлива для двигателя

В ДВС бензин смешивается с воздухом, после чего подается в цилиндры и сгорает, в результате чего происходит перемещение поршней и движение транспортного средства.

Применение водорода в виде топлива имеет ряд нюансов:

• После сжигания топливной смеси на выходе образуется только пар.
• Реакция воспламенения происходит быстрее, чем в случае с дизельным топливом или бензином.
• Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
• Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси.
• Водород — летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
• Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется.
• Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы мотора путем дозирования консистенции.

С учетом перечисленных нюансов применять H2 в чистом виде для двигателя внутреннего сгорания нельзя. Требуется внесение конструктивных изменений в ДВС и установка дополнительного оборудования.

Как работает

Так как на сегодняшний день существует много действующих моторов данной категории, в каждом отдельном случае работать водородная установка будет по своему принципу. Рассмотрим, как работает одна модификация, которая может заменить классический ДВС.

В таком моторе обязательно будут использоваться топливные элементы. Это своего рода генераторы, которые активируют электрохимическую реакцию. Внутри устройства водород окисляется, а результатом реакции является выделение электричества, водяного пара и азота. Углекислый газ в такой установке не выделяется.

Транспортное средство на подобном агрегате – такой же электромобиль, только батарея в нем намного меньше. Топливный элемент вырабатывает достаточно энергии для работы всех систем автомобиля. Единственный нюанс – от начала процесса до выработки энергии может пройти около 2 мин. Но максимальная отдача установки начинается после прогрева системы, что занимает от четверти часа до 60 минут.

Чтобы силовая установка не работала впустую, и не нужно было заранее подготавливать транспорт к поездке, в нем установлена обычная батарея. Во время езды она подзаряжается за счет рекуперации, а нужна она исключительно для старта авто.

Такой автомобиль оснащается баллоном разных объемов, куда закачивается водород. В зависимости от режима езды, размеров машины и мощности электроустановки одного килограмма газа может хватить на 100 километров поездки.

Устройство водородного двигателя

Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:

• Машины с 2-мя энергоносителями. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. КПД двигателя такого типа достигает 90-95 процентов. Для сравнения дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
• Автомобиль со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства. Сегодня удалось создать моторы, имеющие КПД от 75% и более.
• Обычные транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД еще на 20%.

Как отмечалось выше, конструкция мотора, работающего на H2, почти не отличается от ДВС за исключением некоторых аспектов.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения. Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

Принцип работы

Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:

1. Моторы внутреннего сгорания;
2. Двигатели на водородных элементах.

Водородные моторы внутреннего сгорания

В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.

В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).

В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.

После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от H2O для последующей реакции с O2.

Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.

Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

Двигатели на водородных элементах

Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).

В анодную секцию подается H2, а в катодную камеру — O2. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).

Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.

Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

Где использовались водородные топливные элементы?

Особенность топливных элементов водородного типа —способность производить энергию для электрического мотора. Как результат, система заменяет ДВС или становится источником бортового питания на транспортном средстве.

Впервые топливные элементы были использованы в 1959 году компанией из США.

Если говорить в целом, топливные элементы применяются:

• НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ. В отличие от КПД стандартного двигателя, они показывают лучшие результаты. На испытании первого автобуса топливные элементы показали КПД в 57%. Сегодня такие устройства тестируются многими производителями автомобилей — Хонда, Форд, Ниссан, Фольксваген и другими.

• НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. На современном этапе больше 60% транспорта на ж/д — тепловозы. Сегодня водородные поезда разрабатываются во многих странах — Японии, Дании, США и Германии.
• НА МОРСКОМ ТРАНСПОРТЕ. Водородные топливные элементы наиболее востребованы на подводных лодках. Активные работы в этом направлении ведутся в Германии и Испании, а в роли заказчиков выступают другие страны, среди которых Италия, Греция, Израиль.
• В АВИАЦИИ. Первые самолеты на водородном двигателе появились еще в 80-х годах прошлого века. На современном этапе новый вид топлива применяется для создания беспилотных летательных аппаратов (в том числе вертолетов).

Также водородные топливные элементы нашли применение на вилочных погрузчиках, велосипедах, скутерах, мотоциклах, тракторах, автомобилях для гольфа и другой технике.

Воздушному судну на водородной тяге быть

Дмитрий Басов, директор В/О «Авиаэкспорт» по развитию Александр Рубцов, редактор журнала «Авиапанорама», кандидат экономических наук, доцент

Водород привлек внимание авиаконструкторов еще на заре развития авиации – в начале ХХ века. Хотя для полной корректности будет вернее говорить не об авиа-, а об аэроконструкторах, так как интерес водород вызывал не как источник энергии, а как газ, более легкий, чем атмосферный воздух. Водород использовался в дирижаблестроении. Но катастрофа с дирижаблем «Гинденбург» этот интерес остудила, в дирижаблях стал использоваться гелий.

Вновь к водороду авиаконструкторы обратились только в середине 1970 годов. Самарское двигателестроительное КБ под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова (в настоящее время – ПАО «Кузнецов») приступило к работам по исследованию возможности использования жидкого водорода и сжиженного природного газа (СПГ) в качестве альтернативного топлива для авиационных двигателей. Первым экспериментальным двигателем, работающим на жидком водороде, стал двигатель НК-88, созданный на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8-2.

В конце 1970-х – начале 1980-х разработчик топливной автоматики для авиадвигателей МАКБ «Темп» (позже это НПП ЭГА, в настоящее время – ОАО «НПП «ТЕМП» имени Ф. Короткова) приступил к созданию систем автоматического регулирования подачи альтернативных видов топлива. Была создана специальная аппаратура для работы как на сжиженном природном газе, так и на водороде. Изготовили несколько комплектов агрегатов, которые прошли необходимый объем стендовых испытаний, наземных испытаний на двигателе.

15 апреля 1988 г. состоялся первый полёт Ту-155. Пра-вым двигателем в его силовой установке был НК-88.

После этого ОКБ Туполева, ЦАГИ, Авиаэкспорт и ряд других авиационных организаций предпринимали попытки наладить международное кооперационное сотрудничество.

Справедливости ради следует отметить, что использование водорода рассматривалось тогда лишь в качестве одного из вариантов применения в авиации газообразного топлива. В качестве основного направления рассматривалось использование СПГ. За период 1985-1990 гг. на жидком водороде было сделано только 5 полетов. Хотя и это немного, но за рубежом полетов на жидком водороде не было вообще.

Гораздо большее значение водород получил тогда в ракетостроении. Водородные двигатели (РД-0120) использовал и советский орбитальный корабль-ракетоплан «Буран».

К сожалению, в связи с негативными тенденциями в отечественной авиационной промышленности, в конце 1990-х годов дальнейшие работы по использованию водорода в авиации были прекращены.

Но это не стало «концом» водородной тематики. «Второе дыхание» процессу «проникновения» водорода на транспорт вообще, а затем – и на воздушный, в частности, дала электрохимия. Речь идет вот о чем.

И двигатели Ту-155, и двигатели работающих на водороде автомобилей (например, созданный в 1976-1979 гг. в НАМИ РАФ-2203) использовали водород – если здесь уместно такое определение – традиционно, «по старинке», т.е. – его сжигая. Причем, сжигая не всегда в чистом виде, а в смеси либо с бензином (автомобильные ДВС), либо с керосином (авиационные двигатели). Но водород может давать энергию и не сгорая. Энергию – электрическую. Такую энергию производят топливные элементы – устройства, в которых водород соединяется с кислородом атмосферного воздуха, происходит химическая реакция. В результате ее образуется вода, а на разделительной мембране возникает электрический ток. Поскольку в топливном элементе нет (в отличие, скажем, от генератора) движущихся частей, его к.п.д. уже сейчас достигает 90%. Такая сказочно чистая и эффективная технология – реальность даже не завтрашнего, а сегодняшнего дня. Топливные элементы широко распространены почти по всему миру, в первую очередь, в Великобритании, Германии, США, Южной Корее и Японии. Особенно – в Японии, поставившей еще в 2021 году задачу построения общества, основанного на водороде.

Применение водорода на транспорте уже миновало стадию пилотных проектов. Легковые автомобили на топливных элементах (например, Honda Clarity) производятся серийно. Такие автомобили имеют топливные элементы, баллоны сжатого водорода, а также аккумуляторную батарею для холодного старта и поддержания пиковых нагрузок и ускорений. Выходная мощность серийно производимых моделей от 70 до 130 кВт, максимальная скорость – 160 км/ч. Причем, лимитирована скорость не двигателем как таковым, а системой программного контроля, лимитирующей расход водорода в пределах одного кг на 100 км пробега. Дальность пробега на одной заправке у той же Хонды Кларити составляет 750 км. Для сравнения скажем, что самый «дальнобойный» электромобиль аккумуляторного типа может проехать на одной зарядке 590 км. И то – по данным изготовителя – . Кстати сказать, в марте 2021 г. в Китае был представлен электромобиль на топливных элементах с дальностью хода 1000 км, и ведется подготовка к его серийному производству. Серийно (пока – мелкосерийно) производят электромобили на топливных элементах Audi, BMW, Daimler, Ford, GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz и Toyota. Стоимость такого автомобиля пока еще довольно высока. Вот цены самых распространенных на рынке моделей: Honda Clarity – 51 000 евро; Hyundai ix35 Fuel Cell – 65 400 евро; Toyota Mirai – 78 600 евро. Однако по оценкам экспертов (в частности, Hydrogen Council) стоимость автомобилей на топливных элементах и на ДВС за ближайшие 6-8 лет практически сравняется. И достигнуто это будет за счет расширения масштабов производства, ведь сейчас во всем мире эксплуатируется чуть более 12 000 автомобилей на топливных элементах. А о том, как растет рынок электромобилей, можно судить уже по тому факту, что в 2010 г. на дорогах мира было лишь те же 12 000 автомобилей на аккумуляторах, а в 2021 – уже 5 000 000! Компании CAT, E-Trucks Europe, FAUN Kirchoff, linde, Renault/Symbio Fcell и ULEMCo выпускают уже и грузовые автомобили (пока – малотоннажные), развивающие скорость до 130 км/час и способные на одной заправке проработать смену. Компании Ballard, Daimler EvroBus, Hydrogeniks, Solaris, Toyota, Van Hool, VDL, и Writgtbas выпускают автобусы вместимостью до 105 человек (правда, к.п.д. этих машин ниже – порядка 55%, и удельное потребление водорода составляет 8-14 кг/100 км). На топливных элементах выпускаются скутеры и даже велосипеды. 15 стран уже имеют более или менее развитые сети заправок водородным топливом, в тот числе – Германия, Дания и Италия – достаточные для повсеместного использования автомобилей на топливных элементах. «Нашли себя» топливные элементы и на железнодорожном транспорте. В Германии был запущен в эксплуатацию первый в мире поезд на водородных топливных элементах – Coradia iLint. На крыше – цистерна с водородом и топливный элемент. Скорость поезда – 140 км/ч, дальность поездки на одной заправке – 1000 км, а заправка длится 15 минут(!). Изначально проект разрабатывался немецкой фирмой LHB, которая затем была поглощена французским концерном Alston. С 16 июля 2021 г. этим транспортом связаны города Бремерферде, Бремерхафен, Букстехуде и Куксхафен. К 2021 г. земля Нижняя Саксония закупит 14 таких поездов, что обойдется в 81 млн евро. Ну, это – Германия, а российской стороной с концерном Alston уже подписано соглашение, по которому «водородные» поезда побегут у нас на Сахалине. В Нидерландах производятся морские суда на топливных элементах.

Но вернемся к авиации. Понятно, что применение топливных элементов здесь может идти лишь в русле развития электроавиации. Какую картину мы здесь наблюдаем?

С одной стороны, несомненные успехи есть – в Германии производятся (и успешно продаются!) электропланеры, Словения производит (и не менее успешно продает) легкие электросамолеты, в Китае создан (и эксплуатируется в ОАЭ в качестве беспилотного аэротакси) легкий электровертолет. Электросамолет облетел уже вокруг Земли. Но… все это не имеет отношения к топливным элементам: облетевший вокруг земли самолет был на солнечных панелях, а в остальных упомянутых летательных аппаратах используются аккумуляторные батареи.

На сегодняшний день в большинстве стран топливные элементы «проникли» пока лишь на беспилотные летательные аппараты. Британская компания Cella разработала твердые гранулы водорода и в марте 2021 года запустила в Шотландии беспилотник, загруженный сотней таких гранул (площадь каждой около одного квадратного сантиметра). К сожалению, о продолжительности и скорости полета компания не сообщает, но уже несомненным достижением является то, что вся эта система (топливные элементы, запас гранул) в три с лишним раза легче, чем литиевые батареи таких же выходных характеристик.

А ведь именно вес даже самых современных аккумуляторных батарей не позволяет создать настоящий электровертолет. Китайское аэротакси в Дубае таковым, безусловно, не является – это «игрушка»-беспилотник, на 15 минут поднимающий в воздух одного пассажира с рюкзачком. А о том, насколько востребован электровертолет, говорит тот факт, что работы по его созданию идут по всему миру от Китая до США (у нас, к сожалению, они заметны мало). Потому что, в отличие от, скажем, электромобиля преимущества электровертолета перед обычным, использующим ДВС, сводятся не только к экологии. Экологический фактор здесь даже не основной. Преимущества электровертолета заключаются в следующем:

1. Электровертолет не нуждается в таком сложном, тяжелом, уязвимом и дорогом агрегате, как редуктор. Что делает его (при прочих равных условиях) проще, легче, надежнее и дешевле.
2. Электровертолет не потребляет нефтепродуктов, что крайне важно везде, а особенно в районах Крайнего Севера (учитывая себестоимость доставки туда авиационного топлива).
3. Электродвигатель значительно проще в управлении, чем ДВС, что крайне важно для беспилотных летательных аппаратов. (Постоянное расширение сферы применения БЛП – тоже реальность сегодняшнего дня.)
4. Час полетного времени электровертолета значительно дешевле, чем час полета вертолета с ДВС. Это все – о гражданской авиации. Если же говорить о авиации военного назначения, то к этим пунктам нужно добавить 5-й:
5. К.п.д. ДВС – около 30%; 70% энергии превращается в тепловую. Температура выхлопных газов вертолета – 900 градусов по Цельсию. КПД электродвигателя – свыше 90%. Электровертолет почти «холоден». Это делает его значительно менее заметным для современных систем обнаружения воздушных целей в ИК-диапазоне.

Но в Германии, Китае и США уже появились и пилотируемые аппараты на топливных элементах. Сотрудничество производителя воздушных судов Pipistrel, разработчиков топливных элементов из компании Hydrogenics и ученых из университетов Ульма и немецкого аэрокосмического центра Института инженерной аэродинамики приблизило день запуска пассажирских самолетов с нулевым уровнем выбросов, что экологически безопасно для окружающей среды. Работающий на водороде четырехместный одномоторный HY4 совершил свой первый 15-минутный полет вокруг аэропорта Штутгарта.

HY4, длина которого 21,36 метра, состоит из двух кабин, расположенных по обе стороны от двигателя — такая непривычная конструкция позволила оптимально распределить нагрузку по площади всего воздушного судна, что уменьшило потребление топлива и увеличило общую грузоподъемность. Каждый фюзеляж снабжён 9-килограммовой емкостью для водородного топлива, которое питает четыре низкотемпературных обменных мембраны топливных модулей. Продуманная система преобразует водород и кислород в воду, вырабатывая необходимую для функционирования транспорта электрическую энергию.

Экосамолет при полных баках и оптимальных условиях полета способен преодолеть до 1 500 километров, что, по современным меркам, не так уж много, но стоит учитывать, что полет HY4 не наносит вреда окружающей среде в отличие от современных воздушных средств передвижения. Максимальная и крейсерская скорость равны 200 и 145 км/ч соответственно.

Противники водородной энергетики часто апеллируют к повышенной взрывоопасности водорода. Но повышенной по сравнению с чем? С торфом, углем, дровами? Так эти энергоносители в авиации никогда и не применялись. А возгораемость или, тем более, взрывоопасность водорода ниже, чем возгораемость или взрывоопасность керосина.

Ну а как с внедрением водорода в авиацию дело обстоит у нас в России сегодня? О применении водорода в качестве топлива реактивных двигателей мы уже говорили выше, а с применением водорода в топливных элементах – в общем, так же, как и во всем мире: беспилотные аппараты на топливных элементах летают, а в пилотируемой авиации – первые робкие попытки.

На авиасалоне в Жуковском (27.08 – 01.09.2019) демонстрировался отечественный самолет (хотя, возможно, правильнее будет назвать его полноразмерным макетом) на водородных топливных элементах. Он представляет из себя переделанный под «водородную тягу» отечественный легкий двухместный самолет «Сигма-4». Самолет имеет размах крыльев 9,8 м, длиной он 6,2 м. Водородная силовая установка занимает место пассажира – самолет стал одноместным. Взлетная масса составляет теперь 600 кг, дальность полета, по словам создателей машины (борт не летал) – 300 км.

Главную часть – топливный элемент – разработал (совместно с группой ) Институт проблем химической физики РАН – ведущая организация по проекту создания водородного самолета. Руководитель проекта – профессор Юрий Добровольский. Силовая установка, включая баки для хранения водорода, редукторы, расходомеры, топливные магистрали, увлажнитель, компрессор, системы охлаждения топливного элемента, подготовки и подачи воздуха, а также системы контроля, созданы отделом гибридных и электрических силовых установок ЦИАМ им. П.И. Баранова. В дальнейших планах – замена одного винта множеством маленьких, расположенных по передней кромке крыла. Вопрос о проектировании нового планера уже обсуждался с Санкт-Петербургским политехническим университетом им. Петра Великого.

ЦИАМ планирует испытать силовую установку в полете, но в «урезанном виде», т.е. … на аккумуляторах. Однако, во-первых, это, даже по словам инициаторов эксперимента, сократит полетное время до 15 минут, а, во-вторых, испытание водородной силовой установки без водорода…

Но от чего же у нас все так скромно: водородного автомобиля нет, водородный самолет не летает, водородный поезд – импортный? Нам представляется, что ответ на этот вопрос дан в очень интересном докладе «Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию», подготовленному Центром энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО. (Мы в статье не раз использовали материалы из этого доклада. Его авторы: Татьяна МИТРОВА, Юрий МЕЛЬНИКОВ, Дмитрий ЧУГУНОВ). Доклад можно найти в интернете. Так вот – процитируем дословно – в нем говорится: «В России пока отсутствует не только национальная водородная программа, но даже и видимая координация различных исследовательских групп и интересов».

Причем реальное положение вещей – не лучше, чем отражено в этом докладе. Во многом из-за отсутствия координации происходит не наращивание нашего национального «водородного потенциала», а наоборот – «сдача» уже имеющихся позиций. Так, в докладе говорится об имеющемся у нас крупнейшем производителе электролизеров – ПАО «Уралхиммаш» (г. Екатеринбург), выпускающем установки производительностью от 4 до 300 кубических метров водорода в час. Завод прекратил свое существование. На рынке электролизеров полностью господствуют иностранные компании.

Национальная ассоциация водородной энергетики (НАВЭ), на которую докладчики возлагают некоторые надежды, ограничивается тем, что, работая в ряде технических комитетов, вводит в России стандарты, являющиеся аналогами международных стандартов в области водородных технологий. Дело, конечно, тоже полезное, но ни о какой координирующей роли в плане развития национальной водородной энергетики речь не идет. Кстати (или – не кстати) сказать, сама эта национальная ассоциация позиционирует себя – см. ее сайт – как представительство в России и СНГ Международной ассоциации водородной энергетики (IAHE), с которой можно связаться – опять см. сайт – в … Майами, Флорида.

В сложившейся ситуации роль координатора в вопросе развития водородной энергетики в целом по силам лишь государственному органу. Пока делаются самые первые, и потому скромные шаги. Но главное – начать. Тем более, что делается это как составная часть более объемлющей работы – применения в авиации нетрадиционных источников энергии (в первую очередь – газообразных топлив). Поэтому к теме применения в авиации водорода, а также других альтернативных топлив, мы вернемся в своей следующей публикации.

Преимущества и недостатки

Чтобы понять особенности и перспективы водородного двигателя в автомобиле, стоит знать его плюсы и минусы. Рассмотрим их подробнее.

Плюсы:

• ЭКОЛОГИЧНОСТЬ. Внедрение водородного двигателя — возможность забыть о проблеме загрязнения окружающей среды. При глобальном переходе на этот вид топлива удастся снизить парниковый эффект и, возможно, спасти планету. Экологичность новых разработок подтверждена компанией Тойота. Работники концерна доказали, что выхлоп из машины безопасен для здоровья. Более того, выходящую воду можно пить, ведь она дистиллирована и очищена от примесей.
• ОПЫТ РАЗРАБОТОК. Известно, что водородный двигатель создан давно, поэтому с его применением на автомобилях проблем быть не должно. Если углубится в историю, первое подобие мотора на водороде в начале XIX века удалось создать Франсуа Исаак де Ривазу — конструктору из Франции. Кроме того, в период блокады Ленинграда на новый вид топлива было переведено почти 500 машин.
• ДОСТУПНОСТЬ. Не менее важный фактор в пользу H2 — отсутствие дефицита. При желании этот вид топлива можно получать даже из сточных вод.
• ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В РАЗНЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ. Существует мнение, что водород используется только в ДВС. Это не так. Новая технология задействована при создании топливного элемента, с помощью которого удается получить электрический ток и запитать электромотор транспортного средства. Преимущества заключаются в безопасности и отсутствии ископаемых элементов, что исключает загрязнение окружающей среды. На современном этапе такая схема считается наиболее безопасной и пользуется наибольшим спросом у разработчиков.

Также к плюсам стоит отнести:

• Минимальный уровень шума;
• Улучшение мощности, приемистости и других параметров двигателя;
• Большой запас хода;
• Низкий расход горючего;
• Простота обслуживания;
• Высокий потенциал применения в виде альтернативного топлива.

Недостатки водородного двигателя:

• СЛОЖНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ H2 ИЗ ВОДЫ. Как отмечалось, данный газ считается наиболее распространенным элементом на планете, но в чистом виде его почти нет. Этот газ имеет минимальный вес, поэтому он поднимается и удерживается в верхних слоях атмосферы. Атомы H2 быстро связываются с другими элементами, в результате чего образуется вода, метан и другие вещества. Вот почему для применения водорода его необходимо извлечь, а для этого требуются большие объемы энергии. На текущий момент такое производство нерентабельно, что тормозит процесс внедрения водородных двигателей. По приблизительным расчетам цена литра, сжиженного H2 равна от 2 до 8 евро. Итоговые расходы во многом зависят от способа добычи топлива.
• ОТСУТСТВИЕ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА ЗАПРАВОК. Не меньшая проблема — дефицит АЗС, готовых заправлять машины водородным топливом. Проблема заключается в высокой стоимости оборудования для таких автозаправочных станций (если сравнивать с обычной АЗС). Сегодня разработано множество проектов станций для заправок водородом — от крупных до небольших заправок, но из-за дороговизны и отсутствия массового применения водородных двигателей на автомобилях процесс внедрения идеи может растянуться на десятилетия.

• НЕОБХОДИМА ДОРОГОСТОЯЩАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВС. Как отмечалось, водородное топливо теоретически может использоваться для заправки ДВС. Но для применения H2 в качестве основного топлива требуются конструктивные изменения. Если ничего не менять, мощность мотора падает на 20-35%, а ресурс силового узла значительно снижается. Но и это не главный недостаток. Опасность в том, что такой механизм проработает недолго и быстро выйдет из строя. Сгорая, водородная смесь выделяет большее тепло, что приводит к перегреву поршневой и клапанной системы, а мотор работает в режиме повышенных нагрузок. Кроме того, высокие температуры негативно влияют на материалы, из которых сделан силовой узел, и смазывающие вещества. В результате рабочие элементы двигателя быстро износятся. Это значит, что без модернизации ДВС применение H2 невозможно.
• ДОРОГОВИЗНА МАТЕРИАЛОВ. Главным «камнем преткновения» в вопросе развития водородных технологий является высокая стоимость материалов. В качестве катализатора используется платина, цена которой для рядового автовладельца очень высока. Проще потратить деньги и подарить дорогое кольцо жене, чем отдавать их для установки новой детали. Надежда остается на ученых, которые ищут альтернативы для дорогостоящего катализатора. Проводятся тестирования элементов, способных заменить драгоценный металл.

Кроме уже рассмотренных выше, стоит выделить еще ряд недостатков:

• Опасность пожара или взрыва.
• Риски для планеты, ведь увеличение объема водорода может привести к непоправимым последствиям для озонового слоя.
• Увеличение веса машины из-за применения мощных АКБ и преобразователей.
• Наличие проблем с хранением водородного топлива — под высоким давлением или в сжиженном виде. Исследователи еще не пришли к единому выводу, какой из вариантов лучше.

Система воздушного или прямого охлаждения

В системе прямого охлаждения двигатель охлаждается непосредственно с помощью воздуха, проходящего через него. Это такая же система охлаждения, которая используется для мотоциклетных двигателей.

В ней воздух находится в непосредственном контакте с двигателем, следовательно, она также известна как система прямого охлаждения.

Система воздушного охлаждения используется для небольших двигателей, таких как велосипеды, газонокосилки и т. д.

Преимущества системы воздушного охлаждения

1. Конструкция двигателя становится проще.
2. Ремонт легко в случае повреждений.
3. Отсутствие громоздкой системы охлаждения облегчает обслуживание системы.
4. Нет опасности утечки охлаждающей жидкости.
5. Двигатель не подвержен заморозкам.
6. Это автономное устройство, так как оно не требует радиатора, жатки, резервуаров и т.д.
7. Установка системы воздушного охлаждения проста.

Недостатки двигателей воздушного охлаждения

1. Их можно использовать только в местах, где температура окружающей среды ниже.
2. Охлаждение не равномерное.
3. Более высокая рабочая температура по сравнению с двигателями с водяным охлаждением.
4. Производят больше аэродинамического шума.
5. Удельный расход топлива выше.
6. Более низкие максимально допустимые коэффициенты сжатия.
7. Вентилятор, если он используется, потребляет почти 5% мощности, вырабатываемой двигателями.

Опасность водородного топлива

В рассмотренных выше недостатках упоминалось об опасности применения водородного топлива для двигателя. Это главный минус новой технологии.

В сочетании с окислителем (кислородом) возрастает риск воспламенения водорода или даже взрыва. Проведенные исследования показали, что для воспламенения H2 достаточно 1/10 части энергии, необходимой для зажигания бензиновой смеси. Другими словами, для вспыхивания водорода хватит и статической искры.

Еще одна опасность заключается в невидимости водородного пламени. При горении вещества огонь почти незаметен, что усложняет процесс борьбы с ним. Кроме того, чрезмерное количество H2 приводит к появлению удушья.

Опасность в том, что распознать данный газ крайне сложно, ведь у него нет запаха и он полностью невидим для человеческого глаза.

Кроме того, сжиженный H2 имеет низкую температуру, поэтому в случае утечки с открытыми частями тела высок риск серьезного обморожения. Находится данный газ должен в специальных хранилищах.

Из рассмотренного выше напрашивается вывод, то водородный двигатель опасен, и использовать его крайне рискованно.

На самом деле, газообразный водород имеет небольшой вес и в случае утечки он рассеивается в воздухе. Это значит, что риск его воспламенения минимален.

В случае с удушьем такая ситуация возможна, но только при нахождении в замкнутом помещении. В ином случае утечка водородного топлива опасности для жизни не несет. В оправдание стоит отметить, что выхлопные газы ДВС (а именно угарный газ) также несут смертельный риск.

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.

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 2021 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 2021 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 2021 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 2021 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 2021 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 2021 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.

Трудности в эксплуатации водородных ДВС

Главным препятствием для внедрения новой технологии является чрезмерные расходы на получение водородного топлива, а также на приобретение комплектующих материалов.

Возникают проблемы и с хранением H2. Так, для удерживания газа в требуемом состоянии требуется температура на уровне -253 градусов Цельсия.

Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство H2 требуется в промышленных масштабах, не обойтись без высоких энергетических затрат.

Чтобы повысить рентабельность производства, требуется применение возможностей ядерной энергетики. Чтобы избежать рисков, ученые пытаются найти альтернативы такому варианту.

Перемещение и хранение требует применения дорогих материалов и механизмов высокого качества.

Нельзя забывать и о других сложностях, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации:

• Взрывоопасность. При утечке газа в закрытом помещении и наличии небольшой энергии для протекания реакции возможен взрыв. Если воздух чрезмерно нагрет, это только усугубляет ситуацию. Высокая проникаемость H2 приводит к тому, что газ попадает в выхлопной коллектор. Вот почему применение роторного мотора считается более предпочтительным.
• При хранении водорода применяются емкости, имеющей большой объем, а также системы, исключающие улетучивание газа. Кроме того, используются устройства, исключающие механическое повреждение емкостей. Если для грузовых машин, водного или пассажирского транспорта эта особенность не имеет большого значения, легковая машина теряет ценные кубометры.
• При больших нагрузках и высокой температуре H2 провоцирует разрушение элементов ЦПГ (цилиндропоршневой группы) и смазки в двигателе. Использование специальных сплавов и смазочных материалов приводит к повышению стоимости производства водородных двигателей.

Будущее водородных двигателей

Применение H2 открывает большие перспективы и не только в автомобильной сфере. Водородные двигатели активно применяются на ж/д транспорте, на самолетах и вертолетах. Также они устанавливаются на вспомогательной технике.

Интерес к разработке таких моторов проявляют многие концерны, о которых уже упоминалось выше — Тойота, БМВ, Фольксваген, Дженерал Моторс и другие.

Уже сегодня на дорогах встречаются реальные автомобили, которые работают на водороде. Многие из них рассмотрены выше — БМВ 750i Hydrogen, Хонда FSX, Тойота Mirai и другие.

К работе подключились почти все крупные концерны, которые пытаются найти свою нишу на рынке.

Главным недостатком остается высокая цена H2, нехватка АЗС, а также дефицит квалифицированных работников, способных обслуживать такую технику. Если имеющиеся проблемы удастся решить, машины с водородными двигателями обязательно появятся на наших дорогах.

Конкурирующие технологии

Внимание к моторам на водороде развеивается по той причине, что у технологии имеются конкуренты.

Вот только некоторые из них:

• ГИБРИДНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА — автомобили, способные работать от нескольких источников энергии. Многие концерны объединяют обычный двигатель внутреннего сгорания и электрический мотор. Еще один вариант гибридной машины — совмещение ДВС, а также силового узла, использующего в качестве топлива сжатый воздух.

• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АВТОМОБИЛИ (ЭЛЕКТРОМОБИЛИ) — транспортные средства, которые приводятся в движение с помощью одного или группы электрических моторов, питающихся от АКБ или топливных элементов. В таких машинах ДВС не применяется. Электромобили не стоит путать с авто, имеющими электрическую подачу, а также с электрическим общественным транспортом (троллейбусами и трамваями).

• АВТОМОБИЛИ НА ЖИДКОМ АЗОТЕ. Источником энергии, как уже понятно по названию, является жидкий азот (находится в специальных емкостях). Мотор работает следующим образом. Топливо нагревается в специальном механизме, после чего испаряется и преобразуется в газ высокого давления. Далее оно направляется в мотор, где действует на ротор или поршень, передавая таким способом имеющуюся энергию. Машины на жидком азоте были представлены публике, но на современном этапе они не получили широкого применения. Один из таких автомобилей «сыграл» в фильме «Жидкий воздух» в 1902 году. Разработчики уверяют, что такое транспортное средство способно проехать больше 100 км на одном баке.

• АВТОМОБИЛЬ НА СЖАТОМ ВОЗДУХЕ. Особенность транспортного средства заключается в применении пневмодвигателя, благодаря которому и перемещается транспортное средство. Специальный привод называется пневматическим. Вместо топливовоздушной смеси источником энергии является сжатый воздух. Как отмечалось выше, такая технология входит в состав гибридных машин.

Краткая история

Водородные двигатели внутреннего сгорания появились в тот же период, когда велись разработки и совершенствовался принцип ДВС. Французский инженер и изобретатель сконструировал свой вариант двигателя внутреннего сгорания. Топливо, которое он применял в своей разработке – водород, появлявшийся в результате электролиза H2O. В 1807 году появился первый водородный автомобиль.

Исаак Де Риваз в 1807 году подал патент на разработку тягача для военного снаряжения. в качестве одного из силовых агрегатов он предлагал использовать именно водородный.

Силовой агрегат был поршневым, а зажигание в нем происходило благодаря образованию искры в цилиндре. Правда, первое творение изобретателя нуждалось в ручной генерации искры. Спустя всего два года он доработал свое произведение, и на свет появилось первое самоходное водородное средство передвижения.

Однако на тот момент разработке не придали значения, потому что газ не так легко получить и хранить, как бензин. Практическое применение водородные моторы получили в Ленинграде во время блокады со второй половины 1941 года. Хотя, стоит признать, что это не были исключительно водородные агрегаты. Это были обычные двс ГАЗ, только топлива для них не было, зато газа в то время было предостаточно, так как им заправляли аэростаты.

В первой половине 80-х годов много стран, причем не только европейские, но и Америка, Россия и Япония взялись экспериментировать с данного типа установками. Так, в 1982-м при совместной работе и автопредприятия РАФ появился комбинированный мотор, который работал на смеси водорода и воздуха, а в качестве источника энергии использовался акб на 5 кВт/ч.

С тех пор разными странами проявлялись попытки внедрить «зеленый» транспорт в линейки своих моделей, но в большинстве случаев такие машины либо оставались в категории прототипов, либо имели сильно ограниченный тираж.