После того как все государства мира объявили курс на снижение выбросов вредных веществ, производители транспортных средств задумались об использовании альтернативных источников энергии. Причём они начали вести разработки не только в области электромобилей, но и в направлении использования водорода в качестве топлива для автомобилей. При этом различные компании рассматривают собственные технологии, которые обладают массой принципиальных отличий. Поэтому стоит подробнее рассмотреть авто на водороде, чтобы понять, что может ожидать нас в ближайшем будущем.
Автомобили на водороде — это довольно перспективное направление в поиске альтернативных источников энергии
Вспомните, почему водород называют «гремучим газом» — правильно, он очень легко взрывается с выделением огромного количества энергии. Почему бы не использовать эту его особенность для приведения в движение автомобилей? Именно так решили специалисты компаний Mazda и BMW, которые несколько лет назад представили свои прототипы автомобилей, работающих на водороде, поступающем в обычный двигатель внутреннего сгорания.
При этом инженеры BMW вполне справедливо решили, что экспериментировать лучше с более крупным двигателем, который позволит варьировать технические характеристики в очень широком диапазоне. Так появился на свет автомобиль седьмой серии, который оснащался крупным баком для сжатого водорода — при рабочем объёме мотора он обладал производительностью всего в 260 лошадиных сил и расходовал около 50 литров горючего на сто километров пути. Кроме того, фирма BMW экспериментировала и с автомобилями на сжиженном водороде — для этого использовались специальные криогенные баки, которые обладали огромной стоимостью, сопоставимой с ценой самой платформы машины — это делалось для увеличения запаса хода. Однако отличительной чертой всех экспериментальных автомобилей BMW, работавших на водороде, было наличие традиционной бензиновой системы питания — она позволяла перейти на обычное горючее при исчерпании запаса водорода или при неполадках, связанных с его подачей.
А вот Mazda пошла другим путём, решив не ограничиваться в своих экспериментах — японцы смонтировали установку питания водородом на автомобиле RX-8, оснащённом роторным двигателем Ванкеля объёмом 1,3 литра. К сожалению, результат оказался провальным — мощность упала с 240 до 100 лошадиных сил, в расход топлива возрос почти до 60–70 литров на сотню километров. В отличие от BMW 7, которая сдавалась в лизинг в США и странах Европы, Mazda RX-8, работающая на водороде, так и осталась в виде прототипа. В настоящее время обе компании свернули эти исследовательские программы, сосредоточившись на других направлениях развития альтернативной энергетики.
Видео об автомобилях на водороде:
Причину понять легко, если углубиться в отчёты инженеров — они столкнулись с такими серьёзными проблемами, как:
Конечно, многие небольшие исследовательские институты создавали водородные автомобили, работавшие по принципу сгорания «гремучего газа», и обладавшие лучшими характеристиками, чем бензиновые аналоги. Однако стало понятно, что двигатель автомобиля необходимо изначально разрабатывать под водород — а производители оказались не готовыми к таким сомнительным инвестициям.
Решение проблемы пришло из области космонавтики — так как сжигать горючее для получения электроэнергии на орбите нерационально, учёные разработали специальные топливные ячейки, в которых протекала химическая реакция с выделением огромного количества электроэнергии. При прохождении водорода сквозь такую ячейку, наполненную каталитическим материалом, происходит его соединение с кислородом, в результате которого образуется вода. Соответственно, пользователь получает только плюсы — никаких вредных веществ, на выходе только чистая вода и определённый запас электроэнергии. Остаётся только запастись нужным количеством водорода.
Автомобиль на водороде, работающий с применением топливных ячеек, функционирует по принципу электромобиля — в нём отсутствует двигатель внутреннего сгорания, который полностью заменён электрическим мотором. Энергия, полученная от реакции водорода с кислородом, накапливается в аккумуляторах — а некоторые производители, ориентированные на достижение автомобилем хороших динамических характеристик, используют суперконденсаторы, которые позволяют максимально быстро отдавать полученный заряд. Благодаря этому преодолевается один из недостатков топливных ячеек на водороде — они являются инертными, то есть не могут изменять свою отдачу по желанию водителя автомобиля.
Основной плюс, которым обладает машина на водороде, использующая топливные ячейки в качестве источника энергии — сочетание в ней лучших характеристик автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и электромобилей. Запас хода очень высок — особенно в случае, когда батареи можно заряжать не только от реакции водорода с кислородом, но и от обычной электрической сети. Вместе с тем отсутствие агрегата, сжигающего углеводородное топливо, позволяет получить просто огромное количество преимуществ:
Если же рассматривать водородный автомобиль, который оснащается двигателем внутреннего сгорания, адаптированным к этому виду топлива, то пока у него больше минусов, чем положительных сторон. Однако отчёты научно-исследовательских институтов, которые занимаются разработками в этом направлении, позволяют надеяться на то, что в скором будущем ситуация коренным образом поменяется. Уже сообщается о том, что двигатели автомобилей, которые изначально создавались для работы на водороде, имеют следующие характеристики:
Вот только стоимость двигателей, работающих на водороде, очень уж высока — как в силу применения дорогостоящих инновационных материалов, так и благодаря штучному производству, ведущемуся по обходным технологиям.
К сожалению, не обходится и без минусов — впрочем, это касается не только водорода, но и всех прочих технологий альтернативной энергетики, работа над которыми ведётся относительно недавно. С точки зрения рядового потребителя пока существенным недостатком является высокая стоимость производства топлива — относительно недорого можно купить только водород, создаваемый в промышленных масштабах — он является редкостью, так как заводов по выпуску этого газа пока относительно немного. Кроме того, при проведении опросов в странах, где уже продано либо сдано в лизинг достаточно много автомобилей, работающих на водороде, результаты показали, что очень многие люди боятся взрыва «гремучего газа», хотя о таких случаях они даже не слышали. Действительно, на испытаниях нередко случались возгорания в результате утечки водорода, однако в серийное производство были отправлены только автомобили с многоуровневыми системами безопасности, предотвращающими возникновение взрыва.
Однако благодаря применению многих инновационных технических решений водородная машина является не только экономичной и безопасной, но и дорогой. В частности, компания BMW никогда не разглашала стоимость автомобиля седьмой серии, работающего на водороде, разрешая только брать его в лизинг. Однако некоторые эксперты говорят о том, что его рыночная цена могла бы быть установлена на уровне 1,2–1,5 миллиона долларов. Даже наиболее дешёвые автомобили, выпускаемые Honda и Toyota, стоят не менее 30–50 тысяч долларов при минимальном уровне оснащения — и то, только благодаря демпинговой политике компаний и компенсациям, выделяемых правительством Японии. Стоит сказать и о том, что топливные ячейки и баки не могут быть долговечными в силу длительной эксплуатации в условиях агрессивной среды — и если ячейки можно выпускать в сменном виде, то на ремонт бака придётся затратить немало денег.
Пришло время поговорить о главном — где заправлять автомобиль, работающий на водороде? Говорить о создании сети заправок даже в Японии, США и Германии очень рано — пока они представляют собой единичные экземпляры. В то же время строительство соответствующей инфраструктуры для электромобилей идёт полным ходом, что позволяет получить сведения о приоритетах, которые устанавливаются современным обществом и государственными учреждениями. Заправлять водородом машину с использованием самодельных приспособлений очень опасно — вероятность взрыва будет невероятно высокой.
Сейчас приходится слышать о том, что водород является топливом будущего — однако стоит вспомнить о том, что подобные слоганы звучали во всём мире ещё в конце 60-х годов — причём Советский Союз, в котором исследования свойств этого газа шли полным ходом, исключением не был. Несмотря на всё прошедшее время, водородные автомобили так и остались прототипами, не слишком пригодными к серийному производству и эксплуатации на дорогах общего пользования. Однако разработки не прекращаются, несмотря на то, что пока положительные результаты были достигнуты только единичными компаниями, начавшими мелкосерийное изготовление таких автомобилей. Кроме того, необходимо вспомнить о том, что водород является даже более безопасным для окружающей среды источником энергии, чем электричеством. Ведь несмотря на развитие энергетики, в мире до 70% электростанций работают на таких «грязных» видах топлива, как нефть и уголь.
365cars.ru
Причин интереса к водородному транспорту можно назвать много. Взять хотя бы статистику выброса парниковых газов в результате использования бензина и низкосортного дешёвого горючего: на сегодняшний день эта цифра практически достигает 25%, и по мере того, как в развивающихся странах увеличивается число личных автомобилей, эти показатели прогрессируют. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, серы и т. д. Да и с финансовой точки зрения, прогнозируемый дефицит топлива, рост цен на энергоносители и стремление различных стран достичь независимости в сфере энергетики подталкивает серьёзных производителей к введению инноваций в машиностроительной отрасли.
Обычный двигатель внутреннего сгорания для работы на водороде не подходит - водород легко воспламеняется от высокой температуры выпускного коллектора, - поэтому для работы на водороде используется роторный двигатель, так как в нём выпускной коллектор значительно удалён от впускного. Характерным в использовании этого вида топлива является снижение мощности двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензином. Конечно, можно внести некоторые изменения в систему зажигания, - и тогда мощность двигателя увеличивается до 117 % в сравнении с бензиновым аналогом, но из-за более высокой температуры в камере сгорания значительно увеличится выход окислов азота. Кроме того, водород при тех температурах и давлениях, которые создаются в двигателе, может вступать в реакцию с материалами двигателя и смазкой, приводя к более быстрому износу. Промежуточным решением стали смеси традиционных топлив с водородом. Например, HCNG - смесь с природным газом. На борту транспортного средства размещаются установка, производящая из дистиллированной воды водород, который затем добавляется к дизельному топливу. Такой ход позволяет сократить расход топлива, увеличить мощность двигателя и сократить выхлоп. Чаще всего такие установки внедряются на крупные грузовики и горную технику.
Ошибочно полагать, что для создания автомобиля с нулевым выхлопом достаточно перевести роторный мотор на водородное топливо. Здесь есть одна тонкость: водород горит в воздухе, а не в чистом кислороде, - поэтому в атмосферу все же выбрасываются окислы азота. Хорошая новость в том, что всемирно объявленный экологическим врагом номер один, - углекислый газ - в выхлопе отсутствует полностью.
Для городского транспорта применяется, в основном, топливо по принципу разделения, - тоесть, в запасе есть и водород, и бензин, которые не смешиваются, предпочитая мощности экологичность. Пока такие транспортные биотопливные средства выпускаются ограниченными партиями: это городские автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450, а так же легковые автомобили нового типа BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen, об особенностях которых далее пойдёт речь.
BMW Hydrogen 7 ( 12-цилиндровый двигатель объёмом 6 литров )
Двигатель внутреннего сгорания может работать на бензине или водороде по очереди. На авто установлен бензобак 74 литра, и баллон для хранения 8 кг водорода. Таким образом, проехав 200-300 км на водороде, может дальше использовать бензин хотя бы для того, чтобы добраться до ближайшей водородной заправки. К слову, для пробега на бензине у BMW Hydrogen 7 останется ещё 480 км.
Основные параметры:
· При работе на водороде мощность двигателя составляет 170 кВт. (228 л.с.), вращающий момент 337 Нм. При работе на бензине двигатель развивает мощность 194 кВт. (260 лс.).
· Максимальная скорость 229 км/ч.
· Разгон до 100 км/ч за 9,5 сек.
Переключение с одного вида топлива на другое происходит автоматически, однако предпочтение всё же отдаётся водороду.
BMW Group разрабатывает водородные технологии уже более 20 лет. В ходе испытатаний для системы хранения водорода водородный бак разрушали под высоким давлением, нагревали на открытом огне до температуры 1000° Цельсия в течение 70 минут, деформировали твёрдыми и тяжёлыми предметами, - однако, несмотря на весь пессимизм критиков, водород, находящийся в баке, не взрывался. Поэтому производитель запустил программу «Clean Energy» для распространения в разных странах новых водородных BMW-7. Автомобили были проданы лишь для аренды, причём большая их часть успешно перекочевала в Европу ещё в 2007 году. В качестве средства популяризации компания запустила в Штатах пиар-программу «BMW Hydrogen 7 Pioneer Program», по задуму которой этими авто пользовались такие звёзды мировой величины, как Бредд Питт, Анджелина Джоли, Ричард Гир, Шарон Стоун, Пласидо Доминго и другие известные шоу-мены. А весной 2008 года BMW представила монотопливную версию «BMW Hydrogen 7», работающую только на водороде.
Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid
Фирменный маздовский роторный двигатель, как оказалось, прекрасно работает и на водородном топливе. После ряда опытов на основе Mazda5, так же известного как минивэн Premacy, был создан пятиместный гибрид, - намного более практичный, чем купе RX-8: двухсекционный роторный двигатель развивает 109 лошадиных сил как на бензине, так и на водороде, и работает в паре со 110-киловаттным электромотором, который может питаться и от ротора, и от батареи. Генератор так же выполняет функцию стартера, и может передавать энергию от двигателя сразу к электромотору, минуя батарею, что дает водителю ощущение прямой связи акселератора с двигателем. Если бак с водородом опустеет, Mazda Premacy продолжит движение на бензине.
С мая 2009 года несколько электроводородных Mazda Premacy переданы в коммерческий лизинг, что служит еще одним тестом в реальных условиях для экспериментальных машин.
Существует так же другой способ использования водорода в транспортной сфере, - топливные элементы. Суть таких конструкций в получении электрического тока в ходе химической реакции синтеза воды из водорода и кислорода с выделением тепла. Первое транспортное средство на топливных элементах, используя щёлочь в качестве основы, создала в 1957 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company. Испробовав новинку на тракторе и машине для гольфа, производители решились оснастить ею технику посерьёзней.
У топливных элементов есть масса плюсов. Во-первых, это отсутствие жёсткого ограничения на КПД, как у тепловых машин. Высокий КПД ( 60-80% в сравнении с 35-38% дизельных генераторов ) достигается благодаря прямому превращению энергии топлива в электроэнергию. Во-вторых, топливные элементы легче и менее габаритные. К тому же, производят меньше шума, меньше нагреваются, и более эффективны с точки зрения потребления топлива.
В настоящий момент производят и испытывают такие автомобили на водородных топливных элементах как Focus FCV, Honda FCX, Tucson ( Hyundai ), FCEV X-TRAIL FCV (Nissan ), Toyota Highlander FCHV, Volkswagen space up, Mercedes-Benz A-Class и другие.
Чтобы помочь внедрению водородного топлива на транспорте, Норвегия, Япония и многие другие страны не только строят «водородные трассы», оснащённые заправками, но и искусственно удерживают цену на водород ниже себестоимости. Кроме того, разрабатываются стандарты транспортировки и применения водорода. И не беда, что для безопасности хранения баллонов нужно пожертвовать местом в багажнике, ведь совершенствование топливных элементов продолжается - компактнее, легче, дешевле. Да и морозы до -30 С такому авто больше нипочём!
Источники: www.avtomir.com, http://www.ecochauffeur.co.uk
www.facepla.net
|
«Водород – топливо ближайшего будущего» - именно под таким девизом проходит внедрение двигателей внутреннего сгорания потребляющего H? в автотранспорт и другую промышленность. Уже давно водородное топливо занимает лидирующую позицию среди прочих альтернативных источников энергии, благодаря многим своим уникальным свойствам: экологичность, больший коэффициент полезного действия по сравнению с бензиновым и дизельным топливом. «Если водород обладает такими чудесными характеристиками» - воскликните Вы,- «Почему же его практически не используют на автотранспорте?».Причина здесь одна, а именно: человечеству очень трудно отказаться от такого привычного, пусть и все время дорожающего топлива, как бензин. Правительства и автопроизводители многих ведущих стран мира постоянно удлиняют сроки перевода транспортного производства на водородное топливо, объясняя свою позицию тем, что установки для массового получения водорода в промышленных объемах появятся только к 2020-2030 годам этого века.Возможно, американские и европейские аналитики правы в своих подсчетах, но в истории имеются доказательства экстренного перевода большого автопарка на водород в течение 10 -12 дней! Об этом и многих других фактах, мы расскажем в следующем разделе. История двигателей внутреннего сгорания на водородеНачнём наше историческое исследование с того, что использование водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания началось ещё в 19 веке. Правда сказать точно, кто первым запустил ДВС, применив электролиз воды, не представляется возможным. Архивы упоминают некоего французского изобретателя Франсуа Исаака де Риваз, который разработал первый в мире двигатель внутреннего сгорания в 1806 году потребляющий водородное топливо. Естественно, об использовании бензина тогда не могло быть и речи.Необходимую электрическую энергию для работы ДВС Франсуа Исаак де Риваз получал методом электролиза воды. При этом процессе выделялась энергия и выхлопные газы в виде водяного пара и некоторого количества азота. Трудно сказать насколько востребованным было изобретение француза в начале 19 века, однако именно ему приписывают первенство в использовании водорода, как топлива.Но заставить с помощью энергии водорода двигаться самоходный экипаж (прототип автомобиля) смог в 1959 году бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар. Первый ДВС использовал в качестве топлива, как водород, так и светильный газ.Возможно, водород так бы и прижился в качестве основного топлива для автотранспорта, но в 1870 году стали использовать бензин в ДВС. Постепенно первые эксперименты с водородным топливом были забыты. Человечество стало привыкать к бензиновым выхлопам.Вспомнить о водороде, как топливе для ДВС пришлось только в конце 1941 года, в блокадном Ленинграде. Военный техник Б.И.Шелищ обратился к командованию с предложением: использовать для заправки автомобилей блокадного города отработанный водородный газ. Командование посчитало предложение Б.И.Шелища ценной разработкой, и разрешило начать опыты.Совершенно ясно, что в блокадном Ленинграде не хватало бензина для работы автопарка грузовиков. Необходим был альтернативный источник топлива. Водород? Но где взять его в таком количестве, чтобы заправить 400-600 автомобилей? Стоит напомнить, что блокадный Ленинград защищался от налетов вражеской авиации не только зенитными орудиями, но и заградительными аэростатами, которые парили в небе, наполненные водородом, мешая вести прицельную бомбардировку города. Эти воздушные защитники управлялись с земли с помощью аэростатных лебёдок установленных на грузовиках ГАЗ. Естественно, работали лебёдки от ДВС автомобиля.Водородные шары постепенно теряли высоту и спускались на землю. Именно они стали источником необходимого городу и транспорту топлива. За короткое время (на переоборудование ДВС 200 машин небольшой группе техников потребовалось около недели) были переоборудованы 600 грузовиков ГАЗ на водородное топливо.После войны, когда запасы бросового водорода истощились об изобретении и успешной эксплуатации ДВС на этом виде топлива благополучно забыли.Но время шло, и грянул исторический, в первую очередь для человеческого сознания, энергетический кризис 1970-х годов. Люди впервые поняли необходимость альтернативных источников энергии и многие автопромышленные компании стали на путь инновационных разработок. Бывали случаи, кстати, в бывшем СССР, когда на водородное топливо переводили весь автопарк предприятия. Так, например, Украинский Институт Проблем Машиностроения переоборудовал весь свой автомобильный актив на водородный ДВС и благополучно справлялся с топливными кризисами.Но и этот эксперимент ожидало забвение: после распада союза об успешных опытах забыли.Современные водородные автомобили находятся в стадии проектирования. Точнее сказать опытные модели уже есть, но выпускать серийно их никто пока не собирается. Почему? Причина ясна: инфраструктура заправок автотранспорта водородом развита ещё хуже, чем зарядных станций для электромобилей. Виной всему, конечно, сложность и дороговизна получения водорода в промышленных масштабах. Электролиз воды, по сути, единственный приемлемый метод выработки водорода, но и он стоит недёшево.Теперь понятно, почему автокомпании не спешат переходить на водород. Они будто замерли в ожидании чуда: нового, более дешевого и простого способа получения водорода, больших финансовых вливаний в инфраструктуру водородных заправок и т.д.Что ж, будем и мы верить в чудо и ждать новых решений от нанотехнологий, а пока узнаем о преимуществах и недостатках водородного топлива для ДВС. Преимущества и недостатки водородных ДВСПреимущества водородных ДВСГлавным и неоспоримым преимуществом автомобилей на водородном топливе является высокая их экологичность. Так и запишем:Экологичность водородного топлива. Продуктом горения водорода является вода, точнее водяной пар. Это, естественно, не означает, что при езде на таком автотранспорте не будет выделяться токсичных газов, ведь в ДВС помимо водорода сгорают ещё и различные масла. Однако количество выбросов их несравнимо с чадящими бензиновыми коллегами. Собственно, ухудшающееся состояние экологии – это проблема человечества, и если количество бензиновых «монстров» будет расти такими темпами, то водородное топливо, как когда-то, в войну, станет единственным спасением теперь уже не города, а всего человечества.ДВС на водороде может использовать и классические виды топлива, такие как бензин. Для этого придётся устанавливать на автомобиль дополнительный топливный бак. Такой гибрид гораздо легче «продвинуть» на рынок, чем чистый водородный ДВС.Бесшумность.Простота конструкции и отсутствие дорогостоящих, ненадёжных и опасных систем топливоподачи, охлаждения и т.д.Коэффициент полезного действия электродвигателя работающего на водородном топливе в несколько раз выше, чем у классического двигателя внутреннего сгорания. Недостатки автомобилей на водородном топливе следующие:Большой вес автомобиля. Для работы электродвигателя на водородном топливе необходимы мощные аккумуляторные батареи и водородные преобразователи тока, которые в общей конструкции весят не мало, да и габариты у них внушительные. Дороговизна водородных топливных элементов. При использовании водорода с традиционным топливом велика опасность взрыва и возгорания.Несовершенные технологии хранения водородного топлива. То есть, ученые и разработчики до сих пор не решат, какой сплав использовать для баков хранения водорода.Не разработаны необходимые стандарты хранения, транспортировки, применения водородного топлива.Полное отсутствие водородной инфраструктуры заправок автомобилей.Сложный и дорогой способ получений водорода в промышленных масштабах.Прочитав о достоинствах и недостатках водородного топлива можно сделать вывод, что в свете ухудшающийся экологии, альтернативный источник энергии водород станет единственным продуктивным решением проблемы. Но, если обратится к недостаткам, то становится ясным, почему, до сих пор, серийный выпуск водородных автомобилей откладывается на неопределённый срок. Производители автомобилей на водородном топливеВ этом разделе статьи мы приведем список мировых производителей, которые испытывают и выпускают автомобили на водородном топливе:Honda – выпускает модель Honda FCX;Ford Motor Company — испытывает концепт Focus FCV;Toyota — выпускает модель Toyota Highlander FCHV;Daimler AG — выпускает модель Mercedes-Benz A-Class;Hyundai — выпускает модель Tucson FCEV;General Motors; Перспективы развития водородного топливаИ всё-таки водород это единственная приемлемая и экологическая чистая энергия, у которой огромное будущее. Человечеству и, его самой прогрессивной части, ученым осталось только найти источник или способ добычи водорода в промышленных масштабах, разработать всю необходимую инфраструктуру, привести в порядок инструкции по эксплуатации водородного топлива и можно навсегда забыть об нефтяных вышках, выхлопных газах и прочих «прелестях» бензиновой зависимости. |
oprogresse.ru
