Личный кабинет
Содержание
История появления и развития
Типы устройств
Принцип работы приборов
Устройство оборудования
Преимущества и недостатки
Перспективы развития технологии
Конечно, главный конкурент водородных автомобилей — электрокары. И у технологии пока слишком много недостатков, чтобы занять лидирующие позиции.
Хотя это оборудование появилось еще в 19 веке, до сих пор не начали выпускать такие машины в промышленных масштабах. Но устройства пытаются совмещать с обычными бензиновыми моторами, устанавливая два бака одновременно для возможности переключения.
Давайте разберемся, какие есть особенности у этой альтернативы традиционным устройствам внутреннего сгорания. Рассмотрим основные виды, преимущества, недостатки и перспективы.
История появления и развития
В начале 19 века Франсуа Исаак де Ривазом придумал водородный двигатель. Французский изобретатель извлекал горючее, используя электролиз воды.
Но запатентовали технологию позднее в Великобритании — в 1841 г. В следующем десятилетии в Германии появился мотор, работающий на водороде и воздухе. Еще десятилетие спустя во Франции Этьен Ленуар представил миру гиппомобиль. Первые модели тоже функционировали на этом виде энергии.
В 30-х гг. 20 века в Норвегии переоборудовали первый грузовой транспорт для работы на водороде. Здесь его получали благодаря риформингу аммиака, после чего его направляли в устройство внутреннего сгорания.
Первый трактор выпустили в 50-х годах в США. А первый автомобиль — в середине 60-х годов в компании General Motors. Его оборудовали резервуарами, где хранилось горючее. Одного заряда машине хватало, чтобы преодолеть чуть больше 190 километров. Но по факту она ездила лишь по заводу и служила для демонстрации.
В 1979 году компания BMW презентовала свое первое авто с наличием водородных топливных приборов. А в 2007 году начался новый виток развития, когда производитель создал Hydrogen 7. Серия была ограниченной. Но такая машина могла ездить как на бензиновом горючем, так и на водороде. Газовый баллон рассчитан на расстояние до 250 километров.
А серия транспорта на таком виде энергии была представлена в 2014 году компанией Toyota Mirai. Сегодня подобные модели выпускают многие известные производители. Среди них Audi, Honda, Ford, Hyundai и BMW.
Типы устройств
К первому типу относятся поршневые или роторные моторы, у которых есть камера внутреннего сгорания, функционирующая на водороде. По сравнению с бензиновым ДВС мощность здесь ниже. Но если вещество проникнет во впускной коллектор, есть серьезный риск воспламенения. Еще одна проблема — окисление при контакте с поршнями. Из-за этого такие моторы не приобрели популярность.
Второй вариант — устройства на топливных элементах (FCEV). По принципу действия они схожи с электрокарами. Но главное отличие заключается в способе получения энергии, которая приводит мотор и машину в движение. Несмотря на то что здесь тоже используют электричество, энергия поступает не из розетки, а вырабатывается путем физико-химической реакции в самой машине. Посредством работы на водороде при контакте с кислородом и катализатором получают электричество. Оно снабжает энергией аккумуляторы и мотор авто. Заряжают машины на топливных элементах на специальных станциях.
Есть несколько групп транспортных средств, у которых работает водородный двигатель.
-
Машины с обычными моторами, функционирующие полностью на водороде в чистом виде или частично в качестве добавки. У них довольно высокий КПД и очищенный выхлоп.
-
Транспорт на электропитании. Это гибридные модели. Колеса приводятся в движение за счет электрического привода, который питается от АКБ. Гибридный мотор может выполнять функции на чистой смеси или в сочетании с обычным горючим. В любом случае КПД оборудования будет выше практически в 3 раза. Однако вредные выхлопы отчасти присутствуют.
-
Машина, у которой есть электромотор с питанием от основного горючего. При эксплуатации в городских условиях технология помогает существенно сократить расходы.
Многие автопроизводители ведут разработки, чтобы сделать оборудование эффективным, безопасным и безвредным.
Принцип работы приборов
Функция этой системы независимо от типа — выработка электрической энергии посредством окисления горючего. Но в отличие от гальванических аналогов здесь не нужна подзарядка. Начало функционирования происходит сразу после поступления вещества.
Горючее помещают в емкость в сжатом виде. В топливных элементах содержатся мембраны. Их функция — разделение камер, где находятся анод и катод. В первом случае есть необходимость в водороде. Во вторую камеру поступает кислород из воздухозаборника. Такая система помогает устранить вредные выбросы. Вместо них побочным продуктом будет только пар.
Принцип действия достаточно простой: сначала высвобождаются электроны, то есть заряженные частицы с отрицательными показателями. Далее к катоду с помощью мембраны идет поступление протонов — частиц с положительным зарядом. Они вступают в реакцию. Так на выходе получают электроэнергию и водяные пары.
Когда в водородных топливных системах используют не чистое вещество, а метанол или метан, то эффективность становится ниже. В таком случае во время сгорания будет выделяться углекислый газ в небольшом количестве.
Принцип работы похож на электромобиль. Но только аккумулятор здесь другой. Его емкость значительно превышает показатели литийионных батарей. На заправку баллона 5 кг нужно всего 3 минуты. Его хватит, чтобы проехать до 500 км.
Устройство оборудования
Прибор включает в себя несколько основных компонентов: анод, катод, полимерную электролитную мембрану и подвод воздуха. Работает он на водороде и помогает получить электроэнергию путем химической реакции.
В составе силовой установки мотора содержатся следующие детали:
-
блок из топливных водородных устройств;
-
бак-накопитель для вещества;
-
вентилятор для подачи кислорода;
-
каналы подачи веществ к основному блоку;
-
запорно-регулирующие приборы, которые распределяют компоненты химической реакции;
-
преобразователь электроэнергии;
-
электродвигатель;
-
аккумулятор;
-
система, которая преобразовывает крутящий момент на колеса машины.
Благодаря такому устройству оборудование используют для выработки электроэнергии в любых условиях, в том числе в труднодоступных местах. Его функционирование полностью автономное.
Преимущества и недостатки
Чтобы понять, какие перспективы открывает технология, нужно разобраться в ее достоинствах и недостатках.
Плюсы:
-
экологическая безопасность — отсутствие выброса в атмосферу диоксида углерода;
-
эффективность — машина может проехать в 2,5–3 раза больше на одном килограмме горючего по сравнению с галлоном бензина с такой же энергоемкостью;
-
бесшумность во время эксплуатации;
-
быстрая заправка, если сравнивать с электрокарами;
-
уменьшение зависимости от невозобновляемых источников, которые все труднее добывать и нужно доставлять из разных стран.
При необходимости в водородном топливе его добывают несколькими способами — желтым и зеленым. В первом случае используют атомную энергию, а во втором — возобновляемые ресурсы.
Самый безопасный и эффективный способ — электролиз, когда вещество извлекают из воды с применением электрического тока. Но он не настолько выгодный сравнительно с остальными. В этом плане паровая конверсия метана и природного газа выглядит более перспективно. Проблему пытаются решить, сделав замкнутую цепочку. Выделенное электричество снова пускают в работу для создания вещества.
Минусы:
-
высокая цена — ездить на водороде дороже, чем на бензине, в составе батарей есть самый ценный металл платина, а баки делают из дорогого углепластика во избежание взрывов;
-
проблема с заправками, которые тоже стоят больше обычных;
-
повышенные риски воспламенения — вещество в сжатом виде при сочетании с высокой температурой может взрываться;
-
проникновение в небольшие щели из-за высокой летучести, поэтому в случае попадания в капот и салон машины при малейшей искре случится пожар.
В 2019 году в Норвегии как раз произошла утечка во время работы АЗС. Случился невероятно мощный взрыв, который был сопоставим с землетрясением. Оно ощущалось в радиусе многих километров. Поэтому такие заправки в стране запретили.
Перспективы развития технологии
Сегодня машинам, у которых работает водородный двигатель, приходится конкурировать с электромобилями, транспортом на жидком азоте, сжатом воздухе, гибридными авто.
Если сравнивать этот способ получения энергии с теми же электрокарами, то он обходится дороже. Но есть и очевидные преимущества. Например, долговечность аккумуляторов. В электрокаре его хватает на 3–5 лет. Водородные ячейки могут служить в течение 8–9 лет. Также они лучше выдерживают суровые климатические условия. На морозе заряд не теряется, как это происходит у электромобилей.
Что касается дороговизны и проблем с инфраструктурой, то и здесь есть нюансы. В Международном энергетическом агентстве отмечают, что к 2030 году стоимость вещества сократится как минимум на 30%. Поэтому заправка будет примерно такой же по цене, как и другие виды горючего.
Подобно электрокарам эта технология тоже может пройти свой путь. Многие развитые страны принимают законы, которые поддерживают развитие экологичного транспорта. Стоимость аккумуляторов со временем тоже может сократиться. Например, за 10 лет цена на литийионные батареи уже упала с 1200 долларов до 137 долларов за кВт/ч. Инфраструктура для электрокаров тоже развивалась постепенно — зарядки устанавливали на парковках, в аэропортах и бизнес-центрах.
Поэтому и в случае с новой технологией нужно обеспечить машины на водороде сетью заправок, трубопроводами и наладить логистические цепочки.
В Канаде уже придумали пилотный проект, чтобы заливать новый вид горючего в обычных АЗС. Этим занимаются в компании Ballard Power.
Производитель Toyota заявляет, что технология отлично подходит для компактных машин, авто из среднего и премиум-класса. Бюджетный транспорт пока не может функционировать и оставаться рентабельным. Сами машины стоят дороже в 2 раза, чем обычные. Их стоимость на 20% превышает цену за гибридный транспорт.
В Европе с 2018 года запретили пользоваться дизельными машинами в населенных пунктах. А в Великобритании предложили полностью запретить бензиновый транспорт к 2040 году. Поэтому разработки новых водородных топливных моторов станут еще более актуальными.
