Водородомобили

Плюсы и минусы водородного топлива

При прямом сжигании водорода образуются только водяные пары, но поскольку температура горения очень высока, а в атмосферном воздухе много азота, получается и много его токсичных окислов. Поэтому внимание инженеров переключилось с водородных ДВС на топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, позволяющие окислять водород с получением электрической энергии. Чистота и КПД процесса гораздо выше, чем у ДВС, и эта концепция водородного электромобиля сейчас является основной.

При окислении метан выделяет на четверть меньше углекислого газа, чем бензин и дизель. Коль скоро в Европе (а скоро, возможно, и в России) налоги вычисляются на основе выбросов СО2, это позволяет экономить еще больше.

Стоимость кубометра метана в России – в районе 10 рублей, который в первом приближении эквивалентен литру топлива. Расход метана у Golf TGI составляет 5,1 кубометра на 100 км, и несложно посчитать, что один километр обойдется владельцу примерно в 50 копеек. С учетом того, что паспортные цифры расхода нередко занижены, можно принять стоимость в 1 руб./км, и все равно это существенно дешевле: стоимость бензинового километра составляет 2-3 рубля. В Германии килограмм метана стоит порядка 0,9-1,0 евро, поэтому километр пробега на газе выйдет в районе 3 евроцентов. Для сравнения, на бензине получается более 8 евроцентов – разница почти в 2,5 раза.

В мире существует несколько концепций транспорта будущего: Honda и Mercedes-Benz исследуют водородомобили, Renault и Nissan всерьез увлеклись электротягой, Toyota сделала ставку на гибриды, многие считают – что будущее за дизелями или бензиновыми турбомоторами. Однако ряд компаний, в частности Volkswagen и Fiat, пришли к выводу, что природный газ сулит те же экологические плюшки, но гораздо меньшей ценой. Это касается как сложности самих машин, так и требований к инфраструктуре.

От «Бурана» к водородомобилю

В РКК «Энегрия» в процессе создания космического корабля Буран был сделан энергохимический водородный генератор (ЭХГ) и батареи топливных элементов. На их базе на рубеже ХХI века АвтоВАЗ разработал российские автомобили на водородном топливе АНТЭЛ-1 и АНТЭЛ-2.

Два года ушло на доработку и адаптацию энергетической установки для автомобилей, и в 2001 году первый российский водородомобиль АНТЭЛ-1 был готов. Носителем установки послужил ВАЗ-2131. Водород и кислород из баллонов поступал в электрохимический генератор, где молекулы газа в присутствии катализатора соединялись в молекулы воды с выделением тепловой и электроэнергии. Далее электрический ток подавался на 25-киловатный электоромотор (КПД 70%), который приводил в движение передние колеса.

Этот автомобиль получился намного совершеннее предшественника, и обладал рядом важных особенностей. Прежде всего его ЭХГ был разработан специально для автотранспорта, а не являлся модернизированным ЭХГ с космического корабля. Кроме того АНТЭЛ-2 больше не имел кислородных баллонов. Кислород вырабатывался самой установкой из забортного воздуха. Емкость водородных баллонов довели до 90 л, в результате дальность хода машины увеличилась до 350 км. При этом максимальная скорость нового АНТЭЛа достигала 100 км/ч.

Автомобиль получился на 300 кг легче предшественника, а благодаря новому 60-киловатному электромотору (КПД 90%) еще и динамичнее. Вдобавок новый электромотор мог работать в режиме рекуперации и подзаряжать буферную никель-металлогидридную батарею емкость 10 Ач. При интенсивном разгоне эта батарея включалась в работу и кратковременно увеличивала отдачу мотора. Новая более эффективная пусковая батарея и специальные нагреватели, позволили уменьшить время холодного старта машины до 10 минут.

Разработки российских водородомобилей на десятилетие опередили западные аналоги, но в серийном выпуске, к сожалению, увы, отстаём на десятилетие.

Лишь 2021 году НАМИ презентовал водородный Aurus, который выйдет на рынок в 2024 году.

https://dzen.ru/video/watch/661fc2459aebf023f3faef73?collection=author%3Aea417333-460f-4f15-b247-b8f37f7152f6&order=reverse

https://dzen.ru/video/watch/6620e05f9041025448a80ce1?order=reverse

Электромобиль примерно в 3 раза дороже авто с ДВС, а водородомобиль в 3 раза дороже электромобиля, и разница получается в неподъемные 9 раз. Но ученые Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН разработали новый наноматериал, который может стать альтернативой дорогостоящей платины.
Проблема дороговизны топливных элементов для водородомобилей заключается в использовании платины в качестве катализатора. Сибирские учёные нашли способ заменить дорогой металл на графен легированный бором.

«Нам удалось улучшить свойства углеродного наноматериала. Полученный графен, легированный бором, можно использовать в качестве сенсоров, сорбентов, фотокатализаторов и электрокатализаторов. Кроме того, материал обладает полезными свойствами в электрокаталитических реакциях восстановления кислорода, которые протекают при работе топливных элементов. Эти свойства помогают преобразовать химическую энергию в электрическую», — приводит издание «Наука в Сибири» слова ведущего научного сотрудника ИК СО РАН Владимира Чеснокова.

Toyota Mirai

Паспортные данные

BMW Hydrogen

двухтопливные (бензин/водород) легковые автомобили

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Домашняя водородная станция

Home Energy Station III — энергетическая станция третьей модификации, включающая в себя топливные элементы, баллон для хранения водорода и риформер природного газа, извлекающий H₂ из газовой трубы, сжиженного нефтяного газа или керосина.

Метан из бытовой сети превращается этим аппаратом в водород с производительностью 2 м³/час, газ аккумулируется в баллонах емкостью ёмкостью 132 литра. Попутно станция генерирует 5 кВт электроэнергии для бытовых нужд и тепло для обогрева дома.

Стоимость: 4100 $ (310 000 – 450 000) рублей.

Производитель: Honda и Plug Power, Япония и США.

В Японии, чтобы проехать 100 км на Mirai, придется заправиться водородом, переводя с йен, на 630 рублей.

Эти машины дороги в производстве и не пользуются повальным спросом, оставаясь по большей части дотационными проектами компаний-производителей. Так, например, Toyota Mirai, которая в США стоит порядка $58 500, а в Германии и вовсе все €78 600, за пять лет производства разошлась тиражом порядка 9 тыс. штук на весь мир. Иначе говоря, менее 1800 штук в год на североамериканском, европейском, японском и китайском рынках вместе взятых!

Цена килограмма водорода в Европе сегодня составляет 10–15 евро, то есть даже в режиме максимальной экономичности Mirai проехал 1000 км примерно за 56–84 евро. Для сравнения: при цене дизтоплива 1,6 евро/литр и расходе 5 л/100 кмевропейская малолитражка одолела бы ту же дистанцию за 80 евро без всяких ухищрений. Но при использовании водорода, добываемого из недр планеты, цена водорода к 2030 году может упасть чуть ли не до 2 евро, тогда расход топлива Mirai на 1000 км будет 9-14 евро, что сделает водородомобиль намного рентабельнее его конкурентов. Водородные станции есть и в России, но считаные единицы.

В России в регулярном режиме эксплуатируется автомобиль на топливных элементах — Toyota Mirai энтузиаста Владимира Седова. Процесс пополнения запаса водорода занимает 5-6 минут и 100 километров пробега на Toyota Mirai обходятся в 250 рублей.

А между тем, лидером среди водородного транспорта на сегодня, пожалуй, остается Hyundai Tucson/ix35 FCEV — он же в новом поколении Hyundai Nexo — по сути, первый серийный автомобиль такого рода. Кроссовер, появившийся в продаже еще в 2013 году. Чуть позже Mirai, в 2016 году, свои силы решила попробовать Honda c автомобилем Clarity Fuel Cell — тоже тот еще «красавчик». Интересная компания подобралась, но лишь южнокорейский Nexo нынче обходит Mirai по тиражам.

26 июня в 8:26 утра Eco-Runner XIII остановился, проехав 2 488,45 км, использовав всего 950 г водорода. Это исключительное достижение принесло команде новый рекорд Гиннесса «наибольшее расстояние, пройденное автомобилем на полных баках водородного топлива (прототип)».

Грузовые водородомобили

В декабре 2016 года американский стартап Nikola Motor показал первый экземпляр 1000-сильного тягача One с силовой установкой, работающей на водороде. Грузовик сможет проезжать без дозаправки почти 2000 километров и будет в два раза экономичнее машины на «тяжелом топливе».

Что предлагают Челябинцы?

Компания по установке водородных систем работает по франшизе, и ее представительства есть по всей России. На симпатичном сайте расписываются прелести водородомобилей: тут и экономия топлива, и увеличенный ресурс мотора. 

Компания предлагает не чистые водородные установки, как у той же Toyota Mirai, а некий цилиндрический девайс, который путем электролиза вырабатывает водород из воды прямо на борту автомобиля и подает его во впускной коллектор. Ставить его можно и на дизельные грузовики, и на бензиновые легковушки. В челябинском представительстве компании ответили, что занимаются темой недавно и система пока ориентирована на коммерческий транспорт, а цена составляет 90 тысяч. Версия для легковых автомобилей появится ближе к лету — примерно за 70 тысяч рублей. В центральном офисе компании рассказали, что систему придумал некий инженер (фамилию назвать отказались), который уже не в России, а по поводу ее эффективности сослались на отзывы в соцсетях и заключение некого казахстанского института. При этом, с их слов, система обеспечивает неодинаковую экономию для разных моторов, но всё равно она достаточно ощутима: например, для испытанного ими мотора Chevrolet снижение расхода составило аж 47%. Эффект объяснили высоким октановым числом и низкой теплопроводностью водорода.

Продавцы устройства обещают выгоду благодаря некой интенсификации сгорания, и водород действительно горит раз в десять быстрее бензина. Но зависимость КПД от интенсивности сгорания сравнительно пологая, а вот нагрузки на детали цилиндро-поршневой группы растут драматично, равно как и температурный режим двигателя. Соображения надежности во многом и ограничивают инженеров в стремлении увеличить КПД двигателя за счет повышенных температур и давлений в цилиндре.

Водородолеты

15 апреля 1988 года состоялся первый полёт экспериментального самолёта Ту-155 с водородным двигателем, намного опередивший своё время!

https://dzen.ru/video/watch/649ff1f589aa0f6f42f86379?share_to=link

В компанию ZeroAvia, созданную в Калифорнии выходцами из России, вложились фонды Билла Гейтса и Джеффа Безоса. Тема — водородный авиадвигатель. Ноль выбросов. Не в проекте, а в металле. В прошлом году прошел первый полет, за что Time включил его в список лучших изобретений 2020 года. Попробуем проследить путь этих людей из российской физики в топ мирового инновационного бизнеса. С главой европейского направления компании ZeroAvia Сергеем Киселевым беседовал главный редактор Business FM Илья Копелевич. Этот материал доступен в виде подкаста.

Источники знаний:

1. Павел Карин / Ищем доброту внутри водородомобиля Toyota Mirai / 16 декабря 2015
2. Генераторы водорода для отопления дома
3. https://fishki.net/auto/3883117-antjel-1-i-antjel-2-pervye-rossijskie-vodorodomobili-byli-ne-tak-uzh-plohi.html
4. Краснов А. / Метановая измена — полрубля / километр? / 21.01.2014

https://dzen.ru/embed/vTt1LgGm5oRU?from_block=partner&from=zen&mute=0&autoplay=0&tv=0