Двигатели на водородном топливе

За и против

В настоящее время в мире производится около 70 млн тонн водорода в год. Очевидным плюсом водорода является экологичность. Однако на другой чаше весов находится его взрывоопасность, способность вызывать коррозию и высокая летучесть.

Другим недостатком производства водорода является высокая эмиссия CO2. В настоящее время, по данным Международного энергетического агентства, три четверти от общего объема производимого водорода получают из природного газа по технологии парового риформинга (так называемый «серый» водород). «Это дешево, но неэкологично — газ смешивается с паром при высоком давлении и температуре, из-за чего, кроме водорода, выделяются парниковые газы, как от сжигания топлива», — поясняет консультант Vygon Consulting Максим Баранов.

Другим способом производства является электролиз воды. При этом, с точки зрения экологии, производить «зеленый» водород таким способом имеет смысл только с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ). «Особенно это может быть выгодно в случае «прерывистой» генерации, загрузка которой зависит от интенсивности ветра, солнечного излучения и т.д. При избытке энергии производится водород, при недостатке — водород используется для генерации», — отмечает директор группы по природным ресурсам и сырьевым товарам агентства Fitch Дмитрий Маринченко.

Однако в настоящее время эта технология вдвое дороже риформинга — $3-4 за кг водорода. «Использование дешевеющей электроэнергии бестопливной генерации (солнечные станции и ветропарки) и введение углеродного налога склоняют к переходу от натурального газа к экологичному водороду, но пока паритет стоимости производства водорода риформингом и электролизом ожидается в 2025-2030 годах», — добавляет Баранов.

Как работает водородный автомобиль

Расскажу про то, как устроен автомобиль на примере популярной модели Toyota Mirai.

Не так давно, в 2013 году Тойота представила миру первый в мире серийный водородный автомобиль Mirai, который сам вырабатывает для себя электричество. В нём находится электрический двигатель, который имеет мощность 154 л. с. В Mirai находятся 370 топливных элементов, постоянный ток которых преобразуется в переменный, а напряжение при этом повышается до 650 В. Максимальная скорость Toyota Mirai 175 км/ч. Дополнительный аккумулятор собирает лишнюю энергию, который может при необходимости обеспечить питание небольшого дома. Запас хода этого автомобиля 500 км, а по факту – примерно 350 км. Для сравнения — электрокар Tesla Model S может пройти на одном заряде целых 540 км, но, к сожалению, зарядка занимает целых 1,5 часа.

А как работает топливный элемент, простыми словами? Автомобиль заправляется водородом. Он смешивается с платиновым катализатором и кислородом в электрохимической системе. В результате этой реакции вырабатывается электрический ток, который питает двигатель и аккумуляторную батарею. В результате реакции образуется вода или пар.

А какое устройство и принцип работы водородного двигателя? Для работы применяют роторные ДВС, потому что стандартные поршневые двигатели быстро выходят из строя из-за влияния водорода на смазку и детали ДВС. Из-за высокой разницы между бензином и водородом перевести обычный двигатель непросто, особенно если это делать своими руками. Водород при горении вызывает перегрев клапанов, масла, поршней. Если нагрузку сделать очень высокую, то возникает детонация.

Решили эту задачу заменой чистого водорода на его смесь с бензином. Подача газа уменьшается при повышении крутящего момента, чтобы предотвратить перегрев деталей силового агрегата. Это применяется в таких моделях, как Mazda RX-8 Hydrogen RE и BMW Hydrogen 7, который был выпущен всего в 100 экземплярах. Здесь переключение между 2 типами топлива происходит автоматически. Но, несмотря на успешность эксперимента, всё равно имелись проблемы: сильно падала мощность авто, запаса водорода хватало всего на 200 км, а также из-за наличия бензина автомобиль не был признан экологически чистым.

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор на основе углеродных трубок, который стоит в 650 дешевле платины.

Таким образом, механизм работы водородного автомобиля похож на работу электромобилей. Всё дело только в источнике энергии.

Модификации — гибриды

Схема водородного двигателя

Рассмотрим мотор, который сконструировал В.С. Кащеев.

По его разработки, двигатель кроме впускного клапана (6), через который подается воздух и выпускного клапана (7) для вывода выхлопных газов, в головке блока цилиндров (ГБЦ) есть специальный клапан для подачи водорода (9) и свечи зажигания (10), которые расположены в предкамере (8). Последняя располагается выше уровня поршня, когда он находится в нижней мертвой точке.

После того, как поршень достигнет НМТ (в камеру сгорания уже затянулся воздух через впускные клапана), подается водород и происходит воспламенение смеси. В это время уже открываются выпускные клапана. Так как разница давления в камере сгорания и за клапанами большая, при открытии выпускных клапанов, отработанные газы улетают и образуется вакуум и поршень притягивается в ВМТ и за счет импульса (обратно действующая сила) поршень перемещается обратно в НМТ.

Гибридный двигатель — это промежуточное звено между топливным мотором, работающем на продуктах нефти и на чистом водороде. Гибридные автомобили могут эксплуатироваться как на бензине/дизеле, так и на водороде.

Модифицированная топливная система

За основу берется обычный бензиновый двигатель. Топливо остается то же — бензин. Но, через впускной клапан подается воздух с водородом. Топливно-воздушная смесь такого состава повышает увеличить степень сжатия и уменьшить токсичность выхлопных вредных веществ.

Минусы

Несмотря на плюсы, существуют также недостатки, которые оттягивают использование природного материала назад:

• Нет единого механизма по добыче. Получение водорода всё ещё представляет собой трудоёмкий процесс, который ничем не регламентирован. Существует несколько способов получения водорода. Но каждый из них не приобрёл должного распространения. Такое связано с тем, что каждый способ (указаны выше) имеет свои преимущества и недостатки. Но, как правила, недостатки перевешивают количество плюсов. Из-за этого не выбран единый способ по добыче водорода.
• Для получения используются природные ресурсы (нефть, газ и другие природные материалы). Природные ресурсы не вечны и имеют свойство заканчиваться. Поэтому учёные считают, что использовать природные ресурсы для выделения водорода нецелесообразно. Природные ресурсы лучше направить на развитие другой сферы.
• При добыче существует вероятность взрыва, так как этот элемент имеет повышенную взрывоопасность. При получении должны применяться специальные инструкции, малейшее нарушение которых может повлечь за собой большие проблемы. Но даже при соблюдении всех условий существует вероятность возникновения взрыва.
• Финансовый аспект. Добыча этого природного элемента считается неоправданно дорогой. На получение даже небольшого количества элемента отправляется очень много средств.

Сейчас учёные обращают всё большее внимание на добычу из воды. Воды на планете огромное количество – мировой океан занимает огромную часть планеты

А значит, получение водорода из этого элемента будет наиболее выгодным. Не нанесёт вред убывающим природным ресурсам и окружающей среде.

Но получение водород из воды находится только на стадии обсуждения и согласования

На данный момент не разработано однозначного способа добычи важного природного элемента их воды

Несколько дельных советов

Далее поговорим о других составляющих водородной горелки – фильтре для стиралки и клапане. Оба предназначаются для защиты. Клапан не позволит загоревшемуся водороду проникнуть обратно в конструкцию и взорвать скопившийся под крышкой электролизера газ (пусть его там и немного). Если не установим клапан, то контейнер повредится и щелочь вытечет наружу.

Фильтр же потребуется для изготовления водяного затвора, который будет играть роль барьера, предотвращающего взрыв. Народные умельцы, не понаслышке знакомые с конструкцией самодельной горелки на водороде, называют этот затвор «бульбулятором». И правда, он по сути лишь создает пузырьки воздуха в воде. Для самой горелки используем все тот же прозрачный шланг. Все, водородная горелка готова!

Остается лишь подсоединить ее к входу системы «теплый пол», герметизировать соединение и начать непосредственно эксплуатацию.

Общая информация

Современные технологии позволяют использовать водород в качестве топлива. Такое топливо хватает на дольшее время. Водитель, использующий водородное топливо, может проехать на машине в два раза больше, чем при использовании топлива на другой основе. Но сейчас водородное топливо практически не используется. Только несколько изготовителей машин склоняются к выбору такого вида топлива.

Водород добывается тремя способами:

1. Химический.
2. Электролиз.
3. Термохимический.

Каждый из способов, так или иначе, захватывает природные ресурсы. Поэтому этот способ считают экономически невыгодным. Использование природных ресурсов в качестве топлива встречает достаточное количество отрицательных отзывов среди защитников природы. Хоть способ и считается экологически чистым, но многие считают, что использовать природные ресурсы попросту нельзя.

Использование природных ресурсов при получении водорода, связано с тем, что в чистом виде водорода в природе сейчас нельзя встретить. А все современные способы добычи либо затрагивают природные ресурсы, либо большое количество финансов.

Атомная энергия и радиотермические генераторы

Ядерные реакторы

Ядерная энергия — это любая ядерная технология, предназначенная для извлечения полезной энергии из ядер атомов посредством контролируемых ядерных реакций . Единственный практический управляемый метод — это ядерное деление в делящемся топливе (с небольшой долей энергии, получаемой от последующего радиоактивного распада ). Использование ядерной реакции ядерного синтеза для управляемого производства энергии еще не практично, но является активной областью исследований.

Ядерная энергия обычно используется с использованием ядерного реактора для нагрева рабочей жидкости, такой как вода, которая затем используется для создания давления пара, которое преобразуется в механическую работу с целью выработки электричества или движения в воде. Сегодня более 15% мировой электроэнергии вырабатывается за счет ядерной энергетики, и построено более 150 военно-морских судов с атомными двигателями.

Теоретически электричество ядерных реакторов можно было бы использовать для приведения в движение в космосе, но это еще предстоит продемонстрировать в космическом полете. Некоторые реакторы меньшего размера, такие как ядерный реактор TOPAZ , построены так, чтобы минимизировать количество движущихся частей и использовать методы, которые более напрямую преобразуют ядерную энергию в электричество, что делает их полезными для космических миссий, но это электричество исторически использовалось для других целей. Энергия ядерного деления использовалась в ряде космических аппаратов, все из которых были беспилотными. Советы до 1988 года установили на орбите 33 ядерных реактора на военных радиолокационных спутниках RORSAT , где вырабатываемая электроэнергия использовалась для питания радиолокационного блока, который обнаруживал корабли в океанах Земли. США также вывели на орбиту один экспериментальный ядерный реактор в 1965 году в рамках миссии SNAP-10A . С 1988 года ни один ядерный реактор не запускался в космос.

Ядерные реакторы на ториевом топливе

Ядерные энергетические реакторы на основе тория также стали областью активных исследований в последние годы. Его поддерживают многие ученые и исследователи, и профессор Джеймс Хансен, бывший директор Института космических исследований имени Годдарда НАСА, как сообщается, сказал: «После изучения изменения климата в течение более четырех десятилетий мне стало ясно, что мир движется к климатическая катастрофа, если мы не разработаем адекватные источники энергии для замены ископаемого топлива . Более безопасная, чистая и дешевая ядерная энергия может заменить уголь и отчаянно необходима как неотъемлемая часть решения ». В природе тория в 3-4 раза больше, чем урана , а его руда, монацит , обычно встречается в песках вдоль водоемов. Торий также вызывает интерес, потому что его легче получить, чем уран. В то время как урановые рудники закрыты под землей и поэтому очень опасны для горняков, торий добывают из открытых карьеров. Монацит присутствует в таких странах, как Австралия, США и Индия, в количествах, достаточных для того, чтобы обеспечивать энергию на Земле в течение тысяч лет. Доказано, что в качестве альтернативы ядерным реакторам на урановом топливе торий способствует распространению, образует радиоактивные отходы для глубоких геологических хранилищ, таких как технеций-99 (период полураспада более 200000 лет), и имеет более длительный топливный цикл.

Список экспериментальных и действующих в настоящее время реакторов, работающих на ториевом топливе, см. В разделе « .

Радиотермические генераторы

Кроме того, радиоизотопы используются в качестве альтернативного топлива как на суше, так и в космосе. Их использование земли сокращается из-за опасности кражи изотопов и нанесения ущерба окружающей среде в случае вскрытия установки. Распад радиоизотопов приводит к возникновению тепла и электричества во многих космических аппаратах, особенно в зондах внешних планет, где солнечный свет слаб, а низкие температуры представляют собой проблему. Радиотермические генераторы (РИТЭГи), которые используют такие радиоизотопы в качестве топлива, не поддерживают ядерную цепную реакцию, а вырабатывают электричество в результате распада радиоизотопа, который (в свою очередь) был произведен на Земле в качестве концентрированного источника энергии (топлива) с использованием энергии из ядерный реактор наземного базирования .

Водородный двигатель: типы, устройство,принцип работы

ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О. Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной).  Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода.  В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. 

Преимущества и недостатки водорода как топлива

Собственно, преимуществ у водорода много. Как уже отмечалось выше, это один из самых распространённых газов на планете (во Вселенной — самый распространённый), доступный и экологический чистый вид топлива.

В общем, среди достоинств можно выделить следующие:

• повсеместно распространён (обычно его помещают в баллоны — как и сжиженный газ);
• система отопления на водороде, по сути, образует собой замкнутый цикл, в который не требуется вмешательство человека;
• относительная дешевизна топлива;
• при использовании водорода среднестатистический прибор выделяет 121 МДж/кг энергии, а аналогичный показатель у того же популярного пропана — 40 МДж/кг.

Есть у водородного топлива и свои недостатки:

• вероятность взрыва котла при превышении нормированного давления в котле;
• если брать российские условия, то не всегда можно найти водородные баллоны в шаговой доступности (это не природный газ пропан всё-таки);
• иногда температура, выделяемая при каталитической реакции, может быть настолько велика, что для выхода пара и воды нужно делать отдельный дымоход (правда, это если речь идёт о старых установках — в современных пар и вода сразу попадают в трубопровод, являясь теплоносителем);
• высокий уровень шума;

• большое потребление воды.

  Схема устройства блока управления водородным котлом

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 2016 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 2020 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 2020 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 2017 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 2019 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 2020 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.

Критика водородного транспорта

• Смесь водорода с воздухом взрывоопасна. Водород более опасен, чем бензин, так как горит в смеси с воздухом в более широком диапазоне концентраций. Бензин не горит при лямбда менее 0,5 и более 2, водород при таких соотношениях горит великолепно. Но водород, хранящийся в баках при высоком давлении, в случае пробоя бака очень быстро испаряется. Для транспорта разрабатываются специальные безопасные системы хранения водорода — баки с многослойными стенками, из специальных материалов и т. д. (К примеру, бак из нанотрубок, заполненных водородом.) Но всё равно это в целом удорожает весь цикл эксплуатации транспортного средства, ложась расходами на плечи потребителя.
• Водородная силовая установка на базе традиционного ДВС значительно сложнее и дороже в обслуживании, чем обычный ДВС (особенно дизельный). По данным Массачусетского технологического института, эксплуатация водородного автомобиля на данном этапе развития водородных технологий обходится в сто раз дороже, чем бензинового.
• Пока нет достаточного опыта эксплуатации водородного транспорта.
• Нет возможности быстрой дозаправки в пути из канистры или от другого автомобиля.
• Для заправки водородом требуется построить сеть заправочных станций. Для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким водородом, стоимость оборудования выше, чем для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким топливом (бензином, этанолом и дизельным топливом). (Согласно GM, строительство 12 тысяч водородных заправочных станций в 2005 году оценивалось в $12 млрд, то есть $1 млн на одну заправочную станцию, в то время как комплект оборудования для бензиновых заправочных станций стоит от $40 тыс., в среднем $100-200 тыс.) .
• Цена 8 евро за литр (500 руб)..
• Летучесть водорода самая высокая среди газов. Таким образом, водород трудно сохранить в жидком виде, это затрудняет хранение водорода, транспортировку и использование в баке, так как топливо полностью испарится из бака за короткое время. За девять дней испаряется полбака топлива BMW Hydrogen
• В настоящий момент водород производится путём расхода значительного количества электроэнергии

Выводы

Преимущества примерно равны недостаткам, поэтому перспектива использования водородной энергетики в будущем неоднозначна. Никто не может заявить со 100-процентной уверенностью, что будет в дальнейшем. Учёные разделились на два лагеря.

Первые утверждают, что в ближайшем будущем энергетика на природном материале станет популярной и найдёт своих клиентов. Сейчас найден дешёвый аналог добычи водорода – из воды. Осталось лишь создать устройства, с помощью которого будет осуществляться получение. Этот вопрос легко решаем, и инженеры уже ищут, чем ответить на такую задачу.

Второй лагерь учёных говорит, что использовать водород как элемент для энергетики нельзя. При его распространении мир будет на грани катастрофы. Водород – взрывоопасный элемент. Никто не знает, что можно ожидать от него в следующий момент. Как поведёт себя сам элемент при такой добыче.

Чёткого мнения нет ни в первом случае, ни во втором. Все разговоры учёных строятся лишь на догадках и гипотезах, которые пока не нашли своего практического подтверждения.