Люди заинтересовались перспективами водородных двигателей еще в XIX веке. Однако прошел XIX век, за ним ХХ. Мы уже прожили почти четверть XXI столетия. А эра водорода так до сих пор и не наступила. Посмотрим, где она начиналась и почему за два века технология не получила массового распространения, как тот же бензин.
Принцип работы
Водородное топливо может питать автомобиль двумя способами: использование принципа внутреннего сгорания и применение топливного элемента.
ДВС
Водородные двигатели внутреннего сгорания — по сути, усовершенствованная версия привычных бензиновых ДВС с похожей системой подачи и впрыска топлива и искровым зажиганием. При сгорании образуется необходимая для движения энергия. Только в данном случае двигатель питается водородом, в качестве побочного продукта выделяя воду и водяной пар. Атмосфера избавляется от воздействия диоксида углерода, СО2. В небольших количествах СО2 необходим для жизнедеятельности. Но если знать, что среднестатический автомобиль с бензиновым двигателем выделяет до 9 кг СО2 в день, то такие высокие выбросы парниковых газов создают серьезную экологическую проблему. Переход на водородные двигатели внутреннего сгорания позволит значительно улучшить эту ситуацию.
Водородные двигатели внутреннего сгорания — по сути, усовершенствованная версия привычных бензиновых ДВС с похожей системой подачи и впрыска топлива и искровым зажиганием. При сгорании образуется необходимая для движения энергия. Только в данном случае двигатель питается водородом, в качестве побочного продукта выделяя воду и водяной пар. Атмосфера избавляется от воздействия диоксида углерода, СО2. В небольших количествах СО2 необходим для жизнедеятельности. Но если знать, что среднестатический автомобиль с бензиновым двигателем выделяет до 9 кг СО2 в день, то такие высокие выбросы парниковых газов создают серьезную экологическую проблему. Переход на водородные двигатели внутреннего сгорания позволит значительно улучшить эту ситуацию.
Топливный элемент
Первую клетку таблицы Менделеева по праву занимает водород. Это самый распространенный элемент. В природе он присутствует в составе воды и углеводородов. Но для работы топливного элемента двигателя необходим чистый водород.
Концепция водородной энергетики предполагает массовое производство, которое при этом обязано быть дешевым. Пока это только цель, которую планируют достичь к 2050 году.
А пока двигатели вынуждены работать, получая не самый дешевый чистый водород. Топливный элемент представляет собой два электрода — анод и катод, разделенные между собой мембраной. Бак заправляют сжатым водородом, который поступает в камеру топливного элемента с анодом. К катоду поступает кислород из воздухозаборника. В процессе реакции с напыленным на стенки катализатором (чаще всего платиной) водород освобождает электроны. Они притягиваются к аноду и превращаются в электрический ток, который и приводит в движение механизмы.
Оставшиеся молекулы водорода попадают через мембрану в камеру с катодом и соединяются с кислородом, в результате чего образуются побочные продукты работы двигателя — вода и тепло.
Кто создал первый водородный двигатель
Технология создания водородных двигателей кажется современной. Но история ее уходит в начало XIX века.
Франсуа Исаак де Риваз родился в 1752 году в Париже. Процесс обучения будущего изобретателя неизвестен. Но познаниями в области латыни, математики, геометрии и механики он овладел изрядно.
В 1807 году он подал заявку на патент под удивительным в те времена названием «использование взрыва светильного газа или иных взрывающихся материалов как источника энергии в двигателе». И в том же году представил миру первый автомобиль, работавший на смеси водорода и кислорода. С современной точки зрения, автомобилем это изобретение сложно назвать, но как самодвижущийся экипаж воспринимается вполне успешно.
Сам изобретатель возлагал большие надежды на промышленные возможности своего детища. Но испытания шли не совсем гладко, а инвесторам требовалось подтверждение эффективности. Ведь паровой двигатель уже использовался, и нужно было предоставить что-то более мощное.
А в 1814 году русская императорская армия вступила в Париж, и до надежд и проблем Исаака де Риваза уже совсем не было дела. Так завершилась история самого первого рабочего двигателя на водороде.
56 лет забвения и изобретение гиппомобиля
Изобретение господина де Риваза опередило свое время на целых 56 лет. И только в 1863 году появился гиппомобиль, оснащенный собственным двигателем внутреннего сгорания.
Жан Жозеф Этьен Ленуар родился 12 января 1822 года в Мюсси-ла-Вилле, части бельгийской провинции Люксембург. В 1838 году он эмигрировал во Францию, где поселился в Париже и занялся изучением гальванопокрытия.
Эксперименты с электричеством привели к созданию в 1859 году первого двигателя внутреннего сгорания, который работал на смеси угольного газа и воздуха. Исходный угольный газ получался методом неполного сгорания угля, в результате чего образовывалась смесь из монооксида углерода и водорода в соотношении примерно 1:1. Воспламенялось горючее с помощью индукционной катушки Рухмкорфа.
По сути, двигатель представлял собой модификацию парового, приспособленного для сжигания горючей смеси. Работал он прилично, но был крайне шумным, постоянно стремился к перегреву, а то и вовсе заедал. Да и топлива потреблял в 10 раз больше, чем рекламировалось.
Несмотря на это, в 1860 году парижская газета «Cosmos» объявила об окончании эры паровых технологий. Уже к 1865 году в Париже было продано 143 автомобиля с газовыми моторами. А на заводах «Reading Gas Works» в Лондоне началось массовое производство газовых двигателей Ленуара.
Свои экипажи с собственными двигателями Ленуар создавал уже с 1860 года, а построенный в 1862 году автомобиль мог развивать скорость 3 км/ч.
А в 1863 году миру явился Гиппомобиль. Он представлял собой небольшую повозку, установленную на платформу трехколесного велосипеда. Конструкция перемещалась с помощью углеводородного двигателя внутреннего сгорания объемом 2543 куб.см. и мощностью в 1.5 лошадиных силы.
Хоть диковинная машина и двигалась со скоростью меньшей, чем идущий пешком человек, она упорно ехала вперед и преодолела расстояние в 11 км. от Парижа до Жуанвиль-ле-Пон и обратно менее, чем за три часа.
В большей мере двигатели Ленуара применялись в качестве электростанции, питающей водяные насосы и станки. Однако при длительном использовании приносили много неудобств из-за высокого уровня шума и тенденции к перегреву. Технологии не стояли на месте, и вскоре другие инженеры начали совершенствовать двигатели внутреннего сгорания, что быстро отодвинуло изобретение Ленуара в прошлое.
Развитие технологии в XX веке
Эксперименты с водородными двигателями продолжались на протяжении всего ХХ века. Но это были лишь эксперименты. В автомобильной промышленности прочно обосновались бензиновые ДВС. Но водородные технологии все же постепенно развивались.
В 1933 году норвежская металлургическая компания разработала грузовик, в котором использовался двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде.
Исследования продолжил британский инженер Фрэнсис Томас Бэкон. Он заинтересовался топливными элементами во время работы в компании C.A. Parsons & Co. Ltd с 1925 по 1940 годы. Технология считалась научным чудом до начала 1940-х годов, когда Бэкон предложил использовать топливные элементы на подводных лодках. Позже он вернулся в Кэмбридж, где в 1959 году продемонстрировал шестикиловаттный топливный элемент.
Во время Второй мировой войны над Ленинградом поднимались аэростаты, наполненные водородом. Такие заграждения мешали немецким самолетам снижаться и вести прицельный обстрел. А дефицит бензинового топлива заставил переоборудовать около 600 грузовиков для работы на водороде.
В начале 1960-х годов американская корпорация «General Electric» разработала систему электроснабжения на топливных элементах для космической программы NASA. И в наше время технология помогает обеспечивать космические экипажи питьевой водой.
В 1966 году компания «General Motors» представила один из первых автомобилей на топливных элементах, в которых использовался жидкий кислород и охлажденный жидкий водород.
В 1980-х годах применением топливных элементов на подводных лодках заинтересовался военно-морской флот. А в 1998 году Исландия взяла курс на создание водородной экономики и вознамерилась перевести на экологичную технологию весь свой общественный транспорт в течение 10 лет. Процесс идет гораздо медленнее, переводят до сих пор. Но от идеи не отказались.
В 1999 году в Германии открылась первая коммерческая станция для автомобилей, работающих на водороде. А компания DaimlerChrysler AG представила автомобиль NECAR 4 с нулевым уровнем вредных выбросов на топливных элементах.
Где применяют водородное топливо
В начале нового тысячелетия общество серьезно задумалось о спасении планеты от вредных выбросов. И внимание к водородным технологиям значительно возросло.
Автомобильная промышленность серьезно настроена на водородное будущее. Такие машины уже выпускают BMW, AUDI, Toyota, Honda, Nissan, Hyundai. И, конечно, китайские производители. Сейчас Китай с его 33 млн тонн в год впереди всей планеты по производству водорода и снижать темпы не собирается.
По итогам 2023 года рост продаж водородомобилей в Китае составил 2,4%. Не великая цифра, но это рост, а не падение. В мировых масштабах доля китайских производителей составляет почти 39% рынка водородного транспорта.
Французская машиностроительная компания «Alstom» запустила первый в мире поезд на водороде. Такой транспорт уже используется в Германии. Маршрут его составляет около 100 км, а скорость до 140 км/ч.
По городам уже курсируют водоробусы — автобусы, использующие водородный топливный элемент. А самолеты на водороде — не такое уж далекое будущее. Airbus собирается выпустить на рынок пассажирский самолет с водородной силовой установкой к 2035 году.
На водороде уже бегают по полям гольф-кары, функционируют складские погрузчики. А правительство Исландии поставило цель перевести все автомобили и корабли на водородное топливо к 2050 году (новый срок дедлайна, который ранее был назначен на 2008).
Авария на японской атомной станции Фукусима в 2011 году заставила энергетиков всего мира задуматься о возможных проблемах, связанных с атомной энергией. И на первое место вышли перспективы водородного топлива. Это самый экологически чистый энергоноситель, к тому же его запасы на планете безграничны.
Япония серьезно взялась за развитие водородной энергетики. В г. Кобе планируется возведение водородной электростанции, а судоходная компания «Mitsui OSK Lines» и инжиниринговая фирма «Mitsui E & S Machinery» совместно изучают возможность использования портовой погрузочно-разгрузочной техники на водороде.
Плюсы водородных двигателей
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, составляющий около 75% всей материи. Несмотря на его обилие в космосе, на Земле водород обычно производится из природного газа или воды, что связано с энергетическими и экологическими затратами. Существуют технологические и экономические проблемы, включая высокую стоимость установок для электролиза и необходимость в больших количествах чистой воды. Это ограничивает практическое использование водорода как экологически чистого топлива.
Практически идеальное топливо с точки зрения экологии. Ведь побочные продукты таких двигателей — вода и пар. По сравнению с электромобилями, водородный двигатель заряжается мгновенно. Ему требуется всего 5-10 минут, тогда как владельцу электрокара придется ждать полной зарядки 8-12 часов.
Высокий КПД. У привычных нам ДВС он составляет 30-40%, а у автомобилей на водородных топливных элементах от 60%. На 1 кг водорода можно проехать в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном количестве бензина.
И, что приятно, водородные двигатели не создают шума. По сравнению с обычными ДВС, комфорт и удовольствие обеспечены.
Минусы технологии. Почему она не получила массового распространения
Казалось бы, идеальное топливо найдено. И его столько, что дефицит вряд ли возникнет даже в необозримом будущем. Но есть одно препятствие — водород практически не встречается на Земле в чистом виде. И чтобы его извлечь, применяются различные химические методы:
· Паровая конверсия метана и природного газа;
· Электролиз воды;
· Газификация угля;
· Биотехнологии;
· Частичное окисление.
78% производства водорода приходится на паровую конверсию природного газа и нефти, что приводит к образованию 830 млн тонн выбросов углекислого газа в атмосферу ежегодно. Получается, что радоваться экологичности водородного топлива бессмысленно, если его производство настолько токсично.
Наиболее экологичный «зеленый» водород получают путем электролиза воды с использованием энергии от возобновляемых источников. Но этот метод чрезвычайно дорогостоящий — стоимость 1 кг водорода сегодня составляет около $10.
Хотя Международное энергетическое агентство прогнозирует снижение цены до $2 к 2050 году, это все равно очень высокая стоимость по сравнению с традиционными видами топлива.
Создание сети водородных заправок требует внушительных денежных вложений. Поэтому найти их сейчас практически невозможно.
Безопасность пока тоже хромает. Водород легко воспламеняется, хранение его в больших количествах требует разработки систем защиты. А для этого, опять же, понадобятся колоссальные финансовые вложения.
Таким образом, высокая стоимость производства, необходимость масштабной новой инфраструктуры и нерешенные проблемы безопасности пока что не позволяют водородному топливу стать по-настоящему массовой и экономически выгодной альтернативой нефти, газу и другим традиционным видам топлива. Требуются серьезный технологический прогресс и крупные финансовые вложения для преодоления этих барьеров.
Впрочем есть еще один вариант перехода на водород (не самый приятный) — у человечества должно не остаться выбора, например, в том случае, если запасы ископаемого топлива подойдут к концу.
Перспективы развития технологии
Как уже писали выше, к 2050 году ожидается, что доля водорода в мировом энергопотреблении достигнет 18%. С развитием технологий возобновляемых источников энергии стоимость чистого водорода планируется снизить с текущих 10″ class=»formula inline»> до 2$ за килограмм. Это сделает экологически чистое топливо более доступным, и автомобиль на водороде перестанет стоить как космический корабль.
Летом 2020 года Германия утвердила «Национальную водородную стратегию», на реализацию которой планируется выделить 7 млрд евро. Их используют для создания новых компаний и проведения научных исследований.
Раньше Германии взяли курс на развитие водородной отрасли Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия, а Япония вплотную приступила к реализации экологичного будущего еще в 2017 году. В России водородными технологиями занимаются несколько десятков компаний, в их числе такие гиганты как «Росатом», «Газпром» и «Новатэк».
Сейчас водород используется в большей мере в нефтепереработке и производстве удобрений. Но потенциал его огромен и в тех областях, где он пока мало задействован. Например, в транспортной промышленности.
Пока массовое нашествие водородомобилей откладывается. Цены на чистый водород немалые, заправочные станции практически отсутствуют и предстоят серьезные вложения и трудозатраты прежде чем потенциальные обладатели экологичных авто смогут позволить себе такую роскошь. А для этого они должны перестать быть роскошью.
Сейчас среди автопроизводителей нет единодушного мнения по поводу будущего водорода в сегменте пассажирских транспортных средств. Некоторые предпочитают сосредоточиться на развитии электромобилей, например, Volkswagen и Audi. Но другие не сдаются и продолжают разработки водородных технологий. Toyota, Hyundai, Honda настроены более оптимистично. Модели Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda FCX, Honda Clarity — уже вполне серийные.
Впереди всех мировой лидер по производству водорода — Китай. В последнее время уже были представлены несколько водородных новинок от китайских автопроизводителей, но массового распространения они скорее всего не получат из-за общемирового фокуса на электрической тяге. Но кто знает, может это случится в будущем?!
А вы как думаете, какие перспективы у водорода в качестве топлива?
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
