Как работает водородный автомобиль toyota, bmw, ставить ли водородный генератор

Экскурс по истории

Примечательно, что водородный двигатель был изобретён гораздо раньше бензинового. Но развитие получил почему-то второй. Построенный во Франции ещё в 1806 году учёным Франсуа Исааком де Риваз агрегат уже тогда работал от гидролиза воды. А бензин для ДВС стали применять только в 1870.

Видео об использовании водорода в качестве топлива для авто:

https://youtube.com/watch?v=kECJOXqY-yw

Во времена, не столь далёкие, а именно в Великую Отечественную войну, есть свидетельство ещё одного удачного использования водорода, как источника получения энергии. В Ленинграде в блокаду бензина катастрофически не хватало. Поэтому было решено для работы аэростатов заграждения и приводящих лебёдок использовать водород, которого было достаточно. И это сыграло немаловажную роль по защите города.

Вот такая альтернатива нефтепродуктам есть у человечества на сегодня. И работа в этом направлении ведётся всё интенсивнее. Про то, как работает водородный двигатель сейчас и как он будет работать завтра, можно говорить только в общих чертах. Ясно одно — за водородом будущее нашей планеты.

Если имеется чем дополнить, комментарии ждут вас внизу.

Водород для тяжеловеса

Два последних года запомнились важными «водородными» новостями. Поговорим об известном проекте электрического грузовика Nikola One, представленного американской компанией Nikola Motor в 2016 году. История эта получила продолжение.

Итак, Nikola One. Грузовой электрокар, тягач с электроприводом и батареей емкостью 320 кВт·ч. На борту – собственная автономная электростанция. Электроэнергию вырабатывает система водородных топливных элементов.

Nikola One для американского рынка

Как заявил производитель, этот грузовик имеет автономный запас хода почти 1200 миль, по-нашему – 2000 км. И движется он с нулевой эмиссией отработавших газов – их просто нет, этих газов.

Изначально его планировали оснащать «удлинителем хода» – газотурбинным бортовым генератором, но потом все же остановились на ТЭ. Правда, для некоторых рынков возможность использования газотурбинного генератора все же оставили.

Заявленные характеристики тягача существенно превышают показатели большинства электромобилей, но есть и сомнения – хватит ли энергии силовой установки для перемещения 35-тонных грузов? На этот вопрос ответит практика эксплуатации. Но тут возникает еще одна проблема: где брать водород в достаточном количестве для парка Nikola One?

Компоновка тягача Nikola на водороде: 1 – система охлаждения; 2 – два электрических
мотор-редуктора для привода передних колес; 3 – блок высоковольтной и управляющей
электроники; 4 – тяговая батарея; 5 – ресивер пневматической тормозной системы и бак
системы охлаждения батареи; 6 – электрохимический генератор (топливные элементы
на 300 кВт); 7 – баки с водородом; 8 – задний мост с электродвигателем; 9 – седло
Фото: https://www.automobile-propre.com

Главный исполнительный директор (Chief Executive Officer) компании Nikola Motors Тревор Милтон (Trevor Milton) заявил, что концепция электрического грузовика Nikola One будет опираться на собственную водородную инфраструктуру. Она раскинется по всей территории Соединенных Штатов, захватив частично и Канаду. Компания намерена строить электролизные установки и транспортировать водород на заправки.

Не так давно Nikola Motor обрела партнера – компанию Nel ASA. Эта фирма поставляет для Nikola оборудование, помогая создать самую большую водородную топливную сеть в мире. Достаточно сказать, что в ней будут действовать 16 электролизных станций, работающих по технологии H2Station.

Уже знакомый нам г-н Тревор Милтон заявил, что заказ на поставку первых двух станций на основе щелочных электролизеров компания Nel ASA уже выполняет. Остальные 14 станций получат путевку в жизнь в ближайшее время.

Скотт Перри, один из ведущих специалистов Nikola Motor, рассказал, что компания Nel ASA поставляет водород в более чем 80 стран с 1927 года. «Мы уверены, что с таким опытным партнером наш проект будет успешным», – с оптимизмом заключил он.

Первоначально каждая станция будет производить до 8 т водорода в день. Однако объем выпуска может быть увеличен до 32 т в день. Кстати, каждый грузовик Nikola ежедневно будет потреблять около 50–75 кг водорода.

Интересная подробность: Nikola Motor намерена предоставлять свои заправки всем водородным транспортным средствам, а не только грузовикам собственной марки.

Прошло немного времени, и компания Nikola заявила, что будет производить не один, а два тягача – Nikola One и Nikola Two. Вторая модель отличается в первую очередь кабиной. Если у Nikola One имеется спальный отсек, то Nikola Two оснащен лишь компактной кабиной для перевозок, но не для отдыха.

С точки зрения энергетики Nikola Two не отличается от Nikola One. За кабиной находятся баллоны с водородом для питания электрохимического генератора. Он вырабатывает электрическую энергию для мотор-редукторов суммарной мощностью более 1000 л. с. По информации производителя, разгон до 60 миль/ч занимает не более 30 секунд, а пробег на одной заправке водородом составляет 1200 миль. Заправка же займет не больше 15 минут.

Nikola Two также ориентирован на американский рынок

В конце ноября 2018 года компания представили третью модель водородного грузовика. Она так и называется – Nikola Tre («три» по-норвежски). Если Nikola One и Nikola Two адресованы американскому рынку, то бескапотный Nikola Tre будет работать в Европе.

Nikola Tre для европейского рынка

Технические характеристики Nikola Tre практически не отличаются от двух первых моделей. Силовая установка мощностью от 500 до 1000 л. с., крутящий момент до 2000 Нм, запас хода до 1200 миль, продолжительность заправки примерно 20 минут.

Бортовое питание

Водородные топливные элементы могут использоваться и для бортового питания самолётов, морских судов, крупных грузовиков. Для бортового питания могут применяться SOFC-топливные элементы.

В 2006 году производители топливных элементов совместно с Европейским Агентством Авиационной Безопасности (EASA) начали разрабатывать стандарты сертификации топливных элементов для самолётов.

Airbus выступает координатором европейского проекта New Configured Aircraft (CELINA). Проект работает над снижением веса и размеров топливных элементов мощностью 400—600 кВт. 40 % электроэнергии Airbus A330-300 будет вырабатывать в водородных топливных элементах[источник не указан 1887 дней]. Разработчикам поставлена цель — увеличить это количество до 60 %.

Первые лётные испытания установки для бортового питания на водородных топливных элементах мощностью 20 кВт. проведены Airbus в феврале 2008 года на самолёте Airbus A320.

Использование силовых установок на водородных топливных элементах на самолётах позволит снизить уровень шума, потребление топлива и выбросы экологически опасных газов.

Boeing также разрабатывает SOFC-топливные элементы для бортового питания. Силовая установка мощностью 440 кВт. позволит сократить потребление керосина на 75 % во время стоянки на земле. Боинг планирует завершить разработки к 2015 году[источник не указан 1887 дней].

В марте 2008 года во время экспедиции STS-123 шаттла Endeavour топливные элементы производства компании UTC Power преодолели рубеж в 100 тысяч операционных часов в космосе. Водородные топливные элементы производят энергию на борту шаттлов с 1981 года.

Есть ли будущее у автомобилей на водородном топливе

В настоящее время имеется множество препятствий для того, чтобы перевести большую часть автомобилей на водородное топливо:

Высокая цена водорода. Примерная цена 9 долларов на 100 км пробега. Гибридный автомобиль (Toyota Prius) проедет те же сто км за 2,8 долларов, а Tesla Model S – за 3 бакса. А снижение цены на водород до уровня цен на бензин не прогнозируют даже сами производители автомобилей. Поэтому здесь не получится никакой экономии как при покупке транспорта, так и при заправках.

Производство водорода — вредно для экологии. Сейчас водород производится при помощи паровой конверсии метана, либо частичного окисления. После производства чистого водорода в атмосферу оксид углерода (углекислый газ, CO₂), против которого борются многие страны при помощи альтернативных источников энергии для автомобилей. Поэтому здесь получается замкнутый круг.

Отсутствие развития водородных заправок. Для открытия средней водородной заправочной станции требуется не очень большие средства. Все станции можно пересчитать по пальцам, поэтому на водородном автомобиле далеко не уедешь. Придётся осуществлять поездки только в тех местах, где имеются эти самые водородные станции.

Высокая цена на водородные автомобили. Цена на Toyota Mirai на данный момент составляет от 58 тыс. долларов, а на самом деле его продают почти по себестоимости. Из-за таких цен многие не спешат с покупкой таких автомобилей.

Отсутствие преимуществ перед электрокарами. Запас хода, цена заправки, безопасность, мощность и разгон – везде выигрывают электрические автомобили по сравнению с водородными машинами. Единственный плюс у водородных авто – это очень быстрая заправка – 3-5 минут, тогда как электромобили заправляются за 30 минут и более. В любом случае можно в электрокарах можно быстро поменять батарею и через пару минут ехать на «полном баке». Да и когда изобретут более быстрый метод заправок электрических автомобилей, то водородные авто отойдут на 2 план.

Для чего тогда автоконцерны производят и разрабатывают автомобили? Во-первых, это вложение, вдруг через несколько лет именно эта технология окажется наиболее перспективной. Во-вторых, между фирмами идёт соперничество. В-третьих, в некоторых штатах законодательство так поменялось, что сделать водородное авто в 5 раз выгоднее, чем электрокар, плюс государство даёт постоянные гранты и вливания на развитие заправок. Если появится большое количество заводов по производству водорода, то цена автомобилей и водорода будет более интересная.

Видео: Автогиганты бьют по ТЕСЛА: ВОДОРОДНЫЕ автомобили будущего!

Водородный автомобиль – это авто будущего, к переходу на которые могут перейти в недалёком будущем. Сейчас самый популярный авто на водороде – это Toyota Mirai, стоимость которого сравнима с ценой электрокаров. Обеспечивается работа автомобилей при помощи специальных топливных ячеек или элементов, число которых достигает несколько сотен.

Если бы цена на газ была меньше, а заправок было бы больше, то авто с водородными двигателями получили бы не меньшую популярность, чем электромобили. Посмотрим, что покажет будущее.

Сделай репост и информация будет всегда под рукой

Причины интереса к водородному транспорту

Использование водорода в качестве энергоносителя позволит как существенно сократить потребление ископаемых углеводородных топлив, так и значительно продвинутся в решении экологической проблемы снижения загрязнения атмосферы городов вредными для здоровья человека составляющими выхлопных газов автомобилей и тепловозов.

В 2009 году примерно 25 % выбросов углекислого газа в атмосферу Земли производилось в результате работы разного рода транспорта. По оценке МЭА, уже к 2050 году это число удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.

В морском транспорте зачастую используются низкокачественные дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы СО₂ морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год.

Другой причиной повышения интереса к водородному транспорту является рост цен на энергоносители (в настоящее время подавляющее их большинство — уголь, нефть и их производные), дефицит топлива, стремление различных стран обрести энергетическую независимость.

Плюсы и минусы водородной установки для автомобиля

Расскажу про плюсы и минусы топлива, которым заправляют водородный автомобиль.

Недостатки водородного топлива:

• Нет эффективного способа добычи газа, к тому же производство загрязняет окружающую среду.
• Для создания сети водородных заправок требуются внушительные средства (около 2 млн. долл. на одну среднюю заправку). Поэтому очень сложно найти заправки, их практически нет.
• Высокая стоимость автомобиля.
• Передвигаться можно лишь в тех местах, где имеются заправки.
• Стоимость заправки будет стоить столько же, как и бензин. В этом смысле электрокар гораздо выгоднее.
• Водородный автомобиль тяжёлый из-за сложной конструкции: много топливных ячеек, аккумулятор, электропреобразователь, большие баллоны для водорода, где давление целых 700 атм. В электромобиле всё проще – требуется только место под большой АКБ.

Плюсы водородного топлива:

• Нет вредных выбросов в атмосферу.
• Водородные двигатели практически не шумят.
• Быстрая заправка – менее 5 минут.
• Есть большой потенциал для развития.
• Водород даёт в 3 раза больше энергии, чем бензин.
• Высокий крутящий момент при начале движения.
• Водорода очень много на планете – 1% от массы Земли. При сгорании он просто превращается в воду, поэтому – это неиссякаемый источник энергии по сравнению с другим ископаемым топливом.
• Водород безопаснее бензина, он воспламеняется в 15 раз меньше. Но если на водород попадёт искра, то он моментально воспламенится.
• Хороший запас хода водородного авто – 400-1000 км.

Создать инфраструктуру

— А как быть с инфраструктурой снабжения водородом?

— Это самое сложное, но, собственно говоря, когда любая техника появляется, это и есть самое сложное. Но в России сейчас начинается распространение газотранспортных средств и, соответственно, газовых заправок. Они замечательно комплексируются с водородом, потому что природный газ можно прямо на месте, никуда не переходя, превращать в водород. Одна колонка будет для заправки природным газом, а другая — водородом. Причем это не очень дорогой процесс.

На Западе, кстати, уже есть целая система водородных заправок. В Калифорнии вообще есть целые водородные дороги — тысячи километров, на которых у каждой обычной заправки есть водородная.

Там довольно много водородных автомобилей, автобусов. Почти во всех крупных городах с начала 2000-х есть водородные автобусы. Например, в прошлом году они появились в Риге.

Можно идти и другим путем. Поскольку мы много занимаемся беспилотниками, у нас встает необходимость заправлять их в полевых условиях, для этого мы создаем сейчас несколько установок, которые позволяют получать водород прямо «в поле».

— То есть вы не везете туда баки с водородом?

— Для некоторых задач, когда водорода нужно много и регулярно, проще сделать баки и оттуда перекачивать в маленький бак, который на транспорте. Но это не всегда возможно: далеко везти, а легче везти, условно говоря, химические реагенты, которые не очень много весят, и прямо «в поле» водород генерировать и накапливать. Это разные решения, и какое из них более правильное, мы пока не знаем. Более простое, конечно, из бака перекачивать в бак. Более интересное, но пока более дорогое, — вырабатывать на месте.

 Понятно, что две технологии: запасание энергии в аккумуляторах и наработка энергии в топливных элементах — будут конкурировать, но, скорее всего, ни одна не победит, поскольку у них просто цели разные и задачи разные

Понятно, что две технологии: запасание энергии в аккумуляторах и наработка энергии в топливных элементах — будут конкурировать, но, скорее всего, ни одна не победит, поскольку у них просто цели разные и задачи разные. В городах легче заряжаться от аккумулятора, когда вы проезжаете сто километров, то можно на каждом углу сделать розетку, понятное дело, что это проще. Пока вы ходите в магазин, у вас аккумулятор заправится. Для водорода это не получится, вы должны на заправку поехать и заправиться, но за счет большей энергоемкости можно ехать существенно дольше. А для общественного транспорта, когда возить надо много, это уже совсем по-другому смотрится, потому что электробус на аккумуляторах везет только аккумуляторы и чуть-чуть пассажиров.

Рекомендации по изготовлению

Зная технологию получения водородного топлива и обладая определенными навыками, в домашних условиях можно сделать водородный генератор своими руками. Сегодня существует несколько работоспособных схем, позволяющих создать такую установку. Причем в отличие от классического устройства, в самодельном электроды помещаются не в емкость с водой, а сама жидкость поступает в зазоры между пластинами. Перед началом проведения работ по изготовлению водородной установки своими руками следует внимательно изучить чертежи.

Выбор материалов

Чаще всего домашние мастера сталкиваются с проблемой выбора электродов. С созданием топливной ячейки ситуация более простая и сегодня существует два основных типа генераторов водорода — «мокрый» и «сухой». Для создания первого можно использовать любой контейнер, имеющий достаточный запас прочности и газонепроницаемости. Оптимальным выбором можно считать корпус от аккумулятора старого образца для легковой машины.

Лучшими электродами будут пластины (трубки) из нержавейки. В принципе можно использовать и черный металл, но он быстро подвергается коррозии и такие электроды требуют частой замены. Совершенно иначе дело обстоит при использовании высокоуглеродистых сплавов, легированных хромом. Примером такого материала является нержавейка марки 316L.

При использовании трубок, они должны подбираться так, чтобы при установке одного элемента в другой между ними был обеспечен зазор величиной не более одного миллиметра

Не менее важной деталью генератора водорода для автомобиля является ШИМ-генератор. Именно благодаря правильно собранной электросхеме можно регулировать частоту тока, а без этого добывать водород не представляется возможным. Для создания водного затвора (бабблера) можно использовать любую емкость, обладающую достаточным показателем герметичности

При этом ее желательно оснастить крышкой, которая плотно закрывается, но при возгорании ННО внутри сразу будет сорвана. Для предотвращения возврата газа Брауна в топливную ячейку, рекомендуется установить отсекатель между водным затвором и электролизером

Для создания водного затвора (бабблера) можно использовать любую емкость, обладающую достаточным показателем герметичности. При этом ее желательно оснастить крышкой, которая плотно закрывается, но при возгорании ННО внутри сразу будет сорвана. Для предотвращения возврата газа Брауна в топливную ячейку, рекомендуется установить отсекатель между водным затвором и электролизером.

Сборка устройства

Для создания кислородного генератора лучше выбрать «сухую» топливную ячейку, а электроды стоит изготовить из нержавейки. Именно она пользуется наибольшей популярностью среди домашних мастеров

Также важно придерживаться определенной последовательности действий:

По размеру генератора необходимо нарезать пластины из органического стекла или органита, которые будут использоваться в качестве боковых стенок. Оптимальными размерами для топливной ячейки являются 150х150 или 250х250 мм.
В корпусных деталях необходимо просверлить отверстия для установки штуцеров для жидкости, одно для ННО и 4 крепежных.
Из стали марки 316L изготавливаются электроды, размер которых должен быть на 10−20 мм меньше в сравнении с боковыми стенками. В одном из углов каждого электрода необходимо сделать контактную площадку для соединения их в группы, а также подключения к источнику питания.
Чтобы увеличить количество получаемого в электрогенераторе газа Брауна, электроды следует обработать наждачной бумагой с каждой стороны.
В пластинах сверлятся отверстия диаметром 6 мм (подача воды) и 8−10 мм (отвод газа). При расчете мест сверления необходимо учитывать месторасположение патрубков.
Сначала в пластины из оргстекла монтируются штуцера и хорошо герметизируются.
В одну из корпусных деталей устанавливаются шпильки, а затем укладываются электроды.
Электродные пластины отделяются от боковых стенок прокладками из паронита либо силикона. Аналогичным образом необходимо изолировать и сами электроды.
После установки последнего электрода монтируются уплотнительные кольца и генератор закрывается второй стенкой. Сама конструкция скрепляется с помощью гаек с шайбами

В этот момент крайне важно следить за равномерностью затяжки крепежных элементов и не допустить перекосов.
Топливная ячейка подключается к емкости с жидкостью и водному затвору.
После соединения групп электродов в соответствии с их полюсом, генератор подключается к ШИМ-генератору.

О водородных двигателях

Известны несколько различных вариантов, каким может быть такой мотор и что может лежать в основе его работы.

Сгорание водорода

Это обычный ДВС, работающий непосредственно на водороде или на его смеси с бензином. В результате такой добавки улучшается сгорание смеси, увеличивается КПД мотора, уменьшается при сгорании содержание окиси углерода. Однако в конструкцию автомобиля приходится вводить бак для хранения водорода, причем жидкого. А это не добавляет места в багажнике и не повышает безопасность при столкновениях.

Такой принцип использования водорода реализует BMW, причем основной задачей компания считает возможность применения любого из видов топлива (бензин, водород). Уже созданы, и длительное время успешно эксплуатируются несколько образцов, работающих на подобном принципе. Правда, при этом в основном остаются недостатки, свойственные обычному автомобилю.

Трудности эксплуатации водородных ДВС

Главное препятствие на пути внедрения технологии – это стоимость получения водорода (Н2), а также комплектующих для его хранения и транспортировки. К примеру, для сохранения сжиженного состояния нужно поддерживать стабильную температуру -253º С. Наиболее доступный способ получения Н2 – это электролиз воды. Промышленное снабжение водородом требует больших энергетических затрат. Рентабельным этот процесс сможет сделать ядерная энергетика, которой также пытаются найти рациональную альтернативу. Транспортировка и хранение газа требуют использования дорогостоящих материалов и высококачественных механизмов.

К другим недостаткам водородного топлива можно отнести:

• взрывоопасность. В замкнутом пространстве достаточная для реакции концентрация гремучего газа может спровоцировать взрыв. Усугубить ситуацию способна высокая температура воздуха. Из-за высокой степени диффузности водорода существует риск попадания Н2 в выхлопной коллектор, где реакция с горячими выхлопными газами приведет к возгоранию смеси. Роторный двигатель, ввиду особенностей компоновки, является более предпочтительным для водородного автомобиля;
• для хранения водорода требуется емкость большого объема, а также специальные системы, препятствующие улетучиванию Н2 и обеспечивающие защиту от механических деформаций. Если для автобусов, грузовиков либо водного транспорта такая особенность не играет большой роли, то легковые автомобили теряют ценные кубометры багажного отделения;
• в режимах высокотемпературных нагрузок водород способен провоцировать разрушительное воздействие на детали цилиндропоршневой группы и моторное масло. Применение соответствующих сплавов и смазочных материалов ведет к удорожанию производства и эксплуатации двигателей, работающих на водороде.