РазноеАвто на водороде минусы и плюсы: опасно или выгодно?, утилизация автомобилей и машин, #утилизация

Авто на водороде минусы и плюсы: опасно или выгодно?, утилизация автомобилей и машин, #утилизация

Содержание

опасно или выгодно?, утилизация автомобилей и машин, #утилизация

С поисками все новых альтернативных источников топлива человечество логично пришло к использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания. Самыми известными моделями на водородном топливе, выпускаемыми в наши дни, являются:

  • Honda FCX Clarity;
  • Mercedes-Benz F-Cell;
  • Toyota Mirai;
  • BMW 7 Hydrogen;
  • Mazda RX-8 Hydrogen.

Казалось бы, это решение может распространиться смело и на другие концерны, решив проблему нефтяного кризиса. Однако водород – во-первых, не единственная, а во-вторых, не самая безопасная альтернатива. Недаром электромобили вроде Tesla сейчас выигрывают партию.

Знаете ли вы? Что первый ДВС на водородном топливе изобрел француз де Риваз в 1806 году. А в период Ленинградской блокады, когда не было бензина, гениальные конструкторы переделали двигатели более, чем 500 транспортных средств под водород, и те работали без отказа до конца блокады.

Плюсы водородного топлива

Согласно исследованиям, водород понижает номинальную мощность мотора почти на 80%, однако если исправить под него систему зажигания, водород, наоборот, повысит ее мощность на 18%. И в этом плюс: изменения, которые вносятся в конструкцию автомобиля, небольшие и недорого стоящие.

Второе преимущество – неоспоримая экологическая чистота топлива. Когда Toyota презентовала свой последний «водородный» автомобиль, один из журналистов демонстративно сделал несколько глотков выхлопов, которые после водорода выходят жидкими. Следовательно, планете подобные автомобили вредят гораздо меньше.

Наконец, доступность водорода говорит в его пользу: это топливо можно получать даже из компоста, канализационных вод, биомусора. То есть, не нужно платить нефтяникам.

Есть ли минусы?

Опасность довольно большая состоит в том, что водород – один из самых легких газов, который в чистом виде без удержания просто улетит в верхние слои атмосферы. Поэтому его связывают в виде воды или метана, и уже внутри двигателя высвобождают. Этот процесс делает более дорогой технологию, да и стоимость сжиженного водорода, которая колеблется от 2 до 8 евро.

Пока что ни у нас, ни в Европе нет достаточного количества водородных заправок. Во многом это обусловлено низкой рентабельностью. А также тем, что стоит чистому водороду просочиться сквозь любую щель, он превращается в гремучий легко взрываемый газ. Для его воспламенения достаточно в 10 раз меньше энергии, чем для воспламенения бензина. Горит водород неярко, его сложно сразу заметить, но задохнуться ядовитыми газами очень просто. Так вывод – пока что водородные ДВС слишком дороги и для кошелька, и для здоровья человека.

есть ли у них будущее

Загрязнение атмосферы вызывает серьезную озабоченность общественности, организаций по защите окружающей среды. Реальной альтернативой ДВС являются водородные транспортные средства и автомобили на электротяге.

Электричество или водород

В настоящее время существует актуальная проблема, которая заключается в том, что 60% электроэнергии, потребляемой во всем мире, производится на тепловых электростанциях. Для того чтобы обеспечить возросший спрос на электричество, придется сжигать углеводороды в еще больших количествах. Даже при полной замене ДВС электродвигателями произойдет перераспределение вредных выбросов, уменьшение будет не столь значительным. Концентрация CO2 в воздухе снизится в мегаполисах, но возрастет в местах расположения ТЭС. Кроме того, автомобиль не единственный источник загрязнения окружающей среды: об электрических кораблях, самолетах пока не идет даже речи.

Водородная энергетика в этом смысле предпочтительнее. Добыча водорода сопровождается микроскопическими, по сравнению со сжиганием углеводородов, выбросами токсичных веществ. Выхлоп автомобиля на водороде на 99,99% состоит из чистого водяного пара, безвредного для окружающей среды. Но тут возникают другие проблемы, которые носят экономический, технологический, инфраструктурный характер.

Как устроен водородный двигатель

Разработаны два вида двигателей работающих на водороде:

  • обычный ДВС, где вместо бензина используется водород;
  • с применением топливных элементов.

В первом случае используется все тот же двигатель внутреннего сгорания. Инженерные решения направлены на оптимизацию горения смеси водорода с воздухом, разработку системы питания и снижение взрывоопасности. Данная концепция распространения не получила. Водород, который отличается высокой чистотой, в камере сгорания контактирует с маслом. Поэтому отработанные газы, пусть в значительно меньшем количестве, но содержат токсичные компоненты. Помимо этого, эксплуатация таких автомобилей небезопасна, требует значительных затрат.

При использовании топливных элементов транспортное средство, которое приводится в движение водородным двигателем, принципиально является тем же электромобилем. Разница в том, что на чистой электротяге батарея заряжается от внешних источников, а в водородном автомобиле электроэнергия непрерывно черпается из топливных элементов.

Они состоят из двух камер, одна из которых является анодом, а другая катодом. Между ними находится мембрана. Все компоненты покрыты дорогостоящими редкоземельными металлами, играющими роль катализатора. В результате реакции гидролиза водород, находящийся в анодной камере, соединяясь с кислородом из атмосферного воздуха в катоде, превращается в водяной пар. Процесс сопровождается выделением свободных электронов, которые поступают в электрическую сеть автомобиля.

Такая схема значительно эффективнее, практически отсутствуют вредные выхлопы. Львиная доля усилий конструкторов направлена на развитие двигателей на топливных элементах.

Преимущества и недостатки водородных двигателей

Достоинства и недостатки силовых агрегатов с топливными элементами вытекают из особенностей водорода как топлива, технического уровня двигателей. Факторы, считающиеся безоговорочным достоинствами:

  • простота конструкции, соответственно, надежность;
  • КПД, превышающий таковой у бензинового двигателя, но уступающий электрическому;
  • отсутствие каких-либо шумов;
  • почти полное отсутствие вредных выбросов;
  • высокая мощность двигателей;
приемлемая автономность: современные водородные автомобили способны преодолевать на одной заправке до 500 километров.

Среди недостатков можно выделить следующие:

  • увеличенная масса автомобиля;
  • взрывоопасность водорода, которая резко повышается при наличии неисправностей в двигателе;
  • высокая стоимость эксплуатации автомобиля.

Реальная эксплуатация показывает, что километр пути на автомобиле с водородным двигателем обходится минимум на 50% дороже, по сравнению с бензиновым ДВС. Расход водорода в несколько раз меньше, чем бензина, но все перекрывает его цена.

В этом кроется главная проблема водородной энергетики. В виде соединений с другими веществами запасы h3 на Земле безграничны, но в чистом виде его почти нет. Для его получения используется сложная технология. К этому добавляются проблемы хранения, транспортировки, создания инфраструктуры.

Перспективы водородных автомобилей

Для того чтобы полноценно осветить на этот вопрос, необходимо точно знать цель, с которой бензиновый двигатель пытаются заменить водородным. Если речь идет о внедрении технически более совершенного двигателя, то в этом ракурсе перспективы водородоавтомобилей почти такие же, как и у бензиновых агрегатов, немного выше. ДВС, как бы он не совершенствовался, имеет принципиальное ограничение: низкий коэффициент полезного действия.

Водородный двигатель в этом смысле предпочтительнее, но уступает электромобилям. С другой стороны, обогреть салон чистым электричеством, без снижения автономности, невозможно: запас на автомобиле ограничен. Водородные двигатели таких проблем не знают: при гидролизе выделяется тепло.

Если приоритетом является экология, здесь водородный двигатель имеет приоритет перед остальными. Но не все так однозначно. Современные технологии добычи водорода находятся на таком уровне развития, что дешевле всего получать h3 путем сжигания газа или угля. При этом выделяется углекислый газ, для борьбы с которым и внедряют водородный автомобиль. Экологически чистые способы добычи водорода не обладают достаточной производительностью, значительно повышают его стоимость, которая и так немаленькая.

Если удастся разработать экономичную, производительную, экологически чистую технологию добычи водорода, автомобиль на таком топливе, без сомнения, получит широкое распространение. По эксплуатационным характеристикам он уже сейчас превосходит ДВС.

По сравнению с электрическим у водородного двигателя существует ключевое преимущество: на заправку водородом потребуется около 5 минут, тогда как зарядка батареи на специальных станциях занимает несколько часов.

Перспективы и недостатки водородной энергетики

Вадим Кизимов

частный инвестор

Профиль автора

Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.

По этим способам его разделяют на цветовые градации.

Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.

Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.

Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.

Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.

Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.

Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм

Зеленый 10
Голубой 2 $
Красный 2 $
Серый 2—2,5 $
Коричневый 2—2,5 $

Коричневый

2—2,5 $

Источник: Википедия

Водородная энергетика

На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO2 каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.

В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.

Перспективы отрасли

Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.

К 2050 году МЭА планирует снизить затраты на производство этого экологически чистого вида топлива до 2 $ за килограмм, что существенно ниже нынешних 10 $. Это произойдет благодаря развитию технологий ВИЭ и удешевлению производства энергии ветра и солнца.

В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.

Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.

В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:

  • поддержка пилотных проектов по производству водорода;
  • стимулы для экспортеров и покупателей на внутреннем рынке;
  • первые водородные установки запустят в 2024 году на атомных электростанциях, объектах добычи газа и переработки ископаемых.

В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.

НОВЫЙ КУРС

Как сделать ремонт и не сойти с ума

Разбираемся, как начать и закончить ремонт без переплат: от проекта до приемки

Покажите!

Преимущества водородной энергетики

Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.

Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.

Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.

Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.

Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.

Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.

Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.

Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.

В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.

Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.

Недостатки водородной энергетики

Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.

При масштабировании производства электролизеров их стоимость может снизиться с текущих 1000 до 200 $/кВт к 2050 году, по оценке J. P. Morgan — даже до 100 $/кВт. При реализации такого сценария к 2050 году стоимость электролизеров может снизиться до уровня менее 2 $/кг. Но с учетом применения различных программ государственного субсидирования водородной энергетики эти сроки могут быть сокращены.

Стоимость производства зеленого водорода по странам к 2050 году, евро за 1 кг

Аргентина 1,5
Австралия 1,25
Бразилия 1,25
Канада 1,5
Чили 1,25
Китай 1,25
Франция 2
Германия 2,25
Индия 1,25
Япония 2,75
Марокко 1,25
Польша 2,5
Россия 1,5

Источник: Statista

Горючесть. По сравнению с бензином, природным газом и пропаном водород огнеопаснее в воздухе, малейшие трещины в баке могут привести к трагедии. Но некоторые критики заблуждаются, когда говорят, что с развитием водородной энергетики «мир сядет на огромную пороховую бочку». Поскольку водород очень легкий — примерно в 57 раз легче, чем пары бензина, — он может быстро рассеиваться в атмосфере, и это положительный для безопасности фактор.

Хранение и транспортировка. Так как водород — самый легкий среди химических элементов, в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива. Например, потребуется гораздо больший баллон с газообразным водородом, чтобы проехать заданное расстояние на автомобиле. Существующие бензобаки при этом слишком малы, чтобы вмещать количество водорода, которое необходимо для расстояния, которое покроет полный бензобак. Для решения этой проблемы сейчас модернизируют способы перевода водорода в жидкое или газообразное состояние. Его необходимо либо охладить до −253 °C, чтобы сжижать, либо сжать до давления, в 700 раз превышающего атмосферное, чтобы его можно было доставить в виде сжатого газа. 

В настоящее время водород транспортируется по специальным трубопроводам, в автоцистернах для низкотемпературных жидкостей, в трубчатых прицепах, перевозящих газообразный водород, по железной дороге или на баржах.

В свою очередь, правительства стран уже сейчас «бронируют» будущие объемы водородного сырья, проводя переговоры и подписывая соответствующие международные соглашения. В качестве примеров можно привести германо-марокканское Соглашение о сотрудничестве в сфере зеленого водорода в июне 2020 года, японо-австралийское Совместное заявление о сотрудничестве в сфере водорода и топливных ячеек в январе 2020 года и российско-германскую Декларацию о намерениях по сотрудничеству в сфере устойчивой энергетики.

Производство

В водородной энергетике большой выбор компаний. Крупнейшие представители — это производители водорода, которые в основном используют самый дешевый метод производства — паровой риформинг. Небольшие компании сосредоточены исключительно на конкретных аспектах использования водорода. Их в основном можно разделить на производителей электролизеров и производителей топливных элементов. Некоторые компании работают над тем, чтобы стать полностью вертикально интегрированным поставщиком водородной энергетики. Разберем каждую категорию отдельно.

Производители водорода

Air Products. Основное направление деятельности компании Air Products — производство атмосферных и технологических газов и сопутствующего оборудования для различных отраслей, включая нефтепереработку, нефтехимию и металлургию.

Компания в 2020 году объявила о планах строительства завода по производству экологически чистого водорода в Саудовской Аравии, работающего на ветряной и солнечной энергии мощностью 4 ГВт, — сейчас это крупнейший в мире проект. Завершенный завод будет производить 650 тонн зеленого водорода ежедневно, чего достаточно для работы около 20 тысяч автобусов.

Linde — одна из крупнейших в мире компаний, специализирующихся в области промышленных технологий по подготовке, разделению и сжижению природного газа. В 2021 году компания объявила, что подписала долгосрочное соглашение с Infineon Technologies о производстве и хранении экологически чистого водорода. Linde будет строить, владеть и эксплуатировать двухмегаваттный электролизный завод в Австрии. Завод будет производить зеленый водород с использованием технологии протонообменной мембраны (PEM) от ITM Power.

Cummins представила водородную стратегию в ноябре 2020 года. В 2019 году компания приобрела Hydrogenics, в результате чего получила технологию производства топливных элементов и электролизеры.

Все это большие компании с большим опытом в области промышленного газа. Их основное внимание сегодня уделяется серому водороду, но они также переходят на более чистые решения. Акции этих компаний привычно растут вместе с рынком, и можно говорить, что среди остальных представителей они разумно оценены.

Сравнительные показатели компаний, млрд долларов

Рыночная капитализация Выручка в 2020 году P / E P / S
Air Products (APD) 61,68 8,86 29,59 6,97
Linde (LIN) 132,41 27,05 52,72 4,69
Cummins (CMI) 36,49 19,56 21,59 1,88

Рыночная капитализация

61,68

Выручка в 2020 году

8,86

Рыночная капитализация

132,41

Выручка в 2020 году

27,05

Рыночная капитализация

36,49

Выручка в 2020 году

19,56

Источник: отчеты компаний

Компании по производству топливных элементов

Ballard Power Systems специализируется на интеграции топливных элементов в автобусы и грузовики. Ballard предоставляет системы топливных элементов для других компаний, которые интегрируют их в свои автомобили.

Bloom Energy производит сервера на топливных элементах, они представляют собой стационарные энергосистемы, в основном предназначенные для резервного питания. Предприятие также производит электролизеры и представило водородную стратегию в июле 2020 года.

FuelCell Energy работает в том же секторе, что и Bloom Energy. Производит электростанции на базе стационарных топливных элементов.

Plug Power стремится стать крупным производителем экологически чистого водорода. Компания приобрела предприятия по производству собственных электролизеров и водородных заправочных станций. Plug Power работает с производителями экологически чистой энергии Brookfield Renewable Partners (BEP) и Apex Clean Energy над строительством водородных заводов. Компания строит общенациональную сеть экологически чистого водорода.

PowerCell Sweden производит топливные элементы в основном для транспортных систем. У компании заключена сделка с Bosch. Bosch может производить и продавать топливные элементы на основе дизайна PowerCell Sweden.

Сравнительные показатели компаний, млн долларов

Рыночная капитализация Выручка в 2020 году P / S
Ballard Power Systems (BLDP) 10 430 117,65 72,10
Bloom Energy (BE) 6400 758,40 6,44
FuelCell Energy (FCEL) 5820 70,87 56,53
Plug Power (PLUG) 28 760 307,54 66,94
PowerCell Sweden (PCELF) 2750 10,31 266,12
Ballard Power Systems (BLDP)

Рыночная капитализация

10 430

Выручка в 2020 году

117,65

Рыночная капитализация

6400

Выручка в 2020 году

758,40

Рыночная капитализация

5820

Выручка в 2020 году

70,87

Рыночная капитализация

28 760

Выручка в 2020 году

307,54

Рыночная капитализация

2750

Выручка в 2020 году

10,31

Источник: отчеты компаний

Компании — производители электролизеров

Мы не будем подробно разбирать каждую из компаний, поскольку все они торгуются пока на внебиржевом рынке. Эти компании убыточны, поэтому сюда не включен коэффициент P / E.

Сравнительные показатели компаний, млн долларов

Рыночная капитализация Выручка в 2020 году P / S
McPhy Energy (MPHYF) 1170 13,96 55,49
Nel ASA 5570 55,35 92,24
ITM Power (ITMPF) 450 6,31 594,46

Рыночная капитализация

1170

Выручка в 2020 году

13,96

Рыночная капитализация

5570

Выручка в 2020 году

55,35

Рыночная капитализация

450

Выручка в 2020 году

6,31

Источник: отчеты компаний

Заключение

В 2020 году возобновляемые источники энергии пережили необычный бум популярности. Этому способствовали и год окончания правления республиканцев в США, и привлекательность ESG-инвестиций, а также мягкая кредитная политика. Все это создало экономически привлекательную среду для многих компаний в этой сфере.

Хотя существует множество вариантов инвестирования в экономику экологически чистого водорода, пока входить в рынок рискованно. Эти компании все еще растут, и им необходимо достичь больших масштабов, чтобы получать прибыль в будущем. Сегодня для инвестирования в водород важна хорошая база для выбора, основанная на деятельности, оценках, партнерах и менеджменте.

Заработать на водороде – Коммерсантъ Санкт-Петербург

Внедрение водородного топлива — перспективное направление и для России, и для всего мира: оно является более технологичным и экологичным. Популяризация подобных технологий связана с рядом существенных ограничений — высокой ценой топлива, необходимостью новых технологических решений для его хранения и транспортировки, а также с развитием инфраструктуры для обслуживания автомобилей. Эксперты отмечают, что экономическая выгода водородного топлива по сравнению с остальными пока неочевидна.

В начале ноября Смольный сообщил, что в Петербурге может появиться каршеринг на водородном топливе. Соответствующий проект рассматривается городом, Минпромторгом РФ и компанией Hyundai. По словам вице-губернатора Петербурга Евгения Елина, городское правительство намерено «забежать вперед и посмотреть, как это будет работать», организовав эксплуатацию таких автомобилей. Впрочем, конкретных сроков названо не было, равно как и подробностей запуска данного проекта, касающихся потенциального оператора каршеринга и количества таких машин.

Как пояснили BG в Минпромторге РФ, речь идет о развитии нового для нашей страны направления — использования, а в будущем и создания транспорта, работающего на водородном топливе. При этом «Каршеринг на водородном топливе» может стать одним из пилотных проектов, реализуемых в мегаполисах. В ведомстве также отметили, что поставщиками водородного топлива могут стать «Газпром» и «Росатом».

Найти отличия

Для начала стоит разделить два направления использования водорода в качестве топлива. «Первый — это применение его в качестве именно топлива для двигателей внутреннего сгорания. Этот вариант старше, чем использование бензина или дизельного топлива, причем почти на век. Прообраз такого двигателя появился еще в 1806 году»,— говорят эксперты «Авито Авто». С двигателями подобного типа создавали легковые модели Mazda (причем в этом случае двигатель роторный и двухтопливный), BMW (тоже двухтопливная схема), Audi, Ford, Hyundai, Toyota, Honda — и это далеко не полный список. В настоящее время в этом направлении (но не единственном и не наиболее приоритетном) работает и производитель грузовиков и автобусов MAN. Кроме того, имели место и российские, и даже еще советские разработки, отмечают эксперты. «Одним словом, это просто одна из ветвей развития современных двигателей. Как для легковой, так и для грузовой техники, для железнодорожных локомотивов и даже для авиации»,— заключают они.

Второе направление — относительно новое и считающееся одним из наиболее перспективных — это водородные топливные элементы, то есть системы, позволяющие использовать водород во взаимодействии с кислородом (без процесса горения) для генерации электроэнергии непосредственно на борту автомобиля. «В автомобиле с водородным двигателем, как правило, есть два бака — с водородом и воздухом, при смешивании которых выделяется электричество. Его можно использовать непосредственно для питания электродвигателя»,— рассказывает Роман Абрамов, исполнительный директор «СберАвто», добавляя, что это прекрасная на первый взгляд технология, не требующая масла, поршней, двигательных элементов, не наносящая вред окружающей среде. «Водородные топливные элементы действительно достаточно перспективны. Подобные разработки — как экспериментальные, так и серийные — также имеют многие производители, среди них Toyota, Hyundai, Mercedes, Opel, Honda, Volkswagen»,— добавляют эксперты «Авито Авто». Пионером в этой области можно назвать компанию Toyota, которая несколько лет назад представила автомобиль Toyota Mirai. «Это не концепт, а работающий продукт, который можно увидеть на улицах Японии и, думаю, в других развитых азиатских стран»,— говорит господин Абрамов. Кроме того, BMW совместно с Toyota ведет разработки для своих авто, развивают это направление Honda и Hyundai. «Какие-то попытки совершают многие производители, у Lada была «Нива» на водородном топливе. Тем не менее пока у всех, кроме Toyota, это остается на уровне экзотики и прототипов»,— указывает он.

Некоторые эксперты автоиндустрии считают, что водородный двигатель применим в первую очередь в транспортных средствах, предназначенных для коммерческого использования (например, машины такси, грузовые автомобили). В частности, такой позиции придерживается глава концерна Volkswagen Герберт Дис. «VW сделал выбор в пользу производства электромобилей, и, как отмечал Герберт Дис, одна из причин — в том, что водородный двигатель обладает большим потенциалом для использования в грузовом транспорте, чем для оснащения персональных легковых автомобилей. Одна из возможных причин такой позиции — то, что машина на водородном топливе в производстве дороже, чем авто с электрическим двигателем»,— объясняют в «Авито Авто».

Преимущества и недостатки

Необходимость перехода на водородное топливо обусловлено и климатическими, и экологическими требованиями. «В 2019 году наша страна подписала Парижскую конвенцию по климату, которая предусматривает разработку технических решений по переходу на экологические виды топлива, так называемое «зеленое» топливо. Россия имеет высокий потенциал для производства экологически чистого водорода. К 2030 году стоимость водорода станет сопоставима со стоимостью традиционных источников энергии, но в настоящее время использование «зеленого» топлива до конечного потребителя затруднительно, в том числе с финансовой точки зрения»,— замечает ректор БГТУ «Военмех» им.  Устинова Константин Иванов. При этом, по его словам, переход транспортной системы Петербурга на «зеленое» топливо потребует колоссальных инвестиций и глобальных инфраструктурных решений.

Водородное топливо — гораздо более технологичный и экологичный вид топлива, оно обеспечивает бесшумную работу, малый расход, а также полную экологичность по причине выбросов водяного пара. Такие автомобили можно очень быстро заправлять — едва ли не быстрее, чем бензиновые или дизельные, что является существенным плюсом на фоне длительной зарядки аккумуляторов. Кроме того, автомобили на топливных элементах имеют лучший запас хода.

Среди недостатков эксперты отмечают сложность и дороговизну получения водорода как топлива: в случае получения его из природных газов не снижаются углеродные эмиссии, а в случае электролиза — необходимо большое количество редкоземельных и драгоценных металлов для установки. «Однако как показало время, если развивать любую технологию, можно достичь снижения стоимости, как это было с литий-ионными батареями, стоившими сначала целое состояние»,— говорит Александр Багрецов, руководитель проектов направления «Оценка и финансовый консалтинг» группы компаний SRG.

По словам директора по административно-хозяйственной деятельности ООО «Байкал-Сервис ТК» Александра Разина, для использования водорода в качестве топлива потребуются не только энергоресурсы для его производства, но и развитая инфраструктура хранения и транспортировки — трубопроводы, железнодорожные цистерны, морские танкеры, автозаправки. «Как известно из химии, водород очень летуч и взрывоопасен. Хранение, транспортировка или использование водорода потребуют наличия высокочувствительных газоанализаторов, сверхпрочных материалов. К примеру, существующая технология водородно-воздушных топливных элементов, которая уже используется на автомобилях Honda, Toyota, Hyundai, пока не показала свою безоговорочную эффективность, так как оборудование довольно тяжелое и габаритное, а вероятность утечки чрезвычайно летучего газа снижает безопасность и требует высочайшего уровня технологий, что, безусловно, влияет на экономику проекта»,— рассуждает господин Разин.

К другим недостаткам можно отнести высокую стоимость машин, которые по своему устройству существенно сложнее бензиновых или электрических, добавляет Дмитрий Мешков, исполнительный директор ООО «Соллерс Инжиниринг». По его словам, в обозримом будущем можно говорить лишь о реализации локальных проектов, таких как создание пассажирского транспорта на водородном топливе для крупных и богатых городов. «Однако и тут не все просто, поскольку у таких автомобилей нет очевидных преимуществ перед электрическими»,— добавляет он.

По словам вице-президента Независимого топливного союза Дмитрия Гусева, практика показывает, что рост транспорта с альтернативными двигателями возможен только при создании достаточной инфраструктуры. А на стартовом этапе развитие инфраструктуры — это долгосрочные инвестиции. «Поэтому первым шагом для развития водородных двигателей будет создание сетей водородных заправок, о чем пока даже упоминания нет в «Энергостратегии-2035″»,— поясняет господин Гусев, предполагая, что в ближайшие пятнадцать лет, если не будет существенных изменений, автомобилей и заправок на водороде не планируется.

Мария Кузнецова

Грузовой автотранспорт на водородном топливе

Декарбонизация грузового транспорта (Часть 2)

Владимир Чехута, Юрий Петров
Фото фирм-производителей

Перевод автотранспорта с углеводородов на другие виды топлива заставляет думать, что есть какая-то глобальная идея, которой человечество уже сейчас должно себя подчинить. Именно так в окно обывателя стучится неизведанное будущее. Отсюда возникает недоверие ко всему новому, а вакуум незнания заполняет мгла невежества. Сначала мерещатся тайные кукловоды, но затем приходит черёд любопытства: что и кто стоит за внедрением водорода?

Контрасты цивилизации

Дрова – самое первое топливо в жизни цивилизации, осталось на задворках современной жизни. Но после появления ДВС начали затухать и угольные колосники паровозов. Прометеев огонь в топках паровозов и пароходов в 1960-х массово угас не потому, что на планете закончился антрацит и дрова. В линейной эксплуатации ради сжигания 10 тонн угля локомотиву нужно возить цистерну воды и пополнять её каждые 100 км. Гужевой транспорт из того же числа – попасть ногой в помёт было обыденным случаем горожанина XV–XIX века, что мы найдём в строчках у Поля Скарона и Пушкина. А теперь детей в парках катают на отутюженных пони.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) тоже уйдут в историю. Увы! Гигиена общества в больших городах заставляет отказаться от всего некомфортного. Но случаются и казусы: в Китае на государственных карьерах работают паровозы, а рядом частные компании из шахт руду таскают уже на карьерных электросамосвалах BYD V60 (см. «Китай готов к кризису»).

До 2050 года мы вряд ли простимся с ДВС. Но поколение, родившееся в 1980-х в СССР, США, ФРГ и Японии, станет первым, которое на закате своей жизни застанет год, месяц и тот день, когда рычащий автомобиль с ДВС можно будет увидеть только на ретро-шоу или ностальгическом авторалли.

Продажа прогресса оптом

Норвежская оптово-торговая компания ASKO в числе первых начала опытную эксплуатацию 4 электрогрузовиков Scania G350, оснащённых водородными топливными элементами. В феврале к ним добавились ещё 2 машины, а общий парк до 2023 года составит 75 грузовиков.

Для их обслуживания при помощи независимой исследовательской компании SINTEF и Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU) построена собственная водородная заправочная станция возле Тронхейма.

Водородные топливные элементы производства Canadian Hydrogenics генерируют непрерывную мощность 245 кВт (пиковая мощность достигает 290 кВт). Максимальный крутящий момент, развиваемый электромотором, составляет 2200 Н·м. Крутящий момент к ведущим осям предаётся через 2-ступенчатую КП. Водород в количестве 33 кг хранится в герметичном резервуаре под давлением 350 бар (345,4 атм), а электричество преобразуется в 90 кВт топливных элементах PEFC. Для запаса энергии используется литий-ионная аккумуляторная батарея общей ёмкостью 56 кВт·ч, оборудованная встроенным зарядным устройством мощностью 22 кВт, запитываемым от комбинированного поста CCS (Combined Charging System). При полном баке водорода его дальность составляет до 500 км.

Полная масса автомобиля составляет 27 (26+1) тонн. «+1» ему выдали по специальному разрешению, поскольку этот «защитник экологии и тишины» имеет избыточную массу электротрансмиссии, и для выравнивая грузоподъёмности со стандартным 26-тонным грузовиком, ему накинули эту дополнительную тонну. Интерес к теме настолько высок, что к ней начали подключаться и специализированные производители электромобилей.

Quantron AG из Аугсбурга, специализирующаяся на переоборудовании автомобилей на электропривод, в середине 2022 года наметила выпуск грузовиков, работающих на водородном топливе. Тяжёлый магистральный тягач Energon Hydrogen рассчитан на вождение 44-тонных автопоездов и в основе имеет капотный IVECO Strator. Заявленные характеристики позволяют обеспечить ему дальность хода около 700 км. Используемый водородный топливный элемент мощностью 130 кВт, поддерживаемый LFP-аккумулятором 110 кВт·ч, питает двигатель мощностью 340 кВт, который приводит задний мост через 2-ступенчатую КП. В дальнейшем Quantron AG намерена полностью освоить рынок тяжёлой техники и представить оригинальный грузовик, который пока представлен лишь на компьютерных рендерах (см. постер). Компания уже принимает предварительные заказы с ценовым преимуществом в 10 тыс. евро. Сейчас Quantron является авторизованным дистрибьютором и сервисным партнёром крупнейшего в мире производителя литий-ионных аккумуляторов и авторизован в качестве дилера CATL в Европе.

Большой бизнес

В Северной Америке у сырьевого лобби слишком высокая инерция, что не позволяет мигом перестроиться даже части экономики США и Канады. Но тренд нарастает и переход к 2027–2033 годам на полностью альтернативные виды топлива в Новом и Старом свете, стартовавший 5 лет назад, уже набирает обороты.

24 июня Калифорнийский совет по воздушным ресурсам утвердил самый жёсткий мандат страны в отношении использования чистого воздуха для грузовых автомобилей. По сути, совет распорядился, чтобы автопроизводители начали продавать автомобили с нулевым уровнем выбросов в 2024 году. К этому году электрический парк должен составить 4000 грузовиков. К 2030 году в Калифорнии планируется продать 100 000 машин, а к 2035 году – 300 000.

После дождя законодательных инициатив, грядки стартапов, даже в США не выглядят одинокими цветниками.

В компании Nikola Motors удалось планово пришить продажи машин к развитию заправок. Сейчас уже намерены построить новых 37 водородных заправок в Калифорнии, увеличив их число до 100. В Аризоне 3 марта объявила даже о создании акционерного общества и слиянии с компанией VectoIQ, состоящей из ветеранов Mitsubishi Motors и GM под патронажем бывшего вице-председателя Стива Гирски. Она совладеет космической компанией Virgin Galactic. Неудивительно что с 6 по 13 мая после открытия торгов на нью-йоркской фондовой бирже акции VectoIQ скакнули на 134,5%.

Ожидается, что во II квартале Nikola Motors уже будет внесена в список на бирже NASDAQ под названием NKLA. Тогда Nikola Motors может распоряжаться новыми инвестициями в размере $525 млн к имеющимся $525 млн, которые он собрал за три раунда финансирования (включая СП в Европе) на развитие выпуска водородных грузовиков. При этом инвестиции затронут всю линейку тягачей (на заставке) для определения наиболее привлекательных. Рыночная капитализация Nikola Motors составляет около $12 млрд, из которых 3,7 млрд приходится на долю основателя Тревора Милтона.

Интересно, что его главный конкурент – генеральный директор компании Tesla Inc. Элон Маск в одном интервью отвергал водородную технологию и даже назвал их «дурацкими ячейками». Его можно понять: он безальтернативно вложился в электромобили с батарейным питанием и тащит на себе космическую программу. А Nikola Motors является пока одной из немногих компаний, которые нацелились на использование больших водородных установок.

Трудный опыт первопроходцев

Первый водородный тягач TTSI был протестирован в рамках совместного партнёрства с компанией Vision Motor Industry. «Этот грузовик был настоящим зверем», – поражался Тони Уильямсон, директор по техническому обслуживанию в TTSI. Он особо подчеркнул, что автомобиль работал в составе автопоезда и использовался для перевозки контейнеров: «У этого тяжеловоза 4455 Н·м (!) крутящего момента. Однажды я поговорил с водителем, который таскал на нём контейнеры, и он сказал, что ему приходится постоянно оглядываться назад, чтобы убедиться, что контейнер всё ещё в пути – вот сколько мощности в этом грузовике».

Прямо сейчас TTSI эксплуатирует 3 седельных тягача Kenworth Т680 с разными начинками. Первый, с ячейками Toyota, оборудован двумя синхронными электродвигателями с общей пиковой мощностью 565 л.с. Этот автомобиль находится в эксплуатации уже 2 года. Второй грузовик (работает 1 год) и оснащён топливными элементами TransPower. И третий грузовик укомплектован Н2-элементами U.S. Hybrid II поколения. Он работает уже 15 месяцев. В ближайшие месяцы руководство TTSI планирует приобрести ещё 7 водородных тягачей.

Работа по 6 дней в неделю, из которых 4 дня проходят в 2 смены, что даёт в среднем 20 рабочих часов в день. Пятничные и субботние смены длятся по 10 часов. Также Уильямсон отметил, что их автомобили перевозят грузы с массой от 16 344 до 18 614 кг (это определяется инструментальным взвешиванием). Поскольку некоторые участки дорог возле калифорнийских портов проходят через холмы, то автопоезда должны преодолевать подъёмы с уклоном до 6%, делая это на скорости от 50 до 65 км/ч. То есть подвижной состав компании работает в напряжённом режиме и однозначно должен быть надёжным.

TTSI на собственном опыте убедилась в плюсах и минусах водородной технологии. Осталось решить вопрос заправки грузовиков. У компании есть собственная водородная АЗС, кроме этого у TTSI челночный транспортный бизнес с небольшими плечами.

Водородные плюсы и минусы

Положительные стороны водорода включают нулевые выбросы вредных ОГ, отсутствие шумового загрязнения. Есть налоговые льготы и государственные субсидии. Водород даёт большой запас мощности и запредельный крутящий момент и более высокий комфорт работы водителя. Водители, работающие на водородных машинах, часто говорят, что от них теперь не пахнет соляркой и отмечают минимальные вибрации в водородных тягачах и акустический комфорт.

Килограмм водорода при комнатных условиях занимает порядка 11,2 м3 объёма. При сжатии до 200 атмосфер в 1 кубометр можно загнать 17,8 кг H2, а в автомобилях уже используют сосуды на 60 литров давлением 700 атм, вмещающих до 50 кг. Но использование водорода географически пока слишком локально – в размерах округа, района, области или штата, а потому счёт идёт о пробегах в 200–500 км. Больше пока не нужно.

По оптимистичному исследованию агентства Bloomberg, проведённому в 2017 году, к 2040 году автомобильный транспорт ежедневно будет потреблять 1900 ТВт·ч (терраватт-час) электроэнергии, что станет эквивалентно затратам в 13 млн баррелей нефти. Сравните цифры: сейчас в мире ежедневно добывается 80 млн баррелей нефти и около 70% добычи (56 млн т) уходит только на транспорт. Сюда входят не только АЗС, привод рефрижераторов, но и керосин для авиатранспорта, мазут для судов и даже ТЭЦ, использующиеся для запитывания линий электротранспорта (ж-д, метро, трамваи, троллейбусы, электробусы, складской и горный транспорт).

Но дальше сложнее. Объёмная энергетическая плотность водорода не превышает 4,7 ГДж/м3 (при 70 МПа). Это в 7 раз меньше показателя бензина, (34,5 ГДж/м3) и в 20 раз меньше (142 МДж/кг), чем показал водородно-бензиновый гибрид BMW Hydrogen 7 с кузовом E65. К тому же у таких ДВС крайне низкий ресурс и высок риск детонации.

Стоит накинуть сюда цену. Стоимость водорода сейчас колеблется от 10 до 16 долларов за 1 кг. Пробег на 1 кг топлива у 40-тонного водородного грузовика сейчас не превышает 10 км. Магистральный дизельный тягач тратит на каждую тонну 1 л на 100 км пробега. При цене на солярку в США в 64 цента за 1 литр, содержание водородного тягача – это просто грабёж!

Расходы на ТО водородных электрогрузовиков учитывать пока затруднительно. Ведь речь идёт о новейших автомобильных технологиях и относительно новых транспортных средствах. Грузовики с водородными элементами, имеют бόльшую снаряжённую массу, чем их аналоги. Так вес седельного тягача составляет от 9988 до 10 900 кг. Обычный дизельный весит от 7037 до 7265 кг, а с СПГ – не больше 7718 кг. В итоге даже при всех вычетах налогов и полученных субсидиях у калифорнийской компании TTSI по итогам 2019 года вышло 20-кратное увеличение расходов на заправку. И это при том, что часть расходов на себя берут производители оборудования в рамках НИОКР.

Минусов пока больше. Все они упираются в бухгалтерию. Стоимость покупки грузовиков на водородных топливных элементах в 1,6 раза выше, чем их традиционных аналогов (200 тыс. долларов против 125 тыс. за дизельный тягач). Высокотехнологичные компоненты: аккумуляторы, инверторы, топливные элементы и т.д. увеличивают страховые ставки.

Владелец водородного грузовика в таком случае будет вынужден искать только высокомаржинальные грузы или контейнеры с высокими ставками фрахта. И кого-то в портах или терминальных складах нужно ещё заинтересовать обеспечением этих подрядов, чтобы бизнес не вылетел в трубу. Иначе машину не окупить.

В итоге получается, что массовый переход на водород возможен только при массовом производстве водорода и комплектующих. И об этом тоже следует рассказать.

Бизнес-проект дизельного гиганта

За последние пару лет мировой лидер дизельного двигателестроения – корпорация Cummins сформировала новый бизнес-проект на перспективу. Изначально он был ориентирован на электромобили с батарейным питанием (BEV), однако недавно, в течение двух лет, Cummins приобрела 4 компании, связанные с технологией водородных топливных элементов: Brammo, Johnson Matthey Battery Systems, Efficient Drivetrains Inc. и Hydrogenics. На данный момент Cummins предоставила более 20 силовых модулей на топливных элементах

«Естественно, мы хотим сделать эту технологию жизнеспособной и прибыльной, и некоторые из новых правительственных стимулов помогут при создании Н2-инфраструктуры, снижении стоимости водорода и других вещах, которые очень важны для внедрения нового альтернативного топлива», – отметил Джефф Сегер, исполнительный директор отдела новых приобретений корпорации Cummins.

Среди свежих разработок топливные элементы для мусоровозов и уборочных машин FAUN на шасси Mercedes-Benz Econic. Каждый из грузовиков содержит три топливных элемента мощностью до 30 кВт на элемент. Каждый грузовик имеет до 6 сосудов с водородом, вместимостью по 4 кг водорода на каждый резервуар.

Руководство североамериканского совета по эффективности грузовых автомобильных перевозок (North American Council for Freight Efficiency’s – NACFE) подтверждают правильность революционных решений: «Сегодня список альтернативных видов топлива и связанных с ними новых силовых агрегатов растёт. Эти технологии начинают выходить на уровень мелкосерийного производства. Ещё недавно лидерами альтернативного направления были силовые агрегаты, работающие на газомоторном топливе, но в данный момент основная часть инвестиций идёт в водородные и аккумуляторные электромобили».

В NACFE полагают, что сейчас не существует единственного верного технического решения, которое в итоге заменит ДВС. Вместо этого специализация и региональные факторы подталкивают рынок к «многотопливному будущему», где многие из развиваемых технологий будут вместе сосуществовать.

Японский водород

Крупнейший изготовитель коммерческих автомобилей в Японии – компания Hino Motors Co., Ltd, входящая в корпорацию Toyota Motor Corporation, недавно продемонстрировала водородную версию флагманской модели Profia, которая может использоваться для городской логистики. Фактически модель является продолжением политики расширения новой среды, реализованной в водоробусе Toyota SORA Fuel Cell Bus 4K 2 HD.

Электрогрузовик представляет собой 25-тонное шасси Hino Profia FR1AWHG, который оснастили синхронным электродвигателем переменного тока мощностью 320 кВт и двумя модулями водородных топливных элементов Toyota FC stack с полимерным электролитом. Они хорошо обкатаны на Toyota Mirai и электробусах Hino. Также в грузовике будет установлен новейший водородный бак большой ёмкости, в котором топливо хранится под высоким давлением в 70 МПа. Этого объёма топлива достаточно для покрытия приблизительно 600 км пути. Литий-ионный аккумулятор накапливает рекуперированную энергию при торможении и используется для разогрева блока водородных элементов перед запуском.

В машине установлен контроль непроизвольного выхода из занимаемой полосы движения, система PCS, упреждающей столкновение с остановившимися транспортными средствами, системой Driver Monitor, оценивающей состояние водителя и позволяющей предотвратить засыпание за рулем. Снаряжённая масса грузовика составляет 13 200 кг. Габаритные размеры Hino Profia вполне соотносятся с «одноклассниками» – 11 990 х 2490 х 3780 м.

Пока рано судить о перспективах водородного Hino в Европе, поскольку японцы уже подписали соглашение о сотрудничестве с Volkswagen Group, а этом автогигант не захочет иметь конкурента для своих Scania и MAN. Тем более, что Scania тоже готовит к продвижению на рынок свою водородную модель. Но обмен Н2-технологиями между концернами Toyota и Volkswagen представляется вполне реальным.

В то же время корейский концерн Hyundai не прекращает поиски партнёров для реализации своих грузовиков h3 XCient Fuel Cell в Европе. С 2021 года французская Faurecia начнёт поставки систем хранения водорода (включая 10 000 водородных сосудов для грузовиков). В течение 4 лет ими будут оборудованы около 1600 тяжёлых грузовиков производства швейцарской Hyundai Hydrogen Mobility – совместного предприятия Hyundai и h3 Energy. Планы пока захватывают дух: к 2030 году около 2 миллионов новых транспортных средств, включая 350 000 коммерческих автомобилей, будут оснащены технологией топливных элементов.

И тут возникает вопрос. Что же произойдёт с электрическими грузовиками?

что это, как работает, схема, фото, безопасность,

Водородный автомобиль считается самым экологичным транспортом наряду с электрокарами. Заправка авто на водородном топливе занимает считанные минуты, а «горючего» хватит на 400 км и более. А баллон водорода после использования оставляет после себя полведра чистой воды.

Почему же автомобильные концерны неохотно переходят на этот альтернативный источник энергии? Вопрос в стоимости и производстве этого газа.

В автомобилях с водородным двигателем применяются специальные топливные ячейки. Называются такие авто FCEV, что расшифровывается как Fuel Cell Electric Vehicles — электрокары с топливным элементом вместе батареи. Самая известная модель – это Toyota Mirai. А вообще многие модели есть только в виде концепта, серийно пока выпускается немного экземпляров.

В статье расскажу что это такое — водородный автомобиль, принцип работы и устройство, что такое водородный двигатель, плюсы и минусы авто на водороде, список моделей, ждёт ли будущее эта технология. Обещаю, будет интересно!

Немного истории

Впервые двигатель внутреннего сгорания придумал Франсуа Исаак де Риваз в 1806 г. Этот изобретатель извлёк чистый водород при помощи такой технологии, как электролиз воды. Он изобрёл поршневой двигатель, который назвали в его честь — машина де Риваза. Через пару лет изобретатель сконструировал передвижное устройство с настоящим водородным двигателем. Таким образом, первый водородный автомобиль появился гораздо раньше, чем думают многие.

Риваз и его машина

А самые первые водородные топливные элементы создал в 1863 году английский учёный Вильям Гроув. При помощи опыта он выявил, что при разложении воды на кислород и водород высвобождается энергия. В дальнейшем он создал водородные ячейки, которые стали называть Fuel Cell. Их можно было объединить для получения необходимого количества энергии для автомобиля.

Во время блокады Ленинграда был высокий дефицит бензина, а вот водорода было немало. Техник Б. Шелищ предложил вместо стандартного топлива применять смесь воздуха и водорода для двигателей. Таким образом, в городе работало на водороде более 500 автомобилей ГАЗ-АА.

Первый водородный автомобиль на топливных ячейках создала компания General Motors в 1966, и назывался он GM Electrovan. Гораздо позже, в 1980-х годах, одновременно во многих развитых странах (Япония, США, Канада, Германия и СССР) запустили эксперимент по созданию автомобилей, которые использовали в качестве топлива водород, а также его смеси с бензином и природным газом.

Фото GM Electrovan

После этих экспериментов в 2000-х годах крупные автоконцерны стали разрабатывать коммерческие автомобили на водородном двигателе. Самым продвинутым и популярным автомобилем стал Toyota Mirai, в котором находится многоячеистый топливный генератор.

На данный момент создание автомобиля на водородном топливе – это дорогое удовольствие, поэтому многие производители ищут способы для снижения этих расходов.

А что значит водородное топливо на самом деле?

Что такое водородное топливо?

Водородное топливо поставляется на заправки в газообразном или жидком состоянии. Водород в этом виде уменьшается в объёме более чем в 800 раз. Примерное время одной заправки составляет не более 3-5 минут. Для сравнения – заправка бензином занимает примерно то же самое время.

На чём ездит водородный автомобиль? На водороде – экологически чистом источнике энергии.

Водород для топлива добывают следующими способами:

  1. Электролиз воды. Это выделение водорода из воды с помощью электричества. Такой метод применяется в тех регионах, где стоимость электроэнергии дешёвая, в том числе и в России. Чистота выхода водорода при помощи электролиза – около 100%! Но здесь присутствует повышенное загрязнение окружающей среды. Предсказывают, что когда-нибудь будут созданы множество солнечных и ветряных электростанций, которые будут производить топливо без отрицательного воздействия на окружающую среду.
  2. Паровая конверсия метана. Этот природный газ нагревают до температуры 1000 градусов по Цельсию и смешивают с катализатором. Этот метод будет работать до тех пор, пока метан не закончатся в недрах земли. Реформированный водород – самый популярный и дешёвый метод создания.
  3. Газификация биомассы. Это извлечение водорода в реакторе из отходов животных и сельского хозяйства, а также сточных вод. Сейчас существуют огромные территории с биомассой, потенциал которой не оценён и тратится впустую.

В чём преимущество этого альтернативного источника энергии?

  • Топливные элементы не выделяют вредных выбросов.
  • Огромный потенциал и возможные прибыли.
  • Моментальная заправка автомобилей (3 минуты).
  • Топливные ячейки на 80% эффективнее бензина, а также дёшево стоят.

Автомобиль на водороде не оставляет так называемого «углеродного следа», который загрязняет окружающую среду. Например, Toyota Mirai за 100 км пробега выделяет 5 л воды и больше ничего, никаких выбросов в атмосферу. Но, к сожалению, на Земле слишком не существует месторождений чистого водорода, а вот нефти и газа – хоть отбавляй. Зато водорода полным-полно в атмосфере, но в виде соединений, которые надо разрушить, чтобы извлечь желанный элемент. А для этого надо затратить немалую энергию, по сравнению с той, которую мы получим при прямом расходовании водорода.

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.

Опасен ли водород для человека?

Водород очень летуч, а также это легковоспламеняющийся газ, который хранить и перевозить следует предельно аккуратно. Сгорает он тоже довольно быстро. Например, газ в дирижабле «Гинденбург» полностью сгорел за полминуты, поэтому погибло только треть пассажиров.

Когда на дорогах появится большое количество водородных автомобилей, то надо будет ввести новые меры безопасности. Ведь при пробитии бака с водородом и наличием искр рядом газ может загореться. Поэтому в водородных автомобилях баки делают очень прочные, которые даже могут выдержать выстрел из крупнокалиберного пистолета. Поэтому при соблюдении правил безопасности, авто на водороде не опаснее бензиновых и дизельных моделей.

Чем водородные авто лучше электромобилей?

Этот вопрос не совсем правильный, поскольку автомобили на водородных ячейках и электробатарее считаются электромобилями. Всё зависит от того, чем заправляют машину – водородом или электричеством.

Водород в автомобиле применяют в двух вариантах: сжигание топлива в цилиндрах или подзарядка топливных элементов.

Главное отличие водородных топливных ячеек от батарей в том, что они служат очень много лет и не нуждаются в обслуживании. А батарея в электромобиле выходит из строя уже через 5 лет.

Как выглядит батарея в электрокаре

На холоде водородное транспортное средство включится без проблем, а аккумулятор электрического авто может полностью потерять заряд. Стоимость электрокаров дешевле, чем водородного: Toyota Mirai стоит 57 тыс. долл., а Tesla – от 45 тыс. долл. Водородные машины заправляются за считанные минуты, а электрокары – пару часов.

Теперь перейдём к устройству и принципу работы водородного авто, как он обеспечивает работу двигателя?

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.

За несколько км пробега автомобиль Mirai вырабатывает стакан дистиллированной воды, которая вполне пригодна к употреблению (она с лёгким привкусом пластика).

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.

 

Топливные ячейки с протонообменными мембранами сразу же производят энергию, обеспечивают очень высокую мощность и мало нагреваются. Максимальный срок службы водородных ячеек 250 тыс. км пробега, которые при необходимости можно заменить.

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.

Где заправляют водородные автомобили?

К сожалению, заправочных водородных станций в мире совсем мало. В 2018 г. их около 300, половина которых находится в Северной Америке, а другие – в Японии, Германии и Китае.

Кроме этого, существуют домашние и мобильные заправки. Они могут производить около тонны чистого водорода в год. Этого вполне хватит для заправки нескольких автомобилей в день. Топливо производится при помощи гидролиза воды, установку запускают только ночью, чтобы не нагружать электрическую сеть.

Автозаправки бывают 3 типов:

  1. Малые. Они производят около 20 кг водорода в 24 часа. Хватит для полной заправки 5 легковых автомобилей.
  2. Средние. Вырабатывают от 50 до 1250 кг топлива в сутки. Могут в день заправлять 250 стандартных машин или 25 грузовиков.
  3. Промышленные. Производят более 2500 кг чистого водорода. Могут заправлять больше 500 легковушек в сутки.

Заправка состоит из компрессора, диспенсера, системы очистки, электрического лизёра, система хранения водорода. Топливо может производиться как при помощи электролиза воды, так и с помощью паровой конверсии метана.

Для того, чтобы заменить большую сеть бензиновых заправок на водородные, понадобится примерно 1,5 трлн. долларов. А стоимость одной водородной станции обойдётся в 2-3 млн. долл., но окупаемость её быстрее, чем для электрической станции из-за быстрой зарядки.

Список автомобилей на водородном топливе

Существует ли автомобиль на водородном топливе? Да, причём их количество не такое уж и малое. Расскажу про самые популярные модели.

Honda Clarity

Автомобиль продавали в Японии и Калифорнии до 2014 года. Запас хода около 600 км, что больше, чем у любого электрокара. Заправляется Honda Clarity за считанные минуты.

Затем автоконцерн Honda выпустил конкурента Toyota Mirai, цена которого 72 тыс. долл. под названием Clarity Fuel Cell. На полной заправке можно было проехать до 700 км. Мотор имеет мощность 174 л.с. Автомобиль 5-местный.

Toyota Mirai

Это японский автомобиль, который создали после несколько десятков лет разработок. Автомобиль сначала выпустили для японского рынка, а затем и для американского.

Запас хода автомобиля на одной заправке 502 км, максимальная скорость – 178 км/ч., мощность – 153 л.с. В авто встроена система, которая видит препятствия и автоматически включает тормоз. В машине есть сенсорные экраны, при помощи которых осуществляется управление навигацией и микроклиматом.

Ford Airstream

Это гибридный автомобиль с электрическим мотором и водородными ячейками. Поэтому кроме водорода автомобиль может применять для движения аккумуляторы, которые подзаряжаются от водородных элементов.

На аккумуляторе Ford Airstream может проехать около 40 км (это половина заряда), а затем активируется водородное топливо. Запас хода чуть более 450 км, а максимальная скорость — 135 км/ч.

Mercedes-Benz GLC F-CELL

Это первый серийный автомобиль, который сочетает в себе аккумулятор и водородные топливные ячейки. На электричестве он может проехать 50 км, а на водороде – около 430 км. Отмечу, что аккумулятор можно зарядить от обычной электрической розетки.

Автомобиль можно использовать как в качестве электрокара на небольшие расстояния, так и в качестве водородного авто для длительных поездок.

Pininfarina h3 Speed

Это итальянский автомобиль, который способен разгоняться до 100 км/ч всего за 3,4 секунд. Максимально автомобиль может разгоняться до 299 км/ч. Запасы чистого водорода в баке – чуть более 6 кг. Кроме этого Pininfarina имеет мощный аккумулятор и электромоторы. Цена этого продвинутого автомобиля составляет 2,5 млн. долл.

BMW Hydrogen 7

Авто создано на базе стандартной BMW 7. Он работает как на бензине, так и на жидком водороде. В BMW Hydrogen 7 имеется бензиновый бак на 74 литра и большой водородный баллон весом целых 8 кг. Таким образом, максимальный запас хода в этой машине 780 км.

Автомобиль автоматически переключается между двумя типами топлива. Мощность двигателя на водороде – 228 л.с., а на бензине – больше на 32 л.с. Максимальная скорость 229 км/ч, разгон до 100 км/ч осуществляется чуть меньше, чем за 10 секунд.

Hyundai Nexo

Этот автомобильный концерн также стал одним из первых производить серийные водородные автомобили. Мощность двигателя Hyundai Nexo составляет 161 л.с., запас хода – 600 км. Разгоняется авто до 100 км/ч за 10 секунд. Цена автомобиля от 70 тыс. долл.

Grove Obsidian

Это водородный китайский автомобиль нового поколения, у которого запас хода составляет впечатляющие 1000 км. Он экономно расходует топливо за счёт облегчённого корпуса из углеродного материала и невысокому аэродинамическому сопротивлению. Заправка бака происходит всего за 3 минуты, а сам топливный бак очень прочен. А если бак будет повреждён, то водород из него вытечет в жидком виде и сгорит менее чем за 2 минуты.

Серийно автомобили станут выпускать с 2020 года, а к 2030 планируется создать 1 миллион экземпляров.

Другие авто

Ограниченно выпускают:

  • Audi A7 h-tron quattro;
  • Hyundai Tucson FCEV;
  • Mazda RX-8 Hydrogen RE;
  • Автобус Ford E-450;
  • Низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

  • Focus FCV;
  • Honda FCX;
  • Nissan X-TRAIL FCV;
  • Toyota Highlander FCHV;
  • Volkswagen — space up!;
  • Mercedes-Benz A-Class и Mercedes-Benz Citaro;
  • Irisbus;
  • Toyota FCHV-BUS;
  • единичные модели в Чехии, Китае и Бразилии.

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.

Уже попробовал

0%

Проголосовало: 2

Водородный транспорт — хорошая идея только в теории / Хабр

Я очень хочу потыкать острой палкой в идею об электрических автомобилях на водородных топливных элементах (ТЭ). Некоторые люди совершенно очарованы этой идеей. Как можно не очароваться? На вход подается водород, абсолютно «чистое» топливо, а на выходе получается только вода или пар, и никакого углекислого газа, оксидов азота, сажи, и т. д. Водородный двигатель — тихий и компактный. Это не тепловой двигатель, и поэтому на него не распространяются жесткие ограничения цикла Карно. Заправка очень быстрая и не сильно сложнее чем обычная бензиновая заправка.

Кроме того, если вы — нефтяная компания, и спрос на бензин и дизель начнет уменьшаться, вы только что обнаружили новое топливо, которое можно продавать! Вы спасены!

Если вы живете в частном доме и хотите потреблять меньше энергии, вы думаете что можете делать водород из воды используя электричество от солнечных панелей на крыше, убивая сразу двух зайцев: вы получаете топливо для вашей машины и запасаете излишки энергии от солнечной генерации, с помощью единственной магической технологии. Звучит потрясающе!

К сожалению, дьявол кроется в деталях, и он не то чтобы сильно прячется, если вы будете смотреть внимательно.

В моей предыдущей статье я обсуждал эффективность в энергетических циклах двигателей внутреннего сгорания и электрических автомобилей. Я буду ссылаться на результаты из этой статьи когда буду делать предположения об электрических автомобилях на топливных элементах (fuel cell electric vehicle, FCEV). Я буду делать аналогичные допущения и использовать похожие источники.

Дисклеймер: я упомянут в нескольких патентах компании Texaco о получении водорода из природного газа для подачи на протонообменную мембрану (ПОМ, ПЭМ) топливных элементов (теперь патенты принадлежат Chevron, которая поглотила Texaco). Я занимался водородом еще с институтских времен, и примерно каждый второй проект на протяжении десятилетий, которые я провел в компании Zeton, включал в себя водород или синтез-газ.

Однако, еще раз хочу четко сказать: водород это прекрасная идея — в теории. Но большая проблема с водородом заключается… в самой молекуле водорода. Никакие изобретения или технологии не решат эту проблему.

Давайте разбирать цепочку эффективности электрического транспорта на водородных топливных элементах этап за этапом, также как мы делали с двигателем внутреннего сгорания и электрическими машинами на аккумуляторах (battery electric vehicle, BEV).

Производство водорода

КПД самого производства водорода — примерно 70%, в лучшем случае, к сожалению. Я недавно [статья 2017 года — прим. перев.] разговаривал с Hydrogenics, большим производителем щелочных и ПЭМ-электролизеров. Эффективность их более дешевых щелочных электролизеров — примерно 60%, а эффективность ПЭМ-электролизеров — 70%, когда он работает на минимальном токе. (Вы можете делать гораздо больше водорода на этом же приборе просто увеличив ток, но жертвуя эффективностью.) Это достаточно близко к теоретическому пределу эффективности электролиза — ~83%, которая получается, если поделить низшую теплоту сгорания (HTC) получаемого водорода на энергию затрачиваемую на электролиз. Мы не вернем эту потерю в топливном элементе потому что мы не используем теплоту конденсации водяного пара.

Большинство производителей электролизеров указывают КПД в расчете на высшую теплоту сгорания (ВТС), то есть включая теплоту конденсации пара. В этом случае 70% (НТС) КПД электролизеров превращаются в примерно 83% (ВТС).

Проблема электролиза в том, что часть энергии очевидно идет на создание молекул кислорода. Это может быть полезно в больших системах, которые могут собирать и сжимать чистый кислород (который затем можно продавать), либо если водород используется не как топливо, а как сырье в технологическом процессе, и этот процесс также использует кислород. К сожалению, водородная заправка не будет использовать кислород, она будет просто выпускать его в воздух.

Поэтому давайте остановимся на 70% (НТС) КПД конвертации электричества в водород, предположительно, электричества от возобновляемых источников (ВИЭ). Если совсем строго, мы еще должны учесть 6% потерь в электросети от источника электричества до электролизера.

70% КПД электролиза почти совпадает с наивысшей доступной на данный момент эффективностью технологии получения водорода из природного газа, парового риформинга (паровой конверсии) метана (steam methane reforming, SMR). Большие установки повышают эффективность, утилизируя теплоту продуктов процесса и сжигая побочные газы после очистки водорода.

Максимально чистый водород нужен, чтобы увеличить эффективность и долговечность топливных элементов. Они очень чувствительны к угарному газу, который уменьшает эффективность платинового катализатора в топливном элементе (то есть, является каталитическим ядом). К сожалению, невозможно конвертировать углеводороды в водород, не получив на выходе также какое-то количество угарного газа. Более того, сам катализатор может преобразовать углекислый газ в угарный газ, поэтому водородное топливо должно быть полностью очищено от обоих газов. Даже инертные газы, такие как аргон и азот, уменьшают эффективность ПЭМ-топливного элемента, потому что надо позаботиться об их выводе на аноде. Поэтому реальные топливные элементы требуют очень чистый водород: посмотрите на спецификации ПЭМ-топливных элементов производства Ballard, Plug Power, и других.

К сожалению, эффективность паровой конверсии метана стремительно падает с уменьшением установки. Тепловые потери увеличиваются, что имеет особенно большое значение в таком высокотемпературном процессе как паровая конверсия. Вы быстро обнаружите это когда попробуете спроектировать процесс для относительно небольшой водородной заправки.

Доставка природного газа по трубопроводам к установке по паровой конверсии в водород и последующая доставка водорода от централизованной установки к заправкам скорее всего будет стоить больше чем 6% от энергии конечного водорода, но давайте будем щедрыми и примем эти потери тоже за 6% чтобы делать меньше подсчетов (хотя, в конечном счете, это все равно будет неважно). Таким образом, вне зависимости от того, начинаем мы с электричества или с метана, мы приходим к 70%*94% ~= 66% КПД производства водорода, без существенных возможностей для улучшения потому что мы уже близки к термодинамическим пределам.

Стоит отметить что КПД электролиза горячего пара может казаться очень высоким (даже выше 100%), например, при использовании твердооксидного топливного элемента в реверсе. Естественно, при этом не учитывается работа по испарению воды и нагреву пара. Никто не использует электролиз пара если у него нет а) источника «бесплатного» пара и б) процесса в котором используется горячий водород или горячий кислород или желательно оба газа. Кроме того, как всякие высокотемпературные устройства, паровые электролизеры «не любят» работать с перерывами, поэтому вам также нужен стабильный круглосуточный источник электричества, а возобновляемые источники — не стабильные.

Хранение водорода

Теперь нам надо хранить водород, и загвоздка опять в самой молекуле. Хотя плотность энергии водорода на единицу массы очень большая, даже в форме криогенной жидкости (при температуре 24 выше абсолютного нуля) водород имеет плотность всего 71 кг/м3. Поэтому единственная практичная на данный момент форма хранения водорода для небольших машин — это газ высокого давления. Любые способы увеличения объемной плотности хранения водорода или уменьшения давления (например, гидриды металлов, абсорбенты, органические носители, и т. д.) или сильно увеличивают массу бака, или увеличивают потери водорода во время хранения, или требуют энергии для извлечения водорода. Я бы не рассчитывал на некий магический прорыв в этой области: у нас было тридцать лет на исследования с того момента, как водород стал всерьез рассматриваться как топливо.

Про опасность водорода хорошо известно, и в моей статье не будет картинки с дирижаблем «Гинденбург»! На самом деле, уже достаточно давно научились безопасно обращаться с водородом в промышленности если использовать разные меры предосторожности. Но я не хочу, чтобы мои соседи даже думали о производстве водорода под давлением 400 или 600 атмосфер с помощью своих домашних солнечных панелей. Это кажется мне кошмарной идеей по многим причинам.

Чтобы сжать водород с давления ~20 атмосфер на выходе с установки по паровой конверсии из метана или с примерно атмосферного давления (на выходе из некоторых электролизеров) до 400 атмосфер надо потратить энергию, обычно электричество. К сожалению, мы вынуждены рассеивать тепло от сжатия водорода на достаточно низкой температуре чтобы сберечь элементы компрессора, и поэтому это тепло трудно как-то использовать. Более того, давление в баке на заправке может снизиться с 400 атмосфер только до 395 во время заправки одной машины, поэтому вся работа по сжатию делается при самом высоком коэффициенте сжатия [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. Бак на заправке должен быть очень большим. В противном случае, требования заправляющего компрессора или ограничения по переносу тепла могут уменьшить скорость заправки (ведь мы помним, что скорость заправки — чуть ли не главная причина, по которой нам интересен водород в качестве топлива для транспорта!).

На большом масштабе, с гигантскими компрессорными агрегатами, можно хранить водород под большим давлением теряя не больше 10% от теплоты сгорания (НТС) хранимого водорода на работу компрессоров, что, на самом деле, удивительно хорошо, учитывая вышесказанное. (Заметим, что политропный КПД самих компрессоров — это лишь малая часть этих потерь. Мы смотрим на другую меру эффективности.) К сожалению, когда мы уменьшаем размер компрессоров, эффективность улетает вниз. Многоступенчатый диафрагменный компрессор для автомобиля может потреблять до половины энергии сжимаемого водорода или даже больше. При уменьшении масштаба также растут капитальные расходы в расчете на единицу энергии проходящей через установку на протяжении ее жизненного цикла. Прискорбно, что транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична по той же причине, по которой его тяжело хранить — свойства молекулы. [Тут автор не развивает мысль почему транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична, но в другой статье он пишет, что доставка водорода по трубопроводам требует в три раза больше энергии, чем доставка природного газа, на единицу переносимой энергии — прим. перев.] Все мечты о «водородной экономике» предполагают малые и распределенные системы производства водорода, так что мы не должны гонять водород с места на место, что оставляет нам только один реалистичный вариант: электролиз.

Таким образом, у нас остается 70% (производство) * 94% (потери в электросети или на работу трубопровода) * 90% (хранение под высоким давлением) = 59% КПД от исходной энергии до бака автомобиля. Для сравнения, для бензина этот показатель — 80%. Конечно, мы не будем использовать водород в неэффективном двигателе внутреннего сгорания как замену бензину, особенно если водород получен из углеводородов: мы бы лучше просто сжигали эти углеводороды в ДВС напрямую.

Если нас заботят выхлопы парниковых газов, производство водорода из метана точно не решает проблему [см. недавнюю статью «Насколько чист «голубой» водород?» на эту тему — прим. перев.]. Мы бы лучше просто ездили на Приусах. Электролиз с использованием электричества из возобновляемых источников — это единственный возможный вариант.

Топливный элемент с протонообменной мембраной

Печально, но мы все еще не закончили терять энергию — далее идут потери в топливном элементе. Хотя это и не тепловой двигатель, топливный элемент все равно имеет собственные термодинамические пределы. Топливные элементы достигают эффективности в 50–60%, и это недалеко от теоретического предела в 83% для идеального топливного элемента. 

Давайте будем щедрыми и возьмем 60% как КПД топливного элемента. Реальные ТЭ которые можно купить имеют эффективность около 50% — лучше, чем у небольшого двигателя, примерно так же, как у судовых двигателей или стационарных скоростных двигателей, или у газовых турбин.

Вся цепочка, от источника энергии до колес

Учитывая эффективность электрического инвертора и мотора (90%), общая эффективность «от электростанции до колес» — 94%*70%*90%*60%*90% = 32%. Напомню, что по показателю «от скважины до колес», Приус достиг эффективности 30% на бензине, то есть мы «сделали» Приус, и это без вредных выхлопов. И с быстрой заправкой. Ура! Ура?…

Мой самодельный электрический автомобиль, «E-Fire», имеет эффективность 76.5%… и тоже не дает никаких выхлопов. [Источник этой оценки неясен: если автор берет такие же потери в инверторе, моторе, и электросети, его батарея должна иметь КПД 90%. — прим. перев.] несмотря на очень маленькую батарею по нынешним стандартам, всего 18.5 кВч, этого хватает на мою дорогу до работы и обратно. Я уже проехал на этой машине 20 тыс. км. без парниковых выхлопов, и я никогда не ждал ее зарядки: я заряжаю ее один раз ночью, и один раз утром на работе. Эта машина не делает всего того, что делает машина с ДВС, не пытается, и не должна этого делать.

Капитальные затраты на водородный стек

Таким образом, электромобили на топливных элементах (FCEV) в лучшем случае примерно в 2.4 раза хуже чем лучшая доступная сейчас альтернативная технология, электромобили на аккумуляторах (BEV). Взамен мы получаем более быструю заправку и, возможно, немного большую дальность хода на одной заправке, и это все. Не слишком ли высока цена за немного большее удобство? Хотя, подождите, мы ведь даже не начали говорить о цене….

Водород это очень дорогое топливо, с любой точки зрения.

В 2.4 раза худшая эффективность транспорта на топливных элементах означает что мы должны установить в 2.4 раза больше генерирующих мощностей из возобновляемых источников. Сам по себе этот факт должен заставить сторонников водорода задуматься.

Мы также должны построить инфраструктуру по распределению водорода. Вы не будете заправляться водородом дома, это слишком огнеопасно. Это значит что кто-то должен заняться этой инфраструктурой как бизнесом, но никто не захочет это делать потому что на этом не получится заработать.

Наконец, давайте посмотрим на сам электромобиль на ТЭ. В нем, конечно, должен быть бак для водорода и топливные элементы. А также все остальные части обычных электромобилей, включая аккумулятор! Аккумулятор будет меньше, ближе по размеру к аккумуляторам в гибридах, но он все равно нужен чтобы было куда девать энергию от рекуперативного торможения, чтобы управлять потребностями в системе топливных элементов чтобы уменьшить ее стоимость. Батарея также нужна во время старта и выключения топливных элементов. Таким образом, электромобиль на ТЭ — это гибрид.

В дополнение ко всему вышесказанному, сами топливные элементы по-прежнему очень дороги. Хотя цены однозначно снизятся с началом массового использования и производства, также как сейчас снижаются цены на литий-ионные аккумуляторы, металлы платиновой группы (МПГ), такие как платина и палладий, используемые в катализаторах топливных элементов, не позволят ценам упасть слишком сильно. Уменьшите долю МПГ, и топливные элементы станут еще более чувствительными к примесям в водороде, и, я подозреваю, эффективность упадет. Замените МПГ на более дешевые металлы, такие как никель, и большая часть преимуществ топливных элементов пропадет: они должны будут работать при более высоких температурах, и т. д.

Toyota Mirai, электромобиль на топливных элементах

Означает ли это, что водород — это мертвая идея для персональных электромобилей? Одним словом, на мой взгляд, ДА. Я полностью согласен с Илоном Маском в этом вопросе. Разве что, уточнив, что мы говорим не о мире в котором электричество ничего не стоит, или его цена даже становится отрицательной потому что генерация из возобновляемых источников становится такой дешевой что не требует вообще никаких денежных вложений. Но я готов поспорить, что а) этого никогда не произойдет, б) даже если мы приблизимся к этой странной экономической ситуации, капитальные затраты и другие практические проблемы с электролизерами, компрессорами, резервуарами для хранения и топливными элементами все равно полностью убьют идею.

Сравнение двух реальных автомобилей которые можно купить (по крайней мере, в Калифорнии) показывает, что мои оценки оптимистичны в пользу водорода. Для автомобилей с аналогичными характеристиками и дальностью хода, водородный автомобиль потребляет в 3.2 раза больше энергии и стоит в 5.4 раза больше в расчете на проеханный километр:

Конечно, обе технологии будут улучшены в будущем, но расчеты выше по тексту задают пределы. Невозможно преодолеть законы термодинамики неким хитрым изобретением или принимая желаемое за действительное.

Означает ли все это, что топливные элементы вообще не нужны? Вовсе нет! Существуют устоявшиеся области в которых ПЭМ-топливные элементы имеют смысл, но это лишь те ситуации, где энергоэффективность гораздо менее важна, чем, например, быстрая заправка. Таким образом, Plug Power находит свою нишу на рынке складских вилочных погрузчиков, особенно на охлаждаемых складах.

Вилочный погрузчик на топливных элементах

То же самое относится к так называемым «power to gas» (P2G) схемам. Это совсем другая модель: они используют «избыточную» возобновляемую электроэнергию для производства водорода, который затем под низким давлением подмешивается в газовую сеть, где в конечном итоге используется для производства тепла, часто в устройствах, которые в конечном итоге рекуперируют тепло конденсации водяного пара (продукта горения водорода). Как средство хранения электроэнергии схемы P2G настолько смехотворно неэффективны, что о них даже не стоит говорить, но зато они требуют лишь небольших капитальных вложений и сокращают выбросы парниковых газов, когда водород вытесняет метан. Это не так уж и плохо, если только вы не сделаете вывод, что однажды мы ПОЛНОСТЬЮ заменим природный газ водородом… Это будет очень глупо.

Другие применения водорода на транспорте

На данный момент, в некоторых видах транспорта: самолеты, поезда, суда, аккумуляторы практически или совсем неприменимы. Главный вопрос в этих случаях стоит так: насколько мы заботимся о токсичных выбросах? Если они волнуют нас больше всего, водород — единственные решение. Но если мы больше думаем о парниковом эффекте, мы также можем использовать биотопливо как альтернативу водороду. [При сжигании биотоплива в воздух попадает углекислый газ, но этот углерод был извлечен из атмосферы самими растениями в течение предыдущего года, поэтому общий атмосферный баланс не нарушается — прим. перев.] Для самолетов биотопливо, скорее всего, — это единственное практическое решение до тех пор пока мы не изобретем что-то с гораздо большей плотностью энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, возможно, перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы. И хотя мы не сможем полностью заменить бензин и дизель на биотопливо, даже если полностью забудем об экономике (цифры по этому поводу см. на сайте www.withouthotair.com), если мы покроем 90% перевозок (в километрах, или тоннокилометрах) электричеством, мы можем производить достаточно биотоплива чтобы покрыть оставшиеся 10%, ПЛЮС все те другие виды транспорта, в которых в сейчас невозможно использовать аккумуляторы. Гораздо важнее избавиться от токсичных выхлопов в городах, чем на трассах, в море, или высоко над землей.

Очевидно, что использование водорода или электрохимии для уменьшения выбросов CO2 с целью получения жидких углеводородов значительно менее эффективно, чем сам водород [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. То же самое и с аммиаком, который кажется кому-то способом преодолеть некоторые недостатки водорода. Аммиак — ядовитый газ, и, опять же, производить его менее эффективно, чем водород. Мысль о заправке автомобилей аммиаком повергает меня в ужас, учитывая количество смертей, связанных с аммиаком в результате его использования в качестве хладагента и в сельском хозяйстве.

Так называемое «e-топливо» (e-fuel, power-to-liquid) — это, на самом деле, производная водородного топлива. Оно делается из углекислого газа, воды (продукт горения водорода), и электричества. При реверсе термодинамического процесса неизбежны потери. С учетом того, что потом мы используем это топливо в неэффективном ДВС, вся схема получается очень очень неэффективной.

Е-топливо — это способ использовать еще больше излишков энергии в тщетных попытках превратить водород в более эффективное (удобное) топливо. К сожалению, если мы не сможем производить достаточно биотоплива для того транспорта, в котором мы не можем использовать аккумуляторы, нам, возможно, придется сначала использовать топливные элементы, и только в самом крайнем случае — е-топливо. И мы будем горько плакать, глядя на его стоимость.

Настоящее будущее «зеленого» водорода

Сейчас более 96% водорода производится из ископаемого топлива либо целенаправленно (паровая или автотермальная конверсия метана), либо как побочный продукт при производстве нефти. Мы должны научиться производить водород очень эффективно из возобновляемого электричества, но не тратить его как автомобильное топливо, а использовать при производстве удобрений: аммиака и мочевины. Нам придется избавиться от гигантской инфраструктуры по производству и доставке углеводородов.

В продолжение темы, читайте мою статью: «Hydrogen from renewable energy — our future?» Или зеленый камуфляж?

Дисклеймер [от автора статьи, не переводчика]: все что я пишу в своих статьях — это мое личное мнение. Я пытаюсь всегда приводить ссылки на источники, когда могу. Скорее всего, в моих цифрах и рассуждениях есть ошибки. Я заранее извиняюсь за них. Если вы можете указать мне на них со ссылкой на хороший источник, я отвечу и исправлю текст. Мой работодатель, Zeton Inc., работает в совсем другой области, и не имеет ни интереса, ни даже позиции по поводу водорода. Мы проектируем и строим пилотные установки.

Каковы плюсы и минусы водородных топливных элементов?

Водородные топливные элементы используют водород в качестве топлива в электрохимическом процессе, который объединяет водород и кислород для производства электроэнергии и воды. Обратный процесс электролиза, который производит «зеленый» водород и кислород из воды, может использовать ряд возобновляемых источников энергии (ветер, волны, солнце) для производства водорода в качестве топлива для производства возобновляемой энергии. Также растет интерес к водородной энергетике как к уникально чистому источнику энергии, который может производить тепло и единственным побочным продуктом которого является вода.

Зеленый водород, полученный в результате электролиза (высокоэнергетический процесс) и возобновляемых источников энергии, является дорогостоящим вариантом, на долю которого приходится лишь около 5% от общего объема производства H 2 . В настоящее время подавляющее большинство мирового производства водорода происходит из источников ископаемого топлива (риформинг газообразного метана), и это будет продолжаться в течение нескольких десятилетий. Однако по мере роста производственных мощностей для более эффективных и экономичных электролизеров ожидается, что производственные затраты заметно снизятся по мере внедрения зрелых технологий и мощностей по производству возобновляемой энергии.

Чтобы создать безопасную, устойчивую и обезуглероженную энергетическую систему, производство и хранение водорода в больших количествах будут играть важную роль в уравновешивании прерывистых поставок энергии из возобновляемых источников энергии с потребностями конечных пользователей (т. е. для электросетей, бытовых и промышленных отопление и топливо для транспорта).

Продолжаются споры о преимуществах и недостатках водородных топливных элементов, но, несмотря на существующие ограничения, водород по-прежнему является экологически чистой альтернативой ископаемому топливу и может использоваться для обеспечения гибкой и высокоплотной энергии и движения для широкого спектра промышленных установок и режимов. транспорта с использованием технологии водородных топливных элементов (часто  

Технология водородных топливных элементов имеет ряд преимуществ по сравнению с другими источниками энергии, в том числе:

1.Возобновляемый и легко доступный

Водород является самым распространенным элементом во Вселенной и, несмотря на проблемы, связанные с его извлечением из воды, является уникальным возобновляемым источником энергии, идеально подходящим для наших будущих потребностей в комбинированном производстве тепла и электроэнергии с нулевым содержанием углерода.

2. Водород — это чистый и гибкий источник энергии, поддерживающий стратегии безуглеродной энергетики

.

Водородные топливные элементы представляют собой по своей сути чистый источник энергии, не оказывающий неблагоприятного воздействия на окружающую среду во время работы, поскольку побочными продуктами являются просто тепло и вода.В отличие от биотоплива или гидроэнергетики, для производства водорода не требуются большие площади земли. Фактически, НАСА даже работало над использованием водорода в качестве ресурса, а вода, полученная в качестве побочного продукта, использовалась в качестве питьевой воды для астронавтов. Это показывает, что водородные топливные элементы являются нетоксичным источником топлива и, следовательно, превосходят уголь, природный газ и ядерную энергию, которые либо потенциально опасны, либо труднодоступны. Производство, хранение и использование водорода будут играть важную роль в дальнейшем развитии возобновляемых источников энергии за счет уравновешивания их прерывистых режимов поставок со сложными потребностями конечных пользователей, избегая необходимости значительных первоначальных инвестиций для модернизации сетевой инфраструктуры.

3. Более мощный и энергоэффективный, чем ископаемое топливо

Технология водородных топливных элементов обеспечивает источник энергии высокой плотности с хорошей энергоэффективностью. Водород имеет самое высокое содержание энергии среди всех распространенных видов топлива по массе. Газообразный и жидкий водород под высоким давлением имеет примерно в три раза большую гравиметрическую плотность энергии (около 120 МДж/кг) дизельного топлива и СПГ и аналогичную объемную плотность энергии природному газу. Эти

4. Высокая эффективность по сравнению с другими источниками энергии

Водородные топливные элементы более эффективны, чем многие другие источники энергии, включая многие экологически чистые энергетические решения.Эта топливная эффективность позволяет производить больше энергии на фунт топлива. Например, обычная электростанция на основе внутреннего сгорания вырабатывает электроэнергию с КПД 33-35% по сравнению с 65% для водородных топливных элементов. То же самое касается транспортных средств, где водородные топливные элементы используют 40-60% энергии топлива, а также обеспечивают снижение расхода топлива на 50%.

5. Почти нулевые выбросы

Водородные топливные элементы не производят выбросов парниковых газов, как источники ископаемого топлива, что снижает загрязнение окружающей среды и, как следствие, улучшает качество воздуха.

6. Сокращает углеродный след

Практически без выбросов водородные топливные элементы не выделяют парниковых газов, а это означает, что они не оставляют углеродного следа во время использования.

7. Быстрая зарядка

Время зарядки силовых агрегатов на водородных топливных элементах чрезвычайно быстрое, как и у обычных транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), и заметно быстрее по сравнению с электромобилями с батарейным питанием. Там, где для зарядки электромобилей требуется от 30 минут до нескольких часов, водородные топливные элементы можно перезарядить менее чем за пять минут.Это быстрое время зарядки означает, что автомобили с водородным двигателем обеспечивают такую ​​​​же гибкость, как и обычные автомобили.

8. Отсутствие шумового загрязнения

Водородные топливные элементы не создают шумового загрязнения, как другие источники возобновляемой энергии, такие как энергия ветра. Это также означает, что, как и электромобили, автомобили с водородным двигателем намного тише, чем те, которые используют обычные двигатели внутреннего сгорания.

9. Отсутствие визуального загрязнения

Некоторые низкоуглеродные источники энергии, в том числе энергия ветра и электростанции на биотопливе, могут показаться бельмом на глазу, однако водородные топливные элементы не требуют такого же пространства, а это означает, что они также меньше загрязняют окружающую среду.

10. Длительное время использования

Водородные топливные элементы обеспечивают большую эффективность в отношении времени использования. Водородный автомобиль имеет такой же запас хода, как и автомобили, работающие на ископаемом топливе (около 300 миль). Это превосходит то, что в настоящее время предлагают электромобили (EV), которые все чаще разрабатываются с силовыми установками на топливных элементах в качестве «удлинителей запаса хода». Водородные топливные элементы также не подвержены значительному влиянию температуры наружного воздуха и не портятся в холодную погоду, в отличие от электромобилей.Это преимущество увеличивается еще больше в сочетании с коротким временем зарядки.

11. Идеально подходит для использования в отдаленных районах

Там, где позволяют местные условия, доступность водорода за счет местного производства и хранения может оказаться альтернативой дизельному топливу и отоплению в отдаленных районах. Это не только уменьшит потребность в транспортировке топлива, но и улучшит жизнь тех, кто живет в отдаленных регионах, предлагая экологически чистое топливо, получаемое из легкодоступных природных ресурсов.

12. Универсальность использования

По мере развития технологий водородные топливные элементы смогут обеспечивать энергией целый ряд стационарных и мобильных приложений. Транспортные средства с водородным двигателем являются лишь одним из примеров, но их также можно использовать в небольших приложениях, таких как бытовые товары, а также в более крупных системах отопления. Подобно силовым установкам с ДВС, функции емкости накопления энергии (т. е. топливного бака) и объема двигателя не связаны, в отличие от мощности на основе аккумуляторов (т. е.для которого мощность линейно зависит от массы), что обеспечивает большую гибкость конструкции.

 

13. Демократизация электроснабжения

Водородные топливные элементы могут уменьшить зависимость нации от ископаемого топлива, что поможет демократизировать энергетику и электроснабжение во всем мире. Эта повышенная независимость станет преимуществом для многих стран, которые в настоящее время зависят от поставок ископаемого топлива. Конечно, это также позволит избежать проблемы роста цен на ископаемое топливо по мере сокращения запасов.

Примеры использования водородной энергетики

TWI обладает большим опытом и знаниями в области производства электроэнергии, и вы можете узнать больше об этом здесь.

Автомобили на водородных топливных элементах: плюсы и минусы


Toyota Mirai 2016, © Toytoa USA

Многие американцы изучают плюсы и минусы владения электромобилями, но как насчет электромобилей на водородных топливных элементах?

Подобно электромобилям, электромобили на топливных элементах (FCEV) используют электродвигатель для привода колес, что обеспечивает нулевой выброс выхлопных газов.В отличие от электромобилей, FCEV не нужно подключать к сети для подзарядки. Вместо этого транспортные средства вырабатывают электричество на борту с помощью электрохимического процесса, который объединяет водород и кислород для производства электроэнергии и воды. Владельцы заправляются водородным газом, который можно найти на обычных заправочных станциях.

Некоторые предприятия и правительства рассматривают FCEV как потенциальное решение для сокращения выбросов углерода, но технология и инфраструктура все еще находятся на ранних стадиях разработки.Чтобы лучше понять, что это значит, мы обозначили несколько плюсов и минусов этой технологии.

ПРОФИ

Эффективность
Транспортные средства на топливных элементах более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания – типичный FCEV имеет запас хода около 300 миль. Подобно электромобилям и гибридным технологиям, их система рекуперативного торможения способна улавливать энергию, потерянную во время торможения, и сохранять ее в аккумуляторе.

Отсутствие выбросов выхлопных газов
Благодаря своей силовой установке автомобили FCEV производят нулевые выбросы выхлопных газов, только водяной пар и теплый воздух.По сравнению с выбросами углерода от двигателей внутреннего сгорания, автомобили на топливных элементах значительно сократят примерно 760 миллионов метрических тонн CO2, ежегодно производимого американскими легковыми автомобилями.

Короткое время заправки
Электромобили критикуют за долгое время зарядки. Подобно заправке двигателя внутреннего сгорания бензином, FCEV можно заправить за считанные минуты.

Топливо продается на существующих заправочных станциях
Водородное топливо обычно продается на существующих заправочных станциях, что облегчает владельцам заправку.В настоящее время инфраструктура ограничена определенными районами в США

.

Поощрения
Жители Калифорнии могут претендовать на налоговые льготы в размере до 4500 долларов США, а федеральное правительство внесет кредиты в размере до 9500 долларов США. Некоторые производители также будут включать заправочную карту на сумму до 15 000 долларов США для водородного топлива.

Минусы

Дорогие автомобили
Стоимость FCEV начинается от 50 000 долларов, что является высокой стартовой ценой для многих американцев. Хотя автомобили имеют право на федеральные и некоторые государственные льготы, цена по-прежнему значительно выше, чем у аналогичных электромобилей, таких как Nissan Leaf, стоимость которого начинается от 28 000 долларов.

Заправочные станции ограничены
В настоящее время заправочные станции ограничены несколькими избранными штатами. Калифорния имеет самый большой рынок с кластерами вокруг городских районов Сан-Франциско, Сан-Диего и Лос-Анджелеса.

Топливо дорогое
Заправка типичного FCEV стоит около 80 долларов, что значительно больше, чем стоимость зарядки электромобиля или заправки двигателя внутреннего сгорания. Чтобы компенсировать расходы, некоторые производители транспортных средств предоставляют клиентам предоплаченную заправку на сумму 15 000 долларов США.

Топливо может поступать из неэкологически чистых источников
Большая часть водородного топлива в настоящее время производится из природного газа и угля, которые по-прежнему производят выбросы CO2. Разрабатываются технологии, которые сделают производство топлива более экологичным, например, строительство заводов по улавливанию и хранению углерода вокруг газовых терминалов и использование электролиза, при котором электричество и вода используются для производства водорода. До тех пор, пока не будут разработаны альтернативные методы, водородное топливо не является существенным решением для сокращения выбросов углерода от легковых автомобилей..

FCEV — В НАШЕМ БУДУЩЕМ?

В густонаселенной Японии производители и правительство делают ставку на технологии водородных топливных элементов. FCEV требуют меньше изменений в поведении потребителей по сравнению с электромобилями. Но в США, кажется, мы нацелились на будущее электромобилей с сетями зарядных станций, которые работают по всей стране.

Если вы хотите узнать больше о водородной технологии, посетите веб-сайт Министерства энергетики США для получения подробной информации о транспортных средствах, законах и льготах.Чтобы узнать, как инженеры оценивают этот вопрос, ознакомьтесь с веткой Ask Engineers Reddit, где участники комментируют комментарий Илона Маска о том, что водородные автомобили «невероятно глупы».

Плюсы и минусы автомобилей на водородных топливных элементах

Новое исследование, опубликованное в рецензируемом журнале Nature, подтвердило, что автомобили на водородных топливных элементах вряд ли в ближайшее время догонят электромобили на батареях.

Джейсон Рассел, генеральный менеджер Russelle Toyota, также подтвердил, что, хотя Toyota Canada станет одним из первых автосалонов, инвестирующих в автомобили на водородных топливных элементах, они не будут доступны для заказа в Питерборо какое-то время, потому что инфраструктура не работает. т здесь еще, чтобы поддержать их.

«В настоящее время единственный автомобиль на водородных топливных элементах, доступный в Toyota, — это Mirai, и он доступен только в Британской Колумбии. прямо сейчас», — объясняет Джейсон.

Водородные топливные элементы используют водород в качестве топлива в электрохимическом процессе, который объединяет водород и кислород для производства электроэнергии и воды. Обратный процесс электролиза, который производит «зеленый водород» и кислород из воды, может использовать ряд возобновляемых источников энергии (ветер, волны, солнце) для производства водорода в качестве топлива для производства возобновляемой энергии.

Водород является наиболее возобновляемым и легкодоступным элементом в мире, несмотря на проблемы с его добычей из воды, и является более мощным и энергоэффективным, чем ископаемое топливо, однако у любой новой технологии всегда есть плюсы и минусы:

Плюсы

Водородные топливные элементы:

1. Обеспечивают чистый источник энергии без неблагоприятного воздействия на окружающую среду во время эксплуатации.

2. Не генерируют выбросы парниковых газов и имеют почти нулевые выбросы, уменьшая загрязнение и улучшая качество воздуха.

3. Заряжайте быстрее, чем электромобили с батарейным питанием.

4. Имеют больший запас хода, чем аккумуляторы для электромобилей (однако в настоящее время разрабатываются электромобили с силовыми установками на топливных элементах в качестве «удлинителей запаса хода»).

5. Не подвержены значительному влиянию внешней температуры.

6. Может быть эффективной альтернативой дизельному топливу.

7. Нет необходимости транспортировать в отдаленные районы (за счет ископаемого топлива), поскольку водород является легкодоступным природным ресурсом.

8. Обладают потенциалом снижения зависимости от ископаемых видов топлива.

Минусы

1. Извлечение водорода является дорогостоящим, требует значительного количества энергии и обычно требует использования ископаемого топлива.

2. Требуются инвестиции и политическая воля, чтобы улучшить разработку технологии водородных топливных элементов, чтобы она стала действительно жизнеспособным источником энергии и построить цепочку спроса и предложения, чтобы она была рентабельной.

3. Стоимость сырья и необходимых драгоценных металлов (в качестве катализаторов), таких как платина и иридий, высока.Это сдерживало инвестиции в технологию водородных топливных элементов, поэтому необходимо снизить затраты, чтобы сделать их реальным источником топлива.

4. Существуют барьеры вокруг нормативно-правовой базы, определяющей модели коммерческого развертывания.

5. Общая стоимость единицы энергии водородных топливных элементов выше, чем у других источников энергии, включая солнечные батареи.

6. Хранение и транспортировка водорода сложнее и дороже, чем ископаемое топливо.

7. Широкомасштабное внедрение инфраструктуры водородных топливных элементов потребует новой инфраструктуры заправки для ее поддержки.

8. Водород является легковоспламеняющимся источником топлива, что создает проблемы с безопасностью.

Водородные топливные элементы являются одним из лучших решений в области возобновляемых источников энергии для удовлетворения наших будущих энергетических потребностей, однако потребуются политическая воля и инвестиции для ускорения технологий и инфраструктуры, чтобы догнать производство электромобилей с нулевым уровнем выбросов. Между тем, электрификация транспорта в настоящее время является лучшим решением для сокращения выбросов.

Триша Кларксон, обозреватель по вопросам изменения климата и сопредседатель Питербороского альянса по борьбе с изменением климата

Плюсы и минусы — автомобили на альтернативном топливе

Стоимость (против)

Прошлые и настоящие затраты на системы и откуда берется цена

Цена на эти автомобили просто несопоставима с обычными или даже гибридными автомобилями.Самая последняя цена Toyota на их автомобиль на топливных элементах FCV составляет 50 000 долларов. В исследовании 2008 года NAS оценило среднюю стоимость FCV с 2008 по 2023 год в 39 000 долларов за автомобиль, включая затраты на исследования, разработки и развертывание (RD&D). Исследование Массачусетского технологического института, в котором изучалось влияние топливных и автомобильных технологий на энергию и окружающую среду для легковых автомобилей, показало, что в долгосрочной перспективе затраты снизятся. По оценкам исследования, автомобиль на топливных элементах в 2035 году будет стоить на 5 300 долларов больше, чем его бензиновый аналог, розничная цена которого составит 21 600 долларов (в 2007 году).(«Автомобили на водородных топливных элементах», Центр климатических и энергетических решений)

Отсутствие инфраструктуры (против)

Задача о курице и яйце. Зачем людям хотеть покупать этот автомобиль, если рядом с ними нет заправочных станций? Развитие инфраструктуры требует первоначальных инвестиций либо от частных лиц, либо от федерального правительства, и до сих пор не было сделано никаких реальных шагов к широкому внедрению, несмотря на то, что правительство финансирует исследования и разработки этой технологии уже более 20 лет.

Ограничение диапазона (против)

Дальность действия

ограничена баками, для хранения достаточного количества водорода для обеспечения дальности действия транспортного средства в 300 миль потребуется слишком большой бак для типичного автомобиля. В настоящее время наиболее рентабельным вариантом является использование резервуаров высокого давления, однако эти системы большие, тяжелые и слишком дорогие, чтобы сделать FCV конкурентоспособными по стоимости. Другие варианты включают хранение водорода в металл- или химических гидридах или производство водорода на борту, которые все еще находятся на стадии НИОКР. («Автомобили на водородных топливных элементах», Центр климатических и энергетических решений)

Горючий газ (con)

Водород имеет низкую температуру горения, поэтому вероятность вторичного возгорания очень мала, но улучшенный кожух для водородных баков на борту просто необходим.Кроме того, тот факт, что эти резервуары взрываются (даже если они не горят достаточно сильно, чтобы причинить большой вред), затрудняет усвоение этой технологии обществом. Еще один блокпост.

Эффект парникового газа (Pro)

Транспортные средства

, работающие на водородных топливных элементах, не выделяют парниковых газов при эксплуатации. Единственные выбросы в результате анализа жизненного цикла этих автомобилей (LCA) связаны с производством топлива и физическим производством транспортных средств. На следующем изображении показаны основные этапы топливного цикла и цикла создания автомобиля, когда могут выделяться парниковые газы.

LCA Breakdown

Сравнение автомобилей, работающих на водороде, с другими транспортными средствами на дорогах дает нам хорошее представление о том, как они измеряют выбросы парниковых газов при анализе жизненного цикла. Этот график делает именно это:

LCA Сравнение выбросов парниковых газов для различных транспортных средств

Тот факт, что большая часть выбросов парниковых газов от транспортных средств на водородных топливных элементах приходится на производство топлива, является многообещающим признаком, поскольку эти выбросы можно уменьшить с помощью других форм производства, которые исследуются и разрабатываются в настоящее время. .С другой стороны, выбросы от эксплуатации бензиновых, дизельных и гибридных автомобилей трудно уменьшить, и они останутся.

Может привести к экономическому развитию (Pro)

У индустрии водородных топливных элементов большой потенциал. Инновации и внедрение в автомобильном секторе для водорода могут означать создание множества рабочих мест в этом секторе, а также в различных других областях. Эти устройства могут использоваться для приведения в движение многих видов транспорта, таких как автобусы и поезда, а также стационарных двигателей.Производственные рабочие места могут быть созданы для создания топливных элементов и транспортных средств, которые их используют, а также для строительства заправочных станций.

Каталожные номера

Анализ жизненного цикла транспортных средств и топливных путей от колыбели до могилы. Министерство энергетики. 21 марта 2014 г. Интернет. 20 апреля 2015 г.

«Транспортные средства на водородных топливных элементах». Центр климатических и энергетических решений. Центр климатических и энергетических решений, nd Веб. 05 мая 2015.

Автор: Дрю Бейер

Редактор: Джастин Пье

Плюсы и минусы водородных топливных элементов

«Водородный топливный элемент — это полная ерунда… он подходит для ракет, но не для автомобилей.

Илон Маск – 2013

Эти красноречивые слова ведущего технологического пионера в мире, предпринимателя и основателя Tesla tech олицетворяют мнение многих о водороде как источнике топлива. Старая шутка гласит, что водород — это топливо будущего, и так будет всегда, но так ли это на самом деле?

Несмотря на опасения некоторых кругов, электромобили на водородных топливных элементах (HFCEV), такие как Toyota Mirai, Honda Clarity и Hyundai ix35, уже находятся на дорогах.Многие крупнейшие мировые автопроизводители вкладывают значительные средства в будущие разработки водородных автомобилей, поскольку отрасль ищет более устойчивые и экологически безопасные варианты транспорта будущего.

В этой статье директор AMS Composite Cylinders Стив Лангрон исследует водородные топливные элементы, рассматривая принцип работы HFCEV, а также плюсы и минусы этой технологии в автомобильной промышленности.

Как работают электромобили на водородных топливных элементах

Современные автомобили приводятся в движение несколькими способами.Во-первых, это традиционный двигатель внутреннего сгорания, в котором топливо сжигается для выработки энергии. Во-вторых, есть электромобили, в которых используются аккумуляторы для питания электродвигателей, которые затем напрямую приводят в движение колеса. Гибридные автомобили используют обе системы в тандеме.

Многие ошибочно полагают, что автомобили с водородным двигателем (HFCEV) работают как двигатели внутреннего сгорания, но это не так. В то время как автомобили HFCEV перевозят газообразный водород под давлением, топливные элементы не сжигают водород.Вместо этого энергия поступает от электрохимической реакции.

Проще говоря, водород соединяется с кислородом воздуха в топливном элементе, и в этом процессе образуется энергия, которая используется для питания двигателя. Единственными побочными продуктами этой реакции являются тепло и вода, что делает ее, по крайней мере на данном этапе, очень безвредной для окружающей среды.

Источники водорода

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, и единственным побочным продуктом производства энергии из него является вода.Хотя может показаться, что это идеальный источник энергии, на самом деле все гораздо сложнее.

Хотя водорода много, он обычно не существует сам по себе. Вы не можете просто выкачать его из земли, поэтому, прежде чем его можно будет использовать в топливном элементе, его необходимо извлечь либо из воды, путем электролиза, либо путем отделения водорода от углерода в ископаемом топливе. Оба эти процесса требуют энергии.

Недоброжелатели этой технологии говорят, что мы продолжим использовать ископаемое топливо для обеспечения этих процессов, и все, что мы делаем, используя водород, — это вытесняем использование углерода.Сторонники сказали бы, что, используя возобновляемую энергию для процесса электролиза (или запасные мощности традиционных электростанций в краткосрочной перспективе), он может стать устойчивым, экологически чистым источником топлива.

Раздача и заправка

Одним из самых больших преимуществ транспортных средств HFCEV является то, что их можно относительно легко заправить топливом — это простой случай заправки газовых баллонов из углеродного композита сжатым газом. По сравнению с электромобилями на аккумуляторных батареях он значительно быстрее и может быть выполнен за считанные минуты, а не часы.

Тем не менее, одним из других потенциальных недостатков или проблем является проблема распределения — в первую очередь доставка этого водорода на заправочные станции. Использование грузовиков в том виде, в каком мы это делаем сегодня, только увеличивает загрязнение окружающей среды, а прокладывать водородные трубопроводы слишком сложно, долго и дорого.

Одним из возможных решений может быть создание небольших заводов по переработке водорода на заправочных станциях (или дома). Однако развитие такой заправочной и распределительной сети потребует времени и значительных инвестиций.

Сторонники электромобилей с батарейным питанием отмечают, что электрическая сеть уже существует, а создание зарядных станций проще и дешевле. Контраргументом является то, что нынешняя национальная сеть просто не может справиться с возросшим спросом на электроэнергию.

 

Вопросы безопасности

Возможно, одно из самых больших заблуждений относительно электромобилей HFCEV состоит в том, что они небезопасны. Хотя наличие больших баков с водородом под давлением в автомобиле может показаться нервирующим и навевать воспоминания о катастрофе Гинденбурга, на самом деле риски очень малы.

На самом деле водород не так опасен, как вы можете себе представить. Он значительно легче воздуха (отсюда его использование в дирижаблях и дирижаблях), а значит, быстро рассеивается в случае утечки.

Еще одна причина, по которой электромобили HFCEV безопасны, заключается в способе хранения газообразного водорода — в прочных легких баллонах из углеродного композита. Эти долговечные цилиндры чрезвычайно долговечны и рассчитаны на то, чтобы пережить сам автомобиль.

Выводы

Так есть ли будущее у водорода, или Илон Маск прав?

Только время покажет.В настоящее время просто нет сети заправок для водородных автомобилей, которые могли бы стать основной альтернативой ископаемому топливу. В то же время электромобили с батарейным питанием имеют значительное преимущество как с точки зрения сети зарядки, так и с точки зрения внедрения.

Тем не менее, технология быстро развивается, и HFCEV предлагают некоторые существенные реальные преимущества по сравнению с электромобилями с батарейным питанием. Поскольку крупнейшие мировые производители вкладывают миллиарды в водородные автомобили, а новые методы эффективного электролиза и извлечения водорода постоянно разрабатываются, было бы глупо списывать водород со счетов.

Легкие баллоны из углеродного композита от AMS

Компания AMS Composite Cylinders является эксклюзивным дистрибьютором в континентальной Европе и Великобритании расширенного ассортимента легких газовых баллонов от Advanced Material Systems (AMS).

Продукция

включает баллоны из углеродного композита для широкого спектра применений с воздухом для дыхания и кислородной терапией, включая здравоохранение, респираторные заболевания, автономные дыхательные аппараты, лаборатории, чрезвычайные ситуации и экологические применения.

Наши легкие композитные газовые баллоны обеспечивают высокое давление (300 бар), характеристики NLL (неограниченный срок службы) и аккредитованы для использования во всем мире, имеют широкий спектр аккредитаций по обеспечению качества, включая: ISO 11119-2, UN-TPED Pi , DOT (США) и TC (Канада).

 

Дополнительную информацию о композитных цилиндрах AMS и наших продуктах можно найти на сайте www.ams-composites.com.

Этот блог был написан доктором Стивом Лангроном, директором компании AMS Composite Cylinders

.

Преимущества и недостатки водородной энергетики

Вселенная состоит из смеси огромного множества компонентов.Каждый компонент играет жизненно важную роль в составе мира. К наиболее распространенным компонентам во Вселенной относятся водород, азот и кислород. Водород — наиболее распространенный компонент, занимающий 75% Вселенной, и он играет большую роль в устойчивости жизни. Помимо помощи другим живым существам в выживании, водород можно использовать для выработки энергии.

Водород присутствует почти во всех растительных веществах, а также встречается в природе в воде. Хотя в Солнце содержится больший процент газообразного водорода, этот газ слишком легкий, поэтому он практически исчезает с поверхности земли, когда его переносят солнечные лучи.Таким образом, для эффективного получения газообразного водорода его необходимо использовать из воды, природного газа или биомассы.

Водород — самый основной из всех элементов Земли. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Как таковой, его очень много, но на самом деле он не существует как отдельная форма материи. Вместо этого он обычно сочетается с другими элементами. Чтобы отделить газообразный водород от сопутствующих ему веществ, требуется много усилий, но он дает мощный, почти чистый источник энергии.В виде газа его можно использовать в топливных элементах для питания двигателей.

Газообразный водород извлекается из воды с помощью метода, известного как электролиз, который включает пропускание сильного электрического тока через воду для разделения атомов водорода и кислорода. Процесс электролиза довольно дорог, так как требует больших затрат энергии.

Энергия, используемая для выработки электроэнергии в процессе электролиза, извлекается из ископаемых видов топлива, таких как нефть, природный газ или уголь. Его также можно использовать из возобновляемых источников энергии, таких как солнечная, ветровая и гидроэнергетика, чтобы исключить выбросы парниковых газов.

Получение больших объемов водорода этим методом все еще находится в стадии исследования, чтобы установить жизнеспособный метод производства его внутри страны при относительно низких затратах.

Другим методом извлечения газообразного водорода является паровая конверсия метана или паровая экстракция, которая влечет за собой отделение атомов водорода в метане от атомов углерода. Это современный метод, используемый для получения газообразного водорода в огромных количествах. Недостатком парометанового риформинга является то, что он выбрасывает в атмосферу много парниковых газов, таких как углекислый газ и окись углерода, которые являются рецептами глобального потепления.

Чтобы получить электричество из газообразного водорода, его направляют в топливные элементы, где он соединяется с кислородом, в результате чего происходит химическая реакция, в результате которой вырабатывается электричество и тепло. Газообразный водород также можно просто сжигать для питания двигателей транспортных средств. Побочными продуктами этой химической реакции являются вода и углерод, которые используются для производства метана и угля.

Различные виды использования водорода

Водород образуется как побочный продукт в хлорно-щелочной промышленности. Ранее он частично использовался для неэнергетических целей, а остальная часть либо сжигалась, либо выбрасывалась в атмосферу.В настоящее время побочный водород используется для производства химикатов и внутренних (в основном энергетических) приложений.

Водород производится для неэнергетических целей, например, в производстве удобрений и на нефтеперерабатывающих заводах. Также были разработаны и продемонстрированы небольшие электростанции, работающие на водороде, автобусы на топливных элементах, трехколесные и двухколесные транспортные средства (мотоциклы) и системы каталитического сжигания для жилых и промышленных секторов.

Преимущества водородной энергетики

1.Это возобновляемый источник энергии, и его много в поставках

Водород является богатым источником энергии по многим причинам, главная из которых заключается в том, что его много. Хотя для его использования может потребоваться много ресурсов, ни один другой источник энергии не бесконечен, как водород. По сути, это означает, что он не может иссякнуть, как другие источники энергии.

2. Многочисленные источники местного производства водорода

Водород можно производить либо на месте, где он будет использоваться, либо централизованно, а затем распределять.Газообразный водород можно получить из метана, бензина, биомассы, угля или воды. Такие факторы, как уровень загрязнения, технические проблемы и потребности в энергии, варьируются в зависимости от используемых источников.

3. Это практически чистый источник энергии

Когда водород сжигается для производства топлива, побочные продукты полностью безопасны, а это означает, что они не имеют известных побочных эффектов. Авиакомпании фактически используют водород в качестве источника питьевой воды. После того, как водород утилизируется, он обычно превращается в питьевую воду для астронавтов на кораблях или космических станциях.

4. Водородная энергия нетоксична

Это нетоксичное вещество, редко встречающееся в качестве источника топлива. Это означает, что он безопасен для окружающей среды и не наносит вреда здоровью человека.

Этот аспект делает его предпочтительным по сравнению с другими источниками топлива, такими как ядерная энергия, природный газ, которые чрезвычайно опасны или опасны для безопасного использования. Это также позволяет использовать водород в местах, где другие виды топлива могут быть запрещены.

5.Использование водорода значительно снижает загрязнение окружающей среды

Когда водород соединяется с кислородом в топливном элементе, вырабатывается электричество, которое можно использовать для питания транспортных средств или привода электродвигателя в качестве источника тепла, а также для многих других целей. Когда он соединяется с кислородом, единственными побочными продуктами являются вода и тепло, что является преимуществом использования водорода в качестве энергоносителя.

Использование водородных топливных элементов не приводит к выбросу углекислого газа и других парниковых газов или других твердых частиц, когда в производственном процессе используются возобновляемые источники, такие как вода или солнечная энергия.

6. Он намного эффективнее других источников энергии

Водород является эффективным типом энергии, поскольку он способен передавать больше энергии на каждый фунт топлива по сравнению с дизельным топливом или газом. Это категорически означает, что автомобиль, использующий водородную энергию, проедет больше миль, чем автомобиль с таким же количеством бензина.

Например, по сравнению с обычной электростанцией на основе сжигания топлива, которая обычно вырабатывает электроэнергию с эффективностью от 33 до 35%, водородные топливные элементы способны вырабатывать электроэнергию с эффективностью до 65%, имея мощность примерно в три раза больше.

7. Используется для питания космических кораблей

Эффективность и мощность водородной энергии делают ее идеальным источником топлива для космических кораблей. Его мощность настолько высока, что он способен быстро запускать космические корабли для исследовательских миссий.

Это также самая безопасная форма энергии для выполнения такой энергоемкой задачи. Фактически, водородная энергия в 3 раза мощнее, чем бензин и другие источники топлива на основе ископаемого топлива. В идеале это означает, что вам нужно меньше водорода для выполнения огромной задачи.

Он также обеспечивает движущую силу для самолетов, лодок, автомобилей, а также для переносных и стационарных топливных элементов. Недостатком использования водорода в автомобилях является то, что его практически сложно хранить в криогенных резервуарах или резервуарах высокого давления.

8. Устойчивая производственная система

Электролиз – это метод разделения воды на водород и кислород. В этом случае возобновляемая энергия может использоваться для питания электролизеров для производства водорода из воды, что обеспечивает устойчивую систему, независимую от нефтепродуктов, а также не загрязняет окружающую среду и не производит выбросов.Некоторыми из возобновляемых источников, используемых для питания электролизеров, являются энергия ветра, воды, солнца и приливов.

После того, как водород произведен в электролизере, его можно использовать в топливном элементе для производства электроэнергии. Побочными продуктами, образующимися в процессе производства топливных элементов, являются вода и тепло. Если топливные элементы работают при высоких температурах, систему можно настроить как когенератор, а отработанную энергию использовать для обогрева.

Недостатки водородной энергетики

Хотя водородная энергетика имеет много замечательных преимуществ, на самом деле это не самый предпочтительный, чистый и дешевый источник энергии для большинства правительств и компаний.В газообразном состоянии он довольно летуч.

Хотя его нестабильность дает ему преимущество перед другими источниками энергии с точки зрения выполнения многочисленных задач, он в равной степени делает его рискованным в использовании и обходным путем. Некоторые из недостатков водородной энергетики включают в себя:

1. Водородная энергия стоит дорого

Электролиз и паровой риформинг, два основных процесса извлечения водорода, чрезвычайно дороги. Это настоящая причина, по которой он не используется широко во всем мире. Сегодня водородная энергия в основном используется для питания большинства гибридных транспортных средств.

Требуется много исследований и инноваций, чтобы найти дешевые и устойчивые способы использования этой формы энергии. До тех пор водородная энергетика останется исключительно для богатых.

2. Проблемы с хранением

Одним из свойств водорода является то, что он имеет более низкую плотность. На самом деле, он намного менее плотный, чем бензин. Это означает, что его необходимо сжать до жидкого состояния и таким же образом хранить при более низких температурах, чтобы гарантировать его эффективность и действенность в качестве источника энергии.

Эта причина также объясняет, почему водород всегда должен храниться и транспортироваться под высоким давлением, поэтому транспортировка и обычное использование далеки от возможности.

3. Это не самый безопасный источник энергии

Ни в коем случае нельзя недооценивать силу водорода. Хотя бензин немного более опасен, чем водород, водород — легковоспламеняющееся и летучее вещество, о потенциальной опасности которого часто пишут заголовки. По сравнению с газом водород не имеет запаха, что делает обнаружение утечек практически невозможным.Для обнаружения утечек необходимо установить датчики.

4. Сложно передвигаться

Великолепно транспортировать водород из-за его легкости — непростая задача. Нефть можно безопасно транспортировать, потому что она в основном прокачивается по трубам.

Уголь удобно перевозить в самосвалах. Водород также создает проблемы при рассмотрении вопроса о его перемещении в больших количествах, поэтому его в основном транспортируют только небольшими партиями.

5. Зависит от ископаемого топлива

Водородная энергия является возобновляемой и оказывает минимальное воздействие на окружающую среду, но для ее отделения от кислорода требуются другие невозобновляемые источники, такие как уголь, нефть и природный газ.Ископаемое топливо по-прежнему необходимо для производства водородного топлива.

6. Водородная энергия не может поддерживать население

Несмотря на то, что запасы водорода в изобилии, стоимость его использования ограничивает широкое использование. Как вы понимаете, нарушить статус-кво довольно сложно.

Энергия из ископаемого топлива по-прежнему правит миром. Также не существует никакой основы для обеспечения дешевой и устойчивой водородной энергии для обычного владельца автомобиля в будущем.

Даже если бы водород стал дешевым прямо сейчас, потребовались бы годы, чтобы он стал наиболее используемым источником энергии, поскольку сами транспортные средства и станции технического обслуживания должны были бы адаптироваться к требованиям к водороду.Это потребует огромных капиталовложений.

Это факт, что водородная энергия является возобновляемым ресурсом, потому что она в изобилии доступна, а ее воздействие сильно игнорируется. Однако водородным компаниям в действительности потребуются другие формы невозобновляемой энергии, такие как ископаемое (уголь, природный газ и нефть), чтобы отделить ее от кислорода. Возможно, мы сможем свести к минимуму чрезмерную зависимость от ископаемого топлива, когда будем использовать водородную энергию, но избавиться от него из системы будет непросто.

Ссылки:
У.С. ДоЭ
Агентство по охране окружающей среды США

Альтернативное топливо: водородные топливные элементы плюсы и минусы

Звучит просто, правда? Водород выделяет только воду. Самая острая проблема на планете сегодня – это грязные выбросы, которые в своей массе ответственны за огромную долю нагрева планеты. В таком случае не имеет ли смысл полностью отдать наши сердца водородной энергии для наших автомобилей? Что ж, как и в случае со многими из этих вопросов, ответ и да, и также нет. Это одна из насущных дуальностей, с которыми сталкивается человечество.Как мы можем ориентироваться в этом вопросе?

Водородные профи

Возобновляемый и легкодоступный: Несмотря на то, что извлекать водород из воды очень сложно и энергозатратно, водород является уникальным возобновляемым источником энергии. На самом деле водород — самый распространенный элемент во Вселенной. Если мы сможем разработать чистый способ его улавливания, наши проблемы с выбросами могут быть решены.

Эффективный и чистый источник энергии: Для производства водорода не требуются большие площади земли.Демонстрацией этого факта является то, что космические агентства, такие как НАСА, работали с водородными технологиями для производства чистой питьевой воды для астронавтов — в пределах космического корабля.

Потенциально более мощный, чем ископаемое топливо: Водород имеет самое высокое содержание энергии среди всех распространенных видов топлива по весу. По словам ученых, газообразный и жидкий водород под высоким давлением имеет плотность энергии примерно в три раза выше, чем у дизельного топлива, и такую ​​же плотность энергии, как у природного газа.

Более эффективен, чем другие источники энергии: Обычная электростанция на основе внутреннего сгорания вырабатывает электроэнергию с КПД 33-35% по сравнению с 65% для водородных топливных элементов.То же самое касается транспортных средств, где водородные топливные элементы используют 40-60% энергии топлива, а также обеспечивают снижение расхода топлива на 50%.

Приводные валы и коромысла заменены на трикотаж высокого давления. Изображение: ТОЙОТА

Почти нулевые выбросы – уменьшенный углеродный след: Во время работы водородные топливные элементы не производят выбросов парниковых газов. Это снижает загрязнение и улучшает качество воздуха.

Время быстрой зарядки: Время зарядки силовых агрегатов на водородных топливных элементах аналогично заправке обычных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания.Другими словами, намного быстрее, чем заряжать электромобили (EV).

Отсутствие шумового или визуального загрязнения: Водородные топливные элементы не создают шумового загрязнения, как другие источники возобновляемой энергии, такие как энергия ветра. Это также означает, что, как и электромобили, транспортные средства, работающие на водороде, намного тише, чем те, которые используют обычные двигатели внутреннего сгорания, а производство водорода не означает ветряные или биотопливные установки, что для некоторых является бельмом на глазу.

Увеличенное время использования: Запас хода автомобиля на водороде такой же, как и у автомобилей, работающих на ископаемом топливе.Это превосходит то, что в настоящее время предлагается многими электромобилями, которые все чаще разрабатываются с силовыми установками на топливных элементах в качестве «удлинителей запаса хода». Диапазон и эффективность не зависят от температуры наружного воздуха.

Автономный доступ: Местное производство и хранение водорода может оказаться альтернативой дизельному топливу или сетевому электричеству и отоплению в отдаленных районах. Это уменьшит потребность в транспортировке топлива и предложит экологически чистое топливо, полученное из легкодоступных природных ресурсов.

Демократизация энергоснабжения: Разработка и внедрение технологии водородных топливных элементов может снизить зависимость от ископаемого топлива, что может помочь уменьшить влияние нефтяной промышленности на геополитику.

Не совсем V8, но топливный элемент и преобразователь Mirai имеют определенную эстетическую привлекательность. Изображение: ТОЙОТА

Конденсаторы водорода

Водород необходимо извлечь: Его необходимо извлечь из воды, путем электролиза или отделить от углеродного ископаемого топлива.Оба эти процесса требуют значительного количества энергии для достижения. Эта энергия может быть больше, чем энергия, полученная от самого водорода, а также быть дорогой. Кроме того, эта добыча обычно требует использования ископаемого топлива, что подрывает репутацию водорода.

Требуются инвестиции: Инфраструктура для эффективного развертывания технологии водородных топливных элементов требует огромных инвестиций и политической поддержки. На конкурирующем рынке инфраструктуры технология электрических аккумуляторов намного опережает конкурентов.

Драгоценные металлы: Платина и иридий необходимы в качестве катализаторов в топливных элементах и ​​некоторых типах электролиза воды. Это означает, что первоначальная стоимость топливных элементов может быть высокой, и нельзя игнорировать экологические затраты на добычу этих металлов.

Хранение и безопасность: Хранение и транспортировка водорода более сложны, чем это требуется для ископаемого топлива – он также легко воспламеняется (но опять же, то же самое относится и к ископаемому топливу).

Стоимость за единицу : ЦП энергии от водородных топливных элементов в настоящее время больше, чем любой другой источник энергии.Несмотря на то, что он более эффективен, чем другие формы энергии, когда он работает, это фундаментальная проблема, стоящая перед внедрением технологии водородных топливных элементов.

Как видите, плюсы перевешивают минусы, как мы изложили здесь, но в основе всего лежит этот старый дьявол по имени затраты. До тех пор, пока система прибыли и маржи не изменится (что, возможно, придется сделать), технология водородного топлива будет противостоять ей в гонке за то, чтобы стать доминирующей чистой технологией. Но опять же — почему это обязательно должна быть гонка? Все земные существа являются победителями в гонке за снижение выбросов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.