Первый автомобиль на водороде
Прошлое «будущего»: водород в автомобилях
На прошлой неделе внимание мировой общественности привлекло объявление автопроизводителя Toyota о старте продаж нового автомобиля Toyota Mirai с водородным двигателем. Mirai в переводе с языка автопроизводителя означает «будущее», и некоторые СМИ поспешно окрестили Mirai «революцией» на автомобильном рынке. Покопавшись в истории, я поняла, что сенсацию Mirai может произвести лишь только потому, что японцы вопреки всем но все же решились массово производить и продавать автомобиль, работающий на водороде. В остальном — история топлива H2 длится уже не первый век, и автомобили с водородными двигателями — далеко не новость.
Начну, пожалуй, с того, что сама идея использовать водород для приведения в движение автомобиль родилась уже в 19-м веке, а точнее в 1807 году, когда швейцарец Франсуа Исаак де Риваз придумал двигатель внутреннего сгорания, работающий на H2. Полвека спустя француз Этьен Ленуар изобрел «гипомобиль» с одноцилиндровым двухтактным двигателем, топливом для которого был полученный с помощью электролиза водород. Позже, правда, Ленуар адаптировал двигатель под различные виды газов, в том числе угольный, и порядка 400 его автомобилей разошлись по своим покупателям.
Что-то более-менее похожее на «нормальный» автомобиль с двигателем на водородных топливных элементах было представлено в 1933 году энергопредприятием Norsk Hydro. Один из своих грузовиков компания перевела на газообразный водород, подача которого в двигатель внутреннего сгорания осуществлялась через встроенный трансформатор аммиака. Стоит упомянуть и еще об одном грузовике с водородным двигателем, который стал доказательством того, что война все-таки двигатель прогресса. Топливо в блокадном Ленинграде было дефицитным, и тогда военный техник Борис Шелищ предложил использовать воздушно-водородную смесь приземлившихся аэростатов и подавать ее «во всасывающие трубы автомобильных двигателей». После ряда экспериментов и доработок за 10 дней на водородное топливо было переведено 200 грузовиков ГАЗ-АА, Шелища наградили орденом Красной Звезды, а на изобретение был выдан авторский патент… который мог бы обеспечить лидерство России в разработке транспортных средств на водородном топливе, если бы про него не забыли.
Важной вехой в истории автомобилей на водородном топливе стал 1966 год, когда была представлена модель «Электровэн» 1966 от General Motors. Этот автомобиль считается первым непосредственно выпущенным с двигателем на водородных топливных элементах. Машина крайна интересная: спереди это просто автомобиль для водителя и одного пассажира, а сзади — целая научная лаборатория: один большой бак для водорода, один для кислорода и в общей сложности около 170 метров труб.
В 1966 году «Электровэн» выпустили, протестировали, показали журналистам, но на том проект застопорили по причинам, которые, собственно, и сегодня препятствуют развитию автомобилей на водороде — высокая стоимость материалов (платины) и отсутствие инфраструктуры.
В 1970-80-х годах исследования и разработки в области создания тепловых двигателей на водороде успешно продолжались по всему миру. В это время свои первые достижения представила и Япония. Это были автомобили Musashi, разработанные одноименным японским технологическим институтом. Musashi, начиная с 1974 года, последовательно выпускали легковые автомобили, приводимые в движение сжиженным водородом, а в 1986 году показали еще и грузовичок.
Исследования по применению водорода в двигателях авто продолжались и в СССР. В 1979 году лабораторно-дорожные испытания прошел РАФ-22031 с комбинированной (бензоводородной) силовой установкой. Но видимо по причинам политического хаоса разработкам не суждено было выйти из разряда экспериментальных.
В 1980-90-х годах в «тему водородного топлива» включились уже многие игроки международного автомобильного рынка, в том числе и Daimler — Mercedes Benz, Mazda, Renault, Toyota, BMW, ну а в 2000-х эта тенденция стала повальной.
Toyota «будущее» Mirai появится на рынке Японии уже 15 декабря этого года. По завявлениям производителя, автомобиль способен преодолевать 650 км. на полном баке, заправить который можно будет за несколько минут. Стоимость автомобиля в Японии составит 57 тысяч USD. Говорящее название Mirai, вполне вероятно, покажет, есть ли будущее у водорода как альтернативного топлива для автомобилей.
Москвич-412 на водородном топливе: 1976-й год
2015-й год. Японская компания Toyota проводит мощную пиар-кампанию по продвижению своей первой серийной водородной модели Mirai. Но, как вы уже знаете на примере электромобиля ВАЗ-2801, все новое — это лишь хорошо забытое старое. Дело в том, что еще в 70-х годах прошлого века в СССР различными организациями были созданы и испытаны опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы РАФ и УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях. Об одном из них я расскажу чуть подробней.
В 1976-м году специалистами Института проблем машиностроения АН УССР в Харькове был построен экспериментальный автомобиль Москвич-412 с силовым агрегатом, работающем на водороде.
Кроме привычного бензобака, на советский седан установили мини-реактор, заправленный энергоаккумулирующими веществами (ЭАВ) — катализаторами, в основе которых лежат окислы различных металлов. Проходя через этот реактор, вода расщепляется на кислород и водород, который потом и сгорает в цилиндрах привычного ДВС. Примечательно, что топливную систему для подачи водорода установили параллельно со стандартной бензиновой.
В реактор одновременно попадают вода и катализатор в количестве, зависящим от требуемой мощности мотора. Скоростью реакции управляет водитель, нажимая на педаль газа.
Чем же так привлекателен водород в качестве топлива для автомобилей? Прежде всего, в единице веса водород содержит почти в три раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Водород самый легкий элемент: даже в жидком состоянии он примерно в 14 раз легче воды. Этот элемент чрезвычайно быстро смешивается с другими газами, и в частности с воздухом атмосферы. Прекрасно горит в ней, и при этом процессе образуются пары дистиллированной воды, что просто замечательно с точки зрения экологии. К тому же запасы водорода на земле практически безграничны.
Ну и самое интересное — познавательное документальное видео о водородном «Москвиче-412»:
Также в моем блоге можно почитать о советском электромобиле ВАЗ-2801, узнать из чего состоит батарея для Tesla Model S и оценить новый электромобиль от Porsche.
Комментарии 743
ну как бе зог допустил электромобили с подзарядкой с домашней розетки, не?
За розетку ты зогу платишь. И не переживай, зог без денег не останется 😉
Это видео не открывается (((
Какое название у ролика чтоб посмотреть?
дотянулась рука буржуев!
Выгодно не выгодно, фиг его знает, если производить его(водород), то наверное пока не выгодно, если непосредственно весь процесс наладить, как в москвиче, наверное смысл есть.
А нефть ни куда не денется, пластик, химия, да еще куча чего, сей час без этого ни как.
Реактивы, которые делают водород из воды очень скоро отравляются, а стоят они недешево. Поэтому и не выгодно в сравнении с традиционным ДВС
Запасы водорода безграничны? Вообще-то в чистом виде водород в природе не встречается вообще.
Можно подумать что 95-й бензин в чистом виде встречается, я его даже на на всех заправках нахожу
Производство бензина дешевле чем производство химически чистого водорода.
Да ни кто и не спорит
Производство бензина дешевле чем производство химически чистого водорода.
не сказал бы. водород можно получить обычным электролизом, в то время как бензин — продукт нефтехимической промышленности, и то с присадками! и потом водород не должен быть химически чистым. А потом: электролиз производит только кислород и водород, там нет грязи никакой. А бензин получают расщеплением нефти, добавкой в бензин присадок от детонации. Водород надо сжать только. Может, в этом и проблема
Проблема еще в том что при электролизе воды затрачивается значительно больше электричества чем мы можем получить после химической реакции в топливных ячейках. Т.е. мы генерируем электричество, 10% теряем на его транспортировке, 25-30% на електролизе, что-то на сжатии водорода, 10-20% на топливных ячейках, и 10% на электродвигателе. Энергетический баланс такой системы можете прикинуть сами. Но это еще не все потери, так, навскидку.
Водород дОрог (в сравнении с продуктами перегонки нефти). Это надо принять. А носятся все с ним только из-за мнимой экологичности — пар из выхлопной трубы — розовая мечта всех «зеленых». А то что для этого в три раза больше должны дымить электростанции никого не волнует — «это ж в соседнем городе».
УПД. Водородный транспорт имеет смысл только в городах с химическими производствами где водород — побочный продукт. Так в Европах вполне успешно переводят на водород коммунальный автотранспорт. Но ездить на водороде полученном путем электролиза — это нонсенс.
ну допустим у вас есть модифицированные бактерии, которые делают водород под воздействием солнечного света. и часть этого водорода сжигается, чтоб питать компрессорную станцию. Можно делать что-то типа кассет, которые будут ставиться в автомобиль. Сжиженный конечно нельзя, его тупо нечем охладить! А вот сжатый можно. Экспериментально его делают лазерным охлаждением.
Это все если «гипотетически». А если брать в руки калькулятор обязательно получится какая-то фигня. Бактерий чем кормить? Какова эффективность процесса? — не придется ли нам для получения литра жидкого водорода отдать под такую ферму 50га пахотных земель и ждать полтора месяца? )) Интенсивность солнечного света (солнечная постоянная) — ок. 1кВт/м.кв. Это при ясном небе в час летного солнцестояния, на экваторе. На наших широтах надо делить вдвое, минимум. Никакой биологический организм не сможет усвоить и 10% поступившего света, т.е. КПД процесса будет крайне низким.
Кассеты. Хм. А под каким давлением будет хранится водород в этих кассетах? Из какого материала их делать? — да, еще одна проблема — у водорода настолько маленькая молекула что он просачивается через кристаллическую решетку металлов и вызывает их ухрупчение.
Можно конечно хранить водород в гидратах металлов и получать сразу на борту автомобиля — такие проекты были. Но вес заправки на 1 км совсем не радует.
Если интересует эта тема — я бы порекомендовал книгу «современный экономичный автомобиль» Мацкерле, там последняя треть посвящена «альтернативке» и такие вопросы разобраны довольно детально. Самое смешное что книга 1987 года и диву даешься насколько мало с той поры изменилось.
ничем не кормить. фотопроцесс. говном кормить…
Это все если «гипотетически». А если брать в руки калькулятор обязательно получится какая-то фигня. Бактерий чем кормить? Какова эффективность процесса? — не придется ли нам для получения литра жидкого водорода отдать под такую ферму 50га пахотных земель и ждать полтора месяца? )) Интенсивность солнечного света (солнечная постоянная) — ок. 1кВт/м.кв. Это при ясном небе в час летного солнцестояния, на экваторе. На наших широтах надо делить вдвое, минимум. Никакой биологический организм не сможет усвоить и 10% поступившего света, т.е. КПД процесса будет крайне низким.
Кассеты. Хм. А под каким давлением будет хранится водород в этих кассетах? Из какого материала их делать? — да, еще одна проблема — у водорода настолько маленькая молекула что он просачивается через кристаллическую решетку металлов и вызывает их ухрупчение.
Можно конечно хранить водород в гидратах металлов и получать сразу на борту автомобиля — такие проекты были. Но вес заправки на 1 км совсем не радует.
Если интересует эта тема — я бы порекомендовал книгу «современный экономичный автомобиль» Мацкерле, там последняя треть посвящена «альтернативке» и такие вопросы разобраны довольно детально. Самое смешное что книга 1987 года и диву даешься насколько мало с той поры изменилось.
именно поэтому и ездим на бензине, потому, что тут куча исследований и доводки промышленных образцов нужно. и АЗС, и сам транспорт, вообще вся инфраструктура. Никто не мешает купить лабораторный водород в баллоне. Но это непрактично и пока что дорого
Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
Плюсы водородного двигателя
Минусы водородного двигателя
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.
Автомобили на водородном топливе: создание, развитие, перспективы
Несмотря на то, что про машины на водородном топливе заговорили активно только в последнее время, первый водородный автомобиль появился намного раньше, чем многие могут подумать.
В 1807 году французом, которого звали Франсуа Исаак де Риваз, была разработана повозка с клапаном, дозирующим воздух и водород. Воспламенение смеси осуществлялось с помощью вольтова столба – устройства, используемого на заре развития электротехники.
Первые топливные водородные элементы появились спустя 32 года. В 1863 году английский физик и химик Уильям Гроув, опытным путем установил, что процесс разложения воды на водород и кислород может быть обратимым, при этом он сопровождается высвобождением энергии. Им был впоследствии создан топливный элемент, а топливные ячейки, называемые Fuel Cell, стало возможным объединять, собирая батарею под требуемую мощность.
На протяжении многих лет применение водорода в автомобилях подразумевало два варианта: либо сжигание топлива в цилиндрах, либо подпитка топливных элементов. Экспериментальный водородный автомобиль, работающий на топливных элементах, был выпущен в 1966 компанией General Motors: новинка называлась GM Electrovan, и разработана была с использованием космических технологий.
Спустя 13 лет к экспериментам с применением водорода на ДВС приступила и BMW.
Последний автомобиль на водородном топливе был представлен баварским производителем в 2006 году, а спустя 10 лет компания начала сотрудничество с Toyota: результатом этой деятельности стало появление 370-ячеистого топливно-элементного генератора, устанавливаемого как на модель Mirai, выпущенного Тойотой, так и на BMW 5 Series GT (но серийный водородный автомобиль БМВ встанет на конвейер не раньше 2020 года).
Toyota же занялась разработкой транспортных средств, работающих на водороде, в 1992 году, сразу же сделав ставку на водородные топливные элементы. Первый прототип под названием EVS-13, созданный на базе RAV 4, был продемонстрирован в 1996 году: выработка водорода производилась из метана, модель оснащалась мощной батареей, помогающей генератору.
В 2001 году японский производитель выпустил сразу три кроссовера FCHV, построенных на основе Highlander, с баллонами для водородного топлива. В 2008 году модель была усовершенствована, получив морозоустойчивую 90-киловаттную силовую установку: авто оказалось способным на развитие максимальной скорости в 155 км/ч, запас хода на одной заправке увеличился до 830 км. Однако стоила такая машина порядка миллиона долларов, ввиду чего и не приобрела должного уровня популярности.
Предпринимались попытки по созданию автомобилей на топливных элементах и в России. В 1999 году группа конструкторов и инженеров АвтоВАЗа запустили проект АНТЭЛ, основной целью которого была разработка авто на топливных элементах. В 2001 году появилась первая версия авто на базе Нивы-2131.
Проект продолжал дорабатываться, и в скором времени был создан первый вариант автомобиля АНТЭЛ (разработчиками было потрачено около 30 тысяч долларов, что во много раз меньше сумм, расходуемых западными компаниями), оснащенный баллонами с кислородом и водородом. 2003 год был ознаменован выпуском АНТЭЛа второго поколения: основным отличием от машины первой генерации стало повышение безопасности транспортного средства за счёт использования всасываемого компрессором воздуха (хранение водорода и кислорода удалось разделить). К сожалению, в 2004 году финансирование проекта было прекращено.
На сегодняшний день изготовление водородных авто продолжает оставаться дорогостоящим, но ведущие мировые производители продолжают изыскивать способы по уменьшению стоимости таких машин. К примеру, правительство Южной Кореи планирует снизить цену водородных автомобилей с помощью субсидий, а также собирается значительно расширить сеть заправочных станций.
Сейчас на рынке представлены следующие серийные модели авто на водороде:
За водородной экономикой будущее, и понимающие это крупнейшие мировые компании уже сейчас прикладывают немало усилий для развития этого пока ещё считающего новаторским вида транспорта.