После нескольких лет обещаний, что водород — это чистое топливо будущего, только потому, что ничего не произойдет, теперь кажется, что будущее, наконец, почти наступило.
Производители автомобильной техники, включая Mazda и Toyota, в настоящее время разрабатывают водородные двигатели. для питания своих транспортных средств, и эти двигатели однажды смогут заменить не только технологию водородных топливных элементов и традиционные двигатели внутреннего сгорания, но, возможно, даже электромобили (ED).
Однако, хотя рынок электромобилей стремительно идет вперед, использование технологии водородных двигателей в коммерческих транспортных средствах все еще находится на начальной стадии, и возможность использования газообразного водорода в качестве полезной и практической альтернативы еще предстоит доказать.
Что такое водородный двигатель?
Водородный двигатель — это усовершенствованная версия традиционных двигателей внутреннего сгорания, в которых в качестве топлива используется жидкий водород вместо бензина. Автомобиль, работающий на водородных двигателях, называется автомобилем с водородным двигателем внутреннего сгорания (HICEV). Они отличаются от электрифицированных транспортных средств на водородных топливных элементах (FCEV), таких как Toyota Mirai или Hyundai Tucson, в которых используется топливный элемент, в котором водород химически реагирует с кислородом в воздухе для производства электричества, которое приводит в действие электродвигатель.
Водородные двигатели вырабатывают энергию за счет сгорания водорода и используют системы подачи и впрыска топлива, которые являются модифицированными версиями систем, используемых с бензиновыми двигателями. За исключением сгорания небольшого количества моторного масла, что также имеет место в бензиновых двигателях, водородные двигатели не выделяют CO2 при использовании.
Водородные двигатели в качестве побочного продукта выделяют в основном воду или водяной пар, но процесс производства водородного топлива может вызвать выбросы парниковых газов. Однако исследование показало, что даже если водород извлекается наиболее неэффективным способом, это, вероятно, сократит выбросы CO 2 более чем на 30% по сравнению с бензином.
Разница между HICEV и FCEV
Ключевое различие между HICEV и FCEV заключается в способе использования водорода в этих транспортных средствах. Первый включает в себя сгорание водорода, в то время как последний выполняет электрохимическую реакцию и использует жидкий водород для выработки энергии для своего электродвигателя.
Источник: Global Market Insights.
Технология водородных двигателей внутреннего сгорания (HICE) все еще находится на ранней стадии разработки. Между тем, мировой рынок электромобилей на топливных элементах уже преодолел отметку в 1 миллиард долларов США , и в ближайшие годы ожидается, что он будет демонстрировать ежегодный рост примерно на 38%.
Происхождение и эволюция водородного двигателя
В 1806 году Франсуа Исаак де Риваз создал экспериментальный двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовалась смесь водорода и кислорода. Двигатель De Rivaz считается самым первым в мире двигателем, работающим на водороде .
Вскоре после этого, в 1820 году, преподобный У. Сесил написал для Кембриджского философского общества доклад под названием «О применении водородного газа для производства движущейся энергии в машинах». В этой статье описан двигатель, работающий по принципу вакуума, где вакуум создается за счет сжигания газообразного водорода.
Примерно 150 лет спустя Пол Диджес запатентовал модификацию двигателя внутреннего сгорания, которая могла работать как на бензине, так и на водороде. Конечно, к тому времени автомобили с бензиновым двигателем были нормой, и лишь немногие производители видели необходимость в разработке автомобилей с водородным топливом.
В последующие годы пагубные последствия использования ископаемого топлива для увеличения загрязнения воздуха, здоровья, глобального потепления, кислотных дождей и в других областях в транспортных средствах и промышленности стали широко признаваться вместе с их воздействием. Ученые, активисты, лидеры и исследователи начали выражать озабоченность по поводу увеличения выбросов CO 2 и экологических рисков, связанных с добычей и использованием ископаемого топлива.
Растущие экологические проблемы и спрос на экологически чистые альтернативы энергии заставили многие автомобильные компании сосредоточиться на разработке топлива с низким содержанием свинца, а затем на водороде и электромобилях.
В начале 2000-х годов японский автопроизводитель Mazda начал устанавливать двигатели Ванкеля на свою модель RX-8. Двигатель Ванкеля — это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором используется эксцентриковая поворотная конструкция для преобразования давления во вращательное движение. При заданной мощности они компактнее и весят меньше двигателя внутреннего сгорания. Их также можно легко преобразовать для работы на водороде.
Совсем недавно они обновили конструкцию, разработав водородный роторный двигатель RENESIS, в котором используется инжектор газообразного водорода с электронным управлением и который может быть адаптирован для работы в качестве гибридного бензин-водородного двигателя.
BMW Hydrogen 7 Источник: More Cars / Wikimedia Commons
На этом работа по созданию эффективного водородного двигателя не закончилась. Примерно в 2006 году BMW разработала двухтопливный водородно-бензиновый двигатель внутреннего сгорания для своего ограниченного выпуска Hydrogen 7, который был разработан, чтобы продемонстрировать, что водород может работать в качестве топлива. Во время испытаний автомобилю удалось разогнаться со скоростью 187 миль в час (301 км / ч), и компания также заявила, что их водородный автомобиль достиг нулевого уровня выбросов CO 2 .
Однако позже заявления BMW были отклонены Агентством по охране окружающей среды США (EPA), которое указало, что автомобиль по-прежнему выделяет углерод в результате испарения моторного масла. Кроме того, эффективность автомобиля при работе на водороде была чрезвычайно низкой, в среднем около 5,6 миль на галлон (50 л / 100 км). В основном это было связано с разницей в плотности энергии бензина и водорода.
Преимущества водородного двигателя
Существуют различные важные причины, по которым водородные двигатели рассматриваются некоторыми как будущее автомобильной промышленности, и почему производители автомобилей тратят миллионы долларов на создание эффективных гидродвигателей.
Эксперты и компании в области энергетики считают, что водород может служить бесконечным и относительно низкоуглеродным источником энергии . Это также может стать жизнеспособной альтернативой использованию тяжелых металлов в батареях, которые наносят ущерб окружающей среде и могут стать очень дорогими в ближайшие годы с ростом электромобилей.
Источник: Global Market Insights.
Низкая энергия зажигания и высокая эффективность
Водородный ДВС имеет низкую энергию воспламенения по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, поскольку для сжигания водорода в этих двигателях используются более низкие температуры пламени и меньшая теплопередача. Это позволяет двигателю работать на очень бедных смесях и при этом быстро сгорать. Кроме того, из-за высокого коэффициента диффузии (водород смешивается с воздухом быстрее, чем бензин), использование водорода снижает опасность, связанную с возможными утечками.
Безуглеродные выбросы
Говорят, что водородные двигатели обеспечивают больший объем повышения энергетической безопасности и сокращения углеродного следа. Это связано с тем, что при работе этих транспортных средств на водороде в качестве побочных продуктов не выделяются углеродные соединения.
Быстрая заправка
Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, его необходимо хранить в виде сжатого газа, чтобы обеспечить запас хода обычных транспортных средств. Это требует использования резервуаров высокого давления, способных хранить водород с плотностью 5 000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Розничные диспенсеры, которые устанавливаются на автозаправочных станциях, могут заполнить эти баки примерно за 5 минут. Это намного быстрее, чем время, необходимое для подзарядки электромобилей, даже при быстрой зарядке. Хотя, конечно, электромобили можно заряжать дома, а водородные автомобили — нет. Другие технологии хранения находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы.
Альтернативный источник энергии
Поскольку двигатели внутреннего сгорания могут быть адаптированы для сжигания водорода вместо бензина или в дополнение к нему, ряд стран работают над инициативой по увеличению производства водорода для использования в качестве топлива в самолетах, кораблях и даже для выработки электроэнергии. Если водород производится с использованием альтернативной энергии, это может быть рентабельным способом быстрого сокращения использования ископаемого топлива в ряде областей.
Недостатки водородного двигателя
Несмотря на многочисленные достоинства их использования, водородные двигатели до сих пор не используются в больших масштабах, и существуют многочисленные сложности, связанные с водородным топливом. Рост эффективных транспортных средств с батарейным питанием и FCEV также привел к потере интереса производителей автомобилей и новаторов к разработке HICE. Помимо этого, существует также ряд серьезных проблем, которые необходимо решить, прежде чем это станет практической альтернативой электромобилям.
Дорогая технология
Процесс извлечения водорода является дорогостоящим и энергоемким. Хотя FCEV, работающий на водороде, считается транспортным средством с нулевым уровнем выбросов, извлечение самого водорода не является нулевым выбросом. В настоящее время большая часть водорода извлекается с помощью парового риформинга, при котором высокотемпературный пар сочетается с природным газом для извлечения водорода.
Водород можно также получить из воды с помощью электролиза. Это более энергоемко, но может быть выполнено с использованием возобновляемых источников энергии, что позволит устранить значительную часть выбросов. Однако стоимость производства водорода по-прежнему выше, чем у бензина (или электричества), поэтому необходимо будет немного их снизить, прежде чем водородные двигатели станут рентабельными в больших масштабах.
Более низкая плотность энергии
Водород не так энергоемок, как другие виды топлива, а это означает, что вам нужно больше его для выполнения определенного объема работы. Добавьте к этому присущую поршневому двигателю неэффективность, и водородные двигатели не дают в целом значительного энергетического преимущества.
Загрязнение
Хотя водородные двигатели не выделяют углерод, из-за тепла, выделяемого в камере сгорания, оксид азота все же может образовываться в качестве побочного продукта. Это соединение вредно для окружающей среды, а это означает, что, хотя водородные двигатели имеют нулевой выброс углерода, они не являются свободными от выбросов.
Соображения безопасности
Транспортные средства, работающие на водородных двигателях внутреннего сгорания, оснащены баками для водородного топлива под давлением. Эти резервуары спроектированы так, чтобы быть очень безопасными, но в случае утечки легковоспламеняющийся водород может вызвать серьезные повреждения. Решением может быть установка в автомобиле специальных датчиков для обнаружения любых таких утечек, за что приходится платить.
Большой размер и пониженная выходная мощность
Для водородных двигателей внутреннего сгорания стехиометрическое соотношение воздух / топливо составляет 34: 1 . Это означает, что водородный двигатель использует вдвое больше воздуха для полного сгорания.
Однако это также приводит к снижению выходной мощности, и, следовательно, водородный двигатель имеет тенденцию выдавать только половину мощности по сравнению с бензиновым двигателем того же размера. Чтобы уравновесить эту потерю мощности, водородные двигатели делают больших размеров и часто оснащены турбонагнетателем.
Будущее, факты и тенденции, связанные с водородной энергетикой
Источник чистого водорода : Ballard Power
Автомобильный сектор не единодушен на осуществимости водородной технологии для сегмента пассажирских транспортных средств, и некоторые производители автомобилей, такие как Volkswagon и Audi, больше не работает на развивающихся HICEVs, предпочитая сосредоточиться на электромобили. Другие автопроизводители, в том числе Toyota, Renault и Hyundai, более оптимистично настроены в отношении автомобилей, работающих на водороде, и, как ожидается, продолжат разработку водородных двигателей. Toyota Mirai HFCV был представлен в 2014 году и с декабря 2019 года продано 10300 автомобилей по всему миру, в то время как южнокорейская Hyundai производит внедорожник Nexo с водородным двигателем.
Для ускорения производства водорода Европейский Союз поставил цель установить по всему континенту электролизеры мощностью 40 ГВт. Испания уже объявила о плане потратить 10,5 млрд долларов (8,9 млрд евро) на строительство водородных электролизеров мощностью 4 гигаватта (ГВт), работающих на солнечной энергии. Другие страны, в том числе Дания, создают заводы для увеличения производства водорода путем электролиза на основе электроэнергии. Даже лидер ОПЕК Саудовская Аравия строит завод по производству экологически чистого водорода.
Корпорация Microsoft тестирует использование водородных топливных элементов для замены дизельных генераторов в качестве резервного источника питания. Американский стартап ZeroAvia планирует к 2024 году создать самолет с водородным двигателем .
Израильский производитель двигателей Aquarius Engines разработал новый водородный двигатель весом 22 фунта (10 кг), в котором используется уникальная система внутреннего газообмена, и компания утверждает, что он является легкой, экономичной и экологически чистой альтернативой традиционным двигателям внутреннего сгорания. .
Asian Renewable Energy Hub — это масштабный проект устойчивой энергетики в Австралии, который в настоящее время находится в стадии реализации. При полной функциональности планируется вырабатывать более 50 ТВт / ч электроэнергии за счет солнечной и ветровой энергии. Основная часть этой электроэнергии будет использоваться для производства аммиака и чистого водорода.
В настоящее время в США и Великобритании доступны только три автомобиля с водородным двигателем, это Honda Clarity, Toyota Mirai и Hyundai Nexo. Однако ожидается, что в ближайшие годы это число будет расти, поскольку многообещающие разработки в области водородной энергетики и технологии двигателей происходят во всем мире.
Хотя водородные двигатели по-прежнему сталкиваются с рядом проблем, ожидается, что в ближайшие годы рынок водорода как экологически чистого источника энергии будет быстро расти, и , по некоторым оценкам, к 2030 году он достигнет 70 миллиардов долларов. По данным Bloomberg New Energy Finance, на стадии разработки находятся проекты «зеленого» водорода на сумму более 90 миллиардов долларов. Что бы ни случилось с автомобилями HICE, использование возобновляемого водорода в качестве источника энергии будет продолжать расти.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК