Экологические проблемы и сокращение запасов нефти привели к необходимости разработки автомобилей, использующих альтернативные источники энергии. Одно из направлений – водородные машины. В чем их особенности и как они работают?
Экологические проблемы и сокращение запасов нефти привели к необходимости разработки автомобилей, использующих альтернативные источники энергии. Одно из направлений – водородные машины. В чем их особенности и как они работают?
| Экологические проблемы и сокращение запасов нефти привели к необходимости разработки автомобилей, использующих альтернативные источники энергии. Одно из направлений – водородные машины. В чем их особенности и как они работают? |
Разработка водородного автомобиля шла двумя параллельными путями. Можно сжигать водород в обычном двигателе внутреннего сгорания, а можно окислять его в топливных элементах для получения электроэнергии, которая идет на питание электромотора. И в том, и другом направлениях достигнуты определенные успехи.
Водород и ДВС
На первый взгляд наиболее простой вариант – использование водорода как топлива в обычном ДВС. Схема топливной системы такого двигателя похожа на применяемую в ДВС, работающих на сжиженном (сжатом) газе. С точки зрения подачи топлива в цилиндры водород достаточно удобен. Расширяющийся газ под давлением поступает к форсункам, которые проще, чем в бензиновом двигателе, и хорошо смешивается с воздухом.
Есть, правда, свои сложности. Из-за опасности обратных вспышек приходится изменять алгоритм работы впускных клапанов и угол опережения зажигания. Но эти проблемы вполне решаемы, что доказали конструкторы BMW в 6,0-литровом V12, установленном на «семерке» и экспериментальном автомобиле H2R, а также специалисты Ford в водородном V10 с рабочим объемом 6,8 л автобуса Ford E-450 Shuttle и 2,3-литровом двигателе H2 ICE Focus C-MAX.
Еще один вариант «сжигателя» водорода создали инженеры Mazda. Как оказалось, роторно-поршневой двигатель еще лучше приспособлен для работы на водородном топливе. В двигателе Renesis на водородной версии RX-8 дополнительно устанавливаются по две форсунки в каждую из двух секций, через которые в камеру сгорания впрыскивается водород. Но подается он не прямо в камеру сгорания, а в специальную впускную камеру, где исключены обратные вспышки, возможные в поршневом ДВС.
Пока, правда, мощность ДВС на водороде ниже, чем на бензине, а расход горючего существенно выше. Поэтому приходится увеличивать емкость топливного бака. Например, у «семерки» BMW емкость водородного бака – 140 л, что обеспечивает запас хода 400 км. Такое же расстояние можно преодолеть на 40 л бензина. Водородные баллоны «съедают» значительную часть багажника и увеличивают массу автомобиля.
Водородные электростанции
Другим направлением создания водородных автомобилей является использование топливных элементов. Топливный элемент (или электрохимический генератор) – это устройство, которое напрямую преобразует химическую энергию реакции окисления водорода в электрическую и напоминает обычную гальваническую батарею. Но если в последней в процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается, то в электрохимическом генераторе «топливо» подводится извне. Продуктами реакции, кроме электроэнергии, являются тепло и вода. Образцы автомобилей на топливных элементах разработаны инженерами DaimlerChrysler AG, Ford Motor Co, Toyota, Honda, Nissan, General Motors, Hyundai, «АвтоВАЗ» и др.
Конструктивно это фактически электромобиль, в котором вместо аккумуляторной батареи используются топливные элементы и емкость для хранения «топлива» (водорода). Важнейшее преимущество электрохимического генератора – высокий КПД (около 50%). Интересной особенностью является и то, что все электроприводы, системы и механизмы, использующие электроэнергию (радио, кондиционер и т. д.), могут работать и без включения двигателя. Мало того, автомобиль, стоящий в гараже, способен вырабатывать электроэнергию для домашнего потребления.
Опытные образцы могут работать как на чистом водороде, так и извлеченном из различных углеводородов (метанола, природного газа) непосредственно на «борту» автомобиля. Однако при этом в топливных элементах используются дорогие металлы-катализаторы (платина, родий, кобальт, никель и др.), которые обуславливают высокую цену энергоустановки – около $104 за 1 кВт отдаваемой мощности. Для того чтобы машины на топливных элементах получили широкое распространение, по различным оценкам стоимость должна составлять не более 50–70 долл./кВт.
А так как в процессе выработки электроэнергии образуется вода, появляются определенные сложности с эксплуатацией автомобиля в зимнее время.
Технические проблемы
Проблемы использования водородного автомобиля можно разделить на внешние и внутренние.
Внешние – это производство и транспортирование водорода. Основные технологии производства следующие: получение в виде сопутствующего продукта при переработке нефти, паровая каталитическая конверсия углеводородного сырья (природного газа, нефти и т. д.) и электролиз (т. е. разложение воды на кислород и водород при помощи электричества). Практически все они, равно как и технологии хранения и транспортирования (в жидком или газообразном состоянии под давлением), требуют значительных затрат энергии. Неплохим вариантом решения проблемы является получение водорода на «борту» автомобиля из метилового спирта (метанола) или диметилэфира, которые намного проще хранить и транспортировать.
Внутренние проблемы – это хранение водорода в автомобиле и его взрывоопасность. В настоящее время водород в основном хранят в газообразном (под большим давлением) или жидком состоянии. Для хранения водорода в жидком виде его нужно охладить до –253°С и обеспечить хорошую теплоизоляцию, так как в настоящее время утечка жидкого водорода составляет 3-4% ежедневно.
Существует также способ хранения водорода в гидридах металлов. Конструкция достаточно проста, безопасна, но для извлечения водорода «емкость» нужно подогревать (в разных составах от 150 до 300°С). Для практического использования подобного способа необходимы «емкости», отдающие водород при температуре не выше 80°С. В последнее время ведутся разработки по использованию углеродных нанотрубок.
В системах хранения водорода в сжатом виде для обеспечения требуемого запаса топлива рабочее давление необходимо увеличить примерно до 700 бар (в настоящее время – до 350 бар), а для соблюдения безопасности следует обеспечить двукратный запас прочности. В результате баллоны, используемые в настоящее время, либо очень дорогие (из углепластика), либо тяжелые (из стали), и их размещение в автомобиле – достаточно сложная задача.
Использование водорода требует применения специальных конструкционных материалов и технологий изготовления деталей, так как длительный контакт металлических деталей с водородом приводит к повышению их хрупкости.
Инфраструктура
Для заправки водородных автомобилей требуются специальные станции. Парадокс заключается в том, что отсутствие инфраструктуры сдерживает распространение водородных автомобилей, а небольшое количество таких машин делает нецелесообразным ее создание. В настоящее время количество водородных заправок очень ограничено, но их конструкция, равно как и процесс самой заправки водорода, довольно необычны.
Например, на роботизированной заправке в Мюнхене водитель даже не выходит из машины, а все операции производит робот. Так как в баллоне остается водород под высоким давлением, процесс заправки происходит следующим образом: сначала специальная форсунка впрыскивает немного жидкого водорода, вызывающего конденсацию газа и резкое уменьшение противодавления, а затем уже подается сжатый водород. Оригинальное решение предложили специалисты Honda. Они создали станцию, которая для разложения воды на кислород и водород использует энергию, поступающую от солнечных батарей. Еще один вариант – домашняя электростанция, которая из подаваемого природного газа вырабатывает водород для заправки автомобиля, а электроэнергию и горячую воду – для использования в быту.
Чтобы накопить опыт эксплуатации водородных автомобилей и сократить расходы на создание инфраструктуры, производители предлагают их в основном в лизинг, прокат или в качестве служебных машин для представителей администрации, так как стоимость их достаточно высока.
Перспективы
Развитые страны вкладывают в развитие программ создания водородных автомобилей серьезные средства, например США – 1,7 млрд. долл. в год. А Евросоюз на внедрение водородного топлива и иных возобновляемых источников энергии за пять лет инвестировал 2 млрд. долларов.
Необходимость международного сотрудничества по развитию водородной энергетики признают не только лидеры государств, но и крупнейшие автомобильные концерны. Например, DaimlerChrysler AG и Ford Motor Co приобрели канадскую компанию Ballard Power Systems Inc. и создали совместное предприятие, занимающееся разработкой и производством топливных элементов. Другой пример – сотрудничество BMW, Honda и General Motors Co. Причина понятна – можно использовать совместный интеллектуальный потенциал и экономить средства. Разработанные общими усилиями технологии в случае успешного решения проблем могут стать источником прибыли на долгие годы и обеспечить стабильность развития компаний.