Чем заправлять водородный автомобиль

Почему водородные автомобили проигрывают электромобилям?

Водород (H2) – это химический элемент, самый легкий газ получаемый из углеводородов, биомассы, мусора. Водород используют в нефтепереработке для гидроочистки, гидрокрекинга, для производства аммиака, при гидрогенизации угля, нефти и как альтернативный источник топлива (электроэнергии) для автомобилей. В автомобили ставят топливные элементы вместо бензобака, и заправляют туда H2 под давлением. При нажатии на педаль газа, в воздухозаборник поступает кислород, который вступает в реакцию с водородным элементом, отчего вырабатывается электричество. Электричество раскручивает электромотор, автомобиль начинает движение.

H2 как альтернативное топливо

Чем интересен водород, как альтернативный источник топлива:

• нулевые выбросы в атмосферу;
• потенциал для внутреннего производства в странах, где нет нефтяных запасов;
• быстрая заправка автомобилей (3-5 минут);
• по расходу и цене, топливные элементы до 80 % эффективнее бензина;
• электродвигатель питающийся от водородного топливного элемента, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем двигатель внутреннего сгорания.

Преимущества водородных автомобилей над электромобилями:

• скорость зарядки;
• от полностью заправленного водородом топливного элемента на выходе электроэнергии больше, чем от полностью заряженной АКБ электромобиля. Т.е. машина на полностью заряженном водородном топливном элементе (FCEV-fuel cell electric vehicle) преодолеет большее расстояние, чем такой же электромобиль с полностью заряженной батареей.

Модели автомобилей на водороде

Автопарк автомобилей на водороде к концу 2019 года превысил 25 тыс. машин, причем свыше 12 тыс. было продано за 2019 год. В основном парк расширяется в Китае, Японии, Республике Корея, хотя лидером по количеству водородных автомобилей остаются США.
Модели на водороде собирают Toyota, GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz и продают в регионах с развитой сетью водородных заправок. Цена машин в районе 4-6 миллионов рублей — Toyota Mirai – 4 млн. руб., Honda FCX Clarity – 4 млн. руб.

Выпускают ограниченной серией:

• Audi A7 h-tron quattro – электро-водородный гибридный легковой автомобиль.
• Hyundai Tucson FCEV
• Ford E-450.
• Городские автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

• Ford Motor Company – Focus FCV;
• Honda – Honda FCX;
• Hyundai Nexo
• Nissan – X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);
• Toyota – Toyota Highlander FCHV
• Volkswagen – space up!;
• General Motors;
• Daimler AG – Mercedes-Benz A-Class;
• Daimler AG – Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);
• Toyota – FCHV-BUS;
• Thor Industries – (топливные элементы компании UTC Power);
• Irisbus – (топливные элементы компании UTC Power).

Ограниченными сериями выпускаются BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen – двухтопливные модели использующие либо жидкий водород, хранящийся в баке при температуре не выше −253 °C, либо бензин. Принцип тот же, что и в автомобилях на газу. В отличие от FCEV двухтопливные модели выпускают вредные выхлопные газы, двигатели не такие мощные и быстрее изнашиваются.
На водородных топливных элементах (FCEV) конструируют спецтехнику: автобусы, погрузочно-разгрузочное оборудование (например, вилочные погрузчики), наземно-вспомогательное оборудование, средние и большие грузовики. Активно в этой сфере работает американская компания Plug Power Inc (PLUG). PLUG выпускает комплектующие для спецтехники на водороде. Недавно PLUG провела симпозиум, на котором заявила:

• о покупке поставщика технологий, оборудования и услуг для сжиженного водорода Applied Cryo Technologies;
• о строительстве в Австрии завода по производству литий-ионных аккумуляторов;
• презентовала прототип фургона HyVia Renault Master Van на водородных топливных элементах.

Honda огласила цель по поэтапному отказу от бензиновых двигателей в Северной Америке к 2040 году.
Daimler Trucks и Volvo стали партнерами в Европе, чтобы попытаться снизить себестоимость FCEV и сделать водород выгодным для дальних перевозок.

Водород и проблемы с экологией

Водород обилен в природе. Он хранится в воде (H2O), углеводородах (метан, CH4) и других органических веществах. Проблема водорода как топлива в эффективности его извлечения.
При извлечении водорода, в зависимости от источника, в атмосферу попадают вредные выбросы. При этом, сам автомобиль работающий на водороде, в качестве выхлопных газов выделяет только водяной пар и теплый воздух, у него нулевой уровень выбросов.

СПОСОБЫ ДОБЫЧИ ВОДОРОДА

• паровая конверсия метана и природного газа;
• электролиз воды;
• газификация угля;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии;
• паровой риформинг метана.

Паровой риформинг метана

Способ отделения водорода путем парового метанового риформинга применим к ископаемому топливу, например, к природному газу – его нагревают и добавляют катализатор. Природный газ не возобновляемый источник энергии, но пока он есть и добывается из недр земли. Министерство энергетики США утверждает, что выбросы автомобилей, работающих на реформированном водороде, вдвое меньше, чем в бензиновых автомобилях. Производство реформированного водорода уже запущено на полную катушку и добывать водород таким способом дешевле, чем водород из других источников.

Газификация биомассы

Водород также добывают из биомассы – сельскохозяйственных отходов, отходов животноводства и сточных вод. Используя процесс называемый газификация, биомассу помещают под воздействие температуры, пара, кислорода, чтобы образовать газ, который после обработки дает чистый водород. «Существуют целые полигоны для сбора сельскохозяйственных отходов – готовые источники водорода, потенциал которых недооценен и тратится впустую», сетует директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов, Джеймс Варнер.

Электролиз

Электролиз – процесс отделение водорода из воды электрическим током. Этот способ звучит проще, чем возня с ископаемым топливом и отходами животноводства, но у него есть недостатки. Электролиз конкурентоспособен в тех районах, где электричество дешевое (в России этом могла бы быть Иркутская область – 8 электростанций на область, 1 рубль 6 копеек за киловатт-час).
Солнечные водородные станции Honda используют энергию солнца и электролиз, чтобы отделить «Н» от «О» в Н2О. После отделения водород хранится в баке под давлением в 34.47 МПа (мегапаскаль). Используя только солнечную энергию, станция создает 5 700 литров водорода в год (этого топлива достаточно для одного автомобиля со средним годовым пробегом). При подключении к электрической сети, станция выдает до 26 тысяч литров в год.

Планы компаний по развитию производства H2

В Токио, недалеко от Токийского залива, построили завод для получения водорода из сточных вод и мусора.
PowerTap планирует построить на водородных АЗС помещения с оборудованием для получения водорода из природного газа и городской воды. Оставшийся углерод будут улавливать, и хранить там же.
Ways2H Inc. огласила планы построить небольшие заводы по переработке водорода возле мусорных свалок. Формула успеха компании Ways2H Inc.: мусор + термохимический процесс = водород. Завод стандартного размера обрабатывает 24 тонны отходов в день, получая от 1 до 1,5 тонны водорода.

Сколько стоит производство водорода

По оценке Международного агентства по возобновляемым источникам энергии IRENA в 2019 году, стоимость 1 кг водорода получаемого за счет ветровой энергии составляла в среднем около 4 $, солнечной – почти 7 $, тогда как «загрязняющее» получение H2 из угля или газа обходится в 1,5–2,5 $. Даже с учетом технологии CCS (carbon capture&storage – технология улавливания, транспортировки и хранения углерода), получение H2 из угля не экологичней ветровой и солнечной энергии. С развитием «солнечных» технологий разница в цене между «чистым» и «грязным» способом добычи водорода исчезнет далеко после 2030 года.

На сколько экономней водородный автомобиль?

В Европе заправка полного бака водорода емкостью в 4.7 килограмма обойдется в 3 369 ₽ (717 ₽ за килограмм). На полном баке Toyota Mirai в среднем проезжает 600 километров, итого 561 ₽ на 100 километров. Для сравнения, цена 95-го бензина в Европе равна 101 ₽, т.е. 10 л. бензина обойдется в 1010 ₽ или 6 060 ₽ за 600 километров [цены на 2018 год.] Из примера видим, что заправка водородного автомобиля в два раза дешевле, чем автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.
В России активисты из г. Черноголовки Московской области, ради эксперимента сконструировали собственную водородную станцию, купили Toyota Mirai и посчитали, во сколько обойдется эксплуатация автомобиля. По расчетам владельца машины 100 километров на водороде ему обходится в 250 рублей.

Как заправляют топливные элементы водородом

В 1 килограмме газообразного водорода столько же энергии сколько в 1 галлоне бензина (4,5 литра = 2,8 килограмма). Поскольку в водороде низкая объемная плотность энергии, он хранится в резервуарах высокого давления (топливных элементах) – 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi) (340 или 680 атмосфер), в виде сжатого газа. Водородные диспенсеры на заправках заполняют такие резервуары за 5 минут. Разрабатываются и другие технологии хранения, включая химическое соединение водорода с металл-гидридом или низкотемпературными сорбционными материалами.

Как работает топливный элемент заполненный водородом

Прокачивая кислород и водород через катоды и аноды, контактирующие с платиновым катализатором, происходит химическая реакция, в результате которой получается вода и электрический ток. Набор из нескольких элементов (ячеек) необходим, чтобы увеличить заряд в 0,7 вольт в одной ячейке, что увеличивает напряжение.
Ниже смотрите схему работы топливного элемента.

Где заправлять автомобили водородом?

Карта заправочных станций здесь.
Революция FCEV не начнется без достаточного количества водородных АЗС, поэтому отсутствие инфраструктуры водородных заправочных станций по-прежнему тормозит развитие водорода как альтернативного вида топлива Развитие сетей водородных АЗС идет туго.
В Америке самый большой автопарк FCEV моделей, с концентрацией в штате Калифорния. Заправок там достаточно, но начались проблемы с поставкой водорода. Водители повально отказываются от водородных автомобилей, столкнувшись с пустыми заправками. Подробнее здесь.

Расходы на содержание водородных станций

В 2004 году в Европе и США работало 168 000 бензиновых АЗС. Заменить обширную сеть бензозаправочных станций водородными в США обойдется в полтора триллиона $. При этом, к примеру, цена водородной топливной сети в Европе может быть в 5 раз ниже, чем цена заправочной сети для электромобилей (EV). Цена одной EV – станции от 200 000 до 1 500 000 рублей. Цена водородной станции – 3 миллиона долларов. При этом, водородная сеть будет все равно дешевле сети станций для электромобилей по окупаемости. Причина в быстрой заправке водородных автомобилей (от 3 до 5 минут). На миллион автомобилей на топливных водородных элементах требуется меньше водородных станций, чем зарядных станций на миллион электромобилей.

Снижение стоимости водородных технологий за счет прогресса

Еще одно препятствие для производителей автомобилей на водородном топливе – цена водородных технологий. Например, набор топливных элементов для автомобилей до настоящего момента, опирается на платину в качестве катализатора. Покупали когда-нибудь колечко из платины для любимой? Цена Вам известна.
Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории доказали, что замена дорогой платины на более распространенные – железо или кобальт, в качестве катализатора возможна. А ученые из Case Western Reserve University разработали катализатор из углеродных нанотрубок, которые в 650 раз дешевле, чем платина. Замена платины, заметно снизит себестоимость топливных элементов. Параллельно ученые пытаются снизить себестоимость производства аккумуляторов для электромобилей, подробней здесь.
На этом исследования по совершенствованию водородного топливного элемента не заканчиваются. Mercedes разрабатывает технологию сжатия водорода до давления в 68.95 МПа (мегапаскаль), чтобы эффективней заправлять топливный элемент большим количеством H2. В связке с передовым литий-ионным аккумулятором как дополнительным хранилищем энергии, это увеличит количество энергии на борту автомобиля. «Если все получится, у автомобилей на водороде диапазон движения превысит 1000 км.» считает доктор Герберт Колер, вице-президент Daimler AG.

Министерство энергетики США утверждает, что себестоимость сборки автомобилей с топливным элементом снижены на 30 % за последние три года и на 80 % за последнее десятилетие. Срок службы топливных элементов увеличился вдвое, но этого недостаточно. Для конкурентоспособности с электромобилями срок службы топливных элементов нужно увеличить еще в два раза. Нынешние водородные топливные элементы, «живут» около 2 500 часов (или примерно 120 000 км), но этого мало. «Чтобы конкурировать с другими технологиями, нужно продлить их жизнь до 5 000 часов, как минимум», говорит один из членов ученого совета министерской программы по топливным элементам.

Развитие технологий водородных топливных элементов снизит себестоимость производство автомобилей за счет упрощения механизмов и систем, но выгоду производители получат только при серийном выпуске. Препятствием на пути к массовому выпуску автомобилей на водороде, стоит отсутствие оптовых поставок запчастей для автомобилей с водородным топливным элементом. Даже автомобиль FCX Clarity, который уже выпускается серией, не обеспечен дополнительными запчастями по оптовым ценам. Автопроизводители решают проблему по-своему, устанавливают топливные элементы водорода в дорогие модели для обкатки. Дорогие автомобили выпускаются в меньшем количестве, чем бюджетные, поэтому и проблем с поставкой запчастей к ним нет. «Мы внедряем «водородную технологию» в люксовые автомобили и следим, как она себя показывают «в народе». Пока рынок принимает водородные автомобили, как лет 10 назад принимал технологию гибридов, автопроизводители в это время наращивают объемы водородных моделей, спускаясь по цепочке к бюджетным авто», говорит Стив Эллис, менеджер по продажам автомобилей с топливным элементом компании Honda.

В 2005 году канадский производитель протон-обменных топливных элементов, обещал, что к 2010 году будет продавать автокомпаниям от 200 000 до 500 000 топливных элементов в год. Цель так и не была достигнута, топливные элементы в таком количестве заводам были не нужны.

В 2009 году несколько производителей автомобилей подписали совместное письмо о намерениях к 2014 году продавать сотни тысяч автомобилей с водородным двигателем. Этого тоже не произошло.

Получит ли «водородная программа» поддержку государства

Производители автомобилей и строители заправочных сетей сходятся во мнении, что снизить затраты в краткосрочной перспективе без вмешательства со стороны государства не выйдет. Что в США, однако, представляется маловероятным, при всех описанных денежных вливаниях местной администрации Штатов и Министерств.

С министром энергетики Стивеном Чу, администрация Обамы не раз пыталась сократить финансирование программы развития водородных топливных элементов, но сокращения отменял конгресс.

Популярность электрических автомобилей сторонникам водорода кажется абсурдной. «Это взаимодополняющие технологии», говорит Стив Эллис, представитель Honda. Аккумулятор, разработанный для Honda FCX, например, устанавливают и на электромобиль Fit. «Считаем, что водородные топливные элементы в сочетании с электромобилями переплюнут все альтернативные источники энергии, возглавив список самых экономичных машин этого десятилетия».

Недовольны и те, кто платит из своего кармана за строительство новых заправочных станций. Говорят, что не отказались бы от помощи государства до тех пор, пока не увеличится спрос на водородное топливо и не снизятся затраты на возобновляемые источники энергии.

Том Салливан верит в энергетическую независимость настолько сильно, что вложил все деньги, полученные от сети супермаркетов в компанию SunHydro. SunHydro строит водородные заправочные станции на солнечных батареях. Том считает, что целевое снижение налогов могло бы стимулировать предпринимателей вкладывать деньги в строительство водородных станций, работающих от солнечной энергии. «Необходим стимул, чтобы люди вкладывались в такие предприятия», говорит Том. «Инвесторы в трезвом уме, вероятно, не станут вкладывать деньги в строительство водородных заправочных станций».

В России Правительство в 2020 году утвердило план по развитию водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года. В нем говорится:

Животные нам помогут, или чем заправляют водородные Toyota ))

Ролик под названием “Fueled by Bullsh*t” (что в переводе звучит как заправлен, кхмм…"естественными остатками жизнедеятельности животных" назовем это так) является первым из серии фильмов “Fueled by Everything” («Заправляется Всем») и показывает, как из коровьего навоза можно получить водород, который может быть использован для заправки Mirai. И как оказалось, это действительно возможно, причем автомобиль, заправленный природным топливом, чувствовал себя превосходно, также как и пассажиры в салоне.

Боб Картер, вице президент компании Toyota Motor, отметил, что «Водород является самым распространенным элементом во вселенной и это очень перспективный вид возобновляемого источника энергии. Мы видим в нем большой потенциал и уже сейчас делаем долгосрочные инвестиции в будущее».

Напомню, что еще в ноябре 2014 года Toyota Motor представила свой первый в мире серийный автомобиль под названием Mirai, работающий на водороде.

В движение автомобиль приводит 153-сильная силовая установка на топливных ячейках. Энергия для нее вырабатывается в процессе химической реакции между кислородом и водородом, а “выхлопом” такого автомобиля является обычная вода.
Разгон до «сотни» занимает у водородного автомобиля 9 секунд, а запас хода составляет 483 км.
Стоимость водородной новинки в США составляет 57 500 долларов.

Чем заправлять водородный автомобиль

Автомобили на водородном топливе: виды, достоинства и недостатки

Водородное топливо является хорошей альтернативой бензину и дизелю. И многие производители задумались о выпуске авто на водороде.

Подробное описание

Исчерпаемость природных ресурсов, в частности, нефти, давно заставляет ученых ломать головы над поиском альтернативных источников энергии. Немаловажным фактором является и угроза экологической катастрофы, ведь дым и копоть, вырабатываемые бензиновыми и дизельными транспортными средствами по-настоящему отравляют окружающую среду. Именно автопромышленность на сегодня является главным источником загрязнения нашей планеты.

Сейчас наблюдается яркая тенденция в сторону отказа от использования и производства автомобилей с традиционными двигателями внутреннего сгорания. Все активнее используются гибриды и электротранспорт, но некоторые автоконцерны предлагают машины, способные работать и на альтернативных источниках энергии, например, водородные автомобили. Эксперты полагают, что именно они могут вытеснить с авторынка весь транспорт, который только существует сейчас.

Автомобиль на водородном топливе

Принцип работы водородных автомобилей

Как следует из названия, водородные автомобили в качестве источника топлива используют водород. Он взаимодействует с кислородом, вследствие чего образуется водяной пар. Из него уже выделяется энергия. Именно ее используют для электродвигателей или аккумуляторных батарей, от которых уже и происходит питание транспортного средства. Именно такой принцип используют производители, начавшие выпускать в серийное производство водородные автомобили.

Эта же технология позволяет создавать и двигатели внутреннего сгорания, которые могут работать на водороде по той же технологии, что и большинство современных машин, работающих на бензине.

Достоинства и недостатки водородных автомобилей

Как и любой источник энергии, водород имеет собственные плюсы и минусы. Однако, последних, в сравнении с привычными нефтепродуктами, гораздо меньше.

Плюсы водорода как альтернативного источника энергии

Главным достоинством транспортных средств, работающих на водороде, является отсутствие углекислого газа в качестве продукта переработки. Соответственно, такие авто не вносят свой вклад в загрязнение атмосферы и глобальное потепление.

Еще одно их достоинство — отсутствие шума при работе. Особенно это заметно в сравнении с машинами, оснащенными двигателями внутреннего сгорания.

Максимальный крутящий момент доступен с нулевой секунды запуска водородного элемента. Этого удается достичь за счет использования электродвигателя, который выдает весь свой потенциал сразу же, в отличии от бензинового или дизельного мотора, которому нужен предварительный разогрев.

Автомобиль на водородном топливе более эффективен, чем традиционные транспортные средства и даже электрокар. Сфера его использования куда шире. Так, на 1 грамм водорода выделяет в 3 раза больше энергии, чем при переработке такого же количества бензина. Соответственно, без дозаправки машина может работать несравнимо дольше, имея гораздо больший запас хода. Это же актуально и для электрокаров, которые даже менее производительны, чем бензиновые авто.

Заправка происходит быстрее, что тоже является ощутимым плюсом во время длительных поездок на значительные расстояния. И если бензиновый или дизельный автомобиль всегда можно заправить по пути следования, то электрические заправочные станции встречаются все еще слишком редко.

Минусы водородных автомобилей

Самый главный недостаток водородного топлива 0 сложность в его транспортировке и хранении. Чтобы обеспечить потребности автомобиля в энергии, придется сначала сжать водород в резервуаре под большим давлением. И на это нужна дополнительная энергия, а также высокопрочный резервуар, который выдержит давление в 700 бар.

К тому же, водородный двигатель для автомобиля использует не чистый водород, а водородный элемент, получение которого сопряжено с дополнительными тратами. В целом же, именно дороговизна всей системы и самого топлива ограничивает возможности для полной замены нефтепродуктов водородом.

Honda на водородном топливе

Виды водородного транспорта

Сейчас уже изобрели немало разновидностей транспортных средств, использующих в качестве топлива водород. И речь идет как о двигателях внутреннего сгорания на водороде, так и о моторах с водородными топливными элементами. Используются и газотурбинные двигатели на водороде. Встречаются машины разных типов, которые работают на смеси этого химического элемента и иных видов топлива.

Среди компаний, которые уже занялись серийным производством авто на водородном топливе, — Toyota, Honda и Hyundai. Отдельные модели есть в разработке Daimler, Audi, BMW, Ford, Nissan и ряда других крупных производителей. В ограниченном количестве ведется выпуск:

– двухтопливных легковых автомобилей BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 Hydrogen RE, работающих на жидком водороде;

– электро-водородного гибридного легкового автомобиля Audi A7 h-tron quattro;

– автобуса с водородным двигателем Ford E-450;

– автобусов на водородном топливе MAN Truck & Bus.

В октябре 2019 года производитель Grove Hydrogen Automotive Co Ltd представил китайский водородный автомобиль, получивший запас хода в 1000 км. Машина будет доступна для заказа в любую точку мира уже с 2020 года, когда ее запустят в производство. И есть основания полагать, что промышленники задумаются о создании сети специализированных заправочных станций для водородных авто.

Но не только автопромом ограничивается фантазия изобретателей. В 2016 году немецкая компания Alstom представила водородный поезд, получивший название Coradia iLint. А для перелетов на максимально возможные расстояния Boeing Company занимается разработкой беспилотного самолета High Altitude Long Endurance, который снабдят двигателем HICE от Ford Motor Company.

Пока сложно сказать, заменит ли водородное топливо традиционное, сможет ли «обойти» электричество, но на сегодня водород является одним из достойнейших конкурентам бензину и дизелю. Если производители найдут возможность сделать его производство и хранение более дешевым, то будущее можно считать предопределенным.

Автомобиль на водороде. Пора ли прощаться с бензином? ⁠ ⁠

Материал посвящен использованию водорода в автомобилях.

Действительно, в сравнении с бензином водород — одна сплошная проблема: его очень трудно хранить и непросто получать, он взрывоопасен, а водородные автомобили в разы дороже бензиновых. Но при этом водород считается наиболее перспективным видом альтернативного топлива для транспорта. К тому же, на производство водородных автомобилей инвесторы готовы тратить многомиллиардные инвестиции.

Приговор бензину уже подписан

Согласно последнему отчету BP Statistical Review of World Energy 2018, мировые разведанные запасы нефти составляют 1,696 млрд баррелей, чего при сохранении текущего уровня потребления хватит лет на пятьдесят. Неразведанные запасы нефти, предположительно, дадут нам еще полвека углеводородной энергетики, но и стоимость ее добычи может оказаться такой, что нефть попросту станет невыгодна в сравнении с другими источниками энергии. Когда месторождения с удобной добычей истощатся, цена на сырье автоматически пойдет вверх: если сейчас стоимость добычи барреля в России некоторыми оценивается в 2-3 доллара (по альтернативным оценкам, в 18 долларов), то для сланцевой нефти это уже 30-50 долларов. А впереди у человечества реальная перспектива перейти на добычу шельфовой и арктической нефти, цена которой будет еще выше.

Всплеск интереса к электротранспорту в 70-х годах XX века возник как раз на фоне скачкообразного роста цен на нефть из-за политического кризиса — недостатка в сырье не было, но четырехкратный рост цен мгновенно сделал бензиновые автомобили и нефтяную энергетику роскошью.

А еще на пути бензиновых авто встали более спорные препятствия — забота об экологии в городах и странах, где автомобильный выхлоп стал проблемой. Из-за этого, например, Германия приняла резолюцию о запрете производства автомобилей с ДВС с 2030 года. Франция и Великобритания обещают отказаться от углеводородного топлива до 2040 года. Нидерланды — до 2030 года. Норвегия — до 2025 года. Даже Индия и Китай рассчитывают запретить продажи дизельных и бензиновых авто с 2030 года. Париж, Мадрид, Афины и Мексика запретят к использованию дизельные машины с 2025 года.

Сжигание водорода в ДВС

Сжигание водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания кажется самым простым и логичным способом применения газа, ведь водород легко воспламеняется и сгорает без остатка. Однако из-за разницы в свойствах бензина и водорода перевести ДВС на новый вид топлива оказалось не так-то просто. Сложности возникли с долгосрочной эксплуатацией движков: водород вызывал перегрев клапанов, поршневой группы и масла, из-за втрое большей, чем у бензина, теплоты сгорания (141 МДж/кг против 44 МДж/кг). Водород неплохо показывал себя на низких оборотах движка, но при росте нагрузки возникала детонация. Возможным решением проблемы была замена водорода на бензиново-водородную смесь, концентрация газа в которой динамически уменьшалась по мере роста оборотов двигателя.

Двухтопливная BMW Hydrogen 7 в кузове E65 сжигает водород в ДВС вместо бензина

Источник: Sachi Gahan / Flickr

Одним из немногих серийных автомобилей, где водород сжигался в ДВС подобно другому топливу, стал BMW Hydrogen 7, вышедший всего в 100 экземплярах в 2006–2008 годах. Модифицированный шестилитровый ДВС V12 работал на бензине или водороде, переключение между видами топлива происходило автоматически.

Несмотря на успешное решение проблемы перегрева клапанов, на этом проекте все равно поставили крест. Во-первых, при сжигании водорода мощность двигателя падала примерно на 20% — с 260 л. с. на бензине до 228 л. с. Во-вторых, 8 кг водорода хватало всего на 200 км пробега, что в разы меньше, чем в случае с дизельными элементами. В-третьих, Hydrogen 7 появился слишком рано — когда «зеленые» автомобили еще не были так актуальны. В-четвертых, ходили упорные слухи, что Агентство по охране окружающей среды США не разрешило называть Hydrogen 7 автомобилем без вредного выхлопа — из-за особенностей работы ДВС, частицы моторного масла попадали в камеру сгорания и там воспламенялись вместе с водородом.

Mazda RX-8 Hydrogen RE — тот случай, когда водород загубил всю динамику роторного двигателя. Источник: Mazda

Еще раньше, в 2003 году, была представлена двухтопливная Mazda RX-8 Hydrogen RE, добравшаяся до заказчиков только к 2007 году. При переходе на водород от мощности легендарного роторного RX-8 не оставалось и следа — мощность падала с 206 до 107 л. с., а максимальная скорость — до 170 км/ч.

BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 Hydrogen RE были лебединой песней водородных ДВС: к моменту появления этих автомобилей стало окончательно ясно, что куда эффективней использовать водород в давно известных топливных элементах, чем просто жечь.

Топливные элементы в автомобилях

Первым успешным экспериментом по созданию транспортного средства на водородном топливном элементе можно считать трактор Гарри Карла, построенный в 1959 году. Правда, замена дизеля на топливный элемент снизила мощность трактора до 20 л. с.

В последние полвека водородный транспорт выпускался в штучных экземплярах. Например, в 2001 году в США появился автобус Generation II, водород для которого производился из метанола. Топливные элементы создавали мощность до 100 кВт, то есть около 136 л. с. В том же году российский ВАЗ представил «Ниву» на водородных элементах, известную под именем «Антэл-1». Электродвигатель выдавал мощность до 25 кВт (34 л. с.), разгонял авто максимум до 85 км/ч и на одной заправке работал 200 км. Единственный произведенный автомобиль остался «лабораторией на колесах».

Российский автомобиль на водородных топливных элементах — в то время технологии ушли дальше дизайна. Источник: «АвтоВАЗ»

В 2013 году Toyota встряхнула автомобильный мир, представив модель Mirai на водородных топливных элементах. Уникальность ситуации была в том, что Toyota Mirai был не концепт-каром, а готовым к серийному производству автомобилем, продажи которого начались уже год спустя. В отличие от электромобилей на аккумуляторах, Mirai сама вырабатывала электричество для себя.

Toyota Mirai. Источник: Toyota

Электродвигатель переднеприводной Mirai имеет максимальную мощность 154 л. с., что немного для современного электромобиля, но весьма неплохо в сравнении с водородными авто прошлого. Теоретический запас хода на 5 кг водорода составляет 500 км, фактический — около 350 км. Tesla Model S по паспорту может пройти 540 км. Вот только на заправку полного бака водорода уходит 3 минуты, а батарея Tesla заряжается до 100% за 75 минут на станциях Tesla Supercharger и до 30 часов от обычной розетки на 220 В.

Постоянный ток из 370 водородных топливных элементов Mirai преобразуется в переменный, а напряжение увеличивается до 650 В. Максимальная скорость машины достигает 175 км/ч — немного в сравнении с углеводородным топливом, но более чем достаточно для повседневной езды. Для запаса энергии используется никель-металл-гидридный аккумулятор на 21 кВт∙ч, в который передаётся избыток от топливных элементов и энергия рекуперативного торможения. Учитывая японские реалии, при которых населённые пункты могут в любой момент пострадать от землетрясения, в багажнике Mirai 2016-го модельного года установлен разъем CHAdeMO, через который можно организовать электроснабжение небольшого частного дома, что делает автомобиль генератором на колёсах с предельной ёмкостью 150 кВт∙ч.

Кстати, всего за несколько лет Toyota удалось значительно уменьшить массу генератора: если в начале века в прототипах он весил 108 кг и выдавал 122 л. с., то в Mirai топливный элемент вдвое компактней (объем 37 литров) и весит 56 кг. Справедливо будет прибавить к этому 87 кг топливных баков.

Для сравнения, популярный современный турбомотор Volkswagen 1.4 TSI схожей с Mirai мощностью 140–160 л.с. славится своей «лёгкостью» благодаря алюминиевой конструкции — он весит 106 кг плюс 38–45 кг бензина в баке. Кстати, батарея Tesla Model S весит 540 кг!

За 4 км пробега Mirai вырабатывает только 240 мл дистиллированной, относительно безопасной для питья воды — энтузиасты, пробовавшие «выхлоп» Mirai, сообщали только о лёгком привкусе пластика.

Пить воду, слитую из Mirai, безопасно, хотя сперва зрелище шокирует

В Toyota Mirai установлено сразу два бака для водорода на 60 и 62 литра, в сумме вмещающих 5 кг водорода под давлением 700 атмосфер. Toyota разрабатывает и производит водородные баки самостоятельно вот уже 18 лет. Бак Mirai сделан из нескольких слоёв пластика с углеволокном и стеклотканью. Использование таких материалов, во-первых, повысило стойкость хранилищ к деформации и пробитию, а, во-вторых, решило проблему наводораживания металла, из-за которого стальные баки теряли свои свойства, гибкость и покрывались микротрещинами.

Строение Toyota Mirai. Спереди расположен электродвигатель, топливный элемент спрятан под водительским сидением, а под задним рядом и в багажнике установлены баки и аккумулятор. Источник: Toyota

Каковы перспективы?

По оценкам Bloomberg, к 2040 году автомобили будут потреблять 1900 тераватт-час вместо 13 млн баррелей в сутки, то есть 8% от спроса на электричество по состоянию на 2015 год. 8% — пустяк, если учесть, что сейчас до 70% добываемой в мире нефти уходит на производство топлива для транспорта.

Перспективы рынка аккумуляторных электромобилей куда более явные и впечатляющие, чем в случае с водородными топливными ячейками. В 2017 году рынок электромобилей составлял 17,4 млрд долларов, в то время как водородный автомобильный рынок оценивался в 2 млрд долларов. Несмотря на такую разницу, инвесторы продолжают интересоваться водородной энергетикой и финансировать новые разработки.

Примером тому является созданный в 2017 году «Водородный совет» (Hydrogen Council), включающий 39 крупные компании, таких как Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Его целью является исследование и разработка новых водородных технологий и их последующее внедрение в нашу жизнь.