admin / 20.08.2018

Автомобили на водородном топливе

Что такое топливные элементы и их применение в автомобилестроении

Сэр Уильям Грове знал много об электролизе, поэтому он выдвинул гипотезу, что путем процесса (который расщепляет воду на составляющие водород и кислород путем проведения электричества через нее) он может производить электричество, если провести его в обратном порядке. После расчётов на бумаге, он подошел к экспериментальной стадии и сумел доказать свои идеи. Доказанную гипотезу развили ученые Людвиг Монд и его помощник Чарльз Лангре, усовершенствовали технологию и еще в 1889 году дали ей название в которые входили два слова- «топливный элемент».

Сейчас это словосочетание крепко вошло в обиход автомобилистов. Вы безусловно слышали этот термин «топливный элемент» и не единожды. В новостях в интернете, по телевизору все чаще мелькают новомодные слова. Обычно они относятся к рассказам о новейших гибридных автомобилях или программах развития этих гибридных автомобилей.

Например, еще 11 лет назад в США была запущена программа «The Hydrogen Fuel Initiative». Программа была направлена ​​на разработку водородных топливных элементов и технологий инфраструктуры, необходимых для того, чтобы сделать транспортные средства использующие топливные элементы практичными и экономически продуманными, рентабельными к 2020 году. Кстати, за это время на программу было выделено более 1 млрд. долларов, что говорит о серьезной ставке, которую сделали власти Штатов на развитие экологически дружелюбных технологий.

По другую сторону океана производители автомобилей также не дремали, начинали или продолжали проводить свои изыскания на тему машин с топливными элементами. Honda, Toyota, Mercedes-Benz и даже Hyundai продолжал работать над созданием надежной технологии топливных элементов.

Наибольшего успеха на данном поприще среди всех мировых автопроизводителей добились две японских автопроизводителя, Toyota и Honda. Их модели на топливных элементах уже пошли в серийное производство, в тоже время их конкуренты следует прямо за ними.

Поэтому, топливные элементы в автомобильной индустрии- это надолго. Рассмотрим принципы работы технологии и ее применение в современных автомобилях.

Принцип работы топливного элемента

В сущности, топливный элемент представляет собой двигатель без движущихся частей. С технической точки зрения определить топливный элемент можно как электрохимическое устройство для преобразования энергии. Он преобразует частицы водорода и кислорода в воду, в процессе попутно производя электричество, постоянный ток.

Существует множество типов топливных элементов, некоторые из них уже используются в автомобилях, другие проходят исследовательские тесты. В большинстве из них используется водород и кислород в качестве основных химических элементов необходимых для преобразования.

Аналогичная процедура происходит в обычной батарее, отличие только в том, что батарея уже имеет все необходимые химические вещества, требуемые для преобразования «на борту», в то время как топливный элемент может быть «заряжаться» от внешнего источника, благодаря чему процесс «производства» электричества может быть продолжен. Помимо водяного пара и электричества, другим побочным продуктом процедуры является выделяемое тепло.

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

wikipedia.org

Применение в автомобилях

Из всех типов топливных элементов, по- видимому наилучшим кандидатом для применения в транспортных средствах стали топливные элементы на основе протонообменных мембран или как их называют на западе- Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Основными причинами этого являются его высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура, а это в свою очередь означает, что у него не потребуется много времени для того чтобы привести топливные элементы в рабочий режим. Они оперативно разогреются и начнут производить необходимое количество электроэнергии. В ее основе используется также одна из самых простых реакций из всех типов топливных элементов.

Смотрите также: Виды аккумуляторов, их преимущества и слабые стороны

Первое транспортное средство с этой технологией было сделано еще в 1994 году, когда Mercedes-Benz представил прототип MB100 созданный на основе NECAR1 (новый электрический автомобиль 1). Помимо малой выходной мощности (всего 50 киловатт), самый большой недостаток этой концепции заключалась в том, что топливный элемент занимал весь объем грузового отсека фургона.

Кроме того, с точки зрения пассивной безопасности, это была ужасная идея для массового производства, принимая во внимание необходимость установки на борту массивного резервуара, заполненного легковоспламеняющимся водородом под давлением.

В течение следующего десятилетия технология развивалась и одна из последних концепций, созданных на топливных элементах от Мерседес имел выходную мощность 115 л.с. (85 квт) и диапазон действия около 400 километров перед дозаправкой. Конечно, немцы были не единственными пионерами в разработке топливных элементов будущего. Не забывайте про двух японцев, Toyota и Honda. Одним из крупнейших автомобильных игроков стала Honda, который представил серийный автомобиль с силовой установкой на водородных топливных элементах. Продажи FCX Clarity в лизинг на территории США начались летом 2008 года, чуть позже реализация автомобиля перешла в Японию.

Еще дальше пошла Toyota с моделью Mirai, чья прогрессивная система топливных элементов, работающая на водороде, по- видимому способна предоставить футуристичному автомобилю диапазон действия в 520 км на одном баке, который может быть заправляемого менее чем за пять минут, так же как обычный автомобиль. Показатели расхода топлива поразят любого скептика, они невероятны даже для автомобиля с классической силовой установкой Toyota Mirai расходует 3.5 литра независимо от того в каких условиях используется автомобиль, в городе, на шоссе или в смешанном цикле.

Прошло восемь лет. Honda потратила это время с пользой для своего дела. Второе поколение Honda FCX Clarity сейчас появляется в продаже. Ее батареи топливных элементов стали на 33% более компактными, чем у первой модели, удельная мощность увеличилась на 60%. Honda уверяет, что топливный элемент и интегрированный силовой агрегат в Clarity Fuel Cell по размерам сравним с двигателем V6, что оставляет достаточно внутреннего пространства для пяти пассажиров и их багажа.

Предполагаемый диапазон составляет 500 км, а стартовая цена новинки должна закрепиться на уровне в $60,000. Дорого? Наоборот, очень даже дешево. В начале 2000 автомобили с подобными технологиями стоили $100.000.

Смотрите также: 2016 World Car of the Year, победители и проигравшие

Учитывая ограничения присущие данной технологии в автомобилях, в связи с отсутствием заправочной инфраструктуры, являющейся наибольшим препятствием, машины на топливных элементах вряд ли смогут конкурировать с более традиционными автомобилями в ближайшие 15-20 лет, но в долгосрочной перспективе, они могут оказаться более жизнеспособными. Налоги на загрязнение и экологические законы становятся все более и более жесткими, и наряду с непрерывным ростом потребления ископаемого топлива, это может убедить правительства разных стран и производителей автомобилей вкладываться в экологичную технологию еще активнее.

Источник: http://www.1gai.ru/publ/516646-tehnologiya-toplivnyh-elementov-i-ee-ispolzovanie-v-avtomobilyah.html

Почему мы никогда не будем ездить на водородных автомобилях

Недавно Toyota объявила о том, что передаёт все свои патенты, связанные с автомобилями на топливных элементах в публичное пространство, и теперь они доступны для использования совершенно бесплатно. Новость умиляет тем, что патентов набралось аж 5 680 штук, задумайтесь только, как старались корпоративные юристы, патентуя всё вплоть до округлостей на кнопках. Но дело не только в этом, ведь в прошлом году именно Tesla стала первой, кто в мире патентных троллей и бесконечных судов открыл свои патенты. К слову, их у компании, выпускающей самый известный электромобиль, было меньше трёх сотен.

Toyota Mirai — первый в мире автомобиль на водородных топливных
элементах, который можно будет купить, а не взять в лизинг.

Но я хочу поговорить не столько об этом событии, сколько о том, почему даже появление первого автомобиля на топливных элементах, который можно купить, ничего не меняет для водородных автомобилей, и почему эта ветвь развития является абсолютно тупиковый. Илон Маск, CEO Tesla Motors, называет топливные элементы (fuel cells) «fool cells» (элементы одурачивания), аккумуляторные эксперты сходятся в том, что все в индустрии знают, что топливные элементы это ерунда, просто не все признают это, я же сосредоточусь на фактах.

Из-за падения цен на нефть стоимость галлона (3.76 литра) бензина в США упала
до $2, но даже во время дорогой нефти цена не поднималась выше $4.

1. Водород дорог.
Это просто факт. Сейчас рыночная цена на газ — $8.96 за эквивалент галлона бензина, 0.997 кг (

данные за октябрь 2014 г.). Бак Toyota Mirai вмещает 5 кг водорода. Таким образом, одна заправка обошлась бы вам в $45 и её хватило на 480 км по методике тестирования EPA (данные ещё не проверены EPA, но вряд ли эта цифра окажется больше), что выливается в $9.38 за 100 км. Для сравнения, Toyota Prius проедет те же 100 км, потратив $2.76, а Tesla Model S — $2.99, если использовать ту же методику EPA и текущие средние американские цены.

К 2017 году Toyota планирует довести годовой выпуск Mirai до 2 100 штук.

Хотя существует множество оценок, предполагающих, что при больших объемах производства стоимость водорода снизится до $3 за кг (и приблизится к текущей цене на бензин), даже сама Toyota менее оптимистична в своих прогнозах: стоимость бака для Mirai снизится до $30 в будущем. Сейчас в США производится 7.31 миллионов кг ворода в день, в год около 2 600 миллионов килограмм. При среднегодовом пробеге около 21 500 км, его бы хватило для 12 миллионов автомобилей, то есть даже если бы водородных автомобилей в США продавали 10% от всех новых авто в течении 10 лет, производство лишь удвоилось, что не дало бы такого радикального снижения цены.

Предприятие по паровой конверсии природного газа в водород.

2. Производство водорода «грязнее» электрогенерации
Сейчас 95% водорода производится из углеводородов с помощью реакции паровой конверсии или частичного окисления. Остаётся от природного газа или углеводородов CO2, тот самый с которым все страны дружно борятся развитием альтернативной энергетики и альтернативных автомобилей. Если вспомнить, что в Европе и Азии, в отличие от США, нет своего природного газа, для того чтобы из него делать водород, то всё становится ещё печальней. Сейчас использование водорода ставит в прямую зависимость от цены на газ, что не сильно отличается от нефтяной зависимости, электричество же генерируется из десятка различных источников. Теоретически, водород можно получать электролизом, но сейчас такой газ для США будет в 3 раза дороже получаемого из метана. Более того, так как получение электричества не экологически чистый процесс, а конверсия электричества в водород, затем обратно из водорода в электричество в топливных элементах имеет низкий суммарный КПД, выбросы будут значительно выше, чем для электромобилей.

Реакция паровой конверсии метана: в качестве
побочного продукта выделяется пресловутый CO2

Для получения одного килограмма водорода требует52.5 кВтч на электролизере с 75% эффективностью. Таким образом, Toyota Mirai, используя водород, полученный с помощью электролиза будет тратить 54,69 кВтч на 100 км. Даже огромная, более чем 2-х тонная Model S потребляет 23.75 кВтч на 100 км, а Mirai заметно меньше и не может похвастаться разгоном до сотни за 4 секунды. Добавьте к этому транспортировку водорода, компрессию, строительство электролизеров, строительство водородных заправок и станет понятно, что даже теоретически это не путь по уменьшению вредных выбросов в атмосферу.

Водородная заправочная станция стоит $2 млн. и
способна заправить лишь 30 автомобилей за сутки.

3. Водородная инфраструктура очень дорога и не развита.
Одна водородная заправочная станция обходится в $2 миллиона. Калифорния уже потратила $100 миллионов на водородные заправочные станции. Высокую цену станции подтверждают и европейские источники, например только господдержка на одну станцию в Великобритании составляет £1 млн. Вы думаете, зато такая станция может обслужить сотни машин? Нет, станции рассчитаны на заправку максимум 30 автомобилей в день. С одной стороны больше и не надо, откуда там взяться хотя бы двум, но с другой стороны суперзарядка Tesla Motors на 6-12 стоек обходится компании в $100k — $150k, а более продвинутая версия с солнечными батареями на крыше и аккумуляторами на 500кВтч для сохранения солнечной энергии в «целых» $300k. Надо ли добавлять, что такая станция в действительности может обслужить больше сотни машин в день.

Всего за год без какой-то государственной помощи Tesla Motors сделала
возможными дальние поездки на Model S по Западной Европе.

Сейчас в США 13 водородных заправочных станций. В 2015 году планируют открыть ещё пару десятков. Я думаю, не ошибусь, если скажу, что эти планы следуют за водородными автомобилями на протяжении последних 10 лет. Правда, одна лишь компания Tesla Motors, используя часть прибыли от продажи своих электромобилей без государственных грантов, за один месяц, декабрь 2014 года открыла 54 своих суперзарядки, 12 из них в США, каждая на 6-8 зарядочных стоек. За год в Европе открыто более 120 суперзарядок, такое же количество водородных станций обошлось бы в четверть миллиарда долларов.

Водородный Hyundai Tucson стоит $144 400, и даже такая высокая
цена не означает, что он не субсидируется производителем.

4. Водородные автомобили дороги.
Хотя Toyota Mirai будет продаваться на американском рынке за $62 000, большинство экспертов сходится во мнении, что эта цена субсидирована производителем (1, 2) Точных цифр от самой Тойоты нет, косвенно же это подтверждается высказыванием главы R&D компании о том, что автомобили на топливных элементах смогуть быть конкурентными по цене с электромобилями к 2030 году и стоимостью топливных элементов. Субсидирование производителем подтверждает и цена в $144 400 Hyundai Tucson на топливных элементах, продающийся в Южной Коррее. Но даже после такой большой субсидии со стороны производителя, покупатели не торопятся покупать автомобили на топливных ячейках.
Баки из углепластика со сжатым под давлением 680 атмосфер
водородом располагаются под днищем Toyota Mirai.

5. Нет ни одного преимущества водородных автомобилей перед электромобилями.
Большую часть недостатков я уже перечислил. Оставлю за бортом безопасность: хотя я бы побоялся ездить на двух баллонах с водородом под днищем, производитель утверждает, что это безопасно, так давайте поверим ему. Попробуем найти хоть какие-то преимущества автомобилей на водороде перед электромобилями. Запас хода? У Toyota Mirai — 480 км, у Tesla Model S — 424 км, Tesla Roadster после обновления в следующем году сможет проехать почти 640 км, все цифры по одной и той же методике тестирования EPA, «яблоки с яблоками», что называется. А есть же ещё и плагин-гибриды, которые дают симбиоз экономичности электромобилей с возможностью движения на обычном топливе на дальние расстояния. В общем, запас хода после появление Tesla уже не аргумент.

Tesla Model S P85D разгоняется от 0 до 100 км/ч за 3.3 секунды, в то время как
водородные автомобили довольствуются лишь динамикой самых слабых «дизелей».

Динамика? Разгон Toyota Mirai (от $62 000 в США) около 10 секунд до сотни, электромобиль BMW i3 (от $42 000 в США) набирает ту же скорость за шесть с половиной секунд, a Model S P85D разгоняется до сотни как McLaren F1. Остаётся единственное преимущество — скорость заправки за 3 минуты. Это могло бы быть козырем, если когда-нибудь водородных заправок стало как бензиновых. До этого момента преимущество у электромобилей — постоянная зарядка дома или на работе обеспечивает полностью заряженный автомобиль без необходимости куда-то специально заезжать. А быстрая зарядка даёт возможность полностью зарядиться за время обеда с семьёй при поездках на дальние расстояни. Если же спор идёт за абсолютные цифры, быстрая замена батареи позволяет через 1,5 минуты продолжить движение с «полным баком».
Honda тоже планирует выпустить автомобиль на топливных элементах
в конце 2015 года, правда пока он больше похож на концепт.

Резонно возникает вопрос: а зачем тогда это всё Toyota и другим компаниям. Тут надо уточнить, что кроме японского гиганта интерес к автомобилям на топливных элементах в разное время возникал лишь у Honda, Hyundai и немцев (Audi, VW, Mercedes, BMW). Остальные автомобильные производители были к ним равнодушны. В то же время и от этих компаний всё чаще слышится снижение интереса (VW, BMW, Hyundai) к автомобилям на топливных ячейках. Итак,
Сомневаюсь, что недавно представленный
водородный концепт Mercedes F 015 вообще ездит.

Зачем автомобильные компании продолжают делать водородные автомобили?
а) Диверсификация
Разработка и создание рабочего прототипа может стоить всего $1 млн. Создание концепта для автосалона ещё проще — он не обязан ездить. Для компаний с десятками миллиардов долларов оборота — это просто капля в море. А вдруг стрельнет, а вдруг именно эта технология окажется перспективной через 5 лет.
б) Сотрудничество между компаниями
Honda и BMW активно сотрудничают с Toyota и было бы в каких-то случаях не этично и не дальновидно не поддерживать её.
Электрический Fiat 500e продаётся лишь в Калифорнии, США для соответствия
экологическому законодательству. В Европе об этой машине никто не слышал.

в) Соответствие экологическим требованиям
Экологические требования в развитых странах ужесточаются каждый год. Например, для Калифорнии несколько производителей выпускает электромобили только для того, чтобы соответствовать CARB-законодательству. Сейчас законодательство изменилось так, что выпустить один автомобиль на водородных топливных элементах стало выгоднее в 5 раз, чем электромобиль. Добавьте сюда поддержку установки заправочной инфраструктуры постоянными грантами и вы получите готовый рецепт существования автомобилей не нужных самим производителям.
За 15 лет все автомобили Toyota получили гибридные версии.

г) Маркетинг
15 лет назад Toyota создала уникальный для того времени автомобиль, гибрид Toyota Prius. Вначале его производство было даже убыточным для компании, но позже продажи увеличились, себестоимость снижалась, и сейчас слово гибрид и экономичность для всех ассоциируется, главным образом, с Toyota. Продажи гибридных автомобилей составляют приличную долю доходов компании и спустя 15 лет стали высокомаржинальными. И тут появляются электромобили и плагин-гибриды. В этом сегменте конкуренция быстро нарастает, хотя доля продаж ещё заметно меньше, чем у обычных гибридов. В то же время доля обычных гибридов начинает падать, а электромобили и плагин-гибриды растут каждый год. При этом у Toyota нет никаких серьёзных наработок в этом сегменте.

Что надо сделать? Правильно, нужно сделать «poker face», говорить, что всё это ерунда, и дальше продавать Prius-ы миллионами.

Источник: https://engineering-ru.livejournal.com/303902.html

Причины интереса к водородному транспорту

Использование водорода в качестве энергоносителя позволит как существенно сократить потребление ископаемых углеводородных топлив, так и значительно продвинутся в решении экологической проблемы снижения загрязнения атмосферы городов вредными для здоровья человека составляющими выхлопных газов автомобилей и тепловозов.

В 2009 году примерно 25 % выбросов углекислого газа в атмосферу Земли производилось в результате работы разного рода транспорта. По оценке МЭА, уже к 2050 году это число удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.

В морском транспорте зачастую используются низкокачественные дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы СО2 морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год.

Другой причиной повышения интереса к водородному транспорту является рост цен на энергоносители (в настоящее время подавляющее их большинство — уголь, нефть и их производные), дефицит топлива, стремление различных стран обрести энергетическую независимость.

Двигатель внутреннего сгорания

BMW Hydrogen 7 с водородным двигателем внутреннего сгорания

Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания. В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензиновым вариантом. Но если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до 117 % в сравнении с бензиновым вариантом, но тогда увеличится выход окислов азота из-за более высокой температуры в камере сгорания и возрастает вероятность подгорания клапанов и поршней при длительной работе на большой мощности. Кроме того, водород при температурах и давлениях, которые создаются в двигателе, способен вступать в реакцию с конструкционными материалами двигателя и смазкой, приводя к быстрому износу. Также водород очень летуч, из-за чего при использовании обычной карбюраторной системы питания может проникать в выпускной коллектор, где также воспламеняется из-за высокой температуры. Традиционные поршневые ДВС плохо приспособлены к работе на водороде. Обычно для работы на водороде используется роторный ДВС, так как в нём выпускной коллектор значительно удалён от впускного.

Современное применение

Автомобили на водородном топливе уже производятся. Среди компаний, которые производят такие автомобили — Toyota, Honda и Hyundai. Разработкой автомобилей на водородном топливе занимаются также Daimler, Audi, BMW, Ford, Nissan и др.

В 2016 году в Германии был представлен первый водородный поезд — Coradia iLint компании Alstom, поезд начнет курсировать по маршруту Букстехуде — Куксхафен в Нижней Саксонии с декабря 2017 года. Предполагается, что в итоге они заменят 4 тыс. дизельных региональных поездов, действующих в Германии на неэлектрофицированных участках железных дорог. В Alstom сообщают, что интерес к таким поездам также выразили Нидерланды, Дания и Норвегия.

Audi A7 h-tron quattro

В ограниченном количестве выпускаются:

  • BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 Hydrogen RE — двухтопливные (бензин/водород) легковые автомобили. Используют жидкий водород.
  • Audi A7 h-tron quattro — прототип электро-водородного гибридного легкового автомобиля.
  • Автобус Ford E-450 в варианте с водородным двигателем.
  • Городские низкопольные автобусы на водородном топливе компании MAN Truck & Bus.

Boeing Company разрабатывает беспилотный самолёт для больших высот и большой продолжительности полёта (High Altitude Long Endurance (HALE). На самолёте установлен HICE производства Ford Motor Company.

Водородные топливные элементы

Водородные топливные элементы могут производить электрическую энергию для электродвигателя на борту транспортного средства, заменив тем самым двигатель внутреннего сгорания, или применяться для бортового питания.

Первое транспортное средство на топливных элементах создала в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company (США). Щелочные топливные элементы (AFC) были установлены на трактор. В 1962 году — на автомобиль для гольфа. В 1967 году компания Union Carbide (США) установила топливные элементы на мотоцикл.

Автомобильный транспорт

«Водородные» Toyota Highlander FCHV и Hyundai Tucson FCEV на заднем плане.

Основное преимущество внедрения топливных элементов в наземные транспортные средства (например на автомобилях): предполагаемый высокий КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента — 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД в 57 %. . КПД классического свинцового аккумулятора выше — до 70-90 %. Но основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей — дороговизна и несовершенство аккумуляторов. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов.

На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.

В 2002 году Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель — снизить к 2010 году стоимость топливных элементов до $45 за 1 кВт установленной мощности и до $30 за 1 кВт к 2015 году (в долларах 2002 года, без учёта инфляции). Это означает, что бортовой источник электроэнергии для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л. с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания.

Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

  • Ford Motor Company — Focus FCV;
  • Honda — Honda FCX;
  • Hyundai — Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power);
  • Nissan — X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);
  • Toyota — Toyota Highlander FCHV, Toyota Mirai;
  • 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);

и другие единичные экземпляры в Бразилии, Китае, Чехии и т. д.

Первый в мире серийный автомобиль поступит в продажу в конце 2014 года:

  • Toyota Mirai— водородный гибридный автомобиль на топливных элементах.

С 2003 года по 2006 год 36 автобусов по программе Clean Urban Transport for Europe проехали более 2 млн км и перевезли 6 млн пассажиров.

Расход топлива

Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на 100 миль (160 км) пробега, то есть 6,4 литра бензинового эквивалента. Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л мощностью 85 кВт потребляет 5,8 л бензина на 100 км в условиях трассы.

National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использует среднюю дальность пробега легкового автомобиля равную 12000 миль в год (19200 км), потребление водорода — 1 кг на 60 миль (96 км) пробега. То есть одному легковому автомобилю на водородных топливных элементах в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день. Один килограмм водорода считают равным по энергетической ценности одному галлону (3,78 л) бензина.

Железнодорожный транспорт

Железнодорожные двигательные установки должны развивать довольно большую мощность, тогда как компактность железнодорожных двигательных установок менее важна чем на автомобильном транспорте. Железнодорожный транспорт представляет собой огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. В настоящее время около 60 % грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы. Еще одна выгодная возможность — построить, используя топливные элементы, локомотивы сочетающие достоинства тепловоза и электровоза (способность питаться от контактной сети на электрифицированных линиях и автономность при прохождении неэлектрифицированных участков).

18 февраля 2004 года японский Железнодорожный институт технических исследований впервые в мире испытал прототип поезда на водородных топливных элементах.

В США эксплуатация локомотива на водородных топливных элементах мощностью 2 тыс. л. с. должна была начаться в 2009 году. Локомотив создавался с 2003 года при участии Министерства обороны США (DoD) для нетактических военных целей и коммерческого использования.

В Дании водородный поезд курсирует между городами Vemb, Lemvig и Thyboron. Протяженность маршрута — 59 км, что ограничено ёмкостью водородных баков. Проект получил название Danish Hydrogen Train Project.

Разработки водородного железнодорожного подвижного состава также ведутся в Японии компаниями Hitachi и Kinki Sharyo.

Институт транспорта и инфраструктурных систем Fraunhofer (Германия) создал прототип гибрида трамвая и автобуса. AutoTram оснащен водородным топливным элементом и маховиком, который заряжается при торможении и разгоняет вагон при старте. Прототип имеет длину 18 метров, но институт заявляет, что возможно создание 56-метровых вагонов вместимостью на 300 пассажиров. Топливный элемент производства компании Ballard Power Systems, маховик компании CCM Nuenen. 10 кг водорода хранится на крыше. AutoTram развивает скорость 60 км/ч.

В Германии в 2018 г. пущен первый железнодорожный пассажирский состав на водородном топливе Coradia iLint. К 2021 г. запланирован пуск ещё 14 таких поездов.

Водный транспорт

Hydrogen challenger — германский танкер. Производит водород на борту из энергии ветра.

Для внедрения водородных топливных элементов в морской транспорт в Европе в 2003 году был создан консорциум FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships). В консорциум FellowSHIP входят компании Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik и Wärtsilä Automation Norway.

Также в Европе созданы:

  • Консорциум Fuel Cell Boat BV. В консорциум входят компании: Alewijnse, Integral, Linde Gas, Marine Service North и Lovers.
  • некоммерческая ассоциация Водорода и Топливных Элементов на Морском Транспорте (Marine Hydrogen & Fuel Cell Association MHFCA). В ассоциацию вошли 120 организаций. Цели ассоциации: разработка планов применения водорода на морском транспорте, установление контактов для совместных исследовательских проектов, определение приоритетов для развития, преодоление барьеров, разработка кодов, стандартов и правил использования водородных технологий в морских приложениях.

В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

Испанская судостроительная компания Navantia, S.A. планирует начать производство подводных лодок класса S-80 с силовыми установками на PEM водородных топливных элементах мощностью 300 кВт. Водород производится на борту подводной лодки из этанола. Поставщик топливных элементов компания UTC Power (США). S-80 предназначены для охраны побережья. Применение водородных топливных элементов позволит сократить уровень шумов, и увеличить время нахождения под водой.

Эксплуатация Zemships началась летом 2008 года.

Исландия планирует перевести на водород все рыболовецкие суда. Для производства водорода будет использоваться геотермальная энергия и энергия ГЭС.

Самолёт Boeing с силовой установкой на топливных элементах.

Первый пилотируемый полёт самолёта с силовой установкой на PEM топливных элементах мощностью 20 кВт. состоялся 3 апреля 2008 года. Проект разрабатывался компанией Boeing и группой европейских компаний. Топливные элементы производства компании UQM Technologies (США).

Fraunhofer Institute (Германия) разрабатывает беспилотный вертолёт с силовой установкой на водородных топливных элементах. (Вес топливного элемента — 30 грамм. Мощность — 12 ватт.).

Также беспилотные летательные аппараты на топливных элементах разрабатываются компаниями США и Израиля.

Вспомогательный транспорт

Вспомогательный транспорт, эксплуатируемый на ограниченных пространствах: складах, аэродромах, крупных промышленных фабриках, военных базах и т. д.

Наиболее активно водородные топливные элементы устанавливаются на складские вилочные погрузчики. Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Для обслуживания аккумуляторов 12 погрузчиков требуется 370 кв. м., тогда как водородная заправочная станция занимает площадь 18,5 кв.м. (данные испытаний Wal-Mart). На заправку водородом одного погрузчика требуется всего около 2 минут.

Крупные распределительные центры площадью 90000 м² требуют 100—300 погрузчиков и по три комплекта аккумуляторов на каждый погрузчик. Аккумуляторы меняются по 300 раз в сутки. Крупные розничные торговые сети (Wal-Mart, Kroger, Target, Sysco, SuperValu, Ahold и т. д.) управляют парком 5000-20000 складских погрузчиков.

В 2009 году в США начался активный перевод складских погрузчиков на водород. Свои погрузчики на водород начали переводить компании: Nestle, розничная сеть H-E-B (Техас), Anheuser Busch, Nissan, GENCO, Coca-Cola и другие.

Другие виды транспорта

Велосипед с водородными топливными элементами производства китайской компании Shanghai Pearl. Экспорт в Испанию начался в мае 2008 года.

Водородные топливные элементы устанавливаются на велосипеды, мотоциклы, скутеры, подводные лодки и др.

Бортовое питание

Этот раздел имеет чрезмерный объём или содержит маловажные подробности. Если вы не согласны с этим, пожалуйста, покажите в тексте существенность излагаемого материала. В противном случае раздел может быть удалён. Подробности могут быть на странице обсуждения.

Водородные топливные элементы могут использоваться и для бортового питания самолётов, морских судов, крупных грузовиков. Для бортового питания могут применяться SOFC-топливные элементы.

В 2006 году производители топливных элементов совместно с Европейским Агентством Авиационной Безопасности (EASA) начали разрабатывать стандарты сертификации топливных элементов для самолётов.

Airbus выступает координатором европейского проекта New Configured Aircraft (CELINA). Проект работает над снижением веса и размеров топливных элементов мощностью 400—600 кВт. 40 % электроэнергии Airbus A330-300 будет вырабатывать в водородных топливных элементах. Разработчикам поставлена цель — увеличить это количество до 60 %.

Первые лётные испытания установки для бортового питания на водородных топливных элементах мощностью 20 кВт. проведены Airbus в феврале 2008 года на самолёте Airbus A320.

Использование силовых установок на водородных топливных элементах на самолётах позволит снизить уровень шума, потребление топлива и выбросы экологически опасных газов.

Boeing также разрабатывает SOFC-топливные элементы для бортового питания. Силовая установка мощностью 440 кВт. позволит сократить потребление керосина на 75 % во время стоянки на земле. Боинг планирует завершить разработки к 2015 году.

В марте 2008 года во время экспедиции STS-123 шаттла Endeavour топливные элементы производства компании UTC Power преодолели рубеж в 100 тысяч операционных часов в космосе. Водородные топливные элементы производят энергию на борту шаттлов с 1981 года.

Факторы, сдерживающие внедрение водородных технологий

  • отсутствие водородной инфраструктуры (частично эту проблему можно разрешить в частности устройством домашних заправок при частных жилых домах).
  • несовершенные технологии хранения водорода (см. статью Хранение водорода);
  • отсутствие стандартов безопасности, хранения, транспортировки, применения и т. д.;
  • распространённые современные способы безопасного хранения водорода требуют большего объёма топливных баков, чем для бензина. Поэтому в разработанных на сегодняшний день автомобилях замена топлива на водород приводит к значительному уменьшению объёма багажника. Возможно в будущем эта проблема будет преодолена, но скорее всего за счёт некоторого увеличения габаритов легковых авто. (Для других классов автомобилей (автобусов, грузовых автомобилей, разнообразных специальных автомашин) проблема увеличения габаритов транспортного средства не столь остра. В частности, на автобусах топливные элементы могут размещаться на крыше кузова, подобно тому, как это делается, например, с троллейбусным электрооборудованием.

Критика водородного транспорта

  • Смесь водорода с воздухом взрывоопасна. Водород более опасен, чем бензин, так как горит в смеси с воздухом в более широком диапазоне концентраций. Бензин не горит при лямбда менее 0,5 и более 2, водород при таких соотношениях горит великолепно. Но водород, хранящийся в баках при высоком давлении, в случае пробоя бака очень быстро испаряется. Для транспорта разрабатываются специальные безопасные системы хранения водорода — баки с многослойными стенками, из специальных материалов и т. д. (К примеру, бак из нанотрубок, заполненных водородом.) Но всё равно это в целом удорожает весь цикл эксплуатации транспортного средства, ложась расходами на плечи потребителя.
  • Водородная силовая установка на базе традиционного ДВС значительно сложнее и дороже в обслуживании, чем обычный ДВС (особенно дизельный). По данным Массачусетского технологического института, эксплуатация водородного автомобиля на данном этапе развития водородных технологий обходится в сто раз дороже, чем бензинового.
  • Пока нет достаточного опыта эксплуатации водородного транспорта.
  • Нет возможности быстрой дозаправки в пути из канистры или от другого автомобиля.
  • Для заправки водородом требуется построить сеть заправочных станций. Для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким водородом, стоимость оборудования выше, чем для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким топливом (бензином, этанолом и дизельным топливом). (Согласно GM, строительство 12 тысяч водородных заправочных станций в 2005 году оценивалось в $12 млрд, то есть $1 млн на одну заправочную станцию, в то время как комплект оборудования для бензиновых заправочных станций стоит от $40 тыс., в среднем $100-200 тыс.) .
  • Цена 8 евро за литр (500 руб)..
  • Летучесть водорода самая высокая среди газов. Таким образом, водород трудно сохранить в жидком виде, это затрудняет хранение водорода, транспортировку и использование в баке, так как топливо полностью испарится из бака за короткое время. За девять дней испаряется полбака топлива BMW Hydrogen
  • В настоящий момент водород производится путём расхода значительного количества электроэнергии

> Конкурирующие технологии

  • Электромобиль
  • Гибридный автомобиль
  • Транспортные средства на жидком азоте
  • Транспортные средства на сжатом воздухе

> См. также

  • Топливный элемент
  • Водородная заправочная станция
  • Водородное шоссе
  • Автомобиль на воде

Примечания

  1. Любимцев В. В. «Вопросы и ответы» — М.: Дрофа, 1995; ISBN 5-7107-0448-2
  2. 1 2 Канило П. М., Костенко К. В. Перспективы становления водородной энергетики и транспорта // Автомобильный транспорт (Харьков). — 2008. — № 23. — С. 107-113.
  3. Transport, Energy and CO2: Moving toward Sustainability // IEA
  4. Транспортники обсудят вопросы экологии в Токио (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  5. John Vidal, True scale of C0 ₂emissions from shipping revealed// The Guardian, 13 February 2008
  6. 1 2 3 4 Мацкерле Ю. 19.Водород и возможности его применения в автомобиле // Современный экономичный автомобиль = Automobil s lepší účinností / Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А.Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — С. 273 — 282. — 320 с.
  7. 1 2 3 Водородная сказка
  8. Hydrogen Internal Combustion Engines as a Transitionary Technology
  9. Первый в мире водородный поезд выходит в серийное производство //
  10. Candace Lombardi. Vegas adds Ford hydrogen buses to fleet (англ.). CNET (13 August 2007). Дата обращения 22 января 2019.
  11. Hydrogen Transports! Clean Public Transport Buses are Here and Now!
  12. Boeing представил мощнейший водородный беспилотник 14 июля 2010
  13. HyPower Receives Order for Additional On-Board Hydrogen Units from Cox Sanitation
  14. Reno News & Review — Hydrogen generators get a test drive in the search for fuel economy and lower emissions. — Green — Green Guide — August 7, 2008. Дата обращения 3 апреля 2013. Архивировано 4 апреля 2013 года.
  15. ОГЛЯДЫВАЯСЬ НА ПРОЙДЕННЫЙ ПУТЬ 2008, № 14 (недоступная ссылка) (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  16. Первый пилотируемый самолёт на топливных элементах поднялся в воздух
  17. Ballard Power Pre-Production Fuel Cell Bus Fleet Program Advancing for 2010 Olympic Winter Games
  18. DOE Hydrogen Program Record, October 31, 2008
  19. Водородный седан Toyota Mirai выходит в продажу 15 декабря 2014 года
  20. Hydrogen Data
  21. Kazuhiko Tezuka. 20 Years of Railway Technical Research Institute (RTRI) (англ.) // Japan Railway & Transport Review : журнал. — 2007. — No. 47. — P. 9–15.
  22. BNSF explores the fuel cell Railway Gazette International (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  23. 2007 Niche Transport Transport Survey Volume 1 (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  24. The Hydrogen Train Архивная копия от 19 июля 2011 на Wayback Machine (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  25. The Hydrogen Train/ Feasibility Study — Main Report July 2005 — August 2006 Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  26. Nihon Keizai Shimbun July 15, 2003
  27. Projekt: AutoTram Архивная копия от 10 июня 2007 на Wayback Machine (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  28. Deutsche Welle 17.09.2018 Инза Вреде Поезд на водороде — европейский технологический прорыв с оговорками
  29. FellowSHIP: Fuel Cells on the Brink of Commercialization
  30. Boeing Successfully Flies Fuel Cell-Powered Airplane
  31. Fraunhofer Researchers working on helicopters with fuel cells (недоступная ссылка) (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  32. Nestlé Waters Converts Lift Trucks from LPG to Hydrogen Fuel Cells
  33. Nuvera to Deliver Fuel Cell Systems and Hydrogen Station to H-E-B Архивная копия от 20 августа 2009 на Wayback Machine (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  34. Fuel cells to power A-B forklifts
  35. Nissan North America Deploys Oorja Direct Methanol Fuel Cell Packs for Material Handling Equipment
  36. GENCO PURCHASES 136 GENDRIVE FUEL CELLS FROM PLUG POWER (недоступная ссылка) (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  37. Coca-Cola Consolidated to Install Hydrogen Fueled Forklifts
  38. «Airbus has successfully tested a fuel cells system in flight Архивная копия от 16 апреля 2008 на Wayback Machine»
  39. UTC Power Fuel Cells Achieve Milestone, Topping 100,000 Hours in Space (недоступная ссылка)
  40. Моделирование утечки топлива. Сравнение водорода с бензином. Университет Майами, 2001
  41. GM Plans Fuel-Cell Propulsion Vehicles
  42. Авто заправочная станция Архивированно 25 января 2013 года (недоступная ссылка с 18-07-2013 )
  43. 1 2 Водородный взрыв. Архивная копия от 14 февраля 2015 на Wayback Machine
  44. Подорожанский М. Водородная Нива // Авторевю : газета. — М.: Авторевю, 2001. — № 16. Архивировано 8 сентября 2011 года. Цитата: «Сейчас на производство одного кубометра молекулярного водорода на электролизных заводах нужно затратить в среднем от четырех до пяти киловатт энергии. Всерьез говорить о водороде в качестве автомобильного топлива можно лишь в том случае, если он будет производится из энергии, которая может производиться на гидроэлектростанциях, либо на приливных электростанциях, либо из другого более дешевого альтернативного источника электроэнергии и не будет требовать сжигания ископаемого топлива, так как само ископаемое топливо (нефть, газ, уголь) является лучшей альтернативой водороду. Сейчас существуют проекты по строительству Мезенской и Пенжинской приливных электростанций и как вариант использования огромного количества энергии, вырабатываемой этими мощными станциями, является производство водорода с его последующей транспортировкой в более населенные части страны.

FILED UNDER : Разное

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*