CC BY
652
ГРНТИ 73.31.09 А. Б. Шаяхметов
к.т.н., доцент, Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова, г. Костанай, 110000, Республика Казахстан e-mail: shayahmetov0501@mail.ru
ПЕРСПЕКТИВЫ ПЕРЕХОДА НА ВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО
В настоящей статье автор рассматривает аспекты перехода автомобильного транспорта на водородное топливо. Мировые производители проводят испытание в этой сфере, и даже выпускают автотранспорт на водородном топливе. Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде — это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов. Современные автомобили на водороде находятся пока в стадии проектирования, а вернее выпускать серийно опытные модели пока не собираются из-за неразвитой инфраструктуры заправок автотранспорта водородным топливом. В промышленных масштабах получить водород электролизом воды недешево, поэтому автокомпании пока не спешат на него переходить, ожидая более дешевый и простой способ получения водородного топлива.
Ключевые слова: транспорт, автомобиль, топливо, водород.
ВВЕДЕНИЕ
Водород обладает чудесными характеристиками, его почти не применяют на автотранспорте потому, что люди привыкли использовать бензин, хотя он и дорожает с каждым днем. Также ведущие автокомпании постоянно откладывают сроки перехода на водородное топливо, мотивируя это тем, что установки для получения водорода появятся только к 2030 году. Европейские и американские аналитики могут быть правы в этих подсчетах, но есть множество доказательств экстренного перевода на водород целого автопарка.
Применение водорода в качестве топлива началось еще в XIX веке, когда французский изобретатель Франсуа Исаака де Риваз в 1806 году разработал самый первый в мире ДВС, потребляющий водородное топливо. Необходимую электрическую энергию он получал методом электролиза воды. Позже бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар заставил самоходный экипаж двигаться с помощью энергии водорода. Так бы водород и служил бы человечеству в качестве основного топлива, но в 1870 году в ДВС стали применять бензин, сведя на нет первые опыты с водородным топливом.
О водороде вспомнили только в блокадном Ленинграде в конце 1941 года, благодаря военному технику Б. И. Шелищу, который предложил использовать отработанный водородный газ от аэростатов для заправки автотранспорта. Всего лишь за неделю группа техников переоборудовала на водородное топливо 600 грузовиков ГАЗ. После войны об этом изобретении снова забыли, перейдя опять на бензин [1].
В 1970 годах, когда произошел энергетический кризис, люди опять оценили необходимость альтернативных источников энергии. Так, на Украинском ИПМ был переоборудован весь автомобильный парк на водородное топливо, отлично
справившийся с топливным кризисом. Об успешных экспериментах снова забыли после распада Советского Союза.
Современные автомобили на водороде находятся пока в стадии проектирования, а вернее выпускать серийно опытные модели пока не собираются из-за неразвитой инфраструктуры заправок автотранспорта водородным топливом. В промышленных масштабах получить водород электролизом воды недешево, поэтому автокомпании пока не спешат на него переходить, ожидая более дешевый и простой способ получения водородного топлива.
Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде - это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов. Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны. Бесшумность. КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.
Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:
- дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах;
- отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта;
- не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде;
- дорогие водородные элементы;
- большой вес транспорта.
Работа электродвигателя на водородном топливе требует водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.
Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.
Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы. От ученых необходима разработка инфраструктуры, обнаружение способа добычи водорода, составление инструкции по эксплуатации водородного топлива.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Мировые производители все же проводят испытание в этой сфере, и даже выпускают автотранспорт на водородном топливе.
В ноябре 2013 года концерн «Toyota» представил на всеобщее обозрение новый автомобиль - презентабельный седан, который первым был разработан компанией как гибридное водородное авто на топливных элементах. Презентация проводилась в одном из крупнейших автосалонов Токио, где президентом компании было объявлено название оригинального изобретения, «Toyota Mirai», а также были озвучены планы концерна на ближайшее будущее [2].
В основу новой модели была взята «Toyota FCV». При этом основные системы и агрегаты качественно усовершенствовали и модернизировали, создав обособленный шедевр автомобильного производства. Оптимальный клиренс в 130 мм, уютные пропорции четырехместного седана и передний привод довершает базовая комплектация с легкосплавными дисками R17 и уникальной гибридной установкой FCA110.
Рисунок 1 - «Toyota Mirai»
Именно эта установка позволяет автомобилю производить действия и выполнять свои функции при помощи водородных топливных элементов - при химической реакции между кислородом и водородом, и выработанной вследствие этого электроэнергии.
Процесс горения при этом не происходит, а преобразование водорода в электрический ток осуществляется с максимальным КПД в 83 % (это при среднем показателе КПД двигателей автомобилей «Toyota» - 23 %).
Рисунок 2 - Резервуар (баллон) для водорода
Электродвигатель новой Toyota Mirai обладает максимальной мощностью в 154 лошадиные силы или 113 киловатт. Вырабатываемое при помощи топливных элементов электричество проходит через специальный повышающий преобразователь. Далее происходит преобразование постоянного тока в переменный, увеличивая напряжение до 650 вольт.
О преимуществах нового автомобиля можно говорить достаточно долго. Особенно уверенно и выигрышно они выглядят в сравнении с любыми современными транспортными средствами, оснащенными двигателями внутреннего сгорания или гибридами.
Основными достоинствами «Toyota Mirai» можно считать следующие:
- быстрая заправка - не более чем три минуты уходят на заправку двух резервуаров;
- нулевые выбросы вредных веществ в атмосферу;
- запас хода на одной заправке (одного бака хватит на 650 км).
Рисунок 3 - Заправочный кран
Даже в сравнении с электромобилями Mirai - более успешный агрегат, учитывая хотя бы то, что электромобили заряжаются несколько часов и проехать на одной подзарядке могут гораздо меньшее расстояние.
Стоимость водородных автомобилей нового поколения по приблизительным расчетам будет колебаться в пределах 57-70 тысяч долларов. Toyota Mirai поступит в «ин трейд» уже в декабре 2014 года (для автомобильного рынка Японии), а в странах Европы и Соединенных Штатах продажи водородной Тойоты стартовали в 2015 году.
Еще одним не до конца решенным вопросом остается проблема заправки водородных автомобилей при их массовой продаже. В некоторых странах водородные заправочные станции уже начинают появляться, однако широкого развития пока не наблюдается.
Например, по всей Европе таких заправок всего 82, в Америке - 124, в Китае можно насчитать 23 водородные заправочные станции.
Еще один японский производитель заявил на днях, что пускает в серию свой водородный автомобиль - Honda FCV (первый прототип Honda FCX Clarity был
выпущен еще в 1999 году) и новая Fuel Cell experimental Хонда будет продаваться в Японии, Европе и США.
Hyundai ix35 Fuel Cell, первая в мире серийная модель, оснащенная водородными топливными элементами, станет участником программы по расширению сети водородных транспортных средств Лондона. Hyundai Motor, будучи одним из главных игроков на рынке водородных разработок для автомобилей, участвует в проекте по расширению сети водородных транспортных средств, охватывающем не только Лондон, но и юго-восток Великобритании. Проект финансируется государством совместно с Советом по технологическому развитию. Инициатива направлена на внедрение гибридного транспорта в постоянное пользование и расширение сети заправок с альтернативным топливом для удобства водителей. Основная идея новой модели Hyundai ix35 Fuel Cell заключается в создании столь же практичного, безопасного и приятного в управлении автомобиля, как и его прототип - компактный кроссовер ix35, но с нулевым уровнем выброса вредных веществ. Пропорционально сохранились и показатели производительности: максимальная скорость - 160 км/ч, разгон до 100 км/ч за 12,5 секунд и экономичный расход топлива - полный бак на 600 км. Но самое главное - никаких вредных выбросов, только вода [3].
Предоставленные автомобили будут сдаваться в аренду ключевым государственным и частным автопаркам столицы. Hyundai планирует произвести около 1000 экземпляров модели на заводе в городе Ульсан Южной Кореи. Большая часть из этой партии будет направлена в Европу, где Европейская комиссия инициировала ряд проектов, направленных на популяризацию использования водорода как топлива с нулевым уровнем выбросов. В этом направлении работает, например, Объединенное предприятие производителей топливных элементов и водорода (Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking). Основным преимуществом автомобиля на водородном
Рисунок 4 - Honda FCV
топливе является быстрая заправка, занимающая не более 2-3 минут. Поэтому приобретение Hyundai ix35 Fuel Cell не заставит автолюбителей идти на компромиссы. Hyundai Motor занимается производством водородных автомобилей уже больше 15 лет, но только сейчас, с появлением сетей водородных заправок, запуск модели ix35 Fuel Cell в серийное производство стал актуальным.
После ряда неудачных попыток поставить производство автомобилей на водородном топливе на конвейер, наконец, появилось реальное будущее здесь, в Великобритании. Этому во многом способствовали результаты работы London Hydrogen Partnership и реализация таких инициатив, как, например, проект по расширению сети водородных транспортных средств Лондона под руководством Air Products. Благодаря такому партнерству повсеместное использование водородных автомобилей станет реальностью в ближайшем будущем. Уже сейчас в Лондоне открыты 2 водородные заправки, одна из которых находится в общественном доступе.
BMW разработала и выпустила новую модель BMW 7 с использованием водородного топлива, первый в мире водородный автомобиль седан класса люкс. Основан на базе BMW 7 серии оснащен двигателем внутреннего сгорания, способен работать на жидком водороде или бензине. Автомобиль, работая в режиме водорода, выбрасывает с выхлопной трубы только водяной пар. Работая на 12-цилиндровым двигателем, разгоняется с нуля до 62 миль в час за 9,5 секунды, прежде чем перейдет к ограничению электроникой максимальной скорости. Благодаря своей уникальной двойной системе питания двигателя, водитель может переключаться быстро и легко из водорода на бензин обычным нажатием кнопки на рулевом колесе. Двойная технология топлива означает, что автомобиль имеет запас хода более 125 миль, и в случае расхода водорода, еще проедет 300 миль на бензине. Чтобы сделать это возможным производители BMW 7 комплектуют обычным 74-литровым бензобаком и дополнительным топливным баком для хранения до 8 кг жидкого водорода. Такая гибкость означает, водитель BMW 7 может использовать транспортное средство в любое время, даже тогда, когда ближайший водородных заправочных станций нет в ближайшей окрестности. Водитель может, переключаться между двумя режимами, не влияя на поведение двигателя или производительность. Автомобиль всегда отдает приоритет использования водорода, но, если он закончится, он автоматически переключается на бензиновое топливо для ощущения драйва и наслаждения водителя, мощностью двигателя и крутящего момента [4].
В Китайском городе Таншань провинции Хэбей запущен в коммерческую эксплуатацию первый в мире трамвай на водородном топливе. Этот трамвай обладает рядом преимуществ по сравнению с обычными трамваями по комфорту, скорости, экологичности и экономичности. Трамвай при движении не выделяет никаких загрязняющих веществ. Температура реакции внутри двигателя меньше 100 градусов, поэтому вредных выбросов не образуется. Единственным отходом от отработки водородного топлива - вода. Дорожный просвет сократился до 35 сантиметров. Таким образом, для посадки пассажиров не обязательно строить
платформы, что существенно экономит денежные средства. Заправка такого трамвая длится 15 минут, а топлива хватает на 40 километров. Этот чудо-трамвай может развивать скорость до 70 километров в час. Разработчиками нового городского транспорта стала корпорация China Railway Rolling Corporation (CRRC) [5].
Рассмотрим, как работает автомобиль на водородном топливе. Автомобиль на водородном топливе имеет так называемый топливный элемент или по-научному - электрохимический генератор. Это своего рода «вечная» батарейка, внутри которой идет реакция окисления водорода и на выходе получается чистый водяной пар, азот и электричество. т.е. выхлоп такого водородного автомобиля экологический чистый, в нем содержание углекислого газа CO2 равняется нулю.
Автомобиль с топливными элементами, по сути электромобиль. Только с более компактной батареей: ёмкость литий-ионного аккумулятора в 10 раз меньше, чем обычного электромобиля. Здесь батарея нужна только в качестве буфера для хранения энергии, получаемой при рекуперативном торможении и для быстрого холодного старта.
Все дело в том, что главный источник энергии - блок топливных элементов - выходит на рабочий режим не сразу. На первых прототипах водородных машин для этого требовалось около полутора часов. На современных - не более 2 минут, чтобы начать превращение водорода и воздуха в водяной пар, азот и электроэнергию. Но на прогрев до рабочей температуры, когда КПД установки достигает 90 % уходит от 15 минут до часа в зависимости от окружающей температуры.
В баллонах хранится 5 кг водорода, обеспечивающие запас хода до 500 км. Полная заправка баллонов займет три минуты.
Главный недостаток водородного автомобиля - высокая себестоимость. Помимо электрохимического генератора, который при массовом производстве может стоить дешевле батарей для электромобилей, нужны еще прочные и легкие баки. Для этого используют дорогой углепластик.
Рисунок 5 - Конструкция автомобиля на водородном топливе
Следующий серьезный недостаток - энергетическая эффективность. Если использовать водород, как промежуточное звено в цепочке доставки энергии от электростанции к колесам автомобиля, то КПД составит не более 30 % с учетом потерь на перекачку и охлаждение водорода перед заправкой. В отличие от 70-80 % у электромобилей.
Если получать водород из попутного нефтяного газа, то КПД становится несравнимо выше - до 70 %. Правда, ценой выбросов углекислого газа.
Если сейчас производить автомобили с водородными двигатели, то где взять заправки? В Европе количество водородных заправок можно пересчитать по пальцам, у нас их вовсе нет. Инженеры для таких случаев изобрели бивалентный двигатель, который может одновременно работать как на водородном топливе, так и на бензине. Теперь владелец данного автомобиля не будет зависеть от наличия на заправке водородного топлива.
Через пять-десять лет, когда количество водородных заправок в Европе возрастет, тогда водородомобили получат жизнь. Пока реалии сегодняшнего дня не радужны. Взять хотя бы стоимость машины на чисто водородных элементах
- она превышает стоимость обычного автомобиля почти в два раза. И на 20 процентов дороже гибридных версий.
ВЫВОДЫ
Появление автомобилей на водородном топливе призвано ускорить процесс развития необходимой для обслуживания таких транспортных средств инфраструктуры. Электромобили, работающие на аккумуляторах, - это действительно великолепная технология, но, как и факс-машины, это временное явление. Существуют пока проблемы, такие как малый запас хода и длительное время подзарядки, что негативно сказывается на мнении потребителя. Водород решает все подобные проблемы.
Необходимо решить проблему производства дешевого водорода для обеспечения транспортных средств. Один из путей решения данной проблемы
- конвертация биомассы в водород, которая образуется в результате жизнедеятельности людей. Так, производя экологическое топливо, мы одновременно сможем способствовать уменьшению количества свалок.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Кузнецов, Д. Плюсы и минусы водородного топлива Monster Auto, 2015. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.monsterauto.ru/techno/plyusy-i-mi-nusy-vodorodnogo-topliva/ (дата обращения: 17.11.2017).
2 Toyota Mirai - серийный автомобиль на водороде Science Debate, 2017. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.sciencedebate2008.com/toyota-mirai-hy-drogen-fuel-cell-vehicle/ (дата обращения: 17.11.2017).
3 Первые в мире серийные автомобили на водородном топливе уже в Лондоне. Пресс-релизы / HYUNDAI - NEW THINKING NEW POSSIBILITIES,
2013. [Электронный ресурс]. - URL: http://www2.hyundai.com/ru/ru/MediaCenter/ PressRelease/DF_RU_LOCALNEWSVIEW24072013.html?selx2= (дата обращения: 17.11.2017).
4 Автомобиль на водородном топливе / Авто мир, 2017. [Электронный ресурс]. - URL: http://at-servise.ru/avtomobil-na-vodorodnom-toplive/ (дата обращения: 20.11.2017).
5 Китайцы запустили в эксплуатацию первый в мире трамвай на водородном топливе PITER.TV, 2017. [Электронный ресурс]. - URL: https://piter.tv/event/ Kitajci_zapustili_v_ekspluataciyu_pervij_v_mire_tramvaj_na_vodorodnom_toplive/ (дата обращения: 17.11.2017).
Материал поступил в редакцию 12.12.17.
А. Б. Шаяхметов
Сутеп отынга кешудщ келешеп
А. Байтурсынов атындаFы ^останай мемлекетлк университет^ Костанай к., 110000, Казахстан Республикасы.
Материал баспаFа 12.12.17 тYстi.
A. B. Shayakhmetov
Perspectives of transition to hydrogen fuel
A. Baitursynov Kostanay State University, Kostanay, 110000, Republic of Kazakhstan.
Material received on 12.12.17.
Бул мацалада автор автоквлж сутегi отына кошу аспектшерт царастырады. Элемдж OHdipymrnep осы салада сынацтар втюзт жатыр, тiптi сутегi отында жумыс ютейтт автоквлiктeрдi шыгарады. Сyтeгiдeгi автомобильдердщ нeгiзгi артыцшылыгы — жогары экологиялыгы, вйткет сутегшц жану внiмi су буы. Эрине, сол кезде эртYрлi майлар жанады, бiрац улы шыгарулар бензиндж шыгарулардац элдецайда аз. Щазiргi замангы сyтeгi автомобильдер жобалау стадиясында, оларды сериялы шыгарылмайды, вйткеш автотранспорты сутегЫ цую станциялар инфрацурылымы жоц. Онеркэсттж квлемтде сутегЫ судыц элeктролизiмeн алу арзан емес, сондыцтан автоквлж компаниялар оган квшуге асыцпайды, олар сyтeгi отынды арзан эрi оцай алу эдюн кутуде.
In this article, the author considers the aspects of the transition of road transport to hydrogen fuel. World manufacturers are testing in this area, and even produce vehicles on hydrogen fuel. The main undeniable advantage of cars on hydrogen is high ecological compatibility, since the product of hydrogen burning is water vapor. Of course, while still burning different oils, but toxic emissions are much less than gasoline exhausts. Modern cars in hydrogen are still at the design stage, or rather serial production models are not yet assembled because of the undevelopedfueling infrastructure for hydrogen fuel. On an industrial scale, getting hydrogen by electrolysis of water is not cheap, so auto companies are not in a hurry to move on to it, expecting a cheaper and easier way to get hydrogen fuel.
