Автомобили с водородным двигателем список
Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы
С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.
Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.
История развития рынка водородных двигателей
Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.
Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.
В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.
В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.
Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].
Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.
В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.
В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.
Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.
По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
Где применяют водородное топливо?
Плюсы водородного двигателя
Минусы водородного двигателя
Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.
Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.
Водородный транспорт в России
В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.
В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.
Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.
Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».
В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.
Перспективы технологии
Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.
Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.
Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.
Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.
Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].
Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:
Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.
Водородные автомобили: особенности, характеристики и ТОП-7 моделей
10.08.2021, 13:52 60.3k Перегляди
Альтернативные источники энергии – один из лучших способов сохранить окружающую среду, загрязняемую продуктами сгорания бензина, дизтоплива и даже метана или пропана.
Водород в этом плане безопаснее. Но автомобильные концерны не спешат переходить на выпуск транспорта с водородными топливными элементами (FCEV).
FCEV – fuel cell electric vehicles – это электромобиль на топливных ячейках (элементах). В таком автомобиле используется топливный элемент вместо батареи или в сочетании с батареей или суперконденсатором для питания его бортового электродвигателя.
Для этого есть немало причин – цены, неразвитая инфраструктура, опасность производства топлива для окружающей среды.
Хотя водородные автомобили уже существуют – почти все модели только в виде концепта, и только некоторые выпускаются серийно.
Особенности заправки водородом
Работающие на водородном топливе авто заправлять сложнее, чем привычный транспорт. Заправка выполняется газом в сжатом или сжиженном состоянии.
При этом водород уменьшается в объёме почти в 850 раз, температура в жидком виде достигает –259°C, а давление газа – 350 или 700 атмосфер.
На большинстве заправок топливо продаётся в газообразном состоянии. Жидкость встречается только на 10% станций. Использующих её машин тоже немного, включая выпускавшуюся в 2007-2008 годах модель BMW HydroGen 7 и авто HydroGen3 от GM с баками для газообразного и жидкого водорода.
Время заправки водородным топливом составляет около 5 минут. Примерно столько же тратится на заполнение полного бака бензинового транспорта. Современные технологии позволяют уменьшить это время до 3 минут – быстрее, чем придётся ждать на заполнение баллона с природным газом.
Работа установок по генерации водорода
Водородные заправочные станции (ВЗС) могут быть мобильными, стационарными и домашними. Первый вид предназначен для заправки автомобилей в местах без подходящей инфраструктуры.
Стационарные заправки обычно принадлежат крупным компаниям и продают водородное топливо автомобилистам. Большая часть таких станций находится в Канаде и США, Китае, Японии и Германии.
Домашняя заправка – комплект оборудования для частного использования. Производит до 1000 кг чистого водорода в год – достаточно для ежедневной заправки 1-5 автомобилей. Газ производится методом гидролиза воды в ночное время, чтобы не создавать резких скачков напряжения в электросети.
По объёмам выпускаемой продукции стационарные станции делят на три типа:
В конструкцию водородной заправки входит электролизёр, системы очистки и хранения водорода, компрессор (если топливо находится в газообразном состоянии) и диспенсер, обеспечивающий раздачу водорода потребителям. Причём, на малых и средних станциях газ может выпускаться как с помощью электролиза воды, так и за счёт каталитического риформинга углеводородов – процесса, проводимого при температуре около 500 градусов и давлении до 4 МПа.
Сколько будет стоить заправка для водородных авто
Рыночная стоимость водорода в Европе сейчас составляет около 9 евро за килограмм, что соответствует примерно 45 евро для полного бака автомобиля Toyota Mirai . При запасе хода в 500 км сумма получается на уровне 9 евро на 100 км. Если учитывать, что стоимость бензина на европейских заправках около 1,3-1,35 евро, потребление водородного авто примерно соответствует среднему расходу седана с бензиновым мотором 1,5-2 литра в комбинированном режиме.
С одной стороны, это не много – но только, если не сравнивать с электромобилями. При использовании электродвигателей владелец автомобиля Tesla Model S или Toyota Prius потратит около 2,5 евро на то же стокилометровое расстояние. Поэтому, пока цена на водород для автомобилей не снизилась хотя бы до 25-30 евро за полный бак, преимущество останется за электрокарами.
Есть ли будущее у водородных авто
Машины, работающие на водородном топливе, не выделяют в воздух углекислого газа, а, значит, не вредят окружающей среде и не способствуют глобальному потеплению.
Это преимущество – серьёзный повод для перехода на этот газ, но не единственный.
Есть у водородных авто и другие плюсы:
Среди серьёзных минусов отмечают, что водородное топливо пока слишком дорогое по сравнению с электричеством.
Даже, если сравнивать его с бензином (цена 1 км пути почти одинакова), стоит уделить внимание высокой стоимости водородных автомобилей. Переплачивая за электрокар, можно рассчитывать на экономию в будущем – переплата за машину с водородным двигателем не окупится.
Внимание! Среди других минусов водорода стоит отметить его взрывоопасность, необходимость хранения в специальных баллонах, уменьшающих внутреннее пространство багажного отделения, и вредное влияние газа на металлические части цилиндропоршневой группы. Усиливая конструкцию автомобиля, производители сделают машины с водородными двигателями ещё дороже. Ещё один важный момент, влияющий на распространённость автомобилей FCEV – неразвитая инфраструктура заправок.
С одной стороны, причин для отказа от водородного топлива в качестве конкурирующего с электричеством варианта, достаточно.
С другой – проблему с заправками уже решают правительства разных стран – Китая, Японии, Германии.
Так, в КНР к 2030 году планируется установить больше 1000 водородных станций, число японских ВЗС превысило сотню, немецких – 50.
Интерес к развитию технологии проявили такие известные производители как VW, GM, Daimler AG и BMW. Когда заправок будет больше, водородный транспорт станет серийным, популярность FCEV может увеличиться.
Реальные водородные авто – ТОП-7 моделей
Серийного транспорта с водородными двигателями почти нет. Но в списках продукции нескольких автопроизводителей можно найти несколько машин, которые выпускались в количестве больше 1-2 выставочных экземпляров.
Цена на них не способствует повышению спроса, но у каждого авто есть свои впечатляющие особенности – от большого запаса хода до приличной динамики.
Toyota Mirai
В Калифорнии в течение 2015 года было продано 836 машин, а до конца года бренд рассчитывает увеличить общее число продаж до 30 тыс. экземпляров. Запас хода авто – до 500 км, максимальная скорость – 178 км/ч.
На автомобиле установлен фронтальный радар, а бортовая система распознаёт препятствия и автоматически включает тормоза. Ещё одна система помощи водителю контролирует полосу движения, подавая водителю сигнал при смещении в сторону.
Для управления навигацией и контроля микроклимата в салоне автомобиля установлено два сенсорных экрана.
Honda Clarity
Первые продажи автомобиля FCX Clarity ещё одного известного автоконцерна Honda были отмечены в 2016 году.
Машина способна проехать до 600 км – это максимум для такого транспорта и больше, чем у любого электрического авто в нормальном режиме езды. Притом, что заряжается водородная модель всего за 5 минут.
Купить машину можно было в конце 2000-х годов в японских и калифорнийских салонах – именно в этом штате крупнейшая в мире инфраструктура для такого транспорта.
Продажи автомобиля продолжались до 2014 года, после чего компания заявила о выходе ещё одной версии – Clarity Fuel Cell.
Заявленная стоимость модели – почти 8 миллионов иен ($72 тысячи), на 5% выше, чем у главного конкурента, модели Toyota Mirai. На одной заправке водородным топливом под давлением 700 атм. машина сможет проехать до 650-700 км.
Размеры машины позволяют ей быть пятиместной, а не четырёхместной, как у «Тойоты». Мощность мотора – 177 л.с., а спрятанных под передними сиденьями топливных элементов – 100 кВт.
Ford Airstream
Автомобиль Ford Airstream – разработанная в 2007 году концепция гибридного авто – с электромотором и водородными элементами.
Впервые представили её в Детройте, а базой для разработки послужила разработка HySeries Drive. Кроме водородных топливных элементов машина использует для движения Li-Ion батареи. Аккумуляторы могут заряжаться от работающего на водороде двигателя.
Работая на электричестве, машина проезжает до 40 км – это примерно 40% общей мощности АКБ. После этого включается мотор на водороде.
Максимальная скорость транспортного средства – 135 км/ч, в баке помещается до 4,5 кг водородного топлива под давлением 350 атм. Таких показателей достаточно для того чтобы проехать без заправки до 485 км пробега.
Mercedes-Benz GLC F-CELL
Компания Mercedes-Benz разработала машину GLC F-Cell , разработчики которой утверждают о возможности проехать до 50 км на электричестве и до 500 км – на водородном топливе. Бак для водорода заполняется в течение 3 минут.
Автомобиль поступил в продажу в 2017 году и стал первым серийным транспортным средством, в котором есть и водородные топливные элементы, и возможность зарядки от электрической розетки.
Покупателями только что сошедших с конвейера авто стали несколько немецких министерств, фирмы H2 Mobility и NOW, железнодорожная компания Deutsche Bahn, администрации городов Гамбург и Штутгарт.
Автомобиль имеет 211-сильный двигатель и баллоны, в которых вмещается 4,4 кг водородного топлива. Этого хватает на 430 км пробега, а ещё 51 км машина может проехать на аккумуляторе.
Водителю доступно три режима – гибридный, для оптимального распределения энергии между двумя источниками, F-Cell – для работы только с водородом и Charge, позволяющий аккумулятору заряжаться во время движения.
Предполагается, что машина будет использоваться в качестве обычного электрокара на небольших расстояниях, и как авто на водородном топливе при поездках на значительные дистанции.
Pininfarina H2 Speed
Водородный автомобиль Pininfarina создан одноимённой итальянской компанией, занимающейся разработками дизайна спорткаров.
Модель получилась близкой к гоночным – например, до 100 км/ч она разгоняется за 3,4 секунды. Максимальная скорость – 299 км/ч, запасы водорода в баке – 6,1 кг.
Транспортное средство получило систему рекуперативного торможения и контроля тяги. Стоит оно целых 2,5 миллиона долларов, поэтому отсутствие Pininfarina H2 Speed в продаже нельзя назвать серьёзной проблемой – купить бы её смогли немногие. Кроме двигателя, работающего на водороде, авто комплектуется аккумулятором на 20 А-ч и электромоторами общей мощностью 370 кВт.
BMW Hydrogen 7
Машина, работающая на жидком водороде и бензине. Транспортное средство создано на базе популярной BMW «семёрки», но получило не только бензобак на 74 литра и водородный баллон на 8 кг. Максимальный пробег на водороде – 480 км, на бензине – 300 км.
Машина переключается на другой вид топлива автоматически, хотя предпочтение отдаётся именно водородным элементам. Мощность транспортного средства при работе на водороде – 228 л.с., на бензине – 260 л.с. Скорость транспорта – 229 км/ч, разгон до сотни выполняется всего за 9,5 секунд.
Hyundai Nexo
Компания Хёндэ (Hyundai) одна из первых занялась продажами серийных авто на водороде.
Хотя о массовых продажах модели Nexo говорить не приходится – она предназначена только для определённых рынков и выпускается в ограниченном количестве. Запас хода автомобиля – 600 км.
Мощность двигателя авто сравнительно небольшая – 161 лошадиная сила. Зато оно получило впечатляющий крутящий момент – 395 Н·м. Время разгона до сотни – 9,5 секунды. Цены на авто начинаются в Европе с 69000 долларов.
Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.
Водородные автомобили
Эффективное, но дорогое топливо
Публика уже привыкла к борьбе за популярность гибридов, машин с ДВС или электрокаров. Последние пока что занимают самую выгодную позицию, а может ли появиться еще кто-то эффективнее и экологичнее? Тогда стоит вспомнить о транспорте на водородном топливе. Такие машины очень похожи на электрические авто отсутствием вредных выхлопов, однако главное достоинство в заправке — для наполнения баллона водородом до отказа нужно около 10 минут, а хватит горючего на дистанцию в 500 км. Кажется, намного выгоднее, чем электромобиль, однако так ли это на самом деле?
История водородных автомобилей
Еще в 1990-х годах производители углубились в разработку транспортных средств, которые передвигаются на топливных элементах. Основная причина поиска альтернативного горючего — введение новых стандартов выбросов CO2 и энергетический кризис. Единственные экологически чистые автомобили того времени — электрокары, имели несколько ограничений: длительная зарядка аккумулятора, небольшой запас хода, дорогостоящие комплектующие. В итоге компании начали искать другой способ привести машину в действие.
В качестве основного топливного элемента выбрали водород. Химические свойства, экологичность и распространенность в окружающей среде подтолкнули инженеров к мысли, что работа с этим веществом может принести доход и внушительные перспективы. Водородные машины должны были проезжать такие же дистанции, как и бензиновые аналоги, с той же мощностью и скоростью. Однако основная сложность была в другом — как изготовить необходимый двигатель и направить энергию топливного элемента в правильное русло?
Оказывается, первый ДВС на водороде был придуман еще в позапрошлом веке. Большинство экспертов склоняются к исследованиям французского естествоиспытателя Франсуа де Риваз, который в начале XIX века получал водород электролизом воды. В современном мире крупные производители почти одновременно выпустили водородные автомобили с похожей базовой технической “начинкой”.
Принцип работы автомобилей на водородных элементах
Механизм работы и типы моторов очень похожи на деятельность электромобилей, но главное отличие в способе создания энергии. Машины на топливных элементах тоже используют электричество для движения, но получают его не от заряда розеткой. Энергия вырабатывается в процессе физико-химических реакций, которые происходят в самом агрегате. Принцип работы состоит в следующем:
Подобный транспорт заправляют на специальных станциях, которые самостоятельно вырабатывают водород с помощью электролиза воды. Обслуживание автомобиля означает замену водородных элементов, которые исчерпали свой ресурс. Обычно заменяют катализаторную мембрану, которая помогает вырабатывать электричество.
Преимущества использования автомобилей на водородном двигателе
Недостатки владения водородными автомобилями
Рассмотреть минусы транспорта на топливных элементах можно на примере первого массового водородного авто Toyota Mirai. Как оказалось, у машин подобной модификации, есть и темная сторона.
Каковы будущие перспективы FCEV?
Идея использовать двигатели на топливных элементах потихоньку развивается не только в умах производителей, но и на деле. Особенно радужные перспективы применения водородных моторов для общественного транспорта. В Германии ездят сотни городских и туристических автобусов на водороде. В 2017 году был анонсирован выпуск первого поезда на водородном топливе, который сможет заменить дизельные составы.
Однако многие эксперты считают, что когда будет придуман способ быстрой зарядки электромобиля, то водородные машины могут отойти на второй, или даже третий план. Все дело в том, что решение всех проблем, связанных с транспортом на водороде займет намного больше времени, чем строительство сверхбыстрых станций. Первая такая “заправочная” станция появилась в США в 2017 году, а в 2018 году несколько предприятий должны открыться в Европе. Но пока станции для электрокаров не так быстро распространяются, водородные автомобили набирают популярность.