Водород в качестве топлива будущего

Грязное чистое топливо?

Более половины водорода в мире производится методом паровой конверсии метана — это самый дешевый и доступный способ. В многоэтапном процессе с применением высоких температур и катализаторов молекулы метана разлагаются на водород и угарный газ (моноксид углерода). Поскольку в процессе используется ископаемое топливо, назвать полученный таким путем водород не дающим «углеродного следа» как-то не получается.

Другой достаточно распространенный промышленный процесс — это электролиз, знакомый всем еще по школьным химическим опытам. Здесь уже нет ни нефти, ни газа, ни угля — на кислород и водород разлагается обычная вода при приложении к ней электрической энергии. Но откуда эта энергия? Если рядом с водородным производством чадит тепловая электростанция на мазуте, то и здесь с «углеродным следом» будет все не очень хорошо. Визионеры энергетики будущего говорят о водородных фабриках, питающихся электричеством исключительно от ветропарков, солнечных электростанций и других возобновляемых источников. В этом случае появится действительно безуглеродная цепочка выработки топлива, но это потребует колоссального прироста генерирующих мощностей в сфере «зеленой» энергетики.

Технологии

«Летающий джип» для ВВС США: пепелац с восемнадцатью винтами

Производство водорода с применением биотехнологий

Где в Европе производят водород?

Водород в автомобилях: опасности и сложности использования

Пять стран Евросоюза делают серьезную ставку на производство водородной энергии: это Германия, Италия, Португалия, Испания и Франция.

Например, Германия к 2030 году собирается делать восьмую часть всего водорода в Евросоюзе. В Германии же через два года появится крупнейший в мире хаб для хранения «зеленого» водородного топлива.

А Испания хочет сделать водород главным источником энергии к 2050 году – и это позволит стране на 100% сократить выбросы углекислого газа. Через 9 лет Испания собирается производить 10% от общего объема в ЕС.

И прежде всего водород в Испании собираются использовать как транспортное топливо. В 2030 году в стране на водороде будут ездить 5 тысяч частных автомобилей, 150 автобусов и поезда на двух железнодорожных маршрутах. Причем не меньше 25% этого экологичного топлива должно приходиться на «зеленый» водород – выработанный без использования углеродных источников вроде нефти.

Исключительно «зеленый» водород будут делать на Майорке: этот испанский остров станет первым центром водородной энергетики в Средиземном море. Там будут тестировать инновационные подходы к производству «зеленого» водорода, и найденные решения потом можно будет применить и на других средиземноморских островах.

Чем больше водород будет заменять собой неэкологичное топливо, тем ближе Евросоюз окажется к своей цели сделать свою территорию климатически нейтральной.

Россия тоже решила не отставать от глобального тренда. Летом прошлого года Минэнерго разработало дорожную карту «Развитие водородной энергетики в России»: в частности, в 2024 году Газпром и Росатом начнут производить «зеленый» водород.

Как работает водородный автомобиль

Водородные автомобили

Расскажу про то, как устроен автомобиль на примере популярной модели Toyota Mirai.

Не так давно, в 2013 году Тойота представила миру первый в мире серийный водородный автомобиль Mirai, который сам вырабатывает для себя электричество. В нём находится электрический двигатель, который имеет мощность 154 л. с. В Mirai находятся 370 топливных элементов, постоянный ток которых преобразуется в переменный, а напряжение при этом повышается до 650 В. Максимальная скорость Toyota Mirai 175 км/ч. Дополнительный аккумулятор собирает лишнюю энергию, который может при необходимости обеспечить питание небольшого дома. Запас хода этого автомобиля 500 км, а по факту – примерно 350 км. Для сравнения — электрокар Tesla Model S может пройти на одном заряде целых 540 км, но, к сожалению, зарядка занимает целых 1,5 часа.

Мнение эксперта

Попов Андрей Геннадьевич

Автослесарь, стаж работы 19 лет

Задать вопрос

За несколько км пробега автомобиль Mirai вырабатывает стакан дистиллированной воды, которая вполне пригодна к употреблению (она с лёгким привкусом пластика).

А как работает топливный элемент, простыми словами? Автомобиль заправляется водородом. Он смешивается с платиновым катализатором и кислородом в электрохимической системе. В результате этой реакции вырабатывается электрический ток, который питает двигатель и аккумуляторную батарею. В результате реакции образуется вода или пар.

Мнение эксперта

Мелехов Алексей Викторович

Автоэлектрик , стаж работы 9 лет

Задать вопрос

Топливные ячейки с протонообменными мембранами сразу же производят энергию, обеспечивают очень высокую мощность и мало нагреваются. Максимальный срок службы водородных ячеек 250 тыс. км пробега, которые при необходимости можно заменить.

А какое устройство и принцип работы водородного двигателя? Для работы применяют роторные ДВС, потому что стандартные поршневые двигатели быстро выходят из строя из-за влияния водорода на смазку и детали ДВС. Из-за высокой разницы между бензином и водородом перевести обычный двигатель непросто, особенно если это делать своими руками. Водород при горении вызывает перегрев клапанов, масла, поршней. Если нагрузку сделать очень высокую, то возникает детонация.

Ещё одна хорошая статья: ВСЁ про лямбда-зонд: что это такое, принцип работы, для чего нужен, где находится, срок службы

Решили эту задачу заменой чистого водорода на его смесь с бензином. Подача газа уменьшается при повышении крутящего момента, чтобы предотвратить перегрев деталей силового агрегата. Это применяется в таких моделях, как Mazda RX-8 Hydrogen RE и BMW Hydrogen 7, который был выпущен всего в 100 экземплярах. Здесь переключение между 2 типами топлива происходит автоматически. Но, несмотря на успешность эксперимента, всё равно имелись проблемы: сильно падала мощность авто, запаса водорода хватало всего на 200 км, а также из-за наличия бензина автомобиль не был признан экологически чистым.

Mazda RX-8 Hydrogen RE

Зачем в водородных автомобилях платина? Этот дорогой металл использовался в качестве катализатора, цена которого очень высока, что не может не отражаться на стоимости автомобиля. Хотя американские учёные уже создали катализатор на основе углеродных трубок, который стоит в 650 дешевле платины.

Таким образом, механизм работы водородного автомобиля похож на работу электромобилей. Всё дело только в источнике энергии.

Автомобили на водороде

Водородные двигатели

В Европе уже ездит несколько сотен автомобилей на водороде. Их уже могло бы быть гораздо больше, но для них нужна инфраструктура – то есть заправочные водородные станции. Пока что их не хватает за немногими исключениями: например, Дания стала первой страной в мире с общенациональной сетью водородных заправок.

Поэтому в Евросоюзе в 2017 году запустили проект H2ME, который стал строить по всей Европе водородные станции. Заправить бак там можно за 3-5 минут, а затем проехать на этом топливе 400-600 километров. Пока таких заправок всего 50 в нескольких странах, но это только начало. Поэтому к 2027 году по Европе будут ездить уже сотни тысяч водородных автомобилей. А по прогнозам ReThink Energy, к 2040 году в Европе появится 17 миллионов автомобилей на водородных топливных элементах.

Начиная с 2035 года в странах Евросоюза больше нельзя будет купить автомобиль на бензине или дизеле – том топливе, которое выбрасывает в атмосферу парниковые газы. А к 2050 году в Европе вообще не останется «грязных» автомобилей. В первую очередь это будут электромобили, но и водородных будет достаточно. И не только автомобилей, но и легкого транспорта.

Так, во Франции изобрели скутер, работающий на водороде. Чтобы его заправить, нужно просто заменить разряженный картридж на заряженный и не зависеть от заправочной станции.

А еще французская компания Hopium разработала спортивный автомобиль на водородном топливе. Если все пойдет по плану, он сможет победить Tesla в гонке по снижению парниковых выбросов CO2. Французские спорткары выпустят в продажу в 2025 году, а пока что компания принимает предзаказы на первые 1000 автомобилей.

Плюсы

Доказанная эффективность. Мало того, что первый водородный двигатель был разработан уже в XIX веке, в истории есть и другие примеры его использования. К примеру, водородное топливо генерировалось во времена Великой Блокады Ленинграда: им заправляли автомобили, перевозившие раненых, и съестные припасы.
Повышенный КПД. Многие почему-то игнорируют тот факт, что энергия, высвобождаемая сгоранием водородного топлива, гораздо больше, чем сгоранием того же бензина. Стоимость его производства при этом гораздо меньше.
Экологичность. Одной из самых распространённых проблем современных городов является загрязнённый воздух. Не последнюю роль в ухудшении ситуации сыграли бензиновые выхлопы, выделяющиеся из машины после переработки бензина. Водород решает эту проблему, так как основная субстанция, которая остаётся после его внутреннего сгорания – водяной пар настолько чистый, что при повторной конденсации его можно даже пить. Это доказал один из японских журналистов, испив химический остаток на испытаниях водородной модели Toyota.
Простая генерация. Первый опыт использования водородного топлива был зафиксирован ещё в 1806 году – один из французских химиков получил его, пустив электрический ток через воду. И всё! Вода – единственное, что необходимо для получения водородного топлива. Следовательно, и производящие его машины будут менее затратными, что может положительно сказаться на финансовом состоянии крупных промышленных предприятий.
Простота использования. Более того: для подачи топлива в мотор не нужны сложные системы топливоподачи, устанавливаемые в современные автомобили. Мало того, что они не благонадёжны, так ещё и повышают стоимость автомобилей. Если бы учёные задались целью разработать единую конфигурацию мотора, который без проблем бы работал на двух главных топливах, изменения не были бы радикальными, а вот производительность мотора увеличилась бы в разы. В теории, машина на водородном двигателе будет гораздо дешевле, но популярность бензиновых двигателей, к сожалению, не позволяет учёным начать двигаться в этом направлении.
Бесшумность. Водородное топливо позволяет автомобилю двигаться практически бесшумно.

Список автомобилей на водородном топливе

Существует ли автомобиль на водородном топливе? Да, причём их количество не такое уж и малое. Расскажу про самые популярные модели.

Honda Clarity

Автомобиль продавали в Японии и Калифорнии до 2014 года. Запас хода около 600 км, что больше, чем у любого электрокара. Заправляется Honda Clarity за считанные минуты.

Затем автоконцерн Honda выпустил конкурента Toyota Mirai, цена которого 72 тыс. долл. под названием Clarity Fuel Cell. На полной заправке можно было проехать до 700 км. Мотор имеет мощность 174 л.с. Автомобиль 5-местный.

Toyota Mirai

Это японский автомобиль, который создали после несколько десятков лет разработок. Автомобиль сначала выпустили для японского рынка, а затем и для американского.

Запас хода автомобиля на одной заправке 502 км, максимальная скорость – 178 км/ч., мощность – 153 л.с. В авто встроена система, которая видит препятствия и автоматически включает тормоз. В машине есть сенсорные экраны, при помощи которых осуществляется управление навигацией и микроклиматом.

Ford Airstream

Это гибридный автомобиль с электрическим мотором и водородными ячейками. Поэтому кроме водорода автомобиль может применять для движения аккумуляторы, которые подзаряжаются от водородных элементов.

На аккумуляторе Ford Airstream может проехать около 40 км (это половина заряда), а затем активируется водородное топливо. Запас хода чуть более 450 км, а максимальная скорость — 135 км/ч.

Mercedes-Benz GLC F-CELL

Это первый серийный автомобиль, который сочетает в себе аккумулятор и водородные топливные ячейки. На электричестве он может проехать 50 км, а на водороде – около 430 км. Отмечу, что аккумулятор можно зарядить от обычной электрической розетки.

Автомобиль можно использовать как в качестве электрокара на небольшие расстояния, так и в качестве водородного авто для длительных поездок.

Pininfarina H2 Speed

Это итальянский автомобиль, который способен разгоняться до 100 км/ч всего за 3,4 секунд. Максимально автомобиль может разгоняться до 299 км/ч. Запасы чистого водорода в баке – чуть более 6 кг. Кроме этого Pininfarina имеет мощный аккумулятор и электромоторы. Цена этого продвинутого автомобиля составляет 2,5 млн. долл.

BMW Hydrogen 7

Авто создано на базе стандартной BMW 7. Он работает как на бензине, так и на жидком водороде. В BMW Hydrogen 7 имеется бензиновый бак на 74 литра и большой водородный баллон весом целых 8 кг. Таким образом, максимальный запас хода в этой машине 780 км.

Автомобиль автоматически переключается между двумя типами топлива. Мощность двигателя на водороде – 228 л.с., а на бензине – больше на 32 л.с. Максимальная скорость 229 км/ч, разгон до 100 км/ч осуществляется чуть меньше, чем за 10 секунд.

Hyundai Nexo

Этот автомобильный концерн также стал одним из первых производить серийные водородные автомобили. Мощность двигателя Hyundai Nexo составляет 161 л.с., запас хода – 600 км. Разгоняется авто до 100 км/ч за 10 секунд. Цена автомобиля от 70 тыс. долл.

Grove Obsidian

Это водородный китайский автомобиль нового поколения, у которого запас хода составляет впечатляющие 1000 км. Он экономно расходует топливо за счёт облегчённого корпуса из углеродного материала и невысокому аэродинамическому сопротивлению. Заправка бака происходит всего за 3 минуты, а сам топливный бак очень прочен. А если бак будет повреждён, то водород из него вытечет в жидком виде и сгорит менее чем за 2 минуты.

Серийно автомобили станут выпускать с 2021 года, а к 2030 планируется создать 1 миллион экземпляров.

Другие авто

Ограниченно выпускают:

Audi A7 h-tron quattro;
Hyundai Tucson FCEV;
Mazda RX-8 Hydrogen RE;
Автобус Ford E-450;
Низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

Focus FCV;
Honda FCX;
Nissan X-TRAIL FCV;
Toyota Highlander FCHV;
Volkswagen — space up!;
Mercedes-Benz A-Class и Mercedes-Benz Citaro;
Irisbus;
Toyota FCHV-BUS;
единичные модели в Чехии, Китае и Бразилии.

История

Почти половина добываемой в мире нефти идет на производства топлива для машин. Водород в качестве замены классическому «черному золоту» рассматривается уже давно. Причина проста — запасов данного вещества на планете достаточно, чтобы тысячелетиями «кормить планету». Кроме этого, водород несложно выделить из воды, поэтому с поиском ресурсов проблем нет. Единственная сложность — перевозка и хранение, но и данные вопросы уже решаются.

Первая установка, работающая на водороде, появилась в 1841 году (речь идет о запатентованной версии). Уже через 11 лет в Германии удалось построить ДВС, который мог работать на смеси двух элементов — водорода и воздуха. На известном миру дирижабле Гиндебург стоял мотор, работающий на светильном газе (в его составе было половина водорода). Но после трагедии с дирижаблем в 1937 году и гибели 37 человек интерес к водороду, как топливу, временно был утерян.

Но уже в 70-х годах 19 века разработчики снова вернулись к созданию водородного двигателя

На современном этапе важность усовершенствования и активного внедрения таких технологий обсуждается на самом высоком уровне. Популярность обусловлена и ростом цен на нефтепродукты, что заставляет многие страны искать реальные и доступные альтернативы.

Идею создания водородного двигателя не только подхватили, но и внедрили в жизнь такие популярные производители, как Хонда Моторз, Дженерал Моторз, Форд, БМВ и прочие.

Водород для тяжеловеса

Два последних года запомнились важными «водородными» новостями. Поговорим об известном проекте электрического грузовика Nikola One, представленного американской компанией Nikola Motor в 2016 году. История эта получила продолжение.

Итак, Nikola One. Грузовой электрокар, тягач с электроприводом и батареей емкостью 320 кВт·ч. На борту – собственная автономная электростанция. Электроэнергию вырабатывает система водородных топливных элементов.

Nikola One для американского рынка

Как заявил производитель, этот грузовик имеет автономный запас хода почти 1200 миль, по-нашему – 2000 км. И движется он с нулевой эмиссией отработавших газов – их просто нет, этих газов.

Изначально его планировали оснащать «удлинителем хода» – газотурбинным бортовым генератором, но потом все же остановились на ТЭ. Правда, для некоторых рынков возможность использования газотурбинного генератора все же оставили.

Заявленные характеристики тягача существенно превышают показатели большинства электромобилей, но есть и сомнения – хватит ли энергии силовой установки для перемещения 35-тонных грузов? На этот вопрос ответит практика эксплуатации. Но тут возникает еще одна проблема: где брать водород в достаточном количестве для парка Nikola One?

Компоновка тягача Nikola на водороде: 1 – система охлаждения; 2 – два электрических
мотор-редуктора для привода передних колес; 3 – блок высоковольтной и управляющей
электроники; 4 – тяговая батарея; 5 – ресивер пневматической тормозной системы и бак
системы охлаждения батареи; 6 – электрохимический генератор (топливные элементы
на 300 кВт); 7 – баки с водородом; 8 – задний мост с электродвигателем; 9 – седло
Фото: https://www.automobile-propre.com

Главный исполнительный директор (Chief Executive Officer) компании Nikola Motors Тревор Милтон (Trevor Milton) заявил, что концепция электрического грузовика Nikola One будет опираться на собственную водородную инфраструктуру. Она раскинется по всей территории Соединенных Штатов, захватив частично и Канаду. Компания намерена строить электролизные установки и транспортировать водород на заправки.

Не так давно Nikola Motor обрела партнера – компанию Nel ASA. Эта фирма поставляет для Nikola оборудование, помогая создать самую большую водородную топливную сеть в мире. Достаточно сказать, что в ней будут действовать 16 электролизных станций, работающих по технологии H2Station.

Уже знакомый нам г-н Тревор Милтон заявил, что заказ на поставку первых двух станций на основе щелочных электролизеров компания Nel ASA уже выполняет. Остальные 14 станций получат путевку в жизнь в ближайшее время.

Скотт Перри, один из ведущих специалистов Nikola Motor, рассказал, что компания Nel ASA поставляет водород в более чем 80 стран с 1927 года. «Мы уверены, что с таким опытным партнером наш проект будет успешным», – с оптимизмом заключил он.

Первоначально каждая станция будет производить до 8 т водорода в день. Однако объем выпуска может быть увеличен до 32 т в день. Кстати, каждый грузовик Nikola ежедневно будет потреблять около 50–75 кг водорода.

Интересная подробность: Nikola Motor намерена предоставлять свои заправки всем водородным транспортным средствам, а не только грузовикам собственной марки.

Прошло немного времени, и компания Nikola заявила, что будет производить не один, а два тягача – Nikola One и Nikola Two. Вторая модель отличается в первую очередь кабиной. Если у Nikola One имеется спальный отсек, то Nikola Two оснащен лишь компактной кабиной для перевозок, но не для отдыха.

С точки зрения энергетики Nikola Two не отличается от Nikola One. За кабиной находятся баллоны с водородом для питания электрохимического генератора. Он вырабатывает электрическую энергию для мотор-редукторов суммарной мощностью более 1000 л. с. По информации производителя, разгон до 60 миль/ч занимает не более 30 секунд, а пробег на одной заправке водородом составляет 1200 миль. Заправка же займет не больше 15 минут.

Nikola Two также ориентирован на американский рынок

В конце ноября 2018 года компания представили третью модель водородного грузовика. Она так и называется – Nikola Tre («три» по-норвежски). Если Nikola One и Nikola Two адресованы американскому рынку, то бескапотный Nikola Tre будет работать в Европе.

Nikola Tre для европейского рынка

Технические характеристики Nikola Tre практически не отличаются от двух первых моделей. Силовая установка мощностью от 500 до 1000 л. с., крутящий момент до 2000 Нм, запас хода до 1200 миль, продолжительность заправки примерно 20 минут.

Отопление на водороде

Водород #8211 один из источников отопления дома

В средневековье известным ученым Парацельсом в ходе опытов был замечен такой процесс, как выделение пузырьков воздуха при взаимодействии железа и серной кислоты. Однако это был не воздух, а водород. Это легкий газ, который не имеет ни цвета, ни запаха. А если он смешивается с кислородом, то газ является взрывоопасным. Сегодня отопление на водороде своими руками – это распространенное явление. Ведь водород можно получить в любом количестве, где есть вода и электричество.

Под действием электролиза молекулы воды делятся на кислород и водород. Последний обладает массой уникальных свойств. В жидком состоянии при температуре -250 градусов Цельсия это наиболее легкая жидкость, а в твердом состоянии – самое легкое вещество. Атомы водорода являются самыми маленькими. А при смешивании с атмосферным воздухом водород превращается в смесь, которая способна взорваться от даже самой маленькой искры.

Использование водорода в отоплении

В век технологий существует множество вариантов отопить свой дом. Однако любители самостоятельно создавать разные технические приспособления могут сделать отопление дома водородом своими руками. Это экологически чистый, в то же время, очень мощный источник тепла, благодаря которому можно отопить большое помещение.

Котел отопления на водороде итальянского производства

Водородное отопление дома было разработано одной из компаний в Италии. Когда такая установка работает, она не производит никаких вредных выбросов. Таким образом, это экологически чистое, эффективное, бесшумное отопление дома.

Ученые разработали способ сжигать водород для отопления дома при такой температуре, как 300 градусов по Цельсию. Благодаря этому появилась возможность производить котлы для отопления из традиционных материалов. Такого типа котлы для функционирования не требуют специальной системы отвода продуктов сгорания в атмосферу, так как здесь таковых продуктов нет. В данном случае выделяется только пар, не вредный для окружающей среды. А получить водород – это доступный процесс. Все, на что будут идти расходы, #8211 это только электроэнергия. А если вы будете, используя водородный генератор для отопления, задействовать еще и солнечные панели, то и затраты на электричество можно минимизировать.

Чаще всего котел на водороде применяется для того чтобы обогревать полы. И такие системы на сегодняшний день можно найти с самой разной мощностью. Монтируются они собственноручно.

Водородная установка для отопления дома состоит из следующих компонентов: котел и трубы, имеющие диаметр 25-32 мм (1-1,25 дюймов). Трубы других размеров используются редко. Трубы можно смонтировать самостоятельно, но здесь следует выполнять одно условие – после каждого разветвления диаметр должен быть меньшим. И порядок уменьшения диаметра следующий – труба D32, труба D25. После разветвления – труба D20, последняя – труба D16. Когда такое правило соблюдается, то водородная горелка для отопления будет работать эффективно и качественно.

Преимущества отопления на водороде

Это экологически чистые системы. И здесь единственным побочным продуктом, выбрасывающимся в атмосферу при работе, является вода в состоянии пара. Этот пар никоим образом не наносит вред окружающей среде.
Водород в системе отопления функционирует без применения пламени. Тепло создается в результате каталитической реакции. Когда водород соединяется с кислородом, получается вода. При этом выделяется много тепловой энергии. Поток тепла температуры примерно 40 градусов идет в теплообменник. Для теплых полов – это идеальный температурный режим.
Очень скоро водородное отопление своими руками сможет заменить традиционные системы, таким образом, освободив общество от добывания разного топлива – нефти, газа, угля и дров.

КПД, который вырабатывает отопление частного дома водородом, может достигнуть 96%.

Еще один вариант – использование газа Брауна

Еще одним способом, в настоящее время довольно спорным, является применение газа Брауна для отопления. Газ брауна для отопления дома является химическим соединением, состоящим из двух атомов водорода и одного атома кислорода. При сгорании такого газа создается практически в 4 раза больше энергии.

Установка для получения газа Брауна

Какой срок службы топливных ячеек?

Во всем мире на сегодняшний день такие авто – большая редкость, и их еще нет в серии, сложно сказать, какой ресурс у данного источника энергии. У мастеров еще нет опыта в этом отношении.

Единственное, что можно сказать, по заявлениям представителей Toyota топливный элемент их серийного автомобиля Mirai способен бесперебойно вырабатывать энергию вплоть до 250 тысяч километров. После этого рубежа нужно наблюдать за эффективностью устройства. Если его работа заметно снизилась, топливная ячейка меняется на официальном сервисном центре. Правда, следует ожидать, что за эту процедуру компания возьмет приличную сумму.