Переход на водород

Возможность использования водорода в качестве моторного топлива рассматривалась еще в самом начале XIX века. Тогда франко-швейцарский изобретатель де Риваз построил первый прототип такого двигатели и даже установил его на прообраз автомобиля. Однако постепенно об этой технологии забыли и вспомнили лишь в современные времена, когда инженеры активно занялись поиском альтернативных источников энергии. В результате экологический бум привел к созданию различных водородных машин, которые отличаются как по конструкции, так и по своим характеристикам.

hydrogen_autoadam1

Сжигаем водород в цилиндрах

Казалось бы, создать водородный автомобиль проще простого. Берем обычную машину, заменяем топливный бак на газовый баллон и пускаем по трубкам к цилиндрам двигателя водород вместо бензина. Если все пойдет по плану, то из выпускных труб будет выходить не ядовитый выхлоп, а чистая вода. Еще точнее – водяной пар. Ведь окисление водорода кислородом происходит по всем известной формуле 2H2+02=2H2O.
 
Собственно, именно этот результат и стал главной целью современных инженеров-экологов, озабоченных проблемой загрязнения окружающей среды. Но на практике все получилось сложнее, чем в теории. Переведенный на водород двигатель терял до 40% мощности, нестабильно работал и имел малый ресурс – прогорали клапаны и поршневые кольца, приходила в негодность смазка. Плюс к тому, водород, как очень летучий газ, требовал особо качественных уплотнений, иначе возникал риск взрыва.
 
hydrogen_autoadam2
BMW Hydrogen 7 - один из самых известных проектов по созданию автомобиля с ДВС, работающим на водороде. В составе опытной партии начиная с 2007 года выпущено порядка сотни машин. Под капотом седана стоит шестилитровый V12, который выдает 260 л.с. и имеет расход топлива на водороде около 50 л на 100 км.
Таким образом, одной заправки газом хватает на пробег в 200 км. Однако затем автомобиль можно перевести на бензиновое питание, поскольку системы подачи топлива дублированны.
 
В общем, при таком раскладе игра явно не стоила свеч. Однако, экологическая перспектива проекта заставила ряд компаний продолжить исследования. Причем в “гонку вооружений” включились как гиганты вроде BMW, Ford, Mazda, так и различные мелкие научные организации. И в результате им удалось во многом решить присущие водородным машинам проблемы. Тем более, что некоторые их недостатки оказались схожи с теми, что ранее удалось побороть на автомобилях, использующих для работы сжатый природный или сжиженный газ.
 
Поэтому опытные модели имеют вполне приемлемые характеристики. За счет того, что водород по сравнению с углеводородным топливом имеет более высокую энергоотдачу, а также в смеси с воздухом хорошо воспламеняется в очень широких пределах, специальные программы управления двигателем позволили добиться даже прибавки в мощности по сравнению со стандартным вариантом. И это, отметим, без ущерба для экологии.
 
hydrogen_autoadam_3
Компоновка BMW Hydrogen 7, впрочем как и любого автомобиля с ДВС на водороде, практически в точности повторяет внутренности традиционных машин. Единственное заметное отличие - наличие громоздкого баллона для водорода.
 
Но тем не менее водородные автомобили так и не получили широкого распространения. Виной тому ряд причин как технологического, так и “глобального” плана. Прежде всего, переход на водородное топливо, как мы уже выяснили, требует серьезной доработки конструкции автомобиля. И не только по части системы питания, электроники, но и защиты от столкновений. Для сохранения прежнего запаса хода газовый баллон приходится делать крупнее по размерам, нежели топливный бак. Соответственно сокращается объем багажника, а запас хода наоборот падает.
 
Правда это еще полбеды. Куда более серьезная проблема – отсутствие необходимой инфраструктуры водородных заправок. А без них никуда. Ведь водород, в отличие от бензина, с собой в дорогу в канистре не возьмешь. Но, допустим, необходимые АЗС еще можно построить, хотя это и требует огромных затрат. Однако встает вопрос о получении и самого водорода. В чистом виде в природе он встречается редко, поэтому для выработки этого газа остаются, по сути, два бюджетных способа – это выделение водорода из воды методом электролиза или из природного газа. Но даже в этом случае стоимость литра водорода может доходить до 300 рублей. Ведь он является фактически не источником, а лишь переносчиком энергии. Хотя если представить, что, к примеру, электролиз стал предельно дешевым, то запасы водорода сразу становятся почти неисчерпаемыми – ведь в газ в таком случае можно переработать хоть весь мировой океан.
 
hydrogen_autoadam_4
В 2003 году Mazda построила водородный прототип на базе купе RX-8 с роторно-поршневым ДВС. Двигатель Ванкеля хорошо подходит для перевода на газовое топливо по причине более высокой пожаробезопасности. Однако характеристики машины оказались не слишком выдающиеся. Мощность мотора упала с 210 до 109 л.с., а запас хода сократился с 550 до 100 км.
Но это пока что научная фантастика, а реальность куда более прозаична. Как посчитали эксперты Массачусетского технологического института, эксплуатация водородного автомобиля может обойтись раз в десять дороже обычной бензиновой машины…
 

На топливных элементах

Именно поэтому сейчас более перспективным направлением считается разработка автомобилей на топливных элементах, в которых водород используется в качестве, скажем так, вспомогательного источника энергии, что позволяет сократить потребление драгоценного газа и использовать его наиболее эффективно.
hydrogen_autoadam_5
 
Honda FCX Clarity - пожалуй, единственный автомобиль на топливных элементах, который получил хоть какое-то рыночное распространение. C 2008 года машину начали передовать в лизинг частным лицам в США, Японии и Европе. По словам представителей Honda, порядка 80 000 человек в мире проявили заинтересованность в этой модели.
 
Подобная технология пришла из космической отрасли, где работали над топливным ячейками давно и заставили их функционировать надлежащим образом. И все равно первые образцы таких установок для автомобилей были весьма громоздкими. Например, на “АвтоВАЗе” построили пятидверную “Ниву” на топливных элементах, у которой агрегат занимал всю заднюю часть салона.
 
hydrogen_autoadam_6
Компоновка Honda FCX Clarity больше напоминает электромобиль. Под капотом - силовая электротехника, в центральном туннеле размещены топливные элементы, под задним диваном - батареи, а в багажнике - баллон с водородом.
 
Впрочем, иностранные компании (а сейчас топливными элементами занимается едва ли не каждый крупный автоконцерн) добились большего прогресса. Они имплантируют ячейки в кузова стандартных моделей без значительных переделок. А некоторые, как например Honda, даже проектируют самостоятельные оригинальные модели.
 
hydrogen_autoadam_6
Так выглядит топливный элемент. Honda использует систему с вертикальным потоком, хотя другие автопроизводители отдают предпочтение горизонтальным вариантам.
 
Так что же представляют собой топливные элементы и в чем их ценность? По сути, это высокоэффективный электрохимический генератор, в котором происходит химическая реакция соединения водорода и кислорода (они подаются извне) с выделением водяного пара и электроэнергии. Первый в данном случае является “выхлопом”, а вот полученное электричество идет на привод агрегатов машины. Таким образом, за исключением топливных элементов и водородных баллонов конструктивно такой автомобиль представляет собой по сути электрокар. Разве что емкость аккумуляторов у него чуть ниже, поскольку энергия для них добывается прямо на борту машины. В проектах многих автокомпаний батареи вообще заменены суперконденсаторами, выполняющими только буферную роль (топливные ячейки инертны и не могут резко увеличить свою производительность по команде водителя).
 
hydrogen_autoadam_7
Так работает топливный элемент. При подаче извне кислорода и водорода происходит химическая реакция с выделение тепла, водяного пара и электроэнергии.
Конечно, стоимость топливных элементов тоже высока, но за счет массового применения их цену, как уверяют эксперты, в ближайшем будущем можно будет сопоставить с обычным ДВС. А поскольку водорода им требуется меньше, то и сеть заправок можно развивать постепенно. Впрочем, другие проблемы водородных машин вроде громоздких баллонов, пожаро- и взрывоопасности, излишнего веса и т.д. в данном случае все равно остаются нерешенными, плюс к ним добавляются недостатки традиционных электрокаров.
 
Поэтому в ближайшее время массовый водородный автомобиль нам увидеть все же не суждено.
 
Источник rus-auto.net