Откуда взялась идея водородного автомобиля?
Ресурсы ископаемого топлива на Земле не безграничны. Последние прогнозы говорят, что месторождения нефти будут истощены в течение 40-50 лет. Это можно рассматривать как аргумент в пользу постоянно растущих цен на топливо, но, что бы мы ни говорили, однажды нефть действительно закончится. Что произойдет тогда? В таком сценарии в игру вступают альтернативные источники энергии и движения. На этот раз в центре внимания оказался водород, самый распространенный элемент на Земле.
В настоящее время электромобили потихоньку начинают завоевывать рынок. Водители все чаще выбирают электромобили из-за гораздо более низких эксплуатационных расходов – в основном затрат на топливо и обслуживание. Кроме того, большинство стран Европы предлагают различные виды субсидий и субсидий на электромобили. Однако, к сожалению, они не лишены недостатков .
В настоящее время самым большим из них является время, необходимое для их зарядки . На быстром зарядном устройстве это займет минимум несколько десятков минут, а дома без зарядной станции может продержаться всю ночь. Также нельзя обойти вниманием тему максимальной дальности хода, которая очень сильно зависит от погодных условий и стиля вождения . Кроме того, такие элементы имеют тенденцию воспламеняться в случае аварии. Использование водорода в качестве альтернативного источника энергии решает все эти проблемы. Он безопасен, быстро заправляется, обеспечивает относительно большую и стабильную дальность полета и одинаково «чист». Это устраняет проблему хранения больших использованных батарей. Разработка такого типа привода кажется естественным решением.
Водородный привод в автомобиле – как он работает и что включает в себя?
Чтобы правильно объяснить принцип работы водородного движителя, необходимо вначале отметить, что его можно использовать двумя совершенно разными способами . Первый — это использование водорода в качестве топлива в двигателе внутреннего сгорания, а второй — использовать его для создания электричества, приводящего автомобиль в движение. Нетрудно заметить, что это совершенно разные подходы к одной и той же теме. Ниже приведено описание каждого из них.
Водородный двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания известен уже более 100 лет . Обычно он работает на дизельном топливе, бензине, природном газе и сжиженном нефтяном газе . Водород также может выполнять ту же функцию. Несколько автомобильных компаний даже создали рабочие прототипы, которые в настоящее время находятся на стадии испытаний. Их двигатели работают на водороде и воспламеняются от искры. Речь идет о Toyota, Aquarius Engines и Deutz.
Как и при использовании других газовых видов топлива, в случае с водородом возникает проблема с его хранением в баке. Делать это необходимо под высоким давлением , а само топливо охладить до температуры почти -250 градусов С. Это позволяет ему оставаться в жидком состоянии. Водород в газообразном состоянии встречается гораздо реже, чем воздух, а значит, он сразу же улетучится из резервуара в атмосферу.
В остальном это решение мало чем отличается от классических . Так же, как LPG или CNG, водород под высоким давлением впрыскивается в камеру сгорания, где под действием сжатия и искры происходит взрыв, приводящий в движение поршни. При этом коленчатый вал перемещается, создавая вращение, которое приводит в движение колеса.
К преимуществам этого альтернативного топлива можно отнести более тихую работу приводного агрегата и повышенную плавность хода. Такие выводы сделаны на основе испытаний, проведенных на первых прототипах. Кроме того, побочным эффектом сгорания водорода в двигателе является не что иное, как H 2 O, то есть вода. Это означает, что данное решение является 100-процентным. экологичность и отсутствие выбросов. К сожалению, регулировать работу двигателя на этом топливе пока сложно. Водород характеризуется тем, что его горение часто происходит преждевременно, что приводит к детонационному горению. Однако инженеры все лучше и лучше справляются с этой проблемой и, возможно, вскоре подходящее решение будет найдено.
Водородный электрический двигатель
Самым большим преимуществом этого решения является то, что для его работы не требуются большие и тяжелые батареи , поскольку в них не нужно хранить энергию. Он просто производится на постоянной основе из топлива в баке с помощью топливных элементов.
Топливные элементы известны человечеству с 1838 года , когда схему их работы представил немецко-швейцарский химик — Кристиан Фридрих Шенбейн . Его конструкция состояла из катода и анода, т.е. двух электродов, разделенных электролитической мембраной. Платина, покрывающая электроды, служит катализатором реакции.
Когда водород попадает в клетку, он окисляется . Это означает, что он отдает электроны, что приводит к образованию катионов водорода. На катоде кислород реагирует с электронами, где восстанавливается до анионов кислорода. Упомянутая ранее мембрана блокирует все ионы, включая анионы кислорода. Пройти могут только протоны, и их поток идет от анода к катоду. После того, как катионы водорода достигают катода, они реагируют с оксидными анионами. В результате этих реакций образуется вода , а электроны от анода по электрической цепи переходят к катоду. Так создается энергия. Поскольку анионы должны обойти мембрану, они попадают в систему кровообращения, и там их движение создает напряжение.
Водородный привод в автомобиле дает множество преимуществ. Преимущества этого решения идентичны преимуществам электромобиля, кроме того, устраняются все проблемы, связанные с огромным , тяжелым аккумулятором. Полный бак водорода очень легкий . Примерно 120 литров сжатого водорода при соответствующем давлении весят примерно 5 кг. Однако возникают проблемы, когда речь идет о рабочей температуре такого двигателя. Чтобы машина «завелась», она должна каждый раз прогреваться, а значит каждый раз ждать несколько секунд. Однако решение этой проблемы уже ищется, и последующим моделям водородных автомобилей требуется все меньше времени, чтобы оторваться от земли.
Водородный электромобиль – каковы его ограничения?
К сожалению, как всегда бывает в жизни, нет ничего идеального – и у водородного автомобиля есть и некоторые неудобства. Настоящая проблема — низкая энергоэффективность, которая после преобразования водорода в электричество может составлять всего несколько десятков процентов . Этот результат обусловлен тем, что потери усугубляются на каждом этапе производства энергии. От получения водорода, до его сжатия, затем сжижения, до транспортировки и заправки.
Кроме того, хранение водорода очень дорого . В результате лишь немногие страны взяли на себя обязательство построить инфраструктуру для заправки этим топливом. Само производство водорода также является дорогостоящим, что, к сожалению, требует выбора более дешевого варианта. Именно извлечение этого элемента из угля снижает пользу для окружающей среды.
Мало того, автомобиль с полным баком водорода может простоять от 9 до 14 дней , прежде чем все его содержимое нагреется и просто выльется из бака. Это связано с тем, что водород остается жидким только при очень низких температурах и соответствующем давлении.
Водородный автомобиль – Toyota лидер рынка?
В настоящее время второе поколение модели Mirai от Toyota завоевывает азиатский рынок . Предыдущий был первым в мире серийным электромобилем, работающим на водороде и топливных элементах. Эта модель также пришла в Европу, но, к сожалению, количество водородных заправок на старом континенте очень мало, что делает использование такого автомобиля в повседневной жизни весьма затруднительным. Однако это не вина Toyota. Японцам нельзя отказать в настойчивости, с которой они развивают различные виды экологических инициатив, и надо признать, что в этом отношении им нет равных на рынке.
Целая группа аналитиков в настоящее время задается вопросом, каковы шансы на широкое использование водорода в автомобильной и транспортной промышленности. В настоящее время логистические компании возлагают гораздо большие надежды на водородные транспортные средства, чем на электрические. Целых 41 процент респонденты полагают, что автомобили на водородном топливе получат широкое распространение в течение 10-15 лет . Лишь 34% придерживаются такого же мнения об электромобилях. предметы. В настоящее время автомобили на топливных элементах кажутся оптимальным направлением развития автомобильной промышленности. Для обычного пользователя автомобиля это будет означать снижение затрат на техническое обслуживание. Такие операции, как обслуживание тормозов, обслуживание масла и т. д., будут выполняться реже из-за системы привода, используемой в этих автомобилях. Более того, автомобильная промышленность, наконец, станет полностью безэмиссионной , - говорит эксперт Inter Cars.
Подытожить работу водородного привода очень просто: водород поступает в топливные элементы, где происходит реакция ионов водорода в аноде с кислородом в катоде. Поток электронов между электродами создает электричество, которое приводит в действие электродвигатель, приводящий в движение колеса автомобиля. Вы также знаете, сколько это стоит и какое будущее ждет за этим.