Применение водородных устройств в современном мире

Автомобильный транспорт

В настоящее время автомобили, которые работают на водородном топливе, можно разделить на три группы:

Первая – это автомобили с самым обычным двигателем, который работает или на водородной смеси или на водороде. Такие типы машин могут работать как на чистом водороде или, к примеру, добавляют 10 % водорода к основному топливу. В таких случаях КПД у двигателя увеличивается (во втором примерно на 20 %), а выхлоп будет намного чище (содержание углеводов и угарного газа) уменьшится почти в полтора раза, а оксидов азота уменьшится почти в пять раз. Такие автомобили и двигатели к ним были сделаны как за рубежом, так и у нас примерно в 80 годах.

Но учитывать следует затраты и многие конструкционные сложности, это является всего лишь промежуточным этапом на пути к третьему виду автомобилей.

Вторая - это автомобили с двумя электроносителями, которые называются еще гибридными. Его колеса должны приводить в движение электропривод, к которому энергию доставляет аккумулятор, заряжающийся от высокоэкономичного двигателя.

Этот двигатель работает на смеси водорода с бензином или просто работающий на водороде. Такой двигатель, работающий на водородной основе, намного экономичней и выгоднее, ведь КПД у электродвигателя может достигать до 90 или 95 % в сравнении с бензиновым топливом (около 35%) или, например, с дизельным (50%), следовательно, общий КПД может повыситься на 30%, при этом сразу снижается весь расход топлива.

Даже для аккумулятора и его подзарядки необходим бензин, поэтому объем всех вредных выбросов укладывается в нормы «Евро-4» примерно с десятикратным запасом. Но получить полностью чистый выхлоп можно только третьим видом автомобилей с водородным двигателем.

Третья – это уже реальный водородный автомобиль. В нем встроен электродвигатель, который питается от основного топливного элемента, он расположен на борту автомобиля. В теории КПД этого элемента, который работает на особой смеси воздух – водород, может стать в 85 %.

Даже не сегодняшний день удалось создать двигатели с КПД, превышающие 75% - это уже вдвое выше, чем в самых лучших двигателях внутреннего сгорания. В городских условиях такие автомобили получают огромное преимущество перед автомобилями, работающими на бензине.

Гиганты автомобильной индустрии очень быстро отреагировали на перспективы трансформации энергоносителей. Попытки разработки «водородного» транспортного средства увенчались успехом еще в прошлом веке, а первом десятилетии века нынешнего появились уже серийные образцы «водородных» автомобилей. По оценкам немецких футурологов из группы к середине 21 века доля привычных, бензиновых двигателей не превысит одной четверти, остальные агрегаты будут потреблять альтернативное топливо.

На сегодняшний день мировые автопроизводители могут предложить заинтересованным покупателям и «водородную» и «гибридную» (традиционный бензин плюс водород) схему силового агрегата. Лидирующие позиции в этом сегменте рынка занимают концерны Daimler, Honda, и симбиоз китайского Shanghai и немецкого VW. Именно эти производители предлагают автолюбителям готовые решения: BMW Hydrogen 7, Honda FCX, Mercedes F-Cell. Рассмотрим эти и другие решения подробнее.

Honda FCX – полноценный «водородный» автомобиль, развивающий скорость до 160 км/час и способный проехать более 500 километров на одной заправке. Емкость бака Honda FCX – более 5 килограмм сжиженного водорода. На сегодня обладателями этого технического чуда являются 200 счастливчиков, а готовность приобрести такой автомобиль выразили около 50 тысяч автолюбителей.

Силовыми агрегатами Honda FCX являются 3 электродвигателя, один вращает вал передней колесной пары, два других вмонтированы в задние колеса. Мощность «переднего» двигателя – 80 кВт. Мощность «задних» агрегатов – по 25 кВт каждый. Двигатели Honda FCX не испытывают проблем с пуском даже при чрезвычайно низких температурах (-30 по Цельсию).

Проект Honda FCX относится к комплексным решениям. Кроме транспортного средства компания Honda продает бытовую установку по добыче водородного топлива - Home Energy Station, вырабатывающую водород методом электролиза. Причем под водородное топливо расходуется только часть выработанного газа, оставшийся объем тратится на производство электроэнергии и обогрев жилища. В сутки Home Energy Station производит около 50 «кубов» альтернативного топлива.

Mercedes F-Cell является автомобилем из серии «B-class», оснащенным особым агрегатом, который разрабатывался в рамках проекта HYGENIUS. На сегодняшний день проект F-Cell проходит традиционные тесты, аналогичные испытаниям в полевых условиях «бензиновых» моделей. Инженеры концерна Mercedes заявили о решении проблемы «холодного пуска» двигателя и возможном завершении работ по оптимизации функционирования управления электродвигателем в скоростном режиме.

Mercedes F-Cell образца 2010 года оснащен электродвигателем F 600, мощность которого увеличилась до 115 лошадиных сил, а крутящий момент приближается к отметке 350 Нм. Кроме того, инженеры Mercedes добились 16-процентного сокращения потребления топлива по сравнению с моделями 2005 года. Теперь Mercedes F-Cell способен преодолеть более 400 километров всего на одной заправке «водородного» бака. Расходы на заправку «полного» бака не превышают стоимости 12 литров стандартного дизельного топлива. Автомобиль Mercedes F-Cell пока еще не поступил в продажу. Концерн Mercedes-Benz эксплуатирует модель F-Cell в рекламных целях, подогревая интерес к другим разработкам компании – автобусам из серии Citaro.

Проект Citaro ориентирован на выпуск общественного транспорта для крупных городов. На сегодня в мире существует около 40 действующих автобусов Mercedes Citaro. Мощность электродвигателя такого автобуса не превышает 250 кВат, что позволяет транспортировать пассажиров и багаж со скоростью 80 км/час. Расход составляет 25 кило на 100 километров. В баке бака Mercedes Citaro помещается 42 килограмма водородного топлива, что позволяет этому транспортному средству проехать 167 км без дозаправки. Автобусы Mercedes Citaro можно увидеть не только в крупных городах Европы – 3 автобуса закупил Китай (для пекинского общественного транспорта), а 1 автобус «заехал» в далекую Австралию.

BMW Hydrogen 7 –очередной вариант стандартной «семерки» BMW, оснащенный гибридным двигателем внутреннего сгорания. В качестве топливной смеси применяется бензин или водород. Двигатель Hydrogen является итогом двадцатилетней работы инженеров компании BMW. Этот агрегат способен «разогнать» стандартный BMW 7 до 230 км/час, а до первой сотни это авто «добегает» за 9,5 секунд.

Показатель потребление топлива у Hydrogen равняется 6,5 литрам бензина или 25 литров жидкого водорода на 100 километров пути. Емкость классического (бензинового) бака – 74 литра (хватает на 480 км). Емкость водородного бака – 8 килограмм. Именно этот элемент BMW Hydrogen 7 отличает данное авто от изделий конкурентов. Бак для водородного топлива позволяет сохранять этот летучий газ в сжиженном состоянии, поддерживая постоянную температуру в -253 градусов по Цельсию. Разумеется, такая схема хранения топлива чрезвычайно опасна, но концерн BMW утверждает, что его автомобиль Hydrogen 7 не опаснее классического бензинового варианта, а канадские аудиторы из Magna International подтверждают это заявление. Водородный бак для Hydrogen 7 прошел все тесты безопасности, и выдержал не только механическое воздействие, но и нагрев до температуры в 1000 градусов по Цельсию. К сегодняшнему дню реализовано более 100 автомобилей BMW Hydrogen 7

Аналогичный проект делает компания Mazda, решившая запустить в серию концепт RX-8 hydrogen – автомобиля с гибридным двигателем. Агрегат получил наименование Wankel и позволяет проехать до 100 километров пути на одной заправке водородным топливом или 550 км на бензине.

Емкость водородного бака составляет 2,4 кило. Первая партия RX-8 hydrogen была заказана Норвегией, закупившей более 30 автомобилей для проверки работоспособности национального проекта HyNor (водородные дороги Норвегии - hydrogen highway in Norway). Мощность водородной части двигателя RX-8 hydrogen в два раза ниже бензиновой – 109 против 192 «лошадок», но этих усилий с избытком хватает для достижения максимальной скорости в 170 км/час и разгона до 100 км/час 10 секунд.