После того как все государства мира объявили курс на снижение выбросов вредных веществ, производители транспортных средств задумались об использовании альтернативных источников энергии. Причём они начали вести разработки не только в области электромобилей, но и в направлении использования водорода в качестве топлива для автомобилей. При этом различные компании рассматривают собственные технологии, которые обладают массой принципиальных отличий. Поэтому стоит подробнее рассмотреть авто на водороде, чтобы понять, что может ожидать нас в ближайшем будущем.
Автомобили на водороде — это довольно перспективное направление в поиске альтернативных источников энергии
Содержание
Различные методы
Двигатель внутреннего сгорания
Вспомните, почему водород называют «гремучим газом» — правильно, он очень легко взрывается с выделением огромного количества энергии. Почему бы не использовать эту его особенность для приведения в движение автомобилей? Именно так решили специалисты компаний Mazda и BMW, которые несколько лет назад представили свои прототипы автомобилей, работающих на водороде, поступающем в обычный двигатель внутреннего сгорания.
При этом инженеры BMW вполне справедливо решили, что экспериментировать лучше с более крупным двигателем, который позволит варьировать технические характеристики в очень широком диапазоне. Так появился на свет автомобиль седьмой серии, который оснащался крупным баком для сжатого водорода — при рабочем объёме мотора он обладал производительностью всего в 260 лошадиных сил и расходовал около 50 литров горючего на сто километров пути. Кроме того, фирма BMW экспериментировала и с автомобилями на сжиженном водороде — для этого использовались специальные криогенные баки, которые обладали огромной стоимостью, сопоставимой с ценой самой платформы машины — это делалось для увеличения запаса хода. Однако отличительной чертой всех экспериментальных автомобилей BMW, работавших на водороде, было наличие традиционной бензиновой системы питания — она позволяла перейти на обычное горючее при исчерпании запаса водорода или при неполадках, связанных с его подачей.
А вот Mazda пошла другим путём, решив не ограничиваться в своих экспериментах — японцы смонтировали установку питания водородом на автомобиле RX-8, оснащённом роторным двигателем Ванкеля объёмом 1,3 литра. К сожалению, результат оказался провальным — мощность упала с 240 до 100 лошадиных сил, в расход топлива возрос почти до 60–70 литров на сотню километров. В отличие от BMW 7, которая сдавалась в лизинг в США и странах Европы, Mazda RX-8, работающая на водороде, так и осталась в виде прототипа. В настоящее время обе компании свернули эти исследовательские программы, сосредоточившись на других направлениях развития альтернативной энергетики.
Видео об автомобилях на водороде:
Причину понять легко, если углубиться в отчёты инженеров — они столкнулись с такими серьёзными проблемами, как:
- Сниженный ресурс мотора;
- Частые поломки, связанные с разрушением стенок цилиндров, клапанов и поршней;
- Малый запас хода;
- Частые утечки, грозящие возгоранием или даже взрывом.
Конечно, многие небольшие исследовательские институты создавали водородные автомобили, работавшие по принципу сгорания «гремучего газа», и обладавшие лучшими характеристиками, чем бензиновые аналоги. Однако стало понятно, что двигатель автомобиля необходимо изначально разрабатывать под водород — а производители оказались не готовыми к таким сомнительным инвестициям.
Топливные ячейки
Решение проблемы пришло из области космонавтики — так как сжигать горючее для получения электроэнергии на орбите нерационально, учёные разработали специальные топливные ячейки, в которых протекала химическая реакция с выделением огромного количества электроэнергии. При прохождении водорода сквозь такую ячейку, наполненную каталитическим материалом, происходит его соединение с кислородом, в результате которого образуется вода. Соответственно, пользователь получает только плюсы — никаких вредных веществ, на выходе только чистая вода и определённый запас электроэнергии. Остаётся только запастись нужным количеством водорода.
Автомобиль на водороде, работающий с применением топливных ячеек, функционирует по принципу электромобиля — в нём отсутствует двигатель внутреннего сгорания, который полностью заменён электрическим мотором. Энергия, полученная от реакции водорода с кислородом, накапливается в аккумуляторах — а некоторые производители, ориентированные на достижение автомобилем хороших динамических характеристик, используют суперконденсаторы, которые позволяют максимально быстро отдавать полученный заряд. Благодаря этому преодолевается один из недостатков топливных ячеек на водороде — они являются инертными, то есть не могут изменять свою отдачу по желанию водителя автомобиля.
Основные преимущества
Основной плюс, которым обладает машина на водороде, использующая топливные ячейки в качестве источника энергии — сочетание в ней лучших характеристик автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и электромобилей. Запас хода очень высок — особенно в случае, когда батареи можно заряжать не только от реакции водорода с кислородом, но и от обычной электрической сети. Вместе с тем отсутствие агрегата, сжигающего углеводородное топливо, позволяет получить просто огромное количество преимуществ:
- Отсутствие вредных выбросов — как и при сгорании водорода, в топливных ячейках образуется только водяной пар, который не наносит вреда окружающей среде.
- Меньшая масса — кстати, комбинация водородных топливных ячеек, электродвигателя и аккумуляторов имеет меньшие габариты и вес, чем у батарей и мотора в традиционном электромобиле при сходных характеристиках и запасе хода.
- Уменьшение количества движущихся и соприкасающихся между собой частей в несколько раз — за счёт этого существенно повышается ресурс эксплуатации транспортного средства.
Если же рассматривать водородный автомобиль, который оснащается двигателем внутреннего сгорания, адаптированным к этому виду топлива, то пока у него больше минусов, чем положительных сторон. Однако отчёты научно-исследовательских институтов, которые занимаются разработками в этом направлении, позволяют надеяться на то, что в скором будущем ситуация коренным образом поменяется. Уже сообщается о том, что двигатели автомобилей, которые изначально создавались для работы на водороде, имеют следующие характеристики:
- Ресурс эксплуатации, увеличенный на 20–30%, а также уменьшенная вероятность возникновения меньших поломок.
- Мощность, большая на 15–20%, больший КПД, означающий лучшее использование энергетического потенциала горючего.
- Стоимость пробега, в 2 раза меньшая, чем аналогичный показатель для бензина — однако только при условии промышленного производства водорода.
Вот только стоимость двигателей, работающих на водороде, очень уж высока — как в силу применения дорогостоящих инновационных материалов, так и благодаря штучному производству, ведущемуся по обходным технологиям.
Недостатки
К сожалению, не обходится и без минусов — впрочем, это касается не только водорода, но и всех прочих технологий альтернативной энергетики, работа над которыми ведётся относительно недавно. С точки зрения рядового потребителя пока существенным недостатком является высокая стоимость производства топлива — относительно недорого можно купить только водород, создаваемый в промышленных масштабах — он является редкостью, так как заводов по выпуску этого газа пока относительно немного. Кроме того, при проведении опросов в странах, где уже продано либо сдано в лизинг достаточно много автомобилей, работающих на водороде, результаты показали, что очень многие люди боятся взрыва «гремучего газа», хотя о таких случаях они даже не слышали. Действительно, на испытаниях нередко случались возгорания в результате утечки водорода, однако в серийное производство были отправлены только автомобили с многоуровневыми системами безопасности, предотвращающими возникновение взрыва.
Однако благодаря применению многих инновационных технических решений водородная машина является не только экономичной и безопасной, но и дорогой. В частности, компания BMW никогда не разглашала стоимость автомобиля седьмой серии, работающего на водороде, разрешая только брать его в лизинг. Однако некоторые эксперты говорят о том, что его рыночная цена могла бы быть установлена на уровне 1,2–1,5 миллиона долларов. Даже наиболее дешёвые автомобили, выпускаемые Honda и Toyota, стоят не менее 30–50 тысяч долларов при минимальном уровне оснащения — и то, только благодаря демпинговой политике компаний и компенсациям, выделяемых правительством Японии. Стоит сказать и о том, что топливные ячейки и баки не могут быть долговечными в силу длительной эксплуатации в условиях агрессивной среды — и если ячейки можно выпускать в сменном виде, то на ремонт бака придётся затратить немало денег.
Пришло время поговорить о главном — где заправлять автомобиль, работающий на водороде? Говорить о создании сети заправок даже в Японии, США и Германии очень рано — пока они представляют собой единичные экземпляры. В то же время строительство соответствующей инфраструктуры для электромобилей идёт полным ходом, что позволяет получить сведения о приоритетах, которые устанавливаются современным обществом и государственными учреждениями. Заправлять водородом машину с использованием самодельных приспособлений очень опасно — вероятность взрыва будет невероятно высокой.
Топливо будущего или нет?
Сейчас приходится слышать о том, что водород является топливом будущего — однако стоит вспомнить о том, что подобные слоганы звучали во всём мире ещё в конце 60-х годов — причём Советский Союз, в котором исследования свойств этого газа шли полным ходом, исключением не был. Несмотря на всё прошедшее время, водородные автомобили так и остались прототипами, не слишком пригодными к серийному производству и эксплуатации на дорогах общего пользования. Однако разработки не прекращаются, несмотря на то, что пока положительные результаты были достигнуты только единичными компаниями, начавшими мелкосерийное изготовление таких автомобилей. Кроме того, необходимо вспомнить о том, что водород является даже более безопасным для окружающей среды источником энергии, чем электричеством. Ведь несмотря на развитие энергетики, в мире до 70% электростанций работают на таких «грязных» видах топлива, как нефть и уголь.
