Как перевести двс на водород
Перейти к содержимому

Как перевести двс на водород

  • автор:

Водородный двигатель внутреннего сгорания?! // Engineering Explained

Видеопортал Engineering Explained рассказывает о проекте Toyota по созданию альтернативы новым электромобилям с минимальными выбросами и задает вопрос — сможет ли компания добиться контролируемого сжигания водорода? Toyota разработала водородный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), преобразовав обычный бензиновый двигатель в водородный. Образующаяся при сжигании водорода вода является основным источником выбросов. В проекте участвовал автомобиль Toyota Corolla Sport с трехцилиндровым турбомотором 1,6 л от модели GR Yaris, который был протестирован в 24-часовой гонке.

Один из инженеров проекта говорит: «Для этого водородного двигателя сам двигатель остается таким же, как и раньше. Наша концепция состояла в том, чтобы создать водородный двигатель, используя как можно больше существующих технологий внутреннего сгорания. Мы думали, что достижение этого позволит перевести существующие автомобильные двигатели на водород, что станет мощным оружием в борьбе за углеродную нейтральность».

Источник: Engineering Explained.

Способ подачи водорода для питания автомобильного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Абрамчук Федор Иванович, Кабанов Александр Николаевич, Дзюбенко Александр Андреевич, Кузьменко А. П.

Особенности пуска двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием на газовом топливе
Особенности пуска ДВС с искровым зажиганием на газовом топливе

Работа электронной системы управления двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием на газовом топливе при пропусках воспламенения

Экспериментальный образец водородного автомобиля на базе модели Газ-2705
Способы организации рабочего процесса газодизельного двигателя
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

On basis of analysis of various methods of hydrogen feeding for automotive engine supply methods of multipoint hydrogen distribution with microprocessor-based control are proposed

Текст научной работы на тему «Способ подачи водорода для питания автомобильного двигателя»

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

СПОСОБ ПОДАЧИ ВОДОРОДА ДЛЯ ПИТАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО

Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., А.Н. Кабанов, доцент, к.т.н.,

А.А. Дзюбенко, ассистент, А.П. Кузьменко, аспирант, ХНАДУ

Аннотация. На основе анализа различных способов подачи водорода для питания автомобильных двигателей предложены способы распределенной подачи водорода с микропроцессорным управлением в цилиндры ДВС.

Ключевые слова: водород, система впрыска топлива, ДВС, автомобильный двигатель.

СПОСІБ ПОДАЧІ ВОДНЮ ДЛЯ ЖИВЛЕННЯ АВТОМОБІЛЬНОГО

Ф.І. Абрамчук, професор, д.т.н., О.М. Кабанов, доцент, к.т.н.,

О.А. Дзюбенко, асистент, А.П. Кузьменко, аспірант, ХНАДУ

Анотація. На основі різних способів подачі водню для живлення автомобільних двигунів запропоновано способи розподіленої подачі водню з мікропроцесорним керуванням у циліндри ДВЗ.

Ключові слова: водень, система впорскування палива, ДВЗ, автомобільний двигун.

METHOD OF HYDROGEN FEEDING FOR AUTOMOTIVE ENGINE SUPPLY

F. Abramchuk, Professor, Doctor of Technical Science, A. Kabanov, Associate Professor, Doctor of Technical Science, A. Dz’ubenko, assistant,

A. Kuzmenko, postgraduate, KhNAHU

Abstract. On basis of analysis of various methods of hydrogen feeding for automotive engine supply methods of multipoint hydrogen distribution with microprocessor-based control are proposed.

Key words: hydrogen, fuel injection system, ICE, car engine.

При использовании водорода в качестве основного топлива или в качестве добавки в двигателях с искровым зажиганием возможна реализация как внутреннего, так и внешнего смесеобразования. Наибольшее распространение получило внешнее смесеобразование, поскольку оно реализуется с помощью относительно простой системы питания. Однако при внешнем смесеобразовании водородовоздушной смеси (при а < 2,0) происхо-

дит нарушение рабочего процесса вследствие возникновения обратных вспышек на впуске [1-10]. Несмотря на то, что температура воспламенения водородовоздушной смеси выше, чем у топливовоздушных смесей с углеводородными топливами, возможно ее самовоспламенение в момент открытия впускного клапана. Энергия воспламенения водородовоздушной смеси незначительна — 0,02 мДж, в то время как для бензовоздушной смеси она равна 0,20 мДж, а для метановоздушной смеси — 0,23 мДж [1].

Причиной воспламенения водородовоздушной смеси могут быть локальные высокотемпературные зоны, которые находятся в камере сгорания ДВС. Однако их энергия недостаточна для воспламенения бензовоздушной или газовоздушной смеси. Источниками воспламенения могут быть: свечи зажигания, впускной клапан, остаточные газы или раскаленные твердые частицы продуктов сгорания в них.

Для восьмицилиндрового К-образного двигателя с внешним смесеобразованием корпорация энергетических исследований Р. Биллингса разработала специальный смеситель, который устанавливается на впускном патрубке [11]. Однако при таком способе смесеобразования перед впускным клапаном всегда находится гомогенная смесь, что приводит к обратным вспышкам.

Для предотвращения обратных вспышек необходимо цикловую порцию водорода подавать в область впускного клапана каждого цилиндра либо непосредственно в цилиндр.

В работе [12] предложено подавать водород через несколько трубочек, выведенных на дополнительное седло впускного клапана. При открытии впускного клапана дополнительная фаска освобождает расходные отверстия трубок и водород под действием разрежения всасывается в цилиндр вместе с воздухом. Предложенная конструкция имеет ряд недостатков. Во-первых, очень сложно технологически выполнить качественное уплотнение по двум соосным седлам с двумя различными фасками одной детали. Во-вторых, эта конструкция также не гарантирует предотвращения обратных вспышек, поскольку водород и воздух одновременно подаются в цилиндр, где вследствие высокой скорости диффузии водорода сразу же образуется водородовоздушная смесь.

Существуют конструкции, в которых подача водорода начинается после открытия впускного клапана, а завершается — несколько раньше закрытия этого клапана. В первом случае подача водорода осуществляется золотниковым устройством, которое расположено во впускном патрубке [13]. Золотник контактирует с тарелкой впускного клапана, прижимаясь к нему пружиной и давлением

водорода. Во второй конструкции роль золотникового устройства выполняет стержень клапана и его направляющая [14]. При закрытом положении клапана полость с водородом отсекается от впускного патрубка.

Известны и более сложные способы подачи водорода, требующие значительной модернизации двигателя. В Токийском университете для двигателя «Датсун В-210» разработана система подачи водорода во впускные патрубки каждого цилиндра с помощью специального клапанного механизма, приводимого от дополнительного распределительного вала [15]. Клапаны подачи водорода открываются одновременно со впускными клапанами, а закрываются через 90 градусов поворота коленчатого вала.

При установке водородной системы на газовый двигатель возникает ряд специфических проблем. Анализ публикаций показал, что при внутреннем смесеобразовании обратные вспышки полностью исключаются. Однако реализовать внутреннее смесеобразование очень сложно, поскольку необходимо решать вопросы момента подачи водорода, рабочего давления водорода и его дозирования. Поэтому целью данного исследования стала разработка способа подачи водорода для питания автомобильного двигателя 4ГЧ 7,5/7,35, работающего на смеси воздуха, сжатого природного газа и водорода.

Разработка способа подачи водорода

Использование газового двигателя с микропроцессорной системой подачи топлива позволяет предложить две схемы подачи водорода при использовании его в качестве добавки к природному газу.

Первая схема приведена на рис.1, предполагает параллельную подачу водорода и природного газа установкой дополнительной рампы с форсунками в водородном тракте. В этом случае впрыскивание природного газа и водорода во впускной коллектор осуществляется раздельно.

Система впрыска природного газа состоит из газового электронного блока управления 1 и газовой рампы с электромагнитными форсунками 2. Управляющий сигнал с газовых

форсунок через блок согласования 3 поступает в блок управления форсунками подачи водорода 4. Блок управления 4 фиксирует момент и длительность открытия газовых форсунок и, в соответствии с заложенным алгоритмом, вырабатывает управляющий сигнал форсунок водородной рампы 5. Наличие датчика давления 6 в водородной рампе позволяет блоку управления производить коррекцию длительности открытия форсунок, что обеспечивает одинаковые порции водорода отдельно по каждому каналу.

Рис. 1. Схема параллельной подачи водорода и природного газа во впускной коллектор

Преимуществами этой схемы является:

— возможность подачи водорода с задержкой на такте впуска, после зоны перекрытия клапанов, когда горячие детали камеры сгорания уже частично охлаждены;

— индивидуальная настройка подачи водорода в каждый цилиндр;

— возможность установки водородных форсунок в оптимальном месте;

— не возникает проблемы перемешивания двух топлив, независимо от их агрегатного состояния, что позволяет устанавливать данную систему на большинство современных автомобилей.

Среди недостатков такой схемы необходимо отметить большое количество ответственных деталей, которые нуждаются в более жестком контроле по герметичности, и проблема размещения рампы с форсунками, которая занимает часть моторного отсека.

Вторая схема (рис. 2) предполагает смешивание водорода и природного газа в газовой рампе до подачи топлив во впускной коллектор. Управление форсунками 1 осуществляет газовый электронный блок управления 2. Блок управления водородом 4 посредством блока согласования 3 отслеживает момент, когда все форсунки газовой рампы закрыты, и формирует сигнал, который открывает водородный клапан 5. При этом водород, благодаря более высокому давлению в подводимом трубопроводе, поступает к газовой рампе.

Рис. 2. Схема подачи водорода в рампу природного газа

К преимуществам этой схемы следует отнести:

— меньшее количество деталей, которые требуют постоянного контроля герметичности;

— возможность перехода от чисто газовой к смешанной схеме;

— во впускной коллектор подается гомогенная смесь природного газа и водорода.

При доводке второй схемы возникают трудности с выбором давления водорода, поскольку оно должно быть больше давления природного газа и не нарушать работу газовой аппаратуры, в частности редуктора низкого давления. Такая схема не может быть применена в случае добавки водорода к бензину.

1. Предложено и рассмотрено две схемы распределенной подачи водорода во впускной коллектор с использованием микропроцессорной системы управления.

2. Для двигателя 4ГЧ 7,5/7,35 предпочтительной является схема параллельной (раздельной) подачи водорода и природного газа во впускной коллектор, так как при этом не возникает проблемы перемешивания природного газа и водорода в газовой системе, а также сохраняется возможность быстрого перевода двигателя для работы на смесь любого топлива и водорода, независимо от агрегатного состояния этого топлива.

1. Мищенко А.И. Применение водорода для

автомобильных двигателей / А.И. Мищенко. — К. : Наукова думка, 1984. — 143 с.

2. Талда Г.Б. Повышение топливной эконо-

мичности и снижение токсичности бензиновых двигателей добавкой водорода к бензину : автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук : спец. 05.04.02 «Тепловые двигатели» /

Г.Б. Талда. — Харьков, 1984. — 20 с.

3. А.с. 918483 СССР. Система питания кар-

бюраторного двигателя внутреннего сгорания жидким и газообразным топливом / А.С. Озерский, В. М. Кузнецов,

A.Ю. Роменский и др. (СССР). —

№ 3025487/15-02; заявл. 22.08.1980; опубл. 7.12.1980, Бюл. № 12.

4. Лавров Б. Е. Некоторые результаты иссле-

дования рабочего процесса поршневого двигателя на водороде / Б. Е. Лавров,

B. И. Хмыров // Труды. АН Каз. ССР. -1960. — №2. — С. 326-332.

5. Breshers R. Partial hydrogen Injection into

intemal combustion engines — effect on emissions and fuel economy / Breshers R., Cotrill H., Rupe J. // EPA — Fist symposium on low pollution power system development (Ann Arbor, Michigan, 1973), 1973.

6. Furuhama S. Combustion Characteristics of

Hydrogen Fueled Spark Ignition Engine / Furuhama S. // Bul. I SAE. — 1976. — № 6.

7. King R. The oxidation, decomposition, igni-

tion and detonation of fuel vapors and gases. The hydrogen engine / King R., Rand M. // Can. Techn. — 1955. — № 33.

8. Swain M. The Hydrogen — Air Fueled Auto-

mobile / Swain M., Adl R. // Intersoc. energy conv. eng. conf., 1972. — P. 194-197.

9. Watson H. Efficiency and emissions of a hy-

drogen of methane fueled spark-ignition Engine / H. Watson, E. Milkins, J. Deslandes // In: FISITA Paris, 1974. — Р. 19.

10. Weil K. The hydrogen I. C. engine — its ori-

gins and future in the emerging energy-transportation-environment system / K. Weil // In: Intersoc. energy eng. conf., 1972. -Р.72-92.

11. Billings R. A Hydrogen — Powered Masse

Transit System / R. Billings. — In : Ist world hydrogen energy conf. proc. : In 3 vol. (Miami Beach, Florida, 1-3 March 1976). — 1976. — Vol. 3. — Р. 27-76.

12. Патент США № 3799124 кл F 02 в 21/02,

13. Watson H. Hydrogen and methane — auto-

motive fuels of the future? / H. Watson, E. Milkins. — SAE, Australia, 1975, 3/4. -P. 17-19.

14. Патент ФРГ №12559415А1 Vorrichtung

zum Finsoritzen eines gesformingen unter Druck Stehenden Mediuns in einen Verbrennungsmotor / H. C. Arnaud, опубл. 8.07.76.

15. Furuhama S. Development of a liquid hy-

drogen Car / S. Furuhama, M. Hiruma, Y. Enomoto // In: Ist World hydrogen energy conf. Proc. : In 3 vol. (Miami Beach., Florida, 1-3 March 1976). — 1976. — Vol. 3.

Рецензент: А.Н. Пойда, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 18 марта 2010 г.

Как перевести двс на водород

Водородные мечты человечества: от прошлого к будущему

Водород в наши дни нередко называют универсальной основой энерготехнологий будущего, однако первой реализованной идее использовать водород в качестве топлива уже больше двух столетий, а в ХХ веке транспортные средства на водороде передвигались и по земле, и по воде, и по воздуху, и даже в безвоздушном пространстве. Рассказываем, как появлялись и развивались водородные технологии и почему человечество до сих пор не научилось использовать все их возможности.

Отцы технологий

В 1807 году франко-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз, которого называют отцом первого поршневого двигателя внутреннего сгорания, изобрел четырехколесное транспортное средство, которое приводилось в движение благодаря водороду и кислороду. А «родителем» водородной энергетики считается англичанин Уильям Сесил. В 1820 году он представил Кембриджскому философскому обществу работу, в которой описал свой водородный двигатель. Согласно объяснению Сесила, движение вызывалось давлением атмосферы на вакуум, который образуется в результате взрывов при взаимодействии водорода и атмосферного воздуха. Водород был в основе и прототипа топливного элемента, концепцию которого в 1842 году предложил англичанин Уильям Гроув, который был судьей и одновременно ученым.

Еще в начале XIX века британские ученые Уильям Николсон и Энтони Карлайл предложили использовать электричество, чтобы превращать воду в водород и кислород. Впоследствии Гроув решил повернуть этот процесс в обратную сторону. Погрузив электроды из платиновой фольги в стеклянные трубки с водородом и кислородом, находящиеся в ванночке с серной кислотой, он собрал несколько таких ячеек и получил газовую гальваническую батарею.

И хотя концепция топливного элемента была описана немцем Кристианом Фридрихом Шёнбейном еще в 1839 году, свое название (fuel cell) он получил лишь в 1889 году. Тогда работавший в Великобритании химик немецкого происхождения Людвиг Монд и его ассистент Карл Лангер разработали устройство, которое давало гораздо больше электричества, чем изобретение Гроува, и служило дольше. Качественно улучшить характеристики топливного элемента удалось благодаря использованию электродов из тонкой перфорированной платины и полутвердых электролитов.

Предсказание Жюля Верна

Главным же «пиарщиком» водородной энергетики можно назвать Жюля Верна, который в своем романе «Таинственный остров» устами главного героя провозгласил, что в будущем вода станет топливом. «Придет день, когда котлы паровозов, пароходов и тендеры локомотивов будут вместо угля нагружены сжатыми газами, и они станут гореть в топках с огромной энергией. Пока на Земле живут люди, они будут обеспечены всем, и им не придется терпеть недостатка в свете, тепле и продуктах животного, растительного или минерального царства. Повторяю, я думаю, что, когда истощатся залежи каменного угля, человечество будет отапливаться и греться водой. Вода — уголь будущего», — уверял выдуманный писателем-фантастом инженер Сайрес Смит. Уголь пока не удалось заменить водой, но до сих пор рассуждения о водородной энергетике связывают с надеждами на лучшее, во всяком случае с экологической точки зрения, будущее.

«Лошадиное» авто

В 1860 году бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар запатентовал собственный двигатель внутреннего сгорания и разработал трехколесный автомобиль, который приводился в движение таким двигателем — одноцилиндровым, мощностью в полторы лошадиные силы. Двигатель работал на водороде, полученном из воды с помощью электролиза.

Поскольку машина постоянно нуждалась в воде, ее по аналогии с лошадью назвали гиппомобилем. В 1862 году гиппомобиль был подвергнут тест-драйву, он проехал 18 км от Парижа до Жуанвиля почти за три часа, что по тем меркам было довольно хорошим результатом. В ХХ веке Ленуара назвали человеком, опередившим свое время на сто лет.

Ниагара как источник вдохновения

Новый всплеск интереса к водороду как источнику энергии пришелся на начало 1900-х. В Канаде пионером в развитии водородных технологий стал Александр Томас Стюарт, выпускник Университета Торонто, специализировавшийся в химии и минералогии. Еще во время практики в университете он работал на электрохимическом заводе на водопаде Ниагара. Стюарт догадался, что, используя излишки электричества, можно осуществлять электролиз воды и производить водород и кислород.

В 1913 году он разработал систему электролиза, которая впоследствии больше века использовалась как одна из основных и получила название «электролизер Стюарта». В 1920-е годы ученый продолжал вести свои исследования, на основе которых была создана Stuart Oxygen Company. Кстати, ее подразделение в Сан-Франциско в 1930-е годы участвовало в получении экспериментальных объемов тяжелой воды для Манхэттенского проекта.

Мне бы в небо

В начале прошлого века водородные технологии пошли в небо — благодаря настойчивости и упорству немецкого графа Фердинанда фон Цеппелина, который во время поездки в Америку увидел аэростаты, поднялся на одном из них в небо и… навсегда полюбил летать. Всю оставшуюся жизнь он посвятил созданию дирижаблей.

Справедливости ради надо напомнить, что идея запустить в воздух шар, наполненный водородом, впервые появилась у французского профессора физики Жака Александра Сезара Шарля (в его честь такой шар был назван шарльером). Чтобы оболочка шара могла удержать водород, ее пропитали каучуком. Первое успешное испытание прошло 27 августа 1783 года в Париже на Марсовом поле.

Фон Цеппелин же в начале XX века не стал мелочиться и сразу приступил к созданию гигантских дирижаблей, которые получили его имя. Летом 1900 года цеппелин длиной 127 м впервые поднялся в небо. Это было над Боденским озером, посмотреть на запуск пришли толпы людей. Дирижабль оправдал их ожидания, продержавшись в воздухе 18 минут.

После этого была создана компания по производству цеппелинов и первая в мире пассажирская транспортная компания «Германские дирижабли». Похожий на огромный кабачок дирижабль состоял из отсеков, где находился водород, необходимый для подъема. Внутри обтянутого тканью корпуса или под ним была расположена гондола, где размещался экипаж с пассажирами.

В 1928 году был построен самый совершенный на тот момент дирижабль «Граф Цеппелин». Его длина составляла уже почти 237 м, а мощность силовой установки, состоящей из пяти двигателей «Майбах», достигала 2650 лошадиных сил. На следующий год он совершил кругосветное путешествие из Лейкхерста (США) за 21 день и произвел настоящий фурор во Фридрихсхафене, Токио и Лос-Анджелесе, где он приземлялся. За девять лет службы «Граф Цеппелин» совершил 590 рейсов общей протяженностью почти 1,7 млн км.

Осенью 1930 года «Граф Цеппелин» побывал в Москве. А летом 1931 года провел аэрофотосъемку советской Арктики. По случайному совпадению именно там, где пролетал цеппелин, во время Великой Отечественной войны немцами была проведена секретная операция — развернута полярная станция на одном из островов архипелага Земля Франца-Иосифа.

К весне 1936 года был построен дирижабль «Гинденбург», длина которого достигала 245 м. Чуть более года спустя, в мае 1937-го, при приземлении в Лейкхерсте на борту «Гинденбурга» начался пожар и произошел взрыв водорода, который привел к гибели 36 человек (с учетом одного погибшего на земле). Это стало громким концом эпохи дирижаблей.

Тем не менее концом эпохи водорода эта трагедия не обернулась. В 1939 году немецкий инженер Рудольф Эррен получил в США патент на двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовался водород. С 1920-х годов он работал над тем, чтобы перевести ДВС автобусов, грузовиков и подлодок на водород. Именно он впервые применил в ДВС, использующих водород, внутреннее смесеобразование, что снижало риск обратной вспышки, то есть взрывоопасность при работе двигателя. Сохранение системы подачи основного вида топлива позволяло использовать двигатель в комбинированном режиме.

На военной службе

Применение водорода бывало и вынужденной мерой. Так, осенью 1941 года в блокадном Ленинграде изобретатель, а на время войны автотехник 3-го полка аэростатов заграждения второго корпуса ПВО Борис Шелищ придумал, как в условиях отсутствия бензина заставить работать двигатели грузовых автомобилей ГАЗ-АА на водороде после его использования в аэростатах. По воспоминаниям Шелища, на эту мысль его натолкнул Жюль Верн. Установленные на ГАЗ-АА лебедки были задействованы в подъеме и спуске аэростатов, которые служили помехой для немецких самолетов и использовались для воздушной разведки. Предложение Шелища нашло поддержку, после испытания все городские лебедки было решено перевести на водород. В конце 1941 года Шелища наградили орденом Красной Звезды, а в 1942 году отправили в Москву передавать опыт. Всего в СССР в годы войны на водород были переведены более 400 автомобильных двигателей.

Также во время Второй мировой войны водород был востребован как топливо для подводных лодок и торпед. В Австралии, оказавшейся из-за военных действий в Европе без нефти, была запущена программа крупномасштабного производства водорода для использования в качестве моторного топлива.

Медленно, но верно

С окончанием войны и снижением цен на нефть водородная тематика перестала быть востребованной. Однако к 1970-м годам, когда после создания ОПЕК цены на нефть снова стали расти, про водород как источник энергии вновь вспомнили во многих странах мира. Кроме того, уже тогда одной из существенных проблем для больших городов стало загрязнение воздуха выхлопами от транспорта.

Австрийский химик и изобретатель Карл Кордеш, переехавший в США, в 1970 году установил на своем четырехместном автомобиле Austin A40 водородо-кислородный щелочной топливный элемент мощностью 6 кВт, запас хода которого превышал 280 км. Впоследствии предложенная Кордешем конструкция была использована в электромобиле General Motors. Единичные версии автомобилей, работающих полностью или частично на водороде, неизменно привлекали большое внимание. В 1972 году в Мичигане был представлен модифицированный Volkswagen Beetle — Brigham Young Superbeetle. В 1979 году был выпущен работающий на водороде или бензине BMW 520h. В 1984 году Mercedes представил десятиместный минивэн TN 310 с ДВС, работающим на сжиженном водороде.

В 1974 году была создана Международная ассоциация водородной энергетики, которая объединила ученых, конструкторов и управленцев, занимающихся развитием водородных технологий. Членом ассоциации стал и Советский Союз, где основные работы в этой области осуществлялись под эгидой Комиссии Академии наук СССР по водородной энергетике и при непосредственном участии Института атомной энергии им. И. В. Курчатова.

В том же году в Японии началась реализации проекта по альтернативной энергетике Sunshine, пятую долю финансирования в котором — 3,6 млрд долларов из 15 млрд — занимала водородная энергетика. Программа была рассчитана до 2000 года.

А в США в конце 1980-х в силу достаточно быстрого разочарования (из-за отсутствия мгновенных результатов) бюджет программ по исследованию возобновляемых источников энергии, включая водород, был сокращен на 80% администрацией президента Рональда Рейгана. Но это не повлияло на разработки для космоса: для выведения Space Shuttle на орбиту использовался водород и кислород.

«Волга» на водороде

В СССР в 1970-е годы активно исследовали возможности внедрения водородного топлива в таких областях, как автотранспорт, энергетика, авиация, ракетостроение.

В исследовательских целях на водород переводили разные модели, которые выпускал советский автопром, — «Волгу», «Москвич», «Жигули», ЗИЛ-130, а также микроавтобусы РАФ и УАЗ. Совместная разработка НПО «Квант» и Рижской автобусной фабрики — микроавтобус «Квант-РАФ» с топливным водородо-воздушным элементом мощностью 2 кВт и никель-цинковым аккумулятором — была представлена в 1982 году на Международной выставке «Электро-82» в Москве.

С 1980 года в Харькове проходили опытную эксплуатацию бензоводородные «Волги». Выяснилось, что при содержании водорода в топливной смеси на уровне 5% расход бензина снижается на 35–40%, сокращая токсичность выбросов. В 1986 году Минавтопром принял решение о создании 200 экспериментальных РАФов на бензоводородных смесях для опытной эксплуатации в качестве городского транспорта. Однако в силу известных исторических событий этим планам было не суждено сбыться.

Тем не менее в нашей стране, как и за рубежом, был заложен фундамент технологий по использованию водорода. В ракетно-космической промышленности был создан масштабный проект «Буран — Энергия» с первой советской ракетой-носителем, использующей криогенное горючее (водород) на маршевой ступени.

С 1980 года в СССР развивали проект водородного самолета. Один из трех двигателей летающей лаборатории — самолета Ту-155, совершившего первый полет в 1988 году, — мог работать на сжиженном водороде. Но затем его перевели на сжиженный природный газ.

В чем сила?

Преимущества водорода позволяют ему вот уже два века держаться в шорт-листе перспективных технологий. Первый и главный плюс — распространенность этого химического элемента.

Водород химически активен, при этом выбросы при его использовании в качестве топлива абсолютно безвредны. Водород считается идеальным источником энергии для топливных элементов: он легко подводится, а продукт реакции (вода) легко отводится из топливного элемента. Кроме того, он обладает высокой энергоэффективностью и почти в три раза большей энергоемкостью, чем традиционное топливо из ископаемых источников.

А создание баллонов высокого давления, в том числе композитных, решило давнюю проблему хранения водорода — в таких резервуарах его можно хранить в виде сжатого газа, экономя объем.

Непростым путем

В конце 1990-х — начале 2000-х водород вновь вошел в моду. Многие мировые автомобильные гиганты представили свои модели на водороде: Renault Fever, BMW 728hL и 750hL, Ford P2000 FC и различные модификации Honda FCX. В России в результате сотрудничества «АвтоВАЗа» и Уральского электрохимического комбината были созданы два концепт-кара с электрохимическими генераторами вместо двигателя внутреннего сгорания. В 2001 году на базе удлиненного автомобиля «Нива» сделали водородный АНТЭЛ-1, а спустя два года — АНТЭЛ-2 на базе ВАЗ-2111.

В 1999 году в Гамбурге открылась первая в Европе общедоступная водородная заправка. В 2013 году был выпущен водородный гибридный автомобиль на топливных элементах Toyota Mirai, который тут же окрестили автомобилем будущего.

Из последних разработок в этой области в России можно назвать водородный автомобиль Aurus Senat, представленный в октябре 2021 года ФГУП «НАМИ». Его пробег от заправки до заправки составляет около 700 км. Однако развитие водородного автотранспорта в нашей стране сдерживается в том числе отсутствием инфраструктуры: по состоянию на 2022 год в России работали всего три водородных заправки — одна в Москве и две в Подмосковье. В Казанском государственном энергетическом университете пока только проектируется первая российская водородная заправочная станция из отечественных комплектующих. В мире ситуация лучше, но количество водородных заправок все еще несопоставимо меньше по сравнению с бензиновыми и электрическими.

Но не водородомобилями едиными: о развитии железнодорожного водородного транспорта в последние годы заговорили в Японии, Франции, Италии, Китае, Индии, России. В Германии первая в мире железнодорожная линия с водородными поездами работает с 2022 года. Летом текущего года первый поезд на водороде был запущен в Канаде. 1 кг водородного топлива, используемого поездом, заменяет 4,5 кг дизельного топлива. Однако, как обратили внимание журналисты, для транспортировки водорода к месту заправки поезда пока используется грузовик с дизельным двигателем.

Затишье перед бумом?

Планы по развитию водородных технологий за последние годы почти стали синонимом ответственного отношения к будущим поколениям. Однако стало понятно, что ответственность должна распространяться на все стадии топливного цикла и, в случае с водородом, на способы его производства. Процесс получения водорода требует большого количества энергии, а наиболее экономически эффективные и наиболее распространенные на сегодняшний день технологии производства водорода используют ископаемое топливо, что не соответствует зеленым целям.

Как несложно догадаться, зеленый водород получают с применением возобновляемых источников энергии методом электролиза, однако пока его доля в общем объеме производства составляет лишь несколько процентов, так как остается нерешенной проблема высокой стоимости водорода, вырабатываемого с использованием ВИЭ.

Складывается ощущение, что в последнее время бурные и порой спекулятивные рассуждения на тему перспектив водородной энергетики несколько поутихли. Однако это затишье лишь в медиа, а в кабинетах ученых и конструкторов кипит работа, которая обязательно приведет к прорыву. И тогда водород не просто займет место угля, как в романе Жюля Верна, а станет большой и важной частью надежной мировой энергосистемы.

Взгляд в будущее

От поиска природных источников до новых способов производства, от грузовых автомобилей и спецтехники до самолетов: рассказываем, над какими проектами, связанными с чистыми водородными технологиями, геологи, инженеры, ученые в разных странах мира работают прямо сейчас.

Белым-бело

46 млн тонн — таковы предположительные запасы природного, или белого, водорода в Лотарингии (Франция), что эквивалентно половине нынешнего мирового производства. Это «месторождение» было обнаружено в мае 2023 года при проверке заброшенных шахт.

Природный водород естественным образом присутствует в земной коре и мантии, наша планета постоянно производит его посредством химических реакций, в основном связанных с окислением минералов двухвалентного железа. Его извлечение не требует больших затрат энергии и воды, и он даже может стать возобновляемым ресурсом, если скорость добычи будет соотнесена со скоростью его образования. Все эти преимущества делают природный водород гораздо более дешевым ресурсом, чем водород, получаемый методом электролиза.

Водородную скважину с 2014 года эксплуатирует Мали, буровые работы сейчас ведутся в Небраске (США), интерес к этой сфере проявляют Намибия, Бразилия, Канада. Предполагается, что такие ресурсы существуют и во многих странах Европы, в том числе в России.

Чисто и приятно

630 км смог проехать на одной заправке грузовой автомобиль на водородных топливных элементах. Демонстрационные грузовики британской компании First Hydrogen прошли успешные испытания. Водители отметили, что новый автомобиль тихий, плавный и приятный в управлении, а загрузка машины не влияла заметно на скорость, запас хода и работу топливных элементов. Производитель ждет зимних испытаний: ожидается, что использование водорода при низких температурах будет иметь преимущества перед другими технологиями с нулевым уровнем выбросов.

Для владельцев легковых машин выгоды топливных ячеек по сравнению с электроаккумуляторами пока не очевидны, но производители грузового транспорта уделяют водороду все больше внимания. Корейский Hyundai также вышел на этот рынок, выпустив грузовик Xcient Hydrogen в мае 2023 года. Toyota заявляет, что к 2026 году выпустит топливные элементы следующего поколения, которые будут на 50% дешевле нынешних, но при этом обеспечат увеличение запаса хода на 20%. Также японская компания планирует производить в Таиланде зеленый водород на электролизном оборудовании собственной разработки, используя биогаз, получаемый из куриного помета и пищевых отходов.

Экскаваторам и погрузчикам не нужно развивать большую скорость на дороге, но им требуется огромное количество энергии — для добычи камня в карьерах или выемки грунта на строительных площадках. Для таких задач электроаккумуляторы не всегда подходят: обычно спецтехника работает 24 часа в сутки, и быстро подзарядить гигантскую батарею 20-тонного экскаватора глубоко в карьере невозможно, а прерываться на много часов — нецелесообразно. Предсерийные машины британского производителя JCB, оснащенные водородными двигателями внутреннего сгорания, заправляются всего за несколько минут, при этом обеспечиваются точно такие же мощность, крутящий момент и производительность, что у дизельного двигателя, но без выбросов углерода.

Крылатый водород

4 часа потребуется, чтобы долететь из Америки в Австралию, вместо 17 часов сегодня. Швейцарский стартап Destinus разрабатывает гиперзвуковой пассажирский реактивный самолет с водородным двигателем. В конце 2022 года компания объявила об успешных испытательных полетах первого прототипа Eiger. Второй прототип с новой силовой водородной установкой должен быть готов к концу текущего года. По заявлениям компании, первые коммерческие межконтинентальные рейсы самолета с грузоподъемностью в 1 тонну запланированы на 2025 год, а к 2029-му самолеты будут иметь полезную нагрузку 100 тонн. Есть и другие компании, занимающиеся водородным авиастроением. Например, стартап Universal Hydrogen из Лос-Анджелеса успешно завершил 15-минутный испытательный полет своего самолета с водородным двигателем в марте 2023 года.

Научиться у природы

90% — так оценили исследователи эффективность нового процесса получения водорода. Ученые из Тель-Авивского университета (Израиль) воспользовались свойствами некоторых микроорганизмов, чьи ферменты умеют производить водород, получая энергию в процессе фотосинтеза. Гель на водной основе (причем использоваться может морская вода) в эксперименте использовался для прикрепления фермента к биокатализатору и электроду, который давал энергию вместо солнца. Высокая стоимость зеленого водорода обусловлена в том числе применением в конструкции электролизеров редких и драгоценных металлов, например платины, а также необходимостью использовать дистиллированную воду. Если метод, предложенный израильскими учеными, окажется успешным в промышленном масштабе, он даст возможность существенно снизить стоимость экологически чистого водорода.

Самый дешевый

73% стоимости производства зеленого водорода составляет сегодня стоимость электроэнергии. Но компания NewHydrogen, сотрудничающая с Калифорнийским университетом, анонсировала разработку технологии производства самого дешевого в мире чистого водорода — с использованием промышленного тепла (менее 1000 °С) вместо электричества. Технология основывается на применении каталитической жидкости, которую можно восстанавливать в одной камере, окислять в другой камере, постоянно перерабатывать и использовать повторно. Требуемые ресурсы — только тепло и вода. Компания заявляет, что разрабатываемая технология ThermoLoop потенциально может изменить всю водородную промышленность, резко снизив стоимость зеленого водорода за счет использования дешевого или бесплатного тепла, в том числе образующегося при осуществлении таких промышленных процессов, как производство стали, стекла, керамики и многих других, а также при работе АЭС.

Новости автомира: в ГАЗ придумали простой способ, как перевести автомобили на водород

Перевод грузового коммерческого транспорта на водородное топливо – один из трендов мировой автомобильной промышленности. Это экологично, однако весьма затратно, так что водородомобили стоят значительно дороже машин с ДВС на традиционном топливе. По оценкам ГАЗ, стоимость водоробуса по сравнению с обычным автобусом может быть выше в 10 раз. Чтобы сократить разницу в цене, в компании предлагают альтернативный и более экономичный способ перехода на водородное топливо.

В ГАЗ придумали простой способ перевода автомобилей на водород

Как сообщает Quto.ru со ссылкой на директора по развитию АЗ «ГАЗ» Андрея Кузнецова , альтернативой топливным элементам станет перевод двигателей внутреннего сгорания на водородное топливо. Дело в том, что именно топливные ячейки, в которых происходит окисление водорода и выработка электричества, остаются самым дорогостоящим компонентом системы.

Если такой вариант будет реализован, то автомобиль, оборудованный поршневым двигателем, работающим на водороде, будет стоить не в десять раз, а всего на 30-40 процентов дороже того, который потребляет бензин или дизельное топливо. Сам же водород можно получать из природного газа – методом паровой конверсии метана.

Это позволит сэкономить на разработке и производстве, так как автопроизводители смогут выпускать машины с уже имеющимся набором агрегатов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *