О водороде, ДВС и электроприводе
Как родилась эта статья
Случился у меня спор. И ладно бы со студентом, так нет – с человеком солидным, специалистом по грузовым перевозкам. Он заявил, что грузовик Nikola Tre, представленный недавно компанией Nikola Motor, имеет водородный двигатель.
Нет, говорю, там никакого водородного двигателя. А есть электрохимический генератор на водородных топливных элементах (ТЭ). Он вырабатывает электроэнергию для электромоторов. А они уже двигают колеса. Это электрический грузовик!
Оппонент не согласился, утверждая, что водородный двигатель у Nikola Tre все же есть, а я путаю этот автомобиль с Tesla.
Ну, спасибо. Придется опять начинать все с начала. Что ж, давайте разберемся, какими же двигателями, а точнее – энергетическими установками оснащаются водородные грузовики Nikola. И вообще автомобили с ТЭ.
«Рождающий воду»
Водород – удивительный химический элемент, самый распространенный во Вселенной. Как об этом узнали? Очень просто, по спектральному анализу излучений звезд. Водород Н2 занимает первую клеточку в периодической системе Менделеева. Имеет братьев, они называются изотопами. Это дейтерий и тритий.
Сам водород впервые был исследован в 1766 году Генри Кавендишем – ученый окрестил его «горючим воздухом». Чуть позже, в 1787 году Антуан Лавуазье доказал, что водород при горении образует воду. Он включил этот газ в список химических элементов и назвал hydrogène – рождающий воду.
Водород используют при синтезе аммиака, соляной кислоты, метанола и высших спиртов, получения жидкого ракетного топлива… А еще для гидроочистки и гидрокрекинга нефтяных фракций (вспомним гидрокрекинговое моторное масло), для получения металлов из оксидов и фторидов, для создания защитной среды при обработке металлов и сплавов – перечислять можно долго.
Не забудем и применение водорода для дирижаблей. Впрочем, страшная трагедия с «Гинденбургом» в 1937 году поставила крест на использовании водорода в качестве подъемного газа для воздушных судов. А потом и вовсе закрыла тему дирижаблей в пользу многоместных самолетов. Но в практике привязных аэростатов водород остался, о чем мы скажем ниже.
А сейчас вернемся к автомобильной теме и слову hydrogène. Именно «рождение воды» при горении, а точнее, окислении, сделало водород привлекательным топливом в непростой экологической ситуации ХХI века.
Автомобиль на водороде
Автомобильные концерны возлагают большие надежды на силовые установки, работающие на водороде. И добиваются немалых успехов на этом поприще. В последние годы это особенно заметно.
Как моторное топливо водород используется давно. Но только не в автомобильных, а в ракетных двигателях, которые устанавливаются на тяжелых ракетоносителях, предназначенных для запуска космических аппаратов. Для этих целей пара «водород/кислород» в значении «топливо/окислитель» считается наиболее эффективной.
Использовать водородное топливо в автомобиле можно двумя способами:
- сжигать в камерах сгорания поршневых двигателей;
- направлять водород в электрохимический генератор (другое название – топливные элементы). Генератор вырабатывает электрическую энергию, которая подается на электродвигатель.
Рассмотрим оба варианта подробнее.
Решение первое: сжигать в цилиндрах
Первый патент на изобретение водородного автомобиля получил в 1807 году Франсуа Исаак де Риваз.
В 1860 году Этьен Ленуар запатентовал двигатель внутреннего сгорания, работающий на светильном газе. Водорода Н2 там было 50%, метана СН4 – 34%, оксида углерода СO – 8%, остальное составляли другие газы.
Двигатель Ленуара мощностью 12 л. с. получил распространение на локомотивах, судах, транспортных экипажах и др. Однако в последующие годы этот тип ДВС был вытеснен двигателем Отто.
Автор нашего журнала Александр Раменский рассказал, что в Советском Союзе работы по исследованию водорода в качестве моторного топлива начались в 1935 году. Они проводились в Московском механико-машиностроительном институте им. М. В. Ломоносова (MMМИ), ныне МГТУ им Н. Э. Баумана.
Практическое же применение водорода как моторного топлива началось в 1941 году в блокадном Ленинграде. Техник-лейтенант Б. И. Шелищ предложил использовать водород, «отработавший» в аэростатах, в качестве топлива для двигателей автомобиля ГАЗ-АА. История эта такова.
Заградительные аэростаты поднимались на высоту до 5 км и являлись надежным противовоздушным средством обороны города, не позволяя самолетам противника осуществлять прицельное бомбометание. Для опускания аэростатов, частично потерявших подъемную силу, требовалась большая мощность. Эта операция осуществлялась посредством механической лебедки, установленной на автомобиль ГАЗ-АА, двигатель которого и вращал лебедку. А сами водородные автомобили ГАЗ-АА включались в состав постов противовоздушной обороны (ПВО).
В блокадном Ленинграде было оборудовано несколько сотен постов ПВО, на которых использовались автомобили ГАЗ-АА, работающие на водороде.
В наши дни сторонником сжигания водорода в цилиндрах ДВС выступила фирма BMW. На ряде международных автосалонов компания продемонстрировала свое достижение в этой области – одноместный рекордный автомобиль BMW H2R.
Он оснащался хорошо известным 6-литровым 12-цилиндровым V-образным двигателем с системой Valvetronic – но адаптированным под питание водородом.
Максимальная мощность водородного двигателя составляет 210 кВт (285 л. с.). Для сравнения, у исходного варианта мотора V12 для BMW 760i она равна 327 кВт (445 л. с.). Как видно, потеря мощности получается значительной.
Представленный на фото водородный автомобиль имеет массу 1560 кг, развивает максимальную скорость 302,4 км/ч, а разгон до 100 км/ч занимает около 6 секунд.
Однако добиться идеального транспортного средства с точки зрения экологии при сжигании водорода в цилиндрах не получается. Отработавшие газы водородных BMW все же содержат некоторое количество токсичных веществ. Они образуются в результате химических реакций вследствие высокой температуры в камере сгорания.
И все же вариант BMW хорош тем, что конструкция автомобиля и двигателя в целом не меняется. Основные усилия направляются на создание принципиально новой топливной аппаратуры. При этом расходы на переоснащение производства не столь велики, как во втором случае. Об этом – в следующем разделе.
Решение второе: вырабатывать электричество
В этом случае водород в цилиндрах не сжигают. Их вообще нет, цилиндров.
Основными компонентами автотранспортного средства являются электрохимический генератор (ЭХГ) на водородных топливных элементах, буферная аккумуляторная батарея, электрический мотор-генератор, управляющая и силовая электроника – последняя предназначена для коммутации силовых электрических цепей.
При динамичном разгоне батарея приходит на помощь ЭХГ. Кроме того, она используется для запуска генератора, а также для накопления энергии, вырабатываемой при торможении (режим рекуперации).
Кроме водорода, для функционирования топливных элементов необходим кислород. Он поступает в ЭХГ вместе с воздухом, который предварительно очищается от углекислого газа. А ключом к успеху служит совершенствование характеристик топливных элементов.
Казалось бы, идеальное топливо для автотранспорта найдено. Последствия его применения – водяной пар. При этом никаких токсичных компонентов или парниковых газов не образуется. А если получать водород методом электролиза, то вообще прекрасно – происходит круговорот воды.
Да, в экологическом отношении топливные элементы предпочтительнее водородных ДВС, поэтому большинство исследований и разработок идет именно в направлении ТЭ. Но ЭХГ пока что дороги для массового применения.
И потом, откуда брать первичную электроэнергию, необходимую для электролиза? Вернее, каким экологически чистым способом ее получать? Футурологи предлагают ветряные электростанции или солнечные батареи, хотя последние больше подходят для стран с жарким климатом.
Кроме электролиза воды, водород можно получать и иными способами, например из углеводородного сырья. Скажем, из того же метана, как сейчас в большинстве случаев и делается, или даже из бензина. При риформинге, т.е. нагревании в присутствии платины или оксида молибдена для повышения октанового числа бензина появляется и побочный продукт – водород. Он-то нам и нужен.
Так родилась идея – установить риформер прямо на борту автомобиля, а в бак заливать очищенный бензин на обычных заправочных станциях. Однако силовая установка получается очень сложной, трехступенчатой: риформер – топливные элементы – электродвигатель. Причем кроме паров воды в процессе ее функционирования будут образовываться и другие химические вещества.
Ряд фирм осуществляют экспериментальную отработку этого технического предложения. Специалисты надеются, что, несмотря на многоступенчатость преобразования энергии, общий КПД силовой установки окажется выше, чем у обычного бензинового двигателя.
Конечно, нельзя забывать и про емкость для хранения водорода. Для обеспечения приемлемого пробега на одной заправке необходимо, чтобы баллон со сжатым топливом выдерживал очень высокие давления (несколько сот атмосфер), или надо идти по пути применения криогенной техники, что технически также реализуемо.
Водород для тяжеловеса
Два последних года запомнились важными «водородными» новостями. Поговорим об известном проекте электрического грузовика Nikola One, представленного американской компанией Nikola Motor в 2016 году. История эта получила продолжение.
Итак, Nikola One. Грузовой электрокар, тягач с электроприводом и батареей емкостью 320 кВт·ч. На борту – собственная автономная электростанция. Электроэнергию вырабатывает система водородных топливных элементов.
Как заявил производитель, этот грузовик имеет автономный запас хода почти 1200 миль, по-нашему – 2000 км. И движется он с нулевой эмиссией отработавших газов – их просто нет, этих газов.
Изначально его планировали оснащать «удлинителем хода» – газотурбинным бортовым генератором, но потом все же остановились на ТЭ. Правда, для некоторых рынков возможность использования газотурбинного генератора все же оставили.
Заявленные характеристики тягача существенно превышают показатели большинства электромобилей, но есть и сомнения – хватит ли энергии силовой установки для перемещения 35-тонных грузов? На этот вопрос ответит практика эксплуатации. Но тут возникает еще одна проблема: где брать водород в достаточном количестве для парка Nikola One?
Главный исполнительный директор (Chief Executive Officer) компании Nikola Motors Тревор Милтон (Trevor Milton) заявил, что концепция электрического грузовика Nikola One будет опираться на собственную водородную инфраструктуру. Она раскинется по всей территории Соединенных Штатов, захватив частично и Канаду. Компания намерена строить электролизные установки и транспортировать водород на заправки.
Не так давно Nikola Motor обрела партнера – компанию Nel ASA. Эта фирма поставляет для Nikola оборудование, помогая создать самую большую водородную топливную сеть в мире. Достаточно сказать, что в ней будут действовать 16 электролизных станций, работающих по технологии H2Station.
Уже знакомый нам г-н Тревор Милтон заявил, что заказ на поставку первых двух станций на основе щелочных электролизеров компания Nel ASA уже выполняет. Остальные 14 станций получат путевку в жизнь в ближайшее время.
Скотт Перри, один из ведущих специалистов Nikola Motor, рассказал, что компания Nel ASA поставляет водород в более чем 80 стран с 1927 года. «Мы уверены, что с таким опытным партнером наш проект будет успешным», – с оптимизмом заключил он.
Первоначально каждая станция будет производить до 8 т водорода в день. Однако объем выпуска может быть увеличен до 32 т в день. Кстати, каждый грузовик Nikola ежедневно будет потреблять около 50–75 кг водорода.
Интересная подробность: Nikola Motor намерена предоставлять свои заправки всем водородным транспортным средствам, а не только грузовикам собственной марки.
Прошло немного времени, и компания Nikola заявила, что будет производить не один, а два тягача – Nikola One и Nikola Two. Вторая модель отличается в первую очередь кабиной. Если у Nikola One имеется спальный отсек, то Nikola Two оснащен лишь компактной кабиной для перевозок, но не для отдыха.
С точки зрения энергетики Nikola Two не отличается от Nikola One. За кабиной находятся баллоны с водородом для питания электрохимического генератора. Он вырабатывает электрическую энергию для мотор-редукторов суммарной мощностью более 1000 л. с. По информации производителя, разгон до 60 миль/ч занимает не более 30 секунд, а пробег на одной заправке водородом составляет 1200 миль. Заправка же займет не больше 15 минут.
В конце ноября 2018 года компания представили третью модель водородного грузовика. Она так и называется – Nikola Tre («три» по-норвежски). Если Nikola One и Nikola Two адресованы американскому рынку, то бескапотный Nikola Tre будет работать в Европе.
Технические характеристики Nikola Tre практически не отличаются от двух первых моделей. Силовая установка мощностью от 500 до 1000 л. с., крутящий момент до 2000 Нм, запас хода до 1200 миль, продолжительность заправки примерно 20 минут.
И где же водородный двигатель?
А теперь вернемся к началу статьи. Какой же двигатель у грузовиков Nikola? Да и вообще у автомбилей с ТЭ?
Прежде чем ответить, зададим другой вопрос: что такое двигатель? Большая Советская Энциклопедия (БСЭ) дает строгое определение: двигатель – это энергосиловая машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. Согласна с этим и современная Википедия – куда ж ей без БСЭ?
Так вот: в автомобилях с ТЭ в механическую работу преобразуется электрическая энергия. Двигатель у этих транспортных средств – электрический. А электричество вырабатывает электрохимический генератор – те самые водородные топливные элементы.
А коль двигатель электрический, значит, речь об электромобиле? Именно так. Это электромобиль с автономной электростанцией на борту.
Можно представить и формальные, если хотите – юридические доказательства. Читаем внимательно Международный стандарт IEC/TS62282–1:2010 «Технологии топливных элементов. Часть 1. Терминология». В нем дается четкое определение транспортного средства на топливных элементах (ТСТЭ). По-английски – fuel cell vehicle (FCV).
Цитируем: «ТСТЭ представляет собой электрическое транспортное средство (электромобиль), в котором энергетическая система на топливных элементах подает питание на электродвигатель для приведения транспортного средства в движение».
Прикажете открыть национальный стандарт? Легко! Вот ГОСТ Р 54811–2011 «Электромобили. Методы испытаний на активную и пассивную безопасность». Там дается следующее определение электромобилей (снова цитируем):
• п. 3.8. «Электромобиль (ЭМ): колесное транспортное (автотранспортное) средство категорий М1 и N1 по ГОСТ Р 52051, приводимое в движение одним или несколькими электрическими двигателями, получающими энергию от аккумуляторных батарей, емкостных накопителей и (или) топливных элементов, предназначенное для эксплуатации на автомобильных дорогах общего пользования и на дорогах, специально предназначенных для ЭМ»;
• п. 3.10. «Электромобиль с топливными элементами: ЭМ, электрическая энергия для движения которого вырабатывается топливными элементами, установленными на ЭМ, и может накапливаться в тяговых аккумуляторных батареях или емкостных накопителях энергии, также установленных на ЭМ».
Так что как ни крути, Nikola One, Two и Tre – электромобили. И двигатели у них – электрические, а не водородные.
А вот у описанного выше BMW H2R двигатель действительно водородный. Потому что это ДВС, работающий на водороде. Точно так же, как ДВС, работающий на бензине, мы назовем бензиновым двигателем, на дизельном топливе – дизельным, а на метане – газовым.
О перспективе
Сможет ли водород в будущем стать альтернативой ископаемому топливу? Интересные подробности сообщает агентство euronews.
Замена бензина и дизельного топлива водородом позволит снизить выбросы CO2. К сожалению, сегодня в Европе лишь несколько сотен автомобилей ездят на водороде, отмечает агентство. Отличный пример показывает Дания. Это первая в мире страна с развитой инфраструктурой с десятком заправочных станций по всей территории.
Существует амбициозный проект – в ближайшие годы построить в Европе полсотни водородных заправок. А число машин с водородными топливными элементами должно удвоиться.
ТЭ имеют целый ряд преимуществ перед традиционными ДВС. Прежде всего, энергетическая установка работает мягко, ровно, бесшумно. А это комфорт! При этом водитель сохраняет все привычки, выработанные за рулем автомобиля с ДВС. Когда нужно, заезжает на заправку и через 3–5 минут продолжает путь, проезжая без остановки порядка 600 км.
Дело за малым – наладить производство водорода с помощью возобновляемых источников энергии. И такая технология уже существует. На заправочной станции в английском Шеффилде имеется установка для элекролиза. Ветряные генераторы вырабатывают энергию, и она тут же используется для получения водорода из воды методом электролиза.
И все же большая часть водорода сегодня добывается из ископаемого топлива. И научные исследования направлены на то, чтобы повысить эффективность электролизеров. И тогда водородное топливо можно получать «на месте», отказавшись от его доставки в автоцистернах.
Пока не решена проблема высокой стоимости – как топлива, так и самих водородных автомобилей. Однако эксперты надеются, что к 2025 году цены на машины с ТЭ и на водород будут сопоставимы с аналогичными показателями бензиновых и дизельных автомобилей.
И еще, любопытно: станут ли машины, работающие на водороде, конкурентами электромобилей, работающих от аккумулятора? Специалисты считают, что места на дорогах хватит всем экологически чистым автомобилям. Будем надеяться, что через десяток лет на европейских дорогах появятся сотни тысяч машин, работающих на водороде.
Использованы статьи автора, Александра Раменского и Геннадия Дунина, опубликованные в «АБС-авто»
