Водород на транспорте
«Рождающий воду»
В ближайших номерах мы поговорим об автомобилях, работающих на водороде. Сегодняшняя статья – вводная, своеобразное предисловие к теме.
Водород – удивительный химический элемент, самый распространенный во Вселенной. Как об этом узнали? Очень просто, по спектральному анализу излучений звезд.
Водород имеет братьев – изотопы. Это дейтерий и тритий. А 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 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 подъема аэростатов и дирижаблей. Впрочем, страшная трагедия с дирижаблем «Гинденбург» поставила крест на использовании водорода в качестве подъемного газа для воздушных судов. А потом и вовсе закрыла тему дирижаблей в пользу многоместных самолетов.
Но мы вернемся к автомобильной теме и слову hydrogène. Именно «рождение воды» при горении сделало водород привлекательным топливом в непростой экологической ситуации ХХI века.
Автомобиль с водородным ДВС
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» считается наиболее эффективной.
Проблема применения водорода на автомобильном транспорте распадается на две задачи: как его использовать и откуда брать?
Первая задача имеет два решения: непосредственно сжигать Н2 в камерах сгорания поршневых двигателей либо направлять его в электрохимический генератор (другое название – топливные элементы). В генераторе вырабатывается электрическая энергия, которая подается на электродвигатель. Кстати, топливные элементы (ТЭ) создали в 60-х годах прошлого века. С их помощью получают электроэнергию, воду и тепло на бортах космических аппаратов.
Что касается задачи получения водорода, решать ее можно несколькими способами, и мы вернемся к ним ниже.
Изучаются все варианты создания водородного автомобиля, а также инфраструктуры для него. Более того: строятся, испытываются, презентуются и даже продаются конкретные модели на водородном топливе.
Сторонником сжигания водорода в цилиндрах ДВС выступала фирма BMW. Несколько лет назад на ряде международных автосалонов компания продемонстрировала свое достижение в этой области – одноместный рекордный автомобиль BMW H2R.
Он оснащен 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. Показанный водородомобиль имеет массу 1560 кг, развивает максимальную скорость 302,4 км/ч, а разгон до 100 км/ч занимает около 6 секунд.
Отработавшие газы «водородных» BMW все же содержат некоторое количество токсичных веществ. Они образуются в результате химических реакций между различными составляющими воздуха вследствие высокой температуры в камере сгорания.
Автомобиль с ТЭ
Во втором случае водород в цилиндрах не сжигают. Их вообще нет, цилиндров. Основными компонентами автотранспортного средства являются электрохимический генератор (ЭХГ), 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).
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 – однако все это технически реализуемо.
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, октановое число бензина значительно увеличивается и появляется 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.
О перспективе
Многие издания задаются вопросом: 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 издание. Отличный пример показывает Дания. Это первая в мире страна с развитой инфраструктурой с десятком заправочных станций по всей территории.
Существует амбициозный проект – в течение двух лет построить в Европе полсотни водородных заправок. А число машин с водородными топливными элементами должно удвоиться.
По сравнению с аккумуляторными электромобилями, автомашины с ТЭ имеют целый ряд преимуществ. А если говорить о ДВС – тем более. Прежде всего, энергетическая установка работает мягко, ровно, бесшумно – отмечают специалисты. При этом водитель сохраняет все привычки, выработанные за рулем автомобиля с ДВС. Когда нужно, заезжает на заправку и через 3–5 мин 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, заключает издание.
Мы же в феврале предоставим слово специалисту по водородным автомобилям Александру Раменскому. Он расскажет об отечественном опыте применения водорода в качестве моторного топлива.
