Некоторых автопроизводителей привлекает идея использования водородных двигателей, а другие ее отбрасывают, поэтому давайте посмотрим, почему так происходит.
Ряд производителей автомобильной техники, включая Mazda и Toyota, в настоящее время занимаются разработками водородного двигателя для своих транспортных средств, и эти двигатели однажды могут вытеснить не только технологию водородных топливных элементов и традиционные двигатели внутреннего сгорания, но, возможно, даже электромобили.
Между тем, рынок электромобилей стремительно развивается, а технология использования водородных двигателей на коммерческих транспортных средствах все еще находится на начальной стадии, и возможность использования газообразного водорода в качестве экономически и практически целесообразной альтернативы еще предстоит доказать.
Что представляет из себя водородный двигатель?
Водородный двигатель - это усовершенствованный вариант традиционных двигателей внутреннего сгорания, в которых вместо бензина или дизельного топлива используется жидкий водород. Будет правильным называть такой водородный двигатель водородным двигателем внутреннего сгорания (hydrogen internal combustion engine - HICE).
Он отличается от силовых установок электрифицированных авто с водородными топливными элементами (FCEV), таких как Toyota Mirai или Hyundai Tucson, в которых водород химически реагирует с кислородом в воздухе для производства электричества, которое приводит в действие электродвигатель.
Водородные двигатели вырабатывают энергию за счет сгорания водорода и используют системы подачи и впрыска топлива, которые являются модифицированными версиями систем, используемых в бензиновых двигателях.
При этом двигатели HICE не выделяют CO2. В качестве побочного продукта они выделяют главным образом воду или водяной пар, но в процессе производства водородного топлива могут быть выбросы парниковых газов. Однако, по оценкам экспертов, даже если водород производить самым неэффективным способом, это сократит выбросы CO2 более чем на 30% по сравнению с топливом из нефтепродуктов.
Главные различия между HICE и FCE
Ключевое различие между авто с HICE и FCE заключается в способе использования водорода в этих транспортных средствах. В первом случае сжигается водород, в то время как во втором происходит электрохимическая реакция с использованием жидкого водорода для выработки электроэнергии для электродвигателя.
Технология водородных двигателей внутреннего сгорания (HICE) все еще находится на ранней стадии разработки. Между тем, мировой рынок электромобилей на топливных элементах (FCE) уже превысил отметку в 1 миллиард долларов США, и в ближайшие годы ожидается его ежегодный рост примерно на 38%.
Обострение за последние десятилетия экологических проблем и растущий спрос на экологически чистые источники энергии заставили многие автомобильные компании заняться разработками топлива с низким содержанием свинца, а позднее созданием водородных и электрических автомобилей.
В начале 2000-х годов японский автопроизводитель Mazda начал устанавливать двигатели Ванкеля на свою модель RX-8. Двигатель Ванкеля - это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором используется эксцентриковая роторная конструкция для преобразования давления во вращательное движение. При заданной мощности он компактнее и имеет меньшую массу.Роторный двигатель можно легко преобразовать для работы на водороде.
Совсем недавно японская компания модернизировала эту конструкцию, разработав водородный роторный двигатель RENESIS, в котором используется инжектор с электронным управлением для подачи газообразного водорода. Его можно адаптировать для работы в качестве гибридного бензин-водородного двигателя.
На этом работы по созданию эффективного водородного двигателя не закончились. В 2006 году BMW разработала двухтопливный водородно-бензиновый двигатель внутреннего сгорания для своей модели Hydrogen 7. Этот проект показал, что водород можно использовать в качестве топлива. Во время испытаний автомобиль разогнался до скорости 300 км/ч. При этом, как заявили в компании, был достигнут нулевой уровень выбросов CO2.
Однако позже заявление BMW были развенчано Агентством по охране окружающей среды США (EPA), которое указало, что автомобиль по-прежнему выделяет углерод в результате испарения моторного масла. Кроме того, производительность автомобиля при работе на водороде была чрезвычайно низкой, в среднем с расходом около 50 литров на 100 км. В основном это было связано с разницей в плотности энергии бензина и водорода.
Преимущества водородного двигателя
Есть ряд важных причин, по которым водородные двигатели рассматриваются некоторыми как будущее автомопрома, что заставляет производителей автомобилей тратить миллионы долларов на развитие этой технологии.
Специалисты в области энергетики считают, что водород может рассматривать как безграничный и относительно низкоуглеродный источник энергии. Он также может стать альтернативой использованию тяжелых металлов в дорогостоящих батареях, которые наносят ущерб окружающей среде.
Водородный ДВС имеет низкую энергию воспламенения по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, поскольку для сжигания водорода в этих двигателях используется пламя с более низкой температурой и меньшей теплопередачей. Это позволяет двигателю работать на очень бедных смесях, обеспечивая их быстрое сгорание.
Кроме того, из-за высокой диффузионной способности водорода (он смешивается с воздухом быстрее, чем бензин) снижается опасность возможных утечек.
Также при работе транспортных средств на водороде не выделяются углеродные соединения.
Еще одно преимущество - быстрая заправка. Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, его необходимо хранить в виде сжатого газа, чтобы обеспечить эксплутацию обычных транспортных средств. Это требует использования резервуаров высокого давления, способных хранить водород с плотностью от 5 000 до 10 000 фунтов на квадратный дюйм (psi).
Специальные дозаторы, которые устанавливаются на автозаправочных станциях, могут заполнить бак примерно за 5 минут. Это намного быстрее, чем время, необходимое для подзарядки электромобилей. Разрабатываются и другие технологии хранения, включая химическое связывание водорода с такими материалами, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы.
Если водород можно будет производить с использованием альтернативных источников энергии, его использование станет рентабельным способом быстрого сокращения использования ископаемого топлива.
Недостатки водородного двигателя
Несмотря на многочисленные преимущества, водородные двигатели до сих пор не используются в больших масштабах, так как существуют многочисленные сложности. К тому же повышение производительности транспортных средств с батарейным питанием и FCE привело к потере интереса многих автопроизводителей к разработке HICE.
Один из недостатков - высокая стоимость технологии. Процесс извлечения водорода является дорогостоящим и энергоемким. В то время как FCE, работающие на водороде, обеспечивают нулевой уровень выбросов, производство самого водорода связано с вредными выбросыми. В настоящее время большая часть водорода производится с помощью парового риформинга, который сочетает высокотемпературный пар с природным газом для извлечения водорода.
Водород также может быть получен из воды с помощью электролиза. Это более энергоемкий процесс, но для этого можно использовать возобновляемые источники энергии, что позволит устранить значительную часть выбросов. Однако стоимость производства водорода по-прежнему выше, чем у ископаемого топлива (или электроэнергии), поэтому потребуется ее снижение, прежде чем водородные двигатели смогут быть экономически целесообразными в больших масштабах.
Кроме того, водород не так энергоемок, как другие виды топлива, а это означает, что его нужно больше для выполнения определенного объема работы. С учетом присущей поршневому двигателю неэффективности водородные двигатели в целом не обеспечат значительных энергетических преимуществ.
Хотя водородные двигатели не выделяют углерода, из-за тепла, выделяемого в камере сгорания, образуется побочный продукт оксид азота. Это соединение вредно для окружающей среды, а это означает, что, хотя водородные двигатели имеют нулевые выбросы углерода, они все-таки будут загрязнять атмосферу.
Еще одна проблема - обеспечение безопасности. Транспортные средства, работающие на водородных двигателях внутреннего сгорания, оснащены топливными баками с водородным топливом под давлением. Эти резервуары спроектированы так, чтобы быть безопасными, но в случае утечки легковоспламеняющийся водород может привести к серьезным авариям. Решением проблемы может стать установка на автомобиле специальных датчиков для обнаружения любых таких утечек, что обходится дорого.
Следующий недостаток - большой размер и меньшая выходная мощность. Для двигателей внутреннего сгорания с водородом стехиометрическое соотношение воздух/топливо составляет 34:1. Это означает, что водородный двигатель использует в два раза больше воздуха для полного сгорания газовой смеси.
Однако это также приводит к снижению выходной мощности, и поэтому водородный двигатель, как правило, выдает только около половины мощности по сравнению с бензиновым двигателем того же размера. Чтобы уравновесить эти потери мощности, водородные двигатели изготавливаются больших размеров и часто поставляются с турбонагнетателем.
Автомобильный сектор не единодушен в отношении применимости водородных технологий для сегмента легковых автомобилей, и некоторые производители автомобилей, такие как Volkswagen и Audi, отказались от разработок HICE, предпочитая вместо этого сосредоточиться на электромобилях.
Другие автопроизводители, в том числе Toyota, Renault и Hyundai, более оптимистично относятся к этому направлению и продолжают разработку водородных двигателей. В 2014 году была представлена Toyota Mirai HFCV, и с декабря 2019 года было продано 10 тысяч 300 машин по всему миру. Южнокорейский производитель Hyundai выпускает внедорожник Nexo с водородным двигателем.
Чтобы ускорить производство водорода, Европейский союз поставил перед собой цель установить электролизеры мощностью 40 гигаватт по всему континенту. Испания уже объявила о плане потратить 10,5 миллиарда долларов (8,9 миллиарда евро) на строительство 4 гигаваттных водородных электролизеров на солнечных батареях. Даже Саудовская Аравия строит завод по производству «зеленого» водорода.
Корпорация Microsoft тестирует водородные топливные элементы для замены дизельных генераторов в качестве резервного источника питания. Американский стартап ZeroAvia планирует создать самолет на водородном топливе к 2024 году.
Израильский производитель двигателей Aquarius Engines разработал новый водородный двигатель весом 10 кг, который использует уникальную систему внутреннего газообмена. В компании утверждает, что это простая, малогабаритная, экономичная и экологически чистая альтернатива традиционным двигателям внутреннего сгорания.
В настоящее время в США и Великобритании доступны только три модели автомобилей с водородным двигателем: Honda Clarity, Toyota Mirai и Hyundai Nexo. Однако ожидается, что в ближайшие годы их число будет расти, поскольку во всем мире активно ведутся перспективные разработки в области водородной энергетики и технологии двигателей.
В то время как водородные двигатели по-прежнему сталкиваются с рядом проблем, рынок водорода как экологически чистого источника энергии, как ожидается, будет быстро расти в ближайшие годы. По некоторым оценкам, к 2030 году он достигнет 70 миллиардов долларов.
По данным Bloomberg New Energy Finance, по всему миру разрабатываются проекты по производству "зеленого" водорода на сумму более 90 миллиардов долларов. Поэтому, что бы ни случилось с транспортными средствами с HICE, использование возобновляемого водорода в качестве источника энергии будет набирать обороты.