Продолжаем публикации о конкурентах автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Первая и вторая части нашего «сериала» посвящены паровым автомобилям и опубликованы здесь и здесь
Сегодня мы поговорим о водородных автомобилях.
Рождающий воду
Водород – самый распространенный химический элемент во Вселенной. Недаром он занимает первую клеточку в периодической системе Менделеева. Водород имеет братьев, они называются изотопами. Это дейтерий и тритий.
В 1787 году Антуан Лавуазье доказал, что водород при горении образует воду. Он назвал его hydrogène – рождающий воду. Именно «рождение воды» при горении, то есть окислении, сделало водород привлекательным топливом в непростой экологической ситуации ХХI века.
В качестве моторного топлива водород используется давно. Но только не в автомобильных, а в ракетных двигателях, которые устанавливаются на тяжелых носителях, предназначенных для запуска космических аппаратов. Для этих целей пара «водород/кислород» в значении «топливо/окислитель» считается наиболее эффективной.
А что в автомобилях?
В автомобилях водородное топливо можно использовать двумя способами:
• сжигать в камерах сгорания поршневых двигателей;
• направлять водород в электрохимический генератор (ЭХГ). Другое его название – топливные элементы или просто ТЭ. Генератор вырабатывает электрическую энергию, которая подается на электродвигатель для привода колес.
Рассмотрим оба варианта.
Решение первое: сжигать в цилиндрах
Президент Национальной ассоциации водородной энергетики (НАВЭ) Александр Раменский рассказал автору, что исследовательские работы по применению водорода в качестве моторного топлива в СССР начались в 1935 году. Они проводились в Московском механико-машиностроительном институте им. М. В. Ломоносова (MMМИ), ныне МГТУ им Н.Э. Баумана.
А практическое применение водорода как моторного топлива началось в 1941 году в блокадном Ленинграде. История эта такова. Для опускания заградительных аэростатов использовалась лебедка, работающая от двигателя полуторки ГАЗ-АА. Но бензина в условиях блокады не хватало. Тогда-то и перевели моторы полуторок на водород. А сами водородные автомобили ГАЗ-АА входили в состав ПВО.
После войны работы по переводу бензиновых автомобилей на водород продолжались. В частности, в НАМИ переоборудовали под водородное топливо микроавтобус РАФ 22034. Была разработана система питания двигателя для работы на водороде. Она прошла полный комплекс стендовых и лабораторно-дорожных испытаний.
В наши дни сторонником сжигания водорода в цилиндрах ДВС выступила фирма BMW. На ряде международных автосалонов компания продемонстрировала свое достижение в этой области – одноместный гоночный автомобиль BMW H2R. Он оснащался 6-литровым 12-цилиндровым V-образным двигателем с системой Valvetronic, адаптированным для питания водородом.
Однако добиться экологически чистого транспортного средства при сжигании водорода в цилиндрах не получается. Отработавшие газы водородных автомобилей все же содержат токсичные вещества – в частности, оксиды азота. Они образуются в результате высокой температуры в камере сгорания.
Но есть в описанных решениях и положительные стороны. Главное – конструкция автомобиля и двигателя в целом не меняется. Основные усилия разработчиков направляются на создание принципиально новой топливной аппаратуры.
Решение второе: вырабатывать электричество
В этом случае водород в цилиндрах не сжигают. Их вообще нет, цилиндров. Основными компонентами автомобильной энергетической установки являются:
• электрохимический генератор (ЭХГ) на водородных топливных элементах;
• буферная аккумуляторная батарея;
• электродвигатель для привода колес;
• управляющая и силовая электроника для коммутации силовых электрических цепей.
При динамичном разгоне батарея приходит на помощь ЭХГ. Кроме того, она используется для запуска электрохимического генератора, а также для накопления энергии, вырабатываемой при торможении (режим рекуперации).
Не будем здесь описывать устройство ЭХГ. Лишь отметим, что водородные топливные элементы создали еще в 60-х годах прошлого века. В частности, с их помощью получают электроэнергию, воду и тепло на бортах космических аппаратов.
Кроме водорода, для функционирования топливных элементов необходим кислород. Он поступает в ЭХГ вместе с воздухом, который предварительно очищается от углекислого газа.
Разумеется, нельзя забывать и про емкость для хранения водорода на автомобиле. Для обеспечения приемлемого пробега на одной заправке необходимо, чтобы баллон со сжатым топливом выдерживал очень высокие давления (несколько сот атмосфер). Или же применять криогенную технику для сжиженного водорода, что технически также реализуемо.
На выходе энергетической установки мы получаем электроэнергию и водяной пар. При этом никаких токсичных компонентов или парниковых газов не образуется. Поэтому топливные элементы предпочтительнее водородных ДВС.
Несколько проектов
Кроме экологичности, ТЭ имеют еще 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 километров.
Вот несколько интересных разработок водородных автомобилей. Эту машину вы, конечно, знаете: Honda Clarity на топливных элементах. Авто появилось в ноябре 2007 года. В том же году стартовало его производство. В июле 2008 года этот водородный автомобиль стал доступен в лизинг для индивидуальных заказчиков в США. В ноябре того же года его стали предлагать в Японии, а с 2009 года – в Европе.
Возможность познакомиться с заморской диковинкой отечественные автомобилисты получили в 2010 году – Clarity украшал стенд компании Honda на Московском автосалоне. Четырехдверный седан массой 1625 кг оснащен электрохимическим генератором Honda V Flow FC Stack (это топливные элементы с протонообменной мембраной) мощностью 100 кВт, который устойчиво запускается при температуре до –30° С.
Синхронная электрический двигатель имеет мощность 100 кВт и в тяговом режиме развивает максимальный крутящий момент 256 Н·м. Буферная аккумуляторная батарея – литий-ионная, в процессе рекуперативного торможения производится ее подзарядка.
Полную заправку сжатым водородом можно осуществить за 4 мин., она обеспечивает запас хода в 460 км. Максимальная скорость автомобиля составляет 160 км/ч.
А вот Mercedes GLC F Cell на водородных топливных элементах – и водородный автомобиль, и электрокар. У него два баллона для водорода и литий-ионная батарея от компании Accumotive. Заряжать ее можно от бытовой сети, а закачка водорода в баллоны занимает примерно три минуты. Общий запас хода превышает 430 км.
Не забудем и наш российский Aurus H2, разработанный в НАМИ. Внешне он выглядит как бензиновый или гибридный Aurus. Но смотрите: надпись на борту гласит «Hydrogen Fuel Cell Vehicle». Сокращенно FCV. А дальше мелким шрифтом по-русски: «Автомобиль с водородным топливным элементом». Значит, движет это чудо техники не бензин, не дизельное топливо, не природный газ метан, а водород.
Автомобиль оснащен двумя электродвигателями Сарапульского электрогенераторного завода. Мощность каждого двигателя 180 кВт. Почему их два? По соображениям компоновки – каждый работает на свою ось.
Динамика автомобиля впечатляет – до 100 км/ч он разгоняется всего за 4 секунды. Запас хода 600 км. Но это комбинированный показатель. Во-первых, автомобиль может двигаться на батарее, как обычный электрокар. Во-вторых, на энергии ЭХГ. Вот в сумме и получается 600 км. Разумеется, задействуется и система рекуперации как в гибридах.
Заправка водородом происходит за 5 минут. А батарею можно заряжать от обычной розетки стандарта CCS для электромобилей. Полная зарядка осуществляется за 120 минут. Кстати, батарея разработана и изготовлена специально в рамках проекта и оснащена жидкостной системой терморегуляции.
Блеснули на «водородном горизонте» и тяжеловесы. В 2016-2018 годах американская компания Nikola Motor предъявила широкой общественности грузовики на топливных элементах – капотники Nikola One и Nikola Two для американского рынка и бескапотный Nikola Tre для европейского. Правда, прошла информация, что компания некорректно провела тесты. Поэтому водородные красавцы отошли в тень. Не будем это комментировать, а лишь заметим: выглядел этот проект очень красиво.
Что такое водородный двигатель?
В СМИ часто пишут, что у автомобилей с топливными элементами водородный двигатель. Так ли это?
Прежде чем ответить, зададим встречный вопрос: а что такое двигатель? В технической литературе есть строгое определение: двигатель – это энергосиловая машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу.
Так вот: в автомобилях с ТЭ в механическую работу преобразуется электрическая энергия. Двигатель у этих транспортных средств – электрический. Он-то и вращает колеса. А электричество вырабатывает электрохимический генератор – те самые водородные топливные элементы.
А коль двигатель электрический, значит, речь об электромобиле? Именно так. Можно представить и формальные доказательства. Читаем внимательно Международный стандарт IEC/TS 62282-1:2010 «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».
Так что как ни крути, и Honda Clarity, и Toyota Mirai, и Mercedes GLC F Cell, Aurus H2, а также Nikola One, Two и Tre – электромобили. И двигатели у них – электрические, а не водородные. Это электромобили с электростанцией на борту.
А вот у описанного выше BMW H2R двигатель действительно водородный. Потому что это ДВС, работающий на водороде. Точно также, 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? Дело за малым – наладить производство дешевого водорода. В идеале – с помощью возобновляемых источников энергии. И такая технология уже существует. На заправочной станции в английском Шеффилде имеется такая футуристическая установка. 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.
К сожалению, сегодня в Европе лишь несколько сотен автомобилей ездят на водороде. 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.
Пока не решена проблема высокой стоимости – как топлива, так и самих водородных автомобилей. Однако есть надежда, что в ближайшем будущем 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 батареи? Не исключено. Однако места на дорогах хватит всем экологически чистым автомобилям.
Фото из архивов автора и НАВЭ, а также из предоставленных автору пресс-релизов