АВТОМОБИЛЬ НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ | Наука и жизнь

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

‹

›

Открыть в полном размере

Автомобиль вошел в нашу жизнь так широко, что породил немало проблем, многие из которых требуют безотлагательного решения. Наиболее серьезные из них – шум и загрязнение воздуха. Предсказывают, что через 20-30 лет нефть кончится. Естественно, возникает вопрос: чем заменить нефтяное топливо, чтобы сделать автомобиль безвредным для окружающей среды, а заодно и сберечь нефть для более важных целей, чем работа двигателя внутреннего сгорания?

В США серьезная борьба с загазованностью атмосферы началась с 60х годов прошлого столетия, в Европе – в 80-х. Сейчас принятые нормы токсичности (содержание вредных веществ в отработанных газах) автомобилей в Западной Европе и в США почти не различаются.

Последние отечественные модели автомобилей тоже соответствуют принятым во всем мире нормам.

Основные компоненты, с которыми приходится бороться, – окись углерода, двуокись углерода, углеводороды и окислы азота. В зависимости от режима работы двигателя, они поступают в атмосферу в разных количествах и в разных пропорциях. Выполнить нормы, соответствующие стандартам ЕВРО-1, ЕВРО-2, ЕВРО-3, ЕВРО-4, технически вполне возможно, дозируя поступление топлива в цилиндры двигателя и очищая выхлопные газы каталитическим нейтрализатором. Нейтрализатор начинает работать при температуре 600^оС. Нагревается он выхлопными газами. На это уходит время, в течение которого выхлопные газы полностью еще не очищаются.

Казалось, электромобиль, который гарантирует тишину и чистый воздух, – наилучший выход из сложившейся ситуации. Идея его создания была особенно популярна в 70е годы, когда прорабатывалась американская программа нулевой токсичности. Но на пути экологически чистой машины появились препятствия, которые помешали ей стать единственным и окончательным решением проблемы.

До сегодняшнего дня нет способа компактного хранения электрической энергии, который позволял бы без подзарядки проезжать столько же, сколько можно проехать на одной заправке бензобака. И если представить себе электромобиль, способный пробежать 600 км, то он сможет везти только аккумуляторы, а время их заправки составит восемь часов. Следует также отметить, что стоимость этих аккумуляторов в несколько раз превосходит стоимость самого автомобиля. Пытались вместо аккумуляторов применить конденсатор ные батареи. Они быстро заряжаются, но так же быстро и разряжаются.

В настоящий момент по земле ездят несколько сотен миллионов автомобилей. Представьте, что будет, если их все станут заряжать одновременно. Откуда взять столько электроэнергии? Чтобы перевести все автомобили на аккумуляторы, необходимы электрические мощности, равные тем, которыми сегодня располагает человечество. А это значит, что надо как минимум удвоить производство электроэнергии.

Для снижения суммарной токсичности автомобилей американцы решили “разбавлять” автомобили с двигателями внутреннего сгорания электромобилями. Согласно этой идее, часть выпускаемой продукции каждого автопроизводителя должны составлять электромобили. Таков следующий шаг по уменьшению токсичности.

Но есть и другое решение. 200 лет назад был изобретен генератор, в котором водород, соединяясь с кислородом, производит воду, а “побочным” продуктом реакции становится электричество. Принцип его работы, грубо говоря, таков: имеется некая пластина, обладающая свойством пропускать протоны и не пропускать электроны. С каждой ее стороны – два электрода – положительный (анод) и отрицательный (катод), связанные между собой в электрическую цепь. С одной стороны пластины подается водород, с другой – кислород. Катализатор, нанесенный на пластину, активирует реакцию расщепления водорода на протон и электрон. Протон проходит через пластину и, соединяясь с кислородом, дает воду. А электрон уходит в подсоединенную электрическую цепь.

Водородно-кислородные топливные элементы были применены на американских и российских лунниках, на “Шаттле” и “Буране”. Как часто случается, космические технологии нашли применение и на земле, в автомобильной промышленности.

Топливный элемент, призванный заменить двигатель внутреннего сгорания, состоит из множества ячеек (маленьких генераторов). Напряжение каждой ячейки – от 0,6 до 1,0 В. Соединив ячейки последовательно, можно получить необходимое напряжение. Сегодня мы располагаем технологиями, позволяющими делать ячейки толщиной в полтора миллиметра. Значит, можно добиться того, что масса и габариты новой топливной установки останутся теми же, что и у двигателя внутреннего сгорания равной мощности.

Большая проблема – цена топливной установки (сегодня она примерно в 100 раз дороже двигателя внутреннего сгорания), потому что в ее изготовлении используются дорогие материалы и очень деликатные технологии. Без кропотливой работы по материалам и конструкции, а главное – по созданию технологии массового производства задачу не решить.

Чтобы топливная установка заработала, нужно разместить на борту автомобиля баллоны с газообразным водородом и кислородом. Отсюда – сложности. Во-первых, баллоны с газом занимают много места, а во-вторых, возить их в непосредственной близости друг от друга небезопасно. Поразмыслив, ученые решили, достаточно возить с собой только баллон с водородом, а кислород можно взять из воздуха.

На Волжском автомобильном заводе работы по автомобилям на топливных элементах были начаты в 2000 году, а в 2001 году собран первый автомобиль на топливных элементах – “Антэл-1”. Скорее это был не автомобиль, а макет или лаборатория на колесах. Собран он из агрегатов, разработанных ранее для “Бурана”, электромобилей и автомобилей ВАЗ и адаптированных для совместной работы на автомобиле.

“Антэл-1” собран на базе пятидверной Нивы. В салоне по-прежнему осталось пять мест. Энергоустановка, работающая на водороде и кислороде, мощностью 17 кВт вырабатывала ток напряжением 120 В. Впоследствии ее заменили на более мощную – 25 кВт. Максимальная скорость была соответственно 70 и 85 км/ч. Емкость баллонов для водорода и кислорода составляла 60 и 36 л, давление газов – 250 атм. Пробег такого автомобиля на одной заправке – 200 км. Энергоустановка разместилась в багажнике автомобиля, а системы управления, тяговый двигатель и стартовая аккумуляторная батарея – под капотом. По сравнению с базовой моделью масса автомобиля увеличилась на 250 кг.

Автомобиль “Антэл-1” демонстрировался на 5-м Московском международном автосалоне, и после его закрытия на Дмитровском автополигоне были проведены тестовые заезды для журналистов.

Работа с “Антэл-1” показала, что на достаточно быстрый разгон первому автомобилю на топливных элементах не хватает мощности. Для того чтобы исключить проблему, решили использовать буферный источник тока. Им стала аккумуляторная батарея. Буферная система работает по принципу: принять – выбросить.

Для нового автомобиля “Антэл-2” была разработана никель-металлгидридная аккумуляторная батарея с высокой удельной энергоемкостью ( емкость батареи – 10 А.ч) и напряжением 200 В, способная быстро заряжаться и разряжаться.

Новая батарея позволила кратковременно увеличивать мощность при разгонах почти в два раза за счет энергии, “принятой” при торможении. Когда происходит торможение автомобиля, то кинетическая энергия превращается в “Антэл-2” в электрическую. Она заряжает аккумуляторную батарею. При разгоне энергия буферной аккумуляторной батареи подается на тяговый электродвигатель, дополняя энергию генератора.

Тормозная система автомобиля тоже претерпела изменения. На автомобиле “Антэл-2” установлен компактный электроусилитель тормозов, благодаря которому управлять автомобилем стало гораздо легче.

“Антэл-2” проезжает без подзарядки 350 км. На его борту предусмотрена система хранения и подачи водорода, оснащенная тремя сверхлегкими и прочными баллонами по 30 л. Водород в них находится под давлением 400 атм.

На то, чтобы закачать в 60-литровый баллон (на “Антэл-1”) водород под давлением 250 атм, уходило два часа. Это никого не устраивало. Но если не закачивать газ в пустой баллон, а дать ему туда перетечь из некой емкости, в которой он хранится под определенным (необходимым и постоянно поддерживаемым) давлением, то на всю процедуру уйдет 5-10 минут.

Именно такая технология внедрена на “Антэл-2”. Сейчас мы строим опытную заправочную станцию.

В “Антэл-1” очень много времени уходило и на запуск установки. Чтобы автомобиль тронулся с места, нужно было ждать около полутора часов, пока генератор разогреется до 60^оС (на полную мощность он выходит при 95^оС). Время запуска автомобиля “Антэл-2” удалось сократить до 10-15 минут благодаря специальным нагревателям, установленным прямо в генератор. Питаются они от буферной батареи. При достижении температуры 60^оС включается генератор, который, работая, сам выделяет тепло; таким образом, время выхода на максимальную мощность сокращается.

С самого начала было понятно, что возить в непосредственной близости баллоны с водородом и кислородом опасно, к тому же они занимают много места и требуют заправки. Поэтому задача перевести работу электрохимического генератора кислорода на воздух ни у кого не вызывала сомнения. Во втором автомобиле на топливных элементах мы ее решили: “Антэл-2” укомплектован первым отечественным щелочным водородно-воздушным генератором на топливных элементах напряжением 240 В и мощностью 25 кВт. Система оснащена компрессором, способным подавать 100 кг воздуха в час в батарею топливных элементов под давлением 3,3 атм.

Так как в устройстве генератора используется щелочь – едкий калий (им пропитывается пластина, разделяющая водородную и воздушные полости), пришлось разработать систему очистки воздуха (до тысячных долей процентов) от углекислого газа, дабы избежать реакции превращения щелочи в соль.

Еще для автомобиля “Антэл-2” разработан новый тяговый электродвигатель переменного тока максимальной мощностью 90 кВт, напряжением 200-300 В, кпд более 90% и массой 30 кг (электродвигатель “Антэл-1” имел показатели соответственно: 25 кВт, 120 В, 75% и 68 кг).

Остается отметить, что “Антэл-2” представляет собой пятиместный “Универсал” с полноразмерным багажником (базовой моделью послужила ЛАДА 111). А все узлы и системы энергоустановки разместились под полом и в подкапотном пространстве.

Работа над следующим автомобилем на топливных элементах уже идет. В первую очередь вместо газобаллонного хранения водорода на новом автомобиле будет установлен топливный процессор для получения водорода из бензина на борту автомобиля. Это позволит увеличить пробег на одной заправке до 900-950 км. Испытания “Антэл-2” покажут и другие направления, в которых следует работать.

Сегодня весь мир работает над созданием чистых автомобилей, в которых топливом служит водород. Но путь этот – не единственный. Перейти на один вид транспорта не удастся, да и не нужно. Для разных целей должны использоваться разные машины. Например, если на аккумуляторном электромобиле развозят по магазинам города хлеб и колбасу, а водитель, закончив работу, отправляется отдыхать, то длительная подзарядка аккумуляторов никому не повредит. А где подзаряжаться? Французы и швейцарцы уже решают этот вопрос. На любой бензозаправке есть розетка: включаешь в нее разъем, опускаешь монету и заряжаешь электромобиль. Такие же розетки есть во дворах жилых домов. Есть много ситуаций, в которых выгодно и экономично использовать именно этот вид транспорта. Электромобиль нужен для ближних поездок, а в гараже должен стоять еще и автомобиль (может быть, водородный) на “дальнюю дорогу”.

Хочу воспользоваться случаем, чтобы поблагодарить наших партнеров по работе над созданием автомобилей на топливных элементах с Уральского электрохимического комбината (г. Новоуральск), Уральского электромеханического завода и из Научно-производственного объединения “Автоматика” (г. Екатеринбург), Научно-исследовательской лаборатории двигателей (г. Рыбинск), ВНИИ экспериментальной физики (г. Саров), Института катализа Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск), Аккумуляторной компании “Ригель” (Санкт-Петербург), Ракетно-космической корпорации “Энергия” (г. Королев).

Кандидат технических наук, профессор Г. Мирзоев,
советник вице-президента ОАО “АВТОВАЗ” по техническому развитию.
Записала А. МАГОМАЕВА.

Автомобили на водороде пока приносят убытки владельцам

Многие компании уже заявили о планах перевода своего транспорта на водород / Nick Carey / Reuters

Максимальный прирост потребления водорода в мире ожидается в транспорте: к 2030 г. спрос здесь может увеличиться со 140 000 т сейчас до 14 млн т в год. Об этом говорится в обзоре НРА, с которым ознакомились «Ведомости».

Но водород остается «крайне неудобным газом» для транспорта и есть риск, что прогнозы по его применению в секторе не сбудутся, вытекает из исследования. Эксперты НРА отмечают «высокую стоимость, размеры оборудования и отсутствие инфраструктуры» и добавляют, что «топливный элемент, работающий на водороде, имеет очень ограниченный ресурс».

Но многие компании уже заявили о планах перевода своего транспорта на водород. А почти все крупные автопроизводители (Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler и др.) намерены начать выпускать технику на водороде. К осени 2021 г., по данным НРА, в мире было продано около 11 200 водородомобилей. Для сравнения: продажи электромобилей в первом полугодии 2021 г. составили около 2,6 млн шт.

По словам управляющего директора рейтинговой службы НРА Сергея Гришунина, в США транспорт на водородных топливных ячейках пока дорог в обслуживании: около $240 на 100 км, из которых 49% составляют затраты на амортизацию и 51% – операционные затраты. Электромобиль обходится в $166 на 100 км, а автомобиль с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) – в $125, добавил эксперт.

Дороговизна водородных машин связана с высокой стоимостью энергомодуля, поясняет он. «Энтузиасты считают, что уже к 2027 г. цена владения для водородомобиля, электрокара и машин с ДВС станет сопоставимой», – отметил Гришунин. Риск того, что ожидания могут не сбыться, по его словам, заключается в возможном резком подорожании платины (используется в топливных элементах). Увеличение потребности в ней, по мнению эксперта, может спровоцировать резкий рост цен на платиноиды, сопоставимый с восьмикратным «палладиевым ценовым рывком», наблюдавшимся при массовом переводе на этот металл автокатализаторов.

В мире развивается также пассажирский городской и грузовой транспорт на водороде. В 2021 г. в Китае продали 993 водоробуса, в Германии в 2020 г. начали эксплуатировать первые 10 водородных автобусов. На железной дороге водородные топливные ячейки позволяют отказаться от электрификации участков, где пока ходят дизельные поезда. С 2018 г. водородные поезда используются в Германии, Австрии, Швеции и Франции, отмечается в обзоре НРА. В авиации также существует ряд водородных проектов. Так, 2008 г. Boeing провел испытания двухместного водородного самолета на базе модели Dimona. Airbus в 2020 г. представил сразу три концепта самолетов на водороде.

Россия отстает в водородной гонке

По оценкам НРА, в России транспорт на водородных ячейках к 2030 г. займет менее 1% от общего потребления этого газа в стране. В феврале 2022 г. РБК сообщал со ссылкой на проект технологической стратегии развития водородной отрасли в России о планах перевести 10% городского и междугородного пассажирского транспорта на водород к 2030 г.

Но эксперты и компании транспортной отрасли не верят в реальность достижения этой цели. Автомобилей на водороде в России нет, а созданный «Камазом» водоробус существует пока лишь в пилотном исполнении. В компании не ответили на запрос «Ведомостей».

Представитель Государственной транспортной лизинговой компании (ГТЛК) указывает на то, что для масштабного перевода общественного транспорта на водород в стране нет ни серийных проектов (например, водоробусов), ни заправочной инфраструктуры. Он добавил, что ориентировочная цена первых российских водоробусов слишком высокая. Такая техника в 7 раз дороже, чем новые автобусы, работающие на газомоторном топливе (ГМТ – компримированный газ или СУГ), которые сейчас пользуются спросом в регионах, отметил он. Собеседник добавил, что ГТЛК будет готова поддержать водородный сегмент транспорта, «как только появится рыночная модель водоробуса и пойдут заявки от транспортных компаний».

Другой российский проект водородного транспорта – поезда для Сахалина, которые «Трансмашхолдинг» (ТМХ) намерен выпустить к 2024 г. Но еще в августе 2021 г. гендиректор ТМХ Кирилл Липа в интервью журналу «Техника железных дорог» признавал, что пока российского водородного топливного элемента необходимой мощности не существует, он появится к 2027–2028 гг. В ТМХ на момент публикации на запрос «Ведомостей» не ответили.

Первым делом поезда и автобусы

По мнению экспертов, водородный транспорт требует существенных вложений частных компаний и государства и будет развиваться в России медленнее. «Инфраструктура требует более значительных инвестиций в сравнении с вложениями в разработку водородных транспортных средств», – отмечает президент НИЦ «Перевозки и инфраструктура» Павел Иванкин.

Гендиректор «Infoline-аналитики» Михаил Бурмистров указывает, что в России пока даже метановые заправки загружены не более чем на 50% и в ряде регионов работают в убыток, несмотря на госпрограммы по переводу автомобилей на газ и частичную компенсацию расходов на переоборудование техники. При этом, по мнению Бурмистрова, у водородных поездов и водоробусов перспектив в России больше, чем у личного водородного транспорта. «Заправочная инфраструктура для них централизована, а решение о закупке принимают, не в последнюю очередь ориентируясь на цели госпрограмм по развитию городского транспорта. Но когда такие проекты станут рентабельными, пока судить сложно», – добавил он.

Аналитик «Финама» Александр Ковалев также обращает внимание на то, что в России «институциональная потребность зеленого перехода пока выглядит неоднозначной». «Даже электромобили у нас пока плохо приживаются в силу отсутствия инфраструктуры и других страновых факторов. И пока предпосылок изменения ситуации к 2030 г. не наблюдается», – говорит он.

Новости СМИ2

Отвлекает реклама?  Подпишитесь,  чтобы скрыть её

Как электромобили на топливных элементах работают на водороде?

Как и полностью электрические транспортные средства, электромобили на топливных элементах (FCEV) используют электричество для питания электродвигателя. В отличие от других электромобилей, FCEV производят электроэнергию, используя топливный элемент, работающий на водороде, а не только от батареи. В процессе проектирования транспортного средства производитель транспортного средства определяет мощность транспортного средства по размеру электродвигателя (двигателей), который получает электроэнергию от комбинации топливного элемента и аккумулятора соответствующего размера. Хотя автопроизводители могут разработать FCEV с подключаемыми модулями для зарядки аккумулятора, большинство FCEV сегодня используют аккумулятор для рекуперации энергии торможения, обеспечения дополнительной мощности во время коротких ускорений и сглаживания мощности, подаваемой от топливного элемента, с возможностью простаивайте или выключайте топливный элемент при малой потребности в мощности. Количество энергии, хранящейся на борту, определяется размером водородного топливного бака. Это отличается от полностью электрического транспортного средства, где количество доступной мощности и энергии тесно связано с размером батареи. Узнайте больше об электромобилях на топливных элементах.

Изображение высокого разрешения

Аккумуляторная батарея (вспомогательная): В электромобиле низковольтная вспомогательная аккумуляторная батарея обеспечивает электроэнергию для запуска автомобиля до включения тяговой батареи; он также питает автомобильные аксессуары.

Блок аккумуляторов: Этот высоковольтный аккумулятор накапливает энергию, вырабатываемую рекуперативным торможением, и обеспечивает дополнительную мощность тягового электродвигателя.

Преобразователь постоянного тока в постоянный: Это устройство преобразует постоянный ток высокого напряжения от блока тяговых аккумуляторов в постоянный ток низкого напряжения, необходимый для питания дополнительных устройств автомобиля и подзарядки вспомогательного аккумулятора.

Тяговый электродвигатель (FCEV): Используя энергию топливного элемента и тягового аккумулятора, этот электродвигатель приводит в движение колеса автомобиля. В некоторых транспортных средствах используются мотор-генераторы, которые выполняют как функции привода, так и функции регенерации.

Блок топливных элементов: Сборка отдельных мембранных электродов, которые используют водород и кислород для производства электроэнергии.

Топливозаправочная горловина: Форсунка от топливораздаточной колонки присоединяется к приемнику на автомобиле для заполнения бака.

Топливный бак (водород): Хранит газообразный водород на борту транспортного средства до тех пор, пока он не понадобится топливному элементу.

Контроллер силовой электроники (FCEV): Этот блок управляет потоком электроэнергии, подаваемой топливным элементом и тяговой батареей, контролируя скорость тягового электродвигателя и создаваемый им крутящий момент.

Тепловая система (охлаждение) – (FCEV): Эта система поддерживает надлежащий диапазон рабочих температур топливного элемента, электродвигателя, силовой электроники и других компонентов.

Трансмиссия (электрическая): Трансмиссия передает механическую энергию от тягового электродвигателя на привод колес.

СРАВНИТЬ С

Все, что вам нужно знать

• Сейчас на дорогах США всего около 15 000 автомобилей с водородным двигателем, и все они находятся в Калифорнии. Между тем, количество электромобилей исчисляется миллионами.
• В то время как электромобили привлекают внимание, а основные производители стремятся сделать их доминирующими к 2030 году, водородные автомобили пока остаются на заднем плане.
• Вот что вам нужно знать о том, что такое водородные автомобили, как они работают и насколько вероятно, что вы когда-нибудь будете водить их.

В последнее время вы, вероятно, много слышали об электромобилях, а также новости о законодательстве по сокращению выбросов углерода от автомобилей. Но есть еще один тип автомобиля с нулевым уровнем выбросов, который выделяет только водяной пар, когда везет вас по дороге. Это транспортное средство на водородных топливных элементах, похожее на электромобиль, но со специфическими отличиями, которые делают водородные автомобили особенными и гораздо более редкими.

На сегодняшний день в США было продано около 2,5 миллионов электромобилей. Напротив, по состоянию на середину 2022 года на дорогах США можно найти 15 000 или меньше автомобилей с водородным двигателем. Все они будут в Калифорнии, единственном штате с сетью розничных водородных заправочных станций, чтобы автомобили можно было использовать.

Что известно на данный момент

• Toyota Mirai Driven 2021 года: привлекательнее
• Hyundai Nexo 2019 года протестирован0051

Автомобили на водороде уже доступны

С 2015 года три разных автомобильных компании выставили на продажу три автомобиля с водородным двигателем: Honda Clarity Fuel Cell, внедорожник Hyundai Nexo и Toyota Mirai. Но Honda прекратила производство всех моделей Clarity, а Hyundai продала менее 1500 внедорожников Nexo.

Toyota, компания, наиболее приверженная водородной энергетике как альтернативе электромобилям на батареях, продала в США около 10 700 седанов Mirai двух поколений, хотя в некоторые периоды прибегала к существенным скидкам, чтобы перевезти их. (Honda не выделяет продажи своей модели Clarity Fuel Cell из версии Clarity с подключаемым гибридом и аккумуляторной батареей.)

Hyundai

Что такое водородный автомобиль?

Транспортное средство на водородных топливных элементах (сокращенно HFCV) использует тот же тип электродвигателя для вращения колес, что и аккумуляторный электромобиль. Но он питается не от большой тяжелой батареи, а от блока топливных элементов, в котором чистый водород (h3) проходит через мембрану, чтобы соединиться с кислородом (O2) из ​​воздуха, производя электричество, которое вращает колеса, плюс водяной пар. Это означает, что транспортное средство на топливных элементах технически является серийным гибридом, поэтому их иногда классифицируют как гибридные электромобили на топливных элементах (FCHEV).

Для ученых водород на самом деле не топливо, а носитель энергии. Не обращайте внимания на это различие, потому что водители HFCV заправляют углеродные баки высокого давления своих автомобилей на «водородных заправочных станциях», очень похожих по концепции на старые надежные заправочные станции, с таким же пятиминутным временем дозаправки.

Toyota

Возможно, вы слышали, что водород — самый распространенный элемент во Вселенной. На атомном уровне это верно, но водород никогда не встречается в чистом виде. Он всегда сочетается с другими элементами. Его сильная склонность связываться со всем, что находится в поле зрения, делает его хорошим переносчиком энергии. Создание чистого водорода для транспортных средств требует использования большого количества энергии, чтобы «расщепить» такое соединение, как природный газ (Ch5), в чистый водород с CO2 в качестве побочного продукта. (Большая часть водорода сегодня производится из ископаемого топлива, такого как природный газ.) Проходя через топливный элемент, водород сразу же возвращает эту энергию в виде электричества, как только он соединяется с кислородом. Из выхлопной трубы выходит только водяной пар (h3O).

За рулем

На практике водитель HFCV обнаружит, что опыт практически идентичен управлению электромобилем, хотя, возможно, и не одним из самых быстрых. Там нет трансмиссии, и автомобиль включает рекуперативное торможение, чтобы вернуть потерянную энергию при замедлении.

Проблема для автомобильных инженеров заключается в том, что водородные топливные элементы лучше всего подходят для стабильной выходной мощности. Вот что делает их подходящими, например, для использования в качестве резервного источника питания. Но требования к мощности в среднем автомобиле варьируются на порядок: от примерно 15 киловатт (20 лошадиных сил), чтобы поддерживать постоянную скорость автомобиля на ровной дороге, до, возможно, в 10 или 20 раз больше для максимального ускорения до 60 км/ч. миль в час или выше.

Топливный элемент Toyota Mirai, самого продаваемого водородного автомобиля в США, имеет мощность 90 кВт (120 лошадиных сил). Но этого недостаточно для ускорения на быстром шоссе, поэтому Toyota (как и другие производители HFCV) добавляет высоковольтную батарею малой емкости, очень похожую на те, что используются в бензиново-электрических гибридных автомобилях. Он предназначен для обеспечения дополнительной мощности в течение коротких периодов интенсивного ускорения и подзаряжается либо от избыточной мощности топливных элементов, когда автомобиль движется с постоянной скоростью, либо за счет рекуперативного торможения, когда автомобиль замедляется. Все три водородных автомобиля, проданных в последние годы, имеют запас хода в 300 миль и более по рейтингу Агентства по охране окружающей среды, хотя, как и у электромобилей, этот запас хода существенно сокращается при более высоких скоростях.

Безопасны ли автомобили на водороде?

Автомобили HFCV считаются такими же безопасными, как и любой другой автомобиль; поскольку баки высокого давления спроектированы таким образом, чтобы выдерживать даже аварии на самой высокой скорости без утечек или повреждений. В то время как скептики водорода обычно ссылаются на взрыв Гинденбурга в 1937 году, водородные баки и их оборудование, скорее всего, выживут, даже если остальная часть автомобиля будет уничтожена в результате аварии. В относительно небольшом количестве HFCV, проданных на сегодняшний день, не было зарегистрировано травм или смертей, характерных для водородных компонентов.

IIHS

Плюсы и минусы автомобилей на водородных топливных элементах

Автомобили HFCV обладают некоторыми из тех же положительных качеств, что и автомобили с аккумуляторными батареями: они плавные, тихие и спокойные в управлении, а также не выделяют углекислый газ. или другой вредный выхлоп из их выхлопных труб, просто водяной пар. У них также отсутствует проблема времени зарядки, которая есть у электромобилей; требуется всего пять минут или около того, чтобы заправить их еще на 300–400 миль.

Однако есть несколько недостатков, самым сложным из которых является доступность водородного топлива. Хотя планы десятилетней давности предусматривали, что к настоящему времени в Калифорнии должно быть 100 водородных станций, в действительности их число составляет около 60.

Наиболее проблематично то, что не все эти станции подключены к сети и доступны для заправки в любое время. Вы можете подсчитать общее количество зеленых точек «H70» в отчете о состоянии станций в режиме реального времени, который ведется Калифорнийским партнерством по топливным элементам, чтобы увидеть, сколько из них работают в любой момент. Многие водители водорода полагаются на это приложение, чтобы составить карту своих остановок для заправки, прежде чем выйти на улицу.

MediaNews Group/Bay Area News via Getty Images

Водородные заправочные станции

Заправка автомобиля водородом со временем происходит естественным образом, но правильное выравнивание тяжелого сопла и его герметизация, чтобы автомобиль и насос могли обмениваться электронными данными, могут потребовать некоторой практики. Сегодняшние станции часто могут заправить только два-пять автомобилей, прежде чем они отключатся на полчаса для восстановления давления.

Как обнаружили в июне 2019 года водители HFCV в районе залива Сан-Франциско, инфраструктура для подачи водорода в торговые точки очень тонкая. Взрыв прервал подачу к девяти из 11 водородных станций в этом районе, что потребовало дизельных грузовиков для перевозки резервуаров со сжатым водородом за сотни миль от Южной Калифорнии в течение ночи.

Водителям, которые зависели от своих водородных транспортных средств, чтобы заставить их работать, приходилось ставить будильник на предрассветные часы в надежде добраться до заправочной станции вовремя, чтобы получить немного водородного топлива в ограниченном количестве. В итоге Toyota вернула арендные платежи за несколько месяцев водителям Mirai по всему штату, которые не могли надежно использовать свои автомобили.

Основное отличие и самый большой недостаток водородных автомобилей по сравнению с электромобилями заключается в том, что они похожи на бензиновые в том, что их нельзя «заправить» или перезарядить дома за ночь. Но в отличие от бензиновых автомобилей, для которых существует хорошо развитая сеть из более чем 100 000 заправочных станций по всей стране, водители водородных автомобилей полностью зависят как от надежной подачи самого газа, так и от доступной и исправно работающей заправочной станции высокого давления.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

Стоимость водородного топлива

Поскольку водородное топливо является специализированным товаром для широкой публики, небольшая сеть розничных заправок, естественно, устанавливает высокие цены. Цитируя Калифорнийский совет по водородному бизнесу, «в настоящее время килограмм водорода стоит от 10 до 17 долларов на водородных станциях в Калифорнии, что составляет от 5 до 8,50 долларов за галлон бензина», чтобы преодолеть такое же расстояние. (Водородный автомобиль Toyota Mirai вмещает около пяти галлонов водорода.)

Чтобы компенсировать этот недостаток, Honda, Hyundai и Toyota предложили своим арендаторам и покупателям бесплатное водородное топливо на различные периоды времени. У каждого производителя немного разные предложения: Toyota Mirai поставляется с бесплатным водородом на сумму до 15 000 долларов, а Hyundai Nexo включает те же 15 000 долларов за трехлетнюю аренду или до шести лет владения.

Однако по истечении срока действия этих предложений водитель остается один. И если водород можно сравнить с бензином по цене от 5 до 8,50 долларов за галлон, обратите внимание, что зарядка электромобиля в течение ночи обычно эквивалентна бензину всего за 1–2 доллара за галлон.

Honda

Обслуживание водородного автомобиля

Как и электромобили, водородные автомобили требуют соблюдения определенных мер предосторожности дилерскими сервисными центрами. HFCV имеют те же высоковольтные аккумуляторные блоки, что и гибридный, подключаемый гибрид или электромобиль, но у них также есть один или несколько бронированных баков из углеродного волокна для хранения чистого водорода под чрезвычайно высоким давлением: 10 000 фунтов на квадратный дюйм (10 000 фунтов на квадратный дюйм). psi) или 700 бар в метрических единицах.

Обычное обслуживание водородного автомобиля, не связанное с водородными баками, блоком топливных элементов или соединяющей их сантехникой, ничем не отличается от любого другого автомобиля. Но если с каким-либо из этих компонентов придется обращаться, в штате Калифорния действует свод правил, гарантирующих, что любой выходящий водород не подвергнется риску взрыва.

К ним относятся в основном слив топлива из водородных баков на определенных типах открытых площадок вдали от зданий. Затем остальная часть системы очищается от всего оставшегося водорода путем промывки компонентов различными газами, процесс, который занимает от 30 до 180 минут.

MORGAN SEGAL

Будущее автомобилей на водороде

Если вы живете в Калифорнии и заинтересованы в автомобиле с нулевым уровнем выбросов, приводимом в действие электродвигателем, возможно, вам стоит подумать об автомобиле на водороде. Но на данный момент это риск. Создание совершенно новой заправочной сети с нуля оказалось гораздо более проблематичным — и дорогим, и ненадежным, — чем предполагали автопроизводители, а топливо для водителей дороже, чем бензин.

Без водородного топлива, доставляемого под давлением 10 000 фунтов на квадратный дюйм, HFCV не более чем большой и дорогой дверной упор. Если бы нам пришлось гадать, мы бы предположили, что будущее легковых автомобилей, скорее всего, будет электрическим.

John Voelcker

Ответственный редактор

John Voelcker редактировал Green Car Reports в течение девяти лет, опубликовав более 12 000 статей о гибридах, электромобилях и других транспортных средствах с низким и нулевым уровнем выбросов и энергетической экосистеме вокруг них. Сейчас он освещает передовые автомобильные технологии и энергетическую политику в качестве репортера и аналитика. Его работы появлялись в печати, в Интернете и на радио, включая Wired, Popular Science, Tech Review, IEEE Spectrum 9.