Заставляем работать «гремучий газ»: автомобили на водороде

После того как все государства мира объявили курс на снижение выбросов вредных веществ, производители транспортных средств задумались об использовании альтернативных источников энергии. Причём они начали вести разработки не только в области электромобилей, но и в направлении использования водорода в качестве топлива для автомобилей. При этом различные компании рассматривают собственные технологии, которые обладают массой принципиальных отличий. Поэтому стоит подробнее рассмотреть авто на водороде, чтобы понять, что может ожидать нас в ближайшем будущем.

Автомобили на водороде — это довольно перспективное направление в поиске альтернативных источников энергии

Содержание

• Различные методы
• Двигатель внутреннего сгорания
• Топливные ячейки
• Основные преимущества
• Недостатки
• Топливо будущего или нет?

Различные методы

Двигатель внутреннего сгорания

Вспомните, почему водород называют «гремучим газом» — правильно, он очень легко взрывается с выделением огромного количества энергии. Почему бы не использовать эту его особенность для приведения в движение автомобилей? Именно так решили специалисты компаний Mazda и BMW, которые несколько лет назад представили свои прототипы автомобилей, работающих на водороде, поступающем в обычный двигатель внутреннего сгорания.

При этом инженеры BMW вполне справедливо решили, что экспериментировать лучше с более крупным двигателем, который позволит варьировать технические характеристики в очень широком диапазоне. Так появился на свет автомобиль седьмой серии, который оснащался крупным баком для сжатого водорода — при рабочем объёме мотора он обладал производительностью всего в 260 лошадиных сил и расходовал около 50 литров горючего на сто километров пути. Кроме того, фирма BMW экспериментировала и с автомобилями на сжиженном водороде — для этого использовались специальные криогенные баки, которые обладали огромной стоимостью, сопоставимой с ценой самой платформы машины — это делалось для увеличения запаса хода. Однако отличительной чертой всех экспериментальных автомобилей BMW, работавших на водороде, было наличие традиционной бензиновой системы питания — она позволяла перейти на обычное горючее при исчерпании запаса водорода или при неполадках, связанных с его подачей.

А вот Mazda пошла другим путём, решив не ограничиваться в своих экспериментах — японцы смонтировали установку питания водородом на автомобиле RX-8, оснащённом роторным двигателем Ванкеля объёмом 1,3 литра. К сожалению, результат оказался провальным — мощность упала с 240 до 100 лошадиных сил, в расход топлива возрос почти до 60–70 литров на сотню километров. В отличие от BMW 7, которая сдавалась в лизинг в США и странах Европы, Mazda RX-8, работающая на водороде, так и осталась в виде прототипа. В настоящее время обе компании свернули эти исследовательские программы, сосредоточившись на других направлениях развития альтернативной энергетики.

Видео об автомобилях на водороде:

Причину понять легко, если углубиться в отчёты инженеров — они столкнулись с такими серьёзными проблемами, как:

• Сниженный ресурс мотора;
• Частые поломки, связанные с разрушением стенок цилиндров, клапанов и поршней;
• Малый запас хода;
• Частые утечки, грозящие возгоранием или даже взрывом.

Конечно, многие небольшие исследовательские институты создавали водородные автомобили, работавшие по принципу сгорания «гремучего газа», и обладавшие лучшими характеристиками, чем бензиновые аналоги. Однако стало понятно, что двигатель автомобиля необходимо изначально разрабатывать под водород — а производители оказались не готовыми к таким сомнительным инвестициям.

Топливные ячейки

Решение проблемы пришло из области космонавтики — так как сжигать горючее для получения электроэнергии на орбите нерационально, учёные разработали специальные топливные ячейки, в которых протекала химическая реакция с выделением огромного количества электроэнергии. При прохождении водорода сквозь такую ячейку, наполненную каталитическим материалом, происходит его соединение с кислородом, в результате которого образуется вода. Соответственно, пользователь получает только плюсы — никаких вредных веществ, на выходе только чистая вода и определённый запас электроэнергии. Остаётся только запастись нужным количеством водорода.

Автомобиль на водороде, работающий с применением топливных ячеек, функционирует по принципу электромобиля — в нём отсутствует двигатель внутреннего сгорания, который полностью заменён электрическим мотором. Энергия, полученная от реакции водорода с кислородом, накапливается в аккумуляторах — а некоторые производители, ориентированные на достижение автомобилем хороших динамических характеристик, используют суперконденсаторы, которые позволяют максимально быстро отдавать полученный заряд. Благодаря этому преодолевается один из недостатков топливных ячеек на водороде — они являются инертными, то есть не могут изменять свою отдачу по желанию водителя автомобиля.

Основные преимущества

Основной плюс, которым обладает машина на водороде, использующая топливные ячейки в качестве источника энергии — сочетание в ней лучших характеристик автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и электромобилей. Запас хода очень высок — особенно в случае, когда батареи можно заряжать не только от реакции водорода с кислородом, но и от обычной электрической сети. Вместе с тем отсутствие агрегата, сжигающего углеводородное топливо, позволяет получить просто огромное количество преимуществ:

• Отсутствие вредных выбросов — как и при сгорании водорода, в топливных ячейках образуется только водяной пар, который не наносит вреда окружающей среде.
• Меньшая масса — кстати, комбинация водородных топливных ячеек, электродвигателя и аккумуляторов имеет меньшие габариты и вес, чем у батарей и мотора в традиционном электромобиле при сходных характеристиках и запасе хода.
• Уменьшение количества движущихся и соприкасающихся между собой частей в несколько раз — за счёт этого существенно повышается ресурс эксплуатации транспортного средства.

Если же рассматривать водородный автомобиль, который оснащается двигателем внутреннего сгорания, адаптированным к этому виду топлива, то пока у него больше минусов, чем положительных сторон. Однако отчёты научно-исследовательских институтов, которые занимаются разработками в этом направлении, позволяют надеяться на то, что в скором будущем ситуация коренным образом поменяется. Уже сообщается о том, что двигатели автомобилей, которые изначально создавались для работы на водороде, имеют следующие характеристики:

• Ресурс эксплуатации, увеличенный на 20–30%, а также уменьшенная вероятность возникновения меньших поломок.
• Мощность, большая на 15–20%, больший КПД, означающий лучшее использование энергетического потенциала горючего.
• Стоимость пробега, в 2 раза меньшая, чем аналогичный показатель для бензина — однако только при условии промышленного производства водорода.

Вот только стоимость двигателей, работающих на водороде, очень уж высока — как в силу применения дорогостоящих инновационных материалов, так и благодаря штучному производству, ведущемуся по обходным технологиям.

Недостатки

К сожалению, не обходится и без минусов — впрочем, это касается не только водорода, но и всех прочих технологий альтернативной энергетики, работа над которыми ведётся относительно недавно. С точки зрения рядового потребителя пока существенным недостатком является высокая стоимость производства топлива — относительно недорого можно купить только водород, создаваемый в промышленных масштабах — он является редкостью, так как заводов по выпуску этого газа пока относительно немного. Кроме того, при проведении опросов в странах, где уже продано либо сдано в лизинг достаточно много автомобилей, работающих на водороде, результаты показали, что очень многие люди боятся взрыва «гремучего газа», хотя о таких случаях они даже не слышали. Действительно, на испытаниях нередко случались возгорания в результате утечки водорода, однако в серийное производство были отправлены только автомобили с многоуровневыми системами безопасности, предотвращающими возникновение взрыва.

Однако благодаря применению многих инновационных технических решений водородная машина является не только экономичной и безопасной, но и дорогой. В частности, компания BMW никогда не разглашала стоимость автомобиля седьмой серии, работающего на водороде, разрешая только брать его в лизинг. Однако некоторые эксперты говорят о том, что его рыночная цена могла бы быть установлена на уровне 1,2–1,5 миллиона долларов. Даже наиболее дешёвые автомобили, выпускаемые Honda и Toyota, стоят не менее 30–50 тысяч долларов при минимальном уровне оснащения — и то, только благодаря демпинговой политике компаний и компенсациям, выделяемых правительством Японии. Стоит сказать и о том, что топливные ячейки и баки не могут быть долговечными в силу длительной эксплуатации в условиях агрессивной среды — и если ячейки можно выпускать в сменном виде, то на ремонт бака придётся затратить немало денег.

Пришло время поговорить о главном — где заправлять автомобиль, работающий на водороде? Говорить о создании сети заправок даже в Японии, США и Германии очень рано — пока они представляют собой единичные экземпляры. В то же время строительство соответствующей инфраструктуры для электромобилей идёт полным ходом, что позволяет получить сведения о приоритетах, которые устанавливаются современным обществом и государственными учреждениями. Заправлять водородом машину с использованием самодельных приспособлений очень опасно — вероятность взрыва будет невероятно высокой.

Топливо будущего или нет?

Сейчас приходится слышать о том, что водород является топливом будущего — однако стоит вспомнить о том, что подобные слоганы звучали во всём мире ещё в конце 60-х годов — причём Советский Союз, в котором исследования свойств этого газа шли полным ходом, исключением не был. Несмотря на всё прошедшее время, водородные автомобили так и остались прототипами, не слишком пригодными к серийному производству и эксплуатации на дорогах общего пользования. Однако разработки не прекращаются, несмотря на то, что пока положительные результаты были достигнуты только единичными компаниями, начавшими мелкосерийное изготовление таких автомобилей. Кроме того, необходимо вспомнить о том, что водород является даже более безопасным для окружающей среды источником энергии, чем электричеством. Ведь несмотря на развитие энергетики, в мире до 70% электростанций работают на таких «грязных» видах топлива, как нефть и уголь.