Что лучше водородный или бензиновый двигатель

Авто на водородном двигателе — сегодня экономия, завтра спасение человечества

Актуальность вопроса о замене нефтепродуктов более рентабельным и чистым экологически вариантом с каждым днём только прогрессирует. Сегодня лучшие умы планеты стараются его решить. И многое уже сделано. Лидирующей альтернативой потребителям нефти является водородный двигатель.

Технологии не стоят на месте и водородный двигатель вполне может заменить современные бензиновые агрегаты

Что такое водород, как использовать

При всестороннем рассмотрении водород наиболее соответствует сегодняшним пожеланиям к дающим энергию источникам. Не загрязняет окружающую среду и практически бесконечен, если получать его из обычной воды.

Есть уже и автомобили, работающие на таком летучем веществе, как водород. Понятно, что до массового перехода на этот газ вместо бензина ещё далеко. Но тем не менее всё к тому идёт.

В основе используется реакция распада молекул воды на кислородные и водородные атомы. На сегодня применение этой реакции развивается по двум направлениям:

• использующие в своей работе водород двигатели внутреннего сгорания;
• водородные топливные элементы, питающие электродвигатель.

Рассмотрим каждое из них отдельно.

Водородные двигатели внутреннего сгорания

Здесь несколько нюансов. Внушительный нагрев и сжатие заставляют газ реагировать с металлическими составляющими агрегата и смазочной жидкостью. А при утечке, контактируя с раскалённым выпускным коллектором, конечно, он воспламеняется. Учитывая это, нужно использовать моторы роторные, у которых выпускной коллектор на приличном расстоянии от впускного. Что снижает вероятность воспламенения.

Также система зажигания требует некоторых изменений. И агрегат на водороде с внутренним сгоранием уступает по КПД электродвигателю на водородных элементах. Но всё это уже разрабатывается достаточно долго, поэтому не далёк тот день.

Вот пример — BMW 750hL, автомобиль с водородным двигателем. Сошедший с ленты конвейерной маленьким тиражом. Под капотом двигатель на двенадцать цилиндров. Топливом ему служит замес из кислорода и водорода, по составу идентичный ракетному горючему. Машина может набрать максимум 140 км/ч. Газовое ассорти, сжиженно-охлаждённое, содержится в добавочном баке. Его объёма достаточно для покрытия трёхсот километров, а если по пути смесь закончилась, мотор начинает потреблять чистый бензин из основного бака автоматом. Стоимость авто не превышает цен на машины такой же категории, но с карбюраторным движком — порядка 90 тыс. $.

Агрегаты, работающие от водородных батарей

Здесь принцип работы водородного двигателя — электролиз. Тот же, что у свинцовых аккумуляторов. Только КПД составляет 45%.

Через мембрану такой «батарейки» пройти могут только протоны. Электроды разных полюсов разделены этой мембраной. К аноду подаётся водород, на катод — кислород. Катализатор, покрывающий их (это платина), заставляет терять электроны. Катод притягивает протоны, пропущенные мембраной, и они начинают реагировать на электроны, итог реакции — образование воды и электрического тока. От анода электричество посредством проводов поступает уже к электромотору, т. е. питает его.

Агрегаты, питающиеся от водородных батарей, с рабочими названиями «Антэл-1» и «Антэл-2», уже работают на отечественных авто «Нива» и «Лада» в качестве концепта. Первая силовая установка преодолевает двести тысяч метров за один «полный бак», вторая триста.

О выгодах применения

У водородного карбюраторного мотора горючее только обогащается газовой смесью на 10%, но это на 30–50% понижает расход самого горючего. Получается, что на том же объёме топлива вы будете проезжать, например, не сто пятьдесят, а двести вёрст.

Вот какие достоинства водородного двигателя уже сегодня. А в будущем применение этого чудесного газа, как движущей силы для автомобиля, открывает широчайший ряд выгодных аспектов.

Для получения энергии нужна будет только вода

Выгодные аспекты

• бесплатное сырьё — вода, из которой газ можно брать бесконечно;
• во время реакции получаемые вещества вреда экологии не доставляют;
• благодаря реактивному сгоранию КПД рассматриваемого агрегата на порядок выше карбюраторного;
• колоссальная горючесть газа позволяет силовой установке бесперебойно работать при любых атмосферных показателях как минусовых, так и плюсовых;
• детонация при сгорании водородной смеси в разы ниже, чем у бензина, что снижает шумы и вибрацию при работе агрегата;
• здесь не требуется сложных систем трансмиссии, охлаждения и смазки, значит, повышается простота обслуживания благодаря уменьшению числа деталей.

Доводка до совершенства

Чтобы двигатель на водородных элементах работал в постоянном режиме, помимо прочего, ему нужны объёмные аккумуляторы и преобразователи. А в том виде, в котором они доступны сейчас, используется слишком много места для них. Здесь при изготовлении нужен принципиально новый подход.

Топливные элементы ещё слишком дорогие. Пока только ведётся поиск альтернативных материалов для их производства.

Не доработана пожаробезопасность силовой установки. И вопрос ёмкостей для водорода остаётся открытым. Само устройство водородного двигателя, можно сказать, ещё только приобретает будущие черты.

Экскурс по истории

Примечательно, что водородный двигатель был изобретён гораздо раньше бензинового. Но развитие получил почему-то второй. Построенный во Франции ещё в 1806 году учёным Франсуа Исааком де Риваз агрегат уже тогда работал от гидролиза воды. А бензин для ДВС стали применять только в 1870.

Видео об использовании водорода в качестве топлива для авто:

Во времена, не столь далёкие, а именно в Великую Отечественную войну, есть свидетельство ещё одного удачного использования водорода, как источника получения энергии. В Ленинграде в блокаду бензина катастрофически не хватало. Поэтому было решено для работы аэростатов заграждения и приводящих лебёдок использовать водород, которого было достаточно. И это сыграло немаловажную роль по защите города.

Вот такая альтернатива нефтепродуктам есть у человечества на сегодня. И работа в этом направлении ведётся всё интенсивнее. Про то, как работает водородный двигатель сейчас и как он будет работать завтра, можно говорить только в общих чертах. Ясно одно — за водородом будущее нашей планеты.

Если имеется чем дополнить, комментарии ждут вас внизу.

Водород Сорокина: как на ГАЗе видят развитие технологий летучего газа

В одном из обзоров выставки Комтранс в Москве мы рассказывали о прототипах перспективных водоробусов с топливными элементами — со временем они должны вытеснить нынешние электробусы. Одну из этих машин представила Группа ГАЗ, но позже ее президент Вадим Сорокин поведал о перспективах и альтернативных разработках в водородной области.

Главная задача оснащения электромобилей водородными установками — увеличение запаса хода между подзарядками. И по идее, установка электрохимического генератора с топливными элементами, который подзаряжает батареи на ходу, выглядит простым и привлекательным решением этой проблемы. Но стоит копнуть глубже — и преимущество этой технологии уже не столь очевидно.

FCEV — стандартное обозначение водородной техники с топливными элементами

Первый ее минус — это большая цепочка всех систем и их сложность. Мы заправляем водород в баллоны, он поступает в топливные элементы, те, в свою очередь, подзаряжают батарею, которая питает энергией электромотор, — и только он приводит в движение колеса. Для каждого из звеньев этой цепочки необходимы свои электронные блоки управления, нужно согласовывать их работу — и, разумеется, все это нужно возить с собой, отнимая место у пассажиров и груза.

Конечно же, и стоит транспортное средство с таким набором технологичного оборудования немало. Сколько? По словам Сорокина, если обычный дизельный городской автобус сейчас стоит около 12 млн, а электробус на его базе обойдется примерно в 36 млн, то стоимость аналогичного водоробуса легко перешагнет отметку в 100 млн. Если для богатой Москвы и такая сумма посильна, то в регионах вряд ли даже посмотрят на столь дорогую технику. Более того, если представить будущий массовый переход на топливные элементы свершившимся фактом — куда девать масштабные производства и наработки в области обычных ДВС и, к примеру, коробок передач? Ответа на этот вопрос сейчас не существует.

Потому-то на ГАЗе и работают не только над собственным топливоэлементарным водоробусом, но и над традиционной технологией — когда водород, смешиваясь с кислородом, сжигается в обычном поршневом двигателе. Идея эта не нова: в разные времена производители уже пытались строить подобные агрегаты, которые, впрочем, требуют особой проработки. Теплота сгорания водорода втрое больше, чем у того же бензина, — а это влечет за собой дополнительные проблемы с детонацией, да и материалы нужны более термостойкие.

Не так давно мы писали, что работы по созданию «водородного ДВС» сейчас ведет фирма MAN, — ну а теперь компанию ей составит ГАЗ. Предполагается, что автобус с таким двигателем будет в 2,5 раза дешевле водоробуса с топливными элементами и в полтора раза дешевле традиционного электробуса с батареями.

Понятно, что создание такого двигателя — дело непростое. На том же КАМАЗе скептически относятся к начинаниям своего конкурента — и сами работают именно над топливными элементами. Впрочем, на выставке Комтранс Сорокин заявил, что первые опытные водородные двигатели должны появиться уже до конца этого года, а откалиброванный агрегат в составе автобуса будет представлен в 2023 году.

Проект Заряд

Автономное энергоснабжение. Свободная и альтернативная энергия будущего. Бестопливные генераторы и «вечные двигатели» в каждый дом!

Запускаем обычный двигатель внутреннего сгорания на водороде

Уже мало кто будет отрицать перспективу использовать водород, как топливо для автомобилей, хотя бы как топливо переходного периода. Ведь водород, во-первых является абсолютно экологически чистым топливом, а во-вторых его запасы практически неограничены, неисчерпаемы и возобновляемы. То есть водород можно добывать в любом месте, где есть мощные источники энергии. Многие из наших читателей безусловно будут нам возражать, говоря о том, что водород и водородное топливо, это совсем не то, к чему нужно стремиться. Отчасти согласимся с этим утверждением. Действительно, водород, это не совсем то топливо на котором хотелось бы видеть автомобили будущего. Но с другой стороны, при всем при этом, это очень большой шаг вперед и вполне достойная замена нынешнему бензину и тем более дизельному топливу. Но переход на водород задерживает прежде всего информационная подоплека. Ведь в учебниках и с экранов телевизоров, нам постоянно твердят, что водород, является взрывоопасным веществом, а главное для работы на водороде нужны специальные двигатели, которые нужно очень долго придумывать, испытывать и т.д. Мы не будем списывать все эти суждения на всемирные заговоры, так как большинство подобных рассуждений может быть связано с обычным невежеством, что в данном случае вполне простительно, так как найти достоверную информацию по этому поводу очень тяжело.

Поэтому нелишним будет повторить, что положительные опыты запуска обычных двигателей внутреннего сгорания без всяких переделок, были успешно проведены еще во время второй мировой войны, при защите Ленинграда.

Но одно дело, если это кто-то и где-то сделал, а другое дело это увидеть собственными глазами и иметь повторяемую и простую методику запуска обычных двигателей внутреннего сгорания на водороде без всякой переделки и доработки ДВС или, по крайней мере, с минимальными доработками двигателя. С удовольствием делимся с Вами положительным опытом запуска совершенно обычного двигателя внутреннего сгорания на таком же совершенно обычном промышленном водороде!

Ну вот видите!? Все можно проверить самостоятельно, без дорогущей лаборатории, миллионного финансирования и прочих «мешающих» факторов!

Ну а теперь давайте попробуем вместе ответить на следующие вопросы:

— Расход водорода по сравнению с бензином, как обстоят дела на практике?

— Негативные моменты использования водорода вместо топлива, есть ли такие?

— Оптимизация двигателя внутреннего сгорания для работы на водороде.

Мы будем очень рады услышать и тем более увидеть Ваши комментарии и видео. Но так как данная статья опубликована в разделе практика, то и комментарии и видео, мы ждем практически полезные, подтвержденные личным опытом, а не просто теоретические предположения.

Алексей Паевский: Пока энергия из водорода дорогая, но скоро все изменится

— Алексей, в России в августе правительство утвердило концепцию развития водородной энергетики до 2050 года. Почему так важно развивать именно это направление? Чем оно лучше традиционных источников энергии?

— Нельзя принципиально говорить, что водородная энергетика заменяет традиционную, атомную или гидрогенерацию. Это совершенно другая история.

Начнем с того, что сейчас во всем мире есть общий тренд на декарбонизацию, то есть на уменьшение выбросов углекислого газа как одного из основных парниковых газов, вызывающих глобальное потепление.

Многие государства приняли на себя обязательства избавиться полностью от выбросов двуокиси углерода — кто к 2050, кто к 2060 году. Это означает отказ от тепловых электростанций.

— Но что делать с остальными источниками энергии и при чем тут водород?

— Естественно, никто использовать водород как горючее для электростанций не собирается: ведь для того, чтобы водород получить, нужно сначала энергию затратить — в чистом виде в природе он не встречается.

Поэтому на данном этапе водород — это источник энергии для разного рода мобильных устройств, в первую очередь транспорта. Ведь один из главных источников выбросов CO2 — это автомобили.

Сейчас все стараются заменять их на электромобили, но у них есть два огромных недостатка — помимо того, что у производства литий-ионных батарей есть собственный углеродный след, они дороги, и они прекрасно горят.

Пробег электромобиля в реальных, подчеркиваю, реальных условиях, а не заявленных производителем — это 100, 150, максимум 200 км. Это нормально для города, но для российских расстояний совсем мало.

Я недавно за десять дней проехал по стране 6,5 тыс. километров. На электромобиле я бы этого не сделал никогда. Российские просторы огромны.

Еще один недостаток: электромобиль заряжается очень медленно. Если вы заряжаете его от обыкновенной розетки, вы тратите на это восемь часов. Если заряжаете ускоренно, это все равно полчаса, что превращается в большую проблему.

Условно говоря, вы, конечно, можете проехать на электромобиле из Москвы в Петербург 800 км по скоростной трассе, но каждые 200 км вы будете останавливаться и ждать зарядки.

Добавьте к времени в пути эти два часа — и зачем тогда нужна эта скоростная трасса? Это если исключить то, что пока скоростных зарядок на этой трассе просто нет. И это проблема.

Но электричество можно хранить не только в аккумуляторах. Еще с первой половины 19 века мы знаем такое устройство, как водородный топливный элемент.

Это химический источник тока, в котором электричество вырабатывается благодаря электрохимической реакции между кислородом и водородом. Фактически, если мы запишем уравнение реакции, оно выглядит таким же, что при горении.

Только собственно горения не будет. Водород соединяется с кислородом при невысоких температурах — около 70-80 градусов. На выходе получается вода и электрический ток.

То есть мы в электромобиль вместо большой литий-ионной батареи ставим более легкий, более энергоемкий в пересчете на единицу массы топливный элемент.

Таким образом, мы получаем автомобиль, который может проезжать уже не 200 км, а 600-800, до тысячи километров. При этом он заправляется как обычный автомобиль — за несколько минут на заправке, только заправка у нас водородная.

Это одно из направлений, в котором развивается водородная энергетика: разработка источников энергии для разных устройств — в первую очередь автомобилей, поездов и даже самолетов.

По Германии и Австрии уже ездят первые поезда на водороде. В России уже есть контракт на постройку таких поездов для Сахалина.

Второе направление — использование водорода для того, чтобы запасать энергию возобновляемых источников энергии, — это ветрогенерация и солнечная генерация.

У них существует общая проблема: неравномерная выработка энергии. Солнечная в полдень дает максимум, ночью не дает совсем. В самый яркий день — избыток электроэнергии, в пасмурный день или ночью ее недостаток.

Та же самая история с ветрогенерацией. Когда ветер есть, энергии много, когда его нет, нет и энергии. Соответственно, на пиках эту энергию нужно запасать, а когда ее не хватает — отдавать.

Хранить эту электроэнергию в литий-ионных аккумуляторах невыгодно экономически, потому что они очень дорогие. Один из вариантов хранения такой энергии — это водород.

На пике выработки подаем энергию на электролиз воды — разложение на водород и кислород, — а когда энергии не хватает, подаем этот водород в топливный элемент и вырабатываем из него электричество.

Этот способ применим и для накапливания избыточной энергии атомных электростанций.

— С точки зрения экономики водородные топливные элементы могут конкурировать с бензином или природным газом?

— Все, безусловно, зависит от масштабов производства. Еще 10 лет назад говорили, что солнечная энергетика никогда не будет выгодной, так как солнечные панели — это очень дорого.

Сейчас же их производят массово и сверхмассово, и стоимость выработки солнечной электроэнергии чуть ли не ниже традиционной. Та же самая история будет и с топливными элементами.

Даже сейчас, если мы не считаем всю экономику, километр пробега на водороде получается дешевле километра на бензине — и намного дешевле.

Недавно ученые Центра компетенции НТИ «Новые и мобильные источники» при ИПХФ РАН, в котором я работаю заместителем руководителя и который занимается проблемами водорода и топливных элементов для всех мобильных источников энергии, опубликовали вместе с коллегами научную статью, в которой как раз рассматривалась экономика жизненного цикла автобусов на водороде, на газе и электробусов.

Получилось, что если считать полный цикл эксплуатации (с учетом утилизации транспортного средства), то единственный автобус, который сейчас будет выигрывать у водородного, это автобус на природном газе, поскольку газ сейчас очень дешевый. Остальные уже проигрывают.

Сейчас пока использование водорода в качестве энергоносителя не очень выгодно, однако совсем скоро, возможно, уже в этом или следующем году, в мире начинают вводить так называемый углеродный налог.

Это налог на товары с учетом того, какой углеродный след они оставляют. И вот в зависимости от величины этого налога (а то, что он будет принят, уже не вопрос) мы и будем понимать, насколько выгодна водородная экономика в целом.

Если этот налог будет очень высокий, то вся традиционная экономика вообще может перестать быть выгодной.

— Сомнительно, что этот налог сразу повысят до того уровня, который «убьет» традиционные энергоносители.

— Я не знаю. Все как раз на эту тему волнуются и ждут. Тут мы ничего не можем предсказать. Это все зависит от регулирующих организаций.

— Какими вы видите перспективы развития водородной энергетики? Какой она может быть лет через 20?

— Масштабное внедрение водородной энергетики — это четвертый энергопереход, следующий после угля, нефти и газа. Сейчас все только начинают пользоваться водородом, и к 2050 году мы постепенно будем переходить на водород. Причем не просто на водород, а на «зеленый» водород.

Водороду присваивают «цвет» в зависимости от того углеродного следа, который он оставляет при получении.

Мы можем получать водород путем электролиза воды при помощи солнечной или ветряной энергии, и это будет «зеленый водород», самый экологичный.

Если мы используем атомную энергию, он считается несколько менее экологичным — это «оранжевый» водород. Есть водород «серый» — самый неэкологичный. Сейчас такого водорода примерно 95% в мировой экономике.

Он получается парогазовой конверсией метана: мы берем метан, нагреваем его с водяным паром и получаем на выходе СО2 и водород. Углекислый газ уходит в воздух, и получается «серый» водород, от использования которого все же собираются отказаться.

Однако есть возможность сделать этот «серый» водород более экологичным, «голубым», если полученный в результате реакции углекислый газ не выбрасывать в атмосферу, а улавливать и получать из него уксусную кислоту, формальдегид или «сухой лед». То есть углекислоту можно использовать или захоронить.

Есть еще вариант прямого разложения природного газа на углерод, который легче утилизировать, и водород, который тогда называют «бирюзовым».

Если говорить о транспорте, то первыми на водород массово перейдут не легковые автомобили, хотя сейчас и производят несколько типов серийных легковых автомобилей на этом энергоносителе. Первыми на водород массово переведут тяжелую технику. Это коммунальное хозяйство, грузовики и автобусы.

Буквально на днях, 6 сентября, на выставке Comtrans’21 в Москве представили два первых водоробуса — от групп ГАЗ и КАМАЗ. В Европе и Китае такие автобусы уже эксплуатируются вовсю.

Также будут постепенно переходить на водород поезда в неэлектрифицированной части сети железных дорог.

К 2030-35 году появятся и будут массово применяться пассажирские самолеты на водороде. Сейчас уже готовятся перевести на водород первые ближнемагистральные самолеты.

Airbus обещал к 2035 году запустить свои аналоги дальнемагистральных самолетов, которые будут летать на водороде, сжигая его как топливо. Такое тоже в принципе возможно.

Также водород может массово использоваться для резервирования энергии солнечных батарей и ветряков.

Что будет дальше, я прогнозировать не стану, потому что очень многое зависит от решения главной технологической проблемы водородной энергетики, а именно хранения и транспортировки водорода.

Пока что большая часть водорода вырабатывается на месте его дальнейшего использования — где потребляют, там и вырабатывают.

Транспортировать его можно разными способами, самый дешевый и простой из которых — трубопроводный. Современные трубопроводы это позволяют, как, например, «Северный поток». По нему можно качать не метан, а чистый водород.

Старые водопроводы это не позволяют. Там используются неподходящие сорта стали. При прокачке водорода эта сталь будет становиться все более хрупкой, будут утечки.

Есть и другие способы транспортировки водорода, например, в связанном виде, в сжатом, сжиженном вариантах. У всех способов есть свои достоинства и недостатки, но место для технологических прорывов тут еще остается.

Пока что это самый «узкий» технологический момент в развитии водородных технологий.

• Теги
• водород,
• Россия