Водородные автомобили

Публика уже привыкла к борьбе за популярность гибридов, машин с ДВС или электрокаров. Последние пока что занимают самую выгодную позицию, а может ли появиться еще кто-то эффективнее и экологичнее? Тогда стоит вспомнить о транспорте на водородном топливе. Такие машины очень похожи на электрические авто отсутствием вредных выхлопов, однако главное достоинство в заправке — для наполнения баллона водородом до отказа нужно около 10 минут, а хватит горючего на дистанцию в 500 км. Кажется, намного выгоднее, чем электромобиль, однако так ли это на самом деле?

История водородных автомобилей

Еще в 1990-х годах производители углубились в разработку транспортных средств, которые передвигаются на топливных элементах. Основная причина поиска альтернативного горючего — введение новых стандартов выбросов CO2 и энергетический кризис. Единственные экологически чистые автомобили того времени — электрокары, имели несколько ограничений: длительная зарядка аккумулятора, небольшой запас хода, дорогостоящие комплектующие. В итоге компании начали искать другой способ привести машину в действие.

В качестве основного топливного элемента выбрали водород. Химические свойства, экологичность и распространенность в окружающей среде подтолкнули инженеров к мысли, что работа с этим веществом может принести доход и внушительные перспективы. Водородные машины должны были проезжать такие же дистанции, как и бензиновые аналоги, с той же мощностью и скоростью. Однако основная сложность была в другом — как изготовить необходимый двигатель и направить энергию топливного элемента в правильное русло?

Оказывается, первый ДВС на водороде был придуман еще в позапрошлом веке. Большинство экспертов склоняются к исследованиям французского естествоиспытателя Франсуа де Риваз, который в начале XIX века получал водород электролизом воды. В современном мире крупные производители почти одновременно выпустили водородные автомобили с похожей базовой технической “начинкой”.

Принцип работы автомобилей на водородных элементах

Механизм работы и типы моторов очень похожи на деятельность электромобилей, но главное отличие в способе создания энергии. Машины на топливных элементах тоже используют электричество для движения, но получают его не от заряда розеткой. Энергия вырабатывается в процессе физико-химических реакций, которые происходят в самом агрегате. Принцип работы состоит в следующем:

• автомобиль заправляется водородом, который контактирует с кислородом и катализатором. В результате вырабатывается электрический ток, который насыщает энергией двигатель и батарею.

Подобный транспорт заправляют на специальных станциях, которые самостоятельно вырабатывают водород с помощью электролиза воды. Обслуживание автомобиля означает замену водородных элементов, которые исчерпали свой ресурс. Обычно заменяют катализаторную мембрану, которая помогает вырабатывать электричество.

Преимущества использования автомобилей на водородном двигателе

• Расширение продукции. Разработка и производство прототипа может обойтись в 1 млн долларов. Если создавать концепт для автовыставки, то такое транспортное средство не обязательно должно ездить. Для крупных автомобильных концернов эта сумма небольшая, но какой может быть результат. Вполне возможно, что через пару лет водородные технологии будут на высоте.

• Неисчерпаемость. Мировой океан содержит 1,2×1013 тонн водорода, при этом суммарная масса элемента — 1% от общей массы планеты. Однако самое главное достоинство водорода в том, что при сгорании он превращается в воду. Происходит круговорот веществ в природе.

• Экологичность. Когда водород используется в качестве топлива, то не происходит парниковый эффект (в результате выделяется вода). Водород быстро улетучивается и не создает никаких застойных зон.

• Безопасность. Весовая теплотворная способность элемента в 2,8 раза выше, чем у бензина. А это значит, что водород воспламеняется в 15 раз меньше, чем углеводородное горючее.

Недостатки владения водородными автомобилями

Рассмотреть минусы транспорта на топливных элементах можно на примере первого массового водородного авто Toyota Mirai. Как оказалось, у машин подобной модификации, есть и темная сторона.

• Стоимость. Сегодня японский автомобиль на водороде продается почти за 70 000$ в среднем, а это цена базовой версии Tesla Model S в США. Toyota Mirai дороже Chevrolet Volt или Toyota Prius в 2-3 раза. При этом компания еще и теряет доход, поскольку инсайд-информация указывает на реальную стоимость автомобиля в 100 000$. Еще один водородный автомобиль Hyundai Tucson (iX35) Fuel Cell вышел совсем недавно лимитированной серией. Модель оценили в 144 000$.

• Заправка. Сегодня 1 кг водорода стоит почти 8$, а если брать расход 1-1,3 кг на дистанцию в 100 км, то стоимость поездки можно сравнить с движением на бензиновом автомобиле. Гибридный или дизельный агрегат будет даже выгоднее. В это время на 100 км на электромобиле можно потратить меньше 2$. При этом водород труднодоступен. Даже в мегаполисах не так легко найти подходящую заправочную станцию. Все потому, что этот бизнес и не очень выгодный. Для строительства небольшой водородной АЗС необходимо почти 300 000$, а для станции среднего размера — 2 000 000$. Небольшая заправка может заправить за сутки около 30 машин, а на большая почти 250 агрегатов. Это небольшие цифры при затратах на содержание подобных станций. Еще существуют и крупные АЗС, но они могут обойтись в 10 000 000$. Такие предприятия строятся рядом с заводами по выработке водорода, или же на станции должно быть большое хранилище. Все это сложное и дорогое строительство.

• Габариты и вес. Модель на топливных элементах Toyota Mirai имеют длину 4900 мм и вес в 1850 кг, вместимость до 4 пассажиров и багажное отделение в 361 л. Параметры указывают на то, что водородное авто тяжелое и не особо просторное. Лишний вес образуется из-за сложной конструкции: топливные ячейки, электрический преобразователь и дополнительный аккумулятор. Небольшой салон получается из-за массивных баллонов для водорода. Ситуация с электромобилем немного легче — хотя и присутствует крупная АКБ, зато конструкция проще.

Каковы будущие перспективы FCEV?

Идея использовать двигатели на топливных элементах потихоньку развивается не только в умах производителей, но и на деле. Особенно радужные перспективы применения водородных моторов для общественного транспорта. В Германии ездят сотни городских и туристических автобусов на водороде. В 2017 году был анонсирован выпуск первого поезда на водородном топливе, который сможет заменить дизельные составы.

Однако многие эксперты считают, что когда будет придуман способ быстрой зарядки электромобиля, то водородные машины могут отойти на второй, или даже третий план. Все дело в том, что решение всех проблем, связанных с транспортом на водороде займет намного больше времени, чем строительство сверхбыстрых станций. Первая такая “заправочная” станция появилась в США в 2017 году, а в 2018 году несколько предприятий должны открыться в Европе. Но пока станции для электрокаров не так быстро распространяются, водородные автомобили набирают популярность.

Водородный автомобиль. Обзор серийных моделей и перспективных концептов

Водородные автомобили начали массово появляться на рынке относительно недавно. Основная причина — экологически-коммерческая. С одной стороны, по всему миру регулярно вводят новые экостандарты, с другой — производителям классического транспорта с ДВС необходимо бороться за уже формирующийся рынок альтернативного, безопасного для природы транспорта.

Совет Hydrogen council дал прогноз, что к 2050 году «водородный рынок» заберет 18 % от уровня общего спроса на электроэнергию, а количество транспортных средств, использующих водород, превысит 425 миллионов. Попробуем разобраться с тем, какие модели представлены на рынке на текущий момент и что может появиться в ближайшем будущем.

Серийные модели водородных автомобилей

На рынке присутствует 10 серийных «водородников», в кратком обзоре мы разберем самые популярные модели.

Hyundai ix35 FCEV

Южнокорейский производитель выпускает модель, которая способна преодолеть почти 600 км на одной зарядке. Потребуется 5,64 кг водорода. Мощность силового агрегата — 134 л. с. Предельная скорость — 160 км/ч, разгон до «сотни» занимает 12,5 сек.

Этот «железный конь» так называется на азиатском рынке и в США. В Европе и РФ он именуется Tucson. Первоначальная стоимость на рынке США составляла $88 500, в Германии — €65 450. В самой Ю. Корее цена на кроссовер от $48 000: при покупке присутствует государственная субвенция.

Hyundai ix35 FCEV

Hyundai Nexo

Вторая модель производителя, на наш вкус, более привлекательна визуально. Она была представлена 07.01.2018 г. в Лас-Вегасе. У Nexo запас хода на 200 километров больше, а мощность двигателя — на 29 «лошадок». Кроссовер оснащен силовым агрегатом, мощность которого составляет 163 л. с. Модель способна преодолеть почти 800 км на одной зарядке, достигать скорости до 150 км/ч и разгоняться до первой «сотни» за 9,5 секунд.

Вариантов комплектации два — Модерн и Премиум.

Hyundai Nexo

Стоимость автомобиля стартует в Европе / США от €54 000/$64 800. В самой Ю. Корее пятиместный кроссовер можно приобрести за $35 000.

Honda Clarity и Clarity2

Седан D-класса был представлен широкой публике в Лос-Анджелесе, в конце осени 2007. Продажи в США, Европе и самой Японии начались следующим летом. 136 л. с. двигателя позволяют разогнать седан до «сотни» за 10 сек. Самая высокая скорость передвижения — 161 км/ч. 4,1 кг водорода хватает, чтобы преодолеть без заправки путь в 450 км.

С конвейера авто сняли в 2014, потому что ему на смену пришел аналогичный переднеприводный седан, но уже бизнес-класса. Мультиэкологичная Clarity2 была представлена в Токио в 2015 г. Здесь уже 177 «лошадок». А «дальнобойность» движения — 750 км. В США этот седан предлагали в лизинг. Покупатель должен был оплатить $2 878 первоначального взноса, а потом на протяжении трех лет ежемесячно платить $379.

Honda Clarity

Toyota Mirai

В конце осени 2014 автоконцерн презентовал четырехдверный серийный автомобиль-гибрид, а его продажи стартовали в Японии в конце года. В октябре 2019 появились автомашины второго поколения, поступившие в продажу летом 2020.

С полным баком седан способен проехать чуть больше 480 км. Двигатель Mirai дает возможность развивать скорость в 175 км/ч и за 9 секунд достигать отметки в 100 км/ч.

Стоимость гибридного автомобиля в Японии стартует от $57 500. В США имеется государственная федеральная поддержка, американцы могут приобрести трехобъемник за $45 000. Для Европы ценник стартует от €78 540.

Toyota Mirai

Интересные концепты гибридов

Автотехнологии постоянно совершенствуются, что позволяет автопроизводителям создавать диковинные концепт-кары. Мы решили отобрать следующие транспортные средства будущего:

LF-SA. Кар от «Лексус» характеризуется компактностью и регулируемым рулем. Приборная панель сворачивается, а широкоугольный монитор выполнен в форме голограммы. В двухдверном автомобиле смогут поместиться 4 пассажира, но задние кресла тесные.

Перспективы развития водородных авто и препятствия на этом пути

В Поднебесной к 2030 году должны ввести в эксплуатацию 1000 автозаправок. Это позволит обслуживать в Китае свыше миллиона автомобилей FCEV. На эти цели потребуется $1,7 млрд вложений. Серьезные инвестиции планируются и в соседней Корее. Так как у нее небольшая территория, при полном баке удастся пересечь всю страну. К 2022 г. планируется создание 310 заправок в дополнение к имеющимся ВЗС. Правительство выделит на их постройку 2,3 млрд долларов.

По аналогичному пути движется и Япония. На данный момент потребление водорода в стране достигло 4 тыс. тонн. Предполагается его рост к 2030 году до 300 тыс., а к 2050 — 15 млн тонн! Количество заправок вырастет до 320 единиц в 2025 году. Это даст возможность обслуживать автомобили в количестве 180/800 тыс. в 2025–2030 годах. К 2030 ожидается ввод в эксплуатацию и 1200 автобусов.

Западная Европа немного отстает, но и здесь для внедрения водородной энергетики используются программы H2ME и HyFive. Самые активные страны — Германия и Дания.

Серьезное препятствие — невозможность обеспечения многими ведущими странами водородом в требуемых объемах. Поэтому потребуются его поставки из Африки и Австралии. Здесь прекрасные условия для производства. Поэтому Германия заключила договор с Марокко на постройку фабрики для добычи чистого водорода. У немцев есть соглашение и с Нигерией. В этой стране предполагается получение водорода из возобновляемых источников энергии.

Компания «Кавасаки» вложила 338 млн долларов в проект по добыче водорода из бурого угля/лигнита в Австралии, в штате Виктория. Первые поставки в Японию ожидаются в 2021 году.

Компания Neoen из Франции создаст в городе Кристал Брук (Ю. Австралия) суперцентр. Для производства водорода будут использоваться ветровые и солнечные установки с мощью в 300 МВт. Суточная норма предполагается в пределах 20–25 тонн.

Сильные и слабые стороны водородных автомобилей

• Высокая экологичность. Это основное достоинство водородных автомашин. Главный продукт горения водорода — водяной пар, что резко снижает уровень токсичных выбросов в атмосферу.
• Простая конструкция.
• Бесшумность движения.
• Высокий КПД двигателя.
• Не нужно тратить много средств на создание систем топливоподачи.

• Водород в промышленных объемах пока получается дорогим.
• Инфраструктура заправок мало развита. В большинстве стран их вообще нет.
• Отсутствуют общие стандарты по хранению водорода и его применению.
• Технология хранения пока несовершенна.
• Большой вес. Масса водородных автомобилей увеличивается из-за преобразователей тока, тяжелых и габаритных аккумуляторных батарей.
• Имеется опасность возгорания / взрыва.

Проблемы инфраструктуры и добычи топлива

Заправочных станций пока маловато, не более тысячи во всем мире. Однако с каждым годом их количество растет. Если в 2018 в мире возвели 48 заправок, то в 2019 их было установлено уже 83.

Сеть продолжает развиваться: по итогам 2019 года, в Азии функционировало 178 водородных АЗС. Лидеры:

• Япония — 114;
• Ю. Корея — 33;
• КНР — 27.

В Европе в конце 2019 года работало 177 станций. Они расположены в:

• Германии — 87;
• Франции — 26;
• Швейцарии — 4.

До конца 2020 года Германия планировала открыть еще 100 водородных АЗС, Франция — 34, Швейцария — 6. Добавим сюда и Нидерланды — 21.

Отметим, что строительство станций спонсируется не только концерном «Тойота», но и другими автопроизводителями, предполагающими применение технологии будущего:

• «Хонда»;
• БМВ;
• «Фольксваген»;
• «Даймлер».

Станции строятся с использованием единого стандарта, что облегчит жизнь обладателям водородных автомобилей.

Поведем итоги. Да, производство затратное, и есть сложности при создании сетей заправок. Но запасы традиционного топлива когда-то иссякнут, и альтернативные решения нужны уже сейчас. Водородный транспорт имеет такие же, если не большие, перспективы, как и электрический. Именно поэтому мировые автопроизводители уже сейчас прикладывают много усилий для его развития.

Если вы хотите быть в курсе того, что происходит в отрасли экологического транспорта мира, заглядывайте на наш сайт и подписывайтесь на Telegram-канал.

Источник https://elektro-mobili.ru/type/hydrogen/

Источник https://e-cars.tech/vodorodnye-avtomobili/vodorodnyj-avtomobil-obzor-serijnyh-modelej-i-perspektivnyh-konczeptov/

Источник

Источник