Водородный автомобиль

Автобус Mercedes Citaro на водородных топливных элементах

Водородный транспорт — различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства, как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами.

Преимущества водородного транспорта

В настоящее время разнообразный транспорт несет ответственность за 23 % выбросов парниковых газов. По оценкам экспертов, уже через двадцать лет эта цифра удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться число личных автомобилей^[1]. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.

В морском транспорте зачастую используются низкосортные, дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы СО₂ морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год.

При работе на водороде в атмосферу выбрасывается только водяной пар.

Другой причиной внедрения водородного транспорта является рост цен на энергоносители, дефицит топлива, стремление различных стран достичь энергетической независимости.

Двигатель внутреннего сгорания

BMW Hydrogen 7 с водородным двигателем внутреннего сгорания

Англ. Hydrogen internal combustion engine (HICE). Водородный двигатель внутреннего сгорания.

Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания. В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензином. Но если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до 117 % в сравнении с бензиновым аналогом.

История

Изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (фр. fr:François Isaac de Rivaz 1752—1828) в 1806 году создал двигатель внутреннего сгорания. Двигатель работал на водороде, который изобретатель производил электролизом воды. Бензин в двигателях внутреннего сгорания не использовался до 1870-х годов.

В блокадном Ленинграде бензин был в дефиците, но водород имелся в большом количестве. Военный техник Борис Шелищ предложил использовать воздушно-водородную смесь аэростатов. На водород перевели двигатели внутреннего сгорания лебёдок аэростатов. Во время блокады в городе на этом топливе работало около 600 автомобилей.^[2]

Современное применение

В настоящее время ограниченными партиями выпускаются:

• BMW Hydrogen 7. Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль. Используется жидкий водород;
• Ford E-450. Автобус (см. Автобусы Ford);
• Mazda RX-8 hydrogen. Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль.

Берлинская транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) планирует приобрести к 2009 году 250 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде.

беспилотный самолёт большой высоты и продолжительности полёта (High Altitude Long Endurance (HALE). На самолёте установлен HICE производства Ford Motor Company.

Смеси традиционных топлив с водородом

Широкое внедрение водородного топлива сдерживается отсутствием необходимой инфраструктуры. Промежуточным решением могут стать смеси традиционных топлив с водородом. Например,

Производятся установки, производящие водород из дистиллированной воды, на борту транспортного средства. Далее водород добавляется к дизельному топливу. Такие установки внедряются на крупные грузовики и горную технику.

Авиация

В начале 1980-х годов в конструкторском бюро Н. Кузнецова (Самара) были разработаны авиационные двигатели, предназначенные для пассажирских самолётов Туполева. Эти двигатели, работающие на водороде, прошли стендовые и лётные испытания. К сожалению, известные события в России в конце 1980-х — начале 1990-х годов, не позволили довести работы по водородным авиадвигателям Н. Кузнецова до широкого их применения в транспортной и пассажирской авиации. К настоящему времени сохранились несколько законсервированных работоспособных авиационных двигателей Н. Кузнецова на складах КБ в Самаре.

В конце 1980-х годов Владимиром Львовичем Фрайштадтом из Hаучно-исследовательского предприятия гиперзвуковых систем (НИПГС) была предложена концепция гиперзвукового аппарата «Аякс». Водород производится на борту самолёта из углеводородов.

3 апреля 2008 года компания Boeing провёла лётные испытания лёгкого двухместного самолёта Dimona с силовой установкой на водородных топливных элементах^[3].

Водородные топливные элементы

Водородные топливные элементы могут производить электрическую энергию для электродвигателя на борту транспортного средства, заменив тем самым двигатель внутреннего сгорания, или применяться для бортового питания.

История

Первое транспортное средство на топливных элементах создала в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company (США). Щелочные топливные элементы (AFC) были установлены на трактор. В 1962 году — на автомобиль для гольфа. В 1967 году компания Union Carbide (США) установила топливные элементы на мотоцикл.

Автомобильный транспорт

Hyundai Tucson FCEV на водородных топливных элементах

Основное преимущество внедрения топливных элементов в транспортные средства: высокий КПД. Например, паровоз за 150 лет свой эволюции смог достичь 5 % КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента — 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД 57 %^[4].

КПД классического свинцового аккумулятора 70-90 %. Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей — дефицит аккумуляторов^[5]. Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают низкой ёмкостью и большой массой. Более перспективны никель-металл-гидридные аккумуляторы, но их массовое производство сдерживается высокой ценой на никель. Массовое производство никель-металл-гидридных аккумуляторов для электромобилей и гибридных автомобилей вызовет ещё больший рост цен на никель, и электромобили станут не конкурентноспособными по цене. Наиболее перспективными аккумуляторами являются литий-ионные аккумуляторы, но производство лития ограничено. В 2004 году мировое производство лития составило всего 254 000 метрических тонн. По оценкам компании 2015 году столкнётся с дефицитом лития^[6]. Перевод всего транспорта на литий-ионные аккумуляторы проблематичен — лития производится очень мало. На электромобили может быть переведена только небольшая часть транспорта.

На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.

Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель — снизить к 2020 году стоимость топливных элементов до $30 за 1 кВт установленной мощности. Это означает, что источник электричества для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л.с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания.

Совершенствование PEM топливных элементов продолжается. Они становятся легче, компактнее, дешевле. Теперь могут запускаться при температуре минус 30 °С.

Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

• Ford Motor Company — Focus FCV;
• Honda FCX;
• Hyundai — Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power);
• Toyota — Toyota Highlander FCHV;
• General Motors;

и другие.

Автобусы с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

• Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);
• Toyota — FCHV-BUS;
• Thor Industries — (топливные элементы компании UTC Power);
• Irisbus — (топливные элементы компании UTC Power);

И др. единичные экземпляры в Бразилии, Китае, Чехии и т. д.

Экономичность топливных элементов

Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт. в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на пробег 100 миль (160 км.), то есть 4,3 литра бензинового эквивалента. Водород на заправочной станции Вашингтона продавался по цене $4,75 за кг (данные на 2005 год).

Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л. мощностью 85 кВт. потребляет 5,8 л. бензина на 100 км.

National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использует среднюю дальность пробега легкового автомобиля 12000 миль в год (19200 км.), потребление водорода — 1 кг на пробег 60 миль (96 км.). То есть одному легковому автомобилю на водородных топливных элементах в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день. Один килограмм водорода считают равным по энергетической ценности одному галлону бензина (3,78 л).

Железнодорожный транспорт

Велосипед с водородными топливными элементами производства китайской компании Shanghai Pearl. Экспорт в Испанию начался в мае 2008 года.

Для данных приложений требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение. Ж/д транспорт представляет из себя огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. Около 60 % грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы.

Железно-Дорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., дальность пробега на одной заправке 300—400 км. Прототип был испытан в феврале 2005 года.

В США эксплуатация локомотива с водородным топливным элементом мощностью 2 тысячи л.с. начнётся в 2009 году^[7]. Локомотив создавался с 2003 года при участии Департамента Обороны США (DoD) для не тактических военных целей и коммерческих приложений.

В Дании водородный поезд курсирует между городами Vemb, Lemvig и Thyboron. Протяженность маршрута 59 км, что ограничено емкостью водородных баков. Проект получил название Danish Hydrogen Train Project.

Разработки водородного железнодорожного транспорта также ведутся в Японии компаниями Hitachi и Kinki Sharyo.

Институт транспорта и инфраструктурных систем Fraunhofer (Германия) создал прототип гибрида трамвая и автобуса. AutoTram оснащен водородным топливным элементом и маховиком, который заряжается при торможении, и разгоняет вагон при старте. Прототип имеет длину 18 метров, но институт заявляет, что возможно создание 56 м вагонов вместимостью 300 пассажиров. Топливный элемент производства компании Ballard Power Systems, маховик компании CCM Nuenen. 10 кг водорода хранится на крыше. AutoTram развивает скорость 60 км/ч.

Водный транспорт

Hydrogen challenger — германский танкер. Производит водород на борту из энергии ветра.

Для внедрения водородных топливных элементов в морской транспорт в Европе создан консорциум FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships). В консорциум FellowSHIP входят компании Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik и Wärtsilä Automation Norway. Испытывается силовая установка на расплав-карбонатных топливных элементах (MCFC) мощностью 330 кВт. Топливо — сжиженный природный газ.

Также в Европе созданы:

• Консорциум Fuel Cell Boat BV. В консорциум входят компании: Alewijnse, Integral, Linde Gas, Marine Service North и Lovers.
• некоммерческая ассоциация Водорода и Топливных Элементов на Морском Транспорте (Marine Hydrogen & Fuel Cell Association MHFCA). В ассоциацию вошли 120 организаций. Цели ассоциации: разработка планов применения водорода на морском транспорте, установление контактов для совместных исследовательских проектов, определение приоритетов для развития, преодоление барьеров, разработка кодов, стандартов и правил использования водородных технологий в морских приложениях.

В США компания FuelCell Energy разрабатывает силовые установки на топливных элементах мощностью 500 кВт. для морского применения. Установка работает на стандартных военных жидких топливах: авиакеросине и дизельном топливе. Энергетические установки будут создаваться в модульном исполнении, что позволит их применять как на военных, так и на гражданских судах. Цель проекта — увеличить эффективность бортового питания морских судов.

В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

Испанская судостроительная компания Navantia, S.A. планирует начать производство подводных лодок класса S-80 с силовыми установками на PEM водородных топливных элементах мощностью 300 кВт. Водород производится на борту подводной лодки из этанола. Поставщик топливных элементов компания UTC Power (США). S-80 предназначены для охраны побережья. Применение водородных топливных элементов позволит сократить уровень шумов, и увеличить время нахождения под водой.

Эксплуатация 2008 года.

Исландия планирует перевести на водород все рыболовецкие суда. Для производства водорода будет использоваться геотермальная энергия и энергия ГЭС.

Авиация

Cамолёт Boeing с силовой установкой на топливных элементах.

Первый пилотируемый полёт самолёта с силовой установкой на PEM топливных элементах мощностью 20 кВт. состоялся 3 апреля 2008 года^[8]. Проект разрабатывался компанией Boeing и группой европейских компаний. Топливные элементы производства компании UQM Technologies (США).

Fraunhofer Institute (Германия) разрабатывает беспилотный вертолёт с силовой установкой на водородных топливных элементах. Вес топливного элемента — 30 грамм, мощность 12 ватт^[9].

Также беспилотные летательные аппараты с топливными элементами разрабатываются компаниями США и Израиля.

Вспомогательный транспорт

Вспомогательный транспорт — транспорт, эксплуатирующийся на ограниченных пространствах: складах, аэродромах, крупных промышленных производствах, военных базах и т. д.

Наиболее активно водородные топливные элементы устанавливаются на складские вилочные погрузчики. Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Для обслуживания аккумуляторов 12 погрузчиков требуется 370 кв.м., тогда как водородная заправочная станция занимает площадь 18,5 кв.м. (данные испытаний

Крупные распределительные центры площадью 90000 кв.м. требуют 100—300 погрузчиков и по три комплекта аккумуляторов на каждый погрузчик. Аккумуляторы меняются по 300 раз в сутки. Крупные розничные сети (Wal-Mart,

Другие виды транспорта

Водородные топливные элементы устанавливаются на велосипеды, мотоциклы, скутеры, подводные лодки, складские вилочные погрузчики и др.

Бортовое питание

Водородные топливные элементы могут использоваться для бортового питания самолётов, морских судов, крупных грузовиков. Для бортового питания могут применяться SOFC топливные элементы.

В Германии дома на колёсах продаются с DMFC топливными элементами мощностью 0,6 кВт., 1,2 кВт. или 1,6 кВт. В качестве топлива используется 5-литровая, или 10-литровая канистра с метанолом. Канистры продаются в 800 магазинах Европы. 10-литровой канистры хватает примерно на 4 недели работы^[10].

В 2006 году производители топливных элементов совместно с Европейским Агентством Авиационной Безопасности (EASA) начали разрабатывать стандарты сертификации топливных элементов для самолётов.

Airbus A330-300 будет вырабатывать в водородных топливных элементах. Разработчикам поставлена цель — увеличить это количество до 60 %.

Первые лётные испытания установки для бортового питания на водородных топливных элементах мощностью 20 кВт. проведены Airbus в феврале 2008 года на самолёте Airbus A320 ^[11].

Использование силовых установок на водородных топливных элементах на самолётах позволит снизить уровень шума, потребление топлива и выбросы парниковых газов.

SOFC топливные элементы для бортового питания. Силовая установка мощностью 440 кВт. позволит сократить потребление керосина на 75 % во время стоянки на земле. Боинг планирует завершить разработки к 2015 году.

В марте 2008 года во время экспедиции STS-123 шаттла Endeavour топливные элементы производства компании UTC Power преодолели рубеж в 100 тысяч операционных часов в космосе^[12]. Водородные топливные элементы производят энергию на борту шаттлов с 1981 года.

Факторы, сдерживающие внедрение водородных технологий

• Более высокая себестоимость, чем у традиционных источников топлива (В конце мая 2008 года в Калифорнии розничная цена дизельного топлива выросла до $5,027 за галлон, а бензина до $4,099 за галлон^[13], что сопоставимо со стоимостью водорода);
• отсутствие водородной инфраструктуры;
• несовершенные технологии хранения водорода (см. статью Хранение водорода);
• отсутствие стандартов безопасности, хранения, транспортировки, применения и т. д.;

Опасность водородного топлива

Слева — утечка водорода, справа — утечка бензина.

После катастрофы дирижабля Гинденбург водород считается опасным топливом. Вероятно, водород не более опасен, чем бензин. Так, например, первые подводные лодки работали на тяжелых топливах. Бензиновые двигатели становились причиной частых аварий и пожаров. Дизельные двигатели для подводных лодок появились только в 1906—1908 году.

При пробое топливного бака бензин разливается лужей по поверхности, тогда как водород улетучивается в виде направленной струи. Водород воспламеняется только в смеси с кислородом или фтором. Во время Первой мировой войны накоплен большой опыт применения водорода в дирижаблях. Например, Zeppelin — ZIV во время одного из боевых полётов подвергся интенсивному обстрелу с земли, и получил около 300 пробоин. Дирижабль благополучно вернулся на базу. Zeppelin L33 в ночь с 23 на 24 сентября 1916 года был обстрелян зенитной артиллерией. Один из снарядов взорвался внутри газового мешка с водородом. Дирижабль получил значительные повреждения, но водород не взорвался.

Существует миф о том, что именно череда катастроф с дирижаблями положила конец дирижаблестроению. Однако, программа строительство дирижаблей жёсткого типа в США была приостановлена после катастрофы дирижабля «Макон», котоый летал на гелии, а не на водороде. Армия США использовала дирижабли мягкого типа до января 1940 года. После этого все дирижабли мягкого и полужёсткого типа были переданы флоту США, который эксплуатировал их до 1943 года. Дирижабли применялись для патрулирования побережья. Сворачивание программ строительства дирижаблей никак не связано с опасностью водорода.

Водородный бак BMW Hydrogen 7 прошёл все необходимые тесты на безопасность. В ходе испытаний водородный бак разрушали под высоким давлением, нагревали на открытом огне до температуры 1000° Цельсия в течении 70 минут, деформировали твёрдыми и тяжёлыми предметами. Водород, находящийся в баке, не взрывался.

С 2003 года по 2006 год 36 автобусов по программе Clean Urban Transport for Europe проехали более 2 млн км. и перевезли 6 млн пассажиров. Погибших и раненных нет. Взрывов водорода не зафиксировано.

Критика водородного транспорта

Паровой двигатель за 150 лет свой эволюции смог достичь 35 % КПД (В статье Паровой двигатель говорится только о 20 %-25 % КПД). КПД современного двигателя внутреннего сгорания достигает 50 %, а КПД водородного топливного элемента, предназначенного для транспорта — около 45 % (КПД стационарных топливных элементов — около 85 % и более). То есть переход на топливные элементы принесёт минимум 10 % падение КПД. Хотя их нельзя сравнивать, так как топливный элемент является не двигателем, а источником электрического тока.

При этом критики транспорта на водородных топливных элементах ссылаются на КПД стационарной газопоршневой электростанции, имеющей электрический КПД 36,9 %, тепловой КПД — 48,4 %. Стационарные электростанции на водородных топливных элементах имеют КПД 80 % и более. В данной статье же речь идёт о транспорте.

Смесь водорода с воздухом — взрывчатое вещество. Водород более опасен, чем бензин, так как горит в смеси с воздухом в более широких концентрациях. Бензин не горит при лямбда менее 0,5 и более 2, водород при таких соотношениях горит великолепно. Но водород, хранящийся в баках при высоком давлении, в случае пробоя бака очень быстро испаряется. Для транспорта разрабатываются специальные безопасные системы хранения водорода — баки с несколькими стенками, из специальных материалов и т. д.

Конкурирующие технологии

• Электромобиль
• Гибридный автомобиль

См. также

• Топливный элемент
• Водородная заправочная станция
• Водородное шоссе

Ссылки

1. ↑ Транспортники обсудят вопросы экологии в Токио
2. ↑ Любимцев В. В. «Вопросы и ответы» — М.: Дрофа, 1995; ISBN 5-7107-0448-2
3. ↑ Первый пилотируемый самолёт на топливных элементах поднялся в воздух
4. ↑ Ballard Power Pre-Production Fuel Cell Bus Fleet Program Advancing for 2010 Olympic Winter Games
5. ↑ The Race Is On to Produce Increased Volumes of Rare Earth Metals
6. ↑ Bolivia holds key to electric car future
7. ↑ BNSF explores the fuel cell Railway Gazette International
8. ↑ Boeing Successfully Flies Fuel Cell-Powered Airplane
9. ↑ Fraunhofer Researchers working on helicopters with fuel cells
10. ↑ http://www.fuelcellsworks.com/Supppage9250.html
11. ↑ «Airbus has successfully tested a fuel cells system in flight»
12. ↑ UTC Power Fuel Cells Achieve Milestone, Topping 100,000 Hours in Space
13. ↑ Diesel Crosses $5.00/Gallon Mark in California

• Гиперзвуковой многоцелевой самолет «Аякс».
• Моделирование утечки топлива. Сравнение водорода с бензином. Университет Майами, 2001
• Comparison of Transportation Options in a Carbon-Constrained World: Hydrogen, Plug-in Hybrids and Biofuels