В этой статье разберем как работает водородный двигатель в автомобиле, какие у него есть плюсы и минусы, в чем отличие от бензинового и дизельного двигателей и какие перспективы развития.
Что такое водородный двигатель
Водородный двигатель — это устройство, предназначенное для преобразования энергии водорода в механическую работу, чтобы приводить транспортное средство в движение.
Принцип работы водородного двигателя в автомобиле
Существуют два основных типа водородных автомобильных двигателей.
Водородные автомобили с двигателем внутреннего сгорания
Это модифицированный традиционный двигатель внутреннего сгорания, который вместо бензина или дизельного топлива использует водород. Принцип работы схож с обычным двигателем:
- водород впрыскивается в цилиндры вместе с воздухом;
- смесь воспламеняется свечой зажигания, выделяя тепловую энергию;
- энергия расширения газов толкает поршень, вращая коленчатый вал.
Водородные автомобили с топливным элементом
Второй тип водородных автомобилей использует электродвигатели, питаемые энергией, вырабатываемой топливными элементами. Они генерируют электричество непосредственно из химической реакции водорода с кислородом воздуха:
- водород подается на анод топливного элемента, где он распадается на протоны и электроны;
- электроны направляются через внешнюю цепь, создавая электрический ток;
- протоны проходят через мембрану к катоду, где объединяются с кислородом, формируя воду.
Схема водородного двигателя: основные компоненты
Водородный двигатель внутреннего сгорания
Основные элементы водородного двигателя внутреннего сгорания включают следующие компоненты.
1. Система подачи водорода:
- баллоны высокого давления хранят водород под высоким давлением для обеспечения длительного запаса хода;
- регулятор давления уменьшает давление водорода до необходимого уровня перед подачей в двигатель;
- форсунки подают водород в цилиндры двигателя.
2. Камера сгорания:
- поршни в цилиндрах, которые перемещаются вверх и вниз под действием расширяющегося газа;
- свечи зажигания воспламеняют смесь водорода и воздуха в камере сгорания.
3. Система управления двигателем:
- Электронный блок управления (ЭБУ) контролирует работу всех компонентов двигателя, включая подачу топлива и зажигание;
- датчики измеряют различные параметры, такие как температура, давление и положение поршней, чтобы обеспечить оптимальную работу двигателя.
4. Выпускная система:
- коллекторы собирают отработанные газы из каждого цилиндра и направляют их в выпускную систему;
- глушитель снижает уровень шума выхлопа.
5. Охлаждающая система:
- радиатор отводит избыточное тепло от двигателя;
- водяной насос обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор и двигатель.
6. Стартер и генератор:
- стартер запускает двигатель вращая маховик;
- генератор производит электроэнергию для зарядки аккумулятора и питания электрических систем автомобиля.
Водородный топливный элемент
Основные элементы водородного двигателя на топливных элементах включают следующие компоненты.
1. Топливные элементы:
- анод принимает водород и передает электроны в электрическую цепь;
- катод принимает кислород и соединяется с протонами водорода, образуя воду;
- электролит материал, проводящий ионы водорода от анода к катоду.
2. Система подачи водорода:
- баллоны высокого давления хранят водород под высоким давлением для обеспечения длительного запаса хода;
- регулятор давления уменьшает давление водорода до необходимого уровня перед подачей в топливные элементы.
3. Система управления двигателем:
- электронный блок управления (ЭБУ) контролирует работу всех компонентов системы, включая подачу топлива и управление энергией;
- датчики измеряют различные параметры, такие как температура, давление и расход водорода, чтобы обеспечить оптимальную работу системы.
5. Аккумуляторная батарея:
высоковольтная аккумуляторная батарея накапливает и сохраняет энергию, произведенную топливными элементами, для последующего использования.
6. Инвертор:
преобразует постоянный ток, производимый топливными элементами, в переменный ток, используемый для питания электродвигателя.
7. Электродвигатель:
приводит в движение транспортное средство, используя энергию, полученную от топливных элементов и аккумуляторной батареи.
8. Система охлаждения:
- радиатор отводит избыточное тепло от топливных элементов и других компонентов системы;
- водяной насос обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости через систему.
9. Система утилизации воды:
собирает воду, образованную в процессе работы топливных элементов, и удаляет ее из системы.
Бензиновый, дизельный, водородный двигатель: в чем разница
Все три типа двигателей работают на основе внутреннего сгорания топлива, однако между ними есть существенные различия в принципах работы, топливе и экологичности.
Бензиновые двигатели работают на смеси бензина и воздуха, которая воспламеняется искрой от свечи зажигания. В цилиндрах двигателя происходит сжатие этой смеси, после чего она взрывается, толкая поршень вниз и приводя в движение коленчатый вал.
Дизельные двигатели также используют смесь топлива и воздуха, но процесс воспламенения отличается. Здесь топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр уже в конце цикла сжатия, когда воздух сильно нагрет. Из-за высокой температуры сжатый воздух поджигает дизельное топливо, исключая необходимость свечей зажигания.
Водородные двигатели могут функционировать двумя способами:
1. На внутреннем сгорании, подобно традиционным двигателям. Топливная система обеспечивает подачу водорода в камеру сгорания, где он смешивается с воздухом и воспламеняется. Энергия взрыва преобразуется в механическое движение, вращающее колеса автомобиля.
2. Через топливные элементы. В этом случае водород вступает в реакцию с кислородом внутри специального устройства — топливного элемента. В результате химической реакции выделяется электричество, которое питает электродвигатель.
К основным отличиям можно отнести:
- Топливо. Бензин и дизельное топливо — углеводороды, тогда как водород является чистым элементом.
- Выбросы. Бензиновые и дизельные двигатели выделяют вредные вещества, водородные — только воду.
- Эффективность. Дизельные двигатели имеют больший КПД, водородные в режиме топливных элементов еще эффективнее.
- Инфраструктура. Бензин и дизель широко распространены, водород требует специальной инфраструктуры.
Плюсы и минусы водородного двигателя
Поскольку у водородных двигателей разный принцип работы, то плюсы и минусы тоже разные.
Двигатель внутреннего сгорания
Рассмотрим основные плюсы и минусы водородного двигателя внутреннего сгорания.
Плюсы:
- Экологическая чистота. Единственным продуктом выхлопа является вода (H₂O), что делает такой двигатель экологически чистым.
- Высокая мощность. Водород обладает высоким октановым числом, что позволяет использовать высокую степень сжатия и обеспечивает большую мощность по сравнению с бензиновыми двигателями.
Минусы:
- Хранение водорода. Водород требует специальных условий хранения (например, баллоны высокого давления или криогенных емкостей), что усложняет конструкцию автомобиля.
- Коррозионная стойкость. Водород может вызывать коррозию материалов двигателя, что требует использования особых сплавов.
- Инертность системы. Водородные двигатели требуют сложной системы управления подачей газа, чтобы избежать взрывоопасной ситуации.
Топливный элемент
Рассмотрим основные плюсы и минусы водородного двигателя на топливных элементах.
Плюсы:
- Высокий КПД. Эффективность топливных элементов достигает 50–60%, что значительно превышает показатели обычных ДВС.
- Бесшумная работа. Электромоторы работают практически бесшумно.
- Быстрая заправка. Заправка водородом занимает около 3–5 минут, что сопоставимо с бензином.
Минусы:
- Дороговизна. Производство топливных элементов требует дорогих материалов, таких как платина, что увеличивает стоимость автомобиля.
- Инфраструктура. Для массового внедрения нужны развитые сети водородных заправочных станций.
- Срок службы. Некоторые компоненты топливных элементов подвержены износу, что снижает срок их эксплуатации.
Перспективы водородных двигателей
Несмотря на сложности с инфраструктурой и дороговизну технологий, водородные автомобили рассматриваются как один из возможных путей к снижению выбросов углекислого газа в атмосферу. Особенно интересны перспективы развития топливных элементов благодаря их высокому КПД и отсутствию вредных выбросов.
Мнение эксперта
Своим мнением поделился Евгений Мелехин, генеральный директор «Рексрент» АО «Билантлия» (входит в состав «Инсайт Лизинг» – российскую лизинговую группу, включающую в себя активы в России и за рубежом):
«КПД у такого топливного элемента 50—60%, а в самых лучших лабораторных образцах даже до 65% (сравните с 30—35% у бензинового двигателя). Это значит, что из того же количества "топлива" (водорода) получается в два раза больше полезной работы. Не больше километров на литре (потому что литр водорода и литр бензина — очень разные понятия, энергия в них разная), а больше километров на той же энергии, что запасена в топливе.
В этом и заключена экономичность. Не в том, что водород дешев, а в том, что он максимально эффективно используется.
Второе преимущество — экологичность. Результат реакции водорода и кислорода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O — химическая формула воды. То есть водород с кислородом дают чистую воду (H₂O) и больше ничего. Никакого углекислого газа (CO₂), никаких оксидов азота (NOₓ), никакой сажи. Выброс двигателя — дистиллированная вода. И в этом еще одно преимущество — максимальная экологичность.
И наконец, еще одно преимущество — быстрая заправка. Добавить в бак водород можно за 3—5 минут: электромобили заряжаются дольше.
Но есть огромные проблемы: водород сложно хранить (нужны прочные баки под высоким давлением), он взрывоопасен, и в настоящий момент его добывают в основном из природного газа и угля, что сводит на нет всю экологическую выгоду.
Идеальным вариантом был бы замкнутый цикл внутри двигателя: вода — водород — вода, но пока это фантастика.
Перспективы у водородных двигателей есть, но не на завтра, и не на 5 лет, а скорее на 30—50 лет. У технологии есть проблемы, которые пока не решены:
- Производство водорода. Сейчас в мире производится примерно 95 миллионов тонн водорода в год. Для сравнения, нефти добывают в 20 раз больше (1,8 млрд тонн в год). И самое главное — 95% этого водорода получают неэкологичным способом — паровой конверсией метана либо газификацией угля. При этих методах добычи выделяется углекислый газ: тонны его выбрасываются в атмосферу.
Есть и более экологичные методы — электролиз воды, термохимический способ, но все это пока в слишком малых объемах. Но в них и кроется перспектива. Если нарастить долю зеленого водорода хотя бы до 50—70%, вся экономика поменяется: и ДВС, и даже электродвигатели уйдут в прошлое.
Правительства Европы, Японии, Кореи уже поставили цель: к 2030—2040 годам минимум 30% всего водорода получать только электролизом на солнечной и ветровой энергии. В Норвегии, например, уже строят гигантские электролизные заводы рядом с ГЭС (там киловатт электричества стоит 1—2 евроцента, а не 10—15 как у нас). - Хранение водорода. Это самое легкое вещество во вселенной, его атомная масса 1,008, легче только плазма, то есть молекула просачивается сквозь любые материалы.
Водород можно хранить при температуре, близкой к абсолютному нулю, что очень дорого; в газообразном виде, но для этого нужно сжимать, и баллон для машины тоже будет очень дорог; либо в связанном виде (в аммиаке (NH₃) или метаноле (CH₃OH)), но у этого процесса КПД всего 40—50%.
Главная задача — придумать компактный, дешевый и безопасный бак, который не будет стоить половину цены машины. Сейчас лучшие образцы (например, у Toyota, Honda, Hyundai) держат водород при 700 атм в баллонах, которые весят больше самого топлива. - Инфраструктура. В мире сейчас более миллиона электрозаправок (половина — в Китае), 600 000 бензозаправок. А водородных заправок меньше 60 на всю планету. Из них половина в Японии, штук 15 в Калифорнии, 5—6 в Германии, 3 в Китае. В России их нет вообще.
Строительство одной водородной заправки стоит 1—2 миллиона евро (бензиновая АЗС стоит 200—500 тыс евро). Япония, Корея и Германия поставили цель построить тысячи заправок до 2030 года, но пока темпы очень медленные.
Главное о водородном двигателе в автомобиле
Собрали самое главное о водородных двигателях в машинах:
- есть два типа двигателя: ДВС и на топливных элементах;
- КПД водородного двигателя в 2-3 раза выше, чем у бензиновых или дизельных;
- выхлоп водородного двигателя состоит из воды;
- водородные двигатели работают практически бесшумно;
- заправка водородом занимает 3-5 минут;
- в России нет водородных заправок.
