От сжигания до электролиза: история водородного транспорта и проблемы массовой эксплуатации

Мало кто знает, что впервые водород начали массово применять в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в Советском Союзе во время Великой Отечественной войны. Его подавали в цилиндры полуторок из дирижаблей, у которых газовые смеси отработали свой срок. Делали это не от хорошей жизни, а исключительно из-за нехватки бензина, и с окончанием войны практика ушла в небытие. Однако в последующие годы водородная тема всплывала еще много раз.

Далее — краткая история водородного транспорта и подборка фактов о том, почему водород — превосходное топливо и почему он, скорее всего, не станет основным игроком в частном сегменте.

В основе исторической части статьи лежит лекция к. т. н. Евгения Захарова, заведующего кафедрой технической эксплуатации и ремонта автомобилей ВолгГТУ, которая прошла в волгоградской Точке кипения.

Почему водород — превосходное топливо

Водород — первый химический элемент в таблице Менделеева. Это газ с самой маленькой молярной массой — он легче воздуха в 14,5 раз. Обладает очень высоким коэффициентом диффузии, то есть отлично смешивается с любыми другими газами.

Это самый распространенный элемент во всей нашей Вселенной. В связанном состоянии водород находится в составе молекулы воды, так что на Земле с его доступностью также нет никаких проблем.

Как человек с образованием инженера-автомеханика по специальности «двигатель внутреннего сгорания», я считаю, что водород — уникальное топливо для автомобильного двигателя. От других видов топлива его отличают:

Самая высокая теплота сгорания. При сжигании одного килограмма бензина мы можем получить 45 МДж теплоты, а при сжигании такого же количества водорода — почти в три раза больше, 120 МДж теплоты. И это низшая теплота сгорания водорода.

Широкие пределы воспламенения. Можно воспламенить как очень бедную топливо-воздушную смесь, в которой по массе мало водорода, так и очень богатую. Предел воспламенения смеси водорода с воздухом — от 0,2 до 10 единиц. Для сравнения: у бензовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха должен быть в диапазоне 0,7–1,2.

Самая высокая скорость сгорания. Этот параметр очень важен с точки зрения достижения необходимых характеристик автомобильного двигателя, в частности эффективной работы в цикле. В одном и том же двигателе скорость сгорания водорода будет примерно в три раза выше, чем скорость сгорания бензовоздушной смеси.

С чего началось применение водорода на транспорте

Редко встретишь человека, который знает, что пионером в области массового применения водорода в качестве топлива для автотранспорта был Советский Союз.

В этом контексте чаще вспоминают Германию, Японию или США. Возможно, из-за того, что идея возникла в очень тяжелый период для нашего государства — во время Великой Отечественной войны.

Водородная лебедка для аэростата

С первых дней войны Ленинград подвергался массированным бомбардировкам. Чтобы защитить город, по всей его территории развернули так называемые посты аэростатных заграждений.

Аэростат — это легкая оболочка из прорезиненной баллонной материи, алюминированная снаружи и заполненная водородом. Его поднимали на тросе на определенную высоту. К тросу присоединяли взрывчатый заряд.

Кроме мины на тросе закрепляли небольшой парашют, благодаря которому трос глубоко врезался в корпус самолета и разворачивал его. Использовали и тандемы из дирижаблей, чтобы добиться большей высоты подъема

Посты аэростатного заграждения показали неплохую эффективность. Находясь на высоте километра и выше, аэростаты не давали немецким пилотам снизиться для прицельного бомбометания, поскольку они могли встретиться с тросом, зацепить взрывчатый заряд и погибнуть. В итоге бомбы сбрасывали на большей высоте, и точной атаки не получалось.

Сделать герметичную оболочку для водорода очень сложно. Газ постепенно выходил, взамен туда попадали кислород и влага, и аэростаты теряли подъемную силу. По регламенту раз в 20 дней их спускали на тросах и перезаправляли водородом. Для этого использовали лебедки, установленные на знаменитых грузовиках-полуторках.

Лебедку приводил в движение двигатель автомобиля, работающего на традиционном топливе — бензине. Однако уже с началом октября 1941 года поставки бензина в Ленинград практически прекратились.

Сначала аэростаты спускали вручную. Это был нелучший выход, так как служили на тех постах в основном молодые девушки. Потом предложили другое решение — использовать электродвигатели. Оно тоже не подошло: из-за эвакуации оборудования Волховской ГЭС город остался практически без электричества.

И тогда молодому лейтенанту Борису Шелищу пришла идея использовать в двигателе внутреннего сгорания вместо бензина гремучую смесь водорода с воздухом, которую брали из тех самых спущенных на перезаправку аэростатов.

Получив одобрение у руководства, он начал экспериментировать. На удивление двигатель отлично заработал на смеси водорода с воздухом. Правда, не обошлось без происшествий. Во время первых экспериментов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, а самого Бориса Шелища контузило. Тогда для безопасной эксплуатации воздушно-водородной смеси он придумал специальный водяной затвор, исключающий воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя.

В итоге уже к ноябрю 1941 года все ленинградские посты заграждения перешли на водородное топливо.

Первая зима (1941–1942 года) была самой тяжелой для жителей блокадного Ленинграда. Именно тогда погибло больше всего людей. Чтобы поднять дух защитников города, в январе 1942 года было принято решение сделать выставку достижений народного хозяйства. Борису Шелищу предложили поучаствовать — выставить полуторку на водородном топливе.

Выставка проходила в закрытом павильоне. Но во время работы автомобиля не чувствовалось запаха выхлопных газов, поскольку единственный продукт сгорания при сжигании водорода — это водяной пар.

В 1941 году Борис Шелищ оформил патент Советского Союза на свое изобретение — способ работы автомобильного двигателя на водородном топливе. Именно этот патент сделал нашу страну пионером в области водородной энергетики для автомобильного транспорта.

Надо отметить, что посты аэростатного заграждения переводили на водородное топливо и в Москве. Но к концу Великой Отечественной войны проблему с поставками бензина решили и забыли о водородном топливе на многие годы — до 1960-х.

Аэростат воздушного заграждения на Тверском бульваре в Москве во время Великой Отечественной войны. 1941 г.

Водород плюс бензин: эксперименты советского автомобилестроения

На стыке 1960–1970-х годов в мире разразился топливный кризис. И в Советском Союзе начали активную работу по изучению альтернативных видов топлива, в частности водорода. Плодами этого труда стало множество интересных прототипов. Ниже приведу пару примеров транспортных средств, которые в качестве топлива потребляли водород в составе бензовоздушных смесей.

Это микроавтобус РАФ 22031:

Их должны были выпустить партией в 200 штук, но из-за политического кризиса дальше прототипа дело не пошло.

Кроме него к началу 1980‑х годов в СССР разные организации создали и испытали опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.

В Киеве одно время в опытной эксплуатации находились такси на базе «Волги» (ГАЗ-24), которые работали на смеси бензина с водородом. Добавление в смесь 5% водорода (по массе) обеспечивало прекрасные мощностные характеристики и увеличивало экологичность. Замеры токсичности показывали, что выбросы продуктов неполного сгорания — CO и СH — снижались в разы. Плюс на треть сокращалось потребление бензина, а общие эксплуатационные расходы падали на четверть.

Авиастроение

Ко всему прочему Советский Союз стал пионером и в области использования водорода в качестве топлива для авиационных двигателей.

Ниже на снимке самолет Ту-155 — экспериментальный вариант модели Ту-154. В нем для отработки всех возможных условий использования жидкого водорода один из трех двигателей оснастили водородной системой питания.

Этот самолет совершил 12 испытательных полетов, установив 14 мировых рекордов. А на конференции по использованию криогенных технологий в летательных аппаратах, которая проходила в Ганновере, известный американский авиационный инженер Карл Бревер оставил о самолете восторженный отзыв: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого искусственного спутника Земли».

К большому сожалению, с началом перестройки и развалом Советского Союза работы, которые активно вели в 1970–1980 годы, приостановили.

Переход на топливные элементы

Начиная примерно с 90-х годов прошлого века в автомобилестроении начали активно говорить про использование водорода в топливных элементах, хотя до этого уже существовало несколько прототипов. В этом случае КПД силовой установки возрастает до 50–80%, что заметно выше 45%, когда водород горит в цилиндрах.

В настоящее время на рынке присутствует около десяти моделей водородомобилей на топливных элементах. Самый популярный — Hyundai Nexo. За восемь месяцев 2021 года по всему миру продали 5800 экземпляров этой модели — это 52% всех продаж водородных легковушек.

Пять проблем, мешающих водороду стать массовым

Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с рядом проблем. Их нельзя не вспомнить, говоря о водороде как о возможной альтернативе бензину.

Проблема 1. Это очень дорого

Себестоимость производства водорода крайне высока. В чистом виде на Земле он практически отсутствует. Больше всего его в связанном виде, например в воде.

Все помнят простейшие опыты по электролизу воды, когда, подавая электроэнергию на два электрода, можно выделить водород. Как оказалось, это дорогое удовольствие. В таблице стоимость килограмма водорода при разных способах производства. Сравните с ценой бензина.

Способ получения водорода

Себестоимость в долларах США на кг

Паровая конверсия природного газа (метана)

Электролиз воды от электроэнергии из единой энергосистемы

Электролиз воды от электроэнергии ветрогенераторов

Электролиз воды от электроэнергии солнечной электростанции

Сейчас многие городские автобусы переводят именно на метановое топливо, потому что водород просто не может конкурировать с ним по цене. Хотя в борьбе за снижение выбросов CO2 получение водорода из метана методом пиролиза позволяет нивелировать выбросы углекислоты, которая в этом случае концентрируется в виде сажи.

Проблема 2. Сложно держать в автомобиле

Если водород сжать до давления 200 атм, то в одном литре будет всего 16 грамм вещества. Это значит, чтобы иметь достаточный запас топлива на борту автомобиля, нужно возить с собой баллоны очень большого объема (фактически мы будем возить только их).

Есть другой вариант — криогенные технологии. В качестве топлива для авиационного двигателя в Ту-155 использовали именно сжиженный водород. После сжижения в одном литре объема мы получим уже 70 грамм вещества. Но в сравнении с бензином и другими видами топлива это все равно на порядок меньше.

Вид топлива

Плотность, кг/л

Низшая теплота сгорания, МДж/кг

Источник

Тенденции и перспективы водородных топливных элементов для экологически чистого транспорта

В данной статье речь пойдет о водородных топливных элементах, о тенденциях и перспективах их применения. Топливные элементы на основе водорода притягивают сегодня все большее внимание специалистов автомобильной отрасли, ведь если 20 век был веком ДВС, то 21 век может стать веком водородной энергетики в автомобилестроении. Уже сегодня благодаря водородным элементам действуют космические корабли, а в некоторых странах мира водород уже более 10 лет используют для получения электроэнергии.

Водородный топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство вроде батарейки, которое вырабатывает электричество посредством химической реакции между водородом и кислородом, а продуктом химической реакции является чистая вода, тогда как при сжигании например природного газа образуется экологически вредный углекислый газ.

К тому же водородные элементы способны работать с более высоким КПД, вот почему на них возлагаются особенно большие надежды. Только представьте, эффективные двигатели автомобилей без вреда для окружающей среды. Вот только на данный момент вся инфраструктура выстроена и специализирована под нефтепродукты, и широкомасштабное внедрение водородных элементов в автомобилестроение натыкается на это и другие препятствия.

А между тем, еще с 1839 года известно, что водород и кислород можно соединить химическим путем и получить при этом электрический ток, то есть процесс электролиза воды обратим — это подтвержденный научный факт. Уже в 19 веке топливные элементы начали изучаться, однако развитие нефтедобычи и создание двигателя внутреннего сгорания оставило водородные источники энергии позади, и они стали чем-то экзотическим, не рентабельным, дорогим в производстве.

В 1950-е НАСА была вынуждена прибегнуть к водородным топливным элементам, и то по острой необходимости. Им требовался компактный и эффективный генератор электроэнергии для космических кораблей. В результате Apollo и Gemini полетели в космос на водородных топливных элементах — это оказалось лучшим решением.

На сегодняшний день топливные элементы полностью вышли из области экспериментальных технологий, и за последние 20 лет были достигнуты заметные успехи в плане их более широкой коммерциализации.

На водородные топливные элементы не зря возлагают большие надежды. В процессе их работы загрязнение окружающей среды минимально, технические преимущества и безопасность очевидны, кроме того данный вид топлива принципиально автономен и способен заменить тяжелые и дорогие литиевые батареи.

Топливо водородного элемента преобразуется в энергию прямо в ходе химической реакции, причем энергии здесь получается больше чем при обычном сгорании. Топлива расходуется меньше, а эффективность оказывается втрое выше чем у аналогичного устройства на ископаемом топливе.

Эффективность будет тем выше, чем лучше организован способ утилизации воды и тепла, образующихся в ходе реакции. Выброс вредных веществ минимален, ведь выделяется только вода, энергия и тепло, тогда как даже при самом успешно организованном процессе сжигания традиционного топлива неизбежно образуются оксиды азота, серы, углерода и прочие ненужные продукты сгорания.

К тому же отрасли добывающие обычное топливо сами по себе пагубно влияют на окружающую среду, а водородные топливные элементы позволяют избежать опасного вторжения в экосистему, поскольку добыча водорода возможна из полностью возобновляемых источников энергии. Даже утечка этого газа безопасна, так как он мгновенно улетучивается.

Топливному элементу без разницы, из какого известного топлива получен водород для его работы. Плотность энергии в кВт-ч/л будет одной и той же, причем данный показатель постоянно повышается с совершенствованием технологии создания топливных элементов.

Сам же водород может быть получен из любого удобного местного источника, будь то природный газ, уголь, биомасса или электролиз (за счет ветряной, солнечной энергии и т. д.) Зависимость от поставщиков электроэнергии из регионов пропадает, системы вообще независимы от электросетей.

Рабочие температуры элемента достаточно низки, и могут лежать в диапазоне от 80 до 1000°C, в зависимости от типа элемента, тогда как температура в обычном современном двигателе внутреннего сгорания доходит до 2300 °C. Топливный элемент компактен, издает минимум шума во время генерации, выброс вредных веществ отсутствует, поэтому он может быть размещен в любом удобном месте системы, в составе которой работает.

Элементы чувствительны к изменению нагрузки, поэтому при повышении мощности потребителя нужно подводить больше топлива. Это подобно тому, как работает бензиновый двигатель внутреннего сгорания или генератор. Технически топливный элемент реализуется достаточно просто, ведь тут нет подвижных деталей, конструкция получается простой и надежной, вероятность ее отказа принципиально крайне мала.

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной (например, «с полимерным электролитом») содержит протонопроводящую полимерную (нафион, полибензимидазол и др.) мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Да, электрокары сегодня работают на литиевых батареях. Однако топливные водородные элементы могут их заменить. Вместо батареи будет стоять источник питания гораздо легче весом. К тому же мощность машины может быть повышена вовсе не за счет увеличения веса из-за добавления ячеек аккумуляторов, а просто регулировкой подачи топлива в систему, пока оно есть в баллоне. Поэтому производители автомобилей возлагают на топливные элементы с водородом большие надежды.

Более 10 лет назад работы по созданию автомобилей на водороде начались во многих странах мира, особенно в США и Европе. Кислород может добываться прямо из атмосферного воздуха при помощи особой фильтрующей компрессорной установки, располагаемой на борту автомобиля. Сжатый водород хранится в сверхпрочном баллоне под давлением порядка 400 атм. Заправка длится считанные минуты.

Концепция экологически чистого городского транспорта с середины нулевых годов 21 века реализуется в Европе: в Амстердаме, Гамбурге, Барселоне и Лондоне уже давно можно встретить такие пассажирские автобусы. В условиях мегаполиса крайне важно отсутствие вредных выбросов и пониженный шум. В Германии в 2018 г. пущен первый железнодорожный пассажирский состав на водородном топливе Coradia iLint. К 2021 г. запланирован пуск ещё 14 таких поездов.

В ближайшие 40 лет переход на водород как на основной источник энергии для автомобилей мог бы перевернуть энергетику и экономику мира. Хотя сейчас ясно, что нефть и газ останутся главными на рынке топлива как минимум еще лет 10. Тем не менее некоторые государства уже сейчас вкладывают деньги в создание машин на водородных топливных элементах, несмотря на то, что предстоит преодолеть много технических и экономических барьеров.

Создание водородной инфраструктуры, безопасных заправочных станций — вот главная задача, ведь водород — взрывоопасный газ. Так или иначе, с водородом стоимость топлива и содержания транспорта может быть сильно уменьшена, а надежность — повышена.

По прогнозам Bloomberg, к 2040 году автомобили будут расходовать 1900 тераватт-час вместо нынешних 13 млн баррелей в сутки, что составит 8% от спроса на электричество, в то время как 70% добываемой в мире нефти уходит сегодня именно на производство топлива для транспорта. Конечно, на данный момент перспективы рынка аккумуляторных электромобилей куда более явные и впечатляющие, чем в случае с водородными топливными элементами.

В 2017 году рынок электромобилей составлял 17,4 млрд долларов, в то время как водородный автомобильный рынок оценивался всего в 2 млрд долларов. Несмотря на такую разницу, инвесторы продолжают интересоваться водородной энергетикой и финансировать новые разработки.

Так, в 2017 году был создан «Водородный совет» (Hydrogen Council), включающий 39 крупных производителей автомобилей, таких как Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Его целью является исследование и разработка новых водородных технологий и их последующее широкое внедрение.

Источник

Водородные топливные элементы

Водородные топливные элементы.

Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения и превращения тепловой энергии в механическую.

Описание:

Протон-проводящая полимерная мембрана разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и отдает электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из электрической цепи) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Из водородных топливных элементов изготавливают мембранно-электродные блоки, являющиеся ключевым генерирующим элементом энергетической системы.

Преимущества водородных топливных элементов по сравнению с традиционными решениями:

– увеличенная удельная энергоемкость (500 ÷ 1000 Вт*ч/кг),

– расширенный диапазон эксплуатационных температур (-40 0 С / +40 0 С),

– отсутствие теплового пятна, шума и вибрации,

– надежность при холодном пуске,

– практически неограниченный срок хранения энергии (отсутствие саморазряда),

– возможность изменения энергоемкости системы за счет изменения количества топливных баллончиков, что обеспечивает почти неограниченную автономность,

– возможность обеспечить практически любую разумную энергоемкость системы за счет изменения емкости хранилища водорода,

– высокая энергоемкость,

– толерантность к примесям в водороде,

– длительный срок службы,

– экологичность и бесшумность работы.

Применение:

– системы энергоснабжения для БПЛА,

– портативные зарядные устройства,

– источники бесперебойного питания,

– другие устройства.

водородный топливный элемент
водородный топливный элемент купить
водородно воздушные топливные элементы
водородные топливные элементы автомобилей
кислородно водородный топливный элемент
водородный топливный элемент своими руками
работа водородного топливного элемента
водородная энергетика топливные элементы
принцип работы водородного топливного элемента
водородные топливные элементы принцип работы и устройство
топливные водородные элементы ячейки
водородный топливный элемент цена
моделирование водородного топливного элемента
водородно воздушные топливные элементы купить
водородные топливные элементы развитие

Источник