Водород отправит мир в будущее, а Формулу-1 ...

14.08.2017 17:01

К концу десятилетия, транспортные средства, перемещающиеся на водороде, от таких производителей как GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz и Toyota, должны понемногу появляться в дилерских сетях. Они будут надежны и универсальны, хотя и будут стоить целое состояние, плюс ко всему заправить их будет очень нелегко. Очевидно, что для топливных элементов из водорода существует много препятствий, которые нужно преодолеть, чтобы проложить путь к потребителям. Ниже приведена схема, как получается топливный элемент.

КАК РАБОТАЕТ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ВООБЩЕ, ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

Прокачивая кислород и водород через катоды и аноды, которые находятся в контакте с платиновым катализатором, происходит химическая реакция, в результате которой мы получаем воду и электрический ток. Набор из нескольких элементов (ячеек) необходим для того, чтобы увеличить заряд в 0,7 вольт в одной ячейке, что приведет к более высокому, более полезному напряжению. Топливные элементы могут быть до 80 процентов эффективнее обыкновенного бензина. Кроме того, даже уже существующие и активно применяемые современные альтернативные источники топлива в автомобилях типа растительного масла (об этом подробней тут) или природного газа, не так эффективны как водородное топливо, ввиду того что они не возобновляемы.

ГДЕ МЫ ВОЗМЕМ ВОДОРОД ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ТОПЛИВА?

Революция топливных элементов не может начаться без достаточного количества АЗС, поэтому заметное отсутствие данной инфраструктуры по-прежнему затравливает развитие водорода как альтернативного вида топлива. Хотим отметить, что в данной статье мы будем говорить больше об американском рынке водородного топлива, ибо в России, об этом альтернативном источнике топлива, пока и речи быть не может. Слишком велико лоббирование нефтяных интересов власть имущими. Так вот, старые оправдания уже давно перестали удовлетворять пытливые умы американцев. Все они видят общественные транспортные средства передвигающиеся на топливных элементах, такие как Honda FCX Clarity, которые каждый день перевозят людей на работу и с работы. Так почему же до сих пор нет заправочных станций?

В России похожая ситуация происходит с метановыми заправками. В небольших городах таких заправок существует 1-2 штуки, в результате чего к ним выстраиваются сумасшедшие очереди из маршрутных такси и небольших грузовых автомобилей. Мешает развитию метановых заправок опять же нефтяное лобби. В Америке же причина задержки развития инфраструктуры заправок с водородным топливом немного другая. Об этом далее.

Рядовому Американцу, в зависимости от того, где он живет, возможно, придется немного подождать появления водородных заправочных станций. Еще пять лет назад общественное мнение сходилось на том, что «водородные автомобильные дороги» будут стимулировать будущее, что в США уже планируется посторенние станций вдоль Калифорнийского побережья, от Мэна до Майами.

Просто добавь воды. Солнечные водородные станции компании Honda используют энергию солнца и электролизер для того, чтобы отделить «Н» от «О» в Н2О. После отделения водород хранится в баке под давлением в 34.47 МПа (мегапаскаль). Используя только солнечную энергию, станция может производить около  5 700 литров водорода ежегодно (этого топлива практически достаточно для одного автомобиля на год). При подключении к электрической сети, станция может производить до 26 тысяч литров в год.

Теперь появилась новая идея: создать скопление станций в одном месте для обслуживания достаточно большого района. Использование такого плана предполагает развитие данного рыночного сегмента вблизи от заправочных станций, и делает водород более привлекательным видом топлива для потенциального покупателя автомобиля.

То, откуда вы будете брать водородное топливо, также будет зависеть от того, где вы живете и какие ресурсы вам доступны. В ближайшем будущем, АЗС будут заправлять автомобили водородом, доставленным на танкерах с крупных предприятий по реформингу топлива, поставки которого ни чем не будут уступать современным поставкам бензина с нефтеперегонных заводов. В долгосрочной перспективе, местные водородные заводы научаться извлекать пользу из местных ресурсов и из возобновляемых источников энергии.

Способ отделения водорода путем парового метанового реформинга применим к ископаемому топливу, как правило, к природному газу, его нагревают и добавляют катализатор. Природный газ не является возобновляемым источником энергии, но он распространен на территории нашего государства, и Министерство энергетики утверждает, что выбросы автомобилей, работающих на реформированном водороде, вдвое меньше, чем у автомобилей, работающих на бензине. Также реформированный водород производится в больших масштабах и в настоящее время является дешевле, чем водород из других источников. Подробности по данному вопросу вы можете прочитать в нашем материале «Природный газ в автомобиле: следующий шаг на пути к альтернативному источнику энергии - водороду».

Водород также может быть получен из биомассы, такой как сельскохозяйственные отходы, отходы животноводства и сточные воды. Используя процесс, который называется газификация, биомасса находится под воздействием температуры, пара и кислорода с целью образования газа, который после дальнейшей обработки, в конечном итоге дает чистый водород. «Существуют полигоны, уже являющиеся готовыми источниками данного газа, который будет потрачен впустую, а мог бы стать источником водорода», говорит директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов, Джеймс Варнер.

Также существует электролиз, процесс отделение водорода из воды при помощи электрического тока. Этот способ звучит более заманчиво по сравнению с ископаемым топливом и отходами животноводства, но он имеет свои недостатки. В настоящее время способ электролиза является конкурентоспособным в тех районах, где электричество относительно дешевое. Существуют электролизеры, работающие от солнечно энергии или энергии ветра, но расходы возобновляемых источников энергии не достигли того уровня, чтобы вдохнуть жизнь в этот способ получения водородного топлива.

«Как только водород получит свою нишу на топливном рынке, и как только на него будет спрос, как и на различные способы его получения, мы увидим, что больше по нраву потенциальным потребителям», говорит Варнер. «Некоторые из способов добычи водорода потребуют новых законов регулирующих его добычу. Если водород будет пользоваться постоянным спросом, вы увидите, как начнут регулировать правила использования свалочных ресурсов и воды для электролиза».

ПОНИЖЕНИЕ СТОИМОСТИ И РАЗВИТИЕ МОДЕЛЬНОГО РЯДА

В настоящее время, самым большим препятствием для производителей автомобилей на водородном топливе является стоимость существующих технологий. Например, набор топливных элементов, используемый в автомобилях до настоящего момента, опирается на платину в качестве катализатора. Если не так давно вы посвящали себя поискам обручального кольца или символического подарка для своей любимой, вы наверняка представляете, насколько дорогим является этот металл.

Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории доказали, что замена этого дорогостоящего металла на более распространенные металлы, такие как железо или кобальт, в качестве катализатора является возможной. А ученые из Case Western Reserve University разработали катализатор из углеродных нанотрубок, которые в 650 раз дешевле, чем платина. Переработка катализаторов еще больше может снизить стоимость, хотя автопроизводители пока не озвучивали на сколько.

На этом исследования по совершенствованию водородного топливного элемента не заканчиваются. К примеру Mercedes рассматривает возможность сжатия водорода до давления в 68.95 МПа (мегапаскаль) для того, чтобы на борту транспортного средства могло находиться больше топлива, с передовым литий-ионным аккумулятором в качестве дополнительного хранилища энергии. При таких улучшениях, как считает доктор Герберт Колер, вице-президент компании по исследованию новейших автомобильных технологий, предстоящие транспортные средства будут иметь диапазон, превышающий 1000 км.

От этой технологии, также можно добиться дополнительной эффективности, за счет переработки архитектуры набора элементов. Уже сейчас Министерство энергетики утверждает, что затраты на строительство автомобилей с топливным элементом были снижены на 30 процентов за последние три года и на 80 процентов за последнее десятилетие. В то же время, долговечность топливных элементов увеличилась вдвое, но этого недостаточно, нужно увеличить ее еще в два раза. Современные транспортные средства с топливным элементом, как утверждается, работают, по крайней мере, 2 500 часов (или около 120 000 км), и это недостаточно хорошо. «Чтобы конкурировать с другими технологиями, нам нужно достичь результата в 5 000 часов, как минимум», говорит один из членов ученого совета министерской программы по топливным элементам.

Toyota надеется продать седан, передвигающийся на топливе из водорода, за 50 тысяч долларов США. Несмотря на то, что в конечном счете развитие технологий может снизить затраты, реальные краткосрочные сбережения можно будет получить только от объемного производства. Один из печальных моментов производства состоит в том, что не существует оптовых поставок частей для автомобилей с водородным топливным элементом, даже автомобиль FCX Clarity, который уже находится в серийном производстве, не обеспечен дополнительными частями и оптовыми ценами на них. Но есть надежда, что производители могут установить топливные элементы водорода в уже и так дорогие модели для ранней адаптации, тем самым минимизируя свои потери. «Мы могли бы внедрить эту технологию в автомобили, цены на которые подобны ценам люксовых автомобилей. Пока рынок, не готовый к таким новшествам, переваривал бы эту новинку, мы бы (автопроизводители) в это время наращивали объемы», говорит Стив Эллис, менеджер по продажам автомобилей с топливным элементом компании Honda.

Toyota почти два года назад начала серийный выпуск модели Mirai, который работает на водороде. Автомобиль имеет гибридный электроводородный "движок". Энергия производится с помощью окислительной реакции водорода в электрохимическом генераторе. Мощность электромотора составляет 136 лошадиных сил. Вместо вредного выхлопа двигатель производит чистую воду.

Одной заправки хватит на 650 километров, и обойдется она на наши деньги в 4 рубля 15 копеек (бензиновый автомобиль съест 2470 рублей). Стоимость инновационного автомобиля в Японии составит около 60 тысяч долларов. Правительство страны уже объявило, что все покупатели новых экологичных авто будут субсидированы на сумму в размере 17 тысяч долларов.

Но не всем этот прогресс придется ко двору. Как рассказал "Российской газете" старший научный сотрудник Института экономики РАН Иван Капитонов, современная американская экономика очень сильно заточена на технологию двигателя внутреннего сгорания (ДВС). "Новые альтернативные энергетические и двигательные технологии, - говорит эксперт, - если они смогут оказать экономическую конкуренцию ДВС, способны существенно осложнить жизнь американской экономики. Может быть поставлена под сомнение "сланцевая революция", построенная на кредитные деньги, которые надо возвращать еще 15 лет".

В США может появиться много безработных, начиная от геологов, заканчивая электромонтерами. Если дома и транспорт будут оборудованы водородными генераторами, то отпадет необходимость в атомной и гидроэлектроэнергетике, станут не нужны и ЛЭП, передающие электричество, подешевеет металл.
Между тем главный редактор сайта "За рулем.РФ" Артур Саруханов сомневается, что будущее именно за водородным двигателем. По его словам, разработка двигателей на водородных ячейках очень затратная.

Ранее считалось, что на смену автомобилям, сжигающим углеводороды, придут их электрические собратья, заряжающие аккумуляторную батарею от обычной сети. Однако в последние годы это утверждение перестало быть таким уж очевидным: в водородной энергетике произошел настоящий прорыв, позволивший вплотную приблизиться к выпуску массового продукта по рентабельной цене.

Эксперты до сих пор не знают, какой из альтернативных источников энергии в будущем станет основным, однако Toyota для себя этот вопрос решила, предпочтя электромобилю водородомобиль. Долгие годы изысканий и миллионы долларов, вложенные в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, дали результат: за пять лет, прошедших с презентации предыдущей версии водородного автомобиля, стоимость топливной системы удалось снизить в 20 раз.

Главным преимуществом водородного двигателя является, конечно же, экологичность. Электрохимический генератор не производит вредных выбросов: вместо угарного газа из его трубы выходит водяной пар. Кроме того, силовая установка на водороде в два с лишним раза эффективнее ДВС: максимальный КПД преобразования водорода в электрический ток составляет 83%, у самых современных бензиновых двигателей этот показатель едва-едва приближается к 40%. И что самое главное - всерьез увеличить его невозможно чисто физически.

Перед электромобилями, которыми сегодня в западных странах и Японии уже никого не удивишь, у автомобилей на водородных топливных элементах есть ряд серьезных преимуществ. Это и время заправки (три-пять минут на заполнение баллонов водородом против нескольких часов зарядки аккумулятора), и более высокий запас хода, и более низкая цена батарей. К тому же КПД получения водорода из природного газа в полтора раза больше, чем получения электричества: 36% против 24%. Немудрено, что над своими вариантами автомобилей будущего, работающих на простом и понятном водороде, трудятся едва ли не все ведущие автоконцерны. Наибольших успехов, помимо Toyota, добились Honda, Hyundai и Mercedes-Benz.

Впрочем, для повсеместного распространения водородомобилей пока что слишком много преград. Даже если не брать в расчет слишком высокую цену на саму машину, основной проблемой является производство топлива. Заправляться водородом достаточно дешево уже сейчас. На 100 км Mirai просит от 0,69 (номинально) до 1,3 (фактически) кг топлива. Килограмм водорода стоит $8 - 10, то есть получается вполне сопоставимо с заправкой бензином. Однако где брать это самое топливо новой эры - вопрос неоднозначный. Сейчас его, как правило, добывают из природного газа с выделением углекислого газа. Так как объемы производства относительно небольшие, то и парниковый эффект получается минимальным. Однако если водород начнут добывать таким образом для сотен миллионов автомобилей, озоновый слой продырявится в два счета. Получать топливо экологичным способом очень дорого, что губит идею тотальной водородомобилизации на корню.

Другая очевидная проблема - отсутствие заправочной инфраструктуры. Сейчас по всему миру создано в экспериментальных целях не более тысячи заправок. Так что первым счастливым обладателям "Тойота Мирай" еще очень долго придется решать вопрос, где бы заправиться.

Однако у смекалистых японцев есть идеи для решения обеих задач. Они предлагают добывать топливо из канализационных стоков (попутно утилизируя последние) или использовать побочный водород, получаемый на разного рода химических производствах. Говорят, его в мире получают столько, что хватит для заправки 250 млн седанов Mirai. Что касается нехватки заправок, то создать инфраструктуру с нуля за 20 лет - вполне решаемая задача, было бы желание, говорят в Стране восходящего солнца. В пример приводят Америку периода автомобилизации, где разветвленная сеть АЗС была построена в кратчайшие сроки. В частности, власти Токио планируют к Олимпийским играм 2020 г. создать в городе и окрестностях целую сеть водородных заправок, потратив на эти цели €360 миллионов.

В Toyota надеются, что к 2025 г. по японским дорогам будут ездить не менее 2 млн водородомобилей. После того как будет достигнута критическая масса машин, коммерциализация проекта выйдет на новый уровень, и кривая распространения автомобилей будущего стремительно пойдет вверх.

Использование водородо- и электромобилей постепенно будет приобретать все большее значение по мере роста населения Земли и обострения экологических проблем. Некоторые страны уже сейчас задумались об ограничениях на использование автомобилей с ДВС. Так, в Норвегии, где каждая четвертая продаваемая машина работает на электричестве, к 2025 г. собираются полностью запретить машины с бензиновыми или дизельными двигателями. Пока что власти страны действуют методом пряника, а не кнута: владельцы электрокаров и гибридов освобождаются от налога на покупку и регистрацию транспортного средства, имеют право на бесплатную парковку, передвижение по полосам для общественного транспорта и бесплатное использование сети зарядочных станций.

Массовое распространение водородных автомобилей будет означать слом всей существующей мировой энергетической системы. Ведь водородные силовые установки можно будет применять для электрификации и отопления домов, а также в производственных целях. Начнется стремительный закат эры углеводородов, за которым последует изменение расстановки сил в глобальной экономике.

"Тем временем каждый уважающий себя автопроизводитель заявил, что через 5 лет в своей модельной линейке будет иметь, по меньшей мере, по одному электрокару", - говорит собеседник "РГ". Он обращает внимание, что электродвигатели легче внедрить в массы, так как их производство не так затратно. К примеру, чтобы создать сеть водородных заправочных станций, требуется на порядок больше инвестиций, чем на создание электрозарядных станций.

 

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДОРОДНЫМ ТОПЛИВОМ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Начиная с 2008 года, компания Honda начала ограниченную лизинговую программу для 200 седанов FCX Clarity, которые передвигаются на водородных топливных элементах. Как итог, только 24 клиента из Южной Калифорнии, США, платили в течение трех лет ежемесячный взнос в 600 долларов США. Так как срок аренды истек в 2011 году, компания Honda продлила договора с этими клиентами и подключила новых для своей исследовательской кампании. Вот то, что компания узнала нового за время исследований:

1.       Водители FCX Clarity без проблем осуществляли короткие поездки через город Лос-Анджелес и его округи (Honda утверждает, что FCX может похвастаться диапазоном в 435 км).

2.       Отсутствие необходимой инфраструктуры является основным неудобством для арендаторов, которые живут не рядом с одной из семи водородных заправочных станций в Калифорнии. Все станции находятся недалеко от Лос-Анджелеса, эффективно привязывая автомобили к 240-километровой зоне.

3.       В среднем водители проезжали 19,5 тысяч км за год. Один из первых арендаторов только что пересек показатель в 60 тысяч км.

4.       Продавцы, которые отпускают в лизинг автомобили FCX Clarity проходят специальную подготовку для обучения клиентов. «Этим продавцам задают такие вопросы, каких они никогда прежде не слышали», говорит менеджер по продажам и маркетингу автомобилей Honda с топливными элементами, Стив Эллис.

Акцент на аккумуляторных технологиях сторонникам водорода кажется недальновидным. «Это взаимодополняющие технологии», говорит Стив Эллис, представитель компании Honda. Технология, разработанная для FCX, например, в настоящее время развернута и на электромобиль Fit. «Мы считаем что водородные топливные элементы в сочетании с электромобилями могут дать весьма положительный результат, переплюнув все альтернативные источники энергии, имеющиеся на сегодняшний день и возглавив список самых экономичных машин этого десятилетия».


http://zap-online.ru/info/avtonovosti/vse-chto-nuzhno-znat-o-vodorodnom-toplive-budushchego

 

 


* Отредактировано модератором 15.8.2017 в 11:47
Автор заметки: Ajrton
Мнение автора может отличаться от мнения редакции F1-Portal.ru
2 Отзыва