Как перевести двс на водород

В последние годы вопрос экологической устойчивости и перехода на альтернативные источники энергии становится актуальным, и водород как топливо для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) привлекает внимание как перспективная технология. Эта статья посвящена переводу ДВС на водород, включая основные этапы, технические особенности и преимущества такого перехода. Читатели узнают, как водород может снизить выбросы углерода, улучшить эффективность работы двигателей и какие изменения нужно внести в конструкцию и систему питания автомобиля для успешной адаптации к новому виду топлива.

Установка водорода (долгожданный пост и первый отчет)

Выбор мощной установки обусловлен моим желанием изменить карту газовых впрысков на бедную смесь и максимально заменить газ водородом.

Теперь давайте перейдем от теории к практике установки. И процесс получился действительно впечатляющим.

Первым делом снимаем бампер для установки электролизера.

После долгих обсуждений мы решили разместить его под локером, где есть обдув для охлаждения, и с точки зрения загрязнения это более оптимально.

Вот наш электролизер, изготовленный собственноручно.

В системе установлены два фильтра, которые выполняют скорее индикаторную функцию, чем фильтрационную, чтобы предотвратить попадание кипящей воды в двигатель.

Протягиваем провода в салон.

Для полноценного тестирования я решил установить контроллер прямо в салоне, чтобы иметь возможность регулировать подачу водорода в двигатель во время движения и следить за показателями через OBD.

Так мы аккуратно разместили электролизер на кронштейне, который мы делали целый день. Перед установкой проверяем, закроется ли бампер. Пришлось снять фару для удобства работы, и вот так мы закрепили наш генератор. Также позаботились о вентиляции картерных газов.

Новая система вентиляции.

Я, как и на всех своих автомобилях, вывожу вентиляцию в нижнюю часть двигателя, чтобы избежать неприятных запахов в салоне. Это только на пользу мотору, так как он не будет получать масляные пары, а водород поможет очистить все от нагара, включая форсунки.

Вот итоговый вариант с завершенной установкой.

Теперь остается вернуть бампер на место и приступить к тестированию.

Далее в подкапотное пространство с помощью еще одного кронштейна устанавливаем довольно крупный бачок для воды, аналогичный тем, что ставят на грузовики. Но, как вы понимаете, Ярис — это не самый маленький автомобиль

Подкапотное пространство с готовым водородным генератором.

Теперь переходим к первому тесту. Я установил времена впрыска газа на уровне множителя 1.1. С этим показателем, после более чем 50 настроек ГБО (я сам занимаюсь диагностикой), мне удалось достичь идеального баланса стехиометрии и скорости горения метана в камерах сгорания. Затем я снизил это значение до 0.8, что соответствует обеднению смеси почти на 30%. Пока я проехал 20 км по городу в пробочном режиме и не заметил потери динамики. Прокатав полный бак, я поделюсь результатами теста.

Множитель на 100% замещении метаном. Тестовый множитель с заменой, не знаю, сколько водорода и часть метана.

Спасибо всем за внимание! Если вам интересна тема водорода, ставьте лайк и делитесь записью. Возможно, вместе с вами, мои дорогие подписчики, мы сделаем какое-нибудь научное открытие и развеем глупые мифы необразованных людей о ГБО и водороде.

Эксперты в области автомобильной инженерии отмечают, что перевод двигателей внутреннего сгорания на водород требует комплексного подхода. Во-первых, необходимо адаптировать топливную систему, включая замену форсунок и насосов, чтобы обеспечить оптимальное сгорание водорода. Во-вторых, важно учитывать особенности хранения водорода, так как он требует специальных баллонов под высоким давлением. Также специалисты подчеркивают, что для успешной реализации таких проектов необходимо развивать инфраструктуру заправочных станций, что потребует значительных инвестиций. Кроме того, переход на водород может быть связан с изменениями в законодательстве и стандартами безопасности. В целом, эксперты уверены, что при должной поддержке и инвестициях водород может стать важным шагом к устойчивому транспорту.

МАШИНА НА ВОДЕ! И почему так еще никто не делает!?

Учёные: любой дизельный двигатель можно превратить в водородный

Учёные из Университета Нового Южного Уэльса создали кит-комплект, превращающий обычный дизельный двигатель в практически полностью водородный. Потребление дизельного топлива падает до 10%, а на остальные 90% приходится водород. Теперь учёные утверждают, что могут сделать это с любым дизельным двигателем, ведь механизм работы новой системы впрыска очень простой.

Испытательная установка

Учёные работали над идеей почти два года и смогли представить работающий прототип — дизельный двигатель, который загрязняет атмосферу на 85% меньше обычного. Чтобы этого добиться, профессор Шоун Кук и его сотрудники соорудили систему непосредственного впрыска водорода в цилиндры. По словам инженеров, если просто смешать водород с дизельным топливом, то при сгорании выделится слишком много оксида азота. Чтобы этого избежать, учёные распределили интервал и местоположение впрыска таким образом, чтобы смесь водорода и дизельного топлива сгорала практически без следа.

По словам изобретателей, если перевести все дизельные станки, самосвалы и другую карьерную спецтехнику на водородно-дизельный режим работы, мировые выбросы парниковых газов удастся сократить на 27%. Сейчас дооснащение любого двигателя водородной установкой займёт примерно два месяца, но в дальнейшем эта процедура сможет стать такой же популярной и быстрой, как перевод автомобиля на ГБО.

Учёные надеются получить первые заказы на дооснащение двигателей в течение двух лет и уже ищут инвестора, который заинтересуется в проекте и его потенциальной прибыли.

Аспект перевода ДВС на водород	Описание	Преимущества/Недостатки
Типы водородного топлива	Газообразный водород (H2)	Преимущества: Высокая энергоемкость на единицу массы, отсутствие выбросов CO2. Недостатки: Низкая плотность, сложность хранения и транспортировки.
	Жидкий водород (LH2)	Преимущества: Более высокая плотность по сравнению с газообразным, больший запас хода. Недостатки: Требует криогенных температур (-253°C), высокие затраты на хранение.
	Водород в химических соединениях (например, аммиак)	Преимущества: Более безопасное хранение, возможность использования существующей инфраструктуры. Недостатки: Требует дополнительного оборудования для извлечения водорода, снижение КПД.
Модификации ДВС	Изменение системы впрыска топлива	Описание: Установка специальных форсунок для водорода, изменение давления впрыска.
	Изменение степени сжатия	Описание: Уменьшение степени сжатия для предотвращения детонации водорода.
	Изменение системы зажигания	Описание: Использование более мощных свечей зажигания, изменение угла опережения зажигания.
	Установка турбонаддува	Описание: Компенсация снижения объемной эффективности водорода.
Проблемы и вызовы	Хранение водорода на борту	Описание: Необходимость использования высокопрочных баллонов для газообразного водорода или криогенных резервуаров для жидкого.
	Инфраструктура заправки	Описание: Отсутствие развитой сети водородных заправочных станций.
	Стоимость водорода	Описание: Высокая стоимость производства и транспортировки водорода.
	Эффективность и выбросы	Описание: Возможное снижение КПД по сравнению с бензиновыми ДВС, образование оксидов азота (NOx) при сгорании водорода.
	Безопасность	Описание: Высокая воспламеняемость водорода, необходимость соблюдения строгих мер безопасности.
Перспективы и исследования	Разработка новых материалов для хранения	Описание: Поиск более эффективных и безопасных способов хранения водорода.
	Улучшение эффективности ДВС на водороде	Описание: Оптимизация конструкции двигателя для максимального использования потенциала водорода.
	Развитие инфраструктуры	Описание: Строительство новых водородных заправочных станций.
	Снижение стоимости производства водорода	Описание: Разработка более дешевых и экологичных методов получения водорода.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о переводе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на водород:

1. Технология сжигания водорода: Водород можно использовать в ДВС, заменяя бензин или дизель. При сжигании водорода выделяется только вода и небольшое количество оксидов азота, что делает этот процесс экологически чистым. Однако, для эффективного сжигания водорода требуется изменить конструкцию двигателя, чтобы предотвратить детонацию и обеспечить стабильное горение.

2. Проблемы с хранением и транспортировкой: Водород имеет низкую плотность, что затрудняет его хранение и транспортировку. Для использования в ДВС водород обычно хранится под высоким давлением или в жидком состоянии при очень низких температурах. Это требует специальных резервуаров и технологий, что увеличивает стоимость и сложность системы.

3. Гибридные технологии: Некоторые компании разрабатывают гибридные системы, которые комбинируют водородные топливные элементы с традиционными ДВС. Это позволяет использовать преимущества обоих типов технологий: водородные топливные элементы обеспечивают высокую эффективность и низкие выбросы, а ДВС могут служить резервным источником энергии, что увеличивает автономность транспортного средства.

Запуск ДВС на водороде

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

С 2018 года в странах Европейского Союза введен запрет на использование дизельных автомобилей последнего поколения в городских районах. Это стало значительным шагом вперед для рынка электрических автомобилей, а также для гибридных и водородных технологий.

В Великобритании еще в 2017 году была озвучена инициатива о полном запрете бензиновых автомобилей к 2040 году. Согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, к этому времени доля электромобилей на рынке может достичь 35% от общего объема продаж автомобилей. К 2030 году компании Jaguar и Land Rover планируют, что все их модели будут электрическими, включая и те, которые работают на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Новое в производстве водорода для автомобильного двигателя

Как работает водородный двигатель?

На специализированных заправочных станциях топливный бак заполняется сжатым водородом. Этот водород затем попадает в топливный элемент, где расположена мембрана, разделяющая камеры с анодом и катодом. В первую камеру поступает водород, а во вторую — кислород, который берется из окружающего воздуха.

Каждый из электродов мембраны покрыт слоем катализатора, чаще всего из платины. Это приводит к тому, что водород начинает терять электроны — частицы с отрицательным зарядом. В то же время протоны — положительно заряженные частицы — проходят через мембрану к катоду. Здесь они соединяются с электронами, в результате чего образуются водяной пар и электрическая энергия.

По сути, это тот же электромобиль, но с другим типом аккумулятора. Вместимость водородного аккумулятора в десять раз превышает емкость литий-ионного. Заправка баллона с 5 кг водорода занимает около 3 минут, а этого количества хватает для преодоления расстояния до 500 км.

Где применяют водородное топливо?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологическая чистота. Водородный транспорт не производит углекислый газ, что делает его более чистым вариантом для окружающей среды;
• Высокая эффективность. КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) составляет примерно 35%, тогда как у водородного он достигает 45%. Это означает, что водородный автомобиль может проехать на 1 кг водорода на 2,5-3 раза больше расстояния, чем на эквивалентном по энергии и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Тихая работа двигателя;
• Быстрая заправка — особенно в сравнении с электромобилями;
• Снижение зависимости от углеводородных ресурсов. Водородные двигатели не требуют нефти, запасы которой ограничены и сосредоточены в нескольких странах. Это дает возможность нефтяным государствам устанавливать цены на рынке, что создает сложности для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В 2014 году в России был основан производитель водородных топливных ячеек — компания AT Energy. Она сосредоточилась на разработке аккумуляторных систем для дронов, включая военные модели. Именно ее технологии использовались в беспилотниках, которые осуществляли видеосъемку во время Олимпиады-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое предполагает постепенный переход стран на экологически чистые источники энергии.

Вскоре после этого «Газпром» и «Росатом» разработали совместную программу по развитию водородных технологий на ближайшие десять лет.

Ключевым фактором, который может дать России конкурентное преимущество на рынке водорода, являются обширные запасы пресной воды, образованные благодаря внутренним водоемам, тающим ледникам Арктики и снегам Сибири. Вблизи этих регионов уже функционирует добывающая инфраструктура таких компаний, как «Роснефть», «Газпром» и «Новатэк».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга объявили о запуске каршеринга на водородном топливе в сотрудничестве с Hyundai. Если проект окажется успешным, его планируется расширить на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Водородный транспорт — хорошая идея только в теории

Я хотел бы обратить внимание на концепцию электрических автомобилей, работающих на водородных топливных элементах (ТЭ). Эта идея вызывает большой интерес у многих людей. Как можно не быть заинтересованным? Водород, который используется в качестве топлива, является абсолютно «чистым», а в результате его сгорания образуется лишь вода или пар, без углекислого газа, оксидов азота и других вредных веществ. Водородный двигатель отличается тихой работой и компактными размерами. Он не является тепловым двигателем, что освобождает его от строгих ограничений, связанных с циклом Карно. Процесс заправки проходит быстро и не намного сложнее, чем заправка бензином.

Кроме того, если вы представляете нефтяную компанию и замечаете снижение спроса на бензин и дизель, то вы можете увидеть в водороде новое топливо для продажи! Это может стать настоящим спасением!

Если вы живете в частном доме и стремитесь сократить потребление энергии, вы можете подумать о производстве водорода из воды, используя электричество от солнечных панелей на крыше. Это позволит вам одновременно получить топливо для автомобиля и сохранить излишки энергии от солнечной генерации с помощью одной универсальной технологии. Звучит впечатляюще!

Однако, как и всегда, детали имеют значение, и они не так уж скрыты, если внимательно присмотреться.

В своей предыдущей статье я рассматривал эффективность энергетических циклов двигателей внутреннего сгорания и электрических автомобилей. Я буду ссылаться на результаты из этой статьи, когда буду обсуждать электрические автомобили на топливных элементах (fuel cell electric vehicle, FCEV). Я сделаю аналогичные предположения и использую похожие источники.

Важно отметить: я упоминаюсь в нескольких патентах компании Texaco, касающихся получения водорода из природного газа для подачи на протонообменную мембрану (ПОМ, ПЭМ) топливных элементов (в настоящее время патенты принадлежат Chevron, которая приобрела Texaco). Я занимаюсь темой водорода с институтских времен, и почти каждый второй проект, над которым я работал в компании Zeton, был связан с водородом или синтез-газом.

Тем не менее, я хочу подчеркнуть: водород — это замечательная идея — в теории. Однако основная проблема заключается в самой молекуле водорода. Никакие новые технологии или изобретения не смогут решить эту проблему.

Давайте подробно рассмотрим цепочку эффективности электрического транспорта на водородных топливных элементах, шаг за шагом, так же как мы это делали с двигателями внутреннего сгорания и электрическими автомобилями на аккумуляторах (battery electric vehicle, BEV).

Производство водорода

КПД самого производства водорода — примерно 70%, в лучшем случае, к сожалению. Я недавно [статья 2017 года — прим. перев.] разговаривал с Hydrogenics, большим производителем щелочных и ПЭМ-электролизеров. Эффективность их более дешевых щелочных электролизеров — примерно 60%, а эффективность ПЭМ-электролизеров — 70%, когда он работает на минимальном токе. (Вы можете делать гораздо больше водорода на этом же приборе просто увеличив ток, но жертвуя эффективностью.) Это достаточно близко к теоретическому пределу эффективности электролиза —

83%, которая получается, если поделить низшую теплоту сгорания (HTC) получаемого водорода на энергию затрачиваемую на электролиз. Мы не вернем эту потерю в топливном элементе потому что мы не используем теплоту конденсации водяного пара.

Большинство производителей электролизеров указывают КПД в расчете на высшую теплоту сгорания (ВТС), то есть включая теплоту конденсации пара. В этом случае 70% (НТС) КПД электролизеров превращаются в примерно 83% (ВТС).

Проблема электролиза в том, что часть энергии очевидно идет на создание молекул кислорода. Это может быть полезно в больших системах, которые могут собирать и сжимать чистый кислород (который затем можно продавать), либо если водород используется не как топливо, а как сырье в технологическом процессе, и этот процесс также использует кислород. К сожалению, водородная заправка не будет использовать кислород, она будет просто выпускать его в воздух.

Поэтому давайте остановимся на 70% (НТС) КПД конвертации электричества в водород, предположительно, электричества от возобновляемых источников (ВИЭ). Если совсем строго, мы еще должны учесть 6% потерь в электросети от источника электричества до электролизера.

70% КПД электролиза почти совпадает с наивысшей доступной на данный момент эффективностью технологии получения водорода из природного газа, парового риформинга (паровой конверсии) метана (steam methane reforming, SMR). Большие установки повышают эффективность, утилизируя теплоту продуктов процесса и сжигая побочные газы после очистки водорода.

Максимально чистый водород нужен, чтобы увеличить эффективность и долговечность топливных элементов. Они очень чувствительны к угарному газу, который уменьшает эффективность платинового катализатора в топливном элементе (то есть, является каталитическим ядом). К сожалению, невозможно конвертировать углеводороды в водород, не получив на выходе также какое-то количество угарного газа. Более того, сам катализатор может преобразовать углекислый газ в угарный газ, поэтому водородное топливо должно быть полностью очищено от обоих газов. Даже инертные газы, такие как аргон и азот, уменьшают эффективность ПЭМ-топливного элемента, потому что надо позаботиться об их выводе на аноде. Поэтому реальные топливные элементы требуют очень чистый водород: посмотрите на спецификации ПЭМ-топливных элементов производства Ballard, Plug Power, и других.

К сожалению, эффективность паровой конверсии метана стремительно падает с уменьшением установки. Тепловые потери увеличиваются, что имеет особенно большое значение в таком высокотемпературном процессе как паровая конверсия. Вы быстро обнаружите это когда попробуете спроектировать процесс для относительно небольшой водородной заправки.

Доставка природного газа по трубопроводам к установке по паровой конверсии в водород и последующая доставка водорода от централизованной установки к заправкам скорее всего будет стоить больше чем 6% от энергии конечного водорода, но давайте будем щедрыми и примем эти потери тоже за 6% чтобы делать меньше подсчетов (хотя, в конечном счете, это все равно будет неважно). Таким образом, вне зависимости от того, начинаем мы с электричества или с метана, мы приходим к 70%*94%

= 66% КПД производства водорода, без существенных возможностей для улучшения потому что мы уже близки к термодинамическим пределам.

Стоит отметить что КПД электролиза горячего пара может казаться очень высоким (даже выше 100%), например, при использовании твердооксидного топливного элемента в реверсе. Естественно, при этом не учитывается работа по испарению воды и нагреву пара. Никто не использует электролиз пара если у него нет а) источника «бесплатного» пара и б) процесса в котором используется горячий водород или горячий кислород или желательно оба газа. Кроме того, как всякие высокотемпературные устройства, паровые электролизеры «не любят» работать с перерывами, поэтому вам также нужен стабильный круглосуточный источник электричества, а возобновляемые источники — не стабильные.

Хранение водорода

Теперь нам необходимо решить задачу хранения водорода, и снова проблема заключается в самой молекуле. Несмотря на то, что водород обладает высокой плотностью энергии на единицу массы, даже в виде криогенной жидкости (при температуре 24 градуса выше абсолютного нуля) его плотность составляет всего 71 кг/м³. Поэтому наиболее практичным способом хранения водорода для небольших автомобилей на сегодняшний день является газ под высоким давлением. Все методы, направленные на увеличение объемной плотности хранения водорода или снижение давления (например, использование металлических гидридов, абсорбентов, органических носителей и т.д.), либо значительно увеличивают массу резервуара, либо приводят к потерям водорода во время хранения, либо требуют энергии для его извлечения. Я бы не стал надеяться на какой-либо чудесный прорыв в этой области: у нас было тридцать лет для исследований с тех пор, как водород начал рассматриваться как серьезное топливо.

Опасность водорода хорошо известна, и в данной статье не будет изображения дирижабля «Гинденбург». На самом деле, уже давно научились безопасно работать с водородом в промышленности, если соблюдать необходимые меры предосторожности. Однако я не хотел бы, чтобы мои соседи даже задумывались о производстве водорода под давлением 400 или 600 атмосфер с помощью домашних солнечных панелей. Это кажется мне крайне рискованной идеей по многим причинам.

Чтобы сжать водород с давления 20 атмосфер, полученного на установке по паровой конверсии метана, или с примерно атмосферного давления (на выходе из некоторых электролизеров) до 400 атмосфер, необходимо затратить энергию, обычно в виде электричества. К сожалению, мы вынуждены рассеивать тепло, возникающее при сжатии водорода, на достаточно низкой температуре, чтобы сохранить элементы компрессора, и поэтому это тепло трудно использовать. Более того, давление в баке на заправке может снизиться с 400 атмосфер только до 395 во время заправки одного автомобиля, что означает, что вся работа по сжатию выполняется при максимальном коэффициенте сжатия. Резервуар на заправке должен быть очень большим. В противном случае требования к заправляющему компрессору или ограничения по теплоотведению могут снизить скорость заправки, ведь мы помним, что скорость заправки — это одна из главных причин, по которой водород интересен как топливо для транспорта.

На крупномасштабном уровне, с использованием гигантских компрессорных установок, можно хранить водород под высоким давлением, теряя не более 10% от теплоты сгорания (НТС) хранимого водорода на работу компрессоров, что, на самом деле, довольно неплохо, учитывая вышеизложенное. (Стоит отметить, что политропный КПД самих компрессоров — это лишь небольшая часть этих потерь. Мы рассматриваем другую меру эффективности.) К сожалению, при уменьшении размеров компрессоров эффективность значительно снижается. Многоступенчатый диафрагменный компрессор для автомобиля может потреблять до половины энергии сжимаемого водорода или даже больше. При уменьшении масштаба также увеличиваются капитальные затраты на единицу энергии, проходящей через установку на протяжении ее жизненного цикла. К сожалению, транспортировка водорода на большие расстояния оказывается нереалистичной по той же причине, по которой его трудно хранить — из-за свойств молекулы. Все мечты о «водородной экономике» предполагают малые и распределенные системы производства водорода, чтобы избежать необходимости транспортировки водорода на большие расстояния, что оставляет нам только один реалистичный вариант: электролиз.

Таким образом, у нас остается 70% (производство) * 94% (потери в электросети или на работу трубопровода) * 90% (хранение под высоким давлением) = 59% КПД от исходной энергии до бака автомобиля. Для сравнения, для бензина этот показатель составляет 80%. Конечно, мы не будем использовать водород в неэффективном двигателе внутреннего сгорания в качестве замены бензину, особенно если водород был получен из углеводородов: нам было бы лучше просто сжигать эти углеводороды в ДВС напрямую.

Если нас беспокоят выбросы парниковых газов, производство водорода из метана точно не решает проблему. Мы бы лучше просто ездили на гибридных автомобилях. Электролиз с использованием электричества из возобновляемых источников — это единственный реальный вариант.

Топливный элемент с протонообменной мембраной

Печально, но мы все еще не закончили терять энергию — далее идут потери в топливном элементе. Хотя это и не тепловой двигатель, топливный элемент все равно имеет собственные термодинамические пределы. Топливные элементы достигают эффективности в 50–60%, и это недалеко от теоретического предела в 83% для идеального топливного элемента.

Давайте будем щедрыми и возьмем 60% как КПД топливного элемента. Реальные ТЭ которые можно купить имеют эффективность около 50% — лучше, чем у небольшого двигателя, примерно так же, как у судовых двигателей или стационарных скоростных двигателей, или у газовых турбин.

Вся цепочка, от источника энергии до колес

С учетом эффективности электрического инвертора и мотора, которая составляет 90%, общая эффективность «от электростанции до колес» — 94%*70%*90%*60%*90% = 32%. Напомню, что по показателю «от скважины до колес» Приус демонстрирует эффективность 30% на бензиновом топливе, что означает, что мы создали аналог Приуса, и это без вредных выбросов. И с возможностью быстрой заправки. Ура! Ура!

Мой самодельный электрический автомобиль, названный «E-Fire», имеет эффективность 76.5% и также не производит никаких выхлопов. [Источник этой оценки не совсем ясен: если автор учитывает аналогичные потери в инверторе, моторе и электросети, то его батарея должна иметь КПД 90%. — прим. перев.] Несмотря на небольшую емкость батареи, всего 18.5 кВтч, этого вполне достаточно для поездки на работу и обратно. Я уже проехал на этом автомобиле 20 тыс. км без выбросов парниковых газов, и мне никогда не приходилось ждать зарядки: я заряжаю его один раз ночью и еще раз утром на работе. Этот автомобиль не выполняет те функции, которые выполняет машина с ДВС, не пытается этого сделать и не должен этого делать.

Капитальные затраты на водородный стек

Таким образом, электромобили на топливных элементах (FCEV) в лучшем случае примерно в 2.4 раза хуже чем лучшая доступная сейчас альтернативная технология, электромобили на аккумуляторах (BEV). Взамен мы получаем более быструю заправку и, возможно, немного большую дальность хода на одной заправке, и это все. Не слишком ли высока цена за немного большее удобство? Хотя, подождите, мы ведь даже не начали говорить о цене.

Водород это очень дорогое топливо, с любой точки зрения.

В 2.4 раза худшая эффективность транспорта на топливных элементах означает что мы должны установить в 2.4 раза больше генерирующих мощностей из возобновляемых источников. Сам по себе этот факт должен заставить сторонников водорода задуматься.

Мы также должны построить инфраструктуру по распределению водорода. Вы не будете заправляться водородом дома, это слишком огнеопасно. Это значит что кто-то должен заняться этой инфраструктурой как бизнесом, но никто не захочет это делать потому что на этом не получится заработать.

Наконец, давайте посмотрим на сам электромобиль на ТЭ. В нем, конечно, должен быть бак для водорода и топливные элементы. А также все остальные части обычных электромобилей, включая аккумулятор! Аккумулятор будет меньше, ближе по размеру к аккумуляторам в гибридах, но он все равно нужен чтобы было куда девать энергию от рекуперативного торможения, чтобы управлять потребностями в системе топливных элементов чтобы уменьшить ее стоимость. Батарея также нужна во время старта и выключения топливных элементов. Таким образом, электромобиль на ТЭ — это гибрид.

В дополнение ко всему вышесказанному, сами топливные элементы по-прежнему очень дороги. Хотя цены однозначно снизятся с началом массового использования и производства, также как сейчас снижаются цены на литий-ионные аккумуляторы, металлы платиновой группы (МПГ), такие как платина и палладий, используемые в катализаторах топливных элементов, не позволят ценам упасть слишком сильно. Уменьшите долю МПГ, и топливные элементы станут еще более чувствительными к примесям в водороде, и, я подозреваю, эффективность упадет. Замените МПГ на более дешевые металлы, такие как никель, и большая часть преимуществ топливных элементов пропадет: они должны будут работать при более высоких температурах, и т. д.

Toyota Mirai, электромобиль на топливных элементах

Означает ли это, что водород — это мертвая идея для персональных электромобилей? Одним словом, на мой взгляд, ДА. Я полностью согласен с Илоном Маском в этом вопросе. Разве что, уточнив, что мы говорим не о мире в котором электричество ничего не стоит, или его цена даже становится отрицательной потому что генерация из возобновляемых источников становится такой дешевой что не требует вообще никаких денежных вложений. Но я готов поспорить, что а) этого никогда не произойдет, б) даже если мы приблизимся к этой странной экономической ситуации, капитальные затраты и другие практические проблемы с электролизерами, компрессорами, резервуарами для хранения и топливными элементами все равно полностью убьют идею.

Сравнение двух реальных автомобилей которые можно купить (по крайней мере, в Калифорнии) показывает, что мои оценки оптимистичны в пользу водорода. Для автомобилей с аналогичными характеристиками и дальностью хода, водородный автомобиль потребляет в 3.2 раза больше энергии и стоит в 5.4 раза больше в расчете на проеханный километр:

Конечно, обе технологии будут улучшены в будущем, но расчеты выше по тексту задают пределы. Невозможно преодолеть законы термодинамики неким хитрым изобретением или принимая желаемое за действительное.

Означает ли все это, что топливные элементы вообще не нужны? Вовсе нет! Существуют устоявшиеся области в которых ПЭМ-топливные элементы имеют смысл, но это лишь те ситуации, где энергоэффективность гораздо менее важна, чем, например, быстрая заправка. Таким образом, Plug Power находит свою нишу на рынке складских вилочных погрузчиков, особенно на охлаждаемых складах.

Вилочный погрузчик на топливных элементах

То же самое относится к так называемым «power to gas» (P2G) схемам. Это совсем другая модель: они используют «избыточную» возобновляемую электроэнергию для производства водорода, который затем под низким давлением подмешивается в газовую сеть, где в конечном итоге используется для производства тепла, часто в устройствах, которые в конечном итоге рекуперируют тепло конденсации водяного пара (продукта горения водорода). Как средство хранения электроэнергии схемы P2G настолько смехотворно неэффективны, что о них даже не стоит говорить, но зато они требуют лишь небольших капитальных вложений и сокращают выбросы парниковых газов, когда водород вытесняет метан. Это не так уж и плохо, если только вы не сделаете вывод, что однажды мы ПОЛНОСТЬЮ заменим природный газ водородом. Это будет очень глупо.

Другие применения водорода на транспорте

В настоящее время в некоторых транспортных средствах, таких как самолеты, поезда и суда, использование аккумуляторов либо невозможно, либо крайне ограничено. Основной вопрос в таких ситуациях заключается в том, насколько сильно нас беспокоят токсичные выбросы. Если это является нашим главным приоритетом, водород может стать единственным выходом. Однако, если мы больше озабочены парниковым эффектом, то биотопливо также может служить альтернативой водороду. [При сжигании биотоплива в атмосферу выделяется углекислый газ, но этот углерод был ранее поглощен растениями, поэтому общий баланс углерода в атмосфере не нарушается — прим. перев.] Для самолетов биотопливо, вероятно, является единственным практичным вариантом до тех пор, пока не будут разработаны более эффективные источники энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, например, перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы. Хотя полностью заменить бензин и дизель на биотопливо вряд ли удастся, даже если не учитывать экономические аспекты (подробности можно найти на сайте www.withouthotair.com), если мы сможем обеспечить 90% перевозок (в километрах или тоннокилометрах) электричеством, мы сможем производить достаточно биотоплива для покрытия оставшихся 10%, а также для других видов транспорта, где использование аккумуляторов невозможно. Намного важнее устранить токсичные выхлопы в городах, чем на трассах, в море или на высоте.

Явно, что применение водорода или электрохимических процессов для снижения выбросов CO2 с целью получения жидких углеводородов менее эффективно, чем использование самого водорода [это утверждение вызывает у меня недоумение — прим. перев.]. То же касается аммиака, который некоторые рассматривают как способ преодолеть недостатки водорода. Аммиак является ядовитым газом, и его производство также менее эффективно, чем у водорода. Мысль о заправке автомобилей аммиаком вызывает у меня ужас, учитывая количество несчастных случаев и смертей, связанных с его использованием в качестве хладагента и в сельском хозяйстве.

Так называемое «e-топливо» (e-fuel, power-to-liquid) на самом деле является производным от водородного топлива. Оно создается из углекислого газа, воды (продукта сгорания водорода) и электричества. При обратном термодинамическом процессе неизбежны потери энергии. Учитывая, что это топливо затем используется в неэффективных двигателях внутреннего сгорания, вся схема оказывается крайне неэффективной.

Е-топливо — это способ использовать еще больше излишков энергии в безуспешных попытках преобразовать водород в более удобное топливо. К сожалению, если мы не сможем производить достаточное количество биотоплива для тех видов транспорта, где аккумуляторы не применимы, нам, возможно, придется сначала использовать топливные элементы, и лишь в крайнем случае — е-топливо. И тогда мы будем горько сожалеть о его высокой стоимости.

Настоящее будущее «зеленого» водорода

Сейчас более 96% водорода производится из ископаемого топлива либо целенаправленно (паровая или автотермальная конверсия метана), либо как побочный продукт при производстве нефти. Мы должны научиться производить водород очень эффективно из возобновляемого электричества, но не тратить его как автомобильное топливо, а использовать при производстве удобрений: аммиака и мочевины. Нам придется избавиться от гигантской инфраструктуры по производству и доставке углеводородов.

Дисклеймер [от автора статьи, не переводчика]: все что я пишу в своих статьях — это мое личное мнение. Я пытаюсь всегда приводить ссылки на источники, когда могу. Скорее всего, в моих цифрах и рассуждениях есть ошибки. Я заранее извиняюсь за них. Если вы можете указать мне на них со ссылкой на хороший источник, я отвечу и исправлю текст. Мой работодатель, Zeton Inc., работает в совсем другой области, и не имеет ни интереса, ни даже позиции по поводу водорода. Мы проектируем и строим пилотные установки.

Вопрос-ответ

Может ли обычный двигатель работать на водороде?

Да. Водородные двигатели внутреннего сгорания (водородные ДВС) работают аналогично дизельным двигателям. Водород сжигается так же, как в традиционном двигателе внутреннего сгорания сжигается бензин или дизельное топливо.

В чем минус водородного двигателя?

Есть ли минусы? Опасность довольно большая состоит в том, что водород – один из самых легких газов, который в чистом виде без удержания просто улетит в верхние слои атмосферы. Поэтому его связывают в виде воды или метана, и уже внутри двигателя высвобождают.

Сколько можно проехать на 1 литре водорода?

Заправки водорода по 5-7 кг хватит для пробега в 500 км. Зачастую разработчики данных авто обещают расход водородного топлива по 1 л на 100 км пробега, но в реальной жизни это будет порядка 1,1-1,3 кг на 100 км или же 2,2-2,6 кг водорода на 200 км пути.

Как перевести авто на водород?

Чтобы заправить водородный автомобиль, воду подвергают электролизу. Получившийся водород затем сгорает в двигателе или окисляется до воды в топливном элементе. В итоге машина получает энергию от сгорания водорода, который получают за счет энергии из электросети.

Советы

СОВЕТ №1

Перед началом процесса перевода двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на водород, тщательно изучите технические характеристики вашего автомобиля и совместимость с водородным топливом. Не все двигатели могут быть легко адаптированы для работы на водороде, поэтому важно понимать, какие изменения потребуются.

СОВЕТ №2

Обратитесь к специалистам или компаниям, которые уже имеют опыт в конверсии ДВС на водород. Они могут предоставить ценные советы и помочь избежать распространенных ошибок, а также предложить готовые решения и компоненты для вашего проекта.

СОВЕТ №3

Убедитесь, что у вас есть доступ к необходимой инфраструктуре для заправки водородом. Водородные станции не так распространены, как бензиновые или дизельные, поэтому заранее узнайте, где вы сможете заправлять свой автомобиль после конверсии.

СОВЕТ №4

Не забывайте о безопасности. Работа с водородом требует особого внимания к вопросам безопасности, так как это газ с высокой воспламеняемостью. Убедитесь, что все компоненты системы водородного питания установлены правильно и соответствуют стандартам безопасности.