Автомобиль с водородным двигателем характеристики

Водородные автомобили

Эффективное, но дорогое топливо

Публика уже привыкла к борьбе за популярность гибридов, машин с ДВС или электрокаров. Последние пока что занимают самую выгодную позицию, а может ли появиться еще кто-то эффективнее и экологичнее? Тогда стоит вспомнить о транспорте на водородном топливе. Такие машины очень похожи на электрические авто отсутствием вредных выхлопов, однако главное достоинство в заправке — для наполнения баллона водородом до отказа нужно около 10 минут, а хватит горючего на дистанцию в 500 км. Кажется, намного выгоднее, чем электромобиль, однако так ли это на самом деле?

История водородных автомобилей

Еще в 1990-х годах производители углубились в разработку транспортных средств, которые передвигаются на топливных элементах. Основная причина поиска альтернативного горючего — введение новых стандартов выбросов CO2 и энергетический кризис. Единственные экологически чистые автомобили того времени — электрокары, имели несколько ограничений: длительная зарядка аккумулятора, небольшой запас хода, дорогостоящие комплектующие. В итоге компании начали искать другой способ привести машину в действие.

В качестве основного топливного элемента выбрали водород. Химические свойства, экологичность и распространенность в окружающей среде подтолкнули инженеров к мысли, что работа с этим веществом может принести доход и внушительные перспективы. Водородные машины должны были проезжать такие же дистанции, как и бензиновые аналоги, с той же мощностью и скоростью. Однако основная сложность была в другом — как изготовить необходимый двигатель и направить энергию топливного элемента в правильное русло?

Оказывается, первый ДВС на водороде был придуман еще в позапрошлом веке. Большинство экспертов склоняются к исследованиям французского естествоиспытателя Франсуа де Риваз, который в начале XIX века получал водород электролизом воды. В современном мире крупные производители почти одновременно выпустили водородные автомобили с похожей базовой технической “начинкой”.

Принцип работы автомобилей на водородных элементах

Механизм работы и типы моторов очень похожи на деятельность электромобилей, но главное отличие в способе создания энергии. Машины на топливных элементах тоже используют электричество для движения, но получают его не от заряда розеткой. Энергия вырабатывается в процессе физико-химических реакций, которые происходят в самом агрегате. Принцип работы состоит в следующем:

• автомобиль заправляется водородом, который контактирует с кислородом и катализатором. В результате вырабатывается электрический ток, который насыщает энергией двигатель и батарею.

Подобный транспорт заправляют на специальных станциях, которые самостоятельно вырабатывают водород с помощью электролиза воды. Обслуживание автомобиля означает замену водородных элементов, которые исчерпали свой ресурс. Обычно заменяют катализаторную мембрану, которая помогает вырабатывать электричество.

Преимущества использования автомобилей на водородном двигателе

• Расширение продукции. Разработка и производство прототипа может обойтись в 1 млн долларов. Если создавать концепт для автовыставки, то такое транспортное средство не обязательно должно ездить. Для крупных автомобильных концернов эта сумма небольшая, но какой может быть результат. Вполне возможно, что через пару лет водородные технологии будут на высоте.

• Неисчерпаемость. Мировой океан содержит 1,2×1013 тонн водорода, при этом суммарная масса элемента — 1% от общей массы планеты. Однако самое главное достоинство водорода в том, что при сгорании он превращается в воду. Происходит круговорот веществ в природе.

• Экологичность. Когда водород используется в качестве топлива, то не происходит парниковый эффект (в результате выделяется вода). Водород быстро улетучивается и не создает никаких застойных зон.

• Безопасность. Весовая теплотворная способность элемента в 2,8 раза выше, чем у бензина. А это значит, что водород воспламеняется в 15 раз меньше, чем углеводородное горючее.

Недостатки владения водородными автомобилями

Рассмотреть минусы транспорта на топливных элементах можно на примере первого массового водородного авто Toyota Mirai. Как оказалось, у машин подобной модификации, есть и темная сторона.

• Стоимость. Сегодня японский автомобиль на водороде продается почти за 70 000$ в среднем, а это цена базовой версии Tesla Model S в США. Toyota Mirai дороже Chevrolet Volt или Toyota Prius в 2-3 раза. При этом компания еще и теряет доход, поскольку инсайд-информация указывает на реальную стоимость автомобиля в 100 000$. Еще один водородный автомобиль Hyundai Tucson (iX35) Fuel Cell вышел совсем недавно лимитированной серией. Модель оценили в 144 000$.

• Заправка. Сегодня 1 кг водорода стоит почти 8$, а если брать расход 1-1,3 кг на дистанцию в 100 км, то стоимость поездки можно сравнить с движением на бензиновом автомобиле. Гибридный или дизельный агрегат будет даже выгоднее. В это время на 100 км на электромобиле можно потратить меньше 2$. При этом водород труднодоступен. Даже в мегаполисах не так легко найти подходящую заправочную станцию. Все потому, что этот бизнес и не очень выгодный. Для строительства небольшой водородной АЗС необходимо почти 300 000$, а для станции среднего размера — 2 000 000$. Небольшая заправка может заправить за сутки около 30 машин, а на большая почти 250 агрегатов. Это небольшие цифры при затратах на содержание подобных станций. Еще существуют и крупные АЗС, но они могут обойтись в 10 000 000$. Такие предприятия строятся рядом с заводами по выработке водорода, или же на станции должно быть большое хранилище. Все это сложное и дорогое строительство.

• Габариты и вес. Модель на топливных элементах Toyota Mirai имеют длину 4900 мм и вес в 1850 кг, вместимость до 4 пассажиров и багажное отделение в 361 л. Параметры указывают на то, что водородное авто тяжелое и не особо просторное. Лишний вес образуется из-за сложной конструкции: топливные ячейки, электрический преобразователь и дополнительный аккумулятор. Небольшой салон получается из-за массивных баллонов для водорода. Ситуация с электромобилем немного легче — хотя и присутствует крупная АКБ, зато конструкция проще.

Каковы будущие перспективы FCEV?

Идея использовать двигатели на топливных элементах потихоньку развивается не только в умах производителей, но и на деле. Особенно радужные перспективы применения водородных моторов для общественного транспорта. В Германии ездят сотни городских и туристических автобусов на водороде. В 2017 году был анонсирован выпуск первого поезда на водородном топливе, который сможет заменить дизельные составы.

Однако многие эксперты считают, что когда будет придуман способ быстрой зарядки электромобиля, то водородные машины могут отойти на второй, или даже третий план. Все дело в том, что решение всех проблем, связанных с транспортом на водороде займет намного больше времени, чем строительство сверхбыстрых станций. Первая такая “заправочная” станция появилась в США в 2017 году, а в 2018 году несколько предприятий должны открыться в Европе. Но пока станции для электрокаров не так быстро распространяются, водородные автомобили набирают популярность.

Toyota Mirai — автомобиль с водородным двигателем

Автор статьи: AutoKontact.ru

дата: 19.03.2021

Водород давно считается топливом будущего. Настолько долго, что уже можно было потерять надежду, что это действительно произойдет. В конце концов, мы дожили до этого. Пора сесть за руль и посчитать, окупится ли это решение.

Toyota Mirai (2021) — первая поездка, мнение

Автомобилестроение с двигателями внутреннего сгорания неизбежно приближается к своему концу. Все больше и больше стран объявляют, что в 2030 году они прекратят продажу автомобилей, выбрасывающих CO2 из выхлопной трубы. Сами производители также идут по их стопам и заявляют, что к тому времени откажутся от таких моторов.

Что остается взамен? На данный момент электрический привод является наиболее распространенным, но проблемы, связанные с ним, также хорошо известны. Неудобной проблемой является эксплуатация природных ресурсов, связанная со строительством экологически опасных аккумуляторов. С другой стороны, зарядка таких автомобилей создает целый ряд проблем. От способов получения энергии для этой цели, через не очень привлекательные эксплуатационные расходы, до долгих часов ожидания под зарядным устройством. Как я недавно выяснил, это также включает время ожидания освобождения места водителем, припарковавшим автомобиль внутреннего сгорания.

Вот почему многие люди возлагают надежды на водород. Продюсеры давно за ним наблюдают. Toyota занимается этим звеном практически так же долго, как и гибридами — почти 30 лет. Однако, хотя гибриды довольно быстро были приняты и сегодня являются основой продаж этого японского концерна, водород не может этим похвастаться.

Водород вместо электричества: одни проблемы заменены другими

Это не вина Тойоты. Водородный двигатель также имеет свои проблемы, с которыми все еще не может полностью справиться. Конечно, самыми большими являются затраты, которые ограничивают как ценовую конкурентоспособность самих автомобилей, так и развитие инфраструктуры. Для водородного топлива всю цепочку распределения необходимо разрабатывать с нуля. Это непросто, потому что даже при высоком давлении газообразный водород все равно занимает в 10 раз больше места, чем бензин, и становится жидким только при температуре -240 °C.

Остается еще одна загвоздка: при контакте с воздухом он может взорваться. Это уже случалось однажды на водородной станции в Норвегии (в инциденте никто не пострадал). Следовательно, вокруг водорода должна быть усилена защита. Шланг подключается к автомобилю с помощью сплошного клапана. Топливо в машину на станции доставляется из буферной цистерны меньшего размера. Ее заправка перед подключением следующей машины занимает около 20 минут.

Сами водородные баки также являются бронированными конструкциями из углеродного волокна и других композитов, которые могут выдерживать даже огонь из легкого оружия. Ведь водородный автомобиль — это не бомба на колесах. Даже если такой резервуар откроется, водород вытечет наружу в виде тонкого голубого пламени.

Вопрос экологии

На данный момент экология стоит перед самой серьезной проблемой. Это топливо можно производить экологически нейтральным способом. В настоящее время самым дешевым и популярным методом является паровой риформинг метана и других газов, сопровождающих сырую нефть. Таким образом, водород также будет получен на нефтеперерабатывающем заводе, откуда он будет поставляться на станции.

Значит, на данный момент топливо не совсем «зеленое», но это не означает, что оно не станет таковым в будущем. Тогда в промышленных масштабах будут использоваться другие методы производства водорода. Как показывает опыт последних лет, уже можно предположить, что цена на это топливо упадет, а цена на неэтилированный бензин, сырую нефть и СУГ — повысится.

Еще несколько лет назад водород стоил около десятка евро за килограмм на станциях в Германии, а сейчас его цена ниже 10 евро / кг. К 2030 году ожидается снижение до 4,5 евро. Таким образом, вождение Mirai в настоящее время связано с расходами около 400 руб. на 100 км. Столько же, сколько бензиновый автомобиль, который потребляет около 8 л /100 км. Через несколько лет водород будет в гораздо лучшем положении.

Так что, если водород — это топливо будущего, в конце концов, мы, вероятно, уже знаем, насколько далекого будущее. В Европе уже ведется строительство водородных заправочных станций, первая из которых заработает в конце апреля — мае этого года. К концу 2022 года в крупнейших городах планируется построить по 11 таких точек, а к концу 2025 года — до 32 станции.

Следом за станциями выезжают и первые Toyota Mirai. Импортеры уже собрали несколько десятков заказов на эту модель и сообщают, что до конца года будет продано несколько сотен. Это неожиданно хороший результат, который, вероятно, также связан с агрессивной ценовой политикой Toyota.

Пока у меня был короткий, полудневный контакт с этой машиной, и я проехал около 200 км по дорогам Мазовии. Однако, как я выяснил, по сравнению с вышеупомянутыми моделями Hydrogen Toyota в некоторых отношениях дает больше, но и меньше, чем ее собратья по электричеству или старомодному бензину.

Это было почти как Toyota Prius и почти как Lexus LS

Сразу можно сказать наверняка — за эти деньги вы получите машину, которая выглядит стоящей этих денег. Действительно, я не знаю, почему производители часто используют космические и зачастую противоречивые формы автомобилей с альтернативными источниками питания. То же самое и с Toyota Mirai первого поколения, которая выглядела как психоделический родственник Prius. Кстати, под ней было много Приуса.

Новое поколение — это совершенно другая машина. Она больше похожа на Lexus LS, потому что на самом деле это должна была быть модель этой марки. Под этим значком она разрабатывалась долгое время. Только на поздней стадии японцы решили изменить логотип и сделать новую Toyota Mirai на основе этого дизайна. На этот раз шасси было взято от седана LS 500h. Вместе с ним переняли его подвеску и задний привод.

Хоть штампов Lexus в салоне и не встретишь, но и здесь чувствуется атмосфера автомобилей этой марки. Качество материалов может еще не соответствовать высшему классу, но это очень хорошо для Toyota и играет в совершенно другой лиге, чем другие автомобили с таким же экспериментальным характером. Здесь нет никаких компромиссов: качество складывания не уступает лучшим популярным автомобилям на рынке. По удобству использования, эргономике и мультимедиа это полноценная модель Toyota.

Тот факт, что это не обычный двигатель внутреннего сгорания, обнаруживает две вещи внутри. Первое — это, к сожалению, удручающе маленькое пространство для 5-метрового седана. Задним пассажирам особенно тесно, да и багажное отделение не слишком велико. Последнее имеет объем менее 273 л. Это меньше, чем у Toyota Yaris. Это может быть связано с тем, что Mirai был построен на основе более короткого Lexus LS, который в конечном итоге не пошел в производство.

Это самый большой недостаток, который я заметил у водородных автомобилей. Топливо в виде сжатого газа (70 мегапаскалей) по-прежнему занимает много места. Mirai может вместить в общей сложности 5,6 кг водорода в трех баках, которые установлены в центральном туннеле, под задним сиденьем и под багажным отделением. Они могут весить меньше аккумуляторов электромобилей, но их сложнее поместить в машину, и в конечном итоге Mirai не участвует в соревнованиях в полулегком весе. Достаточно добавить несколько вариантов, и вес превысит 2 тонны.

Водородный привод Mirai — как он работает на практике?

Вторая аномалия — это кнопка на приборной панели с надписью H20. Mirai работает на основе процесса обратного электролиза, который является не единственным способом использования водорода в автомобилях, но на данный момент он используется по умолчанию.

Автомобиль с водородными элементами (FCEV) работает по следующему принципу. Водород из баков поступает в ячейки, которые занимают место под капотом вместо традиционного двигателя. Конструктивно они просты: состоят из положительного и отрицательного электродов, разделенных полимерной мембраной. Электроды притягивают молекулы водорода, но мембрана пропускает только протоны. Электроны должны «путешествовать», что порождает электрический ток.

Далее, это как в обычном гибриде (до 80 процентов всей системы привода происходит от гибридов Toyota). Генерируемый ток может поступать на электродвигатель, установленный на задней оси, или на небольшую батарею Prius,. Здесь она только образует своего рода буфер, заполненный в основном энергией, рекуперированной при торможении.

Остаток процесса обратного электролиза — это вода. Mirai производит ее довольно много (7 л / 100 км). Он выделяет ее в виде пара или конденсата. Таким образом, автомобиль «помечает местность» после завершения поездки или после нажатия кнопки. Вода из машины теплая и теоретически ее можно пить, но только в небольших количествах, потому что она дистиллированная.

Все это звучит как описание того, как работает автомобиль Jetson, но на практике опыт вождения водородного автомобиля вполне обычен. Спокойно. Может, даже слишком тихо.

Однако вождение автомобиля будущего не такое вялое из-за того, что, как и положено электродвигателю, есть еще и большой запас ньютон-метров под ногой (ровно 300 Нм), доступный с самого момента. запуска и доставлены практически без задержек. При разгоне за 9 секунд до 100 км / ч Toyota Mirai точно нельзя назвать спортивным автомобилем, что, однако, не означает, что его не приятно водить.

Внутри тихо, как в электромобиле и неслучайно изоляция от внешнего мира достойна Lexus. Может быть, запас хода чуть больше, потому что после выхода на скоростную трассу обещанные производителем 650 км уменьшились примерно до 400 км. Как раз вовремя, чтобы переехать с одной заправки на другую.

Однако, если уже есть клиенты, которые готовы пойти на жертвы (и расходы), связанные с электромобилями, то их следует еще больше убедить в водородном приводе. Если это будущее, то опыт Toyota Mirai показывает, что это будущее, которого можно ждать с любопытством.

Перспективы использования водородного двигателя

Последний энергетический кризис прокатился по миру в далеком 2008 году, и может показаться, что проблем с количеством нефти уже не возникает: нормы выработки становятся больше, а цена – ниже. Но несмотря на это, никто не может отрицать того, что запасы топлива на планете уменьшаются. Автомобильные концерны оплачивают исследования и разработки альтернативных видов топлива. Двигатель Риваза, работающий на воде, появился еще в начале XIX века. Изобретение было представлено в 1806 году и являлось первым двигателем внутреннего сгорания, обогнав бензиновые и газовые двигатели. Разработчики долгое время пытались продолжить разработку в этом направлении, но для того, чтобы провести электролиз и получить необходимое количество энергии требовалось много электричества, что делало такой вид топлива нерентабельным. В конце концов, это в сочетании с взрывоопасностью и поставило точку на исследованиях.

Возврат к водороду произошел в конце 50-х гг. прошлого века: топливный элемент был установлен на тракторы в США. Через три года – в 1962 году – водородный двигатель появился в маленьких автомобилях для гольфа, еще через пять – в мотоциклах. Водород в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) может использоваться в двух вариантах: как гибридный двигатель и как топливный элемент.

Гибридный водородный двигатель

Гибридный водородный двигатель используется в качестве присадки в двигателях внутреннего сгорания к бензину или газу. При использовании водорода улучшается воспламеняемость топлива, но из-за высокой степени летучести газа повышается риск воспламенения. Но несмотря на этот недостаток, уменьшается коррозия металлов и вибрация. Для применения водорода нет необходимости в устройстве дополнительного топливного бака, водород вырабатывается из дистиллированной воды. При использовании водорода расстояние, которое можно проехать, увеличивается на 30 процентов. Безопасное использование газа возможно при низких температурах до -30⁰С и при относительно высоких до +30⁰С.

Топливный элемент

Двигатели с топливным элементом самостоятельно производят электроэнергию путем расщепления водорода на отрицательные электроны и положительные протоны. Использование таких двигателей приносит пользу при больших объемах, поэтому чаще всего применяются в большегрузах. На данный момент в Дании, США и Японии тестируют железнодорожные составы, которые работают на двигателях с топливным элементом. Это перспективный путь развития альтернативного топлива, потому что расход водорода меньше расхода бензина на единицу расстояния.

Еще одним направлением для разработки таких двигателей является авиация. В самолете ТУ-154 как раз таки и использовался такой топливный элемент, конечно же, после распада СССР все разработки в этом направлении были заморожены. Тем не менее над проектом пассажирского самолета, который будет работать на водороде, работают ученые Европейского Союза и Китая. Для того чтобы двигатель мог работать, такой самолет должен развить гиперскорость, что будет возможно сделать только при наличии дополнительного двигателя. Преимущества ДВС на водороде связаны с его воздействием на окружающую среду и высоким КПД.

Высокий уровень экологичности

Конечно, невысокая степень загрязнения присутствует, но из-за наличия в механизме автомобиля масла. Даже при добавлении водорода в обычное топливо производительность повышается на 20%. На 5 кг водородного топлива автомобиль проезжает до 500 км. Ученые считают водород единственным возобновляемым источником энергии.

При его неоспоримых преимуществах на сегодняшний день недостатков намного больше, которые в основном связаны с конструктивом двигателя:

• Летучесть водорода. Заправить автомобиль с ДВС на водороде возможно только на заправке. Дозаправиться от другого автомобиля или из канистры по дороге не получится.
• Взрывоопасность и пожароопасность. Всем известна катастрофа дирижабля «Гинденбург», который от одной искры загорелся в полете: из 97 человек, находящихся на борту, погибла треть.
• Высокая стоимость топливных элементов и водородного двигателя, что, в свою очередь, увеличивает стоимость автомобиля. Аналог с водородным двигателем стоит в два раза дороже. Автомобиль на базе водородного двигателя обслуживать в 100 раз дороже, чем обычный двигатель.
• Водородный двигатель занимает большой объем. В грузовиках и автобусах это не создает никаких неудобств, но в легковых автомобилях уменьшается объем багажного отделения.

Водородный двигатель – это не фантастика. Например, Honda, Toyota и Hyndai наладили линию по производству автомобилей с двигателями на базе водорода и плотно оккупировали рынок: Toyota Mirai (2015), Honda FCX Clarity (2008), Hyundai ix35 Fuel Cell. В середине декабря прошлого года Audi объявило о своем решении выпустить новый концепт на водороде – Q6 H-Tron.

Несмотря на все недостатки, водород – это единственный возобновляемый и неограниченный ресурс на планете. Для того чтобы автомобили с таким ДВС получили широкое распространение, ученым и разработчикам надо будет решить, как устранить негативные характеристики и уменьшить стоимость механизма, а государствам наладить инфраструктуру, чтобы машины на водороде перестали быть редкостью на дорогах.

Водородный двигатель

Водородный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания , используя водород в качестве топлива . Иногда этот термин неправильно используется для обозначения узла, состоящего из топливного элемента и электродвигателя .

Водород , полученный на сегодняшний день почти исключительно получают из углеводородов ( метан парового риформинга ), но она также может исходить от электролиза воды ; тогда это сопровождается либо значительными выбросами углекислого газа, либо значительным потреблением электроэнергии из-за низкой выработки энергии.

Резюме

• 1 рассказ
• 2 Работа водородного двигателя
  • 2.1 Принцип
  • 2.2 Двигатель внутреннего сгорания
  • 2.3 Топливный элемент
  • 2.4 Смешанный двигатель
• 3 Техническая подготовка
  • 3.1 Производство топлива
  • 3.2 Хранение топлива
• 4 Достоинства и недостатки системы
  • 4.1 Преимущества
  • 4.2 Недостатки
• 5 Экологический аспект
• 6 Примечания и ссылки
• 7 См. Также
  • 7.1 Библиография
  • 7.2 Статьи по теме

История

В своем патенте 1799 года Филипп Лебон предсказал, что его «водородный газ» ( древесный газ , который, как мы можем предположить, содержал не менее 50% дигидрогена ) будет «силой, применимой ко всем видам машин». Угольный газ , изобретенный William Murdoch в то же время, называют «газ углерод-водород» и « газовое освещение » ( «газовый свет» или городской газ и изготовлен газ ) и содержит 50% дигидрофосфат , 32% метана , 8% окись углерода . Некоторые водяные газы, предназначенные для освещения, будут содержать до 94% дигидрогена (см. Газовый завод Нарбонна ).

С 1804 года Франсуа Исаак де Риваз построил первые газовые двигатели на угольном газе . Он был вдохновлен работой пистолета Вольта на создание первого двигателя внутреннего сгорания, на который он получил патент. 30 января 1807 г. .

В 1859 году Этьен Ленуар подал «патент на двигатель с газовым и воздушным расширением», двухтактный двигатель внутреннего сгорания, работающий на угольном газе.

Освещение газа до сих пор используется в двигателе газа по Николаус Отто в 1867. Основные производители автомобилей, Deutz AG , Daimler AG , Mercedes-Benz и BMW , обязаны новаций газового двигателя привезенных им и когда Gasmotoren-Fabrik Компания Deutz AG была основана Отто в 1872 году.

В 1970 году Пол Дигес патентует модификацию двигателей внутреннего сгорания, которая позволяет потреблять водород. В патенте четко указано, что целью изобретения является создание экологически чистого топлива, в отличие от углеводородов.

В 1979 году француз Жан-Люк Перье , профессор механики в Анже, проектирует и производит водородный автомобиль, газ вырабатывается на солнечной электростанции, созданной им самим.

С 1980 года японский производитель автомобилей Mazda работал над применением водорода в роторных двигателях (двигатель Ванкеля ), а в 1991 году представил концепцию роторного водородного двигателя на Токийском автосалоне . В 2006 году Mazda арендовала автомобили Hydrogen RE у правительственных учреждений Японии.

BMW Hydrogen 7 , первый представил в Лос — Анджелесе автосалоне в ноябре 2006 года, станет первым серийным автомобилем , работающих на водороде.

В 2013 году на трассе Нюрбургринг ездил гибрид Aston Martin , который работал на сжатом водороде, бензине или их смеси.

Работа водородного двигателя

Принцип

В водородном двигателе используется принцип сгорания дигидрогена (H ₂ ) и дикислорода (O ₂ ) оставить в виде продуктов воду (H ₂ O ) и энергии.

Двигатель внутреннего сгорания

Водородные двигатели могут быть двух разных конструкций: либо они работают как обычный двигатель внутреннего сгорания, подключенный к резервуару, либо у них есть электродвигатель, подключенный к топливному элементу .

Во всех случаях химическая реакция выглядит следующим образом:

2 Н ₂ + О ₂ → 2 Н ₂ О Количество энергии Q высвобождается во время этой реакции.

Приложения могут быть стационарными или бортовыми (транспортные средства). Если водород чистый, связанный с кислородом, взятым из воздуха, при его сгорании выделяется только вода. Теоретически, если водород производится , кроме того, из экологически чистого источника энергии , его процесс не выделяет загрязняющих веществ .

Классический поршневой двигатель плохо подходит для сжигания чистого водорода. Низкая плотность водородно-воздушной смеси требует впускных каналов и клапанов большого диаметра, а синусоидальный ход поршня создает слишком длинный пик давления в верхней мертвой точке, чтобы обеспечить детонацию [ см. желаемый] . С ним лучше справляются альтернативы, такие как квазитурбинный двигатель или двигатель Ванкеля (например, Mazda RX-8 , бензин, и его двойной прототип, Mazda RX-8 Hydrogen RE , водород). Кроме того, состав топлива может быть адаптирован к углеводородным двигателям путем добавления присадок к дигидрогену (см. Раздел « Комбинированный двигатель» ).

В авиации использование водорода в качестве топлива, возможно, возобновляемого происхождения, рассматривается производителями в долгосрочной перспективе, заменяя керосин .

Топливная ячейка

Топливный элемент производит электричество и не механическое движение, термин «двигатель водорода», таким образом , узурпировал. То, что обычно называют «водородным двигателем», на самом деле представляет собой узел, состоящий из топливного элемента и электродвигателя . Кроме того, водород — не единственное соединение, подходящее для использования в топливном элементе, хотя их часто комбинируют.

Смешанный двигатель

Доказано, что добавление дигидрогена к углеводородам, обычно используемым в качестве топлива, является эффективным. Однако ни одна система не способна производить водород на месте при повышении эффективности двигателя. Таким образом, этот тип двигателя не решает проблем, связанных с хранением водорода в транспортном средстве, поскольку он также требует резервуара с водородом.

Техническое образование

Продуктивное использование водородного двигателя сталкивается с проблемой хранения топлива и его производства .

Производство топлива

Производство водорода — это выделение химического соединения, которое затем превращается в водород H ₂ . Он будет осуществляться в 2020 году на 95% из углеводородов и частично за счет электролиза воды , этот второй процесс потенциально более экологичен (в зависимости от источника потребляемой электроэнергии), но более дорогостоящий, поскольку потребляет энергию.

Хранение топлива

В конце 2010-х годов были предусмотрены три основных способа хранения водорода на борту транспортного средства:

• хранение сжатого газа (на разных уровнях давления);
• хранение жидкостей ( криогенная техника , применяемая в космической отрасли);
• молекулярные накопители («водородные губки»).

Преимущества и недостатки системы

Преимущества

Хотя производство водорода либо сильно загрязняет окружающую среду ( паровой риформинг метана ), либо очень энергоемко (если электролиз воды не сопровождается рекуперацией тепла), сами двигатели на чистом водороде не выбрасывают только воду. Это окончательное загрязнение, локально почти нулевое, могло бы, в частности, позволить уменьшить загрязнение воздуха в городских районах . На практике связанное с этим загрязнение «делокализовано» на объектах производства водорода .

Недостатки

Дигидроген можно производить из другого источника энергии . Если мы обратимся к паровому риформингу метана , который является в значительной степени преобладающим процессом, водородные двигатели оказываются менее экологичными, чем дизельные двигатели, поскольку в процессе выделяется некоторое количество двуокиси углерода , основного парникового газа . С другой стороны, процесс электролиза воды имеет более значительный углеродный след , но требует большого количества электроэнергии и по-прежнему страдает низкой эффективностью (40%), что делает электромобиль более прибыльным.

С точки зрения безопасности водород воспламеняется и взрывоопасен, как бензин при контакте с кислородом. Этот риск увеличивается из-за трудностей с хранением и из-за неплотной природы молекулы, которая выходит через уплотнения и материалы.

Хранение водорода в транспортных средствах также представляет собой проблему. В виде слегка сжатого газа он занимал бы слишком много места для перевозки на борту; в виде очень сжатого газа резко возрастает риск самовоспламенения , что затрудняет управление горением. Методы абсорбции (удержание в химических соединениях) или адсорбции (присоединение к молекуле носителя) еще не разработаны, несмотря на прогресс, и все еще дороги.

Транспортировка водорода по тем же причинам в два раза дороже, чем транспортировка природного газа, так что 80% стоимости насоса приходится на хранение, транспортировку и распределение. Из-за этих трудностей и рисков строительство заправочных станций обходится дороже, чем их углеводородные или электрические эквиваленты.

Экологический аспект

Водородный двигатель, который часто неправильно называют « водяным двигателем », обычно представляют как выделяющий меньше парниковых газов, чем углеводородный двигатель, поскольку он выделяет только водяной пар . Однако водородный двигатель в конечном итоге менее загрязняет окружающую среду только при условии, что процесс производства водорода , его направление и работа самого двигателя выделяют меньше CO _2. чем обычные бензиновые каналы. Обычно это не так, производство водорода на 95% осуществляется из углеводородов . Производство воды электролизом в настоящее время очень невелико, в частности, из-за низкого выхода (см. Выше ) и, следовательно, из-за его стоимости; если бы это произошло, как предполагают некоторые исследования, оно могло бы работать на безуглеродной электроэнергии, такой как гидравлическая, ядерная, геотермальная, ветровая или солнечная, или даже компенсировать непостоянство возобновляемых источников энергии , сохраняя их избыточное производство.