Актуальность вопроса о замене нефтепродуктов более рентабельным и с каждым днём только прогрессирует. Сегодня лучшие умы планеты стараются его решить. И многое уже сделано. Лидирующей альтернативой потребителям нефти является водородный двигатель.
Что такое водород, как использовать
При всестороннем рассмотрении водород наиболее соответствует сегодняшним пожеланиям к дающим энергию источникам. Не загрязняет окружающую среду и практически бесконечен, если получать его из обычной воды.
Есть уже и автомобили, работающие на таком летучем веществе, как водород. Понятно, что до массового перехода на этот ещё далеко. Но тем не менее всё к тому идёт.
В основе используется реакция распада молекул воды на кислородные и водородные атомы. На сегодня применение этой реакции развивается по двум направлениям:
- использующие в своей работе водород ;
- водородные топливные элементы, питающие электродвигатель.
Рассмотрим каждое из них отдельно.
Водородные двигатели внутреннего сгорания
Здесь несколько нюансов. Внушительный нагрев и сжатие заставляют газ реагировать с металлическими составляющими агрегата и . А при утечке, контактируя с раскалённым выпускным коллектором, конечно, он воспламеняется. Учитывая это, нужно использовать моторы роторные, у которых выпускной коллектор на приличном расстоянии от впускного. Что снижает вероятность воспламенения.
Также требует некоторых изменений. И агрегат на водороде с внутренним сгоранием уступает по КПД электродвигателю на водородных элементах. Но всё это уже разрабатывается достаточно долго, поэтому не далёк тот день.
Вот пример - BMW 750hL, автомобиль с водородным двигателем. Сошедший с ленты конвейерной маленьким тиражом. Под капотом двигатель на двенадцать цилиндров. Топливом ему служит замес из кислорода и водорода, по составу идентичный ракетному горючему. Машина может набрать максимум 140 км/ч. Газовое ассорти, сжиженно-охлаждённое, содержится в добавочном баке. Его объёма достаточно для покрытия трёхсот километров, а если по пути смесь закончилась, мотор начинает потреблять из основного бака автоматом. Стоимость авто не превышает цен на машины такой же категории, но с карбюраторным движком - порядка 90 тыс. $.
Агрегаты, работающие от водородных батарей
Здесь принцип работы водородного двигателя - электролиз. Тот же, что у свинцовых . Только КПД составляет 45%.
Через мембрану такой «батарейки» пройти могут только протоны. Электроды разных полюсов разделены этой мембраной. К аноду подаётся водород, на катод - кислород. Катализатор, покрывающий их (это платина), заставляет терять электроны. Катод притягивает протоны, пропущенные мембраной, и они начинают реагировать на электроны, итог реакции - образование воды и электрического тока. От анода электричество посредством проводов поступает уже к электромотору, т. е. питает его.
Агрегаты, питающиеся от водородных батарей, с рабочими названиями «Антэл-1» и «Антэл-2», уже работают «Нива» и «Лада» в качестве концепта. Первая силовая установка преодолевает двести тысяч метров за один «полный бак», вторая триста.
О выгодах применения
У водородного горючее только обогащается газовой смесью на 10%, но это на 30–50% понижает расход самого горючего. Получается, что на том же объёме топлива вы будете проезжать, например, не сто пятьдесят, а двести вёрст.
Вот какие достоинства водородного двигателя уже сегодня. А в будущем применение этого чудесного газа, как движущей силы для автомобиля, открывает широчайший ряд выгодных аспектов.
Выгодные аспекты
- бесплатное сырьё - вода, из которой газ можно брать бесконечно;
- во время реакции получаемые вещества вреда экологии не доставляют;
- благодаря реактивному сгоранию КПД рассматриваемого агрегата на порядок выше карбюраторного;
- колоссальная горючесть газа позволяет силовой установке бесперебойно работать при любых атмосферных показателях как минусовых, так и плюсовых;
- детонация при сгорании водородной смеси в разы ниже, чем у бензина, что и вибрацию при работе агрегата;
- здесь не требуется сложных систем трансмиссии, охлаждения и смазки, значит, повышается простота обслуживания благодаря уменьшению числа деталей.
Доводка до совершенства
Чтобы двигатель на водородных элементах работал в постоянном режиме, помимо прочего, ему нужны объёмные аккумуляторы и . А в том виде, в котором они доступны сейчас, используется слишком много места для них. Здесь при изготовлении нужен принципиально новый подход.
Топливные элементы ещё слишком дорогие. Пока только ведётся поиск альтернативных материалов для их производства.
Не доработана пожаробезопасность силовой установки. И вопрос ёмкостей для водорода остаётся открытым. Само устройство водородного двигателя, можно сказать, ещё только приобретает будущие черты.
Экскурс по истории
Примечательно, что водородный двигатель был изобретён гораздо раньше бензинового. Но развитие получил почему-то второй. Построенный во Франции ещё в 1806 году учёным Франсуа Исааком де Риваз агрегат уже тогда работал от гидролиза воды. А стали применять только в 1870.
Видео об использовании водорода в качестве топлива для авто:
Во времена, не столь далёкие, а именно в Великую Отечественную войну, есть свидетельство ещё одного удачного использования водорода, как источника получения энергии. В Ленинграде в блокаду бензина катастрофически не хватало. Поэтому было решено для работы аэростатов заграждения и приводящих лебёдок использовать водород, которого было достаточно. И это сыграло немаловажную роль по защите города.
Вот такая альтернатива нефтепродуктам есть у человечества на сегодня. И работа в этом направлении ведётся всё интенсивнее. Про то, как работает водородный двигатель сейчас и как он будет работать завтра, можно говорить только в общих чертах. Ясно одно - за водородом будущее нашей планеты.
Если имеется чем дополнить, комментарии ждут вас внизу.
После того как все государства мира объявили курс на снижение выбросов вредных веществ, производители транспортных средств задумались . Причём они начали вести разработки не только в области электромобилей, но и в направлении использования водорода в качестве топлива для автомобилей. При этом различные компании рассматривают собственные технологии, которые обладают массой . Поэтому стоит подробнее рассмотреть авто на водороде, чтобы понять, что может ожидать нас в ближайшем будущем.
Автомобили на водороде — это довольно перспективное направление в поиске альтернативных источников энергии
Различные методы
Двигатель внутреннего сгорания
Вспомните, почему водород называют «гремучим газом» - правильно, он очень легко взрывается с выделением огромного количества энергии. Почему бы не использовать эту его особенность для приведения в движение автомобилей? Именно так решили специалисты компаний Mazda и BMW, которые несколько лет назад представили свои прототипы автомобилей, работающих на водороде, поступающем внутреннего сгорания.
При этом инженеры BMW вполне справедливо решили, что экспериментировать лучше с более крупным двигателем, который позволит варьировать технические характеристики в очень широком диапазоне. Так появился на свет автомобиль седьмой серии, который оснащался крупным баком для сжатого водорода - при рабочем объёме мотора он обладал производительностью всего в 260 лошадиных сил и расходовал около 50 литров горючего на сто километров пути. Кроме того, фирма BMW экспериментировала и с автомобилями на сжиженном водороде - для этого использовались специальные криогенные баки, которые обладали , сопоставимой с ценой самой платформы машины - это делалось для увеличения запаса хода. Однако отличительной чертой всех экспериментальных автомобилей BMW, работавших на водороде, было наличие традиционной бензиновой системы питания - она позволяла перейти на обычное горючее при исчерпании запаса водорода или при неполадках, связанных с его подачей.
А вот Mazda пошла другим путём, решив не ограничиваться в своих экспериментах - японцы смонтировали установку питания водородом на автомобиле RX-8, оснащённом Ванкеля объёмом 1,3 литра. К сожалению, результат оказался провальным - мощность упала с 240 до 100 лошадиных сил, в расход топлива возрос почти до 60–70 литров на сотню километров. В отличие от BMW 7, которая сдавалась в лизинг в США и странах Европы, Mazda RX-8, работающая на водороде, так и осталась в виде прототипа. В настоящее время обе компании свернули эти исследовательские программы, сосредоточившись на других направлениях развития альтернативной энергетики.
Видео об автомобилях на водороде:
Причину понять легко, если углубиться в отчёты инженеров - они столкнулись с такими , как:
- Сниженный ресурс мотора;
- Частые поломки, связанные с разрушением стенок цилиндров, клапанов и поршней;
- Малый запас хода;
- Частые утечки, грозящие возгоранием или даже взрывом.
Конечно, многие небольшие исследовательские институты создавали водородные автомобили, работавшие по принципу сгорания «гремучего газа», и обладавшие лучшими характеристиками, чем . Однако стало понятно, что двигатель автомобиля необходимо изначально разрабатывать под водород - а производители оказались не готовыми к таким сомнительным инвестициям.
Топливные ячейки
Решение проблемы пришло из области космонавтики - так как сжигать горючее для получения электроэнергии на орбите нерационально, учёные разработали специальные топливные ячейки, в которых протекала химическая реакция с выделением огромного количества электроэнергии. При прохождении водорода сквозь такую ячейку, наполненную каталитическим материалом, происходит его соединение с кислородом, в результате которого образуется вода. Соответственно, пользователь получает только плюсы - никаких вредных веществ, на выходе только чистая вода и определённый запас электроэнергии . Остаётся только запастись нужным количеством водорода.
Автомобиль на водороде, работающий с применением топливных ячеек, функционирует - в нём отсутствует двигатель внутреннего сгорания, который полностью заменён электрическим мотором. Энергия, полученная от реакции водорода с кислородом, накапливается в аккумуляторах - а некоторые производители, ориентированные на достижение автомобилем хороших динамических характеристик, используют суперконденсаторы, которые позволяют максимально быстро отдавать полученный заряд. Благодаря этому преодолевается один из недостатков топливных ячеек на водороде - они являются инертными, то есть не могут изменять свою отдачу по желанию водителя автомобиля.
Основные преимущества
Основной плюс, которым обладает машина на водороде, использующая топливные ячейки в качестве источника энергии - сочетание в ней лучших характеристик автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и электромобилей. Запас хода очень высок - особенно в случае, когда не только от реакции водорода с кислородом, но и от обычной электрической сети. Вместе с тем отсутствие агрегата, сжигающего углеводородное топливо, позволяет получить просто огромное количество преимуществ :
- Отсутствие вредных выбросов - как и при сгорании водорода, в топливных ячейках образуется только водяной пар, который не наносит вреда окружающей среде.
- Меньшая масса - кстати, комбинация водородных топливных ячеек, электродвигателя и аккумуляторов имеет меньшие габариты и вес, чем у батарей и мотора в традиционном электромобиле при сходных характеристиках и запасе хода.
- Уменьшение количества движущихся и соприкасающихся между собой частей в несколько раз - за счёт этого существенно повышается ресурс эксплуатации .
Если же рассматривать водородный автомобиль, который оснащается двигателем внутреннего сгорания, адаптированным к этому виду топлива, то пока у него больше минусов, чем положительных сторон. Однако отчёты научно-исследовательских институтов, которые занимаются разработками в этом направлении, позволяют надеяться на то, что в скором будущем ситуация коренным образом поменяется. Уже сообщается о том, что двигатели автомобилей, которые изначально создавались для работы на водороде, имеют :
- Ресурс эксплуатации, увеличенный на 20–30%, а также уменьшенная вероятность возникновения меньших поломок.
- Мощность, большая на 15–20%, больший КПД, означающий лучшее использование энергетического потенциала горючего.
- Стоимость пробега, в 2 раза меньшая, чем аналогичный показатель для бензина - однако только при условии промышленного производства водорода.
Вот только стоимость , очень уж высока - как в силу применения дорогостоящих инновационных материалов, так и благодаря штучному производству, ведущемуся по обходным технологиям.
Недостатки
К сожалению, не обходится и без минусов - впрочем, это касается не только водорода, но и всех прочих технологий альтернативной энергетики, работа над которыми ведётся относительно недавно. С точки зрения рядового потребителя пока существенным недостатком является высокая стоимость производства топлива - относительно недорого можно купить только водород, создаваемый в промышленных масштабах - он является редкостью, так как заводов по выпуску этого газа пока относительно немного. Кроме того, при проведении опросов в странах, где уже продано либо достаточно много автомобилей, работающих на водороде, результаты показали, что очень многие люди боятся взрыва «гремучего газа», хотя о таких случаях они даже не слышали. Действительно, на испытаниях нередко случались возгорания в результате утечки водорода, однако в серийное производство были отправлены только автомобили с многоуровневыми системами безопасности, предотвращающими возникновение взрыва.
Однако благодаря применению многих инновационных технических решений водородная машина является не только экономичной и безопасной, но и дорогой. В частности, никогда не разглашала стоимость автомобиля седьмой серии, работающего на водороде, разрешая только брать его в лизинг. Однако некоторые эксперты говорят о том, что его рыночная цена могла бы быть установлена на уровне 1,2–1,5 миллиона долларов. Даже наиболее дешёвые автомобили, выпускаемые Honda и Toyota, стоят не менее 30–50 тысяч долларов при минимальном уровне оснащения - и то, только благодаря демпинговой политике компаний и компенсациям, выделяемых правительством Японии. Стоит сказать и о том, что топливные ячейки и баки не могут быть долговечными в силу длительной эксплуатации в условиях агрессивной среды - и если ячейки можно выпускать в сменном виде, то на придётся затратить немало денег.
Пришло время поговорить о главном - где заправлять автомобиль, работающий на водороде? Говорить о создании сети заправок даже в Японии, США и Германии очень рано - пока они представляют собой единичные экземпляры. В то же время строительство соответствующей инфраструктуры для электромобилей идёт полным ходом, что позволяет получить сведения о приоритетах, которые устанавливаются современным обществом и государственными учреждениями. Заправлять водородом машину с использованием самодельных приспособлений очень опасно - вероятность взрыва будет невероятно высокой.
Топливо будущего или нет?
Сейчас приходится слышать о том, что водород является топливом будущего - однако стоит вспомнить о том, что подобные слоганы звучали во всём мире ещё в конце 60-х годов - причём Советский Союз, в котором исследования свойств этого газа шли полным ходом, исключением не был. Несмотря на всё прошедшее время, водородные автомобили так и остались прототипами, не слишком пригодными к серийному производству и эксплуатации общего пользования. Однако разработки не прекращаются, несмотря на то, что пока положительные результаты были достигнуты только единичными компаниями, начавшими мелкосерийное изготовление таких автомобилей. Кроме того, необходимо вспомнить о том, что водород является даже для окружающей среды источником энергии, чем электричеством. Ведь несмотря на развитие энергетики, в мире до 70% электростанций работают на таких «грязных» видах топлива, как нефть и уголь.
Традиционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет ряд существенных недостатков, что заставляет ученных искать ему достойную замену. Самым популярным вариантом подобной альтернативы является электродвигатель, однако он не единственный, кто может составить конкуренцию ДВС. В данной статье речь пойдет о водородном моторе, который по праву считается будущим автомобилестроения и может решить проблему с вредными выбросами и дороговизной топлива.
Краткая история
Несмотря на то, что сохранность окружающей среды только сейчас стала массовой проблемой, об изменении стандартного двигателя внутреннего сгорания ученые задумывались и раньше. Так, мотор, работающий на водороде, «увидел мир» еще в 1806 году, чему поспособствовал французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (он производил водород при помощи электролиза воды).
Прошло несколько десятков лет, и в Англии выдали первый патент на водородный двигатель (1841 год), а в 1852 году немецкие ученые сконструировали ДВС, который мог работать на воздушно-водородной смеси.
Чуть позже, во времена блокады Ленинграда, когда бензин был дефицитным продуктом, а водород имелся в достаточно большом количестве, техник Борис Шелищ предложил использовать для работы заградительных аэростатов воздушно-водородную смесь. После этого на водородное питание перевели все ДВС лебедок аэростатов, а общее число работающих на водороде машин достигало 600 единиц.
В первой половине ХХ века интерес общественности к водородным двигателям был невелик, но с приходом топливно-энергетического кризиса 70-х годов ситуация резко изменилась. В частности, в 1879 году компания BMW выпустила первый автомобиль, который вполне успешно ездил на водороде (без взрывов и водяного пара, вырывающегося из выхлопной трубы).
Следом за BMW, в этом направлении начали работать другие крупные автопроизводители, и к концу прошлого столетия практически каждая уважающая себя автокомпания уже имела концепцию разработки машины на водородном топливе. Тем не менее, с окончанием нефтяного кризиса исчез и интерес общественности к альтернативным источникам топлива, хотя в наше время он снова начинает пробуждаться, подогреваемый защитниками экологии, борющимися за снижение токсичности выхлопных газов автомобилей.
Более того, цены на энергоносители и желание обрести топливную независимость только способствуют проведению теоретических и практических исследований ученными многих стран мира. Самыми активными являются компании BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.
Интересный факт! Водород – самый распространенный элемент во Вселенной, но найти его в чистом виде на нашей планете будет очень непросто.
Принцип работы и типы водородного двигателя
Основным отличием водородной установки от традиционных двигателей является способ подачи топливной жидкости и последующее воспламенением рабочей смеси. При этом принцип трансформации возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в полезную работу остается неизменным. Учитывая, что горение нефтяного топлива происходит достаточно медленно, топливно-воздушная смесь наполняет камеру сгорания раньше, чем поршень займет свое крайнее верхнее положение (так называемую верхнюю мертвую точку).
Стремительная реакция водорода дает возможность сдвинуть время впрыска ближе к тому моменту, когда поршень начинает возвращаться к нижней мертвой точке. Нужно отметить, что давление в топливной системе не обязательно будет высоким.
Если водородному двигателю создать идеальные рабочие условия, то он может иметь топливную систему питания закрытого типа, когда процесс смесеобразования будет проходить без участия атмосферных воздушных потоков. В таком случае после такта сжатия в камере сгорания остается водяной пар, который, проходя через радиатор, конденсируется и снова превращается в обычную воду.
Однако применение такого вида устройства возможно только тогда, когда на транспортном средстве имеется электролизер, отделяющий водород от воды для его повторной реакции с кислородом. На данный момент добиться таких результатов крайне сложно. Для стабильной работы двигателей применяется , а его испарения являются частью выхлопных газов.
Поэтому беспроблемный запуск силовой установки и ее устойчивая работа на гремучем газе без использования атмосферного воздуха – пока что неосуществимая задача. Различают два варианта автомобильных водородных установок: агрегаты, функционирующие на основе водородных топливных элементов, и водородные двигатели внутреннего сгорания.
Силовые установки на основе водородных топливных элементов
В основе принципа работы топливных элементов лежат физико-химические реакции. По сути, это те же свинцовые аккумуляторные батареи, вот только коэффициент полезного действия топливного элемента несколько выше, чем АКБ, и составляет около 45% (иногда больше).
В корпус водородно-кислородного топливного элемента помещена мембрана (проводит только протоны), разделяющая камеру с анодом и камеру с катодом. В камеру с анодом поступает водород, а в камеру катода – кислород. Каждый электрод заранее покрывают слоем катализатора, в роли которого нередко выступает платина. При его воздействии молекулярный водород начинает терять электроны.
В это же время протоны проходят через мембрану к катоду и под влиянием того же катализатора соединяются с электронами, поступающими снаружи. В результате реакции образуется вода, а электроны из камеры анода перемещаются в электроцепь, подсоединенную к мотору. Проще говоря, мы получаем электрический ток, который и питает двигатель.
Водородные двигатели на основе топливных элементов сегодня используются на автомобилях «Нива», оснащенных энергоустановкой «Антэл-1», и машинах «Лада 111» с агрегатом «Антел-2», которые были разработаны уральскими инженерами. В первом случае одного заряда хватает на 200 км, а во втором – на 350 км.
Следует отметить, что из-за дороговизны металлов (палладия и платины), входящих в конструкцию таких водородных двигателей, подобные установки имеют очень большую стоимость, что существенно увеличивает и цену транспортного средства, на котором они установлены.
А знаете ли вы? Специалисты компании Toyota начали работать с технологией топливных элементов еще 20 лет назад. Примерно тогда стартовал и проект гибридного автомобиля Prius.
Водородные двигатели внутреннего сгорания
Данный тип силовых установок очень похож на распространенные сегодня моторы на пропане, поэтому, чтобы перейти с пропана на водородное топливо, достаточно просто перенастроить двигатель. Уже существует немало примеров подобного перехода, но нужно сказать, что в этом случае КПД будет несколько ниже, чем при использовании топливных элементов. В то же время, для получения 1 кВт энергии водорода потребуется меньше, что вполне компенсирует данный недостаток.
Использование этого вещества в обычном моторе внутреннего сгорания вызовет целый ряд проблем. Во-первых , высокая температура сжатия «заставит» водород вступить в реакцию с металлическими элементами двигателя или даже моторным маслом. Во-вторых , даже небольшая утечка при контакте с раскаленным выпускным коллектором точно приведет к возгоранию.
По этой причине для создания водородных конструкций используются только силовые агрегаты роторного типа, так как их конструкция позволяет уменьшить риск возгорания за счет расстояния между впускным и выпускным коллектором. В любом случае, все проблемы пока удается обходить, что позволяет считать водород достаточно перспективным топливом.
Хорошим примером транспортного средства с водородной установкой может послужить экспериментальный седан BMW 750hL, концепт которого был представлен еще в начале 2000-х годов. Автомобиль оснащен двенадцатицилиндровым мотором, работающим на основе ракетного топлива и позволяющим разогнать машину до 140 км/час. Водород в жидкой форме хранится в специальном баке, и одного его запаса хватает на 300 километров пробега. Если же он полностью расходуется, система автоматически переключается на бензиновое питание.
Водородный двигатель на современном рынке
Последние исследования ученых в области эксплуатации водородных двигателей показали, что они не только очень экологичны (как электродвигатели), но могут быть очень эффективными в плане производительности. Более того, по техническим показателям водородные силовые установки обходят своих электрических собратьев, что уже было доказано (к примеру, Honda Clarity).
Также следует отметить, что, в отличие от систем Tesla Powerwall, водородные аналоги имеют один существенный недостаток:
зарядить аккумулятор при помощи солнечной энергии уже не получится, а вместо этого придется искать специальную заправочную станцию, которых на сегодняшний день даже в мировом масштабе насчитывается не так уж и много.
Сейчас Honda Clarity выпущен достаточно ограниченной партией, и приобрести автомобиль можно только в Стране восходящего солнца, так как в Европе и Америке транспортное средство появится только в конце 2016 года.
Интересно знать! Генератор Power Exporter 9000 (может входить в комплектацию Honda Clarity) способен питать всю домашнюю технику почти целую неделю.
Также в наше время выпускаются и другие транспортные средства, использующие водородное топливо. К ним относятся Mazda RX-8 hydrogen и BMW Hydrogen 7 (гибриды, работающие на жидком водороде и бензине), а также автобусы Ford E-450 и MAN Lion City Bus.
Среди легковых автомобилей самыми заметными представителями водородных транспортных средств на сегодня являются автомобили Mercedes-Benz GLC F-Cell (есть возможность подзарядки от обычной бытовой сети, а суммарный запас хода составляет около 500 км), Toyota Mirai (работает только на водороде, и одной заправки должно хватать на 650 км пути) и Honda FCX Clarity (заявленный запас хода достигает 700 км). Но и это еще не все, ведь автотранспорт на водородном топливе выпускается и другими компаниями, например, Hyundai (Tucson FCEV).
Плюсы и основные недостатки водородных двигателей
При всех своих преимуществах, нельзя сказать, что водородный транспорт лишен определенных недостатков. В частности, необходимо понимать, что горючая форма водорода при комнатной температуре и нормальном давлении представлена в виде газа, что вызывает определенные трудности в хранении и транспортировке такого топлива.
То есть существует серьезная проблема конструирования безопасных резервуаров для водорода, применяющегося в качестве топлива для автомобилей.
Кроме того, баллоны с этим веществом требуют периодической проверки и сертификации, которые могут выполняться только квалифицированными специалистами, имеющими соответствующую лицензию. Также к этим проблемам стоит добавить и дороговизну обслуживания водородного мотора, не говоря уже об очень ограниченном количестве заправочных станций (по крайней мере, в нашей стране).
Не стоит забывать и о том, что водородная установка увеличивает вес автомобиля, из-за чего он может оказаться не столь маневренным, как вам бы того хотелось. Поэтому, учитывая все вышесказанное, хорошенько подумайте: стоит ли приобретать водородное транспортное средство, или пока с этим лучше повременить.
Однако нужно сказать, что и преимуществ в подобном решении немало. Во-первых , ваш автомобиль не будет загрязнять окружающую среду токсичными выхлопными газами, во-вторых , массовое производство водорода может помочь решить проблему резко меняющихся цен на топливо и перебоев в поставках обычных видов топливных жидкостей.
К тому же, во многих странах уже построены сети трубопроводов для метана, и их несложно адаптировать для прокачки водорода с последующей доставкой к заправкам. Производить водород можно как в малых масштабах, то есть на местном уровне, так и массово – на крупных, централизованных предприятиях. Рост производства водорода послужит дополнительным стимулом для роста поставок этого вещества в бытовых целях (например, для отопления домов и офисов).
Подписывайтесь на наши ленты в
Многие владельцы машин ищут способы экономии топлива. Кардинально решить этот вопрос позволит водородный генератор для автомобиля. Отзывы тех, кто установил себе это устройство, позволяют говорить о существенном снижении затрат при эксплуатации транспорта. Так что тема достаточно интересная. Ниже пойдёт речь о том, как сделать водородный генератор собственными силами.
ДВС на водородном топливе
На протяжении нескольких десятилетий идут поиски возможности приспособить двигатели внутреннего сгорания для полной или гибридной работы на водородном топливе. В Великобритании ещё в 1841 году был запатентован двигатель, работающий на воздушно-водородной смеси. Концерн «Цеппелин» в начале ХХ века в качестве движущей установки своих знаменитых дирижаблей использовал двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде.
Развитию водородной энергетики способствовал и мировой энергетический кризис, разразившийся в 70 годах прошлого века. Однако с его окончанием водородные генераторы быстро были забыты. И это несмотря на массу преимуществ по сравнению с обычным топливом:
- идеальная воспламеняемость топливной смеси на основе воздуха и водорода, что даёт возможность лёгкого пуска двигателя при любой температуре окружающей среды;
- большое выделение тепла при сгорании газа;
- абсолютная экологическая безопасность - отработавшие газы превращаются в воду;
- выше в 4 раза скорость сгорания по сравнению с бензиновой смесью;
- способность смеси работать без детонации при высокой степени сжатия.
Основной технической причиной, являющейся непреодолимой преградой в использовании водорода в качестве топлива автомобилей стала невозможность уместить достаточное количество газа на транспортном средстве. Размер топливного бака для водорода будет сравним с параметрами самого автомобиля. Большая взрывоопасность газа должна исключать возможность малейшей утечки. В жидком виде необходима криогенная установка. Этот способ также мало осуществим на автомобиле.
Газ Брауна
Сегодня водородные генераторы у автолюбителей приобретают популярность. Однако это не совсем то, о чем шла речь выше. Путём электролиза вода превращается в так называемый газ Брауна, который и добавляют к топливной смеси. Основная задача, которую решает этот газ, - полное сгорание топлива. Это и служит увеличением мощности и снижением расхода топлива на приличный процент. Некоторым механикам удалось добиться экономии на 40 %.
Решающее значение в количественном выходе газа имеет площадь поверхности электродов. Под действием электрического тока молекула воды начинает разлагаться на два атома водорода и один кислорода. Такая газовая смесь при сгорании выделяет почти в 4 раза больше энергии, чем при сгорании молекулярного водорода. Поэтому использование этого газа в двигателях внутреннего сгорания приводит к более эффективному сгоранию топливной смеси, уменьшает количество вредных выбросов в атмосферу, увеличивает мощность и уменьшает величину затраченного топлива.
Универсальная схема водородного генератора
Тем, у кого нет способностей к конструированию, водородный генератор для автомобиля можно купить у народных умельцев, поставивших на поток сборку и установку таких систем. Сегодня есть множество таких предложений. Стоимость агрегата и установки составляет порядка 40 тысяч рублей.
Но можно собрать такую систему и самостоятельно - сложного в ней нет ничего. Состоит она из нескольких простых элементов, соединённых в одно целое:
- Установки для электролиза воды.
- Накопительного резервуара.
- Улавливателя влаги из газа.
- Электронного блока управления (модулятора тока).
Ниже приведена схема, по которой можно легко собрать водородный генератор своими руками. Чертежи главной установки, производящей газ Брауна, достаточно просты и понятны.
Схема не представляет какой-либо инженерной сложности, повторить её может каждый, кто умеет работать с инструментом. Для автомобилей с инжекторной системой подачи топлива необходимо еще установить контроллер, регулирующий уровень подачи газа в топливную смесь и связанный с бортовым компьютером автомобиля.
Реактор
От площади электродов и их материала зависит количество получаемого объёма газа Брауна. Если в качестве электродов брать медные или железные пластины, то реактор не сможет работать продолжительное время по причине быстрого разрушения пластин.
Идеальным выглядит применение титановых листов. Однако их использование повышает затраты на сборку агрегата в несколько раз. Оптимальным считается применение пластин из высоколегированной нержавеющей стали. Металл этот доступен, его не составит труда приобрести. Также можно использовать отработавший своё бак от стиральной машины. Сложность составит только вырезание пластин нужного размера.
Типы установок
На сегодняшний день водородный генератор для автомобиля может быть укомплектован тремя различными по типу, характеру работы и производительности электролизёрами:
Первый тип конструкции вполне достаточен для множества карбюраторных двигателей. Отсутствует необходимость в установке сложной электронной схемы регулятора производительности газа, да и сама сборка такого электролизёра не представляет сложности.
Для более мощных автомобилей предпочтительна сборка второго типа реактора. А для двигателей, работающих на дизельном топливе, и большегрузных машин используют третий тип реактора.
Необходимая производительность
Для того чтобы можно было действительно экономить топливо, водородный генератор для автомобиля должен ежеминутно вырабатывать газ из расчёта 1 литр на 1000 рабочего объёма двигателя. Исходя из этих требований подбирается количество пластин для реактора.
Для увеличения поверхности электродов необходимо провести обработку поверхности наждачной бумагой в перпендикулярном направлении. Такая обработка крайне важна - она увеличит рабочую площадь и позволит избежать «прилипания» пузырьков газа к поверхности.
Последнее приводит к изоляции электрода от жидкости и препятствует нормальному электролизу. Не стоит также забывать, что для нормальной работы электролизёра вода должна быть щелочной. Катализатором может служить обычная сода.
Регулятор тока
Водородный генератор на авто в процессе работы увеличивает свою производительность. Это связано с выделением тепла при реакции электролиза. Рабочая жидкость реактора испытывает нагрев, и процесс протекает гораздо интенсивнее. Для контроля над течением реакции используют регулятор тока.
Если не понижать его, может произойти просто закипание воды, и реактор перестанет выдавать газ Брауна. Специальный контролер, регулирующий работу реактора, позволяет изменять производительность с увеличением оборотов.
Карбюраторные модели оборудуют контроллером с обычным переключателем двух режимов работы: "Трасса" и "Город".
Безопасность установки
Многие умельцы размещают пластины в пластиковых ёмкостях. Не стоит экономить на этом. Нужен бак из нержавеющего металла. Если его нет, можно использовать конструкцию с пластинами открытого типа. В последнем случае необходимо применять качественный изолятор тока и воды для надёжной работы реактора.
Известно, что температура горения водорода составляет 2800. Это самый взрывоопасный газ в природе. Газ Брауна - не что иное, как «гремучая» смесь водорода. Поэтому водородные генераторы на автомобильном транспорте требуют качественной сборки всех узлов системы и наличия датчиков для слежения за течением процесса.
Датчик температуры рабочей жидкости, давления и амперметр не будут лишними в конструкции установки. Особое внимание стоит уделить гидрозатвору на выходе из реактора. Он жизненно необходим. Если произойдёт воспламенение смеси, такой клапан предотвратит распространение пламени в реактор.
Водородный генератор для отопления жилых и производственных помещений, работающий на тех же принципах, отличается в несколько раз большей производительностью реактора. В таких установках отсутствие гидрозатвора представляет смертельную опасность. Водородные генераторы на автомобилях в целях обеспечения безопасной и надёжной работы системы также рекомендуется оборудовать таким обратным клапаном.
Пока без обычного топлива не обойтись
В мире есть несколько экспериментальных моделей, которые полностью работают на газе Брауна. Однако технические решения пока ещё не достигли своего совершенства. Простым жителям планеты такие системы недоступны. Поэтому пока автолюбителям остаётся довольствоваться «кустарными» разработками, которые дают возможность сократить затраты на топливо.
Немного о доверчивости и наивности
Некоторые предприимчивые дельцы предлагают на продажу водородный генератор на авто. Рассказывают про обработку лазером поверхности электродов или про уникальные секретные сплавы, из которых они сделаны, специальные катализаторы воды, разработанные в научных лабораториях мира.
Всё зависит от способности мысли таких предпринимателей к полёту научной фантазии. Доверчивость может сделать вас за ваши же средства (иногда даже не малые) владельцем установки, у которой через два месяца эксплуатации разрушатся контактные пластины.
Если уж вы решили таким способом экономить, то лучше собирать установку самостоятельно. По крайней мере, не на кого потом будет пенять.
Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.
Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.
Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе – смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.
Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.
По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.
Наиболее активные исследования по разработке водородных двигателей ведут компании General Motors, Honda Motor, Ford Motor, BMW и другие.
Типы и принцип работы водородных двигателей
Современные силовые установки подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде.
Силовые установки на основе водородных топливных элементов
Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.
В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами - анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор.
Действующими образцами автомобиля с силовой установкой на основе топливных элементов являются «Нива» с энергоустановкой «Антэл-1» и «Лада 111» с «Антел-2», разработанные уральскими инженерами. На одной подзарядке первая машина может преодолеть 200 км, вторая - 350 км.
Водородные двигатели внутреннего сгорания
При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом.
ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия.
Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч.
Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов.
Проблемы и задачи развития водородных двигателей
Для массового перехода на водород в качестве топлива существует целый ряд технологических и экологических препятствий.
Производство водородного топлива на сегодняшний день обходится в 4 раза дороже, чем производство бензина.
Да и сам процесс получения водорода из воды пока еще обходится слишком дорого. Поэтому основной его объем в настоящее время производится из метана. С большими затратами связана его транспортировка и хранение.
В случае массового внедрения таких силовых установок, резко увеличится количество водорода в атмосфере, что может привести к разрушению озонового слоя Земли, так как водородные двигатели выделяют значительно больше оксидов азота, чем бензиновые.
Уровень коммерческой окупаемости таких силовых установок просматривается лишь в отдаленной перспективе.
Однако точно такие же проблемы в свое время возникали в период развития бензиновых, электрических и газовых двигателей. Остается надеяться, что через 15-20 лет ситуация измениться, и появление водородного автомобиля на дорогах станет обычным делом.
