на чем работает водородный двигатель
Справочная: как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах
В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.
Когда появились первые автомобили на водороде?
Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).
Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем.
Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.
Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.
В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.
На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.
А где брать водород?
Водород можно получать разными методами:
При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз.
Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород.
Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.
Источник
Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.
Как работает топливная система и какие есть варианты?
Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.
На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.
Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию.
В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию.
Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.
По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.
Такие автомобили опасны? Почему?
Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.
Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.
Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.
Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.
Какой срок службы у топливных ячеек?
Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.
Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?
Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.
В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.
Сколько это стоит?
Чем водородные авто лучше электромобилей?
Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством.
Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки.
Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.
Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?
Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.
Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.
Водородные АЗС в 2019 году(источник)
Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.
Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.
Водородный двигатель принцип работы
Водородный двигатель: типы, устройство,принцип работы
ТИПЫ ВОДОРОДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.
Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).
В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О. Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.
На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.
Двигатель на водородных топливных элементах
Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.
Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.
В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной). Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.
Такая реакция образует воду, при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.
Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде.
Устройство водородного двигателя
Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:
Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.
Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.
Принцип работы
Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:
Водородные моторы внутреннего сгорания
В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.
В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).
В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.
После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.
Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от H2O для последующей реакции с O2.
Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.
Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.
Двигатели на водородных элементах
Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).
В анодную секцию подается H2, а в катодную камеру — O2. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).
Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.
Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.
Водородные топливные элементы
Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.
Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину. Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду. Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.
Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату. Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км. Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.
Принцип работы
Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н2О.
Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом. Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним. Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.
Особенности гибридных конструкций
Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.
Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива. Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов. Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.
Водород как горючее
Первым делом хочется понять, что собой представляет двигатель на водороде. А для этого нам необходимо изучить сам водород как эффективный источник энергии, то есть альтернатива привычному нам топливу.
Каждый прекрасно знает, что в обычном двигателе с системой внутреннего сгорания, который работает на бензине, происходит смешивание топлива с воздухом. Затем эта смесь поступает внутрь цилиндров, где и сгорает. Это создаёт энергию для перемещения поршней, что и способствует в итоге движению ТС.
У водорода есть свои нюансы, которые проявляются в следующем:
Если принимать во внимание все рассмотренные особенности, можно с уверенностью сказать, что вариант с использованием чистого водорода в обычном ДВС невозможен. Чтобы добиться желаемого, необходимо обязательно внести некоторые изменения в конструкцию, а также установить дополнительное оборудование.
В чём опасность такого топлива
Водород позиционируется как взрывоопасное вещество. Именно это можно справедливо считать главной опасностью и проблемой всей технологии водородных моторов.
Сочетаясь с окислителем, в качестве которого выступает кислород, увеличивается риск воспламенения, и также возникает угроза взрывов. Исследования показатели, что на воспламенение водорода уходит около десятой доли энергии, требуемой при воспламенении топливовоздушной смеси. Фактически можно обойтись небольшой статической искрой, дабы водород вспыхнул.
Есть ещё одна опасность. Газ невидимый, и даже в процессе горения его практически незаметно. Невидимость огня усложняет возможность бороться с ним.
Нельзя забывать об опасности вещества для самого человека. Находясь в зоне с повышенной концентрацией газа в воздухе, может наступить удушье. А распознать наличие вещества крайне проблематично. Объясняется это отсутствием запаха и цвета. То есть человеческий газ не способен его разглядеть, а нос не может разнюхать.
В качестве последнего аргумента в пользу того, что водород действительно опасен, выступает факт его очень низкой температуры в случае нахождения в сжиженном состоянии. Контакт с таким веществом способен спровоцировать обморожение.
Водородный транспорт — хорошая идея только в теории
Я очень хочу потыкать острой палкой в идею об электрических автомобилях на водородных топливных элементах (ТЭ). Некоторые люди совершенно очарованы этой идеей. Как можно не очароваться? На вход подается водород, абсолютно «чистое» топливо, а на выходе получается только вода или пар, и никакого углекислого газа, оксидов азота, сажи, и т. д. Водородный двигатель — тихий и компактный. Это не тепловой двигатель, и поэтому на него не распространяются жесткие ограничения цикла Карно. Заправка очень быстрая и не сильно сложнее чем обычная бензиновая заправка.
Кроме того, если вы — нефтяная компания, и спрос на бензин и дизель начнет уменьшаться, вы только что обнаружили новое топливо, которое можно продавать! Вы спасены!
Если вы живете в частном доме и хотите потреблять меньше энергии, вы думаете что можете делать водород из воды используя электричество от солнечных панелей на крыше, убивая сразу двух зайцев: вы получаете топливо для вашей машины и запасаете излишки энергии от солнечной генерации, с помощью единственной магической технологии. Звучит потрясающе!
К сожалению, дьявол кроется в деталях, и он не то чтобы сильно прячется, если вы будете смотреть внимательно.
В моей предыдущей статье я обсуждал эффективность в энергетических циклах двигателей внутреннего сгорания и электрических автомобилей. Я буду ссылаться на результаты из этой статьи когда буду делать предположения об электрических автомобилях на топливных элементах (fuel cell electric vehicle, FCEV). Я буду делать аналогичные допущения и использовать похожие источники.
Дисклеймер: я упомянут в нескольких патентах компании Texaco о получении водорода из природного газа для подачи на протонообменную мембрану (ПОМ, ПЭМ) топливных элементов (теперь патенты принадлежат Chevron, которая поглотила Texaco). Я занимался водородом еще с институтских времен, и примерно каждый второй проект на протяжении десятилетий, которые я провел в компании Zeton, включал в себя водород или синтез-газ.
Однако, еще раз хочу четко сказать: водород это прекрасная идея — в теории. Но большая проблема с водородом заключается. в самой молекуле водорода. Никакие изобретения или технологии не решат эту проблему.
Давайте разбирать цепочку эффективности электрического транспорта на водородных топливных элементах этап за этапом, также как мы делали с двигателем внутреннего сгорания и электрическими машинами 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 надо хранить водород, и загвоздка опять в самой молекуле. Хотя плотность энергии водорода на единицу массы очень большая, даже в форме криогенной жидкости (при температуре 24 выше абсолютного нуля) водород имеет плотность всего 71 кг/м3. Поэтому единственная практичная на данный момент форма хранения водорода для небольших машин — это газ высокого давления. Любые способы увеличения объемной плотности хранения водорода или уменьшения давления (например, гидриды металлов, абсорбенты, органические носители, и т. д.) или сильно увеличивают массу бака, или увеличивают потери водорода во время хранения, или требуют энергии для извлечения водорода. Я бы не рассчитывал на некий магический прорыв в этой области: у нас было тридцать лет на исследования с того момента, как водород стал всерьез рассматриваться как топливо.
Про опасность водорода хорошо известно, и в моей статье не будет картинки с дирижаблем «Гинденбург»! На самом деле, уже достаточно давно научились безопасно обращаться с водородом в промышленности если использовать разные меры предосторожности. Но я не хочу, чтобы мои соседи даже думали о производстве водорода под давлением 400 или 600 атмосфер с помощью своих домашних солнечных панелей. Это кажется мне кошмарной идеей по многим причинам.
Чтобы сжать водород с давления
20 атмосфер на выходе с установки по паровой конверсии из метана или с примерно атмосферного давления (на выходе из некоторых электролизеров) до 400 атмосфер надо потратить энергию, обычно электричество. К сожалению, мы вынуждены рассеивать тепло от сжатия водорода на достаточно низкой температуре чтобы сберечь элементы компрессора, и поэтому это тепло трудно как-то использовать. Более того, давление в баке на заправке может снизиться с 400 атмосфер только до 395 во время заправки одной машины, поэтому вся работа по сжатию делается при самом высоком коэффициенте сжатия [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. Бак на заправке должен быть очень большим. В противном случае, требования заправляющего компрессора или ограничения по переносу тепла могут уменьшить скорость заправки (ведь мы помним, что скорость заправки — чуть ли не главная причина, по которой нам интересен водород в качестве топлива для транспорта!).
На большом масштабе, с гигантскими компрессорными агрегатами, можно хранить водород под большим давлением теряя не больше 10% от теплоты сгорания (НТС) хранимого водорода на работу компрессоров, что, на самом деле, удивительно хорошо, учитывая вышесказанное. (Заметим, что политропный КПД самих компрессоров — это лишь малая часть этих потерь. Мы смотрим на другую меру эффективности.) К сожалению, когда мы уменьшаем размер компрессоров, эффективность улетает вниз. Многоступенчатый диафрагменный компрессор для автомобиля может потреблять до половины энергии сжимаемого водорода или даже больше. При уменьшении масштаба также растут капитальные расходы в расчете на единицу энергии проходящей через установку на протяжении ее жизненного цикла. Прискорбно, что транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична по той же причине, по которой его тяжело хранить — свойства молекулы. [Тут автор не развивает мысль почему транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична, но в другой статье он пишет, что доставка водорода по трубопроводам требует в три раза больше энергии, чем доставка природного газа, на единицу переносимой энергии — прим. перев.] Все мечты о «водородной экономике» предполагают малые и распределенные системы производства водорода, так что мы не должны гонять водород с места на место, 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 — 80%. Конечно, мы не будем использовать водород в неэффективном двигателе внутреннего сгорания как замену бензину, особенно если водород получен из углеводородов: мы бы лучше просто сжигали эти углеводороды в ДВС напрямую.
Если нас заботят выхлопы парниковых газов, производство водорода из метана точно не решает проблему [см. недавнюю статью «Насколько чист «голубой» водород?» на эту тему — прим. перев.]. Мы бы лучше просто ездили на Приусах. Электролиз с использованием электричества из возобновляемых источников — это единственный возможный 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
Учитывая эффективность электрического инвертора и мотора (90%), общая эффективность «от электростанции до колес» — 94%*70%*90%*60%*90% = 32%. Напомню, что по показателю «от скважины до колес», Приус достиг эффективности 30% на бензине, то есть мы «сделали» Приус, и это без вредных выхлопов. И с быстрой заправкой. Ура! Ура.
Мой самодельный электрический автомобиль, «E-Fire», имеет эффективность 76.5%. и тоже не дает никаких выхлопов. [Источник этой оценки неясен: если автор берет такие же потери в инверторе, моторе, и электросети, его батарея должна иметь КПД 90%. — прим. перев.] несмотря на очень маленькую батарею по нынешним стандартам, всего 18.5 кВч, этого хватает на мою дорогу до работы и обратно. Я уже проехал на этой машине 20 тыс. км. без парниковых выхлопов, и я никогда не ждал ее зарядки: я заряжаю ее один раз ночью, и один раз утром на работе. Эта машина не делает всего того, что делает машина с ДВС, не пытается, и не должна 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
Другие применения водорода на транспорте
На данный момент, в некоторых видах транспорта: самолеты, поезда, суда, аккумуляторы практически или совсем неприменимы. Главный вопрос в этих случаях стоит так: насколько мы заботимся о токсичных выбросах? Если они волнуют нас больше всего, водород — единственные решение. Но если мы больше думаем о парниковом эффекте, мы также можем использовать биотопливо как альтернативу водороду. [При сжигании биотоплива в воздух попадает углекислый газ, но этот углерод был извлечен из атмосферы самими растениями в течение предыдущего года, поэтому общий атмосферный баланс не нарушается — прим. перев.] Для самолетов биотопливо, скорее всего, — это единственное практическое решение до тех пор пока мы не изобретем что-то с гораздо большей плотностью энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, возможно, перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы. И хотя мы не сможем полностью заменить бензин и дизель на биотопливо, даже если полностью забудем об экономике (цифры по этому поводу см. на сайте www.withouthotair.com), если мы покроем 90% перевозок (в километрах, или тоннокилометрах) электричеством, мы можем производить достаточно биотоплива чтобы покрыть оставшиеся 10%, ПЛЮС все те другие виды транспорта, в которых в сейчас невозможно использовать аккумуляторы. Гораздо важнее избавиться от токсичных выхлопов в городах, чем на трассах, в море, или высоко над землей.
Очевидно, что использование водорода или электрохимии для уменьшения выбросов CO2 с целью получения жидких углеводородов значительно менее эффективно, чем сам водород [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. То же самое и с аммиаком, который кажется кому-то способом преодолеть некоторые недостатки водорода. Аммиак — ядовитый газ, и, опять же, производить его менее эффективно, чем водород. Мысль о заправке автомобилей аммиаком повергает меня в ужас, учитывая количество смертей, связанных с аммиаком в результате его использования в качестве хладагента и в сельском хозяйстве.
Так называемое «e-топливо» (e-fuel, power-to-liquid) — это, на самом деле, производная водородного топлива. Оно делается из углекислого газа, воды (продукт горения водорода), и электричества. При реверсе термодинамического процесса неизбежны потери. С учетом того, что потом мы используем это топливо в неэффективном ДВС, вся схема получается очень очень неэффективной.
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.