Водородные двигатели для чего они

Первый в России трамвай на водородном топливе создают в Санкт-Петербурге

Презентация действующего макета трамвая на альтернативном топливе состоялась 18 июля в Трамвайном парке № 1.

Специалисты «Горэлектротранса» совместно с филиалом Крыловского государственного НЦ «Центральным научно-исследовательским институтом судовой электротехники и технологии» начали разработку экологичного трамвая в 2016 г., стартовав на форуме SmartTransport. Реализация проекта выходит на финишную черту: в феврале текущего года специалисты приступили к сборке опытного образца.

Разработку специалисты называют «действующим макетом» или «испытательной платформой», строго относясь к использованию терминов. Новый тип трамваев отличается надежностью, безопасностью, высокими показателями экологичности и весьма высокой экономичностью. На первый взгляд «испытательная платформа» ничем не отличается от привычных обывателю трамваев: внешняя оболочка разработки это всем известный трамвайный вагон ЛМ-68М. Все инновационные решения реализованы в начинке: оснащение заводского электродвигателя топливными водородными элементами позволяет трамваю работать без токоприемника. Соответственно, подобные энергоустановки позволят отказаться от строительства недешевой контактной сети и тяговых подстанций.

Принцип работы заключается в физико-химическом процессе. В результате взаимодействия водорода и кислорода, электрохимический генератор вырабатывает электроэнергию, приводящую транспорт в движение. Двигатель трамвая безопасен, так как его побочный продукт — дистиллированная вода. Также происходит выделение тепла, что позволит обогревать и охлаждать салон зимой и летом.

В основу «водородного трамвая», аналогов которому в России нет, заложены уникальные инженерно-конструкторские решения ученых из «ЦНИИ СЭТ». Они уже на протяжении долгих лет разрабатывают водородные двигатели для судоходства. Применение изобретений в наземном городском транспорте производится впервые.

Предполагается, что ходовые испытания действующего макета пройдут в сентябре 2019 г. Тестировать будут около месяца на действующей сети Московского района в ночное время. Прогноз по срокам введения инновационного транспорта в массовую эксплуатацию возможен после испытаний. Мировая практика показывает, что в случае успешных испытаний, запуск происходит через 4-5 лет от создания опытного образца.

На обсуждение вынесено также применение новых трамваев на планирующихся перспективных маршрутах, связывающих пригороды (Красное Село, Кудрово) с центром города.

Мировая практика

Как один из крупнейших мировых «загрязнителей» атмосферы, Китай инвестирует значительные средства в зеленую энергию и даже был мировым лидером в производстве возобновляемой энергии в 2013 г. КНР генерирует больше энергии ветра, чем любая другая страна в мире. Продолжая свои усилия по развитию экологически чистой энергетики, Китай впервые в мире запустил «водородные трамваи» в 2017 г.

Гибридный электрический трамвай ввели в эксплуатацию в Таншане в провинции Хэбэй, что ознаменовало большой шаг в применении зеленой энергии в общественном транспорте. Трамвай, имеющий три вагона с 66 посадочными местами, может развивать скорость до 70 километров в час. Заправка 12 кг водорода длится около 15 минут, топлива хватает на 40 километров пути. Расстояние между платформой вагона и рельсами составляет 35 сантиметров, что упрощает посадку пассажиров. Трамвай при движении не выделяет никаких загрязняющих веществ. Температура реакции внутри топливных элементов ниже 100 градусов по Цельсию, поэтому оксида азота не образуется.

Имея возможность производить около 50 комплектов трамваев в год, Китай внедряет «водородный трамвай» внутри страны и за рубежом.

В 2018 г. в Германии выполнен рейс первого в мире пассажирского поезда на водородном топливе французского производства. Он развивает скорость до 140 км в час и способен преодолеть путь в 1 000 километров.

Не сядет батарейка: в России могут появиться водородные заправки

В России разработан первый отечественный водородный аккумулятор. Он позволит хранить газ в максимально компактном и безопасном виде, что даст возможность отказаться от использования крупных хранилищ и снизить риск возникновения пожаров. Созданием водородных аккумуляторов в стране занимается несколько групп разработчиков, однако ученым из Института проблем химической физики РАН удалось выпустить рабочие образцы такой техники. Их уже используют для систем резервного электропитания. На основе инновационных аккумуляторов также может быть создано новое поколение заправочных станций для экологичного водородного транспорта. В России их пока нет, однако мировые производители, в том числе Hyundai, Toyota и Mercedes, уже создают водородные машины. И у этого рынка есть перспективы, считают опрошенные «Известиями» эксперты.

Запертый в металле

Водород можно получить с помощью электролиза воды и в дальнейшем использовать в качестве экологичного топлива, при сжигании которого не образуется вредных веществ. Однако широкому распространению техники, работающей на этом газе, мешают высокая взрывоопасность и необходимость постройки крупных сооружений для его хранения.

Повлиять на решение этих проблем может внедрение нового российского аккумулятора, который способен хранить большое количество водорода в безопасном — химически связанном — виде.

— В нашей системе водород выделяется из воды с помощью электролиза, после чего вступает в химическую реакцию с интерметаллическим соединением (LaNi5), в результате которой образуются его гидриды, — отметил ведущий научный сотрудник Лаборатории материалов для водородного аккумулирования энергии Института проблем химической физики РАН Павел Фурсиков. — Причем этот процесс может проходить при различных давлении и температуре (условия варьируются путем подбора интерметаллида — в зависимости от назначения устройства).

В связанном виде водород можно хранить длительное время. Причем его объемная концентрация будет превышать соответствующий показатель для сжиженного газа, хранящегося при криогенных температурах, поддержание которых требует значительных затрат энергии. Затем в нужный момент водород можно легко высвободить из гидридов (для этого нужен небольшой нагрев), после чего произойдет перезарядка аккумулятора новым газом.

По словам ученых, основным предназначением разработки будет аккумулирование водорода, вырабатываемого электролизом воды с помощью возобновляемых источников энергии (в частности, солнечных батарей), и его дальнейшее использование для генерации электричества в топливных элементах — в ситуациях, когда необходимо резервное питание. Например, такие установки планируется применять на вышках сотовой связи для их бесперебойной работы во время возможных отключений электричества.

— Сейчас для этой цели используются, например, дизельные генераторы, однако они менее экологичны и требуют больших затрат на долговременное обслуживание, — пояснил Павел Фурсиков.

В настоящее время одна из вышек сотовой связи уже оснащена новой системой резервного питания в качестве эксперимента.

Водородозаправка

В дальнейшей перспективе технику, работающую по новой технологии, можно будет использовать при создании заправочных станций для автомобилей на водородном топливе. В случае такого варианта реализации системы, она позволит создать доступную инфраструктуру для экологичного транспорта. Производством автомобилей на водороде занимаются сразу несколько крупных производителей — так, среди серийных машин, работающих на этом виде топлива, можно выделить корейский Hyundai NEXO, немецкий Mercedes GLC F‑Cell, а также японские Honda Clarity и Toyota Mirai.

— Помимо компактности хранения водорода, устройство, состоящее из предлагаемых аккумуляторов, будет способно создавать высокое давление газа после его выделения (от 300 до 800 атмосфер), которое необходимо для заправки современных автомобилей, — пояснил заведующий Лабораторией водородных энергетических технологий Объединенного института высоких температур РАН Василий Борзенко. — Для этого нужно создать многоступенчатую систему, состоящую из нескольких аккумуляторов с различным составом материалов, — она позволит постепенно наращивать давление до необходимых значений.

Hyundai Nexo, 88-й Международный автосалон в Женеве, Швейцария

По словам ученого, такое решение станет хорошей заменой громоздким механическим компрессорам. Однако до создания переносных аккумуляторов еще далеко.

— Аккумуляторы на основе интерметаллидов уже используются в нескольких странах, и их создание в России можно считать важным шагом в плане импортозамещения, — полагает директор по техподдержке и развитию технологий компании BMPower Сергей Шубенков. — Вместе с тем использование подобной техники значительно ограничено ее большим весом, что подразумевает лишь стационарное применение разработки.

Высказался эксперт и относительно перспектив внедрения водородных технологий в автомобильную отрасль.

— На одной заправке водородный автомобиль может проехать в 2–2,5 раза больше, чем электромобиль, — пояснил Сергей Шубенков. — При этом, несмотря на отсутствие выбросов во время езды, машины, работающие на электричестве, нельзя считать полностью экологичными, поскольку до сих пор не решены проблемы, возникающие при утилизации батарей.

По словам специалиста, в будущем эти особенности помогут водородным автомобилям вытеснить все другие типы транспортных средств — при условии построения для них необходимой инфраструктуры. На данный момент большинство водородных заправок находятся в США, Канаде, Японии, Китае и Германии.

О наличии серьезных перспектив у автомобилей на водороде «Известиям» сказал и руководитель проектов по бизнес-процессам ГК «АвтоСпецЦентр» Константин Авакян.

— Для России развитие данного вида транспорта актуально не только за счет значительного запаса хода, но и благодаря хорошим показателям работоспособности при низких температурах (по сравнению с электрическими аккумуляторами, которые быстро разряжаются) и большей экономичности в обслуживании, — считает автоэксперт. — На эти преимущества обращают внимание производители техники — так, в 2020 году на рынок планируют выйти сразу 12 крупных изготовителей водородных двигателей, а разработкой новых автомобилей, работающих на экологичном топливе, занимаются компании BMW и Daimler — причем некоторые тестовые версии уже эксплуатируются в Азии, Америке и Европе.

Однако, по мнению эксперта, водородному транспорту присущи и недостатки, которые необходимо будет устранить до начала его широкого использования. При аварии бак с водородом может не выдержать удара и воспламениться, а инфраструктура для внедрения нового вида транспорта пока не развита и требует значительных вложений, отметил он.

Декарбонизация. Финская компания испытывает газопоршневые двигатели на водороде: фото

Финская технологическая группа Wärtsilä начала испытания своих газопоршневых двигателей на чистом водороде, предназначенных для балансирования энергосистем. В компании планируют к 2025 году создать концепт двигателя и электростанции, способных работать на 100% водороде, сообщается в пресс-релизе группы.

По прогнозам Wärtsilä, зеленый водород будет удовлетворять 13% мирового спроса на энергию к 2070 году. Однако пока на рынке не существует серийных двигателей, способных эффективно использовать это топливо, что ставит под угрозу глобальные амбиции по достижению нулевых выбросов.

Подписывайтесь на LIGA.Бизнес в Telegram: только важное

Wärtsilä объявила старт программы испытаний своих газопоршневых двигателей. В городе Вааса (Финляндия) будет исследована существующая технология двигателей серии 31, чтобы определить оптимальные параметры для работы на водороде. Сейчас газопоршневые двигатели Wärtsilä используются в качестве гибких балансирующих мощностей в энергосистемах с высокой долей ВИЭ.

В компании уверены, что зеленый водород, произведенный с использованием избыточной возобновляемой энергии с помощью электролиза, и другие виды чистого топлива на основе зеленого водорода будут обеспечивать длительный запас энергии, чтобы совместно с ВИЭ и краткосрочными системами накопления энергии (такими как литий-ионные батареи) создать надежные и полностью безуглеродные энергетические системы.

Согласно моделированию, осуществленному компанией Wärtsilä, только в странах G20 необходимо 11 000 ГВт солнечных и ветровых станций, чтобы достичь 100% возобновляемой энергетики. Также это потребует 933 ГВт углеродно-нейтральных тепловых маневренных мощностей, чтобы сделать возможным добавление такого объема ВИЭ и уравновесить эти будущие энергосистемы.

«Способность модифицировать существующие двигатели под использование водорода и других видов топлива на основе водорода, когда они станут широкодоступными, является критически важной для достижения глобальных целей декарбонизации. Двигатель внутреннего сгорания – это ключевая технология, с которой становится возможным наращивание возобновляемых источников энергии, поскольку она обеспечивает гибкость, необходимую для балансирования прерывистой генерации ветра и солнца», – отмечается в пресс-релизе.

• В 2019 году эксперт ООН предупредил о возможном «климатическом апартеиде», когда негативные последствия климатических изменений затронут в большей степени бедное население планеты. В 2020 году генсек ООН Антониу Гутерреш заявил, что XXI век может стать последним для человечества из-за экологических изменений. Исследователи из Принстонского университета считают, что климатический кризис подталкивает тропические регионы планеты, где проживают свыше 40% населения Земли, к пределам адаптации для жизни человека.
• В июне Европарламент одобрил климатический закон, который обязывает страны-членов ЕС снижать выбросы СО2 к 2030 году на 55% по сравнению с 1990 годом. Также Еврокомиссия подготовила крупный пакет законодательных предложений для достижения этой цели.

Подписывайтесь на LIGA.Бизнес в Facebook: главные бизнес-новости

Заправиться водородом: альтернативное топливо

В мире активно идут разработки топлива, которое может заменить бензин и дизель. Каких инноваций стоит ждать в ближайшем будущем — разбиралась РВК.

Создать альтернативу традиционным видам автомобильного топлива ученые пытались не одно десятилетие. Но скорее из спортивного интереса — речи о масштабном выводе разработки на рынок не шло. Запасов бензина и нефти было достаточно. Причем по приемлемым ценам, если не считать периодические скачки. Всерьез о необходимости нового топлива эксперты заговорили в начале 2000-х, когда заметно выросли цены на нефть. Параллельно стали ужесточаться экологические нормы и требования к выхлопам автотранспорта.

Оптимальным ответом на вызовы времени стало предложение гибридных двигателей, которые, кроме бензина, могли бы использовать электричество. Появились и газовые системы. Однако тренд последнего времени — разработка двигателей, которые работают за счет трех источников энергии: аккумуляторных батарей, водородных элементов и суперконденсаторов. Водородные элементы позволяют химически (без пламени) генерировать электричество, а аккумуляторы и конденсаторы его сохраняют. В итоге машина движется за счет накопленной электроэнергии, которую создает газовое топливо.

В отличие от обычных электрокаров, такой автомобиль получает значительный запас хода — даже больше, чем с бензиновым топливом. И это, кстати, актуально для России с ее огромными территориями и слишком холодными для электродвигателей зимами.

Еще одно важное преимущество водородных топливных элементов — то, что они позволяют запустить двигатель быстро без подзарядки аккумулятора, да и в обслуживании такой двигатель, как заверяют разработчики, неприхотливее классического. В целом за счет цены топлива и долговечности водородные машины, по-видимому, должны стать экономичнее для потребителей.

Варианты технологий

Газовые топливные элементы имеют немало различий. Поэтому компании-разработчики продолжают экспериментировать с вариантами нового двигателя. Самый популярный — топливный элемент с протонно-обменной мембраной. Он отмечается высокой плотностью энергии и быстрым запуском в компактном корпусе. Перспективной считается технология с использованием метанола. Но здесь есть и побочный эффект: углеродный остаток. Водород же в качестве остатка дает воду.

Также топливные элементы могут иметь различные типы электролитов, в которых ионные реакции протекают при разных температурах. Низкотемпературные требуют чистый водород, а значит, больше энергии и специальное оборудование. Высокотемпературные топливные элементы менее затратны, но не везде подходят.

Соревнования разработок

В отличие от беспилотных автомобилей, крупных технологических конкурсов по разработке водородных двигателей не проводится. Потенциальных участников не так много. Среди корпораций — разработчиков водородной технологии можно назвать лишь Toyota, Honda и Hyuindai.

Большинство конкурсов по «водородной альтернативе» проходят среди студентов технических вузов с призовым фондом до 1 тысячи долларов, а испытания проводятся на миниатюрных конструкторских моделях.

Например, ежегодный конкурс Hydrogen Car Challenge (H2 Challenge) среди университетских команд, проводимый компанией TransOptions. В ходе гонки профессиональное жюри оценивает следующие параметры: скорость модели, техническое проектирование, внешний дизайн, качество проектной документации.

Еще пример — ежегодный студенческий конкурс Chem-E-Car Competition, проводимый Американским институтом химических инженеров (American Institute of Chemical Engineers). Участники также работают на миниатюрных моделях, при этом водород должен вырабатываться на месте (либо на автомобиле), а использование баллонов водорода запрещено.

Среди других конкурсов по водородным топливным элементам стоит отметить соревнования, проводимые правительством Великобритании. В данном случае конкурсы имеют целью развитие инфраструктуры и экосистемы на основе водородного топлива.

Первый из таких конкурсов состоялся в 2016 году, в рамках которого участники могли получить софинансирование со стороны Департамента транспорта Великобритании на пополнение своих автопарков автомобилями на водородных топливных элементах. Суммарный объем фонда составил 2 миллиона фунтов стерлингов (160 миллионов рублей), победителями стали 14 организаций, в том числе Europcar (прокат автомобилей), Skanska (строительная компания), служба скорой помощи Йокршира.

Другой конкурс с более весомым бюджетом — 23 миллиона фунтов стерлингов (1,8 миллиарда рублей) — объявило Бюро по автомобилям с низким уровнем выбросов Департамента транспорта Великобритании в 2017 году. Цель подобных соревнований, как объясняют местные власти, — достичь нулевого выхлопа CO2 на транспорте к 2040 году.

Конкурсы для разработчиков водородных технологий вскоре пройдут и в России. В июле стартовал сбор заявок на Up Great в рамках Национальной технологической инициативы. Среди первых трех конкурсов два — на создание водородных двигателей для летательных аппаратов и наземного транспорта. Возможные победители (при условии выполнения задания) станут известны уже в следующем году.

По результатам соревнований могут появиться новые разработки, которые подтолкнут развитие «водородного» рынка и соответствующей инфраструктуры в России. На данный момент ее практически нет.

Игроки рынка топливных элементов

Поскольку расходы на разработку водородных двигателей требуют еще значительных инвестиций, многие автопроизводители пока делают выбор в пользу альтернативных электродвигателей. Однако к 2020 году ожидается выход на рынок более 12 крупных производителей водородных двигателей. В частности, над разработками в этой области работают BMW, Daimler, Honda и Toyota. Демонстрационные авто уже эксплуатируются в Европе, США и Азии.

Хотя разработки водородных двигателей идут уже более десяти лет, основным сдерживающим фактором остается их высокая стоимость (в частности, платины, которая используется в составе). Для доработки и удешевления технологии компании начали создавать консорциумы-партнерства — как, например, Honda, Nissan и VW.

По оценкам Frost & Sullivan, к 2030 году глобальный рынок водородных двигателей составит около 583 тысяч единиц, причем на страны Азиатско-Тихоокеанского региона — Японию и Южная Корею — будет приходиться наибольшая доля продаж (219 тысяч и 80 тысяч соответственно). В других регионах ожидается более медленная динамика:117 тысяч к 2020 году в Европе и 119 тысяч — в Северной Америке.

Предполагается, что лидерами отрасли будут Toyota и Hyundai. На первого придется порядка 30% объема всех продаж к 2030 году, на Hyundai — около 25%.

Кстати, японцы уже разработали свою первую серийную модель автомобиля с водородным двигателем — Toyota Mirai. Автопроизводитель заявляет, что она отличится от своих аналогов повышенным запасом хода, который составит 480 километров.

Свой мелкосерийный водородный автомобиль в конце 2015 года представила и компания Honda — седан Honda Clarity Fuel Cell. Мощность двигателя составляет около 100 кВт (135 л.с.), заявленный запас хода — 700 километров, время заправки не превышает трех минут.

Конечно, стоимость этих машин сильно ограничивает их популярность. Например, в 2017 году водородная Honda стоила 3,3 миллиона рублей. Toyota в 2015 году — 66 тысяч евро, или 5,28 миллиона рублей по текущему курсу.

Создание инфраструктуры для заправки водородным топливом будет играть решающую роль в успешной коммерциализации заработок. Сейчас число водородных станций остается довольно низким, и это основной сдерживающий фактор роста рынка автомобилей на водородных двигателях. Сегодня в мире всего порядка 250 водородных заправочных станций, из них 75% — в Северной Америке и Европе. Великобритания поставила цель — создать к 2018 году 65 заправочных станций и более 840 — к 2030-му.

Ожидается, что автопроизводители будут постепенно продвигать водородные транспортные средства для соответствия нормативным требованиям по количеству выбросов вредных веществ, а также исходя из развития инфраструктуры водородных заправочных станций.

Несмотря на то что основной рынок водородного топлива — автомобили, перспективы этих двигателей наблюдаются и в других транспортных индустриях. Они используются и в авиации, железнодорожном транспорте, морской технике.

Например, компания MAN Truck & Bus производит городские низкопольные автобусы на водороде. Они уже эксплуатируются в Европе.

Компания Boing совместно с европейскими компаниями в 2008 году запустила первый пилотируемый полет самолета с двигателем на топливных элементах. В Германии компания Siemens занимается выпуском подводных лодок на водороде (плюс их в том, что они практически не производят шума).

Испанская судостроительная компания Navantia, S.A. также планировала начать производство водородных подводных лодок для охраны побережья. Однако испытания в 2013 году прошли неудачно: из-за конструкторских ошибок спроектированные лодки оказались значительно тяжелее и испытывали трудности при всплытии.

Зато Исландия планирует перевести на водород весь транспорт, включая общественный, личные автомобили и плавательные средства. Начать решили с рыболовецких судов. Так, в 2008 году сообщалось, что 12 тысяч судов рыболовного флота будут оснащены водородными двигателями.

Перспективы водородных автомобилей в России

Российский рынок транспортных средств на водородных топливных элементах фактически отсутствует. Официальные поставки водородных моделей мировых автопроизводителей — Toyota, Honda, Hyundai — в Россию не планируются, в первую очередь из-за отсутствия заправочных станций, а также конкретных планов развития водородного транспорта в стране.

Вместе с тем существуют определенные перспективы. Водородные автомобили имеют преимущество в потенциальном запасе хода в условиях холодных российских зим на фоне электромобилей, которые значительно сокращают его в холодное время года. Предполагается, что стоимость в обслуживании таких автомобилей может стать ниже классических моделей, что также сыграет существенную роль в потребительских предпочтениях и развитии рынка.

Многое о перспективах развития водородной технологии в России могут сказать результаты конкурсов «Первый элемент» по разработке альтернативных двигателей в рамках технологических конкурсов Up Great.