чем опасен водородный двигатель
Плюсы и минусы водородного топлива
Водородное топливо уже давно занимает ведущие позиции среди других источников энергии. Обладающий уникальными свойствами, водород по праву называют топливом ближайшего будущего. По сравнению с дизельным и бензиновым топливом, у него больший КПД, а также экологичность. Попытаемся разобраться, почему его до сих пор не используют?
История двигателя внутреннего сгорания на водороде
Применение водорода в качестве топлива началось еще в XIX веке, когда французский изобретатель Франсуа Исаака де Риваз в 1806 году разработал самый первый в мире ДВС, потребляющий водородное топливо. Необходимую электрическую энергию он получал методом электролиза воды. Позже бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар заставил самоходный экипаж двигаться с помощью энергии водорода. Так бы водород и служил бы человечеству в качестве основного топлива, но в 1870 году в ДВС стали применять бензин, сведя на нет первые опыты с водородным топливом.
Водородное топливо в блокадном Ленинграде
О водороде вспомнили только в блокадном Ленинграде в конце 1941 года, благодаря военному технику Б. И. Шелищу, который предложил использовать отработанный водородный газ для заправки автотранспорта. От налетов вражеской авиации Ленинград защищался зенитными орудиями, а также заградительными аэростатами, наполненными водородом, чтобы помешать прицельной бомбардировке города.
Когда водородные аэростаты спускались на землю, их использовали в качестве альтернативного источника топлива. Всего лишь за неделю группа техников переоборудовала на водородное топливо 600 грузовиков ГАЗ. После войны об этом изобретении снова забыли, перейдя опять на бензин.
В 1970 годах, когда произошел энергетический кризис, люди опять оценили необходимость альтернативных источников энергии. Так, Украинским ИПМ был переоборудован весь свой автомобильный парк водородное топливо, отлично справившись с топливным кризисом. Об успешных экспериментах снова забыли после распада советского союза.
Современные автомобили на водороде находятся пока в стадии проектирования, а вернее выпускать серийно опытные модели пока не собираются из-за неразвитой инфраструктуры заправок автотранспорта водородным топливом. В промышленных масштабах получить водород электролизом воды недешево, поэтому автокомпании пока не спешат на него переходить, ожидая более дешевый и простой способ получения топлива.
Преимущества водородных ДВС
Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов.
Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны.
КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.
Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:
Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах.
Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.
Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.
Несовершенство технологий хранения такого топлива.
Дорогие водородные элементы.
Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.
Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.
Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы.
Производители транспорта на водородном топливе
Мировые производители все же проводят испытание в этой сфере и даже выпускают автотранспорт на водородном топливе:
Toyota — модель Toyota Highlander FCHV;
Ford Motor Company проводит испытания с концептом Focus FCV;
Honda со своей моделью Honda FCX;
Hyundai выпускает Tucson FCEV;
Daimler AG отвечает за модель Mercedes-Benz A-Class;
Все же водород является единственной приемлемой экологической энергией с огромным будущим. От ученых зависит только разработать инфраструктуру, обнаружить способ добычи водорода, наладить порядок в инструкциях по эксплуатации топлива, и тогда навсегда уже забыть о выхлопных газах, нефтяных вышках и других проблемах бензиновой зависимости.
Ученый из Сколково: Водородные двигатели не так хороши, как кажется
От массового использования водородный двигателей предостерегает инженер Сколковского института науки и технологий, гендиректор одной из компаний-резидентов Евгений Ерхан. «Водородно-топливная энергетика, по моему мнению, — это абсолютно тупиковая ветвь развития, не имеющая никакого продолжения», — заявил Ерхан в интервью ФАН. Водород, по его словам, сложно и дорого производить, а его эксплуатация крайне опасна: использование водородных двигателей в транспортных средствах, в случае попадания такого автомобиля или автобуса в аварию, чревато большим количеством жертв. «Представьте себе, что у вас в машине баллон 700 атмосфер и вы на этой машине влетаете в стену, ну или в аварию попадаете. Так вот, при ударе ваш баллон превращается в гранату, разрывая все вокруг себя, — пояснил инженер. — Если вы возьмете статистику, посмотрите, какое количество аварий в России произошло и какое количество машин загорелось, она просто ничтожно мала. Но если в автомобиле будет баллон с водородом и если он взорвется, то мало того, что 100% пострадает человек, который находится внутри машины, так еще и автомобиль превратится в шрапнель, куски гранаты, которые будут уничтожать все вокруг себя».
Ученый привел в пример случаи взрывов баллонов с бытовым газом в жилых домах, которые способны разрушить несколько квартир и даже несколько этажей друг над другом.
«Давление в газовом баллоне при этом всего 14 атмосфер, а в водородном — 700 атмосфер. Это опасная, страшная технология», — подчеркнул Ерхан.
Он также обратил внимание на то, что водород является крайне сложным в производстве газом.
«Добывать водород при помощи электролиза воды крайне неэффективно и очень дорого, это колоссальные затраты энергии. На сегодняшний день единственным эффективным способом получения водорода является сжигание метана. В итоге получается водород, и в машине или где бы вы его ни использовали, выбросов не будет. Но для того, чтобы получить этот водород, придется обязательно загрязнять атмосферу в процессе производства этого водорода», — пояснил эксперт.
Собеседник агентства подчеркнул, что еще одним аргументом против использования водорода является энергоемкость таких двигателей: она значительно меньше, чем у традиционных ДВС.
«Что бы ни делали, как бы ни танцевали, но если вы возьмете водородный самолет и керосиновый самолет, то второй будет летать дольше — это факт. Некоторые доказывают, что это несовершенная технология, что ее нужно доработать, что водородно-топливной энергетике еще только 20 лет. Но эти 20 лет прошли, и за это время не сильно-то поменялась технология. В ее основе в любом случае лежат платиновые либо палладиевые мембраны. И платина, и палладий — это колоссально дорогие элементы», — резюмировал Ерхан.
Эксперт убежден, что от использования водорода мир быстро откажется. «Мое личное мнение, что вся водородная индустрия, весь хайп вокруг этого свернется, как только появится необходимость массового производства и поставок, появятся станции заправки, когда начнутся первые взрывы баллонов. Вот тогда и начнутся запреты», — добавил эксперт.
Евгений Ерхан отметил, что выступающие за зеленую энергетику европейцы сами не спешат пересаживаться на водородомобили, водородобусы и подниматься в небо на самолетах с водородными двигателями.
Водородный двигатель для автомобиля, как избавиться от нефтяной зависимости
Запасы нефти подходят к концу, что вынуждает человечество искать альтернативные источники энергии, способные заменить «черное золото». Одним из решений является применение водородного двигателя, отличающегося меньшей токсичностью и большим КПД. Главное то, что запас сырья для производства горючего почти неограничен.
Когда появился водородный двигатель? В чем особенности его устройства, и каков принцип действия? Где применяется такая технология? Реально ли сделать такой мотор своими руками? Эти и другие вопросы рассмотрим ниже.
Когда появился водородный двигатель, основные компании, ведущие его разработку
Интерес к применению водорода появился еще в 70-х годах в период острого дефицита топлива. Первым современным разработчиком, который представил двигатель для автомобиля работающий на водороде, стал концерн Toyota. Именно он в 1997 году выставил на всеобщее обозрение внедорожник FCHV, который так и не пошел в серийное производство.
Несмотря на первую неудачу, многие компании продолжают исследования и даже производство таких автомобилей. Наибольших успехов добились концерны Тойота, Хендай и Хонда. Разработки ведут и другие компании — Фольксваген, Дженерал Моторз, БМВ, Ниссан, Форд.
В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.
Интерес к покупке Coranda iLint уже проявила Норвегия, Дания и другие страны.
Особенности водорода как топлива для двигателя
В ДВС бензин смешивается с воздухом, после чего подается в цилиндры и сгорает, в результате чего происходит перемещение поршней и движение транспортного средства.
Применение водорода в виде топлива имеет ряд нюансов:
С учетом перечисленных нюансов применять H2 в чистом виде для двигателя внутреннего сгорания нельзя. Требуется внесение конструктивных изменений в ДВС и установка дополнительного оборудования.
Устройство водородного двигателя
Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:
Как отмечалось выше, конструкция мотора, работающего на H2, почти не отличается от ДВС за исключением некоторых аспектов.
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.
Где использовались водородные топливные элементы?
Особенность топливных элементов водородного типа —способность производить энергию для электрического мотора. Как результат, система заменяет ДВС или становится источником бортового питания на транспортном средстве.
Впервые топливные элементы были использованы в 1959 году компанией из США.
Если говорить в целом, топливные элементы применяются:
Также водородные топливные элементы нашли применение на вилочных погрузчиках, велосипедах, скутерах, мотоциклах, тракторах, автомобилях для гольфа и другой технике.
Преимущества и недостатки
Чтобы понять особенности и перспективы водородного двигателя в автомобиле, стоит знать его плюсы и минусы. Рассмотрим их подробнее.
Также к плюсам стоит отнести:
Недостатки водородного двигателя:
Кроме уже рассмотренных выше, стоит выделить еще ряд недостатков:
Опасность водородного топлива
В рассмотренных выше недостатках упоминалось об опасности применения водородного топлива для двигателя. Это главный минус новой технологии.
В сочетании с окислителем (кислородом) возрастает риск воспламенения водорода или даже взрыва. Проведенные исследования показали, что для воспламенения H2 достаточно 1/10 части энергии, необходимой для зажигания бензиновой смеси. Другими словами, для вспыхивания водорода хватит и статической искры.
Еще одна опасность заключается в невидимости водородного пламени. При горении вещества огонь почти незаметен, что усложняет процесс борьбы с ним. Кроме того, чрезмерное количество H2 приводит к появлению удушья.
Опасность в том, что распознать данный газ крайне сложно, ведь у него нет запаха и он полностью невидим для человеческого глаза.
Кроме того, сжиженный H2 имеет низкую температуру, поэтому в случае утечки с открытыми частями тела высок риск серьезного обморожения. Находится данный газ должен в специальных хранилищах.
Из рассмотренного выше напрашивается вывод, то водородный двигатель опасен, и использовать его крайне рискованно.
На самом деле, газообразный водород имеет небольшой вес и в случае утечки он рассеивается в воздухе. Это значит, что риск его воспламенения минимален.
Современные автомобили с водородными двигателями
Возможность применения двигателей на водородном топливе заинтересовала многих производителей. В результате в автомобильной индустрии появляется все больше машин, работающих на данном газе.
К наиболее востребованным моделям стоит отнести:
Трудности в эксплуатации водородных ДВС
Главным препятствием для внедрения новой технологии является чрезмерные расходы на получение водородного топлива, а также на приобретение комплектующих материалов.
Простейший способ получения водорода — электролиз воды. Если производство H2 требуется в промышленных масштабах, не обойтись без высоких энергетических затрат.
Чтобы повысить рентабельность производства, требуется применение возможностей ядерной энергетики. Чтобы избежать рисков, ученые пытаются найти альтернативы такому варианту.
Перемещение и хранение требует применения дорогих материалов и механизмов высокого качества.
Нельзя забывать и о других сложностях, с которыми приходится сталкиваться в процессе эксплуатации:
Будущее водородных двигателей
Применение H2 открывает большие перспективы и не только в автомобильной сфере. Водородные двигатели активно применяются на ж/д транспорте, на самолетах и вертолетах. Также они устанавливаются на вспомогательной технике.
Интерес к разработке таких моторов проявляют многие концерны, о которых уже упоминалось выше — Тойота, БМВ, Фольксваген, Дженерал Моторс и другие.
Уже сегодня на дорогах встречаются реальные автомобили, которые работают на водороде. Многие из них рассмотрены выше — БМВ 750i Hydrogen, Хонда FSX, Тойота Mirai и другие.
К работе подключились почти все крупные концерны, которые пытаются найти свою нишу на рынке.
Главным недостатком остается высокая цена H2, нехватка АЗС, а также дефицит квалифицированных работников, способных обслуживать такую технику. Если имеющиеся проблемы удастся решить, машины с водородными двигателями обязательно появятся на наших дорогах.
Конкурирующие технологии
Внимание к моторам на водороде развеивается по той причине, что у технологии имеются конкуренты.
Вот только некоторые из них:
Можно ли сделать своими руками?
Технология работы двигателя на газ известна давно, и многие концерны достигли успехов в вопросе внедрения водородных двигателей. Над совершенствованием классического ДВС задумались и народные умельцы.
Суть заключается в подаче в камеру сгорания специального газа. Такое устройство носит название системы Брауна. При этом бензин также подается в двигатель, но смешивается с газом, что обеспечивает лучшее горение.
В результате появляется водяной пар, очищающий клапана и поршни двигателя от нагара, улучшающий характеристики мотора и повышающий его ресурс.
Чтобы своими руками разложить воду на газ, требуется катализатор, дистиллят, электроды и электричество.
Конструкция собирается из подручных материалов. Допускается применение одной банки, но лучше использовать шесть.
После вырезаются пластинки и объединяются по принципу крест-накрест. Далее они обматываются проволокой и крепятся на крышке. Важно, чтобы электроды не замыкались между собой.
На последнем этапе банки заполняются электролитом и катализатором. Такая схема может работать на любом автомобиле.
Если же говорить о полноценном водородном двигателе, то в гаражных условиях сделать его конечно же не получится из-за сложности технологии.
Водород в автомобилях: Опасности и сложности использования
Плюсы и минусы использования водорода в качестве автомобильного топлива
21 век в автомобильном мире будет веком распространения технологий будущего. Но не всем новым технологиям суждено выиграть в этом естественном отборе.
Экологичность такого вида топлива тоже не подвергается сомнениям. Последняя серийная разработка японской автомобилестроительной корпорации «Toyota» доказала, что «выхлоп» водородного автомобиля можно…по-просту пить. Это лмчно продемонстрировал один зарубежный автожурналист. Он сделал несколько глотков воды поступающей прямо из выхлопной трубы автомобиля Toyota Mirai, и тут-же сказал, что на вкус данная вода вполне себе даже ничего, настоящая дистиллированная, без примесей.
Следующий фактор о водородных двигателях (его косвенно можно считать таковым). Исторически так уж сложилось, что водородом заправляли еще «автопионеров» среди ДВС. Первый такой водородный двигатель был построен французским конструктором Франсуа Исаак де Ривазом аж в 1806 году.
Не забудем и те героические времена истории Нашей с вами страны. В блокадном Ленинграде на водород было переведено более 500 автомобилей. И они без особых проблем несли свою непростую но нужную службу.
Получается, что водород, как топливо для сжигания в ДВС, используют уже достаточно давно. Значит и особых проблем в создании современного автомобиля не должно просто быть.
Четвертый значительный фактор говорящий за целесообразность использования вещества с формулой H2- это его колоссальная распространенность на планете. H2 (водород) можно получать даже из отходов и сточных вод.
Часто встречающиеся в природе вещества достаточно дешево стоят. Значит и водородное топливо не должно быть дорогим.
Использование водорода может происходить в различных силовых установках, делая его таким образом более гибким к развитию технологий. Разрабатываемые современные водородные автомобили в основном используют эту данную схему, как наиболее безопасную и продуктивную.
Не мало плюсов, неправда ли друзья? И они все очень даже весомые. Но почему тогда до сих пор мы не видим миллионы водородных самодвижущихся экипажей вокруг нас по всей планете? На то есть свои определенные причины, и они также очень сегодня важны.
Давайте рассмотрим некоторые из причин, в том числе серьезные опасности, которые могут быть связаны с водородной энергетикой.
Поэтому получается, прежде чем водород может быть использован в качестве альтернативного топлива, он сначала должен быть извлечен из этих самых веществ, а затем уже переведен в особое состояние, то есть как правило, в тот самый сжиженный и необходимый нам вид.
Развитие сети водородных заправок дело будущих десятилетий. Именно столько должно пройти времени, чтобы стоимость их постройки была целесообразной.
Существуют ли опасности, которые связаны с наличием большого количества чистого водорода скопившегося в одном месте? Безусловно существует. Когда жидкий водород хранится в резервуарах, это безопасно, но стоит ему просочится в окружающую среду, как он моментально превращается в гремучую смесь (гремучий газ).
А пока все построенные объекты для заправки автомобилей водородом скорее всего используются в качестве рекламного хода и для демонстрации возможностей будущего.
Топливные ячейки стоят на третьей позиции в качестве минусов. Эти вроде безопасные элементы тоже не избежали тернистого пути метода проб и ошибок. Как и с теми же заправочными станциями и с теми же двигателями ДВС, все упирается именно в стоимость применяемых на данный момент технологий.
Приведем один пример. В качестве катализатора в этих топливных элементах используется на данный момент платина. А теперь представляете друзья стоимость такой детали?!
Некоторые технологии для ДВС настолько дороги, что проще купить жене платиновое кольцо с бриллиантом, чем заменить сломавшуюся деталь в водородном автомобиле.
Хорошая новость в этом достаточно дорогом деле заключается в том, что ученные непрерывно день-изо-дня ищут замену этому драгоценному металлу. Разрабатываются все новые технологии, проходят тестирования новые современные материалы. В конечном итоге ученые надеются, что «топливные элементы будущего» могут существенно снизить себестоимость сегодняшних элементов в 1000 раз и более.
Еще одна проблема кроется в том, что это пламя водорода почти невидимо. При возгорании водорода пламя настолько тускло, что с ним не так-то просто бороться (справиться).
И наконец последняя причина. Как и любой сжиженный газ водород имеет очень низкую температуру. При утечке из бака и непосредственным контактом с открытыми участками тела человека, он может привести к серьезному обморожению.
Действительно ли водород на столько опасен?
Наверное, после всего прочитанного Вы будете уважаемые читатели просто в шоке, что водород на столько опасен. И возможно никогда не захочете покупать себе водородный автомобиль, если в будущем у вас появится такая возможность(?).
На самом деле не все так уж и плохо. Поскольку газообразный водород чрезвычайно легок, то при утечке он быстро рассеется в самой атмосфере. Тогда ни какой гремучей смеси не получится и опасность взрыва будет сведена к минимуму.
Что касается опасности удушья, то мы ответим вам так: –такая проблема может случиться только в замкнутом пространстве, например в гараже. Если же утечка водорода произойдет на открытом воздухе, то его концентрация будет незначительной и небольшой, опасности для жизни она не представляет.