Водород

Роль российских компаний в новой энергетике

Однако для пилотных проектов подходит не только Северная Африка. Как показывает проект водородного трамвая, запущенного в Санкт-Петербурге в ноябре 2019 года, современные российские города прекрасно подходят в качестве «шоурумов» для водородных технологий. Такие яркие примеры внедрения инноваций будут иметь положительный имиджевый эффект не только для экономики России, но и для долгосрочного сотрудничества с Евросоюзом.

Потенциал этого сотрудничества частично отражен в энергетической стратегии Российской Федерации, опубликованной день в день с немецкой водородной стратегией. В документе водород обозначен как топливо с высоким экспортным потенциалом. К 2024 году российский экспорт водорода должен составить 0,2 млн т, а к 2035 вырасти до 2 млн т. По планам Минэнерго, Россия должна занять до 16% мирового рынка водорода.

В парадигме, когда уровень развития и благосостояния страны напрямую зависят от экспорта энергоресурсов, ставка на водород совершенно оправдана. Эта технология может стать дополнительным драйвером развития в общем балансе экспорта. Но чтобы реализовать эти амбициозные планы, российским корпорациям нужно уже сейчас развивать водородную энергетику и оперативно пересматривать свои бизнес-модели, ведь «энергетический переход», на который нацелились немцы, неминуемо приведет к снижению спроса на нефтепродукты и природный газ в ближайшем будущем.

Принцип работы водородных автомобилей

Авто, работающее на водороде, призвано снизить атмосферные выбросы углекислого газа, а также других вредных примесей. Использование водорода для приведения в движение колёсного транспортного средства, возможно двумя различными способами:

• применением водородного двигателя внутреннего сгорания (ВДВС);
• установкой силового электрического агрегата, работающего от водородных элементов (ВЭ).

 
В то время, как мы привыкли заполнять бензином или дизельным топливом свой автомобиль, новое чудо – работает на наиболее распространенном элементе во вселенной — водороде

Водородный элемент состоит из следующих частей:

• корпуса;
• мембраны, пропускающей только протоны – она делит ёмкость на две части: анодную и катодную;
• анода, покрытого катализатором (палладием или платиной);
• катода с тем же катализатором.

Принцип действия ВЭ построен на физико-химической реакции, состоящей в следующем:

• Водород подаётся в анодный отсек, где под действием катализатора его молекулы отдают свои электроны аноду.
• Образовавшиеся протоны (Н+) поступают в катодную часть ВЭ, свободно проходя через мембрану, куда одновременно подаётся кислород.
• Электроны устремляются по аноду в цепь питания электродвигателя автомобиля, приводя его в движение.
• Под действием катализатора, подаваемые на катод электроны, соединяются с протонами (Н+), образуя молекулярный водород. Подача в камеру кислорода, способствует образованию молекул воды.

Таким образом, при движении автомобиля не выделяется углекислый газ, а лишь водяной пар, электричество и окись азота.

За и против

В настоящее время в мире производится около 70 млн тонн водорода в год. Очевидным плюсом водорода является экологичность. Однако на другой чаше весов находится его взрывоопасность, способность вызывать коррозию и высокая летучесть.

Другим недостатком производства водорода является высокая эмиссия CO2. В настоящее время, по данным Международного энергетического агентства, три четверти от общего объема производимого водорода получают из природного газа по технологии парового риформинга (так называемый «серый» водород). «Это дешево, но неэкологично — газ смешивается с паром при высоком давлении и температуре, из-за чего, кроме водорода, выделяются парниковые газы, как от сжигания топлива», — поясняет консультант Vygon Consulting Максим Баранов.

Другим способом производства является электролиз воды. При этом, с точки зрения экологии, производить «зеленый» водород таким способом имеет смысл только с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ). «Особенно это может быть выгодно в случае «прерывистой» генерации, загрузка которой зависит от интенсивности ветра, солнечного излучения и т.д. При избытке энергии производится водород, при недостатке — водород используется для генерации», — отмечает директор группы по природным ресурсам и сырьевым товарам агентства Fitch Дмитрий Маринченко.

Однако в настоящее время эта технология вдвое дороже риформинга — $3-4 за кг водорода. «Использование дешевеющей электроэнергии бестопливной генерации (солнечные станции и ветропарки) и введение углеродного налога склоняют к переходу от натурального газа к экологичному водороду, но пока паритет стоимости производства водорода риформингом и электролизом ожидается в 2025-2030 годах», — добавляет Баранов.

Электронный блок

Данную часть генератора можно также собрать своими руками, особенно если есть познания в сфере электроники. Если таких познаний и навыков нет, то лучше обратиться к специалистам в этих областях. Блок управления должен в автоматическом режиме изменять ток, который подается на пластины, исходя из оборотов мотора.

Мощность можно установить лишь опытным путем на холостых оборотах мотора, а также под нагрузкой. Электронный блок должен получать информацию с датчиков автомобильной системы управления.

После монтажа этого генератора нужно еще раз удостовериться в герметичности и надежности всех соединений этой конструкции. Утечка опасна не только вероятностью взрыва, такая машина будет вести к повышенному расходу топлива. В итоге эффект будет крайне отрицательным. Но в целом такая машина на водороде, своими руками сделанная, позволяет экономить от 25% до 40% топлива.

Подобная техника и такие способы экономии топлива уже давно и успешно используются во всем мире. Известный актер Арнольд Шварценеггер уже давно ездит на комбинированной машине, которая работает на бензине с водородом. Автомобиль обошелся кинозвезде в 150 тысяч долларов. Расход топлива на этом комбинированном двигателе составляет 5,8 л на 100 км.

Сегодня такая машина на водороде в России тоже может быть очень актуальной.

Итак, мы выяснили все особенности и принцип работы автомобилей на данном экологическом виде топлива. Как видите, это вполне реальная альтернатива сегодняшнему бензину. И есть надежды, что уже в ближайшие десятилетия человечество перейдет на новую ступень развития, где по улицам будут ездить автомобили, работающие на водороде.

Плюсы и минусы

Достоинства и недостатки углеводородного топлива сложно сравнивать, настолько они уравновешивают друг друга. Иными словами, у такого горючего минусов ровно столько, сколько плюсов. А потому, пока его дочиста не вычерпают из недр нашей Матушки Земли, никто от него не откажется.

Плюсы:

• Высокая температура сгорания, мощная теплоотдача;
• Экономичность применения;
• Добыча приносит гигантскую прибыль. Порой, от нее зависит экономическая мощь целого государства, уровень жизни его граждан;
• Комплексность переработки (что только сегодня не производят из нефтепродуктов…);

Минусы:

1. Это невозобновимый природный ресурс (на его повторное накопление в недрах требуется, по разным оценкам, от 50 до 350 млн. лет);
2. В процессе сгорания выделяется огромное количество углекислого газа, оксидов азота и других вредных компонентов. Все это вредит атмосфере, загрязняет воздух, является главной причиной назревающего парникового эффекта с непредсказуемыми последствиями;
3. Ненужные продукты переработки углеводородного топлива (например, технические масла) губительно влияют на природу и живых существ в воде и воздухе. Токсическое воздействие является главным негативным фактором использования данных энергетических ресурсов.

Итак, десятки миллионов лет останки микроорганизмов зрели в недрах планеты. Без доступа кислорода органические вещества подвергались биохимическим реакциям. В результате, часть перешла в жидкое состояние, часть в газообразное, другая – в твердое. Сегодня углеводородное сырье (нефть, газ и уголь) является важнейшим элементом хозяйственной деятельности любой страны. Однако, сколько веревочке не виться – конец близок. Застанем ли его мы? Поживем, увидим!

Особенности потребления водородного топлива

Наконец, пришло время поговорить об особенностях потребления водородного топлива.

Во-первых, на радость борцам за экологию снижается выброс углекислого газа и вредных продуктов сгорания в атмосферу, здесь необходимо сделать ремарку о том, что данное положительное явление может нивелироваться, если для производства самого водорода будут использоваться грязные источники энергии, так что как ни крути, а водородное дитя требует более нежного обращения, если люди хотят, чтобы из него кое-что получилось в будущем.

Во-вторых, с использованием водорода экономики стран могут стать менее зависимыми от роста цен на энергоносители.

В-третьих, КПД водородного двигателя составляет 45%, что больше, чем у его дизельного аналога. Хотя мощность первого меньше, чем у второго на 20-30%, кроме того, водород может существенно увеличить износ деталей двигателя за счет вступления в реакции с материалами, из которых они изготовлены.

Водородомобили

Автомобили с двигателями, работающими на водороде, делятся на несколько групп:

• Транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД до 90%.
• Машины с гибридным двигателем. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
• Автомобили со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства.

Главной особенностью водородомобилей является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.

Уже выпускаются серийно такие модели водородомобилей, как:

• Ford Focus FCV;
• Mazda RX-8 hydrogen;
• Mercedes-Benz A-Class;
• Honda FCX;
• Toyota Mirai;
• Автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450;
• гибридный автомобиль на два вида топлива BMW Hydrogen 7.

Серийный водородомобиль Тойота «Мирай».

Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9,6 секунды и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км

Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen. Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.

Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.

Home Energy Station III — это компактный блок, включающий в себя топливные элементы, баллон для хранения водорода и риформер природного газа, извлекающий H2 из газовой трубы.

К недостаткам водородомобилей можно отнести:

• громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
• пока высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
• несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для топлива не позволяющих долго хранить водород;
• отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.

По мере серийного производства большинство этих конструктивных и технологических недостатков будут преодолены, а по мере развития добычи водорода, как полезного ископаемого, и сети заправок, существенно понизится его стоимость.

В 2016 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom. Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Во Франции выпустили оригинальную модель велосипеда на водороде. (Французский Pragma). Заливаешь всего 45 грамм водорода и в путь! Расход топлива — примерно 1 грамм на 3 километра.

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.

Список автомобилей на водородном топливе

Существует ли автомобиль на водородном топливе? Да, причём их количество не такое уж и малое. Расскажу про самые популярные модели.

Honda Clarity

Автомобиль продавали в Японии и Калифорнии до 2014 года. Запас хода около 600 км, что больше, чем у любого электрокара. Заправляется Honda Clarity за считанные минуты.

Затем автоконцерн Honda выпустил конкурента Toyota Mirai, цена которого 72 тыс. долл. под названием Clarity Fuel Cell. На полной заправке можно было проехать до 700 км. Мотор имеет мощность 174 л.с. Автомобиль 5-местный.

Toyota Mirai

Это японский автомобиль, который создали после несколько десятков лет разработок. Автомобиль сначала выпустили для японского рынка, а затем и для американского.

Запас хода автомобиля на одной заправке 502 км, максимальная скорость – 178 км/ч., мощность – 153 л.с. В авто встроена система, которая видит препятствия и автоматически включает тормоз. В машине есть сенсорные экраны, при помощи которых осуществляется управление навигацией и микроклиматом.

Ford Airstream

Это гибридный автомобиль с электрическим мотором и водородными ячейками. Поэтому кроме водорода автомобиль может применять для движения аккумуляторы, которые подзаряжаются от водородных элементов.

На аккумуляторе Ford Airstream может проехать около 40 км (это половина заряда), а затем активируется водородное топливо. Запас хода чуть более 450 км, а максимальная скорость — 135 км/ч.

Mercedes-Benz GLC F-CELL

Это первый серийный автомобиль, который сочетает в себе аккумулятор и водородные топливные ячейки. На электричестве он может проехать 50 км, а на водороде – около 430 км. Отмечу, что аккумулятор можно зарядить от обычной электрической розетки.

Автомобиль можно использовать как в качестве электрокара на небольшие расстояния, так и в качестве водородного авто для длительных поездок.

Pininfarina H2 Speed

Это итальянский автомобиль, который способен разгоняться до 100 км/ч всего за 3,4 секунд. Максимально автомобиль может разгоняться до 299 км/ч. Запасы чистого водорода в баке – чуть более 6 кг. Кроме этого Pininfarina имеет мощный аккумулятор и электромоторы. Цена этого продвинутого автомобиля составляет 2,5 млн. долл.

BMW Hydrogen 7

Авто создано на базе стандартной BMW 7. Он работает как на бензине, так и на жидком водороде. В BMW Hydrogen 7 имеется бензиновый бак на 74 литра и большой водородный баллон весом целых 8 кг. Таким образом, максимальный запас хода в этой машине 780 км.

Автомобиль автоматически переключается между двумя типами топлива. Мощность двигателя на водороде – 228 л.с., а на бензине – больше на 32 л.с. Максимальная скорость 229 км/ч, разгон до 100 км/ч осуществляется чуть меньше, чем за 10 секунд.

Hyundai Nexo

Этот автомобильный концерн также стал одним из первых производить серийные водородные автомобили. Мощность двигателя Hyundai Nexo составляет 161 л.с., запас хода – 600 км. Разгоняется авто до 100 км/ч за 10 секунд. Цена автомобиля от 70 тыс. долл.

Grove Obsidian

Это водородный китайский автомобиль нового поколения, у которого запас хода составляет впечатляющие 1000 км. Он экономно расходует топливо за счёт облегчённого корпуса из углеродного материала и невысокому аэродинамическому сопротивлению. Заправка бака происходит всего за 3 минуты, а сам топливный бак очень прочен. А если бак будет повреждён, то водород из него вытечет в жидком виде и сгорит менее чем за 2 минуты.

Серийно автомобили станут выпускать с 2020 года, а к 2030 планируется создать 1 миллион экземпляров.

Другие авто

Ограниченно выпускают:

• Audi A7 h-tron quattro;
• Hyundai Tucson FCEV;
• Mazda RX-8 Hydrogen RE;
• Автобус Ford E-450;
• Низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

• Focus FCV;
• Honda FCX;
• Nissan X-TRAIL FCV;
• Toyota Highlander FCHV;
• Volkswagen — space up!;
• Mercedes-Benz A-Class и Mercedes-Benz Citaro;
• Irisbus;
• Toyota FCHV-BUS;
• единичные модели в Чехии, Китае и Бразилии.

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организацииМуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммыОтчетыпо упоминаниямДокументная базаЦенные бумагиПоложенияФинансовые документыПостановленияРубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датамРегламентыТерминыНаучная терминологияФинансоваяЭкономическаяВремяДаты2015 год2016 годДокументы в финансовой сферев инвестиционной

Принцип работы

Водород может использоваться для обогрева домов или в качестве топлива для автотранспорта. В первом случае можно добиться хорошего КПД благодаря высокому показателю теплопроводности вещества. Во время реакции окисления один атомами кислорода соединятся с двумя водородными, что приводит к образованию воды. Одновременно выделяется примерно в 3 раза больше тепла в сравнении со сжиганием природного газа.

Среди всех известных сегодня науке источников энергии, именно это вещество следует считать наиболее перспективным — мировой океан планеты дна две третьих состоит из этого вещества, а во Вселенной по распространению конкуренцию водороду может составить лишь гелий. таким образом, двигатель, работающий на этом топливе, можно считать лучшим.

Однако есть довольно серьезная проблема — для получения чистого водорода необходимо расщеплять воду, а это не самый простой процесс. Сегодня ученые считают, что проще всего для расщепления молекул воды использовать электролиз. Этот процесс известен каждому человеку со школьного курса физики: напряжение с высоким электрическим потенциалом буквально разрывает молекулы воды на составляющие элементы.

В результате образуется газ, имеющий формулу HHO с показателем теплотворной способности в 121 МДж/кг. Он был назван в честь физика Ю. Брауна и при горении не выделяет никаких вредных веществ. Особенность вещества заключается в том, что для его применения можно использовать те же емкости, которые сегодня применяются в качестве котлов для метана либо пропана. Однако необходимо предпринять дополнительные меры безопасности, так как газ Брауна является сильной гремучей смесью.

Водородный генератор для автомобиля состоит из двух основных элементов:

• электролизера.
• резеэвуара.

В герметичной емкости устройства располагаются пары электродных пластин, а сама она оснащается патрубком для выхода газа, клеммами, защитным клапаном, водяным затвором и горловиной для заливки воды. Такая конструкция позволяет устранить процесс распространения обратного горения газа Брауна и добиться горения водорода только на выходе из горелки.

Но использование классического гидролизера является нерентабельным, так как предполагает значительный расход электрической энергии. Однако выход из сложившейся ситуации был найден — токи определенной частоты. В результате молекулы воды входят в резонанс с электроимпульсами и расщепляются на составляющие. Собрав такое устройство можно получать топливо из воды своими руками.

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:

• Компания Тойота выпустила автомобиль Fuel Cell Sedan. Для устранения проблем с дефицитом пространства в салоне и багажном отсеке емкости с водородным топливом размещены на полу транспортного средства. Fuel Cell Sedan предназначен для перевозки людей, а его стоимость составляет 67.5 тысяч долларов.
• Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.
• Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
• «Монстр» от Дженерал Моторс показан в октябре 2016 года. Особенность автомобиля заключается в невероятной надежности, что подтверждено проведенными исследованиями армией США. Во время испытаний транспортное средство прошло больше 3 миллионов километров.
• Концерн Тойота выпустил на рынок водородную модель Mirai. Продажи начались еще в 2014 году на территории Японии, а в США — с октября 2015 года. Время на заправку Mirai составляет пять минут, а запас хода на одной заправке 502 км. ФОТО 21 22 Недавно представители концерна заявили, что планируют внедрять данную технологию не только в легковой транспорт, но и в вилочные погрузчики и даже грузовики. 18 колесный грузовик уже тестируется в Лос-Анжелесе.
• Производитель Лексус планирует свой вариант автомобиля с водородным двигателем в 2020 году, поэтому о транспортном средстве известно мало подробностей.
• Компания Ауди представила концепт H-tron Quattro в Детройте. По заверению производителя машина может проехать на одном баке около 600 км, а набрать скорость до 100 км/час удается за 7,1 секунду. Машина имеет «виртуальную» кабину, заменяющую стандартную приборную панель.
• БМВ в сотрудничестве с Тойотой планирует выпуск своего водородного транспортного средства к 2020 году. Производитель заверяет, что запас хода новой модели составляет больше 480 км, а дозаправка будет занимать до 5 минут.
• В 2013 году в компании Форд заявили, что активное производство водородных двигателей начнется уже к концу 2017 года при сотрудничестве с Ниссан и Мерседес-Бенц. Но реализовать задуманное на практике пока не удается — работники концерна находятся на этапе разработки.
• Мерседес-Бенц на Франкфуртском автосалоне представил внедорожник GLC, который появится на рынке в конце 2019 года. Авто комплектуется аккумулятором на 9,3 кВт*ч, а запас хода составляет 436 км. Максимальная скорость ограничивается электроникой на уровне 159 км/час.
• Nikola Motor представила грузовой автомобиль с водородным двигателем, имеющий запас хода от 1287 до 1931 км. Стоимость нового автомобиля составит 5-7 тысяч долларов за аренду в месяц. Выпуск планируется начать с 2020 года.
• Производитель Хендай создал новую линейку Tucson. На сегодняшний день произведено и реализовано 140 машин. Бренд Hyundai Genesis представил свой автомобиль с водородным двигателем GV Впервые транспортное средство было представлено в Нью-Йорке, но его производство пока не планируется.
• Великобритания тоже не отстает в плане новых технологий. В стране уже можно арендовать водородный автомобиль Riversimple Rasa на три или шесть месяцев. Машина весит чуть больше 500 кг и способна проехать на одной заправке около 500 км.
• Дизайнерский дом Pininfarina создал машину на водородном топливе H2 Speed. Особенность авто заключается в способности ускорятся до сотни всего за 3,4 секунды, а максимальная скорость — 300 км/час. Время на заправку составляет всего три минуты. Стоимость новой модели достигает 2,5 млн. долларов.