Автомобили на водородном топливе

Одним из источников топлива будущего считается водород. Какие преимущества использования водорода как топлива для автомобилей. Плюсы и минусы по сравнению с бензином и электричеством.

Достоинства водородного топлива

Существует возможность использования водорода в качестве топлива для ДВС в составе гибридных двигателей, и даже есть автомобили на топливных элементах, в котором нет ДВС. В качестве источника энергии используется водород, который безопасен и экологичен: единственным выбросом в атмосферу будет водяной пар, а выхлопная труба автомобиля превратится в водосточную.

схема автомобиля на водородном топливе в разрезе

Водород — самый распространенный химический элемент: он содержится в воде, в нефти, в природном газе. Водород в газообразном состоянии крайне летуч, и годами это было большим барьером на пути водородной экономики.

Заправка автомобиля водородом будет быстрой и простой и отнимет столько же времени, как и заправка бензином. Эксперименты показали, что можно разбить емкость с водородом, уронить ее, проткнуть, бросить в огонь и даже взять в руки гибридный компаунд, находящийся внутри, — и все без вреда для человека и окружающей среды.

Какие уже есть машины

Самый первый серийный автомобиль на топливных элементах — это Toyota Mirai. Рассмотрим его принцип работы. Toyota Mirai — по сути, электромобиль. Электричество вырабатывается в блоке топливных элементов при взаимодействии кислорода и водорода. Электрический ток проходит через инвертор, где преобразуется из постоянного в переменный, а напряжение увеличивается до 650 В. Реакция происходит без процесса горения, а «выхлоп» — безвредный водяной пар.

водородомобиль от Тойоты
Тяговый синхронный электродвигатель приводит в движение передние колеса. Питание — не только от топливных элементов, но и от никель-металл-гибридной батареей мощностью 21 кВт: она подпитывается при рекуперативном торможении и отдает энергию при резких ускорений.

Что мешает перейти на водородное топливо

  1. Психология автолюбителей. Мало кто согласится приобрести электромобиль, даже несмотря на то, что электродвигатель гораздо эффективнее, КПД выше (до 95% против 40-50% у ДВС). Что тут говорить, если даже к гибридным автомобилям у некоторых «специалистов» отношение снисходительное. Недостаточный спрос не позволяет развиваться этой отрасли автомобилестроения адекватными темпами.
  2. Добыча водорода. Основной способ — добыча из природного газа Относительно дешёвый, хотя — газ надо добывать, и почему просто на газе не ездить? Водород также добывают из воды электролизом. Крайне неэффективно. Несколько лучше — электролизом солей, но неэффективно энергетически. Поэтому нужно строить гидроэлектростанции вблизи предприятий по переработке водорода.
  3. Внедрение автомобилей на водороде требует создания инфраструктуры (заправки, автосервисы). Это требует колоссальных инвестиций. Хотя можно предположить что в долгосрочной перспективе все затраты окупятся. Например, в Германии 47 водородных заправок, а к 2024 году обещают свыше 500. Они будут построены также за счет автопроизводителей, которые инвестируют внушительную часть средств.
  4. Давление. Водород нужно сжимать до 2000 атм. Это намного удорожает оборудование относительно газового. Зависимость практически квадратичная, потому можно считать, что вдесятеро. Кроме того, возникает опасность взрыва по давлению (даже без учёта возможности возгорания). Потому водород хранят при давлении порядка 700 атм, что тоже компромисс. Стоимость всё равно велика, т.к. высокое давление + втрое (против углеводородов) больше объём каждой единицы оборудования.
  5. Цена водородного топлива. В Германии один килограмм водорода стоит примерно 9,5 евро. И его хватает на 70-100 км пробега. Это ужасно дорого, почти в 2 раза дороже чем дизельное топливо или бензин. И еще надо учитывать стоимость автомобиля на водороде, его цена выше в 2 раза, чем на аналогичные бензиновые машины.
  6. Материалы. Водород проникает сквозь материалы, никаких щелей не нужно. Даже сквозь графен, через который не проходит ничто, даже гелий — водород просачивается. Это означает, что обычными материалами не обойтись. С теми, что мало пропускают водород, он всё равно просачивается и заполняет материал изнутри, вредно влияя на его структуру. Сталь, к примеру, распухает и становится хрупкой. Потому — композиты (в разы дороже), но не устраняет проблему полностью.
Водородная инфраструктура имеет смысл только в варианте мелких заводов, производящих водород на месте, прямо у заправки, с запиткой от ЛЭП. Что делает из заправки целое предприятие и ставит под сомнение возможность их массовости. КПД производства при этом крайне низок.
Что ещё почитать