Водневі автомобілі: Принцип дії.
У світі В останні роки спостерігається підвищений інтерес до альтернативних джерел енергії. Не оминула ця тенденція і автопромисловість, яка є головним джерелом забруднення атмосфери Землі. Саме тому більшість країн світу планують до 2030 року відмовитися від використання автомобілів з традиційними двигунами внутрішнього згоряння.
Дивіться також: Автомобілі і екологія: Заборонять чи автомобілі?
Ми знаємо, що на зміну звичайним бензиновим автомобілям швидше за все прийдуть гібриди і електрокари. Але не варто скидати з рахунків і інші автомобілі, які можуть працювати на альтернативних джерелах енергії. Давайте розглянемо, наприклад, водневі автомобілі, які, можливо, рано чи пізно зможуть витіснити з авторинку весь існуючий нині автотранспорт. Ми розповімо вам про те, як працюють водневі автомобілі, про їх плюси і мінуси, порівняємо їх з бензиновими, дизельними і електричними автотранспортними засобами.
Принцип роботи
Водневі автомобілі, які почала серійно випускати автопромисловість, як альтернативного джерела палива використовують як відомо, водень, який взаємодіючи з киснем, перетворюється у водяну пару, а в результаті цього виділяється вже енергія. Ця енергія у водневому автомобілі зазвичай направляється або на електродвигуни, або на акумуляторну батарею, яка потім і живить електродвигун машини.
На основі цієї технології можливо побудувати і двигун внутрішнього згоряння, який зможе працювати на тому ж водні і буде аналогічний моторів, які працюють на бензині.
Переваги
Подібно електромобілям дані транспортні засоби, що працюють на водневому паливному елементі, не виділяють вуглекислого газу. В результаті цього виходить, що водневі автомобілі не сприяють глобальному потеплінню або забруднення атмосфери повітря. Нинішні водневі автомобілі стали практично безшумними, а це також є хорошою перевагою перед автомобілями, які обладнані двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ). На жаль, але на жаль, у світі поки не існує оснащених ДВС машин, які працювали б зовсім безшумно.
Дивіться також: Водень в автомобілях: Небезпеки і складності використання
Оскільки в автомобілях з водневим паливним елементом використовуються тільки електродвигуни, то в цих видах автотранспорту максимальний крутний момент доступний відразу, тобто з 0-их оборотів в хвилину роботи двигуна.
Водневі автомобілі, на відміну від електрокарів і звичайних бензинових транспортних засобів можуть мати більш широкий діапазон роботи, вони більш ефективні. Наприклад, 1 г водню виділяє в 3 рази більше енергії, ніж грам бензину. Заправка ж водневого автомобіля відбувається набагато швидше електричного авто. Крім того, на повному балоні заправленого воднем, автомобіль має набагато більший запас ходу, ніж електрокар. У підсумку виходить, що водневі автомобілі більше підходять для тривалих поїздок на тривалі відстані у порівнянні з електромобілями, які розраховані як відомо для пересування на невеликі відстані.
Недоліки
Основним недоліком водневих автомобілів є те, що таке паливо як водень, надзвичайно складно і важко зберігати. Щоб заправити нормальна кількість водню в резервуар, його необхідно для початку стиснути, приблизно до 700 бар. А для стиснення водню буде потрібно енергія. Крім того, щоб храненить водень під високим тиском, потрібно важкий посилений високоміцний резервуар, щоб це легкоиспоряемое паливо не являв жодної небезпеки всій навколишньому середовищу .
Таким чином, у разі витоку або розгерметизації балона з воднем завжди існує величезний ризик, що газоподібний легкозаймистий водень загорітися або гірше того, візьме і вибухне.
Що стосовно його продуктивності, то водневі автомобілі з ДВЗ, що працюють на водні, потребують набагато більшому обсязі кількості повітря, якщо порівнювати їх з бензиновими автомобілями. Ось наприклад, ідеальне хімічне співвідношення повітря з паливом для бензинових моторів становить близько 14,3 до 1, а для водневих автомобілів це співвідношення вже буде становити приблизно 38 до 1. Однак при такому співвідношенні водню і кисню водневі двигуни внутрішнього згоряння спалюють паливо при дуже великій температурі, що призводить до розриву потрійних зв’язків азоту в повітрі і в результаті цього починає утворюватися закис азоту (так, це так і є, утворюється теж речовина, що викидається в атмосферу при роботі дизельного двигуна). Ця речовина є одним з найбільш шкідливих забруднювачів навколишнього природи.
Щоб зменшити рівень шкідливих викидів в ДВС який працює на водні необхідно, щоб співвідношення між воднем і киснем збільшилася майже до 80 до 1. Але разом з цим, ДВЗ працює на водні втратить велику кількість своєї потужності в порівнянні з аналогічними бензиновими моторами. Справа тут ось у чому, як ми вже раніше сказали, водень є більш енергоємним паливом порівняно з бензином.
Один із способів обійти подібний несприятливий ефект, це використовувати для максимальної потужності твердий паливний елемент, який буде давати енергію електромоторів, яка потрібна в тих випадків, коли автомобілю буде потрібна максимальна потужність. Тобто, як ви вже зрозуміли ідея полягає в тому, щоб в даному автомобілі при невеликій потужності і навантаженні в якості альтернативи використовувати водневе паливо а не бензин, яке живитиме ДВС. Для максимальної потужності в дію вступить вже акумулятор, який і буде підживлювати електродвигун.
Іншою проблемою для такого типу двигунів є той факт, що водень надзвичайно енергомістка речовина, тобто паливо. Якщо порівнювати його з бензином, то в 1 літрі водню міститься лише близько 30% енергії на відміну від того ж бензину. Відповідно, що запас ходу водневого автомобіля на одному повному заправленому баку буде невеликим, якщо його порівнювати з бензиновою машиною.
Водневі автомобілі (не важливо яку технологію вони використовують: паливний елемент або ж водень, який використовується безпосередньо замість бензину в якості палива) так само як і бензинові транспортні засоби не так ефективні, якщо їх порівнювати з електрокарами. ККД водневих автомобілів становить приблизно 30 – 50%, що порівнянно з бензиновими автомобілями. А це майже на половину менше, ніж ККД електричних автотранспортних засобів.
Це може означати або означає наступне, що самі водневі автомобілі як і бензинові, основну і більшу частину своєї енергії втрачають в процесі обробки так званої теплової енергії, що виділяється.
Є ще один серйозний мінус таких машин, які працюють на водневому паливному елементі. Цей тип або вид машин не дуже пристосований працювати при холоді.
Звідки ж беруть водень?
Існує два основних способи отримання водню. Перший включає в себе наступне, а саме, взаємодія парів з метаном (природним газом) в результаті чого виходить водень і двоокис вуглецю.
При такому способі отримання водню, існують дві проблеми. Перша, -при цьому процесі виділяється вуглекислий газ, який є парниковим газом завдає шкоди атмосфері планети. Друга-газ метан є викопним паливом і він не поновлюється.
Другий спосіб отримання водню, це розщеплення води шляхом електролізу. В результаті цього процесу з води виділяється чистий водень, який може служити джерелом палива для водневого автомобіля. На жаль для цього процесу необхідно занадто багато енергії, яка не буде потім відновлено на всі 100%. Крім того, в процесі отримання чистого водню відбуваються деякі непрямі викиди вуглекислого газу.
Дивіться також: Чому двигуни V4 рідко зустрічаються в автомобілях?
В тому числі, в процесі отримання водню частина енергії палива втрачається, що робить водневі автомобілі менш ефективними в порівнянні, наприклад з тим же електричним транспортом.
В остаточному підсумку, у водневих автомобілях паливо стало звичайним джерелом підзарядки акумуляторних батарей, які в свою чергу і живлять сам електромотор. Тут є все дуже просто. Енергія від водню надходить в так званий накопичувальний акумулятор, щоб підтримувати рівень заряду самої батареї, який постійно знижується через живлення електродвигуна. Ось і вся хитрість.
Які водневі автомобілі сьогодні продаються на світовому авторинку?
Прямо зараз, єдиним масово серійним водневим автомобілем, який можна придбати і придбати, є Toyota Mirai. Зараз ця машина продається в США, в Японії і в деяких країнах Європи і ОАЕ. За наявними на сьогодні даними Японська компанія продала вже більше 3000 тисяч автомобілів. На превеликий жаль цей водневий седан коштує дуже дорого.
У середньому його ціна – 60 000 доларів США. І ці гроші ви повинні викласти і віддати за автомобіль потужністю всього 152 к. с., де максимальний запас ходу дорівнює 500 км, і ті тільки при ідеальних умовах їзди. У середньому автомобіль може проїхати, десь 300 км, що можна порівняти з автомобілем седан Tesla Model S. Так що запас ходу цього водневого автомобіля не дуже-то вражає.
Але є ще одна важлива проблема для автомобіля. Де ви будете заправляти Toyota Mirai? Адже водневих заправок навіть у світовому масштабі не так вже й багато. Саме відсутність такої інфраструктури і гальмує розвиток водневого автотранспорту.
У світі існують ще дві серійні водневі моделі автомобілів. Мова йде про Honda Clarity і Hyundai Tucson FCEV. Але ці машини доступні для громадян лише у декількох країнах світу, і то в обмеженому тиражі.
Нещодавно, компанія Mercedes на автосалоні у Франкфурті представила на загальний огляд свій перший серійний водневий кросовер, під маркою – GLC, який незабаром буде доступний для покупки його у всіх країнах Євросоюзу.
Таким чином ви переконалися, що вибір водневих авто не так вже й багатий навіть в його глобальному світовому масштабі. Але тим не менш, світова автопромисловість не стоїть на місці, зараз вже багато автомобільні компанії займаються своїми розробками і дослідженнями в цій галузі автомобілебудування.
Дивіться також: Mercedes GLC F-Cell: Тепер і воднева версія
Наприклад, компанія BMW в даний момент проводить інженерні випробування свого водневого спорткара, створеного на базі i8.
У тому числі активні розробки водневих автомобільних технологій веде і компанія Mazda. Ось наприклад, у відомого Японського бренду є нова розробка роторного мотора, який здатний працювати на водневому паливі. Подібна технологія була також використана і на прототипі автомобіля RX-8 Hydrogen RE. Ця машина може працювати і на водні, і на бензині. Правда при роботі на водні потужність машини істотно падає і складає всього 109 л. с.
Не відстає від таких розробок і компанія Aston Martin, яка вже створила Rapide S здатний працювати як на бензині, так і на водні. Наприклад, ця машина може використовувати різні види палива як окремо, так і разом взяті.
До речі Aston Martin Rapide S став першим водневим автомобілем, який успішно завершив 24-годинні гонки на Нюрбургринзі.
Висновок
Отже, найбільш істотне питання, яке хвилює мільйони людей на Землі. Чи водневі автомобілі в майбутньому життєздатними? І інший чимало важливе питання. Чи зможуть вони замінити всі нині існуючі автомобілі?
Однозначно, що на ці запитання сьогодні вам ніхто не відповість: ні великі інженери і автоконстукторы, ні фізики і ні хіміки, навіть найбільш відомі всьому світу фантасти не зможуть сьогодні дати відповідь на ці конкретно поставлені питання..
А спрогнозувати заздалегідь на чому їздитимуть люди у всьому світі приблизно через 100 років, просто неможливо.
Особисто ми зі свого боку вважаємо, що водневі автомобілі ніколи не зможуть стати нашими основними транспортними засобами і замінити традиційні автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння. Адже такі автомобілі недостатньо ефективні. Крім того, у всьому світі під водневі автомобілі немає необхідної інфраструктури, а щоб її розвинути до рівня бензинових і дизельних АЗС, буде потрібно не одне століття і величезні інвестиційні кошти.
Сьогодні використання електрики в плані палива для автомобілів, що більш переважно. Адже погодьтеся, що використання безпосередньо електрики для живлення електродвигунів куди логічніше, ніж використання перетворення води на водень і назад тільки з однією метою,- підживлення або живлення акумуляторних батарей. Причому треба не забувати, що при даному процесі втрачається до 50% всієї енергії. Погодьтеся, це не дуже вражає.
Тим не менше ми хочемо сказати, що водневі автомобілі можуть використовуватися наприклад, у тих же самих автогонках електрокарів, де підтримувати потрібний рівень заряду акумулятора є головним завданням усіх спортивних команд. Використовуючи водень під час таких гонок, тобто гонок електрокарів, командам не потрібно буде часто міняти акумулятори, що, природно, збільшить саму видовищність цих змагань.
