Двигатель на водороде своими руками схема: Водородный двигатель для автомобиля своими руками

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Автомобили с водородными двигателями называют главными конкурентами электрокаров. Но у технологии пока что немало минусов, и, например, основатель Tesla Илон Маск называет ее «тупой и бесполезной». Прав он или нет?

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4].

Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

Схема работы водородного двигателя

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Как работает водородный двигатель внутри Toyota Mirai

Где применяют водородное топливо?

• В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
• В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
• В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
• В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
• На водном транспорте.
  Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
• Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
• В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
• В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

• Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
• Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%.
  Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
• Бесшумная работа двигателя;
• Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
• Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

• Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
• Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
• Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
• Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Заработать на водороде – Коммерсантъ Санкт-Петербург

Внедрение водородного топлива — перспективное направление и для России, и для всего мира: оно является более технологичным и экологичным. Популяризация подобных технологий связана с рядом существенных ограничений — высокой ценой топлива, необходимостью новых технологических решений для его хранения и транспортировки, а также с развитием инфраструктуры для обслуживания автомобилей. Эксперты отмечают, что экономическая выгода водородного топлива по сравнению с остальными пока неочевидна.

В начале ноября Смольный сообщил, что в Петербурге может появиться каршеринг на водородном топливе. Соответствующий проект рассматривается городом, Минпромторгом РФ и компанией Hyundai. По словам вице-губернатора Петербурга Евгения Елина, городское правительство намерено «забежать вперед и посмотреть, как это будет работать», организовав эксплуатацию таких автомобилей. Впрочем, конкретных сроков названо не было, равно как и подробностей запуска данного проекта, касающихся потенциального оператора каршеринга и количества таких машин.

Как пояснили BG в Минпромторге РФ, речь идет о развитии нового для нашей страны направления — использования, а в будущем и создания транспорта, работающего на водородном топливе. При этом «Каршеринг на водородном топливе» может стать одним из пилотных проектов, реализуемых в мегаполисах. В ведомстве также отметили, что поставщиками водородного топлива могут стать «Газпром» и «Росатом».

Найти отличия

Для начала стоит разделить два направления использования водорода в качестве топлива. «Первый — это применение его в качестве именно топлива для двигателей внутреннего сгорания. Этот вариант старше, чем использование бензина или дизельного топлива, причем почти на век. Прообраз такого двигателя появился еще в 1806 году»,— говорят эксперты «Авито Авто». С двигателями подобного типа создавали легковые модели Mazda (причем в этом случае двигатель роторный и двухтопливный), BMW (тоже двухтопливная схема), Audi, Ford, Hyundai, Toyota, Honda — и это далеко не полный список. В настоящее время в этом направлении (но не единственном и не наиболее приоритетном) работает и производитель грузовиков и автобусов MAN. Кроме того, имели место и российские, и даже еще советские разработки, отмечают эксперты. «Одним словом, это просто одна из ветвей развития современных двигателей. Как для легковой, так и для грузовой техники, для железнодорожных локомотивов и даже для авиации»,— заключают они.

Второе направление — относительно новое и считающееся одним из наиболее перспективных — это водородные топливные элементы, то есть системы, позволяющие использовать водород во взаимодействии с кислородом (без процесса горения) для генерации электроэнергии непосредственно на борту автомобиля. «В автомобиле с водородным двигателем, как правило, есть два бака — с водородом и воздухом, при смешивании которых выделяется электричество. Его можно использовать непосредственно для питания электродвигателя»,— рассказывает Роман Абрамов, исполнительный директор «СберАвто», добавляя, что это прекрасная на первый взгляд технология, не требующая масла, поршней, двигательных элементов, не наносящая вред окружающей среде. «Водородные топливные элементы действительно достаточно перспективны. Подобные разработки — как экспериментальные, так и серийные — также имеют многие производители, среди них Toyota, Hyundai, Mercedes, Opel, Honda, Volkswagen»,— добавляют эксперты «Авито Авто». Пионером в этой области можно назвать компанию Toyota, которая несколько лет назад представила автомобиль Toyota Mirai. «Это не концепт, а работающий продукт, который можно увидеть на улицах Японии и, думаю, в других развитых азиатских стран»,— говорит господин Абрамов. Кроме того, BMW совместно с Toyota ведет разработки для своих авто, развивают это направление Honda и Hyundai. «Какие-то попытки совершают многие производители, у Lada была «Нива» на водородном топливе. Тем не менее пока у всех, кроме Toyota, это остается на уровне экзотики и прототипов»,— указывает он.

Некоторые эксперты автоиндустрии считают, что водородный двигатель применим в первую очередь в транспортных средствах, предназначенных для коммерческого использования (например, машины такси, грузовые автомобили). В частности, такой позиции придерживается глава концерна Volkswagen Герберт Дис. «VW сделал выбор в пользу производства электромобилей, и, как отмечал Герберт Дис, одна из причин — в том, что водородный двигатель обладает большим потенциалом для использования в грузовом транспорте, чем для оснащения персональных легковых автомобилей. Одна из возможных причин такой позиции — то, что машина на водородном топливе в производстве дороже, чем авто с электрическим двигателем»,— объясняют в «Авито Авто».

Преимущества и недостатки

Необходимость перехода на водородное топливо обусловлено и климатическими, и экологическими требованиями. «В 2019 году наша страна подписала Парижскую конвенцию по климату, которая предусматривает разработку технических решений по переходу на экологические виды топлива, так называемое «зеленое» топливо. Россия имеет высокий потенциал для производства экологически чистого водорода. К 2030 году стоимость водорода станет сопоставима со стоимостью традиционных источников энергии, но в настоящее время использование «зеленого» топлива до конечного потребителя затруднительно, в том числе с финансовой точки зрения»,— замечает ректор БГТУ «Военмех» им.  Устинова Константин Иванов. При этом, по его словам, переход транспортной системы Петербурга на «зеленое» топливо потребует колоссальных инвестиций и глобальных инфраструктурных решений.

Водородное топливо — гораздо более технологичный и экологичный вид топлива, оно обеспечивает бесшумную работу, малый расход, а также полную экологичность по причине выбросов водяного пара. Такие автомобили можно очень быстро заправлять — едва ли не быстрее, чем бензиновые или дизельные, что является существенным плюсом на фоне длительной зарядки аккумуляторов. Кроме того, автомобили на топливных элементах имеют лучший запас хода.

Среди недостатков эксперты отмечают сложность и дороговизну получения водорода как топлива: в случае получения его из природных газов не снижаются углеродные эмиссии, а в случае электролиза — необходимо большое количество редкоземельных и драгоценных металлов для установки. «Однако как показало время, если развивать любую технологию, можно достичь снижения стоимости, как это было с литий-ионными батареями, стоившими сначала целое состояние»,— говорит Александр Багрецов, руководитель проектов направления «Оценка и финансовый консалтинг» группы компаний SRG.

По словам директора по административно-хозяйственной деятельности ООО «Байкал-Сервис ТК» Александра Разина, для использования водорода в качестве топлива потребуются не только энергоресурсы для его производства, но и развитая инфраструктура хранения и транспортировки — трубопроводы, железнодорожные цистерны, морские танкеры, автозаправки. «Как известно из химии, водород очень летуч и взрывоопасен. Хранение, транспортировка или использование водорода потребуют наличия высокочувствительных газоанализаторов, сверхпрочных материалов. К примеру, существующая технология водородно-воздушных топливных элементов, которая уже используется на автомобилях Honda, Toyota, Hyundai, пока не показала свою безоговорочную эффективность, так как оборудование довольно тяжелое и габаритное, а вероятность утечки чрезвычайно летучего газа снижает безопасность и требует высочайшего уровня технологий, что, безусловно, влияет на экономику проекта»,— рассуждает господин Разин.

К другим недостаткам можно отнести высокую стоимость машин, которые по своему устройству существенно сложнее бензиновых или электрических, добавляет Дмитрий Мешков, исполнительный директор ООО «Соллерс Инжиниринг». По его словам, в обозримом будущем можно говорить лишь о реализации локальных проектов, таких как создание пассажирского транспорта на водородном топливе для крупных и богатых городов. «Однако и тут не все просто, поскольку у таких автомобилей нет очевидных преимуществ перед электрическими»,— добавляет он.

По словам вице-президента Независимого топливного союза Дмитрия Гусева, практика показывает, что рост транспорта с альтернативными двигателями возможен только при создании достаточной инфраструктуры. А на стартовом этапе развитие инфраструктуры — это долгосрочные инвестиции. «Поэтому первым шагом для развития водородных двигателей будет создание сетей водородных заправок, о чем пока даже упоминания нет в «Энергостратегии-2035″»,— поясняет господин Гусев, предполагая, что в ближайшие пятнадцать лет, если не будет существенных изменений, автомобилей и заправок на водороде не планируется.

Мария Кузнецова

Ученые приблизились к созданию дешевых водородных автомобилей

https://ria.ru/20200824/avtomobili-1576244320.html

Ученые приблизились к созданию дешевых водородных автомобилей

Ученые приблизились к созданию дешевых водородных автомобилей — РИА Новости, 24.08.2020

Ученые приблизились к созданию дешевых водородных автомобилей

Датские ученые разработали новый дешевый вид катализаторов для водородных двигателей. Это может изменить ситуацию в автомобилестроении. Результаты описаны в… РИА Новости, 24.08.2020

2020-08-24T18:00

2020-08-24T18:00

2020-08-24T18:01

наука

автомобили

химия

открытия — риа наука

копенгагенский университет

дания

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn25.img.ria.ru/images/17102/65/171026525_0:26:501:307_1920x0_80_0_0_b16035c94c22bf37e028c5ac3d03fde5.jpg

МОСКВА, 24 авг — РИА Новости. Датские ученые разработали новый дешевый вид катализаторов для водородных двигателей. Это может изменить ситуацию в автомобилестроении. Результаты описаны в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.Пока автомобили с водородным двигателем — большая редкость. Все дело в стоимости катализаторов, для производства которых нужна платина. И если в обычных автомобилях используется около пяти граммов этого дорогого металла, то в экологически чистых водородных двигателях — в десять раз больше.Химики из Копенгагенского университета разработали катализатор, который не требует такого большого количества платины.»Для нашего катализатора нужна лишь небольшая часть того количества платины, которое обычно используется в современных водородных топливных элементах для автомобилей, — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования, профессора химии Маттиаса Аренца (Matthias Arenz). — Мы приближаемся к тому же количеству платины, которое требуется для обычного автомобиля. При этом наш новый катализатор намного более стабилен, чем катализаторы, используемые в современных водородных автомобилях».Авторы отмечают, что новые устойчивые технологии часто сталкиваются с проблемой ограниченной доступности редких материалов, что служит препятствием для их промышленного применения. Возможность снизить зависимость от дефицитных или дорогих материалов меняет правила игры.»Новый катализатор позволяет организовать производство водородных транспортных средств в гораздо большем масштабе, чем когда-либо в прошлом», — заявляет еще один автор статьи, профессор Ян Россмейсл (Jan Rossmeisl), руководитель Центра катализа высокоэнтропийных сплавов при кафедре химии Копенгагенского университета.Новый катализатор позволяя производить больше лошадиных сил на грамм платины. При этом он более прочный. Последнее качество не менее важное, чем стоимость. Чем больше поверхность катализатора, тем эффективнее он работает. Но для покрытия большой поверхности, требуется много металла, а если слой будет очень тонким и непрочным, активность катализатора снизится. Для решения этой дилеммы в современных катализаторах слой наночастиц платины покрывают сверху углеродом. К сожалению, углерод делает катализаторы нестабильными. Новый катализатор не содержит углерода. Вместо наночастиц исследователи применили в нем сеть нанопроволок, характеризующихся большой площадью поверхности и высокой прочностью.»С этим прорывом надежда на то, что что водородные автомобили станут обычным явлением, заметно усилилась. Это позволяет сделать их более дешевыми, экологичными и долговечными», — говорит Россмейсл.На следующем этапе исследователи планируют начать переговоры с представителями автомобильной промышленности, чтобы реализовать новую технологию на практике.Центр катализа высокоэнтропийных сплавов (CHEAC), в котором велась разработка, — своего рода центр передового опыта, поддерживаемый Датским национальным исследовательским фондом. В нем разрабатывают новые каталитические материалы для создания экологически чистых химикатов и топлива.

https://ria.ru/20200506/1571028781.html

https://ria.ru/20200804/1575334175.html

дания

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn24.img.ria.ru/images/17102/65/171026525_28:0:472:333_1920x0_80_0_0_18b115f59d18d61416f2bb0318e74aef.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

автомобили, химия, открытия — риа наука, копенгагенский университет, дания

МОСКВА, 24 авг — РИА Новости. Датские ученые разработали новый дешевый вид катализаторов для водородных двигателей. Это может изменить ситуацию в автомобилестроении. Результаты описаны в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.

Пока автомобили с водородным двигателем — большая редкость. Все дело в стоимости катализаторов, для производства которых нужна платина. И если в обычных автомобилях используется около пяти граммов этого дорогого металла, то в экологически чистых водородных двигателях — в десять раз больше.

Химики из Копенгагенского университета разработали катализатор, который не требует такого большого количества платины.

«Для нашего катализатора нужна лишь небольшая часть того количества платины, которое обычно используется в современных водородных топливных элементах для автомобилей, — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования, профессора химии Маттиаса Аренца (Matthias Arenz). — Мы приближаемся к тому же количеству платины, которое требуется для обычного автомобиля. При этом наш новый катализатор намного более стабилен, чем катализаторы, используемые в современных водородных автомобилях».

Авторы отмечают, что новые устойчивые технологии часто сталкиваются с проблемой ограниченной доступности редких материалов, что служит препятствием для их промышленного применения. Возможность снизить зависимость от дефицитных или дорогих материалов меняет правила игры.

6 мая 2020, 14:30НаукаКитайские ученые создали прототип реактивного двигателя на воздухе

«Новый катализатор позволяет организовать производство водородных транспортных средств в гораздо большем масштабе, чем когда-либо в прошлом», — заявляет еще один автор статьи, профессор Ян Россмейсл (Jan Rossmeisl), руководитель Центра катализа высокоэнтропийных сплавов при кафедре химии Копенгагенского университета.

Новый катализатор позволяя производить больше лошадиных сил на грамм платины. При этом он более прочный. Последнее качество не менее важное, чем стоимость. Чем больше поверхность катализатора, тем эффективнее он работает.

Но для покрытия большой поверхности, требуется много металла, а если слой будет очень тонким и непрочным, активность катализатора снизится. Для решения этой дилеммы в современных катализаторах слой наночастиц платины покрывают сверху углеродом. К сожалению, углерод делает катализаторы нестабильными.

Новый катализатор не содержит углерода. Вместо наночастиц исследователи применили в нем сеть нанопроволок, характеризующихся большой площадью поверхности и высокой прочностью.

«С этим прорывом надежда на то, что что водородные автомобили станут обычным явлением, заметно усилилась. Это позволяет сделать их более дешевыми, экологичными и долговечными», — говорит Россмейсл.

На следующем этапе исследователи планируют начать переговоры с представителями автомобильной промышленности, чтобы реализовать новую технологию на практике.

Центр катализа высокоэнтропийных сплавов (CHEAC), в котором велась разработка, — своего рода центр передового опыта, поддерживаемый Датским национальным исследовательским фондом. В нем разрабатывают новые каталитические материалы для создания экологически чистых химикатов и топлива.

4 августа 2020, 09:04НаукаРоссийские ученые смоделировали материал для хранилищ водорода

как изготовить в домашних условиях

Ракета мчит космический корабль в просторы Вселенной. Неимоверную мощь двигателей верхней её ступени питает сжиженное топливо: водород и кислород. Водород (Hydrogenium) не уступает по теплотворности природному газу, для работы на нём с минимальной переделкой подходят все существующие бензиновые ДВС и газовые котлы отопления. h3 — единственный известный науке абсолютно чистый вид топлива. В процессе горения образуется соединение с кислородом — прозрачная, как слеза, дистиллированная водица. Запасы водорода во Вселенной неисчерпаемы, этот чудесный газ вместе с гелием является основным строительным материалом мироздания.

Даже организм человека на 63% состоит из молекул водорода. Он окружает нас со всех сторон: протяни руки — и они полны гидрогениума. Больше всего h3 содержится в океанах, морях и реках. Одна беда: в свободном состоянии на Земле находится лишь ничтожная его часть, добыча в чистом виде невозможна. Небольшой процент h3 содержит биогаз, сепарацией его не занимаются, предпочитая сжигать вместе с метаном. Однако существует ряд технологий, позволяющих получать чистый водород из различных химических соединений. Наиболее перспективным является метод электролиза, сырьём служит вода.

Принципиальная схема получения водорода методом электролиза

В последнее время интернет заполонила коммерческая реклама недешёвых реакторов (генераторов) водорода, а сайты для домашних умельцев охотно клонируют статьи о том, как сделать водородный генератор для отопления своими руками.

О выделении горючего газа при взаимодействии кислот и металлов известно было ещё средневековым алхимикам. Но только в 1783 году Лавуазье и Меньё смогли превратить эмпирические знания в прибор по получению «горючего воздуха» из воды. С тех пор не прекращаются научные исследования и попытки построить эффективный водородный генератор для отопления или автомобиля, который сделал бы водородную энергетику рентабельной.

На сегодняшний день нет никаких проблем в переходе энергетики и транспорта на водородное топливо, производители готовы сделать это хоть завтра. В 2008 году авиастроительная компания Airbus подтвердила свою готовность перейти с авиакеросина на h3, проведя испытательный полёт на модели A320. Первый серийный водородомобиль HondaFCX уже колесит по дорогам Японии. Тем не менее, в общей массе мировой энергетики это капля в море. Для массового развития водородной энергетики не хватает главного — дешёвого чистого h3. «Халявный»  Hydrogenium получают лишь в качестве побочного продукта некоторых химических производств, именно на таком топливе работает на предприятии «Саянскхимпласт» с 2005 года первая и пока единственная в России «водородная» котельная. Активно работает в России с 2006 года «Институт водородной экономики», издавший уже более 60 томов научных исследований. Не ограничиваются научными трудами более предприимчивые зарубежные компании, в научно-технические разработки по генерации чистого водорода вкладывают миллиарды долларов.

Возможно, в будущем мы все будем ездить на водородомобилях

Увы, воз и ныне там. Большую часть мирового производства h3, главным образом для нужд ракетной техники, производят сегодня не с помощью генерации из воды, а паровой конверсией газа и газификацией угля. Ни о какой экологичности либо экономии ресурсов в данном случае и речи не идёт, просто бензином ракету не заправишь.

Но учёные не сдаются: в конце концов придумал же Эдисон после долгих лет исследований эффективную и при этом недорогую электрическую «лампочку Ильича». И в течение века это изобретение, пусть и в значительно усовершенствованном виде, устраивало человечество.

С помощью электролиза (см. школьную программу по физике и химии) вода разлагается на водород и кислород.

Площадь поверхности электродов должна быть велика, поэтому их собирают в пакеты (ячейки). Кстати, электролизер нельзя перегревать свыше 65 ºС, иначе пластины придётся долго очищать либо вообще заменить

Сепарировать газы не нужно, горючую смесь направляют в теплогенератор, в котором происходит обратная реакция: водород и кислород воссоединяются, вновь образуя воду.

Простейший самодельный генератор водорода — герметичная ёмкость с погруженными в жидкость электродами, источник питания 12 Вольт.

Заряд есть, вода «булькает», Hydrogenium пошёл

На крышке ёмкости располагают штуцер для отведения к потребителю смеси водорода с кислородом (газ Брауна, «гремучая смесь»).

Помимо штуцера, на крышке желательно иметь развоздушиватели

Вот такая ёмкость является основой генератора водорода для автомобиля с карбюраторным двигателем. ДВС работает на смеси с бензином, нужен ещё дополнительный накопитель и аккумулятор. Корпус прочный, от водопроводного фильтра, нехитрая установка, созданная «народными академиками», называется «АкваКар», предлагалась на Украине за 1600 гривен в дореволюционных ценах

Генератор водорода для дома, тоже в корпусе водяного фильтра. Здесь применены более производительные цилиндрические электроды, есть датчик давления. На стенках сосуда видны пузырьки — вожделенный Н2 и кислород

Но ведь дело не просто в том, чтобы выделить из воды «гремучку», это сделать немудрено. Газ нужно получить из сырья в максимальном количестве, в сжатые сроки, при этом потратить минимум энергии. Для повышения эффективности используют не обычные электроды из меди или нержавейки, а изделия сложной формы из дорогих сплавов. Сила электрического тока должна изменяться в ходе реакции, соответственно, нужен электронный блок.

Вариант исполнения электронного блока чудо-генератора

Вода расходуется, её уровень следует поддерживать постоянно и если делать это не вручную, понадобится система автоматической подпитки. Наконец, чтобы электролиз проходил с достаточной интенсивностью, вода должна содержать достаточное количество растворённых солей, в мягкой воде реакция будет слабой, а в дистиллированной вовсе отсутствовать. Значит, наливать воду из крана нельзя: её придётся готовить (самый простой вариант — столовая ложка гидроксида натрия на 10 л воды), а это дополнительные резервуары, трубопроводы и т.д.

На рисунке показана схема генератора водорода для автомобиля, но разница с устройством для отопления лишь в том, что потребителем газа являются не форсунки двигателя, а горелка котла

Но и это не всё. Теплогенератор (котёл) потребляет топливо неравномерно, к тому же требует определённого его давления и влажности. Чтобы система реактор топлива + генератор тепла работали взаимосвязано и чётко, hydrogenium должен поступать сначала в осушитель, потом компрессор, который будет закачивать его в хранилище, где с помощью дополнительной автоматики должно поддерживаться требуемое давление.

Всё в природе взаимосвязано. Если куда-то что-то прибыло, значит, откуда-то убыло. Эта народная мудрость упрощённо, но в целом верно описывает закон сохранения энергии. Водород, сгорая, выделяет тепловую энергию. Но, чтобы получить газ методом электролиза, придётся затратить некоторое количество электроэнергии. Которая, в свою очередь, по большей части получается за счёт генерации тепла при сжигании других видов топлива. И если брать чистую тепловую энергию, необходимую для получения электричества и ту энергию, которую даст при сгорании водород, даже на самых продвинутых установках получаются двукратные потери. Половину денег мы буквально выбрасываем. И это только эксплуатационные затраты, но ведь следует учесть и стоимость весьма недешёвого оборудования.

Проект ветро-водородного дирижабля AeromodellerII. Картинку бельгийские инженеры нарисовали красивую, остаётся подкрепить её конкретными экономически оправданными технологиями

По данным исследовательской лаборатории  INEEL, на промышленных генераторах водорода США себестоимость одного килограмма водорода составила:

• Электролиз от промышленной электросети — 6,5 usd.
• Электролиз от ветрогенераторов — 9 usd.
• Фотоэлектролиз от солярных устройств — 20 usd.
• Производство из биомассы — 5,5 usd.
•  Конверсия природного газа и угля — 2,5 usd.
•  Высокотемпературный электролиз на атомных электростанциях — 2,3 usd. Это наименее дорогой способ и наиболее далёкий от домашних условий.

Причём, даже самый лучший генератор водорода в домашних условиях будет заметно уступать промышленному в эффективности. С такими ценами нет никаких оснований говорить о сколь-нибудь серьёзной конкуренции водородного топлива по сравнению не только с дешёвым природным газом, но и с дорогим электроотоплением, дизельным топливом и даже тепловыми насосами.

Есть ли реальные пути серьёзного снижения себестоимости чистого Hydrogenium? Конечно. Это, в первую очередь, получение дешёвого электричества из возобновляемых источников. Во-вторых, применение более совершенных химических катализаторов процесса. Они, кстати, давно известны и применяются в автомобильных топливных водородных ячейках. Но опять всё упирается в слишком большую их стоимость.

Реально полезное применение альтернативной энергетики: серийное газосварочное устройство со встроенным водородным реактором. В данном случае стоимость газа не имеет решающего значения, для сварщика имеет значение то, что вместо неудобных в транспортировке баллона и сварочника он имеет один относительно небольшой и лёгкий ящик

Наука идёт вперёд, техника совершенствуется. Когда-нибудь нефть закончится и человечеству придётся перейти на иные источники энергии. Пока же можно с уверенностью сказать — водородная энергетика убыточна (за исключением тех случаев, когда горючий газ является побочным продуктов технологических процессов), а программы развития водородного транспорта возможны только благодаря государственным и корпоративным программам поддержки альтернативной энергетики.

Муниципалитеты крупных немецких городов компенсируют транспортным компаниям все убытки, чтобы эти прекрасные гидрогениумные автобусы перевозили пассажиров, не отравляя окружающую среду

А что у нас, в среде отечественных «кулибиных»? Интернет-форумы полны споров о возможности постройки генератора водорода своими руками. Адепты гидрогениума тычут в глаза скептикам фотками самогонных аппаратов, переделанных в установки по производству чистого топлива. Скептики: покажите конкретный пример постоянно работающего устройства. В ответ — тишина. Кто-то что-то собрал, подключил к кухонной плите, пожарил на водороде яичницу, съел. Теперь вот стоит в сарае, а к плите опять подключен газ, это проще, дешевле, безопаснее. Правда, умные люди всё же извлекают из «диванной» гидрогениумной энергетики пользу: завлекательные посты обеспечивают владельцев аккаунтов лайками, большим числом просмотров и подписчиков, что приносит неплохие деньги.

Если кто-то из читателей хочет повторить опыт гаражных мастеров, то, пожалуйста, вот достаточно подробное описание конструкции «самопального» водородного реактора. Ничего сложного.

В этом ролике нам красиво показывают, как мелкосерийное отечественное устройство обслуживает два десятка радиаторов, но не называют ни его тепловую мощность, ни себестоимость килокалории тепла.

Сегодня сложно сказать, какая из перспективных энергетических технологий «выстрелит» в будущем, когда запасы углеводородов иссякнут. Будет ли это термоядерный синтез, солярные или гравитационные системы, водородная энергетика? Пока что идёт эволюционное развитие перспективных направлений и революционных прорывов в ближайшее время в этой области не предвидится, о чём бы ни писал «жёлтый» интернет. По оценке специалистов, появление электролизных реакторов водорода, которые могли бы составить реальную конкуренцию традиционным видам топлива, ожидается не ранее, чем через лет 20-30. Многие эксперты вообще скептически оценивают перспективы водородной энергетики, оставляя этому виду топлива лишь узкую нишу в ракетостроении. Но все, кто занимается этим делом профессионально, сходятся на том, что действительно эффективные водородные реакторы будут продуктом высоких технологий, а не «приспособами», собранными из старых кастрюль и других ненужных железок на коленке.

 

Сверхлегкая ракета — двигатель на батарейках

07.07.2020

В обход идти, понятно, не очень-то легко,
довольно неприятно и очень далеко
Айболит 66 

Продолжение, начало — статьи 1, 2, 3, 4, 5, 6

В первой, второй и третьей публикациях цикла было рассказано о потенциальном рынке сверхлегких ракет-носителей (СЛРН). В четвертой и пятой статьях были рассмотрены некоторые нетрадиционные решения, которые пытались применять в проектах СЛРН. В шестой статье рассмотрены широкодиапазонные двигатели. В настоящей статье изучается вопрос замены турбонасосного агрегата (ТНА) на электрический привод насосов (ЭН) с питанием от аккумуляторных батарей (АКБ). Статья скучноватая, картинок мало, но полезная, ссылок много.

Зачем ракете батарейки

Единственный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с ЭН, слетавший в космос, это Резерфорд (Rutherford) ракеты RocketLab Electron (рис.1-а). Он оснащен раздельным приводом насосов горючего и окислителя, что позволяет гибко дросселировать его мощность. Но такая схема не является обязательной, привод может быть и общим (рис.1-б). Обзор ЖРД Rutherford приведен в статьях [1],[2]. Каждый ЖРД снабжен двумя гидроцилиндрами (синие на рис.1-а), которые позволяют качать его по двум осям, обеспечивая таким образом управление ракетой. Питание ЭН осуществляется от АКБ. Следует отметить, что АКБ давно и широко применяются на ракетах-носителях (РН) и космических аппаратах [3], но для питания электрических приводов насосов ЖРД они использованы на СЛРН Electron впервые.

Рисунок 1 - ЖРД Rutherford с индивидуальным электрическим приводом насоса окислителя и горючего (а) и альтернативная схема с насосами на одном валу и приводом от общего электрического двигателя

Основной причиной, почему в ракете Electron применены ЭН, является недоступность на рынке коммерческих ТНА. Лидер в области разработки и производства ТНА фирма Barber&Nichols [4] фактически является единственной, кто поставляет ТНА отдельно от ЖРД. Однако она не выпускает ТНА для ЖРД малой тяги. Насосы же и высокооборотные электрические двигатели являются серийной коммерческой продукцией, доступной на рынке, АКБ используются особые, но они тоже серийные.

Пожалуй, единственным подходящим по размерности для СЛРН является ТНА водородного воздушно-реактивного двигателя НК-88, устанавливавшегося в конце 80-х годов на экспериментальный самолёт Ту-155. Данный ТНА при частоте вращения 50 тыс. об/мин может использоваться на водородном НК-88, а при 20 тыс. об/мин – на метановом НК-89. Ценой немалых переделок этот ТНА можно приспособить для метанового ЖРД тягой 1,5 — 2,2 тс [5],[6].

АКБ — революция закончилась

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами.

Литий-ионные батареи – лучший выбор при времени работы до 5 мин. Литий является металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г). Литий-ионные аккумуляторы появились на рынке в начале 90-х годов, история их создания изложена в статье [7], а разновидности и перспективны развития – в статье [8]. Возможность применения литий-ионных АКБ для питания ЭН ЖРД рассмотрена в работе [9]. Показано, что необходимо учитывать одновременно два параметра: удельную емкость E/m и удельную мощность P/m (m-масса элемента). Кроме того, важен ток разрядки, т.е. то, как быстро батарея может отдать накопленную энергию (C-rate), т.к. вращение электродвигателя зависит от силы тока. Емкость по току измеряется в С=ампер·час. В настоящее время на литий-ионных серийных АКБ одновременно достигнуты E/m =220 Вт·ч/кг и P/m=2 кВт/кг, полная картина сочетания этих параметров представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Характеристики современных АКБ различных типов

В отдельных тестах достигнуты удельная энергоемкость литий-ионных элементов порядка 1,5 кВт·ч/кг и рекордный ток 20 кА/кг массы электродов [10]. Их гибриды с литий-оксидными Li-Ο₂ (которые сами по себе недостаточно мощные, но теоретически могут обладать рекордной емкостью до 5 кВт·ч/кг [11]) лидируют среди перспективных аналогов по обоим параметрам [12], но внедрены они могут быть не ранее, чем в течение 10 лет. Это связано с тем, что подача кислорода воздуха в ячейку, содержащую легко воспламеняющийся литий, требует сложных технологических решений, кроме того, имеются проблемы с электродами с высокой плотностью тока. С применением новых материалов анода, например, кремния, можно ожидать дальнейшего прогресса, однако этому препятствуют трудности: разрушение и разуплотнение элементов кремниевого слоя, а также рост литиевых дендритов через электролит.

На режимах высоких нагрузок литиевые батареи начинают перегреваться. Например, на токе 15С (характерный ток разрядки АКБ в ЖРД с ЭН) литий-ионные элементы выходят из строя за 600 с [13]. Также, в условиях стратосферы при нагреве может закипеть растворитель электролита, т.к. ячейки не защищены от падения давления и начинают разбухать. Безопасной считается эксплуатация АКБ при температуре элементов ниже 100°С, иначе могут инициироваться экзотермические реакции [14]. Максимум отдачи энергии наблюдается при температуре 35-41ºС. В сухих сборках без принудительного охлаждения теплоотвод осуществляется медленнее в несколько раз, поэтому высокомощные сборки элементов требуется защищать от перегрева даже для длительности пуска 150-200 с. Ожидается, что контроль температуры батарей хладагентом поможет на 20% повысить их энергоотдачу.

Литий-серные батареи имеют отличные показатели удельной энергии (до 1,6 кВт·ч/кг для малых токов разряда), поэтому их можно рассматривать при длительности работы от 10 мин. Напомним, у СЛРН Electron время работы первой ступени – 2,5 мин, второй ступени – 6,5 мин, т.е. применение литий-серных АКБ потребует изменения траектории выведения на более пологую, что попутно уменьшит гравитационные потери. В литий-серных батареях используются различные степени окисления серы в составе полисульфид-иона, что, вероятно, позволяет достигать множества стабильных промежуточных состояний серного электрода. Максимальный задокументированный ток разряда в лабораторных условиях – 3С для удельной энергии порядка 1 кВт·ч/кг [15].

Другие авторы полагают, что у потенциально реализуемых изделий ток разряда не превысит 0,2С [16]. В работе [17] для литий-серных АКБ приняты следующие параметры: 1,2 кВт/кг и 350 Вт·ч/кг, приведено их сравнение с литий-ионными и литий-ионными с полимерным электролитом АКБ (литий-полимерных). Сделан вывод, что для применения на СЛРН литий-серные АКБ хуже литий-полимерных.

Для литий-серных лабораторных тестовых микросборок, использующих структурированные наноуглеродные электроды, значение удельной мощности может достигать 10 кВт/кг, как у коммерческих суперконденсаторов, но это, как всегда с нанотехнологиями, дело отдаленного будущего.

Другие типы АКБ – серебряно-цинковые, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные, литий-титанатные по отдельным характеристикам могут превосходить литий-полимерные элементы, но по интегральным показателям уступают им (см. рис.2).

Прекрасными разрядными характеристиками обладают АКБ на базе титаната лития: они быстро заряжаются и дают мощную отдачу по току, что делает привлекательным их применение в общественном транспорте. Но они очень тяжелые, и это закрывает им путь в космос.

К литий-ионным близки и отчасти их превосходят серебряно-цинковые элементы с емкостью до 0,22 кВт·ч/кг и током разряда до 50C (т.е. удельной мощностью до 10 кВт/кг) [18].

Ближайшими к ним серийно выпускаемыми бюджетными элементами являются никель-кадмиевые и никель-металлогидридные с мощностью разряда до 1 кВт/кг и удельной энергией в пределах до 0,11 кВт·ч/кг [19].

Гибрид суперконденсатора и элемента питания – «supercapattery» с использованием наноматериалов является перспективным направлением исследований. Сами по себе суперконденсаторы обладают максимально возможной мощностью разряда, превосходящей все известные элементы питания, но их удельная энергоемкость не превышает 10 Вт·ч/кг [20], что является крайне низким показателем (см. рисунок 3).

Рисунок 3 - Соотношение удельной емкости и удельной мощности у источников энергии различных типов, серым показаны области преимущественного использования

Таким образом, их применение целесообразно при времени разряда в несколько секунд, например, при страгивании с места автомобиля в городской среде или других транспортных средств с тяжелым грузом – тепловозов, электровозов, тягачей и т.п. На СЛРН суперконденсаторы могут быть использованы для раскрутки ЭН при запуске ЖРД.

Представляется также целесообразным объединить АКБ и суперконденсаторы в одну сборку. Удельная энергия таких систем в лабораторных условиях уже достигает 200 Вт·ч/кг, а удельная мощность 3 кВт/кг [21]. При использовании ионных жидкостей в качестве электролита уже сейчас достигнута емкость на уровне 90 Вт·ч/кг при комнатной температуре и 136 Вт·ч/кг при 80ºС [22] с перспективой увеличения до 230 Вт·ч/кг при использовании в качестве электролита LiClO₄. Удельная мощность теоретически может достигать 10-20 кВт/кг, что выше, чем у турбокомпрессора.

Для СЛРН гибриды суперконденсаторов с АКБ – supercapattery сегодня уже лучше литий-ионных АКБ, но эта технология находится в самом начале пути своего развития. Кроме того, supercapattery тяготеют к периодичности функционирования заряд/разряд.

Можно сделать заключение, что в обозримом будущем на традиционной ракете могут быть применены только литий-ионные АКБ, причем, наиболее вероятно, с полимерным электролитом. Не следует ожидать улучшения их характеристик более, чем на 25%. Другие типы батарей и топливных элементов не имеют перспектив на классических ракетах-носителях.

При этом необходимо учитывать, что масса элементов – это еще не вся масса АКБ. Так, на гибридных автомобилях масса элементов составляет 0,55 массы АКБ. В перспективе, с учетом возможностей новых материалов и «высоких» аэрокосмических технологий, прогнозируется увеличение этого показателя до 0,7-0,8.

Перспективным направлением исследования являются гибриды supercapattery.

Альтернативные источники питания — а если попробовать в обход?

Как будет показано в следующей статье цикла, даже при самых оптимистичных характеристиках АКБ, ракета с ЭН существенно уступает ракете с ТНА по весовому совершенству. Не существует ли иных обходных путей, которые позволили бы получать электричество на борту в количестве и с параметрами тока, достаточными для привода ЭН?

Топливные элементы (ТЭ) фосфатных, карбонатных, щелочных классов и твердооксидные (ТОТЭ) обладают существенно большей эквивалентной удельной энергоемкостью по сравнение с лучшими АКБ. Как сообщает портал GasWorld [23], дрон на топливных элементах компании MetaVista с баком жидкого водорода и двигателем FCPM производства Intelligent Energy провел в небе 10 часов 50 минут. Удельная энергоемкость системы составила 1865 Вт·ч/кг. Для сравнения: энергоемкость систем на основе Li-Ion аккумуляторов редко превышает 200 Вт·ч/кг.

ТЭ не могут быть мгновенно введены в действие из-за необходимости разогрева до температур порядка 200-1000ºС, что не является для СЛРН серьезным недостатком. Время подготовки ракеты к старту, в любом случае, составляет несколько часов. Большинство ТЭ требуют подачи чистого водорода, что затрудняет их применение в ЖРД, работающих на углеводородном горючем.

К сожалению, достигнутая удельная мощность серийных ТЭ составляет около 1 кВт/кг, максимум — 1,25 кВт/кг, т.е. существенно ниже, чем у лучших литий-полимерных АКБ. Именно невысокая удельная мощность ограничивает применение ТЭ на борту СЛРН.

Интересными свойствами и способностью работать не только на водороде, но и на углеводородном горючем, высоким КПД преобразования химической энергии в электрическую обладают ТОТЭ и родственные им протон-керамические ТЭ [24], но они еще тяжелее обычных.

Таким образом, как и в случае литий-серных батарей, применение ТЭ может быть обоснованным при времени работы больше 10 минут, что потребует запуска СЛРН по пологой траектории.

Интересной идеей является прокачка водорода через протонообменную мембрану под давлением [25], предложенная компанией HyPoint, что позволяет прокачивать через ТЭ в три раза больше водорода, чем в традиционной конструкции – соответственно,  увеличивается в три раза его удельная выходная мощность (см. рис.4).

 

Рисунок 4 - Топливный элемент с воздушным охлаждением и принудительной прокачкой водорода под давлением фирмы HyPoint

Глава компании Алекс Иваненко заявляет, что достигнута удельная мощность 2 кВт/кг. Смущает только то, что компания, перебравшаяся из Сколково в Кремниевую долину, «прославилась» тем, что совместно с небезызвестной сколковской фирмой Бартини под камеры прессы в первом же публичном показе отправила своё чудо техники мордой в сугроб [26]. Очевидная безграмотность конструкции беспилотника Бартини, негативная реакция прессы и насмешки в социальных сетях вызвали специальный пресс-релиз Ассоциации «Аэронет», смысл которого был в том, что профессионалы к этим самодельщинам никакого отношения не имеют.

Сама же идея прокачки водорода под давлением на СЛРН может быть вполне продуктивной, тем более что на борту есть, чем охлаждать ТЭ.

Безгенераторные ТНА в ряде случаев могут быть альтернативой ЭН на АКБ. В безгенераторных водородных ЖРД рекордная энергия теплоотведения водорода, получаемая при охлаждении камеры сгорания и сопла, достаточна для привода турбины ТНА даже на ЖРД малой тяги. Низкие давления и температура перед турбиной позволяют выполнить её конструкцию надежной и легкой.

Так, в КБХА были разработаны безгенераторные ТНА для привода отдельно насоса водорода и отдельно насоса кислорода в ЖРД РД-0146 (см. рисунок 5), а также для первого в мире безгенераторного кислородно-водородного ЖРД Пратт-Уитни Рокетдайн RL10 (США, 1963 г), у которого насосы находятся на одном валу и связаны через редуктор (рисунок 6) [27]. Применение нового ТНА позволяет расширить диапазон использования двигателя RL10 по тяге – от 5 до 15,6 т вместо 6,7– 11,0 т.

Применение на таких ЖРД ЭН, АКБ и ТЭ лишено всякого смысла. Однако с уменьшением размерности турбины КПД её стремительно падает, площадь, с которой собирается энергия за счет охлаждения камеры сгорания, тоже уменьшается, а технические сложности нарастают.

1 – ТНА водорода, 2 – ТНА кислорода, 3 – БТНА водорода, 4 – БТНА кислорода, 5 – камера

Рисунок 5 — Схема системы питаний водородного ЖРД РД-0146 (КБХА) безгенераторного типа (а) и ротор ТНА подачи водорода (б)

Рисунок 6 — Схема системы питаний водородного ЖРД RL-10 (а), ротор водородного насоса (б) и разрез блочного ТНА (в)

Получение водорода для ТЭ прямо на борту. На ЖРД с углеводородным горючим для питания ТЭ необходимо использовать дополнительный источник водорода. Для применения в краткосрочных пусках от 5 минут может рассматриваться пара «цинк-перекись водорода» [28]. Экспериментальная сборка достигает плотностей мощности 1,2 Вт/см² (как в коммерческих топливных элементах), топливом служит цинковый порошок, окисляемый на аноде. Однако такая конструкция ТЭ уступает известным ТНА, работающим за счет реакции разложения перекиси водорода в газогенераторе. Кроме того, позиция Роскосмоса – применение на борту СЛРН перекиси водорода в любых видах нежелательно. Существуют различные твердые порошки, содержащие водород, например, аминоборан и борогидрид лития, которые отдают при нагревании до 300ºС от 13% до 15% по массе водорода. Но они не конкурентоспособны с АКБ по энергоемкости.

Более перспективны жидкие вещества, которые можно использовать для охлаждения камеры сгорания и сопла ЖРД, например – метанол, который при нагревании до 300-350ºС разлагается на синтез-газ (СО+H₂). Метанол имеет сравнительно слабые характеристики теплоотбора и как топливо неинтересен.

Аммиак весьма перспективен. Рассматриваются кислородно-керосиново-аммиачные ЖРД [29], в которых доля аммиака может достигать 35% без потери удельного импульса по сравнению с парой керосин-кислород (см. рис.7). При этом температура горения снижается почти на 600 — 1000ºС из-за невысокой теплотворной способности аммиака (меньше, чем у керосина на 30-33%), что упрощает охлаждение камеры сгорания.

Рисунок 7 — Зависимость идеального удельного импульса в пустоте (I_у,п) от массового соотношения кислородно-керосиновых компонентов топливной смеси (K_m) и доли аммиака (в процентах от суммарного расхода топлива)

Такие характеристики являются следствием высокого значения газовой постоянной у продуктов сгорания смеси керосин-аммиак-кислород, которая на 10% больше, чем у керосина с кислородом. А удельный импульс I_у.и. ∽ (RT)^½, где R — газовая постоянная, T — температура. При использовании в паре с жидким кислородом пустотный удельный импульс аммиака составляет порядка 2900 м/с, т.е. чуть меньше, чем у керосина, но в смеси с керосином удельный импульс не ниже.

По интенсивности теплоотбора (при паровой конверсии до 6 МДж/кг) аммиак уступает только водороду, хотя и сильно. Но все остальные углеводородные топлива он превосходит в четыре и более раза (паровая конверсия керосина — 1121 кДж/кг, что соответствует теплосъему 0,7 МВт/м²). По теплопроводности аммиак превосходит керосин в 40 и более раз.

Как хладагент аммиак превосходит и жидкий метан. В последнее время стали появляться публикации, что содержащейся в тугоплавких сплавах никель способствует пиролизу метана уже при температуре около 700ºС [30], что сопровождается образованием сажи. В упомянутой работе предлагается защищать охлаждаемую поверхность инертным материалом, например, графитом, что достаточно сложно для регенеративного охлаждения с внутренними каналами сложной формы.

Таким образом, аммиак – отличный хладагент: разлагаясь, он дает водород. При температуре 500-600ºС аммиак разлагается на водород и азот в пропорции 1:3. Высокая газовая постоянная и сравнительно низкая температура парогазовой смеси позволяют сделать турбину ТНА простой и эффективной. Аммиак можно использовать и внутри камеры сгорания и сопла для организации завесного охлаждения, при этом он также в 5-6 раз эффективнее керосина. Расчеты показывают, что при умеренных значениях давления в камере сгорания (80-100 атм) и применении турбины ТНА с перепадом давления π_т>2, возможно организовать безгенераторную схему с использованием в качестве рабочего тела парогазовый смеси уже на первой ступени, тем более, на высотных и широкодиапазонных соплах.

Аммиак относится к 4 группе опасности, т.е. мало опасен, его утечки благодаря резкому запаху легко обнаруживаются, в этом отношении он гораздо безопаснее водорода. Он летуч, и его разливы вызывают меньшие экологические последствия, чем разливы керосина. Продукты сгорания содержат окислы азота, но в связи с отсутствием в нем углерода, подбор режимов, при которых выбросы NO_x минимальные, не представляет проблемы. Следовательно, аммиак можно считать сравнительно безопасной для экологии и персонала добавкой к топливу.

Ацетам — аммиачно-ацетиленовый раствор. Ацетам имеет удельный импульс до 4200 м/с в пустоте и до 4000 м/с на уровне моря. Зависимость удельного импульса от концентрации аммиака в готовой топливной смеси с кислородом и от соотношения окислителя и горючего (K_m) приведены на рисунке 8 [31], где видно, что ацетам существенно превосходит керосин, а при доле аммиака в топливной смеси 15% требует такого же количества кислорода.

Рисунок 8 - Зависимость идеальных значений удельного пустотного импульса для продуктов сгорания в кислороде ацетилено-аммиачного горючего различного процентного состава от Km при степени расширения сопла r = 10,3, (pк = 166 кгс/см² , Km  массовое отношение кислорода к ацетилену/керосину в топливной смеси), процентное содержание аммиака в топливе

Ацетам — высокоэнергетическое топливо, уступающее только водороду. Оно может храниться при температуре минус 40ºС и давлении около 3 атм, что хорошо соответствует условиям наддува баков СЛРН по условиям прочности, когда стартовая тяговооруженность составляет порядка 2. Именно такая тяговооруженность является оптимальной для ракеты с корпусом из углепластика. Можно использовать аммиак для охлаждения, а затем смешивать его с ацетамом. Переход от окислительного газа к нейтральному парогазу снимает целый ряд острых технических проблем и повышает безопасность эксплуатации ЖРД, в том числе при многоразовом использовании. Вдобавок к химической нейтральности, лучше у аммиачной смеси также и работоспособность – газовая постоянная около 60 Дж/кг·град, тогда как для окислительного турбогаза она не превышает 30 Дж/кг·град. Следовательно, смешиваемый с ацетамов парогаз также может использоваться для получения электроэнергии на борту в ТЭ или в качестве рабочего тела для безгенераторного ТНА.

К сожалению, ацетам плохо изучен. Достоверно известно, что относительно безопасными могут быть смеси с парциальным давлением ацетилена в газовой смеси не более 10 атм. Растворимость ацетилена в жидком аммиаке нелинейно расчет с уменьшением температуры. Соответственно, при сжатии раствора, выделяться в газовую фазу будет больше ацетилена. Газообразный ацетилен непредсказуем, коварен и чрезвычайно взрывоопасен. Поскольку он детонирует при сжатии, а также и при нагреве до 500ºС, то совершено непонятно, как поведет его смесь с аммиаком в топливных насосах. Все эти вопросы требуют тщательного изучения и экспериментальной отработки.

С другой стороны, даже смесь ацетилена с аммиаком в пропорции 50-50% превосходит керосин по всем показателям как ракетное горючее и как хладагент. Ацетам является весьма перспективным для применения в ротационно-детонационном двигателе, который при работе на ацетаме и давлении в камере сгорания до 150 атм вообще не требует насосов.

Комбинированная схема с генератором электроэнергии для подзарядки АКБ может быть использована на классической ракете для вариантов, когда отбираемой за счет охлаждения энергии не хватает для привода ТНА. Поскольку удельная мощность электрогенератора в зависимости от частоты вращения составляет 3-5 кВт/кг, то выгоднее использовать для получения энергии генератор, а не ТЭ, в тех случаях, когда требуется высокая удельная мощность, т.е. при классическом вертикальном старте с большим ускорением. Следовательно, мощный электрический генератор, работающий через высокорейтинговые АКБ или, в идеале, через supercapattery, является оптимальным источником тока.

Вполне интересным может быть вариант с термоэмиссионным охлаждением (ТэО), кратко рассмотренным в шестой статье. Напомним, что в типичном случае, термоэмиссионное покрытие может генерировать электрическую мощность 250 кВт/м² при температурах более 1500К. Защищаемая конструкция охлаждается при этом на 500-700 гр. С нагреваемых участков собирается электроэнергия с КПД преобразования в электричество порядка 50%. Её можно использовать для подзарядки АКБ.

Заключение

В настоящей статье были рассмотрены аккумуляторные батареи различных типов. Показано, что для традиционной сверхлегкой ракеты с быстрым вертикальным стартом наилучшим вариантом на обозримую перспективу являются литий-полимерные элементы. Наиболее перспективным направлением исследований являются гибриды суперконденсаторов и аккумуляторных батарей — supercapattery.

Переход на водород исключает потребность в электронасосах, т.к. безгенераторная схема с использованием паров водорода из рубашки охлаждения ЖРД генерирует достаточно энергии для привода насосов. Применение в качестве горючего смеси керосина с аммиаком и ацетилена с аммиаком представляется хорошей альтернативой водороду. В этом случае может быть реализована безгенераторная схема, в том числе, с выработкой водорода на борту для питания топливных элементов, но более привлекательным с точки зрения удельной массы выглядит привод от турбины электрического синхронного генератора, подзаряжающего аккумуляторные батареи. Данная схема отличается наибольшей гибкостью, поскольку частоты вращения турбины и насосов могут изменяться независимо друг от друга.

Для подзарядки батарей могут использоваться элементы термоэмиссионного охлаждения, которые уступают по эффективности теплоотбора регенеративным системам, использующим керосин, но преобразуют энергию непосредственно в электричество с КПД порядка 50%.

В следующей статье будет приведен весовой анализ ракет с электрическими насосами и турбонасосными агрегатами. Будут рассмотрены варианты различных топлив в сочетании с электрическим приводом.

Благодарности

Автор благодарит за помощь в подготовке статьи и предоставленные материалы сотрудников Научно — Исследовательской Лаборатории Беспилотных авиационно-космических систем (НИЛ БАКТС) БГТУ «Военмех»: Станислава Колосенка, Алексея Колычева и Александра Никитенко.

---

^[1] https://thealphacentauri.net/25345-o-dvigatele-rutherford/

^[2] https://habr.com/ru/post/404025/

^[3] http://jurnal.vniiem.ru/text/171/14-23.pdf

^[4] https://www.barber-nichols.com

^[5] Иванов А.И., Борисов А.В. Кислородно-водородный ЖРД для разгонных блоков ракет-носителей легкого класса с использованием водородного ТНА, разработанного для авиационного ГТД. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3(34), 2012, с.302-306.

^[6] Иванов А.И., Косицын И.П., Борисов В.А. Анализ схем жидкостного ракетного двигателя небольшой тяги с авиационным турбонасосным агрегатом на метане // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2016. Т. 15, No 4. С. 75-80. DOI: 10.18287/2541-7533- 2016-15-4-75-80.

^[7] https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/455513/

^[8] https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/462185/

^[9] Rachov, A. Pavlov, P & Tacca, H.E. & Lentini, Diego. “Electric Feed Systems for Liquid-Propellant Rockets,” Journal of Propulsion and Power, Vol. 29, No. 5, 2013, pp. 1171-1180.
doi: 10.2514/1.B34714.

^[10] Linpo Yu, George Zheng Chen, “Supercapatteries as High‑Performance Electrochemical Energy Storage Devices”, Electrochemical Energy Reviews, 2020.

^[11] Grande L, Paillard E, Hassoun J, et al. The lithium/air battery: still an emerging system or a practical reality? Adv Mater. 2015;27:784–800. doi: 10.1002/adma.201403064.

^[12] L. An, T.S. Zhao et al., “A low-cost, high-performance zinc-hydrogen peroxide fuel cell”, Journal of Power Sources 275 (2015) 831e.

^[13] X T. Dong, P. Peng, F. Jiang, “Numerical modeling and analysis of the thermal behavior of NCM lithium-ion batteries subjected to very high C-rate discharge/charge operations”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 117, February 2018, pp. 261-272.

^[14] Yang Yang, Yishen Xue, et al., “A Facile Microfluidic Hydrogen Peroxide Fuel Cell with High Performance: Electrode Interface and Power-Generation Properties”, ACS Appl. Energy Mater., 2018, 1, 10, 5328-5335.

^[15] Zhan Lin, Chengdu Liang “Lithium-Sulfur Batteries: from Liquid to Solid Cells”, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 936-958.

^[16] Zhu Kunlei, Wang Chao, Chi Zixiang, Ke Fei, Yang Yang, Wang Anbang, Wang Weikun, Miao Lixiao, “How Far Away Are Lithium-Sulfur Batteries From Commercialization?” , Frontiers in Energy Research, vol. 7, 2019, p.123.

^[17] Kaan Gegeoglu, Mehmet Kahraman, Arif Karabeyoglu. Assessment of Using Electric Pump on Hybrid Rockets. Conference: AIAA Propulsion and Energy 2019 Forum. DOI: 10.2514/6.2019-4124.

^[18] Thomas P. J. Crompton, Battery Reference Book, Elsevier, Mar 20, 2000.

^[19] Siraj Sabihuddin, Aristides E. Kiprakis and Markus Mueller, “A Numerical and Graphical Review of Energy Storage Technologies”, Energies 2015, 8, 172-216.

^[20] М.Сизов, “Устройство для выравнивания напряжений на элементах батареи суперконденсаторов”, Современная Электроника, № 1, 2013, c 40-43.

^[21] Linpo Yu, George Zheng Chen, “Supercapatteries as High‑Performance Electrochemical Energy Storage Devices”, Electrochemical Energy Reviews, 2020.

^[22] Yu LP., Chen GZ. High energy supercapattery with an ionic liquid solution of LiClO4. Farad Discuss. 2016;190:231–240. doi: 10.1039/C5FD00232J.

^[23] https://www.gasworld.com/hydrogen-powered-uav-sets-record-in-the-sky/2016427.article

^[24] Duan C, Kee RJ, Zhu H, Karakaya C, Chen Y, Ricote S, et al. Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells. Nature 2018;557:217–22. doi:10.1038/s41586-018-0082-6.

^[25] https://naukatehnika.com/turbo-toplivnyie-elementyi-evtol.html

^[26] https://nplus1.ru/news/2018/12/08/bartini

^[27] А. И. Дмитренко, А. В. Иванов, В. С. Рачук. Развитие конструкций турбонасосных агрегатов для водородных ЖРД безгенераторной схемы, разработанных в КБХА. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. No 4 (24) 2010 г., с.38-48.

^[28] L. An, T.S. Zhao et al., “A low-cost, high-performance zinc-hydrogen peroxide fuel cell”, Journal of Power Sources 275 (2015) 831e.

^[29] В.И. Архангельский, В.Н. Хазов. Кислородно-Керосино-Аммиачные топливные композиции в ЖРД. http://lpre.de/resources/articles/83121926.pdf.

^[30] R. Minato, K. Higashino, M. Sugioka and Y. Sasayama. Control of LNG Pyrolysis and Application to Regenerative Cooling Rocket Engine. https://www.intechopen.com/books/heat-exchangers-basics-design-applications/control-of-lng-pyrolysis….

^[31] Хазов, В.Н. Ацетилено-аммиачные растворы как высокоэффективное горючее кислородных ЖРД [Teкст] / В.Н. Хазов // Труды НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко. – 2008. – No 26. – С. 48-67.

#Аэроспейснет, #ракета, #космос

Делаем водородный генератор для отопления дома своими руками. Жми!

Водородный генератор (электролизер) это прибор, работающий за свет двух процессов: физического и химического.

В процессе работы под воздействием электротока вода разлагается на кислород и водород. Данный процесс носит название электролиз. Электролизер довольно популярен среди самых известных видов водородных генераторов.

Как устроен прибор

Электролизер состоит из нескольких пластин из металла, погруженных в герметическую емкость с дистиллированной водой.

Сам корпус имеет клеммы, чтобы подключать источник питания и есть втулка, через которую выводится газ.

Работу прибора можно описать так: электроток пропускается через дистиллированную воду между пластинами с разными полями (у одной — анод, у другой — катод), расщепляет её на кислород и водород.

В зависимости от площади пластин электроток имеет свою силу, если площадь большая, то и тока по воде проходит много и больше выделяется газа. Схема подключения пластин поочередная, сначала плюс, потом минус и так далее.

Электроды рекомендуется делать из нержавеющей стали, которая в процессе электролиза не вступает в реакцию с водой. Главное найти нержавейку высокого качества. Между электродами лучше сделать расстояние маленькими, но так, чтобы пузыри газа легко между ними передвигались. Крепеж лучше изготовить из соответствующего металла, что и электроды.

[warning]Примите во внимание: в связи с тем, что технология изготовления связана с газом, то во избежание образования искры, необходимо произвести плотное прилегание всех деталей.[/warning]

В рассматриваемом варианте устройство включает в себя 16 пластин, расположены они друг от друга в пределах 1 мм.

За счет того, что пластины имеют достаточно немалую площадь поверхности и толщину, можно будет пропустить через такое устройство высокие токи, однако нагрева металла не произойдет. Если измерить на воздухе емкость электродов, то она составит 1nF, данный набор использует до 25А в простой воде из водопровода.

Для сбора водородного генератора своими руками можно применить контейнер пищевой, так как его пластик термоустойчив. Затем нужно в контейнер опустить электроды для сбора газа с разъемами изолированными герметично, крышкой и другими соединениями.

Если использовать контейнер из металла, то во избежание короткого замыкания, электроды крепятся на пластике. С двух сторон медных и латунных фитингов устанавливаются два разъема (фитинг – монтировать, собирать) для извлечения газа. Разъемы контактные и фитинги нужно прочно закрепить, применяя герметик из силикона.

Изготовить газогенератор также можно в домашних условиях. Методика подробно изложена здесь: https://teplo.guru/pechi/piroliznye/gazogenerator-svoimi-rukami.html

Соблюдение мер безопасности

Электролизер представляет собой устройство повышенной опасности.

Поэтому во время его изготовления, монтирования и работы обязательно нужно соблюдение как общих, так и специальных мер безопасности.

Специальные меры включают следующие пункты:

• следует контролировать концентрацию смеси водорода с кислородом, в целях недопущения взрыва;
• если уровень жидкости не просматривается в смотровом окне водородного генератора, то его использовать нельзя;
• во время выполнения ремонта нужно удостовериться, что в конечной точке системы полностью отсутствует водород;
• противопоказано использование открытого огня, электрических нагревательных приборов и переносных ламп напряжением более 12 вольт рядом с электролизером;
• во время работы с электролитом следует себя обезопасить, используя средства защиты (спецодежда, перчатки и очки).

Советы специалистов

Квалифицированные мастера считают, что изготавливать самодельные водородные генераторы для автомобилей в домашних условиях рискованное занятие.

Они объясняют это тем, что электролизер для авто имеет сложную и небезопасную систему устройств.

Заниматься изготовлением таких агрегатов нужно, применяя специальные материалы и реагенты.

[advice]Примите к сведению: в случае самостоятельного установления электролизера, который был изготовлен своими руками, рекомендуется строгое исключение возможности, когда газ попадает в камеру сгорания при заглушенном двигателе. Во время отключения двигателя, обязательно должен автоматически отключиться водородный генератор от сети электрического питания автомобиля.[/advice]

Если все-таки решили самостоятельно изготовить автомобильный гидролизер, то обязательно следует оснастить его барботером – это специальный водяной клапан. При его использовании значительно повысится безопасность при вождении автомобиля.

Электрический ток можно получить из земли и воздуха самостоятельно. Подробности в этой статье: https://teplo.guru/elektrichestvo/besplatnoe-elektrichestvo.html

Отопление дома газом Брауна

Схема работы водородного генератора. (Для увеличения нажмите)

Водород является самым распространенным химическим элементом, поэтому экономически выгодно его использовать.

Для многих владельцев домов и дач часто встает вопрос, как получить «чистую» и дешевую энергию для нужд в быту. Ответ можно найти в таких инновациях, как водогенератор для отопления жилища.

Ученые, благодаря своим разработкам, позволили многим использовать такое устройство для получения газа. Установка способна генерировать водород (газ Брауна) и этот газ будет использован для получения энергии.

Можно это соединение представить химической формулой, как hho. Данный газ можно получить из воды с помощью метода электролиза. Есть много примеров в жизни, когда люди хотят свой дом отапливать оксиводородом. Но чтобы этот вид топлива получил популярность, надо сначала научиться получать его (газ Брауна) в бытовых условиях.

Пока еще нет технологии водородного отопления частного дома, которая была бы достаточно надежной.

Нюансы организации отопления дома газом Брауна рассмотрены здесь: https://teplo.guru/sistemy/otoplenie-gazom-brauna.html

Смотрите видео, в котором опытный пользователь разъясняет, как сделать водородный генератор своими руками:

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

На водороде в будущее

Юрий Добровольский: «Мы еще сохранили шансы стать лидерами, поскольку в области водородных технологий не утратили своих компетенций»
Фото: Предоставлено компанией

Правительство РФ утвердило план мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской федерации до 2024 года». Его цель — организация первоочередных работ по формированию в стране высокопроизводительной экспортно ориентированной отрасли водородной энергетики, развивающейся на основе современных технологий и обеспеченной высококвалифицированными кадрами.

В преамбуле плана отмечается, что одним из вызовов энергетической безопасности для Российской Федерации является изменение структуры спроса на энергоресурсы, включая замещение углеводородов другими видами энергетических ресурсов, в том числе водородом. Наша страна в этом смысле следует всемирной тенденции: практически все развитые страны — США, Япония, Китай, страны ЕС — в целом приняли свои стратегии развития водородной отрасли и ставят перед собой весьма амбициозные цели. Так, министр экономики и энергетики ФРГ Петер Альтмайер выразил уверенность, что благодаря принятию национальной водородной стратегии Германия будет играть ведущую роль в водородном развитии, как это было двадцать лет назад, когда началось продвижение использования возобновляемых источников энергии.

Наша страна тоже обладает серьезным потенциалом для организации масштабного производства водорода, развития водородной энергетики и использования водорода в самых разных областях экономики. Можно вспомнить, что именно в нашей стране еще в 1980-е годы был создан и уже летал первый в мире самолет с водородным двигателем. Водород широко используется в российской космической отрасли, для этого были созданы и производственные мощности, и средства доставки и хранения этого газа. Сейчас в стране ведутся серьезные научные и технологические разработки по применению водорода в различных видах транспорта и энергетике.

Мы встретились с одним из ведущих специалистов в этой отрасли, руководителем Центра компетенции НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии, доктором химических наук Юрием Добровольским, чтобы обсудить перспективы развития водородной энергетики в нашей стране.

— Для чего нужна водородная стратегия и чего можно ждать от развития водородной промышленности?

— Наверное, всем уже ясно, что мир так или иначе переходит к «зеленой» энергетике, в первую очередь от углеводородной — к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ).

Понятно, что быстро это сделать невозможно: нельзя построить за десять-двадцать лет столько ветряков, солнечных батарей, приливных и геотермальных станций, чтобы мир прямо завтра перешел к полностью углеродно нейтральной экономике. Но есть возможность принять промежуточные решения, на основе которых можно это сделать, и водород может стать промежуточным энергоносителем на период перехода к возобновляемым источникам тока.

Для этого необходимо постепенно внедрять водород в те области промышленности и техники, где это возможно. Например, в производство удобрений, в металлургию, где всегда присутствуют углеродсодержащие соединения, в нефтехимию, потому что нефтехимия — это не только горючее, но и много полезных вещей, которые мы получаем из нефти. Более того, в отличие от большой энергетики в этих отраслях водород, скорее всего, останется надолго и будет потребляться как химическое сырье в достаточном количестве.

Градация водорода в зависимости от способа его производства

И конечно, существуют большие возможности применения водорода на транспорте. Так или иначе, мы постепенно будем переходить на электрический транспорт, это экологически и климатически обоснованно. Сейчас такой транспорт в основном использует аккумуляторные системы, но у них есть масса недостатков. Во-первых, это не очень большая энергоемкость. Для литий-ионного аккумулятора это максимум 250 ватт-часов на килограмм, а для большого электротранспорта требуется емкость минимум 600–700 ватт-часов на килограмм. Вряд ли это удастся сделать с аккумуляторами в ближайшее время, если не будет какого-то фантастического прорыва в области совершенно новых аккумуляторных материалов. А водородные топливные элементы на автомобилях уже сейчас имеют большую энергоемкость и действительно могут заменить практически любой транспорт, которым мы сейчас пользуемся.

Кроме того, недостатком аккумуляторного электрического транспорта является то, что его приходится довольно долго заряжать. Есть быстрые зарядки, но они, как правило, приводят к быстрой деградации аккумуляторов. А водородом автомобиль заряжается так же, как обычным горючим: за несколько минут.

То есть, с одной стороны, водородная автотехника не сильно отличается с точки зрения потребительских свойств от привычной нам, а с другой стороны, она абсолютно экологически и климатически нейтральна.

Таким образом, постепенно двигаясь к возобновляемой энергии, мы можем благодаря водороду менять не только энергетику, но и все сферы производства, переводя их на более «зеленые» рельсы. А транспорт, наверное, единственная отрасль, в которой это уже сейчас экономически оправданно. Во всех остальных, о которых я сказал, такой переход пока так или иначе будет удорожать производство.

Правда, мы пока не видим решения, как заменить аккумуляторами или топливными элементами маршевые двигатели на больших самолетах. Но можно заменить керосиновый двигатель внутреннего сгорания на водородный, и эти технологии известны в России. Единственный в мире летавший на водороде самолет Ту-155 был сделан в нашей стране в конце советского периода. И крупные авиастроительные фирмы собираются к 2035 году показать большие самолеты на водороде. Так что давайте резюмируем, и это очень важно повторить: мир сейчас вступает в переходный период на пути к полностью «зеленой» энергетике и транспорту. И водород в этот период играет ключевую роль. Причем если в самой энергетике он будет важен именно в переходном периоде, то в области транспорта водород останется навсегда.

— А чего вы ждете от концепции, которую правительство предполагает принять в первом квартале следующего года в соответствии с планом мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года»?

— У нас сейчас в экспертном сообществе и среди ответственных лиц есть три разные позиции по вопросу, как развивать водородную энергетику и нужно ли вообще ее развивать. Крайняя консервативная позиция: нас обманывают наши зарубежные партнеры, водород слишком дорог, поэтому он никогда никому не будет нужен и заниматься этим не надо. У нас много углеводородов, и они важнее. Удивительно, но этой позиции придерживаются некоторые известные ученые, которые активно участвовали в разработке водородной дорожной карты.

Вторая позиция — промежуточная: если мы хотим сохранить свой экономический потенциал в то время, когда Европа и Азия собираются уменьшать количество потребляемого углеводородного топлива, то давайте производить и транспортировать водород, тем более что самый дешевый водород сейчас получается из углеводородов.

И третья точка зрения, которой придерживаюсь я: вне зависимости от возможностей поставки водорода на экспорт, чтобы уменьшить риски нашего экспорта, нам надо в первую очередь научиться самим потреблять водород. В какой-то момент его зарубежные покупатели могут нам сказать, что больше водорода им не надо, и это станет возможным, когда они перейдут на ВИЭ. Такие источники можно поставить везде, исчезнет необходимость в логистике водорода: его не надо будет подвозить, его будут производить на месте, там же, где используют. Но если есть внутреннее потребление, своя техника, свои металлургические и другие производства, транспорт, энергетика и городское хозяйство на водороде, то мы будем его производить в первую очередь именно для себя.

Вот три точки зрения, и какая победит в ближайшее время, мне до сих пор непонятно. Я слежу за этими обсуждениями, сам в них участвую, но не могу предсказать результат этой борьбы экспертных мнений: политических, научных и технических.

Причем водородная энергетика — это одна из тех отраслей, где мы в ближайшее время можем стать лидерами, и не столько в экспорте водорода как сырья, сколько в его применении. Мы еще сохранили шансы стать лидерами, поскольку в области водородных технологий не утратили своих компетенций, что признают и многие европейские страны, и тем более азиатские. Это позволит нам в перспективе занять достойное место не только на рынке водорода, но и на рынке высоких водородных технологий.

Производство и потребление «зеленого» водорода

— То есть, по вашему мнению, концепция должна предусматривать максимальные варианты развития не только и не столько экспорта, сколько внутреннего потребления водорода?

— Совершенно верно. Тем более что с экспортом водорода могут быть и климатические, и политические проблемы. Дело в том, что отношение к водороду на зарубежных рынках определяется способом его производства, в зависимости от которого ему условно присваивается разные цвета: зеленый, серый, оранжевый, голубой, бирюзовый.

«Зеленый» водород — это водород, полученный электролизом исключительно с помощью ВИЭ — энергии ветра, солнца, воды, любых других источников, которые не использует углеводороды, кроме атомных электростанций. Если водород получен с помощью АЭС, тут же подключаются политики, которые говорят, что он уже не «зеленый», а «оранжевый». И в Европе начинаются политические споры: «оранжевый» — это экологичный водород или нет, можем ли мы его импортировать?

Моя точка зрения такова: экологичность производства водорода надо оценивать по тому, сколько диоксида углерода при полном цикле его производства выбрасывается в атмосферу. Хорошо считать водород, полученный с помощью ВИЭ, «зеленым», забывая, что на строительство таких систем получения энергии мы тоже потратили углеводороды и выбросили в атмосферу довольно много углекислого газа.

«Серый» водород — это тот, который получается из углеводородов методом парогазовой конверсии, при этом углекислый газ выбрасывается в атмосферу, а «голубой» водород получается тем же способом, но углекислый газ при этом захоранивается или перерабатывается, а не выбрасывается в атмосферу.

Аналогично «бирюзовый» водород, но он получается методом пиролиза. При этом надо учитывать, что «серый» водород от электролизного «зеленого» водорода по себестоимости пока отличается более чем в десять раз.

— Не получается ли так, что затраты энергии на производство самого чистого — «зеленого» — водорода больше, чем стоимость энергии, получаемой при его использовании?

— Конечно, такой водород сейчас дороже, как ни считай. Но вопрос, какие цели человечество ставит перед собой. Моя позиция в том, что человечество наконец доросло до того, что начинает отвечать за свои поступки и несет коллективную ответственность перед будущими поколениями, в том числе за сохранение климата. Я не большой сторонник теории антропогенного загрязнения окружающей среды, хотя вероятность того, что именно мы повлияли на климат, есть, и даже если она минимальная, мы все должны с этим бороться. Что мы оставим нашим детям? Хотим ли мы, чтобы наши дети жили в условиях постоянных наводнений, пожаров и ураганов? Если нет, то человечество просто обязано заняться решением этой проблемы. Хотя бы в техносфере, в которой от него что-то зависит.

Причем это вопрос не только экономический. Сейчас, когда весь мир, по крайней мере развитые страны, стал достаточно богат, мы можем часть накопленных богатств потратить на то, чтобы восстановить климат и экологически безопасную окружающую среду.

Тем более что технологии не стоят на месте. Вспомните, что еще десять-пятнадцать лет назад, когда строились первые солнечные электростанции, они были дороги, им была необходима серьезная поддержка государства. Прошло всего десять лет — и государственная поддержка солнечной энергетики во многих странах существенно снизилась, эти направления вполне развиты, себестоимость солнечной электроэнергии упала настолько, что она стала вполне конкурентоспособной. И я думаю, что со временем электролиз станет экономически более выгодным, чем другие виды производства водорода, как за счет совершенствования самой технологии, так и потому, что его можно производить на месте потребления электричества, что позволит достичь существенной экономии за счет логистики и самого водорода, и электричества.

Вывод простой: чтобы водородные технологии начали активно применяться и подешевели, необходима государственная поддержка, какая раньше существовала в отношении других ВИЭ.

Газ из газа

— Насколько Россия готова к серьезному производству водорода в том числе на экспорт? И насколько она готова реализовывать свои научно-технологические заделы, которые, как вы говорите, у нас есть?

— Если вы посмотрите водородные стратегии Европы до 2050 года, то увидите, что в них на этот период заложены только пятьдесят процентов «зеленого» водорода, а пятьдесят процентов — «голубого». То есть половина всего потребляемого водорода будет получаться из углеводородов. Нам это выгодно, все-таки мы углеводородная держава. Но нужна логистика. К сожалению, основная стоимость водорода лежит не столько в его производстве, сколько в транспортировке. Потребуется огромная система газопроводов, хотя некоторые из существующих у нас трубопроводов уже сейчас пригодны для транспортировки водорода. Например, «Северный поток-2»: можно просто подключать на входе водород и качать его прямо в Германию. И это самый дешевый способ передачи водорода. То есть у нас уже есть трубопроводы в Азию и Европу — туда, где водородные программы развиваются, и, на мой взгляд, преимущества наши очевидны: дешевые углеводороды и самый дешевый трубопроводный способ поставки водорода в эти страны.

— То есть на данном этапе, на ваш взгляд, самое перспективное производство водорода — из природного газа?

— Да. До 2050 года мы обеспечены потребителями такого водорода, если успеем встроиться в цепочку поставок. Но понятно, что после 2050-го доля такого водорода будет падать и падать, пока «зеленый» водород не займет все сто процентов потребления, это для меня очевидно. Эта программа точно будет выполнена, и нам нужно уже сегодня искать способы производства «зеленого» водорода. Источником электричества для такого производства у нас может стать малая гидроэнергетика, которая, в отличие от большой, считается «зеленой», потому что не нарушает биобаланс. Во-вторых, у нас в России много мест, где может активно использоваться солнечная и ветровая электроэнергия. При правильном планировании мы можем у себя потихоньку замещать наш «голубой» водород на «зеленый». У нас на это есть тридцать лет.

— А у нас есть серьезные компании, которые занимаются этой технологией?

— Сейчас пытается эти компетенции у себя собрать «Росатом». У них есть на это специальная программа. Там нет уже большой науки — научные основы получения водорода более или менее разработаны. там нужно отработать технологии.

Я не могу не сказать и о последнем нашем собственном проекте: мы собственными силами с одной небольшой компанией «Поликом», расположенной у нас же в Черноголовке, делаем первую российскую заправку с электролизером внутри. Сейчас идут испытания электролизера. А одна немецкая фирма по нашему техзаданию сделала заправочный блок, чтобы, взяв от этого электролизера водород, можно было сразу заправить, например, автомобиль или другую технику.

Я участвую в заседаниях Немецкого энергетического общества, и на них говорят, что примерно к 2030 году в Германии сумеют произвести всего четырнадцать тераватт-часов энергии в водороде, а им нужно по плану девяносто. Чувствуете разницу? Германия честно говорит, что сама не может стать производителем водорода, поэтому выделяет огромные деньги на развитие водородных технологий в странах, которые могут экспортировать водород, — на воспитание будущих экспортеров водорода.

Успеть поделить пирог

— На что в первую очередь делается упор в водородных стратегиях других стран?

— Именно на внутреннее потребление как составную часть «зеленой» энергетики. Цель понятна: сделать так, чтобы там, где более выгоден водород, был именно водород, но чтобы он был «зеленый». На решение этой задачи направлено все: как его транспортировать, как его получать, как создавать инфраструктуру. Но европейские страны — и, кстати, еще и Азия — в основном рассматривают себя в качестве импортеров водорода, что важно для России.

Но медлить нельзя! Уже через пять лет, гарантирую, водородный рынок будет поделен полностью. И при таком, как сейчас, отношении нашего правительства и нашей общественности к водороду мы можем не попасть в число игроков этого рынка.

— Казалось бы, правительство занялось этим…

— Огромный плюс, что все экспортно ориентированные компании начинают заниматься водородными технологиями, особенно получением водорода и его транспортировкой. В отличие от государственных кабинетов, где споры продолжаются, бизнес понимает, что водородный рынок обязательно возникнет.

Пример таких компаний — «Газпром» и «НоваТЭК», которые начинают заниматься водородными технологиями и активно финансировать НИОКР в этой области.

К сожалению, позиция «Газпрома» не всегда последовательна. Например, они создали компанию «Газпром водород», которая, по замыслу авторов идеи, должна на территории Германии строить заводы по получению водорода из наших углеводородов. При этом заводы будут выбрасывать там углекислый газ, а мы будем компенсировать эти выбросы тем, что в России будем захоранивать такое же количество углекислого газа. Понятно, что и Германия, скорее всего, на это не пойдет.

— Действительно, странная идея: строить заводы в другой стране.

— С другим нашим газовым гигантом — «НоваТЭКом» — у нас пока ведутся только предварительные переговоры. А я вам напомню, что перевозка СПГ и перевозка жидкого водорода — это, по большому счету, одна и та же технология. Ведь водород тоже можно возить танкерами. То есть у «НоваТЭКа» уже готова технологическая основа для экспорта водорода, не так сильно ее придется переделывать.

Но самую активную позицию занимает «Росатом», о котором я уже сказал. Государство еще только планирует начать разрабатывать программу развития водородных технологий, а «Росатом» уже вовсю реализует собственную программу.

— Но все-таки правительство решило этим заняться, опубликовало дорожную карту, и предполагается уже в первом квартале будущего года разработать концепцию развития отрасли. Значит, движение идет.

— В первом квартале 2021 года мы только узнаем, какая точка зрения победит и чем будет наполнена эта концепция, которую пишут несколько разных групп.

Трагично, если реализуется «усредненный» вариант: давайте мы пока поизучаем проблему и займемся НИРами и какими-то экзотическими способами получения водорода. Поэтому я всеми силами борюсь за то, чтобы победил хоть какой-то вариант развития водородной энергетики, а лучше, конечно, если бы возник полномасштабный вариант такой концепции. И я не одинок в этой борьбе, моими союзниками выступают те компании, о которых я сказал, которые понимают, что пришло время строить водородную энергетику. И у нас пока есть возможность продвинуть наш вариант концепции.

Универсальная электрическая автономная автомобильная платформа с источником энергии на основе водородного топливного элемента разработки Центра компетенций НТИ
Фото: предоставлено компанией

Должен напомнить, что Россия была одним из лидеров этой технологии. У нас прекрасно работали топливные элементы в космосе, под водой, у нас, как я уже сказал, летал первый в мире водородный самолет. За двадцать пять лет мы утеряли большинство технологий и лидерство в науке во многих других областях, но в водородных технологиях мы находимся вполне на мировом уровне.

Да, у нас нет пока водородных автомобилей, которые колесят по Европе уже двадцать лет. Но мы владеем всеми технологиями и можем у себя сделать такие автомобили даже на лучшем уровне, чем на Западе. Мы просто этим не занимались. И это сочетание оставшихся научных школ, научных компетенций в разных областях, промышленного потенциала и желания реализовать эти технологии может стать сильнейшим драйвером развития именно водородной отрасли. Скажем, в производстве литий-ионных аккумуляторов догнать Китай, США или Европу нам уже сложно, если, конечно, мы ничего революционного не изобретем. А вот в водороде у нас пока остался последний шанс вскочить в этот вагон. И это окно возможностей в несколько лет.

— А что нужно делать, чтобы стимулировать внутренний спрос у нас, в России?

— Тут много чего надо. В первую очередь нужна воля государства. Сейчас мы у себя в Центре компетенций НТИ занимаемся в большой степени водородным автотранспортом. Но, вы понимаете, перед нами стоит извечная проблема яйца и курицы: не будет у нас водородного транспорта, пока нет заправок, а заправки не нужны, пока нет водородного транспорта. Понятно, что инфраструктура — это ответственность государства. Частные компании точно не возьмут на себя задачу построения сети автозаправочных станций на данном этапе.

А экспортные компании, и не только углеводородные, должны помнить, что сейчас в Европе разрабатывается так называемый углеродный налог на импортируемую продукцию. Импортеры должны будут платить налог, размер которого будет зависеть от того, сколько углекислого газа было выброшено в атмосферу при производстве их продукции.

Пока неизвестны объем и механизмы начисления этого налога, но то, что этот налог будет, уже очевидно. Этот налог призван стать международным драйвером развития «зеленых», в том числе водородных, технологий. Значит, и в России необходимы правовые механизмы и государственная поддержка, чтобы подтолкнуть собственную промышленность к внедрению водородных технологий. Этого пока нет, но разработка таких мер уже начинается. И я счастлив, что, проработав более двадцати лет в водородной отрасли, я сейчас наконец вижу, что дело чуть-чуть начинает сдвигаться, не только на словах, но и в некоторых действиях.

Постепенно двигаясь к возобновляемой энергии, мы можем благодаря водороду не только менять энергетику, но менять все сферы производства, переводя их на более «зеленые» рельсы

— А какие у нас есть проекты в разных отраслях промышленности по применению водородной техники?

— Таких проектов уже немало. Сейчас по заказу «Росатома» мы заканчиваем работу по первому и далеко не полному анализу технологий, которые существуют в России. И сейчас есть от тридцати до пятидесяти больших проектов. Например, КамАЗ начинает заниматься водородными автобусами, ГАЗ — водородными грузовиками, «Автотор» начинает думать о выпуске легковых автомобилей на водороде. С «Росатомом», как я уже сказал, мы ведем в том числе работы по электролизу.

РЖД и Трансмашхолдинг начинают с того, что закупают маленькие водородные локомотивы за рубежом и создают вместе с «Росатомом» водородный кластер на Сахалине. А их следующая цель — и мы все будем им в этом помогать — научиться производить такой транспорт в России.

Причем водородный электротранспорт, в том числе железнодорожный, может стать уже сейчас экономически оправданным — не через пять лет, а в ближайшее время и даже без особой поддержки государства.

Таких локомотивов, причем больших, уже пятнадцать штук в Германии ходит. А водородные автобусы по Европе ездят уже двадцать лет, и там есть достаточное количество заправок для того, чтобы их обеспечивать. Например, в Германии имеется порядка 120–130 водородных автозаправочных станций.

— А в каком состоянии ваши собственные разработки? У вас же и самолет был, и автомобили были водородные.

— Работы идут. К сожалению, коронавирус нас здорово подкосил. А летом значительная часть коллектива не работала, была полностью на карантине. Поэтому мы решили сосредоточиться на тех проектах, которые надо закончить в первую очередь. Мы пока отодвинули, например, плановые летные испытания водородного самолета, еще и потому, что аэродромы были закрыты. Но зато мы довели до ума беспилотную электротранспортную платформу, и она совсем недавно демонстрировалась на открытии участка ЦКАД. Там же стояла и наша заправка. И мы раздумываем над тем, как дальше развивать нашу платформу, поскольку она оказалась весьма популярной. И даже есть шанс, что, задуманная как прототип, она станет после небольших доработок вполне коммерческим продуктом. Причем будет иметь свой искусственный интеллект, отечественный, оригинальный, разработанный специально под эту платформу Институтом проблем управления РАН вместе с фирмой «Электротранспортные технологии». Полезная нагрузка платформы — почти две тонны, и пробег внушительный: 500 километров — легко. По крайней мере, уже в эксперименте она столько проходила.

Автор: Александр Механик.

Подписывайтесь на наш телеграм-канал, чтобы первыми быть в курсе новостей венчурного рынка и технологий!

Разработка усовершенствованных малых водородных двигателей (технический отчет)

Сапру, Кришна, Тан, Чжаошэн и Чао, Бен. Разработка усовершенствованных малых водородных двигателей . США: Н. П., 2010. Интернет. DOI: 10,2172 / 1008335.

Сапру, Кришна, Тан, Чжаошэн и Чао, Бен. Разработка усовершенствованных малых водородных двигателей .Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/1008335

Сапру, Кришна, Тан, Чжаошэн и Чао, Бен. Чт. «Разработка перспективных малых водородных двигателей». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/1008335. https://www.osti.gov/servlets/purl/1008335.

@article {osti_1008335,
title = {Разработка усовершенствованных малых водородных двигателей},
author = {Сапру, Кришна и Тан, Чжаошэн и Чао, Бен},
abstractNote = {Основная цель проекта - разработать передовые и недорогие модификации небольших (<25 л.с.) бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для работы на водородном топливе при сохранении таких же характеристик и долговечности.В этом окончательном техническом отчете суммируются результаты i) деталей преобразования нескольких небольших бензиновых ДВС для работы на водороде, ii) испытания на долговечность преобразованного водородного двигателя и iii) демонстрации прототипа системы хранения твердого водорода с накопителем в комплекте. Пиковая мощность водородного двигателя достигает 60% выходной мощности бензинового аналога. Попытки повысить мощность двигателя с помощью различных опций, включая установку турбонагнетателя увеличенного размера, модернизацию изготовленных на заказ поршней с высокой степенью сжатия, усовершенствованной системы зажигания и различных типов систем впрыска топлива, не реализованы.Переделанный двигатель Honda GC160 с системой ACS для работы на водородном топливе оказался успешным. Суммарное время работы 785 часов. Спроектирован, сконструирован и продемонстрирован опытный образец системы хранения твердого водорода со сборной канистрой номинальной емкостью 1,2 кг. Он способен поддерживать широкий диапазон выходной нагрузки водородного генератора.},
doi = {10.2172 / 1008335},
url = {https://www.osti.gov/biblio/1008335}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {2010},
месяц = ​​{9}
}

Три завода Cummins по производству водорода, которые помогают создавать «зеленую» экономику

Cummins Inc.на протяжении десятилетий была на переднем крае экологической устойчивости. Компания Cummins одной из первых в отрасли опубликовала отчет об устойчивом развитии и первой, принявшей более строгие стандарты выбросов в США, а также помогая странам по всему миру достичь аналогичных, более строгих стандартов, приверженность окружающей среде непоколебима.

В течение нескольких лет Cummins сосредоточила свое внимание на решениях, в которых используются материалы и технологии, оказывающие меньшее влияние на планету, для обеспечения ценности и процветания для наших клиентов и сообществ.В 2019 году Cummins опубликовала PLANET 2050, амбициозный план, который включает научно обоснованные цели, согласованные с Парижским соглашением, и цель по снижению выбросов углерода к 2050 году.

Празднуя Европейскую Зеленую неделю 2021 года (31 мая — 4 июня), мы оглядываемся на некоторые успехи и достижения в Европе с точки зрения политики и продукта и даем представление о том, что нас ждет впереди.

Европейская зеленая неделя

Европейская зеленая неделя 2021 посвящена стремлению к нулевому загрязнению окружающей среды.План действий ЕС по достижению цели нулевого загрязнения окружающей среды является ключевым направлением действия Европейского зеленого курса и поможет создать более чистую окружающую среду на всей территории ЕС за счет улучшения мониторинга, отчетности, предотвращения и устранения загрязнения из воздуха, воды, почвы и потребительских товаров. Фонды нового поколения ЕС, задуманные как инструмент восстановления после кризиса COVID 19, предоставят 672,5 млрд евро в виде займов и грантов для поддержки реформ и инвестиций, предпринимаемых государствами-членами, в основном через Фонд восстановления и устойчивости.Цель состоит в том, чтобы помочь построить более устойчивую экономику и создать возможности для трудоустройства, направив не менее 37% от общей суммы плана восстановления на зеленые инвестиции и реформы.

Первопроходец в Европе

В июле 2020 года Европейская комиссия объявила о своей водородной стратегии, направленной на изучение потенциала чистого водорода в декарбонизации экономики ЕС экономически эффективным способом в соответствии с целью достижения климатической нейтральности на 2050 год, изложенной в Европейском зеленом соглашении. С тех пор мы видели, как страны по всей Европе объявляли о своих собственных стратегиях и планах по сокращению выбросов водорода, в том числе в Великобритании.ЕС также достиг соглашения по Закону о климате ЕС, который направлен на сокращение чистых выбросов парниковых газов как минимум на 55% к 2030 году по сравнению с уровнями 1990 года, чтобы достичь углеродной нейтральности к 2050 году.

Cummins также четко заявила о своей приверженности водороду в регионе, открыв новый завод по производству систем топливных элементов в Германии, а недавно объявила о своих планах по размещению одного из крупнейших в мире заводов по производству зеленого водорода. в Кастилья-Ла-Манча, Испания.Инвестиции в Испанию последовали за решением Iberdrola и Cummins сотрудничать в крупномасштабных проектах по производству водорода в Испании и Португалии.

Cummins продолжает оставаться в авангарде электролизных технологий, предлагая как PEM, так и щелочные растворы. HyBalance, Дания, является одним из самых современных предприятий по производству водорода в Европе. С 2018 года электролизер PEM мощностью 1,2 мегаватта произвел 120 тонн водорода, что позволяет круглосуточно доставлять 60 тонн водорода промышленным потребителям и демонстрировать свою способность обеспечивать баланс энергосистемы.Остальные 60 тонн были доставлены другим клиентам, в том числе водородным станциям для такси на топливных элементах в столице Дании Копенгагене. В Фалькенхагене, Германия, были установлены шесть щелочных электролизеров Cummins HySTAT 60, которые используются для преобразования энергии ветра в водород. На момент ввода в эксплуатацию объект, расположенный в земле Бранденбург, был первым в мире демонстрационным проектом в мегаваттном масштабе по хранению энергии ветра в сети природного газа. В первый год эксплуатации в газовую сеть было подано более двух миллионов киловатт-часов водорода.

Топливные элементы Cummins также продолжают лидировать в безэмиссионных железнодорожных перевозках по всей Европе. Поезда Alstom, работающие на топливных элементах Cummins, сейчас курсируют в Германии, Италии и Австрии, и список стран продолжает расти. Поезда используют бортовые топливные элементы для преобразования водорода и кислорода в электричество, выделяя только пар и воду и сводя эксплуатационные выбросы к нулю.

Светлое будущее

С появлением двух новых заводов и преданных своему делу сотрудников в трех точках в Европе будущее водорода светлое.Компания Cummins рада внести свой вклад в дело достижения нуля в Европе с помощью всех своих технологий. Для достижения этого важно найти правильный нормативный баланс между сроками поэтапного отказа от текущих технологий и развитием инфраструктуры, чтобы помочь отраслям адаптироваться и консолидировать новые рынки и технологии, такие как экологически чистый водород и топливные элементы. Вместе с политикой, нейтральной в отношении технологий, это позволит инвестировать в будущее и достичь климатических целей ЕС.Прежде чем приступить к реализации пакета 55, правительства на всех уровнях должны сотрудничать с промышленностью для разработки правильных инвестиций в инфраструктуру, исследований и инновационных амбиций. В сочетании с разумной политикой это проложит путь к ускорению перехода к «зеленым», созданию рабочих мест и усилению промышленной активности.

Вся правда о автомобилях с водным приводом: дневник механика

От стартапа, ловящего заголовки до планов, публикующих планы домашних мастеров, в последнее время в Интернете появились автомобили с водным двигателем, не говоря уже о том, что они забили мой почтовый ящик.

Да, вы можете управлять своей машиной по воде. Все, что нужно для создания «водогрейного гибрида», — это установка простой, часто самодельной электролизной ячейки под капотом вашего автомобиля. Ключ состоит в том, чтобы взять электричество из электрической системы автомобиля для электролиза воды в газообразную смесь водорода и кислорода, которую часто называют газом Брауна или HHO, или оксигидрогеном. Обычно смесь находится в соотношении 2: 1 атомов водорода к атомам кислорода. Затем он немедленно подается во впускной коллектор, чтобы заменить часть дорогостоящего бензина, за который вы платили через нос последние пару месяцев.Эти простые «комплекты» повысят экономию топлива и уменьшат ваши счета и зависимость от иностранной нефти на 15–300 процентов.

Есть даже японская компания Genepax, демонстрирующая прототип, работающий только на воде. 13 июня агентство Reuters опубликовало отчет о прототипе вместе с широко обсуждаемым в блогах видео, в котором даже показан безобидный серый ящик в багажнике автомобиля Genepax, обеспечивающий всю мощность для управления автомобилем. Все, что вам нужно сделать, это добавить изредка бутылку Evian (или чая, или любой другой жидкости на водной основе), а затем ездить без бензина.

Так что я обо всем этом думаю? Почему я не тестировал и не писал об этом? Это обязательно изменит мир, каким мы его знаем … не так ли?

Мусор.

Единственное реальное окончательное заявление Genepax на своем веб-сайте заключается в том, что его процесс спасет мир от глобального потепления. (Запрос на комментарий не был возвращен во время пресс-релиза.) Их водно-энергетическая система (WES), похоже, представляет собой не что иное, как топливный элемент, преобразующий водород и кислород обратно в электричество, которое используется для работы двигателя, приводящего в движение колеса. .Технология топливных элементов хорошо изучена и довольно эффективна для преобразования водорода и кислорода в электричество и воду, и именно здесь мы пришли, верно? За исключением того, что водород изначально был получен из воды — здесь что-то не получается.

Вот в чем дело, народ: бесплатного обеда не бывает.

В воде есть энергия. Химически он заключен в атомных связях между атомами водорода и кислорода. Когда водород и кислород объединяются, будь то топливный элемент, двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, или пикап с электролизером в кузове, остается энергия в виде тепла или электронов.Поршни и коленчатый вал или электродвигатели преобразуют ее в механическую энергию для движения автомобиля.

Проблема: для разделения этих атомов водорода и кислорода внутри электролизной ячейки требуется ровно столько же энергии, сколько вы возвращаетесь, когда они рекомбинируют внутри топливного элемента. Законы термодинамики не изменились, несмотря на всю шумиху, которую вы читаете в каком-нибудь блоге или агрегаторе новостей. Вычтите потери на тепло в двигателе, генераторе и электролизере, и вы потеряете энергию, а не получите ее — и точка.

Но хватит о Genepax, который имеет отношение к моему основному тезису, и перейдем к более распространенной теме в моей почте: HHO как средство увеличения экономии топлива обычных двигателей внутреннего сгорания.

энтузиастов HHO — от гипермилеров до рядовых Джо, отчаянно пытающихся сэкономить на насосе — предполагают, что водород изменяет способ горения бензина в камере сгорания, заставляя его гореть более эффективно или быстрее. Хорошо, была пара технических работ, которые предполагают, что следы водорода могут изменить характеристики сгорания в двигателях с ультра-обедненным горением со стратифицированным зарядом.Правильно управляемое обогащение H ₂ , кажется, увеличивает скорость сгорания углеводородов в цилиндре, извлекая больше энергии. Однако эти исследования предполагают увеличение экономии топлива только на несколько процентных пунктов и не применяются, если двигатель не работает слишком бедно для приличных выбросов. Это далеко от возмутительных заявлений о 300-процентном улучшении экономики, которые я вижу в Интернете и в моем почтовом ящике.

Нет оснований полагать, что даже более скромное увеличение, о котором говорится в некоторых рекламных объявлениях, может быть достигнуто с помощью обычного автомобильного двигателя с компьютерным управлением, работающего в режиме замкнутого контура, то есть способности компьютера измерять выход кислорода из выхлоп двигателя в режиме реального времени и изменение соотношения топливо / воздух для больших миль на галлон и малых выбросов.События в камере сгорания сильно различаются в типах двигателей с ультра-обедненным сжиганием, где, как было замечено, помогает обогащение водородом. Ультра-обедненная смесь означает, что вокруг есть много лишнего кислорода, с которым водород может с чем реагировать, — намного больше, чем очень скромное количество, которое мы всасываем из типичного доморощенного генератора водорода, сделанного из сосуда Мейсона. И помните, что эти исследования касаются обогащения водородом в строго контролируемых лабораторных условиях, а не распыления неконтролируемого количества водородно-кислородной смеси в ваш воздухоочиститель.

Строю вагон-электролизер — прямо сейчас. Узел электролизной ячейки находится на моем рабочем месте и готов к установке, так что следите за результатами испытаний в ближайшее время. Если это сработает, то можете поверить в шумиху.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Как работают автомобили на водородных топливных элементах?

При преобразовании газообразного водорода в электричество в качестве побочного продукта образуется только вода и тепло, а это означает, что автомобили на топливных элементах не загрязняют выхлопные трубы, когда они находятся в движении.Само производство водорода может привести к загрязнению, в том числе к выбросам парниковых газов, но даже когда топливо поступает из одного из самых грязных источников водорода, природного газа, современные легковые и грузовые автомобили на топливных элементах могут сократить выбросы более чем на 30 процентов по сравнению с их Бензиновые аналоги. Будущие стандарты возобновляемого топлива, такие как требования, действующие в настоящее время в Калифорнии, могут сделать водород еще чище.

Поскольку автомобили на топливных элементах только начинают выходить на рынок США, заинтересованные водители должны убедиться, что они живут рядом с водородными заправочными станциями.

Характеристики водородного топливного элемента

Автомобили, работающие на водородных топливных элементах, сочетают в себе диапазон и возможность заправки обычных автомобилей с преимуществами для отдыха и окружающей среды от езды на электричестве.

Заправка автомобиля на топливных элементах сравнима с заправкой обычного автомобиля или грузовика; водород под давлением продается на станциях заправки водородом, для заправки существующих моделей требуется менее 10 минут. Некоторые договоры аренды могут полностью покрывать стоимость заправки. После заполнения запасы хода автомобиля на топливных элементах различаются, но аналогичны диапазонам автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем (200–300 миль).По сравнению с аккумуляторными электромобилями, которые заряжают свои батареи путем подключения к электросети, сочетание быстрой централизованной дозаправки и увеличенного запаса хода делает топливные элементы особенно подходящими для более крупных транспортных средств, требующих больших расстояний, или для водителей, у которых отсутствует доступ к электросети. дом.

Как и другие электромобили, автомобили и грузовики на топливных элементах могут использовать режим холостого хода, при котором топливный элемент отключается при появлении знаков остановки или в движении. В некоторых режимах движения рекуперативное торможение используется для улавливания потерянной энергии и зарядки аккумулятора.

Различия между автомобилями на топливных элементах и ​​другими электромобилями

Аккумуляторные электромобили работают от электродвигателя и аккумулятора. Это обеспечивает им повышенную эффективность и, как автомобили на топливных элементах, позволяет им ездить без выбросов, когда электричество поступает из возобновляемых источников. В отличие от легковых и грузовых автомобилей на топливных элементах, электромобили с аккумуляторными батареями могут использовать существующую инфраструктуру для подзарядки, но должны быть подключены к сети на продолжительное время. Узнайте больше о том, как работает электрика аккумуляторной батареи.

Подключаемые гибридные электромобили похожи на аккумуляторные электромобили, но также имеют обычный бензиновый или дизельный двигатель. Это позволяет им ездить на короткие расстояния только на электричестве, а в дальних поездках переходить на жидкое топливо. Хотя гибриды с подзарядкой от сети и не такие чистые, как электромобили или автомобили на топливных элементах, они производят значительно меньше загрязнения, чем их обычные аналоги. Узнайте больше о том, как работают автомобили с подзарядкой от сети.

Обычные гибриды также имеют обычные двигатели, электродвигатель и аккумулятор, но не могут быть подключены к электросети.Хотя гибридные автомобили чище, чем обычные легковые и грузовые автомобили, они получают всю свою энергию от бензина и дизельного топлива и не считаются электромобилями. Узнайте больше о том, как работают гибриды.

Узнайте больше о технологиях для электромобилей, включая их потенциал в качестве общенационального решения для экономии масла.

Могут ли автомобили использовать воду в качестве топлива?

Уважаемый EarthTalk! Я слышал, что автомобили можно модифицировать для работы на воде. Как это возможно?
— Дайан МакМоррис, Рокпорт, ME

Существует ряд онлайн-маркетинговых предложений комплектов, которые превратят вашу машину в «работающую по воде», но к ним следует относиться скептически.Эти комплекты, которые прикрепляются к двигателю автомобиля, используют электролиз для разделения воды (h3O) на составляющие ее молекулы — водород и кислород — и затем вводят полученный водород в процесс сгорания двигателя, чтобы привести автомобиль в действие вместе с бензином. По их словам, в результате бензин сгорает более полно и чище, что делает двигатель более эффективным.

Но эксперты говорят, что уравнение энергии для этого типа систем на самом деле совсем неэффективно. Во-первых, в процессе электролиза для работы используется энергия, такая как домашнее электричество или бортовой аккумулятор автомобиля.Таким образом, по законам природы, система использует больше энергии для производства водорода, чем может дать сам образующийся водород, по словам доктора Фабио Кьяры, ученого-исследователя в области альтернативного горения из Центра автомобильных исследований Университета штата Огайо.

Более того, по словам Кьяры, количество парниковых газов, производимых автомобилем, «будет намного больше, потому что задействованы два процесса сгорания [бензин и водород]». Наконец, есть соображения безопасности для потребителей, которые устанавливают эти устройства в свои автомобили.«H3 — легковоспламеняющийся и взрывоопасный газ», — говорит он, и требует особой осторожности при установке и использовании.

Процесс электролиза мог бы быть жизнеспособным для экономии энергии, если бы для его питания можно было использовать возобновляемые, экологически чистые источники энергии, такие как солнечная или ветровая, хотя захват достаточного количества этого источника энергии на борту автомобиля было бы еще одним препятствием.

Сегодня исследователи уделяют больше внимания использованию водорода для питания топливных элементов, которые могут заменить двигатели внутреннего сгорания для двигателей автомобилей и выбрасывать только воду из выхлопной трубы.И хотя водород горюч и может приводить в действие двигатель внутреннего сгорания, использование водорода таким образом приведет к потере его лучшего потенциала: для питания топливных элементов.

Автомобили на водородных топливных элементах набирают обороты, но коммерциализация водородного топлива еще не завершена. «Потенциальные преимущества топливных элементов значительны», — говорят исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL). «Однако, прежде чем системы топливных элементов станут конкурентоспособной альтернативой для потребителей, необходимо преодолеть множество проблем.”

В штате Калифорния действует программа «Водородное шоссе», которая поддерживает развитие технологий и инфраструктуры водородных топливных элементов. И многие компании работают над способами производства, хранения и распределения водорода. Автомобили, работающие на топливных элементах, сейчас находятся на стадии опытных образцов, близятся к производству.

Пока мы все ждем, чтобы увидеть, что из этого выйдет, лучшим выбором сегодня для большого пробега и низкого уровня выбросов по-прежнему остается бензиновый / электрический гибридный автомобиль.

КОНТАКТЫ : Центр автомобильных исследований, http: // car.eng.ohio-state.edu; NREL, www.nrel.gov; Калифорнийское водородное шоссе, www.hydrogenhighway.ca.gov.

ОТПРАВЛЯЙТЕ ЗАПРОСЫ ПО ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ НА: EarthTalk , P.O. Box 5098, Westport, CT 06881; [email protected]. Прочтите предыдущие колонки по адресу: www.emagazine.com/earthtalk/archives.php. EarthTalk теперь книга! Подробная информация и информация для заказа: www.emagazine.com/earthtalkbook.

HyTech Power, возможно, решила водород, одну из самых сложных проблем в чистой энергии

Это странный химический поворот в том, что в самом обычном веществе на Земле есть топливо, заключенное в воде.

Водород — символ славы h3O — оказался чем-то вроде универсального элемента, швейцарского армейского ножа для получения энергии. Его можно производить без парниковых газов. Он легко воспламеняется, поэтому может использоваться в качестве топлива для сжигания. Его можно подавать в топливный элемент для производства электричества напрямую, без сжигания, с помощью электрохимического процесса.

Может храниться и распространяться в виде газа или жидкости. Его можно комбинировать с CO2 (и / или азотом и другими газами) для создания других полезных видов топлива, таких как метан или аммиак.Его можно использовать в качестве химического сырья в различных промышленных процессах, помогая производить удобрения, пластмассы или фармацевтические препараты.

Довольно удобно.

И это самый распространенный химический элемент во Вселенной, так что можно подумать, что у нас есть все, что нам нужно. К сожалению, это не так просто.

Выделять водород из других элементов, хранить его и преобразовывать обратно в полезную энергию — это дорого как с точки зрения денег, так и энергии. Ценность, которую мы получаем от этого, никогда полностью не оправдывала того, что мы вкладываем в его производство.Это одна из тех технологий, которая, кажется, постоянно находится на грани прорыва, но никогда не достигает цели.

Уроженец Сиэтла Эван Джонсон считает, что он может это изменить. Он думает, что наконец-то понял, как разблокировать водородную экономику.

Джонсон — далеко не первый и не единственный человек, поставивший эту цель. Но после 10 лет экспериментов, испытаний и подготовки он разработал ряд технологий и практический бизнес-план, который проложил путь к реальному коммерческому масштабу использования водорода.

И хотя HyTech Power, где Джонсон является техническим директором, очевидно, стремится к финансовому успеху, Джонсон рассматривает свои продукты как нечто большее: способ использовать водород для немедленного уменьшения загрязнения при одновременном увеличении масштабов и снижении затрат, достаточных для внесения более фундаментальных изменений в энергетику. система.

Стационарный дизель-генератор с водородными форсунками HyTech. HyTech Power

HyTech нацелена на большой рынок, чтобы выйти на еще больший

HyTech Power, базирующаяся в Редмонде, штат Вашингтон, намеревается представить три продукта в течение ближайшего года или двух.

Первый будет использовать водород для очистки существующих дизельных двигателей, повышая их топливную эффективность на треть и устраняя более половины их загрязнения воздуха, со средней окупаемостью за девять месяцев, сообщает компания. Это потенциально огромный рынок с большим существующим спросом, который, как надеется HyTech, позволит капитализировать свой второй продукт — модернизацию, которая превратит любой автомобиль внутреннего сгорания в автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEV), позволив ему работать на чистом водороде. В первую очередь это будет нацелено на крупные флоты.

И это станет третьим продуктом — тот, на который Джонсон положил глаз с самого начала, тот, который может революционизировать и децентрализовать энергетическую систему — стационарный продукт для хранения энергии, предназначенный для конкуренции и, в конечном итоге, вытеснения с такими большими батареями, как Powerwall Теслы.

По крайней мере, таков план.

Мир энергетики, конечно, полон громких стартапов, и путь от прототипа к рыночному успеху долог и опасен. Для успеха HyTech потребуется нечто большее, чем просто умная технология.Потребуется хорошее исполнение.

С этой целью компания недавно привлекла поддержку нескольких опытных руководителей Boeing, в том числе Джерри Аллина, который проработал 30 лет в Boeing и в декабре вышел на пенсию, чтобы возглавить расширение HyTech в качестве главного операционного директора.

Мягкая и неторопливая, с аккуратно подстриженной бородой, Аллин занимает небольшой офис на втором этаже бежевого здания HyTech, которое в основном занято огромным гаражом / мастерской. «Я очень скептически относился к технологии, как и обычно», — говорит он, но «как только я смог увидеть ее собственными глазами и понять физику, я подумал, о боже.Это действительно интересно! »

Его привлекло то, что исходные продукты не требуют новых рынков или инфраструктуры. «Теперь они действительно могут изменить мир», — говорит он. Ключевым моментом является в первую очередь дизельные двигатели. Их миллионы, они грязные и дорогие, и политики стараются их очистить. Это большой спрос. Компания «ожидает совершить много ошибок», — говорит Аллайн, но потенциальный рынок почти непостижимо велик.

Работа в гараже HyTech, переоборудование больших дизельных грузовиков. HyTech Power

И ставки выше быть не могут. В последние годы стало ясно, что какое-то топливо с нулевым содержанием углерода, пригодное для хранения, горючее, если не необходимо для полной декарбонизации энергетической системы, по крайней мере, чрезвычайно полезно.

Перед тем, как углубиться в продукты HyTech, стоит объяснить, почему доступный водород является такой заманчивой перспективой для тех, кто озабочен устойчивой энергетикой.

Проблема с водородом: его дорого собирать, хранить и преобразовывать

Около 95 процентов мирового производства водорода осуществляется за счет парового риформинга метана (SMR), продувки природного газа высокотемпературным паром под высоким давлением.Это энергоемкий процесс, который требует использования ископаемого топлива и оставляет после себя поток углекислого газа, поэтому его использование для обезуглероживания энергетической системы ограничено.

Но также можно извлечь водород непосредственно из воды с помощью электролиза — это процесс поглощения воды (содержащей различные «электрокатализаторы») электричеством, стимулируя химическую реакцию, которая расщепляет водород и кислород. Если электролиз проводится с использованием возобновляемой электроэнергии с нулевым выбросом углерода, полученный водород является топливом с нулевым выбросом углерода.

Это решает проблему углерода, но есть и другие. Водород в воде на самом деле не хочет выпускать кислород (они «прочно связаны»), поэтому их расщепление требует довольно много энергии. Полученный водород необходимо хранить, либо сжимая его в виде газа с помощью больших насосов, либо (слабо) связывая его с чем-то еще и храня в виде жидкости. Для этого газа или жидкости потребуется распределительная инфраструктура. Наконец, водород должен быть извлечен из хранилища и преобразован обратно в энергию путем его сжигания или пропуска через топливный элемент.

К тому времени количество энергии, вложенной в процесс, значительно превышает то, что можно получить обратно.

Это был барьер. Если сложить все затраты на преобразование энергии, «добыча» водорода для использования в энергетической системе с нулевым выбросом углерода, как правило, была убыточным бизнесом. Полезные услуги, предоставляемые водородом, не могут компенсировать энергию (и деньги), необходимые для ее производства и использования. По крайней мере, не на сегодняшний день.

Вот почему, хотя люди добывают и сжигают водород с 17 века, двигатели и топливные элементы, работающие на водороде, существуют примерно с 19 века, а водород прошел через многочисленные циклы ажиотажа, вплоть до 21 века. — разрекламированная «водородная экономика» так и не получила широкого распространения.

Таких не так уж и много. Shutterstock

Еще в конце 2000-х годов большинство экспертов в области энергетики списали водород со счетов. С тех пор изменились две вещи.

Доступный водород может устранить основные препятствия на пути к устойчивой энергетике

Главное, что изменилось, — это глобальный переход на чистую энергию. Чтобы решить проблему изменения климата, мир фактически согласился полностью декарбонизировать энергетическую систему в течение столетия.Это вызвало интенсивное исследование инструментов, необходимых для создания системы с нулевым выбросом углерода.

Мы знаем, как производить электроэнергию с нулевым выбросом углерода (возобновляемые источники, гидроэнергетика, атомная энергия), поэтому один из ключевых шагов в декарбонизации — «электрифицировать все» или, по крайней мере, использовать как можно больше энергии.

Но широкомасштабная электрификация — непростая задача. Существует множество существующих приложений, работающих на горючем жидком топливе. Помимо практически всего транспорта, подумайте о миллионах и миллионах зданий по всему миру, отапливаемых нефтью или природным газом.

Значительная часть транспорта может быть электрифицирована, и все эти печи теоретически можно заменить электрическими альтернативами, такими как тепловые насосы, но сделать все это за оставшееся время для обезуглероживания — поистине монументальная задача.

Конечно, было бы неплохо выиграть время, если бы у нас было жидкое топливо с нулевым выбросом углерода, которое мы могли бы просто использовать в этих существующих системах, чтобы сократить выбросы от транспортных средств и приборов, которые мы уже используем. (Великобритания экспериментирует с отоплением домов водородом; Норвегия запретит любое использование мазута для отопления домов к 2020 году.)

Кроме того, если переменная возобновляемая энергия (солнце и ветер) должна обеспечивать большую часть или всю нашу энергию, нам понадобится какой-то способ хранить эту энергию, когда солнце и ветер не хватает. Нам потребуется не просто посекундное или почасовое хранение (которое вполне может обеспечить батареи), но и ежедневное, ежемесячное или ежегодное хранение (для которого батареи не подходят), чтобы гарантировать защиту от долговременных колебаний солнца и ветра. . Было бы неплохо, если бы мы могли хранить много резервной энергии в виде стабильного жидкого топлива.

Короче говоря, в наших планах по устойчивой энергетике есть дыра в форме водорода.

Второе, что изменилось, это то, что исследования, разработки и ранние рыночные испытания неуклонно снижали стоимость и повышали долговечность основных компонентов водородной технологии.

В общем, потребность в сочетании с инновациями может, наконец, означать, что под рукой есть рентабельные продукты. Вот почему наблюдается «возрождение водородной активности во всем мире», — говорит Адам Вебер, руководитель группы преобразования энергии в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Или, как недавно сказал Пьер-Этьен Франк, секретарь торговой группы Hydrogen Council, «2020-2030 годы будут для водорода такими же, как 1990-е годы для солнечной и ветровой энергии».

Несмотря на все недавние инновации, Джонсон снова и снова обнаруживал, что каждый раз, когда он отказывался от стандартных компонентов и создавал свои собственные — практически каждый элемент в продуктах HyTech спроектирован и изготовлен по индивидуальному заказу, с исходными материалами, заказанными через Интернет, — цена пошла вниз. Не знаю почему.”

Джонсон — высокий, стройный и светловолосый, заядлый мастер и строитель, глаза которого загораются, когда он говорит о технике. После учебы в Тихоокеанском университете Сиэтла он провел первые 10 лет своей 20-летней карьеры в области сжатия видео. Но работа в Норвегии с Innovation Norway над хранением водородной энергии привела к возникновению у него проблемы с водородом. С тех пор он стал истинным верующим. «Ставка на водород в будущем — лучшее, что вы можете сделать», — говорит он.

«Если электролиз действительно настолько дешевле, это меняет правила игры»

Начинается с электролизера, который вытягивает водород из воды.Джонсон не смог найти такой дешевый, простой и эффективный, как он хотел, поэтому он построил свой собственный.

Электролизер HyTech (в данном случае присоединенный к стационарному дизель-генератору). HyTech Power

Ничего особенного, просто трубка, наполненная дистиллированной водой. Примерно в центре подвешена небольшая титановая пластина, покрытая специальной смесью электрокатализаторов, оптимизированных для разделения водорода и кислорода.Газы поднимаются от пластины непрерывным потоком пузырьков. Он полностью закрыт металлом, в нем нет движущихся частей, поэтому он чрезвычайно прочен и не требует значительного обслуживания.

В целом, по словам Джонсона, система «очень проста и бессмысленна». (Это тема, к которой он часто возвращается — предпочтение замкнутых, простых, полностью перерабатываемых систем.) Но благодаря эффективности электрокатализаторов, добавляет он, «очень точно, сколько энергии необходимо для производства необходимый водород.”

Джонсон может похвастаться тем, что его электролизер может производить водород примерно в три или четыре раза быстрее, чем электролизеры с аналогичной площадью основания, используя примерно треть электрического тока. Это означает постепенное снижение затрат.

«Очевидно, я не могу проверить их экономику издалека, — сказал мне Джеймс Бреннер из Национального центра исследований водорода при Технологическом институте Флориды, — но если электролиз действительно намного дешевле, это меняет правила игры».

Теперь давайте посмотрим, что HyTech планирует с этим делать.

Модернизация. HyTech Power

Способ очистки дизельных двигателей для рынка, который остро нуждается в одном

Первый продукт, дебют которого запланирован на апрель, — ключ ко всему остальному.

Это называется «Система внутреннего сгорания» (ICA), модификация двигателей внутреннего сгорания, которая позволяет им существенно повысить топливную эффективность и уменьшить загрязнение воздуха. Это достигается путем добавления к топливу крошечных количеств газообразного водорода и кислорода непосредственно перед его сгоранием в цилиндрах двигателя.Смесь HHO придает интенсивность сгоранию, позволяя топливу сгорать более полно, производя больше энергии и меньше загрязнений.

Система ICA технически может работать на любом двигателе внутреннего сгорания, но для начала HyTech нацелена на самые грязные двигатели с самой быстрой окупаемостью инвестиций, а именно на дизельные двигатели — в транспортных средствах, таких как грузовики, грузовые автофургоны, автобусы и вилочные погрузчики, а также большие стационарные дизельные генераторы, которые по-прежнему обеспечивают резервное (и даже основное) питание миллионов людей во всем мире.

Все эти дизельные двигатели выделяют канцерогенный дым, содержащий твердые частицы (сажа) и оксиды азота (NOx), которые наносят вред здоровью человека. Штаты и города по всему миру борются с загрязнением воздуха дизельным топливом.

Но дизельные сажевые фильтры (DPF), которые задерживают частицы, дороги, требуют технического обслуживания и требуют частой замены. Жидкости для селективного каталитического восстановления (SCR), добавляемые в выхлопные газы для удаления NOx, сами по себе являются загрязнителями, и их необходимо часто менять.

Короче говоря, есть много дизельных двигателей, они очень грязные (ответственны за до 50 процентов загрязнения городского воздуха зимой), и многие люди тратят много денег, пытаясь их очистить. Это большой рынок.

Предложение

HyTech на этом рынке весьма примечательно: оно утверждает, что его ICA может повысить топливную экономичность дизельного двигателя на 20–30 процентов, снизить содержание твердых частиц на 85 процентов и сократить выбросы NOx на 50–90 процентов.В сочетании с сажевым фильтром и некоторым количеством SCR он может дать дизельный двигатель, который соответствует официальным калифорнийским стандартам для автомобилей со «сверхнизким уровнем выбросов».

Стоимость преобразования грязного дизельного двигателя в относительно чистый: около 10 000 долларов на установку, которые, по оценке HyTech, окупятся за девять месяцев за счет сокращения расходов на топливо и техническое обслуживание.

Устройство помощи внутреннего сгорания (ICA) HyTech, установленное на большом дизельном двигателе.(Видите маленький ряд форсунок?) HyTech Power

HyTech — не первая и не единственная компания, разработавшая систему присадок HHO, но ничто на рынке не может сравниться с такими цифрами.

ICA достигает этой эффективности благодаря компьютеризированному контроллеру времени, который определяет и анализирует вращение коленчатого и распределительного валов, чтобы определить точное время и размер впрыска HHO. Предыдущие системы HHO более или менее заполняли двигатель HHO через воздухозаборник, но HyTech использует «впрыск через порт» с отдельным инжектором на впускном клапане каждого цилиндра, управляемым таймером.Каждый инжектор (размером примерно с человеческий волос) впрыскивает крошечные струйки HHO в цилиндр именно тогда, когда это необходимо.

Такой уровень точности позволяет ICA использовать гораздо меньше водорода, чем его конкуренты, гораздо более эффективно. Небольшого бортового электролизера производит более чем достаточно.

Это смелые заявления, но пока они остаются верными. ICA был включен в список EPA как кандидат на технологию сокращения выбросов; Уважаемая испытательная фирма SGS обнаружила, что ICA повысила топливную экономичность грузовика FedEx на 27.4 процента; FedEx в настоящее время проводит дорожные испытания ICA на автопарке грузовиков и обнаруживает, что экономия топлива на 20–30 процентов выше, а затраты на техническое обслуживание сажевого фильтра значительно снизились. При стороннем тестировании и при ограниченных местных продажах в районе Редмонда ICA выполнила свои обещания.

Если он сможет сделать это в масштабе HyTech — надежно повысить экономию топлива на треть и снизить загрязнение почти до нуля с окупаемостью за девять месяцев — возможностей не будет конца. Компания оценивает рынок очистных работ в 100 миллиардов долларов, включая портовые грузовики, грузовые суда, рефрижераторы, грузовики дальнего следования, автобусы, генераторы и все другие грязные дизельные двигатели.

ICA не полагается на новую инфраструктуру или субсидии. Это способ выйти на большой рынок, немедленно сократить выбросы и накопить средства для долгосрочных усилий по полной замене дизельного топлива.

HyTech также хочет очистить существующие автомобили

Позже в этом году HyTech представит свою вторую линейку продуктов: модифицированные водородом автомобили с ДВС. Проще говоря, потребуется любой двигатель, который работает на дизельном топливе, бензине, пропане или СПГ, и переключить его на 100-процентный водород.(В настоящее время компания находится в процессе сертификации своего модифицированного продукта Калифорнийским советом по воздушным ресурсам как имеющий нулевой уровень выбросов.) Это позволит любому водителю получить автомобиль с нулевым уровнем выбросов по значительно меньшей цене, чем стоимость покупки нового электрического или электрического автомобиля. автомобиль на водородных топливных элементах.

Джонсон признает, что, если бы он проектировал автомобиль с нуля, он бы спроектировал его на основе водородного топливного элемента без сгорания, но «мы не заинтересованы в том, чтобы становиться автомобильной компанией», — говорит он.Вместо этого HyTech хочет очистить существующие автомобили.

Не каждый может позволить себе автомобиль Toyota Mirai на водородных топливных элементах (от 58 365 долларов). Shutterstock

Для такого применения с чистым водородом (в отличие от смешанного HHO) электролизер немного отличается. Водород пропускается через мембрану, которая лишает его оставшегося кислорода или азота, оставляя чистый водород для сгорания транспортного средства.(Это делает электролизер протонообменной мембраной, или PEM, электролизером, вариант, знакомый любителям водорода.)

По своему обыкновению, Джонсон разработал свою собственную мембрану, смешав сырье, чтобы создать что-то более эффективное и дешевое, чем другие продукты PEM на рынке.

Есть еще одно отличие, которое представляет собой еще одну из основных технологических разработок Джонсона.

Потребляемая мощность двигателя транспортного средства варьируется и может быстро увеличиваться и уменьшаться, поэтому системе необходимо хранить немного водорода в качестве буфера на случай, если он потребляет больше, чем может произвести электролизер.

Обычные автомобили на водородных топливных элементах (такие как Toyota Mirai) хранят водород в виде сильно сжатого газа при давлении около 8000 фунтов на квадратный дюйм. Но со сжатым газом возникают самые разные проблемы. Для сжатия газа требуется много энергии, для этого требуется собственная специализированная инфраструктура, заправочные станции для сжатого газа чрезвычайно дороги в строительстве, а сжатый водород, ну, взрывоопасен, поэтому каждый полный его бак — потенциальная бомба.

Джонсон не хочет иметь с этим ничего общего. Итак, он пошел другим путем.Его система хранит водород, слабо связанный с металлами в виде «гидридов», в инертном жидком растворе без давления (~ 200 фунтов на квадратный дюйм).

Проблема с гидридами была двоякой: а) создание связи, достаточно слабой, чтобы ее можно было разорвать без излишней энергии, когда необходимо высвободить водород, и б) увеличение плотности энергии образующейся жидкости. (На сегодняшний день большинство гидридных жидкостей обладают меньшей энергетической плотностью, чем сжатый водород, и намного меньше ископаемого топлива. Они весят слишком много для той энергии, которую они вырабатывают.)

Джонсон думает, что решил обе проблемы. Он не раскрывает подробностей о задействованных гидридах, но у него достаточно высокое соотношение мощности к весу, чтобы побить литий-ионные батареи (которые очень тяжелые), и достаточно слабую гидридную связь, чтобы ее можно было разорвать, используя только перенаправляем отходящее тепло от двигателя (не требуется дополнительного тепла или давления).

Более того, он работает с командой над наноматериалами для гидридов и ожидает «огромного скачка» в соотношении мощности к весу в ближайшие годы; в конечном итоге, по его словам, он хочет, чтобы плотность энергии была конкурентоспособной с ископаемым топливом.

Эффективный электролиз плюс эффективное накопление гидридов означает, что в результате модернизации Hy-Tech будет создан автомобиль с нулевым уровнем выбросов (ZEV) со средней дальностью полета 300 миль, сравнимый с электромобилями высокого класса, но способный работать с любым существующим транспортным средством. Когда я посетил завод HyTech в Редмонде, Джонсон отвез меня на обед в гигантском пикапе Ford Raptor, работающем на водороде.

Ford Raptor, работающий на чистом водороде. HyTech Power

Есть два способа «заправить» автомобиль.Медленный способ — включить его на ночь, чтобы электролизер мог заполнить бак. Самый быстрый способ — заполнить его раствором гидрида, который можно получить на месте, дома или на заправочной станции, не имея ничего, кроме электролизера, немного дистиллированной воды и резервуара.

Пока не существует инфраструктуры, поддерживающей такую ​​быструю заправку, но это не похоже на сжатый водород под высоким давлением, подчеркивает Джонсон. Это не опасно; не производит токсичных побочных продуктов; он не требует множества государственных правил безопасности и правоприменения; Теоретически, на заправочных станциях «мама и папа» можно было бы довольно дешево запустить заправку.

Несколько утопическое видение Джонсона состоит в том, что в конечном итоге в каждом доме и на предприятии будет электролизер и полный бак связанного водорода, который можно будет использовать либо для выработки электроэнергии для здания (подробнее об этом в третьем этапе), либо для топлива водородных автомобилей.

По словам Джонсона, цель — оставить двигатели внутреннего сгорания, но «это все равно, что бросить курить — каждый хочет остыть индейки». Этого просто не произойдет «. Модернизация существующих транспортных средств за небольшую часть стоимости нового автомобиля с нулевым уровнем выбросов позволит компании быстро начать сокращение транспортных выбросов.

Святой Грааль HyTech: долгосрочное и доступное хранилище энергии

Наконец, получив финансирование и капитализацию за счет продуктов для модернизации, HyTech приступит к производству аккумуляторов энергии. Его масштабируемое хранилище энергии (SES) предназначено для конкуренции с большими батареями, такими как Powerwall от Tesla, либо в качестве локального хранилища для домов и предприятий, либо в качестве хранилища в масштабе сети, подключенного к крупным солнечным и ветряным электростанциям.

Идея хранения водородной энергии заключается в том, что когда-нибудь скоро будут регулярные периоды, когда ветер и солнце вырабатывают электроэнергию, значительно превышающую спрос.Эти излишки энергии будут стоить очень дешево — на самом деле, мы будем искать способы не тратить их зря.

Одной из набирающих популярность идеей является «преобразование энергии в газ», то есть преобразование этой избыточной энергии в водород и его хранение. «Водород — это, наверное, самое простое, что вы можете сделать при низких ценах на электроэнергию», — говорит Вебер.

Часть этого водорода можно закачать в существующие газопроводы, что снизит углеродоемкость газа. Некоторые из них могут быть объединены с диоксидом углерода для создания другого жидкого топлива.И некоторые из них можно было бы напрямую преобразовать обратно в энергию с помощью топливных элементов. «Стационарные хранилища — это прекрасная потенциальная возможность для водородных топливных элементов», — говорит Леви Томпсон, директор Лаборатории технологий водородной энергетики Мичиганского университета.

Проблема, опять же, заключалась в том, что сквозная эффективность накопления водородной энергии на основе электролиза обычно была меньше половины, чем достигается литий-ионной батареей.

Плохой рисунок, иллюстрирующий накопление водородной энергии. Shutterstock

И снова Джонсон думает, что сломал его.

Вот как работает система SES HyTech: энергия поступает (в идеале от солнечных панелей или ветряных турбин) для запуска электролизера. Произведенный водород либо поступает в топливный элемент (да, Джонсон построил свой собственный), либо связывается в виде гидридов и хранится в резервуаре. Когда требуется энергия, гидридные связи разрываются с использованием отработанного тепла системы, высвобождая больше водорода для топливного элемента.

Избегая сжатия и обнаружив, что гидридная связь достаточно слабая, чтобы ее можно было разорвать отходящим теплом, Джонсон заметно повысил эффективность.Он еще больше повысил эффективность с помощью еще одной умной техники. В большинстве хранилищ водорода используются огромные электролизеры и топливные элементы, которые не могут точно масштабировать производство энергии в соответствии с потребностями. Джонсон построил свою систему по модульному принципу: она содержит стопки небольших электролизеров и топливных элементов, которые можно запускать по одному по мере роста спроса. «Глупо просто», — говорит он с улыбкой.

Внешне SES работает как большая батарея, но есть отличия и компромиссы.

С другой стороны, несмотря на то, что он значительно увеличил сквозную эффективность по сравнению с водородными конкурентами, Джонсон все еще не совсем соответствовал эффективности батарей.Он говорит, что на данный момент эффективность SES составляет около 80 процентов. По крайней мере, когда они новые, традиционные свинцово-кислотные батареи составляют около 90 процентов, а литий-ионные батареи — около 98 процентов или выше, хотя все батареи со временем изнашиваются. (Джонсон ожидает, что эффективность SES будет продолжать расти по мере разработки новых материалов для своих электролизеров и топливных элементов — он думает, что 85 или 90 процентов находятся в пределах досягаемости.)

С другой стороны, SES прослужит намного дольше, чем батарея, пройдя более 10 000 циклов зарядки и разрядки, по сравнению с примерно 1000 для литий-ионной батареи.Это приблизит срок ее службы к сроку службы типичной солнечной панели, что позволит более удобно соединять эти две батареи.

В отличие от аккумуляторов, которые нельзя полностью зарядить или разрядить из-за опасения ухудшения характеристик, SES может перейти от 100-процентной емкости до 0 и обратно без повреждений.

И когда он действительно изнашивается, в отличие от батарей, SES полностью подлежит переработке. Металлы плавятся, перетираются и используются повторно; вода перегоняется.

Лучше всего то, что раствор гидрида может храниться неограниченное время без обслуживания или потери потенциала.Его не нужно сжимать или охлаждать, как сжатый водород. Он не разлагается, как электрохимический заряд аккумуляторов. Гидриды можно хранить столько, сколько необходимо.

Это делает SES фантастическим кандидатом на долгосрочное хранение энергии, святым Граалем по-настоящему устойчивой энергетической системы. Если бы электричество было дешевым и достаточно обильным, в принципе не было бы ограничений на количество резервной энергии, которую можно было бы накопить.

Это также делает SES идеально подходящим для распределенной энергетической системы.Без движущихся частей, надежных компонентов, устойчивых к экстремальным температурам и погодным условиям, и возможности вторичной переработки на 98 процентов, это был бы чрезвычайно простой способ для любого, у кого есть несколько солнечных панелей, получить степень энергетической независимости. Это может быть особенным благом для удаленных, автономных сообществ.

Жутко горящий электролизер. HyTech Power

Какой бы ни была судьба HyTech, потребность в водороде вызовет инновации

Распределенная безуглеродная водородная экономика — это то, о чем размышляет Джонсон, когда дает себе время подумать.Но в наши дни перед нами стоит более неотложная задача: запустить HyTech.

Ни один из экспертов по водороду, с которым я разговаривал, не обнаружил каких-либо особых тревожных сигналов в технических заявлениях HyTech, но все они проявили с трудом завоеванный скептицизм «шоу-не-говори». В водородном мире произошли многие новые большие события. История усеяна трупами многообещающих стартапов, которые не смогли воплотить свои инновации в жизнеспособные рыночные продукты.

Тем не менее, Hytech, похоже, занимает хорошие позиции, имея надежную команду руководителей, некоторое раннее финансирование, положительные результаты испытаний, партнерские отношения с такими крупными игроками, как FedEx и Caterpillar, а также целевой рынок с продемонстрированным спросом на ее продукцию.Скорее всего, через год или два мы узнаем, справились ли они с этим.

В любом случае, по мере того, как стремление к созданию устойчивой энергетической системы всерьез набирает обороты, потребность в водороде будет только возрастать. Нам нужно топливо с нулевым выбросом углерода и нам нужно долгосрочное хранение энергии. Водород подходит обоим счетам.

Когда есть большая социальная потребность и деньги, люди становятся умными. Если Джонсон сможет добиться нескольких поэтапных достижений в водородной технологии, совершая покупки в Интернете и возясь в своей лаборатории, скоро другие сделают то же самое.А по мере выхода продуктов на рынок масштабирование приведет к снижению затрат, как это произошло с ветряной и солнечной энергией.

Во многих отношениях доступный водород — это последняя часть головоломки устойчивой энергетики, энергоноситель, который может заполнить трещины в системе, работающей в основном на ветровой и солнечной энергии. За прошедшие годы его несколько раз оставляли умирать, но, поскольку мир серьезно относится к декарбонизации, водород может, наконец, выиграть свой день на солнце.

MAZDA: автомобили на водороде | Экологические технологии

Водородный роторный двигатель чрезвычайно экологичен и идеально подходит для общества, в котором люди могут продолжать наслаждаться вождением Zoom-Zoom, заботясь о Земле

Водородный роторный двигатель

Водородный роторный двигатель Mazda, основанный на нашей уникальной технологии роторного двигателя, но адаптированный для использования водорода в качестве топлива, не выделяет CO2 и обеспечивает превосходные экологические характеристики.
Поскольку для роторного двигателя потребовалось всего несколько изменений конструкции, чтобы он мог работать на водороде, Mazda смогла построить автомобили с роторным двигателем с низкими затратами. Кроме того, двухтопливная система позволяет автомобилю работать как на бензине, так и на водороде. Водителю не нужно беспокоиться о нехватке водорода, что делает автомобиль удобным, потому что он может путешествовать на большие расстояния в районы, где нет водородных станций.

Технологии водородного роторного двигателя RENESIS

В водородном роторном двигателе RENESIS используется прямой впрыск с инжектором газообразного водорода с электронным управлением.Эта система всасывает воздух из бокового порта и впрыскивает водород непосредственно во впускную камеру с помощью инжектора газообразного водорода с электронным управлением, установленного в верхней части корпуса ротора. Технология, проиллюстрированная ниже, в полной мере использует преимущества роторного двигателя в достижении сгорания водорода.

Схема водородного роторного двигателя RENESIS

Посмотреть видео, показывающее движение водородного роторного двигателя

1 RE Характеристики, подходящие для сжигания водорода — естественное подавление обратного воспламенения —

При практическом применении водородных двигателей внутреннего сгорания предотвращение так называемого обратного воспламенения (преждевременного воспламенения) является серьезной проблемой.Возгорание — это возгорание, вызванное контактом топлива с горячими частями двигателя во время процесса впуска. В поршневых двигателях процессы впуска, сжатия, сгорания и выхлопа происходят в одном месте — внутри цилиндров. В результате свечи зажигания и выпускные клапаны нагреваются до высокой температуры из-за высокой температуры сгорания, и процесс впуска становится склонным к обратному воспламенению.

Напротив, конструкция RE не имеет впускных и выпускных клапанов, а низкотемпературная впускная камера и высокотемпературная камера сгорания разделены.Это обеспечивает хорошее сгорание и помогает избежать возгорания.

Кроме того, RE поощряет тщательное смешивание водорода и воздуха, поскольку продолжительность процесса впуска больше, чем в поршневых двигателях.

2 Комбинированное использование прямого впрыска и предварительного смешивания

Для достижения высокой производительности в режиме водородного топлива применяется система прямого впрыска путем установки инжектора газообразного водорода с электронным управлением в верхней части корпуса ротора.Конструктивно RE обладает значительной свободой расположения форсунок, поэтому хорошо подходит для прямого впрыска.

Кроме того, на впускном патрубке установлен газовый инжектор для предварительного смешивания, позволяющий одновременно использовать прямой впрыск и предварительное смешивание в зависимости от условий движения. Это обеспечивает оптимальное сгорание водорода.

В режиме бензинового топлива топливо подается от той же бензиновой форсунки, что и в стандартном бензиновом двигателе.

3 Принятие сжигания обедненной смеси и EGR

Сжигание обедненной смеси и рециркуляция выхлопных газов (EGR) используются для снижения выбросов оксидов азота (NOx).NOx в основном снижается за счет сжигания обедненной смеси на низких оборотах двигателя и за счет системы рециркуляции отработавших газов и трехкомпонентного катализатора на высоких оборотах двигателя. Трехкомпонентный катализатор такой же, как и в базовой модели. Оптимальное и надлежащее использование сжигания обедненной смеси и системы рециркуляции отработавших газов обеспечивает достижение высокой производительности и низкого уровня выбросов.

4 Двухтопливная система

Когда в системе заканчивается водородное топливо, она автоматически переключается на бензин. Для большего удобства водитель также может вручную переключать топливо с водорода на бензин нажатием кнопки.

Транспортные средства с водородным роторным двигателем

Premacy Hydrogen RE Гибрид /

Водород RE Plug in Hybrid

Premacy Hydrogen RE Hybrid сочетает в себе водородный роторный двигатель Mazda с гибридной системой для значительного повышения производительности и практичности.

Premacy Hydrogen RE Hybrid унаследовал двухтопливную систему от Mazda RX-8 Hydrogen RE и сочетает ее с недавно разработанной гибридной системой для значительного улучшения ходовых характеристик и практичности.Гибрид Premacy Hydrogen RE предоставляется в аренду государственным органам и компаниям в Японии с марта 2009 года.

Компоновка Premacy Hydrogen RE Hybrid

Усовершенствованный водородный силовой агрегат RE воплощает волнение и мощь Zoom-Zoom!

Premacy Hydrogen RE Hybrid производит примерно на 40 процентов больше мощности, чем Mazda RX-8 Hydrogen RE, что приводит к значительному увеличению ускорения.Это также улучшает экономию топлива. Сердце автомобиля — водородный роторный двигатель — переключается с продольной на поперечную компоновку. Уменьшенное сопротивление впуску / выпуску двигателя и улучшенная эффективность сгорания обеспечивают высокую выходную мощность в широком диапазоне оборотов двигателя.
Гибридная система эффективно преобразует энергию сгорания водорода в электричество, которое приводит в движение колеса с помощью электродвигателя. Эта установка чрезвычайно энергоэффективна и обеспечивает исключительную реакцию автомобиля.В результате водители наслаждаются низким расходом топлива, а также ощущением непосредственности и мощной ездой, а также запасом хода 200 километров на водородном топливе. Для еще большего запаса хода модель оснащена двухтопливной системой Mazda, которая позволяет автомобилю работать как на бензине, так и на водороде. Будучи Premacy, он также более удобен в использовании, чем RX-8 Hydrogen RE, предлагая большее грузовое пространство и места для пяти взрослых.

Посмотрите видео, показывающее, как движется водородный роторный двигатель

«Mazda Premacy Hydrogen RE Range Extender EV» на основе «Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid».Он включает в себя подключаемую систему, большую высоковольтную батарею и двигатель с улучшенным тепловым КПД.

RX-8 Водород RE

Совершенный «зеленый» автомобиль, обеспечивающий непревзойденный баланс удовольствия от вождения и экологичности

Mazda RX-8 Hydrogen RE, разработанная и введенная в продажу Mazda, является первой в мире практической реализацией транспортного средства с водородным роторным двигателем. Без ущерба для ощущений крутящего момента и ускорения, а также без ущерба для выхлопа, характерного для двигателей внутреннего сгорания, он не выделяет CO2 и почти не выделяет NOx, что делает его идеальным «зеленым» автомобилем.В Японии автомобиль был предложен в аренду местным органам власти и предприятиям с 2006 года, а в 2008 году Mazda начала участвовать в норвежском проекте водородной магистрали HyNor.

Упаковка

Вместимость базового автомобиля — четыре взрослых человека, с двумя водородными баками, установленными в багажнике. Резервуары находятся под давлением 35 МПа, что является действующим национальным стандартом для водородных заправочных станций. Клапан заливной горловины водорода обычно используется в транспортных средствах на топливных элементах и ​​расположен на противоположной стороне клапана заливки бензина на базовом автомобиле.

Компоновка автомобиля

.