Эффективность транспорта на бензине батарейках и водороде

Эффективность транспорта на бензине, батарейках и водороде

В этом материале автор хотел бы в деталях показать, на сколько в той или иной мере эффективна каждая технология исключительно по энергозатратам на передвижение.

Не затрагивается экономическая или другая составляющая о стоимости производства транспорта на таком то приводе, обслуживание, инфраструктура и многое другое.

Эффективность топлива

Итак начнем с бензина. Что мы знаем? Один литр имеет вес

750гр. и около 10кВтч запасенной энергии. Но сколько нужно потратить энергии, что бы 1 литр бензина оказался в баке транспортного средства? Опустим такие вещи так транспортировка, хранение и др., обсудим лишь добычу и переработку. Средний EROI (energy return on investment — соотношение полученной энергии к затраченной, энергетическая рентабельность. Источник Wikipedia) добычи нефти и переработки в бензин равен 5, т.е. отдаем 5-ую часть, а именно 20%.

Это означает, на каждый литр бензина будет затрачено около 2кВтч энергии. Но он же имеет около 10кВтч запасенной энергии, вроде бы как выгодно, но с учетом КПД ДВС, трансмиссии и т.д. суммарный КПД если и будет тех же 20% то уже будет хорошо. Получается какой-то маразм, сначала затратили 2кВтч энергии на добычу и переработку, потом использовали лишь 2кВтч на передвижение, а остальное потери в виде тепла в атмосферу… Еще интересней будет, когда мы сравним расход двух моделей, одна с бензиновым ДВС, другая на батарейках.

Например Ford Focus. У бензиновой версии реальный расход будет около 7л/100км, а у электрической около 14кВтч/100км с батареи (не из сети, к этому еще вернемся). Что мы в итоге имеем:

бензиновый форд еще ни метра не проехал, но для 7ми литров бензина в баке, было уже затрачено от 14кВтч энергии;
электрический форд на этом же количестве энергии проедет около 100км!

Среднее КПД ЗУ и высоковольтной батареи (ВВБ) около 90%. Т.е. с расходом 14кВтч/100км из сети нужно около 15,5кВтч для 100км пробега. Зимой естественно еще больше, т.к. расход растет ощутимо из-за электропечки, хотя во многих ЭМ используется тепловой насос, расход может быть и больше 20кВтч/100км из сети, но и авто на ДВС зимой так же потребляет больше топлива…

Среднестатичстический график потерь типовой электрокомпании

Не осмелюсь высказывать какие-то даже усредненные цифры с потерями, но покажу одну картинку, на которой видно, что потери на воздушных линиях ЛЭП составляют

64%, т.е. почти 2/3 от всех потерь. Т.е. чем дальше находится электростанция от потребителя, тем прилично больше естественно потери…

Среднестатичстический график потерь типовой электрокомпании. Источник asutpp.ru

Локальная энергетика смягчает этот показатель, а если это еще возобновляемый источник энергии (ВИЭ) то еще лучше, но об экологии в другой раз. Получается с электромобилем очень тяжело сказать, сколько именно было затрачено энергии на передвижение, но если мы отбросим потери на передаче электроэнергии, как и не брали в расчет дополнительные затраты на траспортировку нефти и бензина, то получаем вывод, о котором говорили выше: «ЭМ проедет примерно то же расстояние на том же количестве энергии, которое было затрачено для получения Х литров бензина для авто на ДВС».

Если на секундочку отвлечься и вспомнить о том, как долго заряжаются ЭМ и пробег на одном заряде далеко не всегда всем подходит, а как все быстро и далеко на авто с ДВС, то хочется разобраться, может авто на водороде решение всех проблем?

Рассматриваю авто на водородных топливных элементах (ТЭ), где водород смешивается с кислородом в ТЭ и получаемую электроэнергию используют для передвижения с помощью электромотора, вариант с впрыском водорода в ДВС, как на авто с ГБО (метаном) я не беру в пример.

Если совсем коротко то авто на ТЭ: может быстро заправляться (хотя заправок пока не много), «полный бак» за

5 мин и имеет приличный запас хода, около 400-500км. Хотя например дорогущие теслы и не только тоже имеют запас хода 400-500км (400км модели еще с 2012 года), но заряжаются в лучшем случае на 120км за 5 мин, но авто на ТЭ тоже не дешевые. Простите за мое отступление.

Но на сколько эффективны авто на ТЭ. В среднем реальный расход на 100км находится в пределе 1кг водорода на 100км. А что это вообще такое 1кг водорода? Для начала поговорим о том, что в среднем для 1го кг водорода в баке авто нужно затратить, по информации от разных источников около 50кВтч энергии. Если это так, то это в 2-3 раза менее эффективней чем передвигаться на BEV, электромобиле с батарейками, ведь авто на ТЭ по сути тоже электромобиль, в котором кстати тоже есть небольшая буферная ВВБ.

Проверим так ли это, что аж 50кВтч энергии на 1кг водорода. Т.к. один литр водорода весит 0,09гр то в 1кг водорода имеем около 11.111 литров. Например для получения 1000 литров водорода путем электролиза воды в промышленых масштабах нужно около 4кВтч энергии, получаем 44,444кВтч для 11.111 лтров. Но что бы больше 11 тысяч литров газа поместить в бак, разумных размеров, водород подвергается сжижению, путем многоступенчатого охлаждения, что так же энергозатратно! Так что 50кВтч для 1кг водорода похоже на правду.

Может тогда примерный расход в 1кг/100км завышен, а на самом деле он намного ниже? Проверяем. При реакции водорода с кислородом выделяется около 3кВтч энергии при использовании 1000л водорода. КПД современных ТЭ, к сожалению, около 50%, что означает — из 1кг или 11.111л водорода вместо 33,33кВтч потенциальной энергии «улавливается» лишь половина, т.е.

16,67кВтч. Т.е. есть потери, нужно еще и прилично охлаждать.

Есть потери на заряде буфферной ВВБ и в итоге получаем примерно расход того же форда на батарейках… Физику не обмануть и расход в 1кг водорода на 100км так же похож на правду. На все виды авто есть давно обзоры, тесты, замеры и расход бензина/электричества/водорода давно не секрет.

Как видим, нет ничего идеального на сегодняшний день:

автомобиль на ДВС остается пока самым удобным, но самым неэффективным;
автомобиль на батарейках самый эффективный, но не самый удобный;
автомобиль на ТЭ практически такой же удобный как и автомобиль на ГБО, если бы еще и водородных заправок было бы столько же, но по эффективности где-то посередине.

Давайте теперь немного поразмышляем о перспективах на будущее.

ДВС уже выжат по своему потенциалу практически до максимума, КПД электромотора и его управления (контроллера), находятся на достаточно высоком уровне, 90-95% и улучшение КПД не приведет к ощутимой улучшения энергоэфективности. Например электромобиль Тесла Модел S при переходе на другой тип двигателя и материалов для контроллера добились небольшого увеличения пробега на одном заряде с такой же емкостью батареи, т.е. немного снизили расход, думаю дальше улучшать уже некуда и дальнейшие улучшения будут в области химии аккумуляторов.

Но вот у авто на ТЭ пока еще есть потенциал. Во-первых, снижение затрат на добычу водорода с 4ех вплоть до 3ех кВтч на 1000л. Во вторых поднятие КПД ТЭ, например до хотя бы 75%, тогда на выходе получим от примерно 39кВтч затрат на 1кг водорода (34кВтч на электролиз + около 5кВтч на сжижение), на котором можно будет проехать уже 150км, т.е. с расходом уже 26кВтч/100км вместо 50кВтч/100км сегодня. опубликовано econet.ru

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Почему мы до сих пор не используем водородные двигатели?

В автомобилях внедрение альтернативных источников энергии безуспешно идет уже многие десятилетия. Но увы, топливо, изготовленное из «черного золота», уже больше века не желает уступать позиции: на сегодняшний день оно не имеет сильных конкурентов.

Одним из таких конкурентов вполне мог бы стать двигатель, использующий водород. Идея такого двигателя не нова: даже в блокадном Ленинграде работало несколько сотен машин на водороде, так как получить его было гораздо проще, чем традиционное топливо.

Причина, по которой человечество хочет «соскочить» с нефтяной зависимости, очевидна. Во-первых, это сильное загрязнение атмосферы, приводящее к парниковому эффекту (доля автомобилей в этом загрязнении оценивается в 25%). Во-вторых, это постоянно повышающаяся в долгосрочной перспективе стоимость самого топлива. В-третьих, бензиновые двигатели внутреннего сгорания имеют достаточно низкий КПД – около 35%, а вся остальная энергия уходит в тепло. Ну и, конечно, не стоит забывать о том, что нефть рано или поздно закончится.

Современные двигатели внутреннего сгорания могут работать на водороде. Правда, его мощность несколько снизиться; чтобы этого избежать, необходимо внести некоторые изменения в систему зажигания. Но по большому счету, традиционные ДВС не очень хорошо адаптированы к работе на водороде, и гораздо более привлекательной технологией выглядят водородные топливные элементы.

Топливный элемент – это, по сути, батарейка, вырабатывающая электричество, но в отличии от нее, вещество, необходимое для реакции (в данном случае водород), не находится внутри элемента, а подается извне. Энергия получается не в результате малоэффективного процесса горения, а посредством «холодной» химической реакции, например, с кислородом через протонообменную мембрану. КПД топливных элементов достигает очень высоких значений – до 80%, причем это значение практически не зависит от нагрузки. К преимуществам водородных топливных элементов также относится маленький вес и размеры.

Сегодня практически у всех автопроизводителей есть работающие прототипы машин, использующих жидкое водородное топливо. К сожалению, дальше концептов пока дело не идет, и этому есть свои объяснения.

Практически полностью отсутствует инфраструктура водородных заправок, каждая из которых обходится примерно в 10 раз дороже традиционной (из-за дорогого оборудования).
Повышенная опасность хранения водорода, связанная с его повышенной летучестью и легкостью воспламенения.
Самая высокая из всех веществ летучесть водорода приводит к трудности его хранения: пары жидкого водорода проникают через мельчайшие зазоры. Так, специальный автомобильный бак, наполненный жидким водородом, за десять дней из-за испарения теряет половину объема.
Стоимость водородного топлива в несколько раз выше стоимости бензина и соляры, и требует значительного количества электроэнергии для его производства.

Последняя причина, пожалуй, является основным сдерживающим фактором на пути развития водородных двигателей в массовом сегменте.

Водородный недород: что мешает продвижению автомобилей на легком газе

«Вода — это уголь грядущих веков», — восклицал герой Жюля Верна в романе «Таинственный остров», имея в виду способность водорода гореть, давая значительное количество энергии. Прошло полтора века, и мечта кажется явью: автомобильные компании одна за другой приступают к выпуску автомобилей, ездящих не на бензине, а на водороде. Одним из главных драйверов развития водородной энергетики служат жесткие экологические ограничения, которые вводят правительства развитых стран. Бензиновым и дизельным двигателям, похоже, осталось всего несколько десятилетий: так, 26 июля министр по делам окружающей среды Великобритании Майкл Гоув рассказал, что правительство готовится принять запрет на их продажу с 2040 года, а в районах с наиболее грязным воздухом даже раньше. Аналогичное решение обсуждается в нескольких других странах Европы, в частности в Норвегии и Франции.

Читать еще: Где собирают Шкода Йети

Согласно опубликованному в 2016 году исследованию Bloomberg New Energy Finance к тому же 2040 году ежегодные продажи электрокаров, часть из которых использует водородные ячейки, достигнут 35% от числа всех продаваемых машин. Этому немало будет способствовать снижение цен — по прогнозам уже к 2025 году стоимость таких машин сравняется со средней ценой обычных автомобилей.

Но вот на какие именно электромобили перейдет мир, единого мнения пока нет. Традиционные электрокары, работающие на аккумуляторах, уже добились определенной популярности: по дорогам планеты ездит более 2 млн таких машин, в Европе и США для них созданы сети заправок. Но у этих устройств немало недостатков: аккумуляторы теряют заряд на морозе, а их средний срок службы составляет 1–1,5 тыс. циклов, то есть при подзарядке два раза в сутки батарея будет служить всего около 3–5 лет.

Достойной альтернативой аккумуляторам выглядят водородные топливные ячейки: они способны служить не менее 8–10 лет и практически не нуждаются в обслуживании. По своему КПД они оставили обычные бензиновые моторы далеко позади — в среднем 45 против 35%, работают без вибраций и шума, а баллона размером со стандартный бензобак им хватает на то, чтобы проехать 500–600 км. «Водород длительное время считался энергетической заначкой на будущее, так как его можно сжигать без выработки каких-либо отходов или преобразовывать в электрический ток, — говорит владелец компании GNC-Technology Кристиан Цбинден. — В исследования и разработку водородных батарей были вложены миллионы».

Тем удивительнее, что руководители многих технологических компаний, и среди них, например, глава Tesla Илон Маск, считают, что автомобильные и бытовые водородные двигатели — это тупиковый путь.

Прощание с бензином

У водородных двигателей долгая и непростая история: еще в 1979 году BMW выпустила первый автомобиль, работающий на этом газе. Однако нефтяные кризисы 1970-х, заставившие задуматься о разработке такого автомобиля, миновали, и вплоть до 2000-х автогиганты положили идею под сукно. Все изменилось в новом веке, когда нефть снова стала дорожать, а правительства задумались о снижении выбросов в атмосферу углекислого газа. Экологичность — один из главных плюсов водородных двигателей, ведь единственный побочный продукт их работы — обычная вода. Ни углекислого газа, ни соединений свинца.

В 2007 году BMW выпустила партию из ста автомобилей Hydrogen 7, способных работать как на бензине, так и на водороде, сопроводив это событие масштабной рекламной кампанией: за рулем таких авто появлялись голливудские звезды Брэд Питт, Анджелина Джоли, Ричард Гир, Шарон Стоун. Однако сотней машин дело и ограничилось: их технические характеристики оставляли желать лучшего. Компания выбрала тупиковый путь: гибридная модель сжигала водород в камере сгорания, и газового баллона в 8 кг хватало всего на 200–250 км. А стоил автомобиль на уровне топовых моделей концерна.

Другие компании извлекли из эксперимента BMW урок. Сейчас уже три фирмы серийно выпускают легковые автомобили на водородных топливных ячейках, использующих топливо более эффективно: в результате электрохимической реакции они вырабатывают энергию, которая подается на электрический двигатель. Первой работающей по такой схеме была машина Hyundai ix35 Fuel Cell, поступившая в автосалоны в начале 2013 года. Годом позже в Японии стартовали продажи Toyota Mirai, а в 2015–2016 годах на японский и американский рынки вышла Honda Clarity. Еще полтора десятка компаний в последние годы объявили о скором выпуске или по крайней мере о начале разработки таких автомобилей. Совершенствование технологий позволило существенно удешевить производство: цена Hyundai ix35 Fuel Cell составляет около $53 тыс., Toyota Mirai — $57 тыс., Honda Clarity — $59 тыс.

Тем не менее цены кажутся высокими по сравнению с обычными машинами: так, Hyundai ix35 с обычным двигателем стоит от $10 тыс. до 35 тыс. Да и сам водород пока обходится дороже бензина. Но инновационные автомобили не только чище, но и потенциально выгоднее. Согласно подсчетам бывшего главного исследователя по вопросам альтернативной энергии Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) Стива Хенча использовать водород в качестве энергоносителя намного выгоднее, чем обычный бензин. Энергоемкость одного галлона (4,54 л) бензина и 1 кг водорода, эквивалентного ему по объему, почти одинакова: 130 против 130–140 мДж. Галлон бензина в США стоит около $2,90, 1 кг водорода обойдется дороже — в $8,6. Однако если учесть, что термодинамическая эффективность бензина составляет 20–25%, а водорода — 60% и более, получится, что топливные ячейки в 2,5–3 раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания. А значит, на том же объеме топлива водородные автомобили смогут проехать в 2,5–3 раза дольше.

Высокая энергия

В России компании также проявляют интерес к водородным технологиям. В 2006 году «Норильский никель» приобрел контрольный пакет акций американского пионера водородной энергетики Plug Power. Однако кризис 2008–2009 годов вынудил «Норникель» продать бумаги.

В 2014 году в России появился производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компании удалось найти свою нишу: она поставляет аккумуляторные системы для дронов, в том числе военных. Топливными элементами AT Energy были, например, оснащены дроны компании «АФМ-Серверс», снимавшие с воздуха Олимпиаду-2014 в Сочи. «Оснащение дронов водородными элементами дает большой выигрыш по длительности полета, кроме того, они перестают зависеть от температуры воздуха», — говорит основатель компании Данила Шапошников.

В июне 2017 года AT Energy подписала стратегическое соглашение с АО «Линде Газ Рус», дочерней компанией производителя промышленных газов Linde Group. Партнеры будут поставлять владельцам беспилотных аппаратов баллоны с водородом производства Linde. Это поможет решить важнейшую проблему водородной энергетики для беспилотников — заправочной инфраструктуры.

Легок на помине

Ажиотаж по поводу самого легкого в природе газа, стартовавший в начале 2000-х, был подхвачен политиками. В 2004 году губернатор Калифорнии Арнольд Шварценеггер рисовал картины «водородных шоссе», которыми будет опоясан его штат всего через шесть лет. Ничего такого, конечно, не произошло. «Автомобильная отрасль консервативна: все новые технологии дорогие, требуют оптимизации моделей по массе и габаритам, испытаний на ресурс», — говорит гендиректор AT Energy Данила Шапошников.

Сказалась и экономическая ситуация. «В глобальном контексте замедление развития водородной энергетики связано с тем, что выбор технологий снижения выбросов в энергетике, транспорте, горнодобывающей промышленности и ЖКХ определяется экономической выгодой, — говорит советник по возобновляемой энергии в MoJo Energy Говард Рамсден, в 2000-х принимавший участие в разработке законодательства Европейского союза в области электроэнергетики. — Если финансовые механизмы стимулирования выбора низкоуглеродных технологий не являются существенными для стимулирования потребителя, то он либо не будет менять своих привычек, либо будет делать это очень вяло. Водородные технологии оказались слишком дороги для производителей в условиях двух глобальных экономических кризисов, где война за покупателя была жесткой».

Проблемы вызваны не только экономической конъюнктурой. Первому элементу таблицы Менделеева то и дело достается от глав технологических компаний. Так, владелец Tesla Илон Маск неоднократно называл топливные ячейки «ошеломляюще тупой технологией», противопоставляя их электрическим аккумуляторам, на которые сделала ставку его компания. Основная претензия заключается в том, что в качестве средства хранения энергии ячейки уступают аккумуляторам, поскольку преобразование химической энергии в электрическую внутри топливного элемента ведет к неизбежным потерям.

Другие критики отмечают, что водородные автомобили по умолчанию небезопасны. Водород невидим, легко воспламеняется и не имеет запаха, а значит о его утечке водитель не догадается вплоть до взрыва. Правда, и Toyota и Honda специально отмечают, что в их моделях водород хранится в герметичных и ударопрочных контейнерах из углеволокна. И все-таки никакое углеволокно не выдержит сильного удара при ДТП.

И даже подсчеты экономических выгод водорода могут быть обманчивы. «Главная проблема — высокая стоимость производства самих топливных элементов, так как водородные батареи содержат платину, один из самых дорогих металлов в мире, — напоминает Кристиан Цбинден. — Многие заблуждаются, считая водородную энергетику спасением от глобального изменения климата. На самом деле энергия из водорода — это плацебо, поскольку при производстве подобных батарей используется непропорционально большое количество электроэнергии. Поэтому «зелеными» данные технологии назвать нельзя». Самый распространенный в наши дни процесс получения водорода — паровой риформинг метана. Он требует использования углеводородов. Правда, теоретически его можно заменить электролизом воды, энергию для которого будут давать, например, солнечные батареи.

Кроме того, под водородные двигатели нужно строить специальные сети заправок. «Вопрос не столько в разработках производителей двигателей, сколько в подготовке и развитии необходимой инфраструктуры, — считает Никита Игумнов, финансовый эксперт, ранее работавший в инвестпроектах Газпромбанка, в органах управления и контроля МОЭСК и «Мосэнергосбыта». — При реализации данного направления возникнет ряд проблем, требующих решения. Среди них — высокая стоимость производства, хранения и транспортировки топлива, а также необходимость масштабного развития необходимой инфраструктуры: заправки, терминалы хранения, производственные мощности. Все эти вопросы требуют масштабных инвестиций».

Нишевой элемент

И все-таки будет ошибочным считать водородную энергетику тупиковым направлением. «Например, она давно применяется в ракетостроении, но СМИ редко об этом пишут», — отмечает Шапошников. Пока автомобили на топливных элементах делают первые шаги, их меньшие братья — автопогрузчики уже вовсю переходят на самый легкий газ. В июле Walmart приобрела 55 млн акций одного из пионеров водородной энергетики — компании Plug Power, объявив о планах оснастить 30 своих центров дистрибуции водородными автозаправками, где смогут заряжаться погрузчики компании (сейчас такими заправками оснащены 22 американских магазина Walmart). В апреле этого года Amazon.com купила более 50 млн акций Plug Power, параллельно начав оснащать водородными заправками свои склады.

Компании-конкуренты считают, что водород поможет их центрам быть более эффективными. «Складская техника — это ниша, в которой водородные топливные ячейки уже прочно закрепились, — говорит Данила Шапошников. — Электрические аккумуляторы погрузчиков быстро садятся и подолгу заряжаются. Возникают большие паузы в работе. Кроме того, батареи имеют короткий срок службы. А техника на водороде надежна, неприхотлива и, кроме того, экологична — такие погрузчики могут работать в закрытых помещениях».

То, что силовые установки, работающие на водороде, практически бесшумны, делает их привлекательными для производства военной техники. Уже сейчас такими установками оснащают, например, подводные лодки. Водород служит и для нужд домохозяйств: энергетические станции мощностью от 1 до 5 кВт могут вырабатывать электроэнергию в режиме когенерации, попутно давая тепло для системы отопления и нагрева воды.

В Японии такие автономные системы получили широкое признание после аварии на «Фукусиме», когда ядерная энергетика стала восприниматься как нечто страшное. Агентство по природным ресурсам и энергетике Японии рассматривает развитие водородной промышленности как один из приоритетов, рассчитывая за три года довести число используемых домохозяйствами водородных электрогенераторов до 1,4 млн. Кроме того, правительство мотивирует промышленные компании использовать водород в качестве источника электроэнергии на заводах и фабриках. А организаторы летних Олимпийских игр 2020 года в Токио собираются превратить их в демонстрацию возможностей водородных двигателей.

Читать еще: Антифрикционные присадки в масло двигателя

Среди ниш, где водород находит себе применение уже сегодня, — стационарное резервное питание. «Топливные ячейки требуют мало обслуживания: поставил — забыл, — говорит Шапошников. — Когда напряжение в сети падает до нуля, они включаются. Небольшой баллон с газом, установленный, например, на сотовой вышке, даст ей энергии на сутки, пока ремонтная бригада устраняет проблему. Другая ниша — автономное энергоснабжение удаленных пунктов: можно раз в год наполнять газгольдер, обеспечивая электричеством и теплом небольшой поселок полярников где-нибудь в Арктике». Это решение подойдет для многих труднодоступных уголков страны.

Водородная энергетика будет развиваться даже при отсутствии прорыва в автомобильной отрасли, говорят эксперты. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2022 году вырастет до $154 млрд. Но и в автомобильной промышленности этот элемент рано списывать со счетов. Да, водород высокого давления требует строительства сотен заправочных станций. Но есть более дешевая альтернатива, которую сейчас разрабатывает сразу несколько компаний, в частности один из лидеров по производству топливных ячеек — канадская Ballard Power, делающая пилотный проект для китайского Министерства транспорта. Жидкий химический состав можно будет заливать в обычные бензохранилища, которыми оснащены АЗС, и заправлять им машину как бензином. В специальном реакторе из жидкости будет выделяться газообразный водород, поступающий в топливную ячейку. Голубая мечта Шварценеггера не столь уж и несбыточна.

Топливо будущего: в каких видах транспорта водород используется уже сейчас

На протяжении всей истории человечества мобильность выступала верным индикатором прогресса. От колеса, конной тяги и парового двигателя до двигателя внутреннего сгорания и электробатареи – с появлением новых средств передвижения жизнь человека выходила на качественно новый уровень. Одно из многообещающих решений на этом пути – водородная энергетика.

Использование водорода в качестве топлива – идея не столь новая: способность этой молекулы производить большое количество энергии была открыта еще в XIX веке. Им можно заправить как двигатель внутреннего сгорания, так и газотурбинный двигатель, но из-за ограничений, которые он накладывает на работу этих механизмов, и возможных неблагоприятных последствий для окружающей среды водород сегодня преимущественно используется в специальных топливных элементах.

В них происходит элементарная электрохимическая реакция, которая позволяет водороду высвобождать энергию, оставляя после себя лишь водяной пар. Эта энергия, в свою очередь, превращается в электричество, которое питает электродвигатель, приводящий транспортное средство в движение.

Главное преимущество этого вида топлива – отсутствие выхлопных газов и шума. Этим же могут похвастаться и электромобили, но в отличие от них, автомобилям на водороде достаточно пятиминутной заправки, чтобы подготовиться к длительному путешествию на более чем 500 км. И что немаловажно, эффективные способы производства этого топлива уже давно освоены.

У водородного топлива огромный потенциал, и убедиться в этом можно, взглянув на то, как его используют на различных видах транспорта уже сейчас.

Водородные автомобили

Первые автомобили на водородных топливных элементах появились на рынке в 2013 году Большую ставку на эту технологию сделали азиатские автогиганты, и сейчас водителям доступны три водородные модели: Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda Clarity.

По данным Международного энергетического агентства, на конец 2018 года в мире насчитывалось 11 200 водородных автомобилей, и их продажи в тот год возросли на 80% в сравнении с 2017 годом.

Наиболее популярны эти автомобили в США (Калифорния), Японии, Южной Корее и Германии. Главным фактором распространения личного водородного транспорта является наличие соответствующей заправочной инфраструктуры, и неудивительно, что упомянутые выше страны являются также лидерами по числу водородных станций. Наращиванием инфраструктуры занимаются отнюдь не автопроизводители, а компании, для которых газы, и, в частности, водород, являются основой бизнеса.

Например, французская компания Air Liquide, мировой лидер в производстве газов, технологий и услуг для промышленности и здравоохранения, уже установила более 120 заправочных станций в Европе, Азии, Северной Америке и на Ближнем Востоке.

«Переход на водородное топливо – это уже не вопрос инноваций. У нас есть все необходимые технологии, чтобы его осуществить. Сейчас важно наращивать производственные мощности и выстроить полноценную заправочную инфраструктуру наравне с существующей «ископаемой», и здесь важна поддержка государства, а главное, инвесторов, заинтересованных в создании новых бизнес-моделей для эры чистого топлива», – говорит вице-президент Air Liquide по водородной энергетике Пьер-Этьен Франк.

В космос на альтернативном топливе

У водородного топлива есть перспективы и в общественном транспорте. Он заправляется централизовано и не нуждается в масштабной заправочной инфраструктуре. Водородные автобусы уже курсируют в нескольких европейских городах, включая Осло, Роттердам и Аргау, а регион Нижняя Саксония в Германии пошел еще дальше – там водородный поезд перевозит пассажиров по 100-километровому маршруту.

Для сознательных пассажиров в Париже есть целый таксопарк, полностью состоящий из водородных автомобилей. Компания под ярким названием Hype насчитывает 100 такси и планирует расширить свой парк до 600 автомобилей к 2020 году.

Водород также проникает в сферу складского транспорта. Им заправляют свои вилочные погрузчики Coca-Cola в США, Walmart в Канаде и Carrefour во Франции. Даже разъезжая по замкнутому пространству, эти машины накатывают километры ежедневно. В этой связи такое свойство водородного топлива, как экономичный расход, приходится очень кстати.

Использование водорода в качестве топлива не ограничивается наземным транспортом. В 2017 году в воды Мирового океана вышло судно будущего – Energy Observer. Его уникальность заключается в том, что его энергообеспечение осуществляется исключительно за счет природных ресурсов: энергии солнца, ветра и водорода, получаемого из морской воды.

Это своего рода плавучая лаборатория, где экологически чистые технологии тестируются и оптимизируются в экстремальных условиях. За шесть лет плавания команда Energy Observer обошла 50 стран и совершила 101 остановку, и их одиссея красноречиво говорит о надежности и целесообразности использования водородного топлива.

К таким выводам пришли и специалисты аэрокосмической отрасли. Хотя авиаконструкторы пока только подступаются к идее самолета на электродвигателе, возможность обеспечить его бортовые функции чистой дешевой энергией кажется слишком привлекательной, чтобы не попробовать.

Водород также способен помочь человечеству в его амбициях покорить космос: существует целое семейство ракет – Ariane – основным топливом для запуска которых, помимо жидкого кислорода, является жидкий водород.

Молекула водорода составляет основу жизни на планете. Как и движение. На дорогах, на складах, в море и небе водород показывает себя как серьезная альтернатива традиционным видам топлива. Его потенциал заметили и испытывают страны, города, автоконцерны, компании-производители газов и визионеры.

Эффективность транспорта на бензине, электричестве и водороде

Рассмотрим эффективность технологий по энергозатратам на передвижения. Не будем касаться экономической составляющей производства транспорта на таком то приводе, обслуживание, инфраструктура и многое другое.

Итак начнем с бензина. Что мы знаем? Один литр имеет вес

750 г и около 10 кВтч запасенной энергии. Но сколько нужно потратить энергии, что бы 1 литр бензина оказался в баке транспортного средства? Опустим такие вещи так транспортировка, хранение и др., обсудим лишь добычу и переработку.

Средний EROI (energy return on investment — соотношение полученной энергии к затраченной, энергетическая рентабельность) добычи нефти и переработки в бензин равен 5, т.е. отдаем 5-ую часть, а именно 20%. Это означает, на каждый литр бензина будет затрачено около 2 кВтч энергии. Но он же имеет около 10 кВтч запасенной энергии, вроде бы как выгодно, но с учетом КПД ДВС, трансмиссии и т.д. суммарный КПД если и будет тех же 20% то уже будет хорошо. Получается какой-то маразм, сначала затратили 2 кВтч энергии на добычу и переработку, потом использовали лишь 2 кВтч на передвижение, а остальное потери в виде тепла в атмосферу… Еще интересней будет, когда мы сравним расход двух моделей, одна с бензиновым ДВС, другая на батарейках.

Например Ford Focus. У бензиновой версии реальный расход будет около 7 л/100км, а у электрической около 14 кВтч/100км с батареи (не из сети, к этому еще вернемся). Что мы в итоге имеем:

● бензиновый форд еще ни метра не проехал, но для 7-ми литров бензина в баке, было уже затрачено от 14 кВтч энергии;

● электрический форд на этом же количестве энергии проедет около 100 км!

Но с электромобилями нужно быть точным до последней детали, экологическую часть в этой статье не затрагиваю, но о ней в случае с ЭМ говорить тоже нужно. А именно, у зарядного устройства (ЗУ), для подзарядки ЭМ от сети также есть потери. Среднее КПД ЗУ и высоковольтной батареи (ВВБ) около 90%. Т.е. с расходом 14 кВтч/100 км из сети нужно около 15,5 кВтч для 100 км пробега. Зимой естественно еще больше, т.к. расход растет ощутимо из-за электропечки, хотя во многих ЭМ используется тепловой насос, расход может быть и больше 20 кВтч/100 км из сети, но и авто на ДВС зимой так же потребляет больше топлива…

Но можно ли на этом заканчивать? Нет! Передача электроэнергии в сети также имеет потери, определить их очень сложно, но сказать об этом стоит. В разных случаях имеем несколько преобразований электричества на высокое напряжение для передачи его на большие расстояния потом понижение напряжения для конечного потребителя. Не осмелюсь высказывать какие-то даже усредненные цифры с потерями, но покажу одну картинку, на которой видно, что потери на воздушных линиях ЛЭП составляют

«ЭМ проедет примерно то же расстояние на том же количестве энергии, которое было затрачено для получения Х литров бензина для авто на ДВС».

Если совсем коротко то авто на ТЭ: может быстро заправляться (хотя заправок пока не много), «полный бак» за

5 мин и имеет приличный запас хода, около 400–500 км. Хотя например дорогущие Теслы и не только тоже имеют запас хода 400–500 км (400 км модели еще с 2012 года), но заряжаются в лучшем случае на 120 км за 5 мин, но авто на ТЭ тоже не дешевые. Простите за мое отступление.

Но на сколько эффективны авто на ТЭ. В среднем реальный расход на 100 км находится в пределе 1 кг водорода на 100 км. А что это вообще такое 1 кг водорода? Для начала поговорим о том, что в среднем для 1 кг водорода в баке авто нужно затратить, по информации от разных источников около 50 кВтч энергии. Если это так, то это в 2–3 раза менее эффективней чем передвигаться на BEV, электромобиле с батарейками, ведь авто на ТЭ по сути тоже электромобиль, в котором кстати тоже есть небольшая буферная ВВБ.

Читать еще: Кран управления тормозами прицепа

Проверим так ли это, что аж 50 кВтч энергии на 1 кг водорода. Т.к. один литр водорода весит 0,09 г то в 1 кг водорода имеем около 11.111 литров. Например для получения 1000 литров водорода путем электролиза воды в промышленных масштабах нужно около 4 кВтч энергии, получаем 44,444 кВтч для 11.111 литров. Но что бы больше 11 тысяч литров газа поместить в бак, разумных размеров, водород подвергается сжижению, путем многоступенчатого охлаждения, что так же энергозатратно! Так что 50 кВтч для 1 кг водорода похоже на правду.

Может тогда примерный расход в 1 кг/100 км завышен, а на самом деле он намного ниже? Проверяем. При реакции водорода с кислородом выделяется около 3 кВтч энергии при использовании 1000 л водорода. КПД современных ТЭ, к сожалению, около 50%, что означает — из 1 кг или 11.111 л водорода вместо 33,33 кВтч потенциальной энергии «улавливается» лишь половина, т.е.

16,67 кВтч. Т.е. есть потери, нужно еще и прилично охлаждать. Есть потери на заряде буфферной ВВБ и в итоге получаем примерно расход того же форда на батарейках… Физику не обмануть и расход в 1 кг водорода на 100 км так же похож на правду. На все виды авто есть давно обзоры, тесты, замеры и расход бензина/электричества/водорода давно не секрет.

Как видим, нет ничего идеального на сегодняшний день:

● автомобиль на ДВС остается пока самым удобным, но самым неэффективным; ● автомобиль на батарейках самый эффективный, но не самый удобный; ● автомобиль на ТЭ практически такой же удобный как и автомобиль на ГБО, если бы еще и водородных заправок было бы столько же, но по эффективности где-то посередине.

Давайте теперь немного поразмышляем о перспективах на будущее.

ДВС уже выжат по своему потенциалу практически до максимума, КПД электромотора и его управления (контроллера), находятся на достаточно высоком уровне, 90–95% и улучшение КПД не приведет к ощутимой улучшения энергоэффективности. Например электромобиль Тесла Модел S при переходе на другой тип двигателя и материалов для контроллера добились небольшого увеличения пробега на одном заряде с такой же емкостью батареи, т.е. немного снизили расход, думаю дальше улучшать уже некуда и дальнейшие улучшения будут в области химии аккумуляторов. Но вот у авто на ТЭ пока еще есть потенциал. Во-первых, снижение затрат на добычу водорода с 4-ех вплоть до 3-ех кВтч на 1000 л. Во вторых поднятие КПД ТЭ, например до хотя бы 75%, тогда на выходе получим от примерно 39 кВтч затрат на 1 кг водорода (34 кВтч на электролиз + около 5 кВтч на сжижение), на котором можно будет проехать уже 150 км, т.е. с расходом уже 26 кВтч/100 км вместо 50 кВтч/100 км сегодня.

Помимо всего этого мир с каждым днем все больше нуждается в эффективной и доступной технологии хранения энергии, но это тема уже для другой статьи.

Топливные ячейки против аккумуляторов – альтернативное будущее электромобилей
Автопроизводители готовятся к водородной революции

В начале этого года крупный аудитор KPMG немало удивил нас результатами своего исследования. Компания опросила около 1000 топ-менеджеров от автоиндустрии и большинство из них – 78 процентов – заявили, что считают водородомобили перспективнее электромобилей на батареях. При этом 62 процента и вовсе полагают, что машины с топливными ячейками в скором времени вытеснят с рынка своих аккумуляторных собратьев.

Сразу сделаем отступление, чтобы разобраться с терминологией. Все автомобили, приводимые в движение только силой электричества, можно разделить на два больших класса. К первому относятся машины, электромоторы которых питаются от аккумуляторных батарей – именно они традиционно называются электромобилями (electric vehicles, EV, а точнее – battery electric vehicles, BEV). Аккумуляторы, разумеется, нужно заряжать, подключая их к источнику энергии, поэтому этот тип транспорта входит в «надкласс» подключаемых электрокаров (plug-in electric vehicles, PEV). K PEV относятся и гибриды, способные благодаря достаточно большой батарее перемещаться только за счет электротяги и также нуждающиеся в подзарядке от сети (plug-in hybrid electric vehicles, PHEV).

«Чистые» электромобили второго класса не получают «готового» заряда от внешнего источника, а вместо этого генерируют энергию для моторов прямо на борту, в электрохимических устройствах, называемых топливными ячейками (fuel cells). Топливные элементы бывают разными по составу, но самыми перспективными для автопрома считаются водородные ячейки: электричество вырабатывается в ходе реакции водорода с атмосферным кислородом. Это стопроцентно «зеленая» технология, поскольку единственный побочный продукт – это оксид водорода, то есть обычная вода. Все это называется fuel cell vehicles (FCV) или, конкретнее, hydrogen fuel cell vehicles, а по-русски – водородомобили.

Возвращаемся к результату опроса KPMG – что в нем необычного? На самом деле – вообще все. Судите сами. EV буквально за несколько лет совершили серьезный рывок вперед: батареи стали легче и эффективнее, запас хода вырос в несколько раз, а главное, новых моделей, которые можно реально купить, становится все больше. Согласитесь – между никому не нужным GM EV1 из девяностых и долгожданной Tesla Model 3, на которую поступили сотни тысяч заказов, пролегает огромная пропасть. А что с FCV? Да, собственно, ничего – никакого существенного прорыва в водородной энергетике не наблюдается не то, что годами – десятилетиями. И причина – в самом водороде.

На эту тему написано множество статей, поэтому постараемся изложить суть проблемы максимально кратко. Да, водород – отличный энергоноситель, и построить работающий на нем автомобиль совсем не сложно: у многих компаний давно имеются ходовые прототипы, причем некоторые из них просто сжигают газ в ДВС – это все равно эффективнее, чем жечь углеводородное топливо. Однако в чистом виде водород на Земле не встречается, а получать его в нужных для автопрома объемах путем паровой конверсии природного газа, биологическими методами или банальным электролизом либо невыгодно, либо попросту невозможно. Из-за малого размера атомов хранить водород сложно и дорого – что в сжатом, что в сжиженном состоянии. К тому же опасно (слышали про гремучий газ?). По-настоящему массовое производство водородомобилей требует наличия развитой заправочной инфраструктуры – со всеми вытекающими (и просачивающимися сквозь стенки контейнеров и труб).

Иными словами, сделать один FCV, который заправляется так же быстро, как машина на бензине или солярке, имеет большой запас хода, разгоняется как EV с аккумулятором и не загрязняет окружающую среду – легко. Пересадить на подобный транспорт хотя бы один процент автомобилистов мира – теоретически можно, но пока непонятно – как. Потому-то в 2017 году серийные модели водородомобилей можно пересчитать по пальцам одной руки – Toyota Mirai, Honda Clarity, да еще Hyundai ix35/Tucson Fuel Cell, сделанный из обычного кроссовера прошлого поколения. При этом продаются перечисленные машины крошечными тиражами, а чаще и вовсе сдаются в лизинг – клиент сразу оплачивает и водород, который ему больше негде взять, и техобслуживание.

Тем не менее, водородная тема неспешно, но развивается, причем стараниями не только автопроизводителей, но и правительств. В конце прошлого года стало известно, что министерство транспорта Германии собирается потратить 250 миллионов евро на исследования в данной области и строительство заправочных станций. До того как Великобритания решила сделать ручкой Евросоюзу, английская фирма Riversimple получила от европейского правительства грант на разработку доступного двухместного водородомобиля Rasa. Но ключевую роль в этом процессе играют все-таки автогиганты. За последние год-два сразу несколько ведущих брендов активизировали свою деятельность по части FCV: показали новые, близкие к конвейеру прототипы, озвучили более-менее конкретные производственные планы.

Та же Toyota, рассчитывающая к 2050 году полностью отказаться от ДВС, намерена создать целое семейство водородных моделей на базе седана Mirai. Она уже поделилась технологией со своей премиальной «дочкой»: осенью 2015 года Lexus показал работающий на водороде концепт LF-FC. В товарном исполнении он превратился в новое поколение седана LS, у которого из «зеленых» имеется только гибридная модификация – ее вот-вот покажут в Женеве. При этом «Лексус» все-таки собирается вывести на рынок FCV к 2020 году, но это будет не седан, а кроссовер – в нем проще разместить силовую установку на водороде без ущерба для динамики.

Сотрудничающая с «Тойотой» компания BMW также заимствовала «начинку» Mirai для своих прототипов на базе 5-Series GT и i8. Кроме того, баварцы объявили о разработке нового способа сжатия водорода при особо низких температурах: он позволит вместить в баллон больше топлива, а значит – увеличить запас хода.

Hyundai уже в 2017 году должна представить преемника своего ix35/Tucson Fuel Cell. Новый FCV получит иную платформу и будет дешевле, а дальность хода при этом вырастет с 600 до 800 км. В 2021 году серийный водородомобиль появится у KIA. EVmode.ru предполагает, что обе эти модели группа Hyundai-KIA построит на той же архитектуре, которая используется в Ioniq и Niro.

Honda выбрала путь диверсификации: к Clarity FCV она добавит Clarity EV и Clarity PHEV. При этом японцы недавно вступили в новый альянс с General Motors: партнеры создадут в США совместное предприятие Fuel Cell System Manufacturing, которое будет производить топливные ячейки нового поколения. СП начнет работу в 2020 году.

Mercedes-Benz прошлым летом показал кроссовер GLC F-Cell. Это своеобразный гибрид: электромотор в нем питается и от топливных ячеек, и от литий-ионной батареи, заряда которой хватает на 48 км пути. В нынешнем году машина должна поступить в продажу в Германии, США и Японии, а в следующем к списку рынков добавится Великобритания – по крайней мере, так предполагалось изначально.

Чуть больше года назад Audi представила на выставке в Детройте кроссовер h-tron quattro. С точки зрения дизайна это тот же электромобиль e-tron quattro, но в данном случае электромоторы – 120-сильный передний и 188-сильный задний – заряжаются от топливных элементов. Трех баллонов водорода хватает на 600 км. e-tron поступит в продажу в 2018 году, h-tron – никак не раньше 2020-го.

А вот Nissan разработал для своего электрического фургона e-NV200 силовую установку на твердооксидных топливных элементах. В данном случае водород в машину не заправляется, а производится на борту из биоэтанола, работать с которым выгоднее и безопаснее. Система получила название e-Bio Fuel Cell, ориентировочная дата начала серийного производства – снова 2020 год.

Существует, конечно, и всякая FCV-экзотика, вроде 1000-сильного тягача от американского стартапа Nikola Motor или суперкара H2 Speed, который знаменитое итальянское кузовное ателье Pininfarina собирается выпустить мини-серией в 10 штук, но в нашем случае подобные инициативы можно не брать в расчет – на глобальные тенденции они никак не влияют.

Источники:

http://econet.ru/articles/effektivnost-transporta-na-benzine-batareykah-i-vodorode
http://zen.yandex.ru/media/id/5a0d56ea830905093eb7fd64/5d20532659861500add2dd9d
http://www.rbc.ru/own_business/02/08/2017/5979d1ac9a7947802604085f
http://recyclemag.ru/article/toplivo-buduschego-kakih-vidah-transporta-vodorod-ispolzuetsya-seichas
http://motorzlib.ru/news/item/f00/s12/n0001260/index.shtml
http://evmode.ru/2017/03/01/toplivnyie-yacheyki-protiv-akkumulyatorov-alternativnoe-budushhee-elektromobiley/

голоса

Рейтинг статьи

Эффективность транспорта на бензине батарейках и водороде