Водородная тяга что такое
Водородная тяга: мировой опыт. Обзор топовых проектов в сфере подвижного состава будущего
Замгендиректора — главный инженер РЖД Сергей Кобзев сообщил, что к 2022 году в России планируется разработать «водородный» локомотив, а после 2025 года поезда с тягой на водородных топливных элементах могут начать применяться в пригородном сообщении. «Техника железных дорог» подготовила небольшой обзор проектов на водородной тяге, реализованных в последние годы, а также запланированных производителями.
Локомотивы
В 2009 американский перевозчик BNSF представил гибридный маневровый локомотив HH20B с тягой на водородных топливных элементах (обеспечивали мощность 250 кВт) и литий-ионным аккумулятором (1250 кВт). Машина была разработана вместе с компанией Ballard (канадский производитель топливных элементов) и вооружёнными силами США. В 2010 году мощность «водородной» тяговой установки была повышена до 500 кВт. Агентство по охране окружающей среды Калифорнии оценивало стоимость локомотива на уровне 3,5 млн долл. По состоянию на 2016 год локомотив приписан к депо BNSF в Топике.
Моторвагонный подвижной состав
Поезд Coradia iLint — единственный на данный момент «водородный» проект на рельсовом транспорте, производимый серийно. Разработан французской Alstom, представлен в 2016 году, производитель топливных элементов — Hydrogenics (Канада, входит в состав двигателестроительного гиганта Cummins). Поезда пока поставляются в 2-вагонной составности, мощность двух «водородных» тяговых установок составляет 400 кВт, заявляемый запас хода — 1000 км. В Германии у Alstom заключены контракты на поставку более 40 таких поездов.
В 2019 году швейцарская Stadler получила контракт в США на разработку и поставку одного 2-вагонного «водородного» поезда Stadler Flirt H2. Поезд планируется запустить в эксплуатацию в Калифорнии в 2024 году.
С 2017 года разработку «водородного» поезда Mireo Plus H в двух и трёхвагонной составности ведёт немецкая Siemens совместно с Ballard. Согласно данным VDE, немецкая разработка имеет меньший объём бака для водорода и, соответственно, меньший запас хода по сравнению с Coradia iLint: 900 км для 3-вагонной модели и 550 км для 2-вагонной.
Трамваи
В 2016 году китайской CRRC были представлены две модели водородных трамваев, одна из которых была создана совместно с чешской Skoda Transportation. В каждом трамвае используется «водородная» силовая установка производства Ballard. Оба трамвая находятся в тестовой эксплуатации в городах Китая.
В 2019 году в России также был представлен опытный образец «водородного» трамвая, созданный на базе трамвая ЛМ-68М. Разработчики — петербургский «Горэлектротранс» и ЦНИИ СЭТ (входит в «Крыловский государственный научный центр»), создавший силовую установку трамвая на основе оборонных технологий. Заявлялось, что трамвай будет проходить испытания, а серийное производство будет налажено через 3-4 года при соответствующем финансировании.
В июне этого года о планах по разработке водородного трамвая заявила и корейская Hyundai Rotem. Первую машину планируется произвести в 2021 году.
В «водородной» гонке теперь официально и Hitachi: совместно с JR East и Toyota разрабатывается прототип гибридного поезда. Японские производители и пассажирский перевозчик заключили соглашение о сотрудничестве в части разработки поездов с гибридной тяговой системой (водородные топливные элементы плюс аккумуляторная батарея). В подвижном составе планируется использовать топливные элементы, разработанные Toyota для её автомобилей Mirai и автобусов SORA, а также аккумуляторы и тяговые преобразователи Hitachi. Как ожидается, двухвагонный поезд будет иметь запас хода около 140 км, макс. скорость — 100 км/ч. Испытания прототипа планируется начать в марте 2022 года.
Работы в направлении водородной тяги ведут практически все крупнейшие производители: китайская CRRC, немецкая Siemens Mobility, испанская Talgo, корейская Hyundai Rotem. Российским ТМХ в 2019 году также подписано соглашение с РЖД, «Росатомом» и Сахалинской областью о разработке соответствующего подвижного состава. Однако дальше всех продвинулась французская Alstom, имеющая «твёрдый» заказ на 41 водородный поезд и проекты суммарно в 5 странах.
Больше лёгкого чтива для тяжёлых будней ищите в нашем разделе LIGHT и в Telegram-канале
Материал подготовлен редакцией издания «Техника железных дорог»,
Справочная: как работают водородные автомобили и когда они появятся на дорогах
В Испании, где я сейчас живу, довольно много электромобилей — встречаю их практически каждый день, как на дорогах, так и на станциях для зарядки. И каждый год электрокаров становится все больше (не только в Испании, конечно). Но есть и альтернатива — автомобили на водородном топливе, которые тоже не загрязняют природу, поскольку их выхлоп — вода. Тема сегодняшней справочной — водородные машины, принцип их работы и перспективы.
Когда появились первые автомобили на водороде?
Изобрел двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, Франсуа Исаак де Ривас (François Isaac de Rivaz) в 1806 году. Водород он получал с помощью электролиза воды. Поршневой двигатель, который создал изобретатель, называют машиной де Риваса (De Rivaz engine).
Зажигание было искровым, двигатель имел шатунно-поршневую систему работы. Ну а цилиндр приводился в движение детонацией смеси водорода и кислорода электрической искрой — ее приходилось генерировать вручную в момент опускания поршня. Через два года этот же изобретатель построил уже самодвижущееся устройство с водородным двигателем.
Но более-менее широко применять водород для работы автомобильных двигателей стали много лет спустя. В 1941 году в блокадном Ленинграде автомобильные двигатели ГАЗ-АА были модифицированы инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем. Движки управляли лебедками аэростатов заграждения (их заправляли водородом, и запасов газа в Ленинграде было много), но это были автомобильные двигатели. Кроме того, были модифицированы и несколько сотен движков в автомобилях.
Начиная с 1980-х сразу в нескольких странах, включая США, Японию, Германию, СССР и Канаду стартовало экспериментальное производство по созданию автомобилей, работающих на водороде, бензин-водородных смесях и смесях водорода с природным газом.
В 1982 году нефтеперерабатывающий завод «Квант» и завод РАФ разработали первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного топливного элемента мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи емкостью 5 кВт*ч.
На протяжении многих лет такие автомобили разрабатывали в разных странах по большей части в качестве эксперимента. После того, как концепция «зеленого» автомобиля стала популярной, автомобилями на водороде заинтересовались крупные корпорации вроде Toyota. Начиная с 2000-х, автомобильные компании стали разрабатывать концепты коммерческих авто.
А где брать водород?
Водород можно получать разными методами:
При паровой конверсии водород получать дешевле, чем используя любые другие методы, включая электролиз.
Наиболее безвредный способ производства водорода — электролиз — получение водорода из воды с использованием электрического тока. Чистота выхода водорода близка к 100%. Если не считать загрязнение для получения электричества, такие установки почти безвредны для окружающей среды, поскольку в процессе работы выделяются только водород и кислород.
Еще один безопасный для окружающей среды способ получения водорода — реактор с биомассой.
Источник
Производить водород можно и на крупной фабрике, и на относительно небольшом предприятии. Чем масштабнее производство — тем ниже себестоимость газа. Но зато в первом случае увеличиваются расходы на доставку водорода к местам заправки машин.
Как работает топливная система и какие есть варианты?
Лучше всего рассмотреть принцип работы такой системы на примере серийных водородных авто Toyota Mirai. Основа — топливный элемент, электрохимическая система, преобразующая частицы водорода и кислорода в воду. Внутри такого элемента — протонпроводящая полимерная мембрана, которая разделяет анод и катод. Обычно это угольные пластины с нанесенным катализатором.
На катализаторе анода молекулярный водород теряет электроны, катионы проводятся через мембрану к катоду, а электроны отдаются во внешнюю цепь. На катализаторе катода молекулы кислорода соединяются с электроном и протоном, образуя воду. Пар или жидкость — это единственный продукт реакции.
Преимущество топливных ячеек на основе протонообменных мембран — высокая удельная мощность и относительно низкая рабочая температура. Они быстро греются и почти сразу после старта начинают производить энергию.
В Mirai используются топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л), максимальная их мощность 124 кВт. Произведенный топливным элементом постоянный ток преобразуется в переменный с одновременным повышением напряжения до 650 В. Электричество поступает в литий-ионный аккумулятор. Для движения машина расходует запасенную в нем энергию.
Водород в топливный элемент Mirai поступает из баллонов высокого давления (около 700 атм). Блок управления в автомобиле контролирует режим работы топливного элемента и зарядку/разрядку аккумулятора.
По данным Toyota на 100 км пути Mirai требуется до 750 граммов водорода. Владельцы Mirai говорят о примерно килограмме водорода на 100 км пути.
Такие автомобили опасны? Почему?
Поскольку водород — горючий газ, то транспортировать и хранить его нужно осторожно. Нужны высокочувствительные газоанализаторы, которые смогут дать сигнал в случае утечки. Правда, водород очень летучий газ (ведь это самый легкий химический элемент) и при попадании в атмосферу водород быстро поднимается вверх.
Сгорает он очень быстро. Дирижабль «Гинденбург» горел всего 32 секунды. Благодаря скоротечности пожара погибли далеко не все пассажиры, выжили 62 человека из 97, находившихся в гондоле дирижабля.
Тем не менее, если автомобилей на водороде станет много, то потребуются новые меры безопасности движения на дорогах. Машины с ДВС тоже опасны — в случае аварии и пробоя бака бензин или дизельное топливо вытекают на дорогу и могут воспламениться. Если будет пробит бак с водородом, газ очень быстро улетучится. Но если близко будет источник открытого огня или искр, водород может загореться.
Если соблюдать меры безопасности, водородные автомобили не опаснее машин с ДВС.
Какой срок службы у топливных ячеек?
Пока что такая информация есть лишь для Mirai. Toyota заявляет, что одна ячейка гарантированно будет работать на протяжении 250 000 км. Затем, если работа ячейки ухудшается, ее можно заменить в сервисном центре.
Какие компании уже выпускают или собираются выпускать автомобили на водороде?
Водородные машины разрабатывают Honda, Toyota, Mercedes-Benz и Hyundai — у этих компаний уже есть готовые транспортные средства. Другие показывают пока лишь концепты (впрочем, рабочие) или просто красиво отрендеренные картинки. К числу первых можно отнести Audi и Ford, к числу вторых — BMW (справедливости ради нужно сказать, что в 2007 году BMW выпустила партию из 100 экспериментальных «водородных» моделей, которые так и остались экспериментом) и Lexus.
В серию запущены пока лишь Toyota Mirai и Honda Clarity. Их можно приобрести в США и Европе.
Сколько это стоит?
Чем водородные авто лучше электромобилей?
Собственно, вопрос не совсем корректный. Дело в том, что и автомобиль на водороде, с топливной ячейкой, и «чистый» электрокар — это электромобили. Просто в одном случае машину заправляют водородом, во втором — электричеством.
Водородные автомобили быстро заправляются — на это уходит всего 3–5 минут, в отличие от электромобилей, где нужно от получаса до нескольких часов для подзарядки.
Основное достоинство водородного транспорта в том, что топливные ячейки служат много лет и практически не нуждаются в обслуживании. Если взять «чистый» электромобиль с его огромной батареей, то ее срок службы всего 1–1,5 тыс. циклов, то есть 3-5 лет. Причем водородный автомобиль без проблем будет работать на морозе (заводиться в том числе), а вот аккумулятор электромобиля потеряет заряд.
Какие перспективы у водородных машин и когда их можно будет увидеть на дорогах?
Водородные автомобили уже колесят по дорогам Европы и США (возможно, единичные экземпляры есть и в других регионах). Но их немного — несколько тысяч, что нельзя назвать массовым внедрением.
Проблема, которая сейчас мешает распространению водородных транспортных средств — отсутствие инфраструктуры (всего несколько лет назад аналогичная проблема была актуальной и для электромобилей). Нужны специализированные фабрики по производству водорода, транспортные системы для водорода и заправки.
Водородные АЗС в 2019 году(источник)
Кроме того, водород получается довольно дорогим, так что если электромобили покупают, в частности, для экономии на топливе, то в случае водородной машины — это не вариант. При массовом появлении фабрик по производству водорода для машин, а также сервисной инфраструктуры можно ожидать выхода гораздо большего числа транспортных средств на водороде на дороги общего пользования.
Но нет гарантии, что это вообще случится ли это или нет — пока неясно. Автопроизводители вроде Toyota активно продвигают свои машины и преимущества водорода в транспортной сфере. Но конкуренция слишком велика, как среди обычных машин с ДВС, так и среди электромобилей.
Поезд на водороде. Почему этот газ еще не стал заменой «грязного» топлива?
Вот уже которое десятилетие водород называют топливом будущего и считают его наиболее привлекательным с точки зрения экологии. Водород можно добывать из воды путем электролиза, а его сжигание в двигателях транспорта сопровождается выбросами водяного пара, а не вредного парникового углекислого газа, который негативно сказывается на изменении климата. Почему этот вид топлива при всей его экологичности еще не стал доминирующим на планете? В каких сферах уже используют водород? И может ли он быть «зеленым» на все 100%? Объясняем на конкретных примерах.
«Чистый водород в настоящее время получает беспрецедентный импульс в политическом и деловом планах, а количество направлений и проектов во всем мире быстро растет. Настало время для расширения технологий и снижения затрат, чтобы водород получил широкое распространение», — говорится в отчете Международного энергетического агентства, посвященном будущему водородной энергетики. Этот отчет готовили летом прошлого года по запросу японского правительства. Там ему прочат великое будущее в энергетическом переходе к экологически чистой экономике. Вот только отмечают при этом, что необходимо активно внедрять водород в секторах, в которых он практически полностью отсутствует, в том числе в транспортном.
Водородные поезда в Германии
С 2018 года в немецкой федеральной земле Нижняя Саксония по железным дорогам между городами бегут-качаются голубые вагончики. Это подвижные составы Coradia iLint — прорывные экспериментальные поезда на водородном топливе. На крыше такого поезда установлены цистерна с водородом и топливный элемент, в котором происходит соединение кислорода с водородом и вырабатывается электроэнергия. Побочный продукт — конденсированная вода и пар. Никаких вредных выхлопов, как от дизельных поездов, никакой зависимости от электрификации участка железной дороги.
Впервые Coradia iLint продемонстрировали на отраслевой выставке InnoTrans 2016 в Берлине. Его разрабатывали специально для неэлектрофицированных линий железной дороги как альтернативу дизельным поездам. Он экологичнее и тише. Два состава Coradia iLint с тех пор так и катаются по Нижней Саксонии, не выезжая за ее пределы. Этой весной составы испытывали в Нидерландах, а к концу ноября они побегут и по австрийской Вене. Опять же пока в тестовом режиме.
Coradia iLint развивает скорость до 140 км/ч. В Нижней Саксонии они уже накатали более 180 тыс. километров, испытания признаны успешными, и в 2022 году количество составов увеличат до 14 штук, построят водородную заправочную станцию. Еще 27 поездов поступят в распоряжение Rhein-Main-Verkehrsverbund — транспортной ассоциации земли Гессен в той же Германии. Там тоже построят водородную заправку.
Отсутствие заправочной инфраструктуры для водородных поездов два года назад называли одной из преград на пути их массового внедрения. Ситуация медленно, но меняется. Площадки выбраны, строительство началось. Вскоре в Германии «зеленые» поезда смогут избавиться от необходимости пользоваться мобильными заправщиками, что повысит оперативность и позволит расширять парк подобной техники. Остается вопрос с тем, насколько все-таки «зеленое» водородное топливо.
«Грязный» водород
Чтобы получить водород, воду надо расщепить на водород и кислород. Чтобы это сделать, требуется затратить энергию. А чтобы ее затратить, необходимо сперва ее добыть. И тут возникает дилемма. Чтобы водородное топливо без каких-либо оговорок можно было назвать экологичным, на его добычу надо затрачивать такую же экологичную энергию. Ведь если сжигать уголь для того, чтобы получить «зеленое» топливо, то в глазах общественности такое достижение уже не будет столь прорывным.
С 1975 года производство водорода для промышленных потребителей выросло в 3 раза. Почти весь этот водород вырабатывается из ископаемого топлива. На его производство идет 6% потребляемого природного газа в мире и еще 2% мирового угля. Таким образом, производство водорода приводит к выбросам углекислого газа в размерах, сравнимых с выбросами Великобритании и Индонезии вместе взятых. Статистика не из приятных.
Промышленности водород нужен не в качестве источника энергии, а как составляющая при производстве аммиака и очиститель сырой нефти от серы. Химическую и нефтяную промышленность мало интересует, каким образом был произведен водород, поступающий на завод. А вот адептов экологичной энергетики это волновать должно. Именно поэтому мощности по производству водорода для топливных ячеек транспорта планируют обеспечивать с помощью расположенных рядом ветроэнергетических установок.
Традиционная промышленность извлекает водород по большей части из ископаемого топлива и биомассы. Основной источник на сегодня — это природный газ. На его долю приходится три четверти годового глобального производства водорода (70 млн тонн). Небольшая часть производится за счет угля, нефти и электричества.
Однако интерес к производству водорода через электролиз воды растет за счет снижения затрат на возобновляемую электроэнергию. Правда, процесс это небыстрый, природный газ и уголь до сих пор остаются наиболее экономичными источниками для создания водорода. К 2030 году стоимость производства водорода из возобновляемых источников энергии может упасть на 30%. Это способно повысить привлекательность водородного топлива.
Пока же на электролитический водород приходится около 0,1% мирового производства. Оно и понятно: сейчас нет достаточного количества экологичных источников электричества, которые можно было бы направить на производство таких объемов водорода. Представьте: если бы весь промышленный водород вырабатывали с помощью электричества, то на эти цели было бы потрачено около 3600 ТВт·ч — это больше общегодового производства электроэнергии в Европейском союзе.
Заправил и поехал
Тем не менее в водороде видят возможность. Он может стать одним из вариантов для аккумулирования и хранения энергии из возобновляемых источников на протяжении дней, недель и месяцев. В таких богатых на солнце и ветер регионах, как Австралия и Чилийские Анды, водород может аккумулировать излишки энергии, которые будут доставлять в более обделенные регионы.
И тут встает другая проблема — хранения и транспортировки этого топлива до потребителей — пускай даже не промышленным, а самым обычным. Если мы говорим об экологичном топливе, то чаще всего сворачиваем на дорожку личного транспорта.
На этой станции заправлялись электромобили на топливных элементах — преимущественно владельцы марок Toyota и Hyundai. Их не так много. Toyota в Норвегии в прошлом году продала 7 таких авто, Hyundai — 21. И станций было не много — 2. Их все потом прикрыли на время расследования, продажу автомобилей на топливных элементах приостановили. В одном из резервуаров на АЗС была утечка водорода. Он легко воспламеняется и хорошо горит. Проект не умер, в этом году станции продали более успешной компании, которая попробует из пионера водородных заправок сделать гиганта.
Несмотря на это, водородные станции продолжают открываться по всему миру. Несколько десятков работает в Калифорнии, почти по две сотни — в Европе и Азии. Водород для них производят в подавляющем большинстве случаев паровой конверсией метана. Это самый дешевый способ его добычи, который связан с выбросами углекислого газа.
А доставляют водород на АЗС с помощью грузовиков, которые чаще всего работают на традиционном автомобильном топливе, что также не делает водород для личных автомобилей на 100% экологичным.
Читайте также:
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Есть о чем рассказать? Пишите в наш Telegram-бот. Это анонимно и быстро
От сжигания до электролиза: история водородного транспорта и проблемы массовой эксплуатации
Мало кто знает, что впервые водород начали массово применять в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в Советском Союзе во время Великой Отечественной войны. Его подавали в цилиндры полуторок из дирижаблей, у которых газовые смеси отработали свой срок. Делали это не от хорошей жизни, а исключительно из-за нехватки бензина, и с окончанием войны практика ушла в небытие. Однако в последующие годы водородная тема всплывала еще много раз.
Далее — краткая история водородного транспорта и подборка фактов о том, почему водород — превосходное топливо и почему он, скорее всего, не станет основным игроком в частном сегменте.
В основе исторической части статьи лежит лекция к. т. н. Евгения Захарова, заведующего кафедрой технической эксплуатации и ремонта автомобилей ВолгГТУ, которая прошла в волгоградской Точке кипения.
Почему водород — превосходное топливо
Водород — первый химический элемент в таблице Менделеева. Это газ с самой маленькой молярной массой — он легче воздуха в 14,5 раз. Обладает очень высоким коэффициентом диффузии, то есть отлично смешивается с любыми другими газами.
Это самый распространенный элемент во всей нашей Вселенной. В связанном состоянии водород находится в составе молекулы воды, так что на Земле с его доступностью также нет никаких проблем.
Как человек с образованием инженера-автомеханика по специальности «двигатель внутреннего сгорания», я считаю, что водород — уникальное топливо для автомобильного двигателя. От других видов топлива его отличают:
Самая высокая теплота сгорания. При сжигании одного килограмма бензина мы можем получить 45 МДж теплоты, а при сжигании такого же количества водорода — почти в три раза больше, 120 МДж теплоты. И это низшая теплота сгорания водорода.
Широкие пределы воспламенения. Можно воспламенить как очень бедную топливо-воздушную смесь, в которой по массе мало водорода, так и очень богатую. Предел воспламенения смеси водорода с воздухом — от 0,2 до 10 единиц. Для сравнения: у бензовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха должен быть в диапазоне 0,7–1,2.
Самая высокая скорость сгорания. Этот параметр очень важен с точки зрения достижения необходимых характеристик автомобильного двигателя, в частности эффективной работы в цикле. В одном и том же двигателе скорость сгорания водорода будет примерно в три раза выше, чем скорость сгорания бензовоздушной смеси.
С чего началось применение водорода на транспорте
Редко встретишь человека, который знает, что пионером в области массового применения водорода в качестве топлива для автотранспорта был Советский Союз.
В этом контексте чаще вспоминают Германию, Японию или США. Возможно, из-за того, что идея возникла в очень тяжелый период для нашего государства — во время Великой Отечественной войны.
Водородная лебедка для аэростата
С первых дней войны Ленинград подвергался массированным бомбардировкам. Чтобы защитить город, по всей его территории развернули так называемые посты аэростатных заграждений.
Аэростат — это легкая оболочка из прорезиненной баллонной материи, алюминированная снаружи и заполненная водородом. Его поднимали на тросе на определенную высоту. К тросу присоединяли взрывчатый заряд.
Кроме мины на тросе закрепляли небольшой парашют, благодаря которому трос глубоко врезался в корпус самолета и разворачивал его. Использовали и тандемы из дирижаблей, чтобы добиться большей высоты подъема
Посты аэростатного заграждения показали неплохую эффективность. Находясь на высоте километра и выше, аэростаты не давали немецким пилотам снизиться для прицельного бомбометания, поскольку они могли встретиться с тросом, зацепить взрывчатый заряд и погибнуть. В итоге бомбы сбрасывали на большей высоте, и точной атаки не получалось.
Сделать герметичную оболочку для водорода очень сложно. Газ постепенно выходил, взамен туда попадали кислород и влага, и аэростаты теряли подъемную силу. По регламенту раз в 20 дней их спускали на тросах и перезаправляли водородом. Для этого использовали лебедки, установленные на знаменитых грузовиках-полуторках.
Лебедку приводил в движение двигатель автомобиля, работающего на традиционном топливе — бензине. Однако уже с началом октября 1941 года поставки бензина в Ленинград практически прекратились.
Сначала аэростаты спускали вручную. Это был нелучший выход, так как служили на тех постах в основном молодые девушки. Потом предложили другое решение — использовать электродвигатели. Оно тоже не подошло: из-за эвакуации оборудования Волховской ГЭС город остался практически без электричества.
И тогда молодому лейтенанту Борису Шелищу пришла идея использовать в двигателе внутреннего сгорания вместо бензина гремучую смесь водорода с воздухом, которую брали из тех самых спущенных на перезаправку аэростатов.
Получив одобрение у руководства, он начал экспериментировать. На удивление двигатель отлично заработал на смеси водорода с воздухом. Правда, не обошлось без происшествий. Во время первых экспериментов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, а самого Бориса Шелища контузило. Тогда для безопасной эксплуатации воздушно-водородной смеси он придумал специальный водяной затвор, исключающий воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя.
В итоге уже к ноябрю 1941 года все ленинградские посты заграждения перешли на водородное топливо.
Первая зима (1941–1942 года) была самой тяжелой для жителей блокадного Ленинграда. Именно тогда погибло больше всего людей. Чтобы поднять дух защитников города, в январе 1942 года было принято решение сделать выставку достижений народного хозяйства. Борису Шелищу предложили поучаствовать — выставить полуторку на водородном топливе.
Выставка проходила в закрытом павильоне. Но во время работы автомобиля не чувствовалось запаха выхлопных газов, поскольку единственный продукт сгорания при сжигании водорода — это водяной пар.
В 1941 году Борис Шелищ оформил патент Советского Союза на свое изобретение — способ работы автомобильного двигателя на водородном топливе. Именно этот патент сделал нашу страну пионером в области водородной энергетики для автомобильного транспорта.
Надо отметить, что посты аэростатного заграждения переводили на водородное топливо и в Москве. Но к концу Великой Отечественной войны проблему с поставками бензина решили и забыли о водородном топливе на многие годы — до 1960-х.
Аэростат воздушного заграждения на Тверском бульваре в Москве во время Великой Отечественной войны. 1941 г.
Водород плюс бензин: эксперименты советского автомобилестроения
На стыке 1960–1970-х годов в мире разразился топливный кризис. И в Советском Союзе начали активную работу по изучению альтернативных видов топлива, в частности водорода. Плодами этого труда стало множество интересных прототипов. Ниже приведу пару примеров транспортных средств, которые в качестве топлива потребляли водород в составе бензовоздушных смесей.
Это микроавтобус РАФ 22031:
Их должны были выпустить партией в 200 штук, но из-за политического кризиса дальше прототипа дело не пошло.
Кроме него к началу 1980‑х годов в СССР разные организации создали и испытали опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.
В Киеве одно время в опытной эксплуатации находились такси на базе «Волги» (ГАЗ-24), которые работали на смеси бензина с водородом. Добавление в смесь 5% водорода (по массе) обеспечивало прекрасные мощностные характеристики и увеличивало экологичность. Замеры токсичности показывали, что выбросы продуктов неполного сгорания — CO и СH — снижались в разы. Плюс на треть сокращалось потребление бензина, а общие эксплуатационные расходы падали на четверть.
Авиастроение
Ко всему прочему Советский Союз стал пионером и в области использования водорода в качестве топлива для авиационных двигателей.
Ниже на снимке самолет Ту-155 — экспериментальный вариант модели Ту-154. В нем для отработки всех возможных условий использования жидкого водорода один из трех двигателей оснастили водородной системой питания.
Этот самолет совершил 12 испытательных полетов, установив 14 мировых рекордов. А на конференции по использованию криогенных технологий в летательных аппаратах, которая проходила в Ганновере, известный американский авиационный инженер Карл Бревер оставил о самолете восторженный отзыв: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого искусственного спутника Земли».
К большому сожалению, с началом перестройки и развалом Советского Союза работы, которые активно вели в 1970–1980 годы, приостановили.
Переход на топливные элементы
Начиная примерно с 90-х годов прошлого века в автомобилестроении начали активно говорить про использование водорода в топливных элементах, хотя до этого уже существовало несколько прототипов. В этом случае КПД силовой установки возрастает до 50–80%, что заметно выше 45%, когда водород горит в цилиндрах.
В настоящее время на рынке присутствует около десяти моделей водородомобилей на топливных элементах. Самый популярный — Hyundai Nexo. За восемь месяцев 2021 года по всему миру продали 5800 экземпляров этой модели — это 52% всех продаж водородных легковушек.
Пять проблем, мешающих водороду стать массовым
Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с рядом проблем. Их нельзя не вспомнить, говоря о водороде как о возможной альтернативе бензину.
Проблема 1. Это очень дорого
Себестоимость производства водорода крайне высока. В чистом виде на Земле он практически отсутствует. Больше всего его в связанном виде, например в воде.
Все помнят простейшие опыты по электролизу воды, когда, подавая электроэнергию на два электрода, можно выделить водород. Как оказалось, это дорогое удовольствие. В таблице стоимость килограмма водорода при разных способах производства. Сравните с ценой бензина.
Способ получения водорода
Себестоимость в долларах США на кг
Паровая конверсия природного газа (метана)
Электролиз воды от электроэнергии из единой энергосистемы
Электролиз воды от электроэнергии ветрогенераторов
Электролиз воды от электроэнергии солнечной электростанции
Сейчас многие городские автобусы переводят именно на метановое топливо, потому что водород просто не может конкурировать с ним по цене. Хотя в борьбе за снижение выбросов CO2 получение водорода из метана методом пиролиза позволяет нивелировать выбросы углекислоты, которая в этом случае концентрируется в виде сажи.
Проблема 2. Сложно держать в автомобиле
Если водород сжать до давления 200 атм, то в одном литре будет всего 16 грамм вещества. Это значит, чтобы иметь достаточный запас топлива на борту автомобиля, нужно возить с собой баллоны очень большого объема (фактически мы будем возить только их).
Есть другой вариант — криогенные технологии. В качестве топлива для авиационного двигателя в Ту-155 использовали именно сжиженный водород. После сжижения в одном литре объема мы получим уже 70 грамм вещества. Но в сравнении с бензином и другими видами топлива это все равно на порядок меньше.
Вид топлива
Плотность, кг/л
Низшая теплота сгорания, МДж/кг