Двигатели на воде: Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

Содержание

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:

Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.

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.

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.

В Малайзии изобретен двигатель, работающий на воде :: Autonews

adv.rbc.ru

Autonews

Телеканал

Pro

Инвестиции

Мероприятия

Новая экономика

Тренды

Недвижимость

Спорт

Стиль

Национальные проекты

Город

Крипто

Дискуссионный клуб

Исследования

Кредитные рейтинги

Франшизы

Газета

Спецпроекты СПб

Конференции СПб

Спецпроекты

Проверка контрагентов

Библиотека

Подкасты

ESG-индекс

Политика

Экономика

Бизнес

Технологии и медиа

Финансы

РБК КомпанииРБК Life

adv. rbc.ru

adv.rbc.ru

Объяснение систем охлаждения двигателя | Откройте для себя греблю

Наше последнее соревнование состояло из выбора порядка действий, которые необходимо проверить для устранения перегрева двигателя с системой охлаждения «сырой водой». Несколько наших зрителей попросили меня объяснить, что такое система сырой воды и как она работает. Под сырой водой понимается вода, в которой плавает лодка. Неважно, соленая она или пресная, обе используются для охлаждения двигателя. Процесс начинается с подачи воды в двигатель через штуцер морского клапана и прокачки ее через водяную рубашку и порты двигателя с помощью механического водяного насоса. В системе сырой воды вода всасывается через кингстон водяным насосом. Вода проходит через двигатель и прямо из выхлопной трубы. Эта более холодная вода поглощает тепло двигателя, помогая поддерживать его охлаждение. В большинстве новых судовых двигателей используется закрытая система охлаждения. Это означает, что в верхней части двигателя есть небольшой бак, в котором используется смесь пресной воды и охлаждающей жидкости. Эта пресная вода циркулирует через двигатель и через теплообменник. Пресная вода в этой системе поглощает тепло двигателя. Неочищенная вода по-прежнему всасывается через забортный кран, но проходит только через рубашку теплообменника. Эта более холодная исходная вода поглощает тепло пресной воды через рубашку теплообменника, а затем откачивается отработавшими газами.

Преимущества закрытой системы по сравнению с системой сырой воды огромны, особенно если вы работаете в соленой воде. Соленая вода имеет тенденцию образовывать коррозионную накипь, когда двигатель работает при температуре выше 140°. В системе сырой воды накипь накапливается внутри водяной рубашки и портов двигателя. Когда образование накипи достигает такой степени, что поток воды ограничивается, двигатель начинает перегреваться. На данный момент вы, вероятно, смотрите на замену двигателя.

В закрытой системе вода, протекающая через водяную рубашку и порты двигателя, представляет собой пресную воду и охлаждающую жидкость. Единственная часть, через которую проходит сырая вода, — это теплообменник. Однако происходит такое же масштабирование. Когда поток воды ограничен и двигатель начинает перегреваться, вы можете «кипятить» накипь из теплообменника и продолжать его использовать. В худшем случае придется заменить теплообменник. Это обойдется намного дешевле, чем замена двигателя.

Другими компонентами системы охлаждения, будь то сырая вода или закрытая, являются кингстон, морской фильтр, шланги и хомуты, ремни и крыльчатка водяного насоса.

Морской кран представляет собой проходное через корпус устройство, позволяющее воде поступать в корпус снаружи. У этого устройства есть ручка, которая позволяет перекрыть поток воды, если у вас возникнет такая проблема, как ослабленный хомут или треснувший шланг. Вы должны ежемесячно проверять запорные устройства кингстонов, чтобы убедиться в их работоспособности. В качестве резервной меры безопасности у вас должна быть мягкая коническая деревянная пробка (называемая затычкой) размером с морского валка, привязанная к клюву. В случае, если шланг порвется и вы не сможете воспользоваться запорным клапаном, вы можете вставить заглушку в морской кран, чтобы остановить поток воды.

Следующей встроенной частью системы охлаждения двигателя является морской фильтр. Это устройство, через которое проходит сырая вода и предназначено для фильтрации мусора, песка, листьев и т. д., прежде чем она попадет в двигатель. Это устройство работает так же, как скиммер для плавательного бассейна. Существует несколько видов сетчатых фильтров, но все они имеют съемный фильтр или сетку, которую следует регулярно проверять, очищать или заменять.

Шланги, хомуты и ремни жизненно важны для системы охлаждения, и их также следует периодически проверять. Каждый раз при проверке масла, что следует делать перед каждым пуском, следует визуально осматривать шланги, хомуты и ремни на предмет износа. Все шланги, находящиеся ниже ватерлинии, должны быть пережаты двойным хомутом. Это поможет предотвратить попадание воды в трюм, если один из зажимов выйдет из строя. Если вы обнаружите проржавевший хомут, пережатый или треснувший шланг или ремень, их следует немедленно заменить. Убедитесь, что заменили шланги того же диаметра, длины и температурных требований, которые предлагает производитель.

Насос сырой воды, который приводится в действие ремнем на двигателе, содержит рабочее колесо, которое приводит насос в действие. Обычно довольно легко получить доступ к рабочему колесу, чтобы осмотреть или заменить его.

В закрытую систему следует добавлять коммерческий хладагент (антифриз). Это предотвратит замерзание пресной воды и повреждение двигателя в холодном климате, а также поможет предотвратить образование коррозии в системе пресной воды. Обычно вы должны использовать охлаждающую жидкость и пресную воду в смеси 50/50. В более холодном климате вы можете увеличить процентное содержание охлаждающей жидкости.

Таким образом, в системе прямого водоснабжения вода циркулирует через водяную рубашку двигателя, которая проходит через блок, головку, коллектор и т. д. Эта вода поглощает тепло двигателя и выбрасывается за борт.

Закрытая система обеспечивает циркуляцию пресной воды и охлаждающей жидкости через водяную рубашку двигателя и через теплообменник. Эта пресная вода поглощает тепло двигателя. Сырая вода также прокачивается через теплообменник, где она поглощает часть тепла пресной воды и снова выбрасывается за борт.

Предоставлено:
Boatsafe.com

Как это работает

Как это работает?

Теплообменник и судовые системы охлаждения

Судовые двигатели, как и автомобильные, охлаждаются циркулирующей водой через блок двигателя. Судовые двигатели уникальны тем, что имеют два разных типа систем охлаждения. Стандартная система сырой воды и система охлаждения пресной воды (широко известная как закрытая).

Системы охлаждения сырой водой

Системы охлаждения сырой водой забирают воду снаружи лодки (морскую или озерную воду). Вода перекачивается из источника в блок двигателя, затем циркуляционный насос двигателя нагнетает неочищенную воду через блок двигателя, и вода выбрасывается через выхлоп. Системы охлаждения сырой водой относительно просты и являются стандартной системой охлаждения для большинства судовых двигателей. Насос сырой воды в большинстве случаев находится внутри выходной передачи. На более крупных двигателях и стационарных двигателях насос сырой воды расположен внутри лодки и приводится в движение клиновым ремнем или непосредственно от коленчатого вала. Опасность заключается в использовании соленой воды в качестве охлаждающей жидкости в двигателе. Соленая вода может быть очень агрессивной. Прохождение соленой воды через блок двигателя и выпускные коллекторы приведет к разрушительной коррозии, которая не заметна до тех пор, пока двигатель или выпускные коллекторы не выйдут из строя.

Вообще говоря, судовые двигатели, охлаждаемые сырой водой, особенно те, которые используют соленую воду, имеют более короткий срок службы, чем судовые двигатели, охлаждаемые закрытой системой охлаждения.

Системы пресной воды Теплообменник и системы охлаждения киля

Системы охлаждения пресной водой, также известные как закрытые системы охлаждения, бывают нескольких разновидностей. В наиболее распространенном типе используется теплообменник, который работает аналогично радиатору в вашем автомобиле. Хладагент (антифриз) циркулирует через одну сторону теплообменника, где он охлаждается сырой водой, проходящей через другую сторону теплообменника. Затем охлаждающая жидкость двигателя циркулирует обратно в двигатель. Неочищенная вода выбрасывается из лодки через выхлоп. Другой распространенный тип закрытых систем охлаждения известен как килевой охладитель. Это достигается за счет исключения использования теплообменника. Вместо того, чтобы закачивать сырую воду в теплообменник судна, где она охлаждает охлаждающую жидкость, охлаждающая жидкость прокачивается по трубам или алюминиевым профилям снаружи корпуса, где окружающая вода (озеро, речная или морская вода) охлаждает охлаждающую жидкость до того, как она будет перекачана. обратно в двигатель. Использование килевых охладителей устраняет необходимость в теплообменнике, насосе сырой воды и других компонентах, необходимых для перекачивания сырой воды в теплообменник.

Закрытые системы охлаждения более сложны, чем системы охлаждения сырой водой, но имеют явные преимущества:

Минимальная внутренняя коррозия двигателя.

Более эффективно охлаждает двигатель и позволяет работать двигателю при более высоких температурах, что приводит к повышению производительности двигателя и экономии топлива.

Принцип работы теплообменника

Теплообменник передает или «обменяет» тепло охлаждающей жидкости двигателя вашей лодки на сырую воду, перекачиваемую из воды за пределами вашей лодки. Неочищенная вода прокачивается через пучок небольших трубок в камеру, заполненную горячей охлаждающей жидкостью двигателя. Трубки охлаждаются более холодной сырой водой, что позволяет трубкам поглощать тепло охлаждающей жидкости двигателя.
Для правильной работы теплообменник должен быть тщательно подобран к двигателю вашей лодки.

Расширительные бачки

Расширительные бачки часто упускают из виду, но это очень важная часть замкнутой системы охлаждения.