[Перевод] Водородные электромобили
Говоря об электромобилях, большинство людей думают о транспортных средствах, которые питаются электричеством от розетки и имеют большую батарею. Существует еще одна технология привода, на которую возлагают большие надежды эксперты, например, топливный элемент, работающий на водороде.
Как работает водородный привод?
Водородные автомобили приводятся в движение электродвигателем. Вот почему они также являются электрическими автомобилями. Распространенная аббревиатура — FCEV «Электромобиль на топливном элементе».
Решающее отличие от других электромобилей то, что автомобили на водороде производят собственное электричество, а не получают энергию от встроенной батареи, как в случае с полностью электрическими автомобилями или гибридными автомобилями, которые можно заряжать от внешнего источника питания. Водородные автомобили имеют на борту, так сказать, собственную эффективную силовую установку. И эта силовая установка — топливный элемент.
В топливном элементе электрическая энергия вырабатывается из водорода и кислорода. В зависимости от требований эта энергия подается на электродвигатель и/или аккумулятор.
Brennstoffzelle — топливный элемент, Batterie — аккумулятор, Wasserstoff-Tank — водородный баллон, Elektromotor — электромотор, Tankstutzen — сопло бака.
Чтобы понять, как работают водородные автомобили, мы должны сначала выяснить, что такое водород на самом деле.
Водород H2 — бесцветный газ без запаха. Он не встречается в природе в виде чистого газа, а всегда образует соединения с другими веществами, такими как кислород или углерод. Он нежизнеспособен сам по себе, так сказать, и всегда нуждается в партнере.
Что происходит в топливном элементе?
В топливный элемент водород поступает из баллона и делает то, что всегда делает в природе — ищет партнера. Так как кроме него в системе есть только воздух, то он берет в качестве партнера по соединению кислород из воздуха.
В результате реакции получается электрическая энергия, тепло и вода (H₂O).
В зависимости от того, что требуется в конкретной ситуации вождения, электричество, вырабатываемое топливным элементом, идет двумя путями: оно поступает к электродвигателю и непосредственно приводит в движение автомобиль. Или оно заряжает аккумулятор, который служит буфером до тех пор, пока энергия не понадобится для привода. Эта так называемая буферная батарея по производительности значительно меньше и, следовательно, легче, чем батарея полностью электрического автомобиля, поскольку она постоянно питается от топливного элемента.
Вода же выбрасывается через выхлопные газы в виде водяного пара. Таким образом, водородный автомобиль не имеет вредных выбросов.
Как и другие электронные автомобили, водородные автомобили могут восстанавливать энергию торможения. Электродвигатель преобразует кинетическую энергию автомобиля обратно в электрическую энергию и подает ее в буферную батарею.
Плюсы и минусы водородных автомобилей для пользователей
Преимущества и недостатки приводной техники можно рассматривать с двух основных точек зрения: с точки зрения пользователя и с точки зрения защиты окружающей среды. Если технология зарекомендовала себя как альтернатива двигателю внутреннего сгорания, она должна быть удобной для пользователя и значительно сокращать выбросы загрязняющих веществ.
Преимущества для пользователей:
Водородные автомобили питаются исключительно от электричества. Ощущения от вождения аналогичны известным электромобилям. Почти полное отсутствие шума двигателя и импульсивного ускорения, поскольку электродвигатели обеспечивают полный крутящий момент даже на малых скоростях.
Важнейшее преимущество — короткое время заправки. В зависимости от зарядной станции и емкости аккумулятора, для полной зарядки полностью электрических транспортных средств в настоящее время требуется от 30 минут до нескольких часов. Водородный бак автомобиля на топливных элементах заправляется менее чем за пять минут. Это ставит удобство автомобиля для клиентов на уровень обычного автомобиля.
Еще одно большое преимущество на данный момент по сравнению с чисто электрическими автомобилями — автомобили на водороде имеют больший запас хода. Полного водородного бака хватает примерно на 500 километров пробега. Автомобили с батарейным питанием достигают этого значения с очень большими батареями, что, в свою очередь, приводит к увеличению веса автомобиля и увеличению времени зарядки.
Запас хода водородного автомобиля не зависит от температуры наружного воздуха, поэтому он не ухудшается в холодную погоду.
Текущие недостатки для пользователей:
Самый большой недостаток водородных автомобилей на данный момент — мало вариантов дозаправки. Водород заправляется на специальных колонках, которые, вероятно, в будущем появятся на обычных заправках. Однако в настоящее время существует очень мало водородных заправочных станций. На конец 2019 года в Германии насчитывалось около 100 АЗС, а в США — около 40.
Чтобы ускорить расширение инфраструктуры, по крайней мере, в Германии, производители транспортных средств, такие как BMW, объединили усилия с производителями водорода и операторами заправочных станций в рамках инициативы Партнерство в области чистой энергии. Планируется расширить сеть заправочных станций до 130 в 2022 году. Это позволит эксплуатировать около 60 000 водородных автомобилей на дорогах Германии. При соответствующем увеличении количества автомобилей следующим этапом станет 400 заправочных станций к 2025 году. Также необходимо установить больше заправочных станций в других странах.
Сколько стоит водородный автомобиль и почему?
Помимо редкой сети заправок, есть еще одна причина все еще низкого спроса на водородные автомобили: их сравнительно высокая цена. Несколько моделей с приводом на топливных элементах, которые уже доступны на рынке, стоят около 70 000 евро за автомобиль среднего или высшего класса. Это делает их почти в два раза дороже, чем сопоставимые чисто электрические или гибридные автомобили.
Есть много причин, по которым водородные автомобили в настоящее время все еще дороги. Помимо небольших объемов и отсутствия индустриализации в производстве, играет роль и спрос на платину. Драгоценный металл служит катализатором в производстве электроэнергии. Однако количество платины, необходимой для автомобильных топливных элементов, уже значительно сократилось.
Еще одна причина высокой цены: водородные автомобили, как правило, являются более крупными транспортными средствами. Потому что водородный бак или баки занимают много места. С другой стороны, чисто аккумуляторный электропривод также подходит для небольшого автомобиля. Вот почему классические электромобили есть во всех сегментах транспортных средств.
В дополнение к затратам на приобретение, эксплуатационные расходы играют важную роль в рентабельности технологии привода. В случае с водородным автомобилем они зависят не в последнюю очередь от цены на топливо. Килограмм водорода в настоящее время стоит 9,50 евро в Германии и около 14 долларов в США. Автомобиль на топливных элементах может проехать около 100 километров на одном килограмме водорода.
Это означает, что стоимость километра водородного автомобиля в настоящее время почти в два раза выше, чем у автомобиля с батарейным питанием при зарядке дома.
Насколько экологически чистым и устойчивым является водородный двигатель?
Альтернативные приводы должны сокращать выбросы загрязняющих веществ, в частности, вредного для климата CO2, а также вредных газов, таких как оксиды азота. Выхлопной воздух водородного автомобиля состоит из чистого водяного пара. Таким образом, привод на топливных элементах не имеет вредных выбросов. Так он поддерживает чистоту воздуха в городах. Но защищает ли он климат в то же время?
Это зависит от условий, при которых был получен водород. Для производства водорода требуется электрическая энергия. В процессе электролиза электричество расщепляет воду на ее составляющие — водород и кислород. Если используемая электроэнергия поступает из возобновляемых источников энергии, производство водорода имеет нейтральный климатический баланс. Если используется ископаемое топливо, это в итоге отрицательно сказывается на климатическом балансе водородного автомобиля.
Выгодно было бы использовать водород, который получается в качестве побочного продукта в многочисленных промышленных процессах и до сих пор выбрасывается как отходы. В этих случаях нужна только его очистка.
В отличие от ископаемого топлива, водород можно производить везде, где есть электричество и вода, теоретически даже непосредственно на заправочных станциях, сократив транспортные расходы в будущем.
Вывод: водородный двигатель может обеспечить экологически устойчивую мобильность. Предпосылками для этого являются, в частности, использование регенеративной энергии при производстве водорода и расширение технической инфраструктуры для достижения более коротких транспортных маршрутов.
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
