Как перевести двс на водород

Водородный двигатель: принцип работы и устройство

Как известно, поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет как плюсы, так и целый ряд определенных недостатков. Прежде всего, глобальной проблемой является токсичный выхлоп бензиновых и дизельных ДВС, а также постоянная потребность в нефтяном топливе. Не сильно меняется ситуация и после перевода автомобиля на газ, так как установка ГБО также не решает всех задач.

С учетом данных особенностей постоянно ведутся разработки альтернативных вариантов. Сегодня реальным конкурентом ДВС является электродвигатель. При этом относительно небольшой запас хода, высокая стоимость аккумуляторных батарей и всего электрокара (электромобиля) в целом, а также отсутствие развитой инфраструктуры по ремонту и обслуживанию таких машин закономерно тормозит их популяризацию.

Среди подобных двигателей следует отдельно выделить водородный ДВС, который вполне может заменить существующий на сегодня дизельный или бензиновый мотор, причем в обозримой перспективе. Давайте рассмотрим, как работает водородный двигатель, какую конструкцию имеет подобный мотор и в чем заключаются его особенности.

История создания водородного двигателя

Начнем с того, что идеи построить водородный мотор появились еще в 1806 г. Основоположником стал Франсуа Исаак де Риваз, который получал водород из воды методом электролиза. Как видно, двигатель на водороде «родился» задолго до того, как был поднят ряд вопросов касательно окружающей среды и токсичности выхлопа.

Другими словами, попытки запустить ДВС на водороде были предприняты не для защиты окружающей среды, а в целях банального использования водорода в качестве топлива. Спустя несколько десятков лет (в 1841 г.) был выдан первый патент на такой двигатель, в 1852 г. в Германии появился агрегат, который успешно работал на смеси воздуха и водорода.

Однако после окончания войны дальнейшее развитие водородного двигателя было приостановлено как в СССР, так и во всем мире. Затем об этом двигателе вспомнили только тогда, когда в 70-е годы XX века случился топливный кризис. В результате компания BMW в 1979 г. построила автомобиль, двигатель которого использовал водород в качестве основного топлива. Агрегат работал относительно стабильно, не было взрывов и выбросов водяного пара.

Другие автопроизводители также начали работы в этой области, в результате чего к концу XX века появилось не только много прототипов, но и вполне успешно действующих образцов двигателей на водородном топливе (бензиновый и дизельный двигатель на водороде).

Однако после того как топливный кризис окончился, работы над водородными ДВС также были свернуты. Сегодня интерес к альтернативным источникам энергии снова растет, теперь уже по причине серьезных экологических проблем, а также с учетом того, что запасы нефти на планете быстро сокращаются и на нефтепродукты закономерно растут цены.

Также правительства многих стран стремятся стать энергонезависимыми, а водород является вполне доступной альтернативой. На сегодняшний день над водородными ДВС ведут работы GM, BMW, Honda, корпорация Ford и т.д.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода на полном баке водорода составляет около 300 км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной). Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Водородный двигатель: дальнейшие перспективы

Сегодня над созданием экологичных двигателей трудятся многие компании. Некоторые идут по пути создания двигателей-гибридов, другие делают ставку на электромобили и т.д. Что касается водородных установок, в плане экологии и производительности данный вариант также может в ближайшее время составить конкуренцию ДВС на бензине, газе или дизтопливе.

Водородные двигатели показали себя несколько лучше, чем самые продвинутые электрокары. Например, японская модель Honda Clarity. Единственное, остался такой недостаток, как способы и возможности заправки. Дело в том, что инфраструктура водородных заправочных станций не особенно развита, причем в мировом масштабе.

Дополнительно стоит отметить модель Toyota Mirai. Автомобиль работает только на водороде, одного бака хватает на 600 км. Водородные двигатели еще встречаются на отечественной модели «Нива», а также устанавливаются корейцами на специальную версию внедорожника Hyundai Tucson.

Как видно, с двигателем на водороде активно экспериментируют многие производители, однако такое решение все равно имеет много недостатков. При этом некоторые минусы сильно мешают массовой популяризации.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель GDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, принципах работы, а также преимуществах и недостатках моторов данного типа.

Прежде всего, это безопасность и сложность транспортировки такого топлива. Важно понимать, что водород весьма горюч и взрывоопасен даже при относительно невысоких температурах. По этой причине его сложно хранить и перевозить. Получается, необходимо строить особые водородные резервуары для авто с данным типом двигателя. Как результат, на практике водородных заправок очень мало.

К этому также можно добавить определенную сложность и высокие расходы на ремонт и обслуживание водородного агрегата, а также необходимость в подготовке и обучении большого количества высококвалифицированного персонала. Если же говорить о самом авто на водороде и его эксплуатационных характеристиках, наличие водородной установки делает машину более тяжелой, закономерно ухудшается управляемость.

Подведем итоги

Как видно, сегодня водородные автомобили и двигатель на воде можно считать вполне реальной альтернативой не только привычным ДВС, которые используют нефтяное топливо, но и электрокарам.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что нужно знать о двигателях Range Rover на вторичном рынке авто. Из этой статьи вы узнаете, какие нюансы и особенности касательно ДВС следует учитывать при покупке Рендж Ровер б/у, а также какой подержанный Рейндж Ровер лучше выбрать и с каким мотором.

Прежде всего, такие установки менее токсичны, при этом они не нуждаются в дорогостоящем топливе на основе нефти. Также автомобили с водородным двигателем имеют приемлемый запас хода. В продаже имеются и гибридные модели, использующие как водород, так и бензин.

Напоследок отметим, что активное строительство трубопроводов для перекачки газа метана обещает в дальнейшей перспективе возможность перекачки по этим же трубопроводам и водорода. Это значит, что в случае роста общего числа авто с водородными двигателями, также высока вероятность быстрого увеличения количества специализированных заправочных станций.

Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Виды двигателей внутреннего сгорания, отличия различных типов ДВС. Особенности компоновки, объем двигателя, мощность, крутящий момент и другие параметры.

Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.

Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

Что нужно знать о моторах на Рендж Ровер перед покупкой такого автомобиля б/у. С каким двигателем лучше взять данный автомобиль и почему.

Водородный транспорт — хорошая идея только в теории

Я очень хочу потыкать острой палкой в идею об электрических автомобилях на водородных топливных элементах (ТЭ). Некоторые люди совершенно очарованы этой идеей. Как можно не очароваться? На вход подается водород, абсолютно «чистое» топливо, а на выходе получается только вода или пар, и никакого углекислого газа, оксидов азота, сажи, и т. д. Водородный двигатель — тихий и компактный. Это не тепловой двигатель, и поэтому на него не распространяются жесткие ограничения цикла Карно. Заправка очень быстрая и не сильно сложнее чем обычная бензиновая заправка.

Кроме того, если вы — нефтяная компания, и спрос на бензин и дизель начнет уменьшаться, вы только что обнаружили новое топливо, которое можно продавать! Вы спасены!

Если вы живете в частном доме и хотите потреблять меньше энергии, вы думаете что можете делать водород из воды используя электричество от солнечных панелей на крыше, убивая сразу двух зайцев: вы получаете топливо для вашей машины и запасаете излишки энергии от солнечной генерации, с помощью единственной магической технологии. Звучит потрясающе!

К сожалению, дьявол кроется в деталях, и он не то чтобы сильно прячется, если вы будете смотреть внимательно.

В моей предыдущей статье я обсуждал эффективность в энергетических циклах двигателей внутреннего сгорания и электрических автомобилей. Я буду ссылаться на результаты из этой статьи когда буду делать предположения об электрических автомобилях на топливных элементах (fuel cell electric vehicle, FCEV). Я буду делать аналогичные допущения и использовать похожие источники.

Дисклеймер: я упомянут в нескольких патентах компании Texaco о получении водорода из природного газа для подачи на протонообменную мембрану (ПОМ, ПЭМ) топливных элементов (теперь патенты принадлежат Chevron, которая поглотила Texaco). Я занимался водородом еще с институтских времен, и примерно каждый второй проект на протяжении десятилетий, которые я провел в компании Zeton, включал в себя водород или синтез-газ.

Однако, еще раз хочу четко сказать: водород это прекрасная идея — в теории. Но большая проблема с водородом заключается. в самой молекуле водорода. Никакие изобретения или технологии не решат эту проблему.

Давайте разбирать цепочку эффективности электрического транспорта на водородных топливных элементах этап за этапом, также как мы делали с двигателем внутреннего сгорания и электрическими машинами на аккумуляторах (battery electric vehicle, BEV).

Производство водорода

КПД самого производства водорода — примерно 70%, в лучшем случае, к сожалению. Я недавно [статья 2017 года — прим. перев.] разговаривал с Hydrogenics, большим производителем щелочных и ПЭМ-электролизеров. Эффективность их более дешевых щелочных электролизеров — примерно 60%, а эффективность ПЭМ-электролизеров — 70%, когда он работает на минимальном токе. (Вы можете делать гораздо больше водорода на этом же приборе просто увеличив ток, но жертвуя эффективностью.) Это достаточно близко к теоретическому пределу эффективности электролиза —

83%, которая получается, если поделить низшую теплоту сгорания (HTC) получаемого водорода на энергию затрачиваемую на электролиз. Мы не вернем эту потерю в топливном элементе потому что мы не используем теплоту конденсации водяного пара.

Большинство производителей электролизеров указывают КПД в расчете на высшую теплоту сгорания (ВТС), то есть включая теплоту конденсации пара. В этом случае 70% (НТС) КПД электролизеров превращаются в примерно 83% (ВТС).

Проблема электролиза в том, что часть энергии очевидно идет на создание молекул кислорода. Это может быть полезно в больших системах, которые могут собирать и сжимать чистый кислород (который затем можно продавать), либо если водород используется не как топливо, а как сырье в технологическом процессе, и этот процесс также использует кислород. К сожалению, водородная заправка не будет использовать кислород, она будет просто выпускать его в воздух.

Поэтому давайте остановимся на 70% (НТС) КПД конвертации электричества в водород, предположительно, электричества от возобновляемых источников (ВИЭ). Если совсем строго, мы еще должны учесть 6% потерь в электросети от источника электричества до электролизера.

70% КПД электролиза почти совпадает с наивысшей доступной на данный момент эффективностью технологии получения водорода из природного газа, парового риформинга (паровой конверсии) метана (steam methane reforming, SMR). Большие установки повышают эффективность, утилизируя теплоту продуктов процесса и сжигая побочные газы после очистки водорода.

Максимально чистый водород нужен, чтобы увеличить эффективность и долговечность топливных элементов. Они очень чувствительны к угарному газу, который уменьшает эффективность платинового катализатора в топливном элементе (то есть, является каталитическим ядом). К сожалению, невозможно конвертировать углеводороды в водород, не получив на выходе также какое-то количество угарного газа. Более того, сам катализатор может преобразовать углекислый газ в угарный газ, поэтому водородное топливо должно быть полностью очищено от обоих газов. Даже инертные газы, такие как аргон и азот, уменьшают эффективность ПЭМ-топливного элемента, потому что надо позаботиться об их выводе на аноде. Поэтому реальные топливные элементы требуют очень чистый водород: посмотрите на спецификации ПЭМ-топливных элементов производства Ballard, Plug Power, и других.

К сожалению, эффективность паровой конверсии метана стремительно падает с уменьшением установки. Тепловые потери увеличиваются, что имеет особенно большое значение в таком высокотемпературном процессе как паровая конверсия. Вы быстро обнаружите это когда попробуете спроектировать процесс для относительно небольшой водородной заправки.

Доставка природного газа по трубопроводам к установке по паровой конверсии в водород и последующая доставка водорода от централизованной установки к заправкам скорее всего будет стоить больше чем 6% от энергии конечного водорода, но давайте будем щедрыми и примем эти потери тоже за 6% чтобы делать меньше подсчетов (хотя, в конечном счете, это все равно будет неважно). Таким образом, вне зависимости от того, начинаем мы с электричества или с метана, мы приходим к 70%*94%

= 66% КПД производства водорода, без существенных возможностей для улучшения потому что мы уже близки к термодинамическим пределам.

Стоит отметить что КПД электролиза горячего пара может казаться очень высоким (даже выше 100%), например, при использовании твердооксидного топливного элемента в реверсе. Естественно, при этом не учитывается работа по испарению воды и нагреву пара. Никто не использует электролиз пара если у него нет а) источника «бесплатного» пара и б) процесса в котором используется горячий водород или горячий кислород или желательно оба газа. Кроме того, как всякие высокотемпературные устройства, паровые электролизеры «не любят» работать с перерывами, поэтому вам также нужен стабильный круглосуточный источник электричества, а возобновляемые источники — не стабильные.

Хранение водорода

Теперь нам надо хранить водород, и загвоздка опять в самой молекуле. Хотя плотность энергии водорода на единицу массы очень большая, даже в форме криогенной жидкости (при температуре 24 выше абсолютного нуля) водород имеет плотность всего 71 кг/м3. Поэтому единственная практичная на данный момент форма хранения водорода для небольших машин — это газ высокого давления. Любые способы увеличения объемной плотности хранения водорода или уменьшения давления (например, гидриды металлов, абсорбенты, органические носители, и т. д.) или сильно увеличивают массу бака, или увеличивают потери водорода во время хранения, или требуют энергии для извлечения водорода. Я бы не рассчитывал на некий магический прорыв в этой области: у нас было тридцать лет на исследования с того момента, как водород стал всерьез рассматриваться как топливо.

Про опасность водорода хорошо известно, и в моей статье не будет картинки с дирижаблем «Гинденбург»! На самом деле, уже достаточно давно научились безопасно обращаться с водородом в промышленности если использовать разные меры предосторожности. Но я не хочу, чтобы мои соседи даже думали о производстве водорода под давлением 400 или 600 атмосфер с помощью своих домашних солнечных панелей. Это кажется мне кошмарной идеей по многим причинам.

Чтобы сжать водород с давления

20 атмосфер на выходе с установки по паровой конверсии из метана или с примерно атмосферного давления (на выходе из некоторых электролизеров) до 400 атмосфер надо потратить энергию, обычно электричество. К сожалению, мы вынуждены рассеивать тепло от сжатия водорода на достаточно низкой температуре чтобы сберечь элементы компрессора, и поэтому это тепло трудно как-то использовать. Более того, давление в баке на заправке может снизиться с 400 атмосфер только до 395 во время заправки одной машины, поэтому вся работа по сжатию делается при самом высоком коэффициенте сжатия [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. Бак на заправке должен быть очень большим. В противном случае, требования заправляющего компрессора или ограничения по переносу тепла могут уменьшить скорость заправки (ведь мы помним, что скорость заправки — чуть ли не главная причина, по которой нам интересен водород в качестве топлива для транспорта!).

На большом масштабе, с гигантскими компрессорными агрегатами, можно хранить водород под большим давлением теряя не больше 10% от теплоты сгорания (НТС) хранимого водорода на работу компрессоров, что, на самом деле, удивительно хорошо, учитывая вышесказанное. (Заметим, что политропный КПД самих компрессоров — это лишь малая часть этих потерь. Мы смотрим на другую меру эффективности.) К сожалению, когда мы уменьшаем размер компрессоров, эффективность улетает вниз. Многоступенчатый диафрагменный компрессор для автомобиля может потреблять до половины энергии сжимаемого водорода или даже больше. При уменьшении масштаба также растут капитальные расходы в расчете на единицу энергии проходящей через установку на протяжении ее жизненного цикла. Прискорбно, что транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична по той же причине, по которой его тяжело хранить — свойства молекулы. [Тут автор не развивает мысль почему транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична, но в другой статье он пишет, что доставка водорода по трубопроводам требует в три раза больше энергии, чем доставка природного газа, на единицу переносимой энергии — прим. перев.] Все мечты о «водородной экономике» предполагают малые и распределенные системы производства водорода, так что мы не должны гонять водород с места на место, что оставляет нам только один реалистичный вариант: электролиз.

Таким образом, у нас остается 70% (производство) * 94% (потери в электросети или на работу трубопровода) * 90% (хранение под высоким давлением) = 59% КПД от исходной энергии до бака автомобиля. Для сравнения, для бензина этот показатель — 80%. Конечно, мы не будем использовать водород в неэффективном двигателе внутреннего сгорания как замену бензину, особенно если водород получен из углеводородов: мы бы лучше просто сжигали эти углеводороды в ДВС напрямую.

Если нас заботят выхлопы парниковых газов, производство водорода из метана точно не решает проблему [см. недавнюю статью «Насколько чист «голубой» водород?» на эту тему — прим. перев.]. Мы бы лучше просто ездили на Приусах. Электролиз с использованием электричества из возобновляемых источников — это единственный возможный вариант.

Топливный элемент с протонообменной мембраной

Печально, но мы все еще не закончили терять энергию — далее идут потери в топливном элементе. Хотя это и не тепловой двигатель, топливный элемент все равно имеет собственные термодинамические пределы. Топливные элементы достигают эффективности в 50–60%, и это недалеко от теоретического предела в 83% для идеального топливного элемента.

Давайте будем щедрыми и возьмем 60% как КПД топливного элемента. Реальные ТЭ которые можно купить имеют эффективность около 50% — лучше, чем у небольшого двигателя, примерно так же, как у судовых двигателей или стационарных скоростных двигателей, или у газовых турбин.

Вся цепочка, от источника энергии до колес

Учитывая эффективность электрического инвертора и мотора (90%), общая эффективность «от электростанции до колес» — 94%*70%*90%*60%*90% = 32%. Напомню, что по показателю «от скважины до колес», Приус достиг эффективности 30% на бензине, то есть мы «сделали» Приус, и это без вредных выхлопов. И с быстрой заправкой. Ура! Ура.

Мой самодельный электрический автомобиль, «E-Fire», имеет эффективность 76.5%. и тоже не дает никаких выхлопов. [Источник этой оценки неясен: если автор берет такие же потери в инверторе, моторе, и электросети, его батарея должна иметь КПД 90%. — прим. перев.] несмотря на очень маленькую батарею по нынешним стандартам, всего 18.5 кВч, этого хватает на мою дорогу до работы и обратно. Я уже проехал на этой машине 20 тыс. км. без парниковых выхлопов, и я никогда не ждал ее зарядки: я заряжаю ее один раз ночью, и один раз утром на работе. Эта машина не делает всего того, что делает машина с ДВС, не пытается, и не должна этого делать.

Капитальные затраты на водородный стек

Таким образом, электромобили на топливных элементах (FCEV) в лучшем случае примерно в 2.4 раза хуже чем лучшая доступная сейчас альтернативная технология, электромобили на аккумуляторах (BEV). Взамен мы получаем более быструю заправку и, возможно, немного большую дальность хода на одной заправке, и это все. Не слишком ли высока цена за немного большее удобство? Хотя, подождите, мы ведь даже не начали говорить о цене.

Водород это очень дорогое топливо, с любой точки зрения.

В 2.4 раза худшая эффективность транспорта на топливных элементах означает что мы должны установить в 2.4 раза больше генерирующих мощностей из возобновляемых источников. Сам по себе этот факт должен заставить сторонников водорода задуматься.

Мы также должны построить инфраструктуру по распределению водорода. Вы не будете заправляться водородом дома, это слишком огнеопасно. Это значит что кто-то должен заняться этой инфраструктурой как бизнесом, но никто не захочет это делать потому что на этом не получится заработать.

Наконец, давайте посмотрим на сам электромобиль на ТЭ. В нем, конечно, должен быть бак для водорода и топливные элементы. А также все остальные части обычных электромобилей, включая аккумулятор! Аккумулятор будет меньше, ближе по размеру к аккумуляторам в гибридах, но он все равно нужен чтобы было куда девать энергию от рекуперативного торможения, чтобы управлять потребностями в системе топливных элементов чтобы уменьшить ее стоимость. Батарея также нужна во время старта и выключения топливных элементов. Таким образом, электромобиль на ТЭ — это гибрид.

В дополнение ко всему вышесказанному, сами топливные элементы по-прежнему очень дороги. Хотя цены однозначно снизятся с началом массового использования и производства, также как сейчас снижаются цены на литий-ионные аккумуляторы, металлы платиновой группы (МПГ), такие как платина и палладий, используемые в катализаторах топливных элементов, не позволят ценам упасть слишком сильно. Уменьшите долю МПГ, и топливные элементы станут еще более чувствительными к примесям в водороде, и, я подозреваю, эффективность упадет. Замените МПГ на более дешевые металлы, такие как никель, и большая часть преимуществ топливных элементов пропадет: они должны будут работать при более высоких температурах, и т. д.

Toyota Mirai, электромобиль на топливных элементах

Означает ли это, что водород — это мертвая идея для персональных электромобилей? Одним словом, на мой взгляд, ДА. Я полностью согласен с Илоном Маском в этом вопросе. Разве что, уточнив, что мы говорим не о мире в котором электричество ничего не стоит, или его цена даже становится отрицательной потому что генерация из возобновляемых источников становится такой дешевой что не требует вообще никаких денежных вложений. Но я готов поспорить, что а) этого никогда не произойдет, б) даже если мы приблизимся к этой странной экономической ситуации, капитальные затраты и другие практические проблемы с электролизерами, компрессорами, резервуарами для хранения и топливными элементами все равно полностью убьют идею.

Сравнение двух реальных автомобилей которые можно купить (по крайней мере, в Калифорнии) показывает, что мои оценки оптимистичны в пользу водорода. Для автомобилей с аналогичными характеристиками и дальностью хода, водородный автомобиль потребляет в 3.2 раза больше энергии и стоит в 5.4 раза больше в расчете на проеханный километр:

Конечно, обе технологии будут улучшены в будущем, но расчеты выше по тексту задают пределы. Невозможно преодолеть законы термодинамики неким хитрым изобретением или принимая желаемое за действительное.

Означает ли все это, что топливные элементы вообще не нужны? Вовсе нет! Существуют устоявшиеся области в которых ПЭМ-топливные элементы имеют смысл, но это лишь те ситуации, где энергоэффективность гораздо менее важна, чем, например, быстрая заправка. Таким образом, Plug Power находит свою нишу на рынке складских вилочных погрузчиков, особенно на охлаждаемых складах.

Вилочный погрузчик на топливных элементах

То же самое относится к так называемым «power to gas» (P2G) схемам. Это совсем другая модель: они используют «избыточную» возобновляемую электроэнергию для производства водорода, который затем под низким давлением подмешивается в газовую сеть, где в конечном итоге используется для производства тепла, часто в устройствах, которые в конечном итоге рекуперируют тепло конденсации водяного пара (продукта горения водорода). Как средство хранения электроэнергии схемы P2G настолько смехотворно неэффективны, что о них даже не стоит говорить, но зато они требуют лишь небольших капитальных вложений и сокращают выбросы парниковых газов, когда водород вытесняет метан. Это не так уж и плохо, если только вы не сделаете вывод, что однажды мы ПОЛНОСТЬЮ заменим природный газ водородом. Это будет очень глупо.

Другие применения водорода на транспорте

На данный момент, в некоторых видах транспорта: самолеты, поезда, суда, аккумуляторы практически или совсем неприменимы. Главный вопрос в этих случаях стоит так: насколько мы заботимся о токсичных выбросах? Если они волнуют нас больше всего, водород — единственные решение. Но если мы больше думаем о парниковом эффекте, мы также можем использовать биотопливо как альтернативу водороду. [При сжигании биотоплива в воздух попадает углекислый газ, но этот углерод был извлечен из атмосферы самими растениями в течение предыдущего года, поэтому общий атмосферный баланс не нарушается — прим. перев.] Для самолетов биотопливо, скорее всего, — это единственное практическое решение до тех пор пока мы не изобретем что-то с гораздо большей плотностью энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, возможно, перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы. И хотя мы не сможем полностью заменить бензин и дизель на биотопливо, даже если полностью забудем об экономике (цифры по этому поводу см. на сайте www.withouthotair.com), если мы покроем 90% перевозок (в километрах, или тоннокилометрах) электричеством, мы можем производить достаточно биотоплива чтобы покрыть оставшиеся 10%, ПЛЮС все те другие виды транспорта, в которых в сейчас невозможно использовать аккумуляторы. Гораздо важнее избавиться от токсичных выхлопов в городах, чем на трассах, в море, или высоко над землей.

Очевидно, что использование водорода или электрохимии для уменьшения выбросов CO2 с целью получения жидких углеводородов значительно менее эффективно, чем сам водород [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. То же самое и с аммиаком, который кажется кому-то способом преодолеть некоторые недостатки водорода. Аммиак — ядовитый газ, и, опять же, производить его менее эффективно, чем водород. Мысль о заправке автомобилей аммиаком повергает меня в ужас, учитывая количество смертей, связанных с аммиаком в результате его использования в качестве хладагента и в сельском хозяйстве.

Так называемое «e-топливо» (e-fuel, power-to-liquid) — это, на самом деле, производная водородного топлива. Оно делается из углекислого газа, воды (продукт горения водорода), и электричества. При реверсе термодинамического процесса неизбежны потери. С учетом того, что потом мы используем это топливо в неэффективном ДВС, вся схема получается очень очень неэффективной.

Е-топливо — это способ использовать еще больше излишков энергии в тщетных попытках превратить водород в более эффективное (удобное) топливо. К сожалению, если мы не сможем производить достаточно биотоплива для того транспорта, в котором мы не можем использовать аккумуляторы, нам, возможно, придется сначала использовать топливные элементы, и только в самом крайнем случае — е-топливо. И мы будем горько плакать, глядя на его стоимость.

Настоящее будущее «зеленого» водорода

Сейчас более 96% водорода производится из ископаемого топлива либо целенаправленно (паровая или автотермальная конверсия метана), либо как побочный продукт при производстве нефти. Мы должны научиться производить водород очень эффективно из возобновляемого электричества, но не тратить его как автомобильное топливо, а использовать при производстве удобрений: аммиака и мочевины. Нам придется избавиться от гигантской инфраструктуры по производству и доставке углеводородов.

Дисклеймер [от автора статьи, не переводчика]: все что я пишу в своих статьях — это мое личное мнение. Я пытаюсь всегда приводить ссылки на источники, когда могу. Скорее всего, в моих цифрах и рассуждениях есть ошибки. Я заранее извиняюсь за них. Если вы можете указать мне на них со ссылкой на хороший источник, я отвечу и исправлю текст. Мой работодатель, Zeton Inc., работает в совсем другой области, и не имеет ни интереса, ни даже позиции по поводу водорода. Мы проектируем и строим пилотные установки.

Установка водорода (долгожданный пост и первый отчет)

И так, приходим к самому интересному. Помониторив рынок таких экспериментов и установок я пришел к выводу что первый или один из первых людей в МИРЕ кто проводит тест работы пара "метан водород".
Англоязычные коллеги тестили такие установки даже на бугати вейрон, мои коллеги успешно провели тесты на дизелях, но на метане я видимо первый кто это делаю.
И так поехали, для этого теста я выбрал установку которую мы монтируем на грузовые ТС, ее производительность составляет 6л в минуту при 30А, расчетная мощность моя около 15-23А.

Выбор мощной установки обеспечен тем, что я хочу увести карту газовых впрысков в бедную смесь и заместить максимальное количество газа водородом.

Теперь отойдем от теории и посмотрим на процесс установки. А он получился более чем красивый.

Первое что делаем, снимаем бампер для монтажа самого электролизера

После долгих совещаний, решили спрятать его под локером, там и обдув присутсвует дял охлаждения, и с точки зрения грязи более менее чисто.

Непосредственно сам наш электролизер собственного производства

Два фильтра в системе формальные, для того чтобы вода когда кипит не попадала в двигатель, они скорее индикаторы нежели фильтра.

Тянем провода в салон

Для полноценных тестов я решил монтировать контроллер прямо в салон чтобы на ходу иметь возможность регулировать подачу водорода в двигатель и наблюдать за показателями через OBD.

Вот так красиво мы расположили электролизер на кронштейне который делали пол дня. Перед установкой Примеряем закроется ли обратно бампер Пришлось демонтировать фару чтобы удобнее было работать, и вот так мы закрепили наш генератор. Вентиляция картерных газов

А теперь самое интересное. Тойота ведь делала штатные водородные модели 🙂 Знаете, завод беломора за сутки может переформатироваться на производство пуль 7.62 тк у беломора похожий диаметр как у пули, так и наша тойота.
Снимаем идиотскую вентиляцию картерных газов, и получаем сосок на который мы будем подавать водород, никаких внештатных внесений изменений в конструкцию ТС, ИДЕАЛЬНО 🙂

Новая вентиляция

А вентиляцию я по классике на всех своих машинах вывожу просто в низ двигателя чтобы она не пахла у печки и все. Мотору только радость, не будут маслянистую дурь пихать в него, еще и водород до блеска очистит все от нагара включая форсунки.

Итоговый вариант с готовым монтажом

Остается собрать обратно бампер и приступать к тестам.

Далее в подкапотное пространство с еще одним кронштейном мы крепим довольно большой бачок для воды, такой же ставится на грузовики, но Ярис тот еще грузовик, вы понимаете о чем я 🙂

Подкапотка с готовым водородным генератором под ключ.

трубка с водородом как я и говорил идет в отверстие которое раньше выполняло роль вентиляции картерных газов через 2 фильтрующих элемента.
Пришлось немало времени потратить на перенос АКБ, мы сместили его ближе к крылу и сделали новое крепление на которое и закрепили бачок, получилось очень красиво я считаю.

Теперь приходим к тесту номер 1. Я взял времена впрыска газа на уровне множителя 1.1, при этом показателе я за более чем 50 настроек ГБО (я сам диагност) добился идеального баланса стехиометрии и скорости горения метана в камерах сгорания. И опускаем данное значение до 0.8 что эквивалентно забеднению смеси на почти 30%. Пока я проехал 20км по городу в пробочном режиме, потери динамики не заметил, откатаю бак и отпишусь по результатам теста.

Множитель на 100 процентном замещении МЕТАНОМ. Тестовый множитель с замещением черт его знает сколько водорода и часть метана.

Оборудование ГБО — лучший на рынке 4SAVE (что бы там "мамкины эксперты" не говорили свои ненаучные доводы)
Форсунки ГБО — OMVL GEMINI 2X2
Водородный генератор — собственное производство.

Всем спасибо за внимание, кому интересна тема водорода, ставьте лайк и делитесь записью. Возможно вместе с вами, мои дорогие подписчики мы сделаем какое нибудь научное открытие и развеим тупые мифы от необразованных людей про ГБО и Водород.

Как переделать двигатель на водород

Водород является одним из наиболее эффективных и экологически чистых источников энергии. Он может использоваться в качестве альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания, позволяя значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу и улучшить экологическую обстановку.

Переделка двигателя на работу на водороде может показаться сложной задачей. Однако, соблюдая несколько важных шагов, вы сможете успешно осуществить такую переделку самостоятельно. В этом руководстве мы рассмотрим весь процесс поэтапно, чтобы помочь вам в этом деле.

Первым шагом будет подготовка двигателя к работе на водороде. Это включает в себя проверку состояния двигателя, замену некоторых деталей и установку дополнительных компонентов, таких как водородные форсунки и регуляторы давления. Вторым шагом будет подготовка водородной системы, включающая в себя выбор и установку водородного бака, а также соединительных трубопроводов и клапанов.

Важно помнить, что переделка двигателя под водород может потребовать дополнительных знаний и навыков в области механики и электрики. Поэтому, если вы не уверены в своих способностях, всегда лучше обратиться за помощью к опытным специалистам.

Когда все компоненты будут установлены, необходимо провести тестирование системы на работоспособность. Для этого следует запустить двигатель на водороде и проверить его эффективность и надежность. При необходимости, можно провести дополнительные настройки и оптимизацию системы. После успешного завершения тестирования вы сможете наслаждаться надежностью и экологическими преимуществами двигателя, работающего на водороде.

Подготовка двигателя

Перед переделкой двигателя на работу на водород необходимо выполнить ряд подготовительных работ. Ниже представлены необходимые шаги для успешной подготовки двигателя:

1. Оцените техническое состояние двигателя. Проверьте, необходимо ли выполнить какие-либо ремонтные работы перед переделкой.
2. Проверьте, подходит ли ваш двигатель для переделки на работу на водород. Для этого убедитесь, что ваш двигатель подходит для работы с высокотемпературным водородом и может выдержать давление водорода.
3. Изучите дизайн вашего двигателя, чтобы понять, где расположены основные компоненты, включая систему подачи топлива, систему зажигания и систему выпуска.
4. Подготовьте инструменты и материалы для работы. Вам потребуются стандартные инструменты для работы на автомобиле, а также специализированные инструменты, необходимые для подготовки двигателя к работе на водороде.
5. Перечитайте руководство по эксплуатации вашего двигателя и узнайте, как заменить основные компоненты, связанные с работой на топливе на водороде. Обратитесь к производителю двигателя или обратитесь к опытным специалистам, чтобы получить необходимую информацию и советы.
6. Снимите двигатель с машины и разоберите его на отдельные компоненты. Отметьте их места и обозначьте, чтобы потом было проще собрать двигатель обратно.
7. Очистите от старого топлива и других загрязнений все компоненты двигателя. Используйте специальные средства для очистки, чтобы удалить все остатки топлива и избежать возможной коррозии деталей.
8. Проверьте состояние критических компонентов, таких как поршни, клапаны, головка блока цилиндров и коленчатый вал. Замените их при необходимости.
9. Подготовьте новые компоненты, необходимые для работы двигателя на водороде, включая систему подачи водородного топлива, систему зажигания и систему выпуска.
10. Соберите двигатель обратно, устанавливая новые компоненты и соединяя их существующие части.

Подготовка двигателя — это важный этап перед переделкой на работу на водород. Правильная подготовка гарантирует безопасность и эффективность работы двигателя на водороде.

Разборка двигателя

Перед тем, как приступить к разборке двигателя, важно принять все необходимые меры предосторожности:

• Убедитесь, что двигатель полностью остыл перед началом работ, чтобы избежать получения ожогов.
• Отключите все электрические и топливные компоненты двигателя.
• Работайте в хорошо проветриваемом помещении или носите защитную маску для предотвращения вдыхания вредных газов.
• Не забудьте использовать специальное инструменты для разборки двигателя, такие как ключи, предназначенные специально для данной модели двигателя, а также маслосъемные ключи и прокладочные кольца.

После проведения всех предварительных мер безопасности можно приступать к разборке двигателя:

1. Снимите крышку головки блока цилиндров и прикрепленные к ней элементы.
2. Отверните гайки и болты, крепящие головку блока цилиндров к блоку двигателя, и аккуратно снимите головку блока цилиндров.
3. После снятия головки блока цилиндров снимите поршни и шатуны.
4. Чтобы получить доступ к коленчатому валу и его компонентам, необходимо снять масляный поддон двигателя. Отверните болты, крепящие поддон к блоку двигателя, и снимите его.
5. Отсоедините систему смазки двигателя и снимите масляный насос.
6. Снимите крышку ремня ГРМ и отверните болты, крепящие ремень ГРМ к двигателю. Снимите ремень ГРМ.
7. Отверните болты, крепящие крышку цепи ГРМ, и снимите ее.
8. После снятия крышки цепи ГРМ можно удалить коленчатый вал и распределительный вал.
9. Снимите маховик с коленчатого вала.
10. Для полной разборки двигателя может потребоваться снять блок цилиндров, что требует дополнительных инструментов и навыков.

При разборке двигателя следует быть внимательным и аккуратным, чтобы избежать повреждения его компонентов. Разобранные компоненты необходимо хранить в чистом и безопасном месте до момента их очистки и проверки перед дальнейшей сборкой двигателя.

Замена компонентов

Перед тем как приступить к замене компонентов, необходимо провести диагностику и оценить состояние текущих элементов двигателя. При обнаружении повреждений, износа или неисправности, следует заменить данные компоненты на новые.

Важно учесть, что при переделке двигателя на работу на водороде, потребуется заменить или модернизировать следующие компоненты:

• Впускная система: необходимо изменить впускной коллектор, впускной патрубок и фильтр воздуха. Впускной коллектор должен быть герметичным и устойчивым к коррозии, а впускные патрубки способны обеспечивать надежное соединение с другими элементами.
• Топливная система: требуется замена топливных форсунок на форсунки, способные обеспечивать распыление водородного топлива. Топливный бак также необходимо заменить на бак, предназначенный для хранения водородного газа.
• Система зажигания: для работы двигателя на водороде может потребоваться модернизация системы зажигания. Например, установка системы комбинированного зажигания или замена свечей зажигания на специальные модели, способные справляться с особенностями водородного топлива.
• Выхлопная система: для обеспечения эффективного отвода отработавших газов, необходимо заменить глушитель и создать систему, способную быстро и полностью удалять отработанные газы из двигателя.
• Электрическая система: возможно потребуется изменение электрической системы, так как двигатель на водороде может требовать большего объема электрической энергии. Для этого может понадобиться установка дополнительных аккумуляторов, генераторов и других устройств.

Перед заменой компонентов необходимо обратиться к специалистам или консультантам, которые помогут в выборе и установке необходимых элементов. Также важно учитывать местные нормы и требования по безопасности и регуляциям в области использования водородных технологий.

Установка системы подачи водорода

Установка системы подачи водорода является одной из важных частей процесса переделки двигателя на работу на водородном топливе. В этом разделе я хочу рассказать о том, как правильно установить систему подачи водорода на двигатель.

Шаг 1: Подготовка системы подачи водорода

1. Выберите подходящее место для установки системы подачи водорода. Это должно быть место, где все компоненты системы будут хорошо защищены и не будут мешать нормальной работе двигателя.
2. Установите резервуар для хранения водорода. Возможны различные варианты, включая установку трубки или баллона для хранения водорода.
3. Установите газопровод, который будет подавать водород в двигатель. Газопровод должен быть изготовлен из материалов, устойчивых к водороду, таких как нержавеющая сталь или титан.

Шаг 2: Установка регулятора давления

1. Установите регулятор давления на газопроводе перед подачей водорода в двигатель. Регулятор давления необходим для поддержания стабильного давления в системе подачи водорода.
2. Убедитесь, что регулятор давления настроен на правильное значение давления для вашего двигателя. Это важно, так как неправильное давление может негативно сказаться на работе двигателя.

Шаг 3: Установка оптимизатора

1. Установите оптимизатор в систему подачи водорода. Оптимизатор отвечает за обеспечение правильного соотношения водорода и воздуха, что позволяет достичь наилучшей производительности двигателя.
2. Настройте оптимизатор так, чтобы он обеспечивал оптимальное соотношение водорода и воздуха для работы вашего двигателя.

Шаг 4: Установка управляющей системы

1. Установите управляющую систему, которая будет контролировать работу системы подачи водорода и корректировать ее в зависимости от нужд двигателя.
2. Настройте управляющую систему так, чтобы она правильно реагировала на изменения в работе двигателя и поддерживала стабильную работу системы подачи водорода.

Шаг 5: Тестирование и настройка системы

• После установки всех компонентов системы подачи водорода проведите тестирование, чтобы убедиться, что все работает правильно.
• Проведите настройку системы подачи водорода, если необходимо, чтобы достичь максимальной производительности и эффективности вашего двигателя.

Следуя описанным выше шагам, вы сможете правильно установить систему подачи водорода и настроить ее для работы на вашем двигателе. Помните, что работа с водородом является сложным и опасным процессом, поэтому лучше доверить его профессиональным специалистам.

Сборка двигателя

Сборка двигателя под водородный привод является достаточно сложным процессом, требующим применения специальной техники и инструментов. Ниже приведены основные шаги сборки двигателя:

1. Разборка старого двигателя: Прежде чем начать сборку двигателя под водородный привод, необходимо разобрать старый двигатель. Для этого нужно отсоединить все элементы, такие как головка блока цилиндров, газовый распределительный механизм, поршни, шатуны и прокладки. Необходимо провести тщательную проверку состояния каждой детали и заменить поврежденные элементы.
2. Установка водородной системы: После разборки старого двигателя следует установить водородную систему. Это включает в себя установку водородного резервуара, форсунок, регуляторов давления и всех соответствующих трубопроводов.
3. Установка новых деталей: После установки водородной системы следует установить новые детали двигателя. Это включает в себя установку новых поршней, кольцевых уплотнений, распределительного вала и других необходимых элементов.
4. Сборка блока цилиндров: Затем следует собрать блок цилиндров, установив поршни на соответствующие шатуны и собрав все вместе. Важно правильно установить все детали и проверить правильность расположения.
5. Проверка и настройка системы: После сборки двигателя необходимо провести тщательную проверку и настройку системы. Это включает в себя проверку уровня водорода, проверку давления и проверку работоспособности всех элементов. Также следует настроить систему подачи водорода и давления для оптимальной работы двигателя.

Важно отметить, что сборка двигателя под водородный привод требует определенных знаний и навыков. Поэтому важно обратиться к специалистам или профессионалам в данной области, чтобы гарантировать безопасность и правильную работу двигателя под водородным приводом.

Тестирование и настройка

Когда вы закончили основной процесс переделки двигателя под водород, необходимо приступить к тестированию и настройке. Этот шаг поможет вам удостовериться в правильности выполненных работ и гарантировать оптимальную работу двигателя.

1. Проверка на протечки

Перед запуском двигателя, убедитесь в отсутствии протечек водорода или других средств, используемых в системе. Проверьте все соединения, уплотнения и шланги на наличие неплотного контакта или повреждений. Любая протечка может привести к утечке газа и возникновению опасной ситуации.

2. Первичная настройка системы

Перед запуском двигателя, необходимо настроить систему подачи водорода. Это может включать в себя проверку давления и расхода газа, настройку электроники и контрольных параметров. Обратитесь к документации или специалисту, чтобы получить конкретные указания по настройке вашей системы.

3. Тестовый запуск двигателя

После настройки системы, необходимо провести тестовый запуск двигателя. Запустите его на низких оборотах и контролируйте все параметры работы. Обратите внимание на уровень давления водорода, температуру двигателя и эффективность работы.

4. Настройка параметров

Настройте параметры работы двигателя под водород для достижения оптимальной производительности и эффективности. Это может включать в себя настройку топливной смеси, зажигания и других параметров, в зависимости от конкретных требований вашего двигателя.

5. Окончательное тестирование

После настройки, проведите окончательное тестирование двигателя под нагрузкой. Проверьте его работу на разных оборотах и в различных условиях. Обратите внимание на показатели мощности, расхода топлива и выбросов, чтобы убедиться в корректной работе системы подачи водорода.

Следуя указанным выше шагам, вы сможете безопасно и эффективно переделать двигатель под водород. Не забывайте консультироваться со специалистами и учитывать особенности вашей конкретной модели двигателя.