ENGINEERING AND TECHNOLOGY IN TRANSPORT Diagnostics and repair
През 1807 г. Франсоа Исак де Риваз проектира първия двигател с вътрешно горене, работещ с водород. През 1965 г. Роджър Билингс, тогава ученик в гимназията, преобразува Модел А, за да работи на водород. През 1970 г. Пол Диеж патентова модификация на двигатели с вътрешно горене, която позволява на бензиновия двигател да работи на водород US 3844262. Mazda е разработила двигатели на Ванкел, работещи с водород, които се използват в Mazda RX-8 Hydrogen RE.
Автомобилите с горивни клетки използват водороден газ за захранване на електрически двигател. За разлика от конвенционалните превозни средства, които работят с бензин или дизел, автомобилите с горивни клетки и камионите комбинират водород и кислород за производство на електричество, което задвижва мотор. Тъй като се захранват изцяло от електричество, превозните средства с горивни клетки се считат за електрически превозни средства („EVs“), но за разлика от други EV, техният обхват и процеси на зареждане са сравними с конвенционалните автомобили. Преобразуването на водороден газ в електричество произвежда само вода и топлина като страничен продукт, което означава, че превозните средства с горивни клетки не създават замърсяване, когато се карат. Производството на самия водород може да доведе до замърсяване, включително емисиите на парникови газове, но дори когато горивото идва от един от най-мръсните източници на водород, природен газ, днешните автомобили с ранни горивни клетки могат да намалят емисиите с над 30 процента в сравнение с техните бензинови колеги. Що се отнася до алтернативните източници на енергия за двигатели, за съзнанието на широката общественост батерията с горивни клетки в момента изостава. И все пак експертите вярват, че автомобилите с водородни горивни клетки ще наваксат в бъдеще. Но как работи технологията? Какви са плюсовете и минусите? Прочетете отговорите на всички ключови въпроси.
Как работи водородният двигател?
Автомобилите с водородни горивни клетки се задвижват от електрически мотор и поради това се класифицират като електрически автомобили. Общото съкращение е FCEV, съкратено от „Електрическо превозно средство с горивни клетки“, за разлика от BEV или „Батерийно електрическо превозно средство“.
Има една съществена разлика между автомобилите с водородни горивни клетки и другите електрически превозни средства – водородните автомобили произвеждат електричеството сами. Така че, за разлика от напълно електрическите или приставни хибридни превозни средства, превозното средство не получава своята мощност от вградена батерия, която може да се зарежда от външен източник на захранване. Вместо това автомобилите с водород ефективно разполагат със собствена ефективна електроцентрала: горивната клетка.
В технологията на горивните клетки протича процес, известен като обратна електролиза, при който водородът реагира с кислорода в горивната клетка. Водородът идва от един или повече резервоари, вградени в FCEV, докато кислородът идва от околния въздух. Единствените резултати от тази реакция са електрическа енергия, топлина и вода, която се изпуска през отработените газове като водна пара. Така че автомобилите, задвижвани с водород, са без вредни емисии.
Електричеството, генерирано в горивната клетка на водороден двигател, може да премине по два пътя, в зависимост от изискванията на конкретната ситуация на шофиране. Или тече към електрическия мотор и захранва директно FCEV, или зарежда батерия, която съхранява енергията, докато не е необходима за двигателя. Тази батерия, известна като Peak Power Battery, е значително по-малка и следователно по-лека от батерията на напълно електрическа кола, тъй като се зарежда постоянно от горивната клетка.
Основни компоненти на електрическа кола с водородни горивни клетки
Характеристики на водородните горивни клетки
Зареждането с гориво на превозното средство с горивни клетки е сравнимо с зареждането с гориво на конвенционален автомобил или; водород под налягане се продава на станции за зареждане с водород, като за пълнене на настоящите модели е необходимо по-малко от 10 минути. След като бъдат напълнени, диапазоните на движение на автомобила с горивни клетки варират, но са подобни на диапазоните на бензиновите или дизеловите автомобили. В сравнение с електрическите превозни средства с акумулатори – които зареждат батериите си чрез включване – комбинацията от бързо, централизирано зареждане с гориво и по-дълги диапазони на шофиране правят горивните клетки особено подходящи за по-големи превозни средства с изисквания за дълги разстояния или за водачи, които нямат достъп за включване за зареждане У дома.
Подобно на други EV, автомобилите и камионите с горивни клетки могат да използват празен ход, който изключва горивната клетка при знаци за спиране или в движение. В определени режими на шофиране се използва регенеративно спиране за улавяне на изгубената енергия и зареждане на батерията.
Плюсовете и минусите на автомобилите, задвижвани с водород, за потребители
Плюсовете и минусите на дадена задвижваща технология могат да се видят от две основни перспективи: тази на потребителя и тази на околната среда. Ако някоя технология е успешна като алтернатива на двигателя с вътрешно горене, тя трябва да бъде лесна за употреба и значително да намали емисиите на замърсители.
Предимства за потребителите:
- Задвижването в автомобилите с водородни горивни клетки е чисто електрическо. Когато карате такъв, той се чувства подобен на това да карате обикновена електрическа кола. Какво означава това? На практика няма шум от двигателя и шумен старт , защото електрическите двигатели осигуряват пълен въртящ момент дори при ниски скорости.
- Друго предимство е бързото време за зареждане . В зависимост от зарядната станция и капацитета на батерията, напълно електрическите превозни средства понастоящем изискват между 30 минути и няколко часа за пълно зареждане. От друга страна, резервоарите за водород на автомобилите с горивни клетки са пълни и са готови за работа след по-малко от пет минути. За потребителите това привежда наличността и гъвкавостта на превозното средство в съответствие с тези на конвенционалния автомобил.
- За момента автомобилите с водород все още имат по- голям обхват от чисто електрическите автомобили. Пълен резервоар за водород ще продължи приблизително 480 километра. Автомобилите, захранвани с батерии, могат да се съчетаят с това с много големи батерии – което от своя страна ще доведе до увеличаване както на теглото на автомобила, така и на времето за зареждане.
- Обхватът на автомобилите с горивни клетки не зависи от външната
температура . С други думи, не се влошава при студено време.Текущи недостатъци за потребителите: -
В момента най-големият недостатък на автомобилите с водородни горивни клетки е рядкостта на възможностите за зареждане с гориво . Водороден двигател се зарежда с гориво в специални горивни помпи, които в бъдеще вероятно ще намерят път в обикновените бензиностанции. Все още има много малко станции за зареждане с гориво на автомобили с водород. В края на 2019 г. в САЩ има само около 40 в сравнение с приблизително 80 в Германия.
Германия води напред по отношение на инфраструктурата за автомобили с водородни горивни клетки. За да насърчат разширяването на инфраструктурата за зареждане с гориво там, производителите на автомобили обединиха сили с производители на водород и оператори на бензиностанции в инициативата за партньорство за чиста енергия, която планира да разшири мрежата от станции за зареждане с водород до 130 станции до 2022 г. Това би позволило експлоатацията на около 60 000 автомобила с водород по пътищата на Германия. Следващата цел, със съответно увеличение на превозните средства с горивни клетки, ще бъде 400 станции до 2025 г. Необходими са и повече бензиностанции в съседните страни, за да се даде възможност за пътуване извън Германия чрез FCEV.
Колко струват автомобилите, задвижвани с водород – и защо?
В допълнение към тънката мрежа от бензиностанции, има още една причина за все още ниското търсене на автомобили с водородни горивни клетки: те са сравнително скъпи за закупуване. Няколко модела превозни средства с горивни клетки, които вече се предлагат на пазара, струват около 80 000 щатски долара за превозно средство със среден или горен среден клас. Това е почти два пъти повече от сравнимите напълно електрически или хибридни превозни средства.
Има редица причини, поради които автомобилите с водородни горивни клетки са все още скъпи. В допълнение към малките обеми, което означава, че производството все още трябва да бъде индустриализирано, има и въпросът за необходимостта от благородния метал, платината, който действа като катализатор по време на производството на електроенергия. Количеството платина, необходимо за горивните клетки на превозното средство, вече е значително намалено.
Друга причина за високата цена е, че автомобилите с водородни горивни клетки са доста големи, тъй като резервоарът (ите) с водород заемат много място. Задвижващият блок за чисто батерийно електрическо превозно средство, от друга страна, също се побира в малки коли. Ето защо класическите електрически автомобили в момента могат да бъдат намерени във всички класове превозни средства.
В допълнение към разходите за покупка, оперативните разходи също играят важна роля за ефективността на разходите и приемането на задвижваща технология. При автомобилите с водородни горивни клетки тези разходи не на последно място зависят от цената на горивото. В момента 1 lb (0,45 kg) водород струва около 14 USD в САЩ, в сравнение с 4,80 USD в Германия (това е цената, за която се договориха партньорите на H2 Mobility). FCEV може да кара около 28 мили (45 км) на 1 lb (0,45 kg) водород.
Следователно цената на километър от работещи автомобили с водород е почти два пъти по-висока от тази на автомобилите с акумулаторни батерии, зареждани у дома. Очаква се тези оперативни разходи да се сближат: „Ако търсенето на водород се увеличи, цената може да падне до около 2,50 USD / lb (5,60 USD / kg) до 2030 г.“
Колко екологична и устойчива е технологията с водородни горивни клетки?
Кола, която използва само възобновяема енергия и не произвежда вредни емисии, би била идеална от гледна точка на околната среда. Нека да разгледаме колко близо са автомобилите с горивни клетки до тази цел в сравнение с други видове задвижване:
- Алтернативните задвижващи системи са проектирани да намалят емисиите на замърсители, по-специално CO2, вреден на климата, но и други вредни газове като азотен оксид. Отработения газ от водороден двигател се състои от чиста водна пара. Следователно технологията с водородни горивни клетки е локално без емисии. Това означава, че поддържа въздуха чист в градовете.
- Това зависи от условията, при които е произведен водородът за превозните средства с горивни клетки. Производството на водород изисква електрическа енергия. Тази електрическа енергия се използва за разграждане на водата до съставните й елементи, водород и кислород, чрез процеса на електролиза. Ако използваната електроенергия идва от възобновяеми енергийни източници, производството на водород има неутрален въглероден отпечатък . Ако, от друга страна, се използват изкопаеми горива, това в крайна сметка ще има въздействащ ефект върху въглеродния отпечатък на автомобилите с горивни клетки, използващи водорода. Колко силен е този ефект зависи от използвания енергиен микс. В това отношение автомобилите с водородни горивни клетки не се различават от другите електрически превозни средства.
- Един недостатък на производството на водород обаче са загубите при електролиза. Следователно общата ефективност в енергийната верига „мощност за задвижване“ е само половината от нивото на BEV.
- Водородът обаче може да се произвежда в моменти, когато има свръхпредлагане на електроенергия от възобновяеми енергийни източници, когато вятърната или слънчевата енергия, произведена в момента, не се използва по друг начин. Потенциалът за това е огромен.
- Водородът също е страничен продукт на много индустриални процеси, където твърде често той се третира като отпадък без допълнителна употреба. Батерията с горивни клетки предлага начин за усвояване на този водород, въпреки че първо трябва да се пречисти.
- В зависимост от използваната транспортна технология (течна или газообразна) възникват различни разходи за компресия, охлаждане, транспорт и съхранение. Поради по-добрата си транспортируемост и способност за съхранение, тенденцията е към течен водород. Въпреки това транспортирането и съхранението на водород са – на този етап – все още доста по-сложни и енергоемки, отколкото за бензин или дизел. За разлика от изкопаемите горива, водородът може да се произвежда навсякъде, където има достъп до електричество и вода, теоретично дори на действителните бензиностанции за автомобили с горивни клетки. По-силно развитата инфраструктура би могла да намали значително транспортните разстояния в бъдеще.
В заключение, технологията с водородни горивни клетки има потенциала да направи възможно екологично устойчива мобилност.
Какви са рисковете от автомобилите с водородни горивни клетки?
Какво се случва, когато водородът реагира с кислород в неконтролирана реакция? Много хора ще запомнят това от часовете по химия в училище. Това, което получавате, е експлозивна реакция, известна като реакция на газообразен кислород. Както показва това, водородът е запалим, но неконтролираната реакция на водород и кислород при работа на FCEV е практически невъзможна.
Това е така, защото в автомобилите с водородни горивни клетки водородът се съхранява в течна форма в дебелостенни резервоари, които са особено безопасни.
Също така не трябва да забравяме, че водородната технология не е нова, но е изпробвана и тествана в редица области. Като пример, днес рафинериите използват големи количества водород като технологичен газ при преработката на суров нефт. Тръбопроводите и водородът също са в експлоатация от десетилетия.
