Водородные и электрические автомобили существуют уже несколько десятилетий. Сегодня это одно из самых перспективных направлений автомобильной промышленности, поэтому споры о том, что лучше — протон или электрон, разгораются все сильнее. Только ли нулевые выбросы привлекают инвесторов, и на чьей стороне преимущество?
Водородные электромобили
Когда мы говорим об электромобилях, большинство людей думают об автомобилях, которые работают от электричества из розетки и имеют большой аккумулятор. Еще одна технология привода, на которую эксперты возлагают большие надежды, — топливные элементы, работающие на водороде.
Водородные автомобили приводятся в движение электродвигателем. Поэтому они также являются электромобилями. Распространенный акроним — FCEV «Fuel Cell Electric Vehicle».
Принципиальное отличие от других электромобилей заключается в том, что водородные автомобили вырабатывают собственную электроэнергию и не питаются от встроенного аккумулятора, как это происходит в случае с чисто электрическими или гибридными автомобилями, которые могут заряжаться от внешнего источника энергии. Водородные автомобили имеют собственную, так сказать, эффективную силовую установку. И эта силовая установка представляет собой топливный элемент.
В топливном элементе электроэнергия вырабатывается из водорода и кислорода. В зависимости от потребности эта энергия поступает в электродвигатель и/или аккумулятор.
Топливный элемент, аккумулятор, водородный бак, электродвигатель, форсунка топливного бака.
Чтобы понять, как работают водородные автомобили, сначала нужно узнать, что такое водород.
Водород H2 — это 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. Она не может быть устойчивой сама по себе, так сказать, и всегда нуждается в партнере.
Что происходит в топливном элементе?
В топливном элементе водород выходит из баллона и делает то, что он всегда делает в природе — ищет партнера. Поскольку рядом с ним в системе находится только воздух, он берет кислород из воздуха в качестве партнера для связи.
В результате реакции вырабатывается электричество, тепло и вода (H₂O).
Электроэнергия, вырабатываемая топливным элементом, идет в двух направлениях, в зависимости от ситуации вождения: Он поступает в электродвигатель и приводит в движение непосредственно автомобиль. Или же он заряжает аккумулятор, который затем служит в качестве накопителя, пока энергия не понадобится для движения. Эта так называемая буферная батарея значительно меньше и, соответственно, легче, чем батарея полностью электрического автомобиля, поскольку она постоянно снабжается электроэнергией от топливного элемента.
Вода, с другой стороны, выделяется в виде водяного пара через выхлопные газы. Поэтому водородный автомобиль не имеет вредных выбросов.
Как и другие электромобили, водородные автомобили также могут рекуперировать энергию торможения. Электромотор преобразует кинетическую энергию автомобиля в электричество и подает его в буферную батарею.
Плюсы и минусы водородных автомобилей для пользователей
Преимущества и недостатки технологии привода можно рассматривать с двух основных точек зрения: с точки зрения пользователя и с точки зрения охраны окружающей среды. Если технология окажется альтернативой двигателю внутреннего сгорания, она должна быть удобной для пользователя и значительно сократить выбросы.
Преимущества для пользователя:
Водородные автомобили работают исключительно на электричестве. Впечатления от вождения аналогичны тем, которые испытывают известные электромобили. Практически полное отсутствие шума двигателя и импульсивного ускорения, поскольку электродвигатели обеспечивают полный крутящий момент даже на низких скоростях.
Самым важным преимуществом является короткое время заправки. В зависимости от зарядной станции и емкости аккумулятора, в настоящее время для полной зарядки электромобилей требуется от 30 минут до нескольких часов. Водородный бак автомобиля на топливных элементах заполняется менее чем за пять минут. Это позволяет довести комфорт автомобиля до уровня обычного автомобиля.
Еще одно большое преимущество перед чисто электрическими автомобилями заключается в том, что водородные автомобили в настоящее время имеют больший запас хода. Полного водородного бака достаточно для пробега около 500 километров. Автомобили на аккумуляторах достигают этого с помощью очень больших батарей, что, в свою очередь, приводит к утяжелению автомобиля и увеличению времени зарядки.
Запас хода автомобиля с водородным двигателем не зависит от внешней температуры, т.е. он не уменьшается в холодную погоду.
Существующие недостатки для пользователей:
Самым большим недостатком водородных автомобилей в настоящее время является то, что существует всего несколько вариантов заправки. Водород поставляется специализированными дилерами, которых в будущем можно будет найти и на обычных заправочных станциях. Однако в настоящее время существует очень мало водородных заправочных станций. На конец 2019 года в Германии насчитывалось около 100 заправочных станций, а в США — около 40.
Для ускорения расширения инфраструктуры, по крайней мере в Германии, производители автомобилей, такие как BMW, объединили свои усилия с производителями водорода и операторами заправочных станций в рамках инициативы Clean Energy Partnership. К 2022 году сеть автозаправочных станций планируется расширить до 130. Это позволит около 60 000 водородных автомобилей ездить по дорогам Германии. При соответствующем увеличении количества автомобилей следующий этап будет включать 400 заправочных станций к 2025 году. Больше заправочных станций должно быть создано и в других странах.
Сколько стоит водородный автомобиль и почему?
Помимо редкой сети заправочных станций, есть еще одна причина низкого спроса на водородные автомобили: сравнительно высокая цена. Те немногие модели на топливных элементах, которые уже представлены на рынке, стоят около 70 000 евро за автомобиль среднего размера или класса люкс. Это делает их почти вдвое дороже, чем аналогичные чисто электрические или гибридные автомобили.
Есть много причин, по которым водородные автомобили в настоящее время все еще дороги. Помимо небольших объемов и отсутствия индустриализации производства, свою роль играет и спрос на платину. Драгоценный металл служит катализатором при выработке электроэнергии. Однако количество платины, необходимой для топливных элементов в автомобилях, уже значительно сократилось.
Еще одна причина высокой цены: водородные автомобили обычно являются более крупными транспортными средствами. Это связано с тем, что один или несколько водородных баков занимают много места. С другой стороны, чистый электромобиль с аккумулятором подходит и для небольшого автомобиля. Именно поэтому классические электромобили можно найти во всех сегментах рынка транспортных средств.
Помимо затрат на приобретение, важную роль в рентабельности приводной техники играют эксплуатационные расходы. В случае с водородным автомобилем они зависят в основном от цены на топливо. Килограмм водорода в настоящее время стоит 9,50 евро в Германии и около 14 долларов США в США. Автомобиль на топливных элементах может проехать около 100 км на одном килограмме водорода.
Это означает, что стоимость километра пробега для водородного автомобиля сегодня почти в два раза выше, чем для аккумуляторного автомобиля, когда он заряжается дома.
Автомобили на водородном топливе
Автомобили на водородном топливе многие считают будущим автомобильной промышленности. Они не выбрасывают в атмосферу загрязняющих веществ и решают многие проблемы, с которыми сталкиваются владельцы электромобилей. Однако существуют различные мнения о том, будет ли водородный автомобиль пользоваться популярностью у широкой публики.
Как работает водородный автомобиль
Водородные автомобили — это транспортные средства, работающие на электричестве, вырабатываемом из водорода. Он вырабатывается топливными элементами в автомобиле, которые состоят из положительного (катод) и отрицательного (анод) электродов и полимерной мембраны. Катализатор используется для химического преобразования водорода в сочетании с кислородом. Электроны от анода проходят через внешнюю цепь и генерируют ток, который питает автомобиль.
Таким образом, водородный автомобиль — это электромобиль, который вырабатывает собственную электроэнергию, используя водород в качестве топлива. Побочным продуктом реакции химического преобразования энергии является только дистиллированная вода — никаких вредных веществ в окружающую среду не выделяется.
Схема водородного двигателя:
Преимущества автомобиля на водородном топливе
Самое большое преимущество водородных автомобилей заключается в том, что они не имеют вредных выбросов. Это тихие и экологичные автомобили, которые не способствуют образованию смога и снижают выбросы CO2 в атмосферу. Водород является самым распространенным элементом в мире и может быть произведен из возобновляемых источников энергии.
Компании, использующие такие автомобили, могут создать себе имидж социально ответственной компании. Водители также имеют право ездить на водородных автомобилях в зонах с низким уровнем выбросов, пользоваться полосами для автобусов или бесплатно парковаться в центрах городов.
Еще одним преимуществом водородных автомобилей является большой запас хода на одной зарядке — даже более 500 километров. Это делает эти автомобили особенно подходящими для длительных поездок. Заправка занимает гораздо меньше времени по сравнению с обычными электромобилями — бак можно заполнить примерно за 5 минут.
Водородные автомобили также легкие. Их топливные элементы намного легче батарей, используемых в электромобилях, и не снижают существенно грузоподъемность автомобиля. Полный водородный бак весит около 5 кг, в то время как аккумулятор электромобиля весит до 700 кг.
Современные водородные автомобили также безопасны в эксплуатации. Самопроизвольное воспламенение водорода маловероятно, так как оно происходит только при температуре 575 градусов Цельсия. Баллоны водородных автомобилей изготавливаются из композитных материалов, которые чрезвычайно герметичны, чтобы газ не мог попасть внутрь автомобиля. В то же время принимаются специальные меры предосторожности, чтобы в случае утечки в резервуаре водород мог быстро выйти через дренажные каналы.
