Как сделать водородный двигатель: Двигатель на водороде своими руками схема. Что такое электролизер и как его сделать своими руками? Технические характеристики машин на водороде

Водородный двигатель принцип работы

Первый тип водородного двигателя работает на топливных элементах. К сожалению, водородные двигатели данного типа до сих пор имеют высокую стоимость. Дело в том, что в конструкции содержаться дорогие материалы вроде платины.

• Устройство водородного двигателя
• Принцип работы
• Водородные топливные элементы
• Принцип работы
• Особенности гибридных конструкций
• Водород как горючее

Ко второму типу относятся водородные двигатели внутреннего сгорания. Принцип работы таких устройств сильно напоминает пропановые модели. Именно поэтому их часто перенастраивают для работы под водород. К сожалению, КПД подобных устройств на порядок ниже тех, что функционируют на топливных элементах.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Главное отличие двигателей на водороде от привычных нам сейчас бензиновых либо дизельных аналогов заключается в способе подачи и воспламенении рабочей смеси. Принцип преобразования возвратно-поступательных движений КШМ в полезную работу остается неизменным. Ввиду того что горение топлива на основе нефтепродуктов происходит медленно, камера сгорания наполняется топливно-воздушной смесью немного раньше момента поднятия поршня в свое крайнее верхнее положение (ВМТ). Молниеносная скорость реакции водорода позволяет сдвинуть время впрыска к моменту, когда поршень начинает свое возвратное движение к НМТ. При этом давление в топливной системе не обязано быть высоким (4 атм. достаточно).

В идеальных условиях водородный двигатель может иметь систему питания закрытого типа. Процесс смесеобразования происходит без участия атмосферного воздуха. После такта сжатия в камере сгорания остается вода в виде пара, который проходя через радиатор, конденсируется и превращается обратно в Н2О. Такой тип аппаратуры возможен в том случаи, если на автомобиле установлен электролизер, который отделит с полученной воды водород для повторной реакции с кислородом.

На практике такой тип системы осуществить пока что сложно. Для исправной работы и уменьшения силы трения в моторах используется масло, испарения которого являются частью отработанных газов. На современном этапе развития технологий устойчивая работа и беспроблемный запуск двигателя, работающего на гремучем газе, без использования атмосферного воздуха неосуществимы.

 

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.

Такая реакция образует воду,  при этом электроны из камеры с анодом поступают в электрическую цепь. Указанная цепь подключена к двигателю. Простыми словами, образуется электричество, которое заставляет двигатель работать от такого водородного топливного элемента.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. 

Устройство водородного двигателя

Автомобили с двигателем работающем на водороде делятся на несколько групп:

• Машины с 2-мя энергоносителями. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. КПД двигателя такого типа достигает 90-95 процентов. Для сравнения дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
• Автомобиль со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства. Сегодня удалось создать моторы, имеющие КПД от 75% и более.
• Обычные транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД еще на 20%.

Главной особенностью является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.

Что касается преобразования полученной энергии в движение КШМ, процесс аналогичен.

Принцип работы

Принцип работы водородных двигателей стоит рассмотреть применительно к двум видам таких установок:

1. Моторы внутреннего сгорания;
2. Двигатели на водородных элементах.

Водородные моторы внутреннего сгорания

В ДВС из-за того, что горение бензиновой смеси осуществляется медленнее, топливо попадает в камеру сгорания раньше достижения поршнем своей верхней точки.

В водородном двигателе, благодаря мгновенному воспламенению газа, удается сместить время впрыска до момента, пока поршень начнет возвратное движение. При этом для нормальной работы мотора достаточно небольшого давления в топливной системе (до 4-х атмосфер).

В оптимальных условиях водородный мотор способен работать с питающей системой закрытого вида. Это значит, что в процессе образования смеси атмосферный воздух не применяется.

После завершения такта сжатия в цилиндре остается пар, который направляется в радиатор, конденсируется и становится водой.

Реализация варианта возможна в случае, если на машине смонтирован электролизер — устройство, обеспечивающее отделение водорода от h3O для последующей реакции с O2.

Воплотить в реальность описанную систему пока не удается, ведь для нормальной работы двигателя и снижения силы трения применяется масло.

Последнее испаряется и является частью отработавших газов. Так что применение атмосферного воздуха при работе водородного двигателя пока необходимо.

Двигатели на водородных элементах

Принцип действия таких устройств построен на протекании химических реакций. Кожух элемента имеет мембрану (проводит только протоны) и электродную камеру (в ней находится катод и анод).

В анодную секцию подается h3, а в катодную камеру — O2. На электроды наносится специальное напыление, выполняющее функцию катализатора (как правило, платина).

Под действием каталитического вещества происходит потеря водородом электронов. Далее протоны подводятся через мембрану к катоду, и под влиянием катализатора формируется вода.

Из анодной камеры электроны выходят в электрическую цепь, подключенную к мотору. Так формируется ток для питания двигателя.

 

Водородные топливные элементы

Водородный топливный элемент, с конструктивной точки зрения, является своеобразной аккумуляторной «батарейкой» с высокими показателями коэффициента полезного действия (порядка 50%). Внутри корпуса протекают физико-химических процессы с участием специальной мембраны, отвечающей за проведение протонов. Посредством такого мембранного элемента происходит деление корпуса на пару частей – резервуар с анодом и камеру с катодом.

Камера с анодом заполняется водородом, а в катодную часть поступает атмосферный кислород. В качестве покрытия электродов используются дорогостоящие редкоземельные металлы, включая платину. Особенности поверхности обеспечивают взаимодействие с водородными молекулами, в результате чего происходит потеря электронов. Одномоментно с этим процессом выполняется прохождение протонов сквозь мембрану к катоду. Благодаря такому воздействию катализатора протоны соединяются с поступившими извне электронами.

Результат произошедшей реакции – образование воды и поступление электронов из анодной камеры в электрическую цепь, подключённую к силовому агрегату. Таким образом, двигатель приводится в движение водородным топливным элементом и может проработать порядка 200-250 км. Тормозит применение такой технологии и серийный выпуск автомобилей с водородными двигателями необходимость использовать в конструкции элементов платину, палладий и другие дорогостоящие металлы.

Принцип работы

Устройство водородных двигателей не отличается особой сложностью. Главным отличием является способ подачи и воспламенения смесей при полном сохранении основного принципа преобразования. При этом на фоне традиционного бензина и дизеля, водородное топливо обеспечивает мгновенную скорость реакции даже в условиях незначительного уровня давления внутри топливной системы. Для образования смеси участие воздуха не является необходимым, а остающийся в камере сгорания пар, после прохождения сквозь радиатор и конденсации, снова становится Н2О.

Безусловно, топливный элемент в данном варианте предполагает использование специального электролизера, обеспечивающего выделение достаточного количества водорода для участия в возобновлённом гидролизе с кислородом. Основная проблема состоит в том, что в современных реалиях данный вариант практически невыполним. Современные технологии не гарантируют стабильность функционирования и беспроблемный запуск мотора при отсутствии атмосферного воздуха.

Особенности гибридных конструкций

Характеристики, которыми обладает водородное топливо, активно использовались многими конструкторами с целью создания уникального гидродвигателя внутреннего сгорания. Например, разработанный В.С. Кащеевым метод – это принципиально иная установка, имеющая не только традиционный подающий воздух впускной клапан и выпускное устройство отвода выхлопных газов, но и отдельный клапанный механизм подачи водорода, а также свечу зажигания в головке блоков цилиндров.

Несмотря на некоторые принципиальные отличия, механизм работы остаётся неизменным, поэтому любые гибридные силовые агрегаты принято считать переходной стадией от применения дизеля и бензина к использованию водородного топлива. Благодаря высоким показателям КПД, лёгкое химическое вещество вводится в состав топливно-воздушных смесей, что значительно повышает степень сжатия, а также снижает токсичность выхлопов. Кроме этого, взаимодействие кислорода с водородом сопровождается выделением достаточного количества энергии, которая нужна автомобильным электродвигателям.

Водород как горючее

Первым делом хочется понять, что собой представляет двигатель на водороде. А для этого нам необходимо изучить сам водород как эффективный источник энергии, то есть альтернатива привычному нам топливу.

Каждый прекрасно знает, что в обычном двигателе с системой внутреннего сгорания, который работает на бензине, происходит смешивание топлива с воздухом. Затем эта смесь поступает внутрь цилиндров, где и сгорает. Это создаёт энергию для перемещения поршней, что и способствует в итоге движению ТС.

У водорода есть свои нюансы, которые проявляются в следующем:

• когда сжигается смесь с использованием водорода, на выходе получается только обычный водяной пар;
• на воспламенение водорода уходит меньше времени, чем в случае с дизельным или традиционным бензиновым топливом;
• детонационная устойчивость вещества способствует увеличению степени сжатия;
• показатели теплоотдачи состава превосходят топливовоздушную смесь на 250%;
• водород является летучим газом, из-за чего он может проникать в малейшие полости и зазоры;
• лишь некоторые металлы способны справиться с воздействием воспламеняющегося водорода;
• такое топливо можно хранить в жидком или сжатом агрегатном состоянии;
• если ёмкость получает пробой или небольшую трещину, всё топливо испаряется довольно быстро;
• чтобы вступить в реакцию с кислородом, нижний уровень газа составляет 4%;
• последняя особенность позволяет настраивать необходимые оптимальные режимы для двигателя за счёт дозировки консистенции.

Если принимать во внимание все рассмотренные особенности, можно с уверенностью сказать, что вариант с использованием чистого водорода в обычном ДВС невозможен. Чтобы добиться желаемого, необходимо обязательно внести некоторые изменения в конструкцию, а также установить дополнительное оборудование.

В чём опасность такого топлива

Водород позиционируется как взрывоопасное вещество. Именно это можно справедливо считать главной опасностью и проблемой всей технологии водородных моторов.

Сочетаясь с окислителем, в качестве которого выступает кислород, увеличивается риск воспламенения, и также возникает угроза взрывов. Исследования показатели, что на воспламенение водорода уходит около десятой доли энергии, требуемой при воспламенении топливовоздушной смеси. Фактически можно обойтись небольшой статической искрой, дабы водород вспыхнул.

Есть ещё одна опасность. Газ невидимый, и даже в процессе горения его практически незаметно. Невидимость огня усложняет возможность бороться с ним.

Нельзя забывать об опасности вещества для самого человека. Находясь в зоне с повышенной концентрацией газа в воздухе, может наступить удушье. А распознать наличие вещества крайне проблематично. Объясняется это отсутствием запаха и цвета. То есть человеческий газ не способен его разглядеть, а нос не может разнюхать.

В качестве последнего аргумента в пользу того, что водород действительно опасен, выступает факт его очень низкой температуры в случае нахождения в сжиженном состоянии. Контакт с таким веществом способен спровоцировать обморожение.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 3 чел.
Средний рейтинг: 3.7 из 5.

Punch превратит дизельные двигатели в водородные. Старт производства — в 2024 году

• Главная
• Новости
• Punch превратит дизельные двигатели в водородные. Старт производства — в 2024 году

Автор: Андрей Ежов Фото: GM

Бельгийская Punch Group (та самая, что поставляет автоматические коробки на УАЗ) готовит к производству семейство водородных ДВС, основанных на дизельных двигателях General Motors. Такая конверсия позволит ускорить переход коммерческих автомобилей в Европе на экологически чистое топливо.

Мы уже не раз рассказывал о том, что водород, вопреки скепсису главы концерна Volkswagen, — единственная возможность относительно быстро сделать автомобильные грузоперевозки экологически чистыми. Магистральный электрический тягач классической конструкции — это огромная, тяжёлая (снижает грузоподъёмность машины) и очень дорогая батарея, на зарядку которой требуется много времени и энергии. Водородный тягач весит примерно столько же, сколько и дизельный, заправляется за считанные минуты и едет на одной заправке сотни километров при любой нагрузке и погоде.

Власти Евросоюза в прошлом году плотно взялись за водородную энергетику вообще и её применение в автомобильной промышленности в частности. В развитие водородной инфраструктуры вкладываются миллиарды евро, к 2030 году водородные заправки на европейских трассах будут встречаться каждые 150 км. Разворот европейской экономики в сторону водорода сопровождается появлением водородных стартапов и выходом на рынок коммерческих водородных моделей первой волны, в том числе конверсионных — например, от Stellantis и Renault.

Бельгийская Punch Group тоже впряглась в водородную гонку, при этом она делает ставку не на дорогие электрохимические генераторы, а на старые добрые двигатели внутреннего сгорания. В прошлом году после долгих уговоров Punch Group выкупила у GM ненужный ей центр разработок двигателей в итальянском Турине, сохранила работающий здесь коллектив из 700 с лишним человек и теперь хочет использовать их опыт для разработки ДВС нового поколения — водородных.

Основатель и гендиректор Punch Group Гидо Дюмари рассказал в интервью изданию Automotive News Europe, что намерен начать выпуск водородных ДВС уже в 2024 году и обещает большое разнообразие — мощность от 80 до 400 кВт (от 109 до 544 л. с.). На вершине линейки будет водородная конверсия джи-эмовского 6,6-литрового турбодизеля V8 Duramax (на заглавной фотографии), который был разработан здесь, в Турине, и на который у Punch есть права на реализацию везде кроме США. Более простые и массовые 4-цилиндровые (2,0 л) и 6-цилиндровые (3,0 л) двигатели разрабатываются по модульному принципу с единой 0,5-литровой камерой сгорания. Будет и совсем маленький, 1,5-литровый вариант с тремя цилиндрами, но сильно после 2024 года.

Punch планирует предлагать свои водородные ДВС в первую очередь для крупных коммерческих автомобилей, где инженерам-компоновщикам есть где развернуться. Сам водородный двигатель по конструкции несильно отличается от дизельного, но из-за высокой скорости сгорания в него необходимо впрыскивать воду, что повышает требования к коррозионной стойкости материалов. В теории к водороду можно адаптировать и бензиновый двигатель, но Дюмари говорит, что Punch берёт за основу дизели, так как у них больше ресурс, а для коммерческих машин это очень важно.

Площадка для выпуска водородных ДВС пока не выбрана, но Дюмари уверен, что с лёгкостью найдёт в Европе ненужный завод по производству дизельных двигателей, ведь продажи дизельных машин в Европе в последние годы под давлением экологической повестки стремительно падают. Сохранение хотя бы одного завода по производству дизелей — это социальное благо, по мнению Дюмари: рабочие останутся при деле, при этом новые двигатели будут экологически чистыми, как того хотят европейские власти.

Перевод на водород легковых машин тоже возможен, но не является приоритетной задачей, считает Дюмари. Легковушка с водородным ДВС, по его словам, требует примерно 100 л внутреннего объёма для размещения композитного бака с водородом — это серьёзный вызов для компоновщиков. В привязке к легковушкам Punch вдобавок экспериментирует с супермаховиками в качестве накопителей энергии, но это отдельная большая история. Главное сейчас — оперативно адаптировать наработки GM по части дизелей к водородному питанию и выпустить двигатели на рынок.

Добавим, что в декабре прошлого года Toyota анонсировала водородные ДВС и даже сделала экспериментальную водородную версию хот-хэтча GR Yaris, но сроков запуска в серийное производство таких двигателей японская компания пока не называла.

дизель новинки двигатели авто и технологии водородные авто

 

Новые статьи

Статьи / Авто с пробегом 5 причин покупать и не покупать Kia Cerato III (YD) Довольно большой, но недорогой седан в России не мог не понравиться покупателям. И Cerato понравился. Автомобили третьего поколения появились в 2013 году, и с каждым годом продажи только рос… 797 0 0 25. 12.2022

Статьи / Авто и технологии Километры дорог, тонны нефти, литры масла: блогеры Алексей Жирухин и Сергей Лысенко завершили поездку по «масляному маршруту» Алексей Жирухин и Сергей Лысенко вернулись в Москву после завершения четырнадцатидневного турне длиной в 12 000 км, пройдя весь путь получения масла – от скважины до потребителя. Сегодня – з… 395 0 0 23.12.2022

Статьи / Интересно Что делать, если после покупки машины обнаружился запрет на регистрацию или залог Одна из самых неприятных ситуаций при покупке подержанного автомобиля – это случай, когда новый владелец приезжает в ГИБДД для переоформления и узнает, что на машину наложен запрет на регист. .. 708 0 1 23.12.2022

Популярные тест-драйвы

Тест-драйвы / Тест-драйв Haval Dargo против Mitsubishi Outlander: собака лает, чужестранец идет В дилерском центре Haval на юге Москвы жизнь кипит: покупатели разглядывают машины, общаются с менеджерами и подписывают какие-то бумаги. Пока я ждал выдачи тестового Dargo, такой же кроссов… 19739 7 205 13.09.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв Мотор от Mercedes, эмблема от Renault, сборка от Dacia: тест-драйв европейского Logan 1,0 Казалось бы, что нового можно рассказать про Renault Logan второго поколения, известный каждому российскому таксисту, что называется, вдоль и поперёк? Однако конкретно в этом автомобиле есть. .. 15570 10 41 13.08.2022

Тест-драйвы / Тест-драйв Geely Coolray против Haval Jolion: бесплатный сыр? Если бы! Хотите купить сегодня  машину с полноценной гарантией, в кредит по адекватной ставке, без диких дилерских накруток? Сейчас это та еще задачка, ведь полноценную цепочку «представительство – з… 13022 26 30 10.08.2022

Преобразование бензинового двигателя в водородный

После успеха гибридных и электрических автомобилей пришло время для транспортных средств, работающих на топливных элементах или водородных элементах, другом виде устойчивого движения.

В Интернете можно приобрести комплекты, которые, как утверждается, «преобразуют» наши бензиновые и дизельные автомобили в водородные транспортные средства, заявляя об экономии топлива до 30%.

Как работает транспортное средство, работающее на водороде?

Топливный элемент превращает водород и кислород воздуха в воду, и именно этот химический процесс вырабатывает энергию, питающую стопроцентно электрический двигатель.

Уже более двух десятилетий существует технология водородных топливных элементов для автомобилей, но она не получила должного развития, поэтому такой автомобиль не предлагался на рынке.

Ситуация изменилась с новым топливным элементом Mirai от Toyota, и вполне вероятно, что, как и в случае с гибридными автомобилями, эта презентация послужит сигналом для других производителей пойти по стопам Toyota.

Можно ли переоборудовать обычный автомобиль в автомобиль на водородных топливных элементах?

Да, но любой инженер-механик скажет вам, что этот метод слишком дорог, чтобы оправдать усилия.

Верно также и то, что для перевода автомобиля с бензина или дизельного топлива на водород необходимо заменить двигатель, всю систему подачи и распределения топлива, трансмиссию и коробку передач. Иными словами, общая стоимость операции будет больше стоимости самого автомобиля.

Крупногабаритные и дорогостоящие автомобили внутреннего сгорания, такие как автобусы или грузовики для дальних перевозок, являются единственными обстоятельствами, при которых переоборудование имеет смысл, хотя каждый случай все равно необходимо оценивать индивидуально.

Что такое «комплекты для преобразования водорода»?

Наборы для переоборудования, доступные для покупки в Интернете, не имеют ничего общего с химическим процессом производства энергии, который мы описали. Это устройства, которые используют исключительно водород из воздуха для внесения изменений в систему сгорания дизельного или бензинового двигателя с конечной целью снижения потребления.

Иными словами, если установить один из этих комплектов, мы по-прежнему будем иметь теоретически оптимальный бензиновый или дизельный автомобиль. По следующим причинам мы говорим теоретически:

• Требуется модификация некоторых компонентов двигателя.
• Электрические компоненты системы смешивания и контроля выбросов подлежат замене.
• Рабочая температура двигателя почти наверняка будет выше, чем до установки пакета.
• Автомобиль не пройдет техосмотр, если в ITV будет обнаружен комплект или изменения.

Кроме того, желательно не рассматривать, что может произойти, если мы попали в аварию и двигатель загорелся, потому что возникает вопрос: возьмет ли страховка на себя ответственность, если обнаружится, что двигатель был модифицирован без необходимой омологации …

Как двигатели внутреннего сгорания могут способствовать нулевым выбросам

Статья (7 страниц)

Регулирующие органы ужесточают правила выбросов для дорожных грузовиков на многих крупнейших рынках мира (Иллюстрация 1). Начиная с 2030 года регулирующие органы в Европе потребуют от производителей сократить выбросы CO ₂ для новых дорожных грузовиков на 30 процентов по сравнению с уровнями 2019 года. ¹ 1. «Сокращение выбросов: Совет принимает стандарты CO ₂ для грузовых автомобилей», пресс-релиз Совета ЕС, 13 июня 2019 г., www.consilium.europa.eu.

Аудио

Прослушать эту статью

В Соединенных Штатах цель по сокращению выбросов к 2027 году на 46 процентов ниже уровня 2010 года. Пятнадцать штатов США, во главе с Калифорнией, имеют дополнительные требования, которые к 2030 году потребуют, чтобы 30 процентов продаваемых грузовиков были с нулевым уровнем выбросов. ² 2. «Стандарты выбросов парниковых газов и стандарты эффективности использования топлива для двигателей и транспортных средств средней и большой мощности», Федеральный реестр , 15 сентября 2011 г. , govinfo.gov; «Стандарты выбросов парниковых газов и стандарты эффективности использования топлива для двигателей и транспортных средств средней и большой мощности, фаза 2», Федеральный регистр , 25 октября 2016 г., govinfo.gov. Точно так же китайские регулирующие органы требуют от OEM-производителей сократить выбросы большегрузных автомобилей на 24 процента с 2021 года по сравнению с 2012 годом. Вероятны дополнительные долгосрочные цели, учитывая, что Китай недавно присоединился к растущей группе стран с целями нулевых выбросов на или до 2060 года.

Экспонат 1

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему веб-сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Пожалуйста, напишите нам по адресу: [email protected]

1. 2022: год в чартах
2. 2022: Год в изображениях
3. Состояние ИИ в 2022 году — обзор полутора десятилетий
4. Пиксели прогресса: детальный взгляд на человеческое развитие во всем мире
5. Что важнее? Шесть приоритетов для руководителей в неспокойные времена

Грузовики повышенной проходимости

традиционно подвергались меньшему контролю со стороны регулирующих органов; однако OEM-производители в внедорожные пространства ожидают растущего давления со стороны клиентов на декарбонизацию. За последние два года крупные горнодобывающие компании поставили перед собой амбициозные цели по обезуглероживанию, стремясь к охвату 1 и 2. ³ 3. Область 1 включает все прямые выбросы от деятельности организации, а область 2 включает косвенные выбросы. CO ₂ нейтральность. Например, Anglo American и Fortescue объявили о своих целях по достижению углеродной нейтральности уровня 1 и 2 к 2040 году в 2019 и 2020 годах соответственно. Компании BHP, Rio Tinto, Teck и Vale планируют достичь этого рубежа к 2050 году. Приблизительно 30 процентов выбросов парниковых газов (ПГ) категории 1 и 2 на шахтах вызваны дизельными двигателями, в основном от горнодобывающей техники, такой как самосвалы, грузовики, погрузчики, бульдозеры и экскаваторы. Сокращение этих выбросов до нуля потребует массового перехода на автомобили с нулевым уровнем выбросов в горнодобывающем секторе.

В то время как игроки в сфере строительства и сельского хозяйства отстают от горнодобывающих компаний, решений с нулевым уровнем выбросов в этих секторах также растет. Для строительных транспортных средств нормативы качества воздуха на уровне города усиливают правила обезуглероживания и направляют клиентов. до экскаваторов, погрузчиков, грейдеров и автопогрузчиков с нулевым уровнем выбросов. В условиях растущей обеспокоенности общества устойчивостью сельскохозяйственного сектора давление со стороны потребителей вполне может привести к быстрому переходу на сельскохозяйственные тракторы и опрыскиватели с нулевым уровнем выбросов.

Четыре технологии трансмиссии с нулевым уровнем выбросов используются для большегрузных дорожных и внедорожных транспортных средств

Существует четыре технологии с нулевым уровнем выбросов для приведения транспортных средств в действие: аккумуляторные электромобили (BEV), электромобили на водородных топливных элементах (FCEV), водородные двигатели внутреннего сгорания (h3-ICE) и двигатели внутреннего сгорания, работающие на биотопливе или синтетическом топливе (если используется устойчивый источник углерода). Гибридные и газовые двигатели представляют собой промежуточные технологии для сокращения выбросов в среднесрочной перспективе, но сами по себе они не могут обеспечить нулевой уровень выбросов.

Четыре технологии с нулевым уровнем выбросов имеют разные преимущества и недостатки, что приводит к разным уровням пригодности для разных типов транспортных средств (Иллюстрация 2).

Экспонат 2

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему веб-сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Пожалуйста, напишите нам по адресу: [email protected]

CO ₂ Выбросы. Хотя мы называем все четыре технологии нулевыми выбросами, выбросы CO ₂ , образующиеся в процессе производства электроэнергии, водорода или синтетического топлива, могут значительно различаться. Хотя BEV являются углеродно-нейтральными, если заряжаются исключительно от возобновляемых источников энергии, их использование в настоящее время приводит к высоким выбросам углерода при зарядке от сети в большинстве регионов (учитывая высокую углеродоемкость глобальной сети). Выбросы углерода при производстве водорода также сильно различаются, но их легче контролировать. Например, «зеленый» водород можно производить из 100% солнечной и ветровой энергии в регионах, богатых возобновляемыми источниками энергии, и доставлять его на любую заправочную станцию. Углеродоемкость для биотоплива и синтетического топлива зависит от источников биомассы и углерода соответственно.

Качество воздуха. В то время как BEV и FCEV не производят никаких выбросов в выхлопной трубе, двигатели h3-ICE по-прежнему выделяют оксиды азота (NOx), которые требуют последующей обработки, аналогичной той, которая применяется для дизельных двигателей (биотопливо и синтетическое топливо выделяют NOx и твердые частицы). Некоторые производители двигателей h3-ICE утверждают, что условия эксплуатации двигателя обеспечивают гораздо более низкое образование NOx, чем для дизельных двигателей, и, таким образом, их влияние можно считать нулевым. Будут ли эти двигатели пригодны для городских условий или для подземных горных работ, будет зависеть от конкретных уровней выбросов и пороговых значений, разрешенных местными правилами загрязнения воздуха.

Эффективность. КПД «бак-колесо» варьируется от 75–85 % для BEV до примерно 50 % для FCEV и примерно от 40 до 45 % для двигателей внутреннего сгорания. ⁴ 4. Сегодняшние двигатели внутреннего сгорания на водороде по-прежнему имеют более низкий КПД, чем ведущие дизельные двигатели (которые могут достигать до 45% КПД между баком и колесом), но после оптимизации они способны достигать более высокого КПД. Метрика «бак-колесо» отражает эффективность (использование топлива и образующиеся выбросы) от точки зарядки или заправки до слива во время движения; метрика «от скважины до колеса» также включает относительную эффективность производства и поставки различных источников энергии (бензин, дизельное топливо, электричество, водород, природный газ), включая транспортировку до точки зарядки или топливного насоса. На уровне «от скважины к колесу» различия еще более выражены: учитывая потери при преобразовании при производстве водорода из электричества и синтетического топлива из водорода, эффективность падает примерно до 35 процентов для FCEV, около 30 процентов для h3-ICE и около 20 процентов. процентов на синтетическое топливо. Полная эффективность для BEV зависит от того, где производится возобновляемая энергия (поскольку более длинные линии электропередачи означают более высокие потери) и используется ли быстрая зарядка.

В целом показатели эффективности являются приблизительными и различаются в зависимости от стиля вождения: двигатели внутреннего сгорания становятся более эффективными при более высоких нагрузках (стимул к уменьшению размера двигателя в дизельных автомобилях), тогда как двигатели FCEV наиболее эффективны при низких нагрузках (мотив для экономии топлива). -увеличение размеров клеток и гибридизация).

Хотите узнать больше о нашей автомобильной и сборочной практике?

Капитальные затраты на трансмиссию. Капитальные затраты следуют обратному порядку эффективности: высокая эффективность BEV влечет за собой дорогие батареи, в то время как менее эффективные водород и биотопливо/синтетическое топливо могут сжигаться в простых двигателях внутреннего сгорания, которые во многом идентичны современным дизельным двигателям — на самом деле, они могут быть даже менее дорогой, чем дизельные двигатели, из-за более низких требований к очистке выхлопных газов (хотя для разработки технологии необходимы дальнейшие исследования и разработки). Тем временем топливные элементы снова приземляются между ними. Таким образом, оптимальный компромисс между первоначальными капитальными затратами и текущим расходом топлива, который минимизирует совокупную стоимость владения (TCO), существенно различается в зависимости от типа транспортного средства и варианта использования. Например, размер и вес автомобиля определяют требуемую трансмиссию и количество потребляемого топлива. Схема вождения и маршрут, например время, затрачиваемое на ускорение, определяют эффективность трансмиссии и требуемый запас хода. Не менее важно, как региональные и местные рыночные условия формируют картину оптимизации совокупной стоимости владения, включая доступность и стоимость электроэнергии, водорода и биотоплива, а также необходимую инфраструктуру для подзарядки или дозаправки.

Другие ограничения. Наряду с эффективностью и капитальными затратами на совокупную стоимость владения различными силовыми агрегатами влияют дополнительные факторы: батареям требуется больше времени для перезарядки, чем любому другому топливу, будь то водород (для топливных элементов или сжигание) или биотопливо и синтетическое топливо. Это может привести к сокращению времени безотказной работы, что может повлиять на совокупную стоимость владения в случаях использования, требующих круглосуточной работы. И батареи, и водород требуют жертв в плане полезной нагрузки и/или места: батареи тяжелые, а топливные элементы и h3-ICE требуют больших баков. Таким образом, транспортные средства, которые особенно ограничены по полезной нагрузке или пространству, могут быть ограничены более энергоемким биотопливом или синтетическим топливом.

Следовательно, h3-ICE может быть жизнеспособным вариантом трансмиссии в различных условиях, включая карьерные самосвалы (Иллюстрация 3).

Экспонат 3

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему веб-сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Пожалуйста, напишите нам по адресу: [email protected]

Сжигание водорода — это зарождающееся решение, но оно может заполнить важную нишу за счет использования устоявшихся технологий и цепочек поставок

Среди четырех технологий с нулевым уровнем выбросов сжигание водорода все еще находится в зачаточном состоянии, несмотря на (неоднородную) историю, восходящую к двигателю де Риваза 1806 года, который работал на водородно-кислородной смеси. Долгое время двигатели внутреннего сгорания на водороде игнорировались, так как очень высокая стоимость водорода делала трансмиссию неэкономичной. Однако сегодня некоторые автопроизводители, поставщики комплектующих и стартапы пересматривают возможность сжигания водорода в качестве дополнительного компонента своих будущих портфелей силовых агрегатов, наряду с батареями и топливными элементами.

Несмотря на впечатляющие разработки, технологии аккумуляторов и топливных элементов еще не готовы удовлетворить требования очень высокой мощности, необходимые для суровых условий, которым подвергаются многие большегрузные автомобили (особенно в сегменте внедорожников). Например, карьерным самосвалам требуется мощность в несколько мегаватт, они работают круглосуточно и подвергаются сильным вибрациям и нагреву, а также воздействию грязи в воздухе. Двигатели внутреннего сгорания удовлетворяли этим требованиям на протяжении десятилетий, и переход с дизельного топлива на водород мог бы стать простым способом обезуглероживания этих двигателей с относительно небольшими требованиями к дальнейшим техническим инновациям.

Повышение рентабельности аккумуляторных электромобилей за счет снижения структурных затрат

Даже там, где аккумуляторы и топливные элементы технически осуществимы, сжигание водорода может занять нишу. Низкие капитальные затраты на двигатели внутреннего сгорания, снижение цен на водород и относительно высокий КПД, достигаемый двигателями h3-ICE при высоких нагрузках, создают условия, при которых сжигание водорода может быть конкурентоспособным решением по совокупной стоимости владения (Иллюстрация 4). Более того, поскольку двухтопливные двигатели внутреннего сгорания могут работать на водороде, сжиженном природном газе (СПГ) или дизельном топливе (или на смеси водорода и газа), в зависимости от их наличия, они могут способствовать обезуглероживанию тех сегментов транспортных средств, в которых снабжение водородом и инфраструктура еще не достигли полной покрытие.

Экспонат 4

Мы стремимся предоставить людям с ограниченными возможностями равный доступ к нашему веб-сайту. Если вам нужна информация об этом контенте, мы будем рады работать с вами. Пожалуйста, напишите нам по адресу: [email protected]

Помимо этих соображений, h3-ICE предлагают другие преимущества для OEM-производителей автомобилей и поставщиков компонентов: они используют современные инженерные ноу-хау и рабочие места, опираются на существующие цепочки поставок и производственные мощности в автомобильной промышленности и не создают устойчивости и целостности. проблемы, связанные с поставкой и переработкой драгоценных металлов или редкоземельных элементов.

Сжигание водорода и водородные топливные элементы дополняют друг друга, поскольку они процветают в одной и той же экосистеме

Одной из проблем, связанных с h3-ICE, является их предполагаемая конкуренция с водородными топливными элементами. Однако, несмотря на то, что есть некоторые приложения, в которых эти две технологии могут конкурировать, более вероятно, что обе они могут помочь увеличить долю водорода в будущем составе силовых агрегатов и способствовать успеху друг друга.

Для обоих силовых агрегатов наличие станций заправки водородом и стоимость водорода на насос являются ключевыми факторами, которые определят успех и вызывают наибольшую озабоченность сегодня. Однако для обоих силовых агрегатов требуется (в основном) одинаковая инфраструктура. ⁵ 5. Двигатели внутреннего сгорания на водороде требуют более низкого уровня чистоты водорода, чем топливные элементы. Соответственно, они могут использовать водород, предусмотренный для FCEV, но дополнительно использовать менее дорогой водород в системе заправки двойного класса, где это возможно. ; таким образом, каждый автомобиль h3-ICE поможет снизить затраты на водородные топливные элементы и наоборот. Точно так же обе силовые установки используют одну и ту же технологию водородного бака, что составляет значительную долю общих затрат на силовую установку. Предоставление OEM-производителям и поставщикам резервуаров возможности амортизировать НИОКР и капиталовложения в отношении большего количества транспортных средств поможет снизить кривую затрат для всех транспортных средств, работающих на водороде, и поддержит конкурентоспособность обоих решений. Наконец, некоторые игроки активно разрабатывают гибридные решения с водородными двигателями внутреннего сгорания, топливными элементами и батареями, чтобы максимизировать эффективность при переменных профилях нагрузки.

Достижение нулевого уровня выбросов в транспортных сегментах во всем мире является огромной проблемой; тем не менее, h3-ICE могут играть свою роль в нескольких приложениях, предоставляя дополнительные решения для FCEV и BEV.

Преимущества

h3-ICE включают меньшие потери полезной нагрузки и требования к пространству, более быстрое время дозаправки по сравнению с грузовиками BEV, более низкие затраты и более высокие допуски на тепло и вибрацию. Этими преимуществами могли бы воспользоваться различные сегменты транспортных средств, в том числе следующие:

• легковые автомобили, такие как эвакуаторы
• транспортных средств средней грузоподъемности, таких как среднемагистральные и пожарные машины
• большегрузные автомобили, такие как бетоновозы
• Горнодобывающая и строительная техника, такая как гусеничные бульдозеры, экскаваторы и самосвалы
• сельскохозяйственные транспортные средства, такие как уборочная техника и тракторы

Несколько игроков, в том числе OEM-производители автомобилей, поставщики двигателей, инженерно-сервисные компании и стартапы h3-ICE, уже изучают возможности сжигания водорода в рамках своих предложений по снижению выбросов на дорогах и внедорожных транспортных средствах.