Водородные заправочные станции
Электротранспорт на водородных топливных элементах набирает все большую популярность. Это неудивительно – использование водорода в качестве источника электричества для силовой установки позволяет решить основные проблемы электромобилей – продолжительное время зарядки и небольшой пробег. При этом транспортное средство на водороде также не дает выхлопа и работает практически бесшумно, но заправить его можно всего за несколько минут, а дальность пробега без дозаправки становится такой же, как и у традиционных бензиновых авто.
По данным Международного энергетического агентства, только в 2021 году в мире продано около 8 тысяч автомобилей на водородных топливных элементах. Европейская экономическая комиссия ООН оценивает количество водородных автомобилей в 15 тысяч и считает, что их количество будет только расти. Эксперты предполагают, что к 2050 году в мире четверть транспорта будет использовать в качестве источника энергии водород.
В России также активно идет работа над развитием водородного транспорта. До 2024 года будет выделено финансирование на федеральный проект «Электроавтомобиль и водородный автомобиль». В список пилотных территорий для развития электро- и водородной заправочной инфраструктуры вошли восемь регионов страны.
Основным фактором, сдерживающим развитие водородного транспорта в России, пока является отсутствие заправочной инфраструктуры. Однако в планах правительства Российской Федерации запуск первых 100 заправочных станций для водородного транспорта уже к 2025 году.
Пока единственная действующая водородная заправка, для автономности оснащенная промышленным бесщелочным генератором водорода производства ООО «Поликом», находится на территории ФИЦ ПХФ и МХ РАН в городе Черноголовка Московской области. Этот экспериментальный объект предназначен для испытаний различных типов водородного транспорта.
ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЗАПРАВОЧНОЙ СТАНЦИИ (ВЗС)
Типичная цепочка работы ВЗС обычно включает в себя:
- Источник водорода (обычно это электролизер, установка по производству водорода из метана, источник привозного водорода)
- Промежуточный накопитель водорода низкого давления
- Модуль заправочной станции
- Промежуточный накопитель водорода высокого давления
- Заправляемое транспортное средство
Иногда некоторые узлы этой цепи изготавливают объединенными с другими
МОДУЛЬ ЗАПРАВОЧНОЙ СТАНЦИИ
Модуль заправочной станции обеспечивает сжатие водорода до 400 бар, а также коммутацию водорода для заполнения накопителя водорода высокого давления и последующей быстрой заправки транспорта
Типичный состав модуля заправочной станции:
- Утепленный контейнер со всеми необходимыми системами
- Мембранный компрессор на давление 400 атм
- Порты для подключения накопителя высокого давления
- Шкафы электроавтоматики и системы безопасности
- Газовая подсистема
- Заправочный пистолет и узел учета
- Система управления для согласования с модулем генератора водорода
ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЗС НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАТОРА ВОДОРОДА (ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА) ПОЛИКОМ ДЛЯ ЗАПРАВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С РАБОЧИМ ДАВЛЕНИЕМ 350 АТМ
Генератор водорода производит водород, который запасается под давлением до 40 атм в накопителе низкого давления. По мере его заполнения включается водородный компрессор, который перекачивает водород в накопитель высокого давления, где он запасается при 400 атм.
Заправка транспортного средства осуществляется с помощью заправочного рукава и пистолета путем перепуска водорода из накопителя высокого давления в бак транспортного средства. При этом контролируется скорость перетекания водорода, его температура и давление. Узел учета фиксирует указанные параметры, а также вычисляет количество поступившего водорода.
Во избежание перегрева бака транспортного средства обычно производят переохлаждение водорода «на лету» во время процесса заправки. Для этих целей используют охладитель водорода на базе низкотемпературного чиллера.
В более современных протоколах заправки используется инфракрасный интерфейс для обмена данными между транспортным средством и заправочным пистолетом. С помощью этого интерфейса транспортное средство в режиме реального времени сообщает ВЗС о состоянии собственного бака, в частности о давлении водорода, температуре и степени заполнения.
Как заправлять машину на водороде
Заправить автомобиль водородом очень просто. Будь то автомобиль, автобус, грузовик или вилочный погрузчик, вам нужно только учитывать давление, при котором должно выполняться заполнение, поскольку от используемого дозатора и различных компонентов будет зависеть это в операции
Номенклатура, которая была стандартизирована, указывает на две возможности в открытых для публики сервисных станциях, которые существуют в настоящее время.
H35
H35 соответствует давлению наполнения 350 бар, или что то же 35 МПа (откуда идентификационный номер). Это давление в основном используется в тяжелых транспортных средствах, будь то автобусы или грузовые автомобили, поскольку оно позволяет использовать менее тяжелые и более экономичные резервуары для хранения за счет большего места на шасси транспортного средства. Кроме того, как хранение, так и использование водорода при таком давлении оказывается проще.
Н70
H70 соответствует давлению 700 бар или 70 МПа, используемому небольшими частными транспортными средствами, такими как автомобили или вилочные погрузчики, поскольку в них не так много места для размещения баков. Для увеличения автономности увеличено давление Н2, но и хранение дороже, и вес бака увеличен.
Заправка проста и аналогична заправке дизельным топливом или бензином. Заправочный штуцер снабжен инфракрасным соединением, что предотвращает избыточное давление и повышает безопасность заправки, так как при неправильном расположении заправочного пистолета зарядка автомобиля невозможна.
Для автомобилей, представленных на рынке, и с давлением H70, насос начнет заполнять бак со скоростью около 100-120 граммов в секунду, что будет означать, что заправка 5 килограммов будет завершена примерно за одну минуту. Эта скорость будет зависеть от типа насоса, который есть на СТО, где мы заправляемся.
Для большегрузных автомобилей форсунка немного отличается, но операция заправки также проста.
Разъемы для H70 или H35 разные, поэтому нет возможности перепутать, хотя в случае с H70 есть две очень распространенные модели: TK16 и TK17, хотя именно TK17 навязывается как эталон решения.
ТК16
TK17
Для H35 в качестве решения стандартизирован TK25.
Три минуты на заправку: Россия тестирует машину на водороде
Водородная машина производит довольно много воды. При условии, что энергия для расщепления воды будет производиться солнечными панелями или силой ветра, то водородное топливо по истине можно считать абсолютно экологически безвредным. И главное, все необходимые технологии не просто есть, но и уже работают.
Ученые из Черноголовки создали генератор сверхчистого первого элемента таблицы Менделеева. Это значительно удешевит процесс производства водородного топлива. Установка вырабатывает его из обычной воды. Как такое возможно и когда машины начнут заправляться этим газом?
Не торопясь, аккуратно, автомобиль подъезжает к колонке.
– Мне чистый, водородный.
Первая в России опытная водородная заправочная станция работает на территории Института проблем химической физики РАН. Процесс заправки мало чем отличается от такового на обычной АЗС Разве, что пистолет герметичный.
– Да. За три минуты?
Машина, по сути, обычный электромобиль, только вместо аккумуляторов – водородное топливо. Объем бака, в сравнении с бензиновыми, крошечный.
На топливе в 5,5 килограмма машина может проехать 600 километров пути. А потом можно снова заправиться, всего за три минуты.
Причем даже сейчас, при опытном производстве, цена топлива на километр пути ниже, чем бензин и дизель.
– Условно, килограмм водорода по себестоимости электричества мы получаем около трехсот рублей, – поясняет заместитель руководителя центра компетенций НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии ФГБУН института проблем химической физики РАН Алексей Левченко.
Производит топливо будущего установка, сделанная полностью из российских компонентов. И получают топливо из обычной водопроводной воды.
Этот электрохимический процесс на самом деле известен человечеству уже почти двести лет. При электролизе, под воздействием электрического тока, вода расщепляется на исходные молекулы. На одном электроде собирается кислород, на другом – водород.
Проблемой всегда было, как хранить полученный газ. В подмосковном институте его научились сильно упаковывать.
– Это тысяча двести литров водорода в пересчете на газообразное состояние, – демонстрируется компактный бак.
Российское ноу-хау в том, что газ внутри находится не в привычном, сжиженном состоянии, а в атомарной форме. Давление внутри – не больше, чем в автомобильной шине.
– Это наша разработка. Мы компактно, безопасно храним водород при относительно низком давлении, по сравнению с давлением, при котором он хранится в обычных баллонах», – поясняет завлабораторией водородного аккумулирования ФГБУН института проблем химической физики РАН Борис Тарасов.
Такой баллон называется водородный аккумулятор. Для того, чтобы получить из газа электроэнергию, его нужно подать на топливные элементы. На вид это обычные металлические пластины, собранные в гармошку.
– Здесь мощность порядка 100-120 ватт. Как пример, самый мощный ноутбук потребляет такую же мощность, – приводит пример для сравнения Алексей Левченко.
Чем больше топливный элемент, тем больше мощности.
В институте экспериментируют почти со всем, у чего есть электродвигатель. С небольшим автобусом – прототипом городского транспорта. В воздух уже поднялись десятки коптеров. На небольшом водородном аккумуляторе они парят в воздухе почти час. Протестирован беспилотник, своей очереди ждет небольшой самолет. Но самое поразительное даже не в том, что сырьем для его изготовления служит обычная вода, А то, что дав энергию, все возвращается в начало.
Последние дни на улице довольно дождливо. С водородной машиной примерно то же самое: она тоже производит довольно много воды, причем это ее выхлоп. Выхлоп – обычная вода, на вкус – вода как вода.
При условии, что энергия для расщепления воды будет производиться солнечными панелями или силой ветра, то водородное топливо по истине можно считать абсолютно экологически безвредным. И главное, все необходимые технологии у нас не просто есть, но и уже работают.
Водородные автомобили: особенности, характеристики и ТОП-7 моделей
Альтернативные источники энергии – один из лучших способов сохранить окружающую среду, загрязняемую продуктами сгорания бензина, дизтоплива и даже метана или пропана.
Водород в этом плане безопаснее. Но автомобильные концерны не спешат переходить на выпуск транспорта с водородными топливными элементами (FCEV).
FCEV – fuel cell electric vehicles – это электромобиль на топливных ячейках (элементах). В таком автомобиле используется топливный элемент вместо батареи или в сочетании с батареей или суперконденсатором для питания его бортового электродвигателя.
Для этого есть немало причин – цены, неразвитая инфраструктура, опасность производства топлива для окружающей среды.
Хотя водородные автомобили уже существуют – почти все модели только в виде концепта, и только некоторые выпускаются серийно.
Особенности заправки водородом
Работающие на водородном топливе авто заправлять сложнее, чем привычный транспорт. Заправка выполняется газом в сжатом или сжиженном состоянии.
При этом водород уменьшается в объёме почти в 850 раз, температура в жидком виде достигает –259°C, а давление газа – 350 или 700 атмосфер.
На большинстве заправок топливо продаётся в газообразном состоянии. Жидкость встречается только на 10% станций. Использующих её машин тоже немного, включая выпускавшуюся в 2007-2008 годах модель BMW HydroGen 7 и авто HydroGen3 от GM с баками для газообразного и жидкого водорода.
Время заправки водородным топливом составляет около 5 минут. Примерно столько же тратится на заполнение полного бака бензинового транспорта. Современные технологии позволяют уменьшить это время до 3 минут – быстрее, чем придётся ждать на заполнение баллона с природным газом.
Работа установок по генерации водорода
Водородные заправочные станции (ВЗС) могут быть мобильными, стационарными и домашними. Первый вид предназначен для заправки автомобилей в местах без подходящей инфраструктуры.
Стационарные заправки обычно принадлежат крупным компаниям и продают водородное топливо автомобилистам. Большая часть таких станций находится в Канаде и США, Китае, Японии и Германии.
Домашняя заправка – комплект оборудования для частного использования. Производит до 1000 кг чистого водорода в год – достаточно для ежедневной заправки 1-5 автомобилей. Газ производится методом гидролиза воды в ночное время, чтобы не создавать резких скачков напряжения в электросети.
По объёмам выпускаемой продукции стационарные станции делят на три типа:
- малые, выпускающие до 20 кг водорода в сутки (хватит на заправку 5-10 автомобилей);
- средние, обеспечивающие ежедневную заправку 250 легковых авто или 25 грузовых – норма выработки от 50 до 1250 кг в день;
- промышленные – заправляют больше 500 авто в сутки, предоставляя от 2500 кг газа.
В конструкцию водородной заправки входит электролизёр, системы очистки и хранения водорода, компрессор (если топливо находится в газообразном состоянии) и диспенсер, обеспечивающий раздачу водорода потребителям. Причём, на малых и средних станциях газ может выпускаться как с помощью электролиза воды, так и за счёт каталитического риформинга углеводородов – процесса, проводимого при температуре около 500 градусов и давлении до 4 МПа.
Сколько будет стоить заправка для водородных авто
Рыночная стоимость водорода в Европе сейчас составляет около 9 евро за килограмм, что соответствует примерно 45 евро для полного бака автомобиля Toyota Mirai . При запасе хода в 500 км сумма получается на уровне 9 евро на 100 км. Если учитывать, что стоимость бензина на европейских заправках около 1,3-1,35 евро, потребление водородного авто примерно соответствует среднему расходу седана с бензиновым мотором 1,5-2 литра в комбинированном режиме.
С одной стороны, это не много – но только, если не сравнивать с электромобилями. При использовании электродвигателей владелец автомобиля Tesla Model S или Toyota Prius потратит около 2,5 евро на то же стокилометровое расстояние. Поэтому, пока цена на водород для автомобилей не снизилась хотя бы до 25-30 евро за полный бак, преимущество останется за электрокарами.
Есть ли будущее у водородных авто
Машины, работающие на водородном топливе, не выделяют в воздух углекислого газа, а, значит, не вредят окружающей среде и не способствуют глобальному потеплению.
Это преимущество – серьёзный повод для перехода на этот газ, но не единственный.
Есть у водородных авто и другие плюсы:
- Бесшумная работа. В отличие от ДВС, водородные двигатели практически не создают шума.
- Высокий крутящий момент в самом начале движения. Причина – использование в конструкции таких автомобилей только электрических моторов.
- Большой рабочий диапазон. 1 грамм водорода позволяет получить втрое больше энергии по сравнению с 1 г бензина.
- Быстрая заправка. Новые технологии позволяют залить бак с водородом быстрее, чем будет заряжаться любой электромобиль, и почти так же быстро, как заливается бензин.
- Запас хода до 500-600 км, превышающий показатели большинства электромобилей. Конечно, с бензиновыми авто эта цифра не сравнится – но разница не такая большая. У многих работающих на бензине машин дальность поездки с полным баком не превышает 800-900 км.
Среди серьёзных минусов отмечают, что водородное топливо пока слишком дорогое по сравнению с электричеством.
Даже, если сравнивать его с бензином (цена 1 км пути почти одинакова), стоит уделить внимание высокой стоимости водородных автомобилей. Переплачивая за электрокар, можно рассчитывать на экономию в будущем – переплата за машину с водородным двигателем не окупится.
Внимание! Среди других минусов водорода стоит отметить его взрывоопасность, необходимость хранения в специальных баллонах, уменьшающих внутреннее пространство багажного отделения, и вредное влияние газа на металлические части цилиндропоршневой группы. Усиливая конструкцию автомобиля, производители сделают машины с водородными двигателями ещё дороже. Ещё один важный момент, влияющий на распространённость автомобилей FCEV – неразвитая инфраструктура заправок.
С одной стороны, причин для отказа от водородного топлива в качестве конкурирующего с электричеством варианта, достаточно.
С другой – проблему с заправками уже решают правительства разных стран – Китая, Японии, Германии.
Так, в КНР к 2030 году планируется установить больше 1000 водородных станций, число японских ВЗС превысило сотню, немецких – 50.
Интерес к развитию технологии проявили такие известные производители как VW, GM, Daimler AG и BMW. Когда заправок будет больше, водородный транспорт станет серийным, популярность FCEV может увеличиться.
Реальные водородные авто – ТОП-7 моделей
Серийного транспорта с водородными двигателями почти нет. Но в списках продукции нескольких автопроизводителей можно найти несколько машин, которые выпускались в количестве больше 1-2 выставочных экземпляров.
Цена на них не способствует повышению спроса, но у каждого авто есть свои впечатляющие особенности – от большого запаса хода до приличной динамики.
Toyota Mirai
Модель известной японской марки создана после десятков лет разработок. Компания «Тойота» занималась технологией больше 23 лет, после чего выпустила автомобиль Mirai сначала на японский ,а затем на американский рынок.
В Калифорнии в течение 2015 года было продано 836 машин, а до конца года бренд рассчитывает увеличить общее число продаж до 30 тыс. экземпляров. Запас хода авто – до 500 км, максимальная скорость – 178 км/ч.
На автомобиле установлен фронтальный радар, а бортовая система распознаёт препятствия и автоматически включает тормоза. Ещё одна система помощи водителю контролирует полосу движения, подавая водителю сигнал при смещении в сторону.
Для управления навигацией и контроля микроклимата в салоне автомобиля установлено два сенсорных экрана.
Honda Clarity
Первые продажи автомобиля FCX Clarity ещё одного известного автоконцерна Honda были отмечены в 2016 году.
Машина способна проехать до 600 км – это максимум для такого транспорта и больше, чем у любого электрического авто в нормальном режиме езды. Притом, что заряжается водородная модель всего за 5 минут.
Купить машину можно было в конце 2000-х годов в японских и калифорнийских салонах – именно в этом штате крупнейшая в мире инфраструктура для такого транспорта.
Продажи автомобиля продолжались до 2014 года, после чего компания заявила о выходе ещё одной версии – Clarity Fuel Cell.
Заявленная стоимость модели – почти 8 миллионов иен ($72 тысячи), на 5% выше, чем у главного конкурента, модели Toyota Mirai. На одной заправке водородным топливом под давлением 700 атм. машина сможет проехать до 650-700 км.
Размеры машины позволяют ей быть пятиместной, а не четырёхместной, как у «Тойоты». Мощность мотора – 177 л.с., а спрятанных под передними сиденьями топливных элементов – 100 кВт.
Ford Airstream
Автомобиль Ford Airstream – разработанная в 2007 году концепция гибридного авто – с электромотором и водородными элементами.
Впервые представили её в Детройте, а базой для разработки послужила разработка HySeries Drive. Кроме водородных топливных элементов машина использует для движения Li-Ion батареи. Аккумуляторы могут заряжаться от работающего на водороде двигателя.
Работая на электричестве, машина проезжает до 40 км – это примерно 40% общей мощности АКБ. После этого включается мотор на водороде.
Максимальная скорость транспортного средства – 135 км/ч, в баке помещается до 4,5 кг водородного топлива под давлением 350 атм. Таких показателей достаточно для того чтобы проехать без заправки до 485 км пробега.
Mercedes-Benz GLC F-CELL
Компания Mercedes-Benz разработала машину GLC F-Cell , разработчики которой утверждают о возможности проехать до 50 км на электричестве и до 500 км – на водородном топливе. Бак для водорода заполняется в течение 3 минут.
Автомобиль поступил в продажу в 2017 году и стал первым серийным транспортным средством, в котором есть и водородные топливные элементы, и возможность зарядки от электрической розетки.
Покупателями только что сошедших с конвейера авто стали несколько немецких министерств, фирмы H2 Mobility и NOW, железнодорожная компания Deutsche Bahn, администрации городов Гамбург и Штутгарт.
Автомобиль имеет 211-сильный двигатель и баллоны, в которых вмещается 4,4 кг водородного топлива. Этого хватает на 430 км пробега, а ещё 51 км машина может проехать на аккумуляторе.
Водителю доступно три режима – гибридный, для оптимального распределения энергии между двумя источниками, F-Cell – для работы только с водородом и Charge, позволяющий аккумулятору заряжаться во время движения.
Предполагается, что машина будет использоваться в качестве обычного электрокара на небольших расстояниях, и как авто на водородном топливе при поездках на значительные дистанции.
Pininfarina H2 Speed
Водородный автомобиль Pininfarina создан одноимённой итальянской компанией, занимающейся разработками дизайна спорткаров.
Модель получилась близкой к гоночным – например, до 100 км/ч она разгоняется за 3,4 секунды. Максимальная скорость – 299 км/ч, запасы водорода в баке – 6,1 кг.
Транспортное средство получило систему рекуперативного торможения и контроля тяги. Стоит оно целых 2,5 миллиона долларов, поэтому отсутствие Pininfarina H2 Speed в продаже нельзя назвать серьёзной проблемой – купить бы её смогли немногие. Кроме двигателя, работающего на водороде, авто комплектуется аккумулятором на 20 А-ч и электромоторами общей мощностью 370 кВт.
BMW Hydrogen 7
Машина, работающая на жидком водороде и бензине. Транспортное средство создано на базе популярной BMW «семёрки», но получило не только бензобак на 74 литра и водородный баллон на 8 кг. Максимальный пробег на водороде – 480 км, на бензине – 300 км.
Машина переключается на другой вид топлива автоматически, хотя предпочтение отдаётся именно водородным элементам. Мощность транспортного средства при работе на водороде – 228 л.с., на бензине – 260 л.с. Скорость транспорта – 229 км/ч, разгон до сотни выполняется всего за 9,5 секунд.
Hyundai Nexo
Компания Хёндэ (Hyundai) одна из первых занялась продажами серийных авто на водороде.
Хотя о массовых продажах модели Nexo говорить не приходится – она предназначена только для определённых рынков и выпускается в ограниченном количестве. Запас хода автомобиля – 600 км.
Мощность двигателя авто сравнительно небольшая – 161 лошадиная сила. Зато оно получило впечатляющий крутящий момент – 395 Н·м. Время разгона до сотни – 9,5 секунды. Цены на авто начинаются в Европе с 69000 долларов.
Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.