Стало популярно применять гибриды с использованием электропривода от аккумуляторных батарей и двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Но можно ли создать гибрид без использования ДВС? Можно, если электрическую энергию расходовать не только из аккумуляторных батарей, а и получать напрямую из топлива, например, водорода. Для этого используются топливные элементы. И таких автомобилей разрабатывается все больше.
Концепт A7 h-tron - это два электродвигателя, размещенные на передней и задней осях; между ними нет механической связи, и они управляют обеими осями независимо друг от друга - приводятся в действие все четыре колеса - привод Audi Quattro. Суммарная мощность автомобиля составляет 228 л.с. с максимальным крутящим моментом 540 Нм.
Топливный элемент в A7 устанавливается вместо обычного двигателя и содержит более 300 отдельных элементов, образующих батарею. Сама ячейка состоит из полимерной мембраны, и на обеих сторонах этой мембраны находится катализатор на основе платины.
Гибридный Audi A7 Sportback h-tron Quattro способен проехать 500 километров на баке горючего, при этом в качестве выхлопа выступает вода. Авто использует электропривод с водородным топливным элементом в качестве источника энергии в сочетании с гибридной батареей и дополнительным электродвигателем на задней оси. Разгон до 100 км/ч – 7,9 секунд, максимальная скорость - 180 км/ч. Полная зарядка литиевых батарей при отключении водородных топливных элементов позволит проехать еще полсотни километров.
У водородных топливных элементов очень высокий КПД - 60%. У лучших двигателей внутреннего сгорания этот коэффициент составляет 35-40%.
Наиболее экологически чистый способ получения водорода состоит в электролизе воды. В результате электрохимических реакций получается водород и кислород. Проблема этого способа состоит в энергоемкости. Необходимо большое количество электроэнергии. И здесь будущее за использованием ВИЭ. По мере удешевления производства, например, электроэнергии солнечных элементов электролиз воды для получения водорода вполне может конкурировать с химическими способами получения водорода из газа.
Хотя водород горюч и должен содержаться под высоким давлением инженерами уже решены эти проблемы. Зато загрузка водорода под давлением в автомобильный топливный элемент занимает считанные минуты в отличие от зарядки нынешних аккумуляторов.
Преимущества водородных топливных элементов настолько очевидны, что автомобильный транспорт уже в ближайшие годы начнет переход на них.
Современный водородный автомобиль представляет разновидность электромобиля, так как движение осуществляет электрический двигатель. В водородном топливном элементе производится электроэнергия, которая направляется в буферный аккумулятор, а затем после преобразования инвертором в переменный ток и повышения напряжения подается на зажимы электродвигателя. При этом буферный аккумулятор по сравнению с электромобилем значительно меньшей емкости и габаритов, так как он не является главным источником энергии.
Что касается емкости заряда аккумулятора, Audi A7 Sportback h-tron quattro проезжает до 50 километров (31,1 мили). Аккумулятор в задней части гибридного модуля может быть свинцово-кислотным. В зависимости от напряжения и тока, полная перезарядка занимает от двух часов (промышленная розетка / 360 вольт) до четырех часов (внутренняя розетка на 230 вольт).
Аккумулятор работает на уровне напряжения, отличном от уровня топливного элемента. По этой причине устанавливается преобразователь постоянного тока (DC / AC) между двумя компонентами. Этот трехпортовый конвертер находится за стеком. Во многих рабочих состояниях он выравнивает напряжение, позволяя электродвигателям работать с максимальной эффективностью 95 процентов.
Силовая электроника в передней и задней части автомобиля преобразует постоянный ток от топливного элемента и батареи в переменный ток для электродвигателей для привода переднего и заднего мостов отдельно.
Два электродвигателя, каждый из которых имеет мощность 85 кВт или даже кратковременно до 114 кВт, если напряжение временно повышается. Пиковый крутящий момент электродвигателя составляет 270 Н·м. Корпуса электродвигателей включают планетарные зубчатые передачи с передаточным отношение 7,6: 1.
Суть процесса работы топливного элемента
Водород из резервуара подается на анод (положительно заряженный электрод), затем он разбивается на электроны и протоны. Разделенные электроны подают электроэнергию, отдельная ячейка обеспечивает напряжение в пределах 0,6-0,8 вольт. Между тем, протоны устремляются к катоду, реагируя с воздухом (кислородом) с образованием водяного пара.
Турбокомпрессор - нагнетает воздух в топливный элемент, а вентилятор выталкивает неиспользованный водород обратно на анод. Топливный элемент работает в диапазоне напряжений от 230 до 360 вольт. Турбокомпрессор, вентилятор и насос охлаждающей жидкости используют электричество от топливного элемента.
Элемент позволяет провести высокоэнергетическую реакцию H2 + O2 → H2O в спокойном режиме, без взрыва, который сопровождает ту же реакцию в водородном двигателе внутреннего сгорания. Результатом реакции является вода и энергия. Сам топливный элемент Audi содержит более 300 отдельных ячеек, ядро каждой из которых представляет собой полимерную мембрану. Катализатор по обе стороны мембраны создан на основе платины. Напряжение составляет от 230 до 360 вольт. Получаемая энергия запасается в литиево-ионном аккумуляторе.
1 кг топлива необходим на 100 километров, так что полный бак позволит проехать 500 километров. Заправка водородом занимает около трех минут, как и в случае с авто с двигателем внутреннего сгорания. После отключения топливного элемента он позволит проехать 50 километров на полном заряде.
Топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент, но с существенной разницей. Вещество для реакции не хранится в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода. Она же и выходит наружу в виде выхлопа.
Перспективы водородных энергетических систем
В Токио в конце сентября текущего года прошла встреча министров энергетики и руководителей энергетических структур из более чем 30 стран. На ней обсуждались перспективы водородных энергетических систем в мире на предстоящее десятилетие. Как сообщает агентство Kyodo News, в постановлении совещания названа цель добиться, чтобы через 10 лет в мире было «10 миллионов транспортных средств с водородными системами» и «10 тысяч станций заправки водородом». В январе 2017 года по инициативе японских компаний Toyota Motor Corp. и Air Liquide был создан Hydrogen Council - Международный совет по водородным технологиям. В него вошли 27 концернов, фирм и компаний, в том числе, кроме японских, Audi, BMW, Daimler, Shell, Total и др. Переход на водород позволит значительно сократить выбросы СО2 в таких отраслях, как транспорт, химическая промышленность и металлургия.
Однако, такие революционные переходы влекут за собой коммерческие, финансовые и социальные изменения. Чаще всего сложные и местами весьма болезненные. Последние, во многом связаны с быстротой перемен и недостаточным временем на подготовку к ним.
Завтрашний день наступает сегодня
NEXO - это второе поколение кроссовера на топливных элементах от Hyundai Motor, который компания позиционирует, как наиболее передовое транспортное средство с нулевым уровнем выбросов. Благодаря новой системе топливных элементов, Hyundai Motor сумела всесторонне развить технологии предыдущей модели. Общая эффективность и экономия топлива делают кроссовер NEXO безапелляционным лидером своего сегмента.
NEXO - это один из лучших автомобилей с отсутствием вредных выбросов, который применим для повседневной эксплуатации. Электрический двигатель автомобиля имеет максимальную выходную мощность 120 кВт (163 л.с.) и крутящий момент в 395 Нм. NEXO разгоняется от 0 до 100 км/ч за 9,2 секунды и достигает максимальной скорости в 179 км/ч.
Экологически чистый силовой агрегат на топливных элементах имеет повышенную скорость утилизации водорода и производных компонентов. Это приводит к превосходным показателям эффективности трансмиссии, которая позволяет кроссоверу NEXO иметь запас хода около 800 км согласно циклу NEDC - что лучше, чем у любого другого автомобиля на топливных элементах и многих электрокаров. Данный запас хода сравним с диапазоном двигателя внутреннего сгорания и позволяет водителям путешествовать на большие расстояния.
Новая платформа транспортного средства позволила объединить три идентичных резервуара с объемом 52,2 литра водорода на каждый, однако несмотря на более высокую емкость хранилищ для топлива, NEXO требуется всего пять минут для полной дозаправки. Важной особенностью новой трансмиссии автомобиля, является возможность ее работы в условиях экстремальных температур окружающей среды.
Наряду с энергетическим преимуществом топливные водородные элементы обладают и экологическими. Разработчики водородного кроссовера Hyundai Nexo уверяют, что их авто не только не выбрасывает в атмосферу вредные вещества, но и очищает за час несколько десятков килограммов воздуха, которых может хватить более чем на 40 человек. Сообщается, что 10 тыс. подобных водородных кроссоверов на улицах мегаполисов могут заменить около 600 тыс. деревьев.
К тому же водород является одним из наиболее распространенных элементов в природе, в отличие от основных элементов батарей для электрокаров - лития и кобальта, за которые компании уже ведут настоящие войны.
