Метка «топливных элементах»

11 декабря

«Водородная» история Hyundai

26 февраля 2013 года произошло знаменательное событие – с конвейера завода Hyundai в Ульсане сошел первый в мире серийный «водородомобиль» ix35 Fuel Cell. К этому дню корейцы шли целых 13 лет. Еще в 2000 году Hyundai запустил свою программу по созданию электромобиля на топливных элементах. К октябрю этого же года был создан первый прототип такого автомобиля на базе модели Santa Fe. Чтобы снизить общий вес, стальную раму заменили алюминиевой. Однако это не помогло существенно улучшить динамику – максимальная скорость едва превышала 120 км/ч, а разгон до «сотни» занимал целых 18 секунд. Да и дальность хода не впечатляла: на одном баке машина могла проехать лишь 160 км. Но усилия Hyundai по созданию экологичного автомобиля были по достоинству оценены в Калифорнии – лакомом куске для любого автопроизводителя. Участие в экосоревнованиях, организованных Калифорнийским обществом топливных элементов, принесло Santa Fe первые места за нулевые выбросы и низкую шумность и второе место за топливную экономичность.

Вторым этапом программы стало создание в 2005 году Tucson FCEV, который впервые был представлен опять же в США – колыбели автомобильной экологии. Автомобиль заметно превосходил предшественника благодаря использованию топливных элементов второго поколения, новой 152 – вольтовой батареи и 80 – киловаттному электродвигателю. Максимальная скорость составила уже 150 км/ч, а увеличенный вдвое бак позволял проехать без дозаправки целых 300 км. Кроме того, Tucson FCEV, в отличие от предшественника, стал легко переносить отрицательные температуры за бортом. В 2008 году «водородомобиль» успешно преодолел 6900 км пробега Hydrogen Road Tour, в котором приняли участие еще 7 крупнейших автопроизводителей США, Японии и Европы.

В марте 2010 года в корейцы презентовали новую, третью модель своей «воодородной» серии — ix35 (на корейском рынке Tucson) Fuel Cell. 100 – киловаттные топливные элементы вкупе с литий-ионной батарей емкостью 24 кВт*ч обеспечивают запас хода в 650 км. Батарея используется как дополнительный источник энергии при разгоне, а так же для движения при отсутствии водорода в баке. Автомобиль разгоняется до 100 км/ч за 12,5 секунды, а максимальная скорость увеличилась до 160 км/ч. Водород хранится в двух баллонах под давлением в 700 бар. В них помещается 5,6 килограмма водорода, а его потребление составляет 0,95 кг/100 км – на 15% меньше, чем у водородного Tucson предыдущего поколения. В пересчете на бензин это соответствует расходу в 3,2 л/100 км. К вопросу о безопасности. Водородные баллоны, армированные углеводородным волокном, пуленепробиваемые. В ходе одного из тестов специалисты Hyundai оценивали взрывоопасность. Для сравнения взяли обычный бензиновый ix35 и его водородного близнеца. В пепельнице обеих машин оставили горящий окурок. Бак бензиновой машины взорвался через 40 минут, система же безопасности ix35 FCEV заблаговременно стравила водород из баллонов, предотвратив взрыв.

В 2011 году Hyundai ix35 FCEV был выбран в качестве демонстрационной модели для тестирования в реальных условиях эксплуатации с целью продвижения технологии водородных топливных элементов. Автомобили ix35 FCEV предлагались для испытаний членам Европарламента, специальным уполномоченным и другим европейским законодателям. Кроме Hyundai, над водородными технологиями активно работают специалисты Toyota, General Motors и Daimler. Главным преимуществом автомобилей на топливных элементах по сравнению с «обычными» электромобилями на литий-ионных батареях является гораздо больший пробег без дозаправки и существенно меньшее время для заправки водородом по сравнению со временем, необходимым для подзарядки батарей. А больший пробег потребует гораздо меньшую сеть заправочных водородных станций. То есть, по потребительским качествам «водородомобиль» ни в чем не уступает обычному автомобилю, но при этом практически не загрязняет окружающую среду. Но где же взять столько водорода? Специалисты Hyundai подсчитали, что 20% от производимого в Корее водорода хватит для заправки 500 000 автомобилей на топливных элементах в течение года.

Итак, серийный выпуск начат. За два года Hyundai планирует произвести 1000 экземпляров ix35 FCEV, которые разойдутся в основном по государственным структурам в Европе. Цена автомобиля составляет 88550 $ без учета налоговых льгот. В 2015 году планируется начало массового выпуска для всех желающих в объеме 10 тысяч экземпляров в год. Предполагаемая цена – 50 000 $, которая с учетом скидок и льгот для конечного потребителя должна составить 30 000 $. К этому времени, как расчитывают в Hyundai, и автомобиль удастся доработать, и в наиболее развитых странах мира будет создана сеть заправочных станций.

4 октября

Мифы и правда о топливных элементах (FCEV)

 

Последние годы продемонстрировали быстрый рост рынка топливных элементов в глобальном масштабе, особенно в США, Великобритании, Германии, Франции и Японии. Общественные и частные инвестиции, государственная поддержка развития инфраструктуры и субсидирование потребителей, снижение стоимости производства и, особенно, обещания производителей приступить к выпуску автомобилей на топливных элементах – все это ясно свидетельствует о признании этого вида транспорта. Но, несмотря на очевидный прогресс, остается немало мифов об использовании, энергоэффективности и стоимости топливных элементов. Итак, настало время развенчать ряд устоявшихся заблуждений.

Миф № 1: Водородная энергетика не энергоэффективна

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, но на нашей планете его необходимо извлекать из воды или органических соединений. Этот процесс не имеет больших отличий от производства бензина или дизтоплива, которые получают путем переработки или очистки нефти (причем при этом используется водород). Кроме получения водорода в промышленных масштабах из природного газа, он также производится из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, энергия ветра или биогаз, не требуя при этом использования ископаемого топлива. Возможность производства из возобновляемых источников так называемого «зеленого» водорода очень важна и для разгрузки существующей энергосистемы.

 

Кроме того, автомобили на топливных элементах имеют нулевой выброс CO2 и твердых частиц. Согласно исследованиям, автомобили, в которых в качестве топлива используется водород, полученный из природного газа, выделяют от 55 до 65% меньше углерода по сравнению с бензиновыми ДВС, благодаря более высокой эффективности. Топливные элементы также демонстрируют намного большую эффективность по сравнению с ДВС, работающими на природном газе. Причем, по расчетам по принципу «well-to-wheels» (т.е. на протяжении всего жизненного цикла – от начала производства до эксплуатации), это не зависит от того, получен водород из природного газа или из возобновляемых источников. И при этом FCEV еще и не выбрасывают канцерогены, твердые частицы и вещества, образующие смог, которые оказывают вредное влияние на здоровье населения в крупных городах.

Миф № 2: Водород является опасным при хранении и использовании

Одним из самых частых аргументов, которые приходится слышать при обсуждении использования водорода, — что это горючий газ, который легко воспламеняется. Поэтому его хранение весьма опасно как на заправочных станциях, так и в топливных баках высокого давления. Однако, водород не более и не менее опасен по сравнению с другими горючими топливами, батареями, используемыми в электромобилях и сжатым газом, хранящемся в баллонах. Миллионы километров дорожных испытаний, проведенных в последние годы, существующая на протяжении десятилетий многомиллиардная глобальная индустрия по производству и транспортировке водорода безусловно свидетельствуют о безопасности его хранения. Toyota не так давно получила одобрение от Министерства экономики, торговли и индустрии Японии на производство водородных баков для FCEV. Для демонстрации безопасности баков, изготовленных из углеродного волокна, их обстреливали из огнестрельного оружия. Пули либо отскакивали от бака, либо оставляли небольшие вмятины.

Водород обладает высоким коэффициентом диффузии (в 3,8 раза больше, чем у природного газа). Это означает, что попадая в атмосферу, он почти сразу же растворяется до не воспламеняемых концентраций. По этой причине он даже может считаться более безопасной альтернативой повседневно используемому бензину, который при проливе образует легковоспламеняемые очаги в течение длительного периода. Водород имеет низкий коэффициент излучения — вы можете поднести руку к горящему водородному пламени, не получив ожога. Это означает, что горящий водород не создает опасности возгорания окружающих материалов, тогда как жар, производимый горящим бензином, выше.

Миф № 3: FCEV и соответствующая инфраструктура слишком дороги и поэтому никогда не станут альтернативой на массовом рынке

 

Затраты на производство автомобилей на топливных элементах в последнее время резко снизились. Достижения в технологии изготовления топливных элементов, улучшение характеристик катализаторов привели к значительному уменьшению стоимости. По заявлению представителей Hyundai, расходы сократились на 70% по сравнению с концом 90-х годов, когда компания только начинала работать над топливными элементами. Производители продолжают настойчиво трудиться над снижением стоимости FCEV, ведь для их выхода на массовый рынок не требуется никаких новых изобретений, а всего лишь увеличение объемов производства, инжиниринговое обеспечение и развитие заправочной инфраструктуры.

Миф № 4: Заправка водородом представляет трудности и отнимает много времени

Водители не почувствуют значительных отличий в способе заправки FCEV водородом. Схожий принцип «пистолет в бак» и, в отличие от автомобилей, использующих другие виды альтернативного топлива, стандарты «водородной» заправки уже существуют. Так, модели на топливных элементах, выпускаемые Toyota, Hyundai и Honda, могут заправляться на заправочной колонке. Причем этот процесс занимает несколько минут, что выгодно отличает их от электромобилей, для заряда батареи которых требуется несколько часов. Причем на одной заправке FCEV может проехать несколько сотен километров. Водородные технологии уже опробованы на городских автобусах и могут применяться на магистральных грузовиках и других тяжелых транспортных средствах.

Миф № 5: FCEV не имеют достаточного запаса хода

Автомобили на топливных элементах при нулевом выбросе вредных веществ сохраняют производительность и диапазон обычных автомобилей с ДВС. Способность нести больший запас энергии на борту по сравнению с электромобилями на батареях означает, что FCEV имеют большую дальность езды. В то же время производительность топливных элементов постоянно улучшается. Сейчас запаса водорода, который может храниться в баке FCEV, хватает для пробега, сопоставимого с обычными автомобилями и гибридами. В одном из реальных дорожных тестов «водородный» кроссовер Toyota Highlander проехал на одном баке свыше 650 километров, показав эквивалентный расход топлива 3,4 л/100 км. Выпускаемые в настоящее время автомобили на топливных элементах имеют в три раза больший запас хода по сравнению с электромобилями на батареях, а время их заправки составляет несколько минут (вместо нескольких часов), и это еще не предел.

12 сентября

Стандарты заправки водородом

Европа, Япония и США выразили твердое намерение развивать инфраструктуру для транспортных средств на топливных элементах (FCEV). Ожидается, что к 2016 году будет открыто свыше 230 водородных заправочных станций, а к 2025 году их число достигнет 1680. Семь автопроизводителей объявили о совместных планах продавать или сдавать в лизинг автомобили на топливных элементах — BMW-Toyota, Daimler-Ford-Nissan и Honda-GM.

В связи с этим возникает необходимость в разработке единых стандартов заправки водородом. Разработанные в лабораториях и проверенные на практике в течение последнего десятилетия, эти стандарты создают основу для создания первичной инфраструктуры водородных заправок по всему миру. В настоящее время существует четыре стандарта, разработанных SAE: качества водородного топлива (SAE J2719); заправки водородом (SAE J2601); коммуникации между автомобилем и водородной станцией (SAE J2799); конструкции заправочных сопла-гнезда (SAE J2600).

Стандарт SAE J2719

Стандарт SAE J2719 устанавливает минимально допустимую чистоту водорода 99,97%, а также максимальные уровни содержания различных загрязняющих веществ.

В топливных элементах используется платиновый катализатор, который наносится на поверхность пористого углеродного анода. Катализаторы чрезвычайно чувствительны к химическим загрязнениям, и даже небольшое количество примесей, содержащихся в водороде, приводит к их порче и невосстановимым потерям в производительности топливных ячеек. Это предъявляет высокие требования к чистоте водорода, используемого в качестве топлива для FCEV. Допустимые уровни некоторых видов примесей находятся в диапазоне нескольких частей на миллиард.

Требования стандарта SAE J2719 к чистоте водорода
Загрязняющие примеси Химическая формула Максимально допустимые уровни (ppmv)
Вода H2O 5
Углеводороды (C1 basis) 2
Кислород O2 5
Гелий He 300
Азот N2 100
Аргон Ar 100
Двуокись углерода CO2 2
Окись углерода CO 0.2
Соединений серы   0.004
Формальдегид HCHO 0.01
Муравьиная кислота HCOOH 0.2
Аммиак NH3 0.1
Галогенированные соединения   0.05
Твердые частицы   1 mg/kg

Стандарт SAE J2601

Назначение стандарта SAE J2601 – установить единый всемирный протокол заправки легких транспортных средств на топливных элементах (FCEV) на заправочных станциях с давлением 35 MПa и 70 MПa. Увеличение сжатия водорода до 70 MПa позволяет повысить дальность поездки FCEV на одной заправке. Стандарт SAE J2601 относится к легким FCEV с водородным баком, вмещающим от 2 до 10 кг водорода при давлении 70 MПa и от 2,4 до 6 кг при давлении 35 MПa. Отдельные документы стандарта касаются заправки тяжелых грузовиков и вилочных погрузчиков.

Стандарт SAE J2601 позволяет безопасно и быстро (в течение 3-5 минут) полностью заправить легкие транспортные средства на топливных элементах, включая модели с дальностью поездки свыше 500 км. При этом достигается высокая степень наполнения водородных баков и хранилищ водорода без превышения эксплуатационных ограничений. SAE J2601 считается ключевым стандартом, необходимым для коммерциализации автомобилей на топливных элементах и водородных заправочных станций.

SAE J2601 устанавливает ограничения по безопасности и требования к производительности раздаточного устройства газообразного водорода. Критерии включают: максимальную температуру топлива у сопла дозатора, максимальную скорость истечения топлива, максимальную скорость повышения давления и другие параметры, базирующиеся на охлаждающей способности раздаточной колонки станции.

 

Стандарт SAE J2601 для FCEV малой грузоподъемности использует справочные таблицы для заправки при давлении 35 MПa и 70 MПa. Эти таблицы могут быть запрограммированы в блок управления раздаточного устройства для контроля над процессом заправки. Стандарт J2601 определяет четыре типа раздаточных колонок в зависимости от температуры, до которой предварительно охлаждается водород. В устройствах типа "A" газ охлаждается до -40°C, типа "B" — до -30°C, типа "C" — до -20°C, устройства типа "D" не имеют функции охлаждения. Скорость заправки напрямую связана с охлаждающей способностью раздаточной колонки. Охлаждение необходимо для компенсирования тепла, выделяемого при сжатии газа. В качестве исходных данных в таблицах используются начальное давление в баке FCEV, температура окружающей среды и тип раздаточного устройства. По этим значениям вычисляется допустимая скорость заправки (средняя скорость повышения давления в рампе) и конечное давление, при котором дозатор отключается.

Если сравнивать автомобили на топливных элементах с электромобилями, то с учетом нынешнего КПД FCEV, достигающего 60%, заправка водородом (5-10 кг) эквивалентна заряду 100-200 кВтч электроэнергии за время, не превышающее 5 минут. Благодаря SAE J2601 на данный момент FCEV можно считать единственной технологией с нулевым выбросом, которая способна конкурировать по времени заправки и дальности поездки с автомобилями с бензиновыми ДВС.

Стандарт SAE J2799

 

В дополнение к стандарту SAE J2601 с целью дальнейшей оптимизации процесса заправки и обеспечения высокой степени наполения (95-100%) был разработан стандарт беспроводной связи между FCEV и водородной станцией SAE J2799. Этот опциональный протокол использует технологию инфракрасной передачи данных (Infrared Data Association technology) для обмена информацией между транспортным средством, водородным баком и дозатором. Повышение наполняемости бака позволяет достичь большей дальности поездки без дозаправки.

Стандарт SAE J2600

SAE J2600 регламентирует конструкцию и порядок испытания заправочных разъемов, сопел и емкостей, предназначенных для заправки наземных транспортных средств, в которых в качестве топлива используется сжатый водород. Разъемы, сопла и емкости в обязательном порядке должны отвечать требованиям стандарта и пройти все установленные испытания, чтобы считаться совместимыми с SAE J2600.

Стандарт применяется к устройствам, которые имеют классы давления H11, H25, H35, H50 и H70. Целями разработки SAE J2600 являются:

  • предотвращение возможности заправки автомобиля на топливных элементах (FCEV), имеющим класс давления ниже, чем класс давления дозатора;
  • допуск возможности заправки FCEV дозатором, имеющим равный или меньший класс давления;
  • предотвращение возможности заправки FCEV на заправочных станциях другого сжатого газа (не водорода);
  • предотвращение возможности заправки других транспортных средств, использующих в качестве топлива сжатый газ, на водородных заправочных станциях.