Toyota Mirai — серийный автомобиль на водороде. Водородный транспорт.

Дата: 28.05.2019

Ноябрь 2013 года был ознаменован тем, что концерн «Toyota» представил на всеобщее обозрение новый автомобиль – презентабельный седан, который первым был разработан компанией как гибридное водородное авто на топливных элементах.

Презентация проводилась в одном из крупнейших автосалонов Токио, где президентом компании было объявлено название оригинального изобретения, «Toyota Mirai », а также были озвучены планы концерна на ближайшее будущее.

Комбинированные системы ТЭЦ. Системы комбинированного цикла построены на промышленной газовой турбине. В этом случае поток выхлопных газов из турбины используется для производства пара с высокой температурой и давлением, подаваемым в паровую турбину. Комбинированные системы в основном используются в приложениях, которые предъявляют высокие требования к количеству произведенной электроэнергии. Когенерация реализуется путем удаления части тепла из паровой турбины.

Эти установки работают главным образом с природным газом, поэтому они характеризуются очень хорошими параметрами окружающей среды, но их работа сопровождается высоким уровнем шума. В промышленных зонах рекомендуется строить комбинированные ТЭЦ. Среди их преимуществ - высокая производительность, длительный срок службы, низкий уровень вредных выбросов и многое другое. Их недостатки связаны с необходимостью большего пространства для их строительства, длительного и сложного запуска установки, необходимости более крупных первоначальных инвестиций, требования к повышению квалификации обслуживающего персонала.

Параметры водородного автомобиля от Тойоты

В основу новой модели была взята «Toyota FCV». При этом основные системы и агрегаты качественно усовершенствовали и модернизировали, создав обособленный шедевр автомобильного производства. Оптимальный клиренс в 130 мм, уютные пропорции четырехместного седана и передний привод довершает базовая комплектация с легкосплавными дисками R17 и уникальной гибридной установкой FCA110.

По мнению специалистов, микротурбины подходят для когенерационных систем мощностью менее 1 МВт, где использование газовых турбин не считается рациональным. Конструктивно все движущиеся части турбин - воздушный компрессор, генератор и сама турбина - решаются на общем вращающемся валу. Таким образом, в структуре микротурбины имеется только одна движущаяся часть. Для охлаждения двигателя и электроники управления обычно используется воздух, что снижает эксплуатационные расходы системы. Основным топливом, используемым микротурбинами, является природный газ, но также могут использоваться другие виды топлива, такие как биогаз, пропан-бутан, дизельное топливо, керосин и т.д.

Именно эта установка позволяет автомобилю производить действия и выполнять свои функции при помощи водородных топливных элементов – при химической реакции между кислородом и водородом, и выработанной вследствие этого электроэнергии.

Процесс горения при этом не происходит, а преобразование водорода в электрический ток осуществляется с максимальным КПД в 83% (это при среднем показателе КПД двигателей автомобилей «Toyota» - 23%).

Микротурбины имеют наивысшее экологическое качество по сравнению со всеми технологиями когенерации, которые были рассмотрены до сих пор. Характерными для них являются также низкий уровень шума и отсутствие вибрации на работе. Микротурбины также могут быть установлены на открытых площадках, поскольку они в основном изготовлены из водонепроницаемых корпусов. Эффективность микротурбин в когенерационных установках определяется температурой выхлопных газов и соотношением генерируемого тепла и электричества.

Тепло, производимое микротурбинами, может использоваться непосредственно для сушки или других промышленных процессов, для отопления или подачи горячей воды - путем нагрева воды или гликоля во внешнем или интегрированном теплообменнике и в охлаждающих помещениях. Кроме того, в качестве дополнения к промышленным системам тепловой генерации можно было бы внедрить когенерацию на основе микротурбин. Микротурбинная когенерация также считается подходящей, когда в качестве топлива используется низкокалорийный газ.

Электродвигатель новой Toyota Mirai обладает максимальной мощностью в 154 лошадиные силы или 113 киловатт. Вырабатываемое при помощи топливных элементов электричество проходит через специальный повышающий преобразователь. Далее происходит преобразование постоянного тока в переменный, увеличивая напряжение до 650 вольт.

Преимуществами микротурбин являются их высокая надежность, длительный срок службы, низкие выбросы вредных веществ и многое другое. Их недостатки - относительно высокие первоначальные инвестиции, относительно низкая производительность одного модуля и более высокая стоимость полученного таким образом электричества.

Когенерация водородного топливного элемента. Использование водородных клеток в качестве двигателей в когенерационных системах характеризуется рядом преимуществ. Водородные топливные элементы характеризуются высокой эффективностью, надежной работой и удвоением энергоэффективности системы.

Toyota Mirai - безопасность на дороге и в атмосфере

О преимуществах нового автомобиля можно говорить достаточно долго. Особенно уверенно и выигрышно они выглядят в сравнении с любыми современными транспортными средствами, оснащенными двигателями внутреннего сгорания или гибридами. Основными достоинствами «Toyota Mirai» можно считать следующие:

Среди используемых когенерационных топливных элементов - фосфорная кислота и твердооксидные топливные элементы. Фосфорную кислоту используют в качестве электролита в водородных клетках фосфорной кислоты. Их эффективность для когенерации составляет около 85%. Их эффективность в производстве только электроэнергии значительно ниже и обычно находится в диапазоне 37-42%. В твердых оксидных топливных элементах, таких как электролит, используется твердая, не восковая керамическая смесь.

Когенераторы с двигателем Стирлинга. В связи с улучшением технологий когенерации с низкой выходной мощностью в последние годы все чаще внедряются маневровые двигатели. Они существенно отличаются от двигателей внутреннего сгорания, где процесс заправки происходит в самом двигателе. Стерлинговый двигатель представляет собой внешнее горение на основе герметичной системы с использованием инертной рабочей жидкости.

Быстрая заправка – не более чем три минуты уходят на заправку двух резервуаров;
Нулевые выбросы вредных веществ в атмосферу;
Запас хода на одной заправке (одного бака хватит на 650 км).

Даже в сравнении с электромобилями Mirai – более успешный агрегат, учитывая хотя бы то, что электромобили заряжаются несколько часов и проехать на одной подзарядке могут гораздо меньшее расстояние.

В качестве конструкции двигатель Стирлинга имеет меньше движущихся частей, чем другие типы двигателей. Стерлинговые двигатели легче поддерживать и характеризуются меньшими выбросами оксидов углерода и азота. Когенераторы, работающие по этому принципу, охватывают диапазон мощности более 5 кВт.

Первая партия из 17 таких автомобилей отправится в Данию и Швецию. 15 автомобилей будут размещены в муниципальном автопарке Копенгагена, а остальные 2 будут доступны муниципальным советникам в шведской провинции Сконе. Водородная технология развивает еще несколько автомобильных компаний.

Серийные автомобили на водороде в Японии и мире

Стоимость водородных автомобилей нового поколения по приблизительным расчетам будет колебаться в пределах 57-70 тысяч долларов. Toyota Mirai поступит в «ин трейд» уже в декабре 2014 года (для автомобильного рынка Японии), а в странах Европы и Соединенных Штатах продажи водородной Тойоты стартуют в 2015 году.

Кстати, у Мерседеса тоже не было водородного автомобиля? Но это никогда не было в продаже или серийном производстве. Основная проблема с водородом - его извлечение. Правда состоит в том, что единица энергии от водоструйной установки требует, по крайней мере, 3 энергетических единиц для создания водорода. То есть В настоящее время супер неэффективен и супер дорого.

Водород является самым чистым и экологически чистым топливом, но Земля не существует в свободном состоянии, то есть является вторичным источником энергии. В основном он извлекается из метана, но во время этого процесса выделяется двуокись углерода. Другим методом является электролиз воды, экологически чистый, но очень дорогой. Если в будущем будут разработаны чистые и дешевые технологии производства электроэнергии, то водородная энергия будет иметь хорошие перспективы для развития.

Еще одним не до конца решенным вопросом остается проблема заправки водородных автомобилей при их массовой продаже. В некоторых странах водородные заправочные станции уже начинают появляться, однако широкого развития пока не наблюдается.

Они получили электричество и топливо из сероводорода в глубинах. Оказывается, помимо добычи природного газа из гидратов, Черное море предлагает нам еще один неисчерпаемый источник энергии. На практике абсолютно бесплатно, потому что процесс основан на химических реакциях. Водород также можно получать бесплатно. Такое извлечение будет чрезвычайно полезным и экологичным. Токсический сероводород, количество которого постоянно увеличивается и из-за его нехватки на глубине более 150 метров, будет исчерпан.

Методология была разработана уже много лет, но первый эксперимент был проведен этим летом около 40 км на морском шельфе из научной экспедиции Института инженерной химии при БАС с кораблем «Академический». «Для нынешнего производства сероводорода принципы понятны, и у нас есть рабочие, а также лабораторные модели», - говорит профессор Мартин Мартынов, который был в экспедиции Академии Черного моря - Это топливный элемент, Который фактически превращает сероводород в химическую реакцию, которая приводит к высвобождению энергии, конечно, создаваемые напряжения сопоставимы с напряжениями в батареях - относительно низкими, с другой стороны, наша полка очень плоская и для того, чтобы Достичь этой глубины необходимо Глубоко внутри, за пределами 12-мильной зоны.

Например, по всей Европе таких заправок всего 82, в Америке – 124, в Китае можно насчитать 23 водородные заправочные станции.

Кстати, еще один японский производитель заявил на днях, что пускает в серию свой водородный автомобиль - Honda FCV (первый прототип Honda FCX Clarity был выпущен еще в 1999 году) и в 2016 новая Fuel Cell eXperimental Хонда будет продаваться в Японии, Европе и США.

Поэтому вопрос о передаче электричества на берег осложняется. Для получения приемлемых концентраций сероводорода в море должно войти более 50 км в море. И даже если мы получим полезную электроэнергию, нереально потратить так долго кабель. В этой ситуации возникает другой вопрос, как сохранить полученную энергию? Мы решили использовать это электричество для диализа воды для производства водорода. Водород широко используется в промышленности и может также использоваться непосредственно в качестве топлива.

Есть несколько способов хранения водорода - либо в бутылках, либо в виде гидридов металлов. Экономический эффект производства водорода также огромен, тем более что нефтепродукты будут в конечном итоге, а альтернативные источники энергии станут все более важными, - говорит ученый, поскольку концентрация сероводорода различна. принимая воду такой глубины, потому что должна быть проложена труба длиной 1 км. Она должна быть очень твердой стали, потому что на такой глубине имеется очень высокое давление, и существует опасность ее обертывания. этой глубины нетрудно, поскольку она попадает под влияние давления.

Водородный автомобиль

Автобус Mercedes Citaro на водородных топливных элементах

Водородный транспорт - различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород . Это могут быть транспортные средства, как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами .

На поверхность работает только один обычный насос. Преимущество проведения большого проекта по производству электричества из сероводорода неоспоримо, утверждает профессор Мартынов. Согласно нашим разработкам, абсолютно можно опираться на промышленный эффект. Это огромный запас энергии, и он постоянно дополняется. В настоящее время газ серы накапливается, так как многие реки, несущие органику, впадают в Черное море.

На глубине менее 150 метров, где нет кислорода, бактерии, которые процветают там для окисления органического кислорода в сульфидных соединениях и, таким образом, производят сульфиды, что также увеличивает количество сероводорода, - говорит д-р. Новые исследования показывают, что мы гораздо ближе к использованию нетрадиционных источников энергии, чем море, чем считалось ранее. Открытия чрезвычайно важны, потому что богатство, скрытое в Черном море, может не только избавиться от энергетической зависимости, но даже сделать нашу страну ведущей силой в топливе и электричестве.

Преимущества водородного транспорта

В настоящее время разнообразный транспорт несет ответственность за 23 % выбросов парниковых газов. По оценкам экспертов, уже через двадцать лет эта цифра удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться число личных автомобилей . Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота , ответственные за увеличение заболеваемости астмой , оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.

Интересно, что до года назад ученые говорили, что промышленное освоение неизмеримых количеств природного газа, добываемого из гидратов. придет только после поколения, тогда как оптимистические результаты теперь показывают, что это возможно только на несколько лет. По мнению специалистов, из-за его уникальных качеств наше море потенциально. крупнейший источник дешевой энергии только в Болгарии и во всем мире. Один из наиболее интересных вариантов - так называемые газовые гидраты, которые представляют собой твердый конденсат природного газа.

В морском транспорте зачастую используются низкосортные, дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы СО 2 морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год.

При работе на водороде в атмосферу выбрасывается только водяной пар.

Это вещество стабильно только при низких температурах и при давлении выше 40 атм. Если он наносится на поверхность, твердый конденсат быстро плавится, что приводит к сжиганию метана. Более того, по предварительным оценкам Института океанологии, от 10 до 20% Это богатство находится в И метана, попытки извлечь метан в настоящее время сосредоточены на местах с наибольшей концентрацией гидратов, говорят ученые, предполагая, что другие «газы» могут быть извлечены из «горящего льда», поскольку их все еще называют гидратами.

Разработанные и испытанные технологии добычи и испытания метана метана направлены на лучшие коллекторы в зоне стабильности газогидратов - крупнозернистых песков, обнаруженных на берегу моря. Для Черного моря предполагается, что 10% объема площади стабильности находится в аналогичных условиях. Вероятно, существование гидратов сероводорода. Такая область изучается в турецкой экономической зоне, а неисчерпаемые данные также обнаруживаются на болгарском языке, - объясняет океанолог, что обнадеживает, особенно на фоне глобальных тенденций спроса на альтернативы добыче из обычных газовых месторождений. успешно применил технологию извлечения метана из гидратов на дне океана и, как ожидается, будет иметь эффект экстракции, сопоставимый с энергетической революцией США, вызванной экстракцией сланцевого газа.

Другой причиной внедрения водородного транспорта является рост цен на энергоносители, дефицит топлива, стремление различных стран достичь энергетической независимости.

Двигатель внутреннего сгорания

Англ. Hydrogen internal combustion engine (HICE). Водородный двигатель внутреннего сгорания.

Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания. В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензином . Но если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до 117 % в сравнении с бензиновым аналогом.

История

Изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (фр. fr:François Isaac de Rivaz 1752-1828) в 1806 году создал двигатель внутреннего сгорания . Двигатель работал на водороде, который изобретатель производил электролизом воды . Бензин в двигателях внутреннего сгорания не использовался до 1870-х годов.

Современное применение

В настоящее время ограниченными партиями выпускаются:

BMW Hydrogen 7 . Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль. Используется жидкий водород;
Ford E-450. Автобус (см. Автобусы Ford);
Mazda RX-8 hydrogen. Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль.

Смеси традиционных топлив с водородом

Широкое внедрение водородного топлива сдерживается отсутствием необходимой инфраструктуры. Промежуточным решением могут стать смеси традиционных топлив с водородом. Например,

Производятся установки, производящие водород из дистиллированной воды, на борту транспортного средства. Далее водород добавляется к дизельному топливу. Такие установки внедряются на крупные грузовики и горную технику.

Авиация

Водородные топливные элементы

Водородные топливные элементы могут производить электрическую энергию для электродвигателя на борту транспортного средства, заменив тем самым двигатель внутреннего сгорания, или применяться для бортового питания.

История

Первое транспортное средство на топливных элементах создала в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company (США). Щелочные топливные элементы (AFC) были установлены на трактор . В 1962 году - на автомобиль для гольфа. В 1967 году компания Union Carbide (США) установила топливные элементы на мотоцикл .

Автомобильный транспорт

Hyundai Tucson FCEV на водородных топливных элементах

Основное преимущество внедрения топливных элементов в транспортные средства: высокий КПД . Например, паровоз за 150 лет свой эволюции смог достичь 5 % КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента - 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД 57 % .

КПД классического свинцового аккумулятора 70-90 %. Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей - дефицит аккумуляторов . Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают низкой ёмкостью и большой массой. Более перспективны никель-металл-гидридные аккумуляторы, но их массовое производство сдерживается высокой ценой на никель . Массовое производство никель-металл-гидридных аккумуляторов для электромобилей и гибридных автомобилей вызовет ещё больший рост цен на никель , и электромобили станут не конкурентноспособными по цене. Наиболее перспективными аккумуляторами являются литий-ионные аккумуляторы , но производство лития ограничено. В 2004 году мировое производство лития составило всего 254 000 метрических тонн. По оценкам компании 2015 году столкнётся с дефицитом лития . Перевод всего транспорта на литий-ионные аккумуляторы проблематичен - лития производится очень мало. На электромобили может быть переведена только небольшая часть транспорта.

Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

и другие.

Автобусы с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);
Toyota - FCHV-BUS;
Thor Industries - (топливные элементы компании UTC Power);
Irisbus - (топливные элементы компании UTC Power);

И др. единичные экземпляры в Бразилии , Китае , Чехии и т. д.

Экономичность топливных элементов

Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт. в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на пробег 100 миль (160 км.), то есть 4,3 литра бензинового эквивалента. Водород на заправочной станции Вашингтона продавался по цене $4,75 за кг (данные на 2005 год).

Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л. мощностью 85 кВт. потребляет 5,8 л. бензина на 100 км.

National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использует среднюю дальность пробега легкового автомобиля 12000 миль в год (19200 км.), потребление водорода - 1 кг на пробег 60 миль (96 км.). То есть одному легковому автомобилю на водородных топливных элементах в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день. Один килограмм водорода считают равным по энергетической ценности одному галлону бензина (3,78 л).

Железнодорожный транспорт

Велосипед с водородными топливными элементами производства китайской компании Shanghai Pearl. Экспорт в Испанию начался в мае 2008 года.

Для данных приложений требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение. Ж/д транспорт представляет из себя огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. Около 60 % грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы.

Железно-Дорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году . Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., дальность пробега на одной заправке 300-400 км. Прототип был испытан в феврале 2005 года .

Также в Европе созданы:

Консорциум Fuel Cell Boat BV. В консорциум входят компании: Alewijnse, Integral, Linde Gas, Marine Service North и Lovers.
некоммерческая ассоциация Водорода и Топливных Элементов на Морском Транспорте (Marine Hydrogen & Fuel Cell Association MHFCA). В ассоциацию вошли 120 организаций. Цели ассоциации: разработка планов применения водорода на морском транспорте, установление контактов для совместных исследовательских проектов, определение приоритетов для развития, преодоление барьеров, разработка кодов, стандартов и правил использования водородных технологий в морских приложениях.

В США компания FuelCell Energy разрабатывает силовые установки на топливных элементах мощностью 500 кВт. для морского применения. Установка работает на стандартных военных жидких топливах: авиакеросине и дизельном топливе. Энергетические установки будут создаваться в модульном исполнении, что позволит их применять как на военных, так и на гражданских судах. Цель проекта - увеличить эффективность бортового питания морских судов.

В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG . U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из