Водородная трансмиссия: будущее чистой энергии в подвижности

В мире, все больше, обусловленной неотложной необходимостью сокращения выбросов парниковых газов и перехода к более чистой энергии, технология водородной трансмиссии стала сильным претендентом. По мере того, как спрос на устойчивые решения растет в таких отраслях, как транспорт, логистика, авиация и морская водород, водород предлагает универсальный и мощный источник энергии. В отличие от ископаемого топлива, водород может обеспечить высокую выработку энергии, излучая не более вредное, чем водяной пара.

Этот блог глубоко углубляется в мир водородных силовых агрегатов - чем они являются, как они работают, их приложения, преимущества, проблемы и будущие перспективы. К концу этой статьи вы поймете, почему многие эксперты рассматривают водород как критический столб в построении экосистемы устойчивой энергетики.

Что такое водородная трансмиссия?

Водородная трансмиссия - это система внутри транспортного средства, которая использует водородную газ в качестве основного источника энергии для движения. Обычно он содержит топливный элемент, который генерирует электричество, химически реагируя водород с кислородом. Это электричество затем используется для питания электродвигателя, напримерЭлектрический мотор грузовикаПеремещение автомобиля.

Важно отметить, что водородная трансмиссия отличается от обычных двигателей внутреннего сгорания (ICE), которые полагаются на сжигание бензина или дизеля. Вместо сжигания автомобили для водорода часто полагаются на электрохимические реакции, которые производят электроэнергию тихо, эффективно и не производят вредные выбросы, такие как Co₂, NOx или частицы.

Водородная трансмиссия обычно состоит из:

• Стек топливных элементов (ядро генерирует электричество)
• Резервуары для хранения водорода высокого давления
• Электродвигатель для движения
• Аккумулятор или ультракапантор для буферной энергии
• Блок управления питанием для управления потоком электроэнергии

Некоторые экспериментальные модели также используют водород непосредственно в двигателях внутреннего сгорания, модифицированных для сжигания газа водорода вместо бензина. Тем не менее, такие двигатели по-прежнему выделяют небольшое количество NOx и являются менее эффективными, чем топливные элементы, что делает электростанции на основе топливных клеток основным направлением будущего развития.

Как работает водородная трансмиссия?

На высоком уровне водородная трансмиссия функционирует путем превращения химической энергии водорода в механическую энергию без сжигания. Вот подробное, пошаговое представление:

1. Хранение водорода

Автомобиль несет сжатый водородной газ в специально разработанных резервуарах с высоким давлением, изготовленными из легких композитов углеродного волокна. Эти резервуары обычно работают в 700 бар (около 10 000 фунтов на квадратный дюйм) для пассажирских транспортных средств и немного более низкое давление для автобусов и грузовиков. Обеспечение безопасного, легкого и долговечного хранения имеет важное значение как для производительности, так и для безопасности.

2. Работа топливного элемента

Топливный элемент является сердцем водородной трансмиссии. Внутри происходит процесс, известный как электрохимическое преобразование:

• Газ водород (H₂) подается в анодную сторону топливного элемента.
• В аноде катализатор (часто платина) расщепляет молекулы водорода на протоны (H⁺) и электроны (E⁻).
• Протоны проходят через протонную мембрану (PEM) в катод.
• Электроны проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток, который питает двигатель автомобиля.
• В катоде протоны, электроны и кислород (от окружающего воздуха) рекомбинируют воду (H₂O) в качестве безвредного побочного продукта.
• Эта чистая реакция обеспечивает электроэнергию непрерывно, пока поставляется водород.

3. питание двигателя

Электричество, вырабатываемое из топливного элемента, используется для управления электрическим тяговым двигателем, так же, как двигатели, найденные в аккумуляторных транспортных средствах (BEV). Во многих случаях есть также небольшая батарея или суперконденсатор на борту:

• Захватить энергию от регенеративного торможения.
• Обеспечить дополнительную мощность для ускорения.
• Сбалансировать потребности в мощности во время переходных нагрузок.

4. Управление мощностью

Сложная система управления энергопотреблением регулирует:

• Питание от топливного ящика до двигателя.
• Энергетический обмен между батареей и двигателем.
• Оптимальная работа топливного элемента в различных условиях вождения.

Таким образом, весь процесс от водородного резервуара до дорожных колеса является плавным и эффективным, что приводит к гладкому и мощному вождению с нулевыми вредными выбросами выхлопных труб.

Типы систем водородной трансмиссии

Водородные силовые установки могут быть классифицированы в зависимости от того, как водород используется для движения транспортных средств. Два основных типа:

1. Электромобиль для водородных топливных элементов (FCEV)

Основная технология фокусируется на большинстве автомобильных приложений.

Водород превращается в электричество через топливный элемент.

Электричество питает электродвигатель.

Небольшая батарея часто дополняет топливный элемент.

Только побочный продукт: водяной пар.

Примеры:

• Toyota Mirai (Япония)
• Hyundai Nexo (Южная Корея)
• Топливный элемент Honda Clarity (США, теперь прекращенный)

Преимущества:

• Очень чистый и эффективный.
• Тихая операция.
• Более длинный диапазон по сравнению с BEV.

2. Двигатель внутреннего сгорания водорода (H2-ECE)

Традиционный двигатель внутреннего сгорания модифицирован для сжигания водорода вместо бензина.

Механически похожи на современные двигатели (поршни, коленчатые валы и т. Д.).

Производит выбросы NOx, но нет Co₂.

Менее эффективно, чем FCEV.

Примеры:

• BMW Wydrogen 7 (прототип роскошного седана)
• Концепция водорода Toyota gr Yaris (гоночная программа)

Преимущества:

• Использует существующую инфраструктуру производства и технического обслуживания.
• Более быстрый переход для таких отраслей, как грузоперевозки или авиация, где знакомство с льдом имеет решающее значение.
• В долгосрочной перспективе технология топливных элементов рассматривается как более устойчивая, но двигатели H2-ICE могут играть важную переходную роль в декарбонизирующих тяжелых секторах.

Преимущества водородной трансмиссии

Существуют многочисленные причины, по которым системы водородной трансмиссии привлекают значительный интерес во всем мире:

1. Истинные нулевые выбросы

Водородные FCEV продуцируют только водяной пары во время работы, что приводит к нулевому углекисению, углеводородам или выбросам частиц. Это делает их идеальными для городов, борющихся с загрязнением воздуха и для промышленности в соответствии с строгими экологическими правилами.

2. Быстрое дозаправку

Заполнение водородного транспортного средства занимает примерно то же время, что и заправка бензина или дизельного автомобиля: 3–5 минут.
Это решает одно из самых больших недостатков аккумуляторных транспортных средств (длительное время перезарядки), что делает водород очень привлекательным для коммерческих парков, которые требуют максимального времени безотказной работы.

3. Дольше езжа

Текущие водородные автомобили предлагают 400–500+ мили вождения на одном резервуаре, который превышает большинство электромобилей. Эта долгосрочная способность имеет решающее значение для:

• Длинные грузоперевозки.
• Автобусы общественного транспорта.
• Межгородство путешествия.

4. Легкое хранение энергии

Водород имеет гораздо более высокую удельную энергию (энергия на килограмм), чем батареи. Это означает:

Транспортные средства могут нести меньше веса для того же диапазона.

Пропускная способность для грузовиков и автобусов сохранилась.

5. Универсальность

Водород может питать все, от компактных автомобилей до тяжелых машин, поездов, кораблей и даже самолетов.
Это делает водородные силоты универсальным решением для декарбонизации нескольких отраслей промышленности одновременно.

6. Энергетическая независимость

Водород может быть получен локально из воды с использованием возобновляемой электроэнергии (солнечная энергия, ветер), что снижает зависимость от импортного ископаемого топлива.

Проблемы, стоящие перед развитием водородной трансмиссии

Несмотря на свои многочисленные преимущества, технология водородной трансмиссии по -прежнему сталкивается с значительными препятствиями:

1. Проблемы производства водорода

В настоящее время около 95% водорода производится из природного газа посредством реформирования парового метана (SMR), который испускает Co₂.
Производство зеленого водорода - водород, полученный из возобновляемой энергии с помощью электролиза - остается дорогим, хотя ожидается, что затраты упадут к 2030 году.

2. Пробелы в инфраструктуре

Станции заправки водорода ограничены:

• В Калифорнии есть ~ 50 станций.
• Германия ведет Европу с ~ 100 станциями.
• Япония и Южная Корея быстро расширяются.

Тем не менее, создание полной инфраструктуры заправки водорода потребует существенных инвестиций.

3. Высокие затраты

Топливные элементы и водородные баки дороги по сравнению с батареями или двигателями сгорания, в основном из -за:

• Использование драгоценных металлов, таких как платина.
• Сложные производственные процессы.

Хотя за последнее десятилетие затраты упали более чем на 60%, необходимы дальнейшие сокращения для обеспечения конкурентоспособности водородных силовых агрегатов.

4. Неэффективность энергии

Мобильность на основе водорода включает в себя многочисленные энергетические преобразования:

Электричество → водород → Электричество → Движение. Каждый шаг имеет потери, что делает водород менее энергоэффективным, чем прямое хранение аккумулятора для транспортных средств с коротким диапазоном.

5. Публичный скептицизм

Проблемы безопасности сохраняются среди широкой общественности, в основном из -за воспламеняемости водорода.
Тем не менее, современные водородные транспортные средства и резервуары чрезвычайно безопасны и тщательно протестированы для соответствия строгим стандартам.

Сравнение автомобиля водородного автомобиля и электрической литий-ионной батареи

Хотя водород и электрические технологии изначально могут быть совершенно противоположными подходами, в действительности они являются дополнительными способами подвижности. Дебаты о «водороде или электромобиле?» не меньше для выбора одного над другим и больше о выборе правильного решения на основе конкретного использования транспортных средств и требований.

Например, когда дело доходит до легких коммерческих транспортных средств, которые требуют высокой грузоподъемности, водород окажется особенно выгодным. Несмотря на то, что резервуары для хранения, необходимые для водородного газа, являются относительно большими, они не добавляют чрезмерного веса к транспортному средству, что позволяет ему поддерживать хороший баланс между грузоподъемностью и эффективностью. Водородные транспортные средства особенно хорошо подходят для интенсивных операций с замкнутым контуром-ситуации, когда транспортное средство следует за регулярным маршрутом, а станции заправки легко добраться или даже расположены непосредственно на объектах компании. В таких условиях заправка водорода становится быстрой, удобной и очень практичной.

С другой стороны, электромобили, работающие исключительно литий-ионными батареями, предназначены для удовлетворения потребностей широкого спектра водителей и различных моделей использования. Они подходят для всего, от коротких дистанционных работ до более длинных поездок на шоссе. Однако после того, как батарея истощается, перезарядка должна происходить через электрическую сетку, которая обычно занимает больше времени по сравнению с заправкой водородного транспортного средства. Тем не менее, электромобили извлекают выгоду из гораздо более плотной сети зарядных станций, доступных как в частной среде, таких как домашние гаражи, и в общественных местах, таких как торговые центры и парковки. Кроме того, владельцы электромобилей могут удобно сочетать рутинную парковку с зарядкой батареи, что облегчает привлечение транспортных средств в течение дня.

В заключение, как водород, так и аккумуляторные технологии не участвуют в конкуренции, а скорее дополняют друг друга. Они в совокупности поддерживают переход к устойчивой мобильности, предлагая решения, которые могут быть адаптированы к различным потребностям, моделям вождения и оперативным требованиям.

Заключение

Водородная трансмиссия предлагает один из самых перспективных путей для достижения действительно устойчивого транспортного сектора.
Его быстрый дозаправщик, дальние и нулевые характеристики выбросов делают его идеальным для тяжелых приложений, межгородных поездок и промышленности, которые трудно декарбонизировать только через батареи.

В то время как проблемы остаются вокруг затрат, инфраструктуры и информирования общественности, значительный импульс со стороны промышленности и политиков предполагает, что революция водорода не является вопросом, но когда.

Часто задаваемые вопросы о водородных силовых установках

Q1: безопасны ли транспортные средства с водородом?
Да, современные водородные транспортные средства чрезвычайно безопасны, с танками, предназначенными для выдержания пуль, аварий и пожаров. Системы безопасности быстро выводят водород из кабины в чрезвычайных ситуациях.

Q2: Сколько стоит заправка водородного автомобиля?
В США это стоит около 15–20 долларов за килограмм, а полное пополнение обычно стоит 60–100 долларов в зависимости от размера транспортного средства и местных цен.

Q3: Где я могу заправить водородную машину?
В первую очередь в Калифорнии, Германии, Японии и Южной Корее. Новые водородные станции разрабатываются в Европе, Австралии, Китае и в некоторых частях Северной Америки.

Q4: Заменит ли автомобили для водородных топливных элементов аккумуляторные автомобили?
Не совсем - обе технологии будут сосуществовать. Водород лучше подходит для длинного, коммерческого и промышленного использования; БЕВ лучше всего подходят для личного и городского транспорта.

Q5: Какие компании являются ведущими развитием водородной трансмиссии?
Toyota, Hyundai, Plug Power, Ballard Power Systems и Airbus являются основными новаторами в технологиях мобильности водорода.

Читать далее:В чем разница между трансмиссией EV и трансмиссией в электромобиле?