Wasserstoffauto. Ist es Zeit, sich vom Benzin zu verabschieden?

Hallo Habr! Zu unserem letzten Artikel über Wasserstoffenergie haben Sie sehr interessante und faire Kommentare verfasst, deren Antworten Sie in diesem Material finden, das sich mit der Verwendung von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen befasst.

In der Tat ist Wasserstoff im Vergleich zu Benzin ein ständiges Problem: Es ist sehr schwer zu speichern und schwer zu beschaffen, es ist explosiv und Wasserstoffautos sind um ein Vielfaches teurer als Benzinautos. Gleichzeitig gilt Wasserstoff als der vielversprechendste alternative Kraftstoff für den Transport. Darüber hinaus sind Investoren bereit, Milliardeninvestitionen in die Produktion von Wasserstoffautos zu investieren.

Das Gasurteil wurde bereits unterzeichnet

Laut dem jüngsten Bericht des BP Statistical Review of World Energy 2018 belaufen sich die weltweit nachgewiesenen Ölreserven auf 1,696 Milliarden Barrel, was unter Beibehaltung des aktuellen Verbrauchs fünfzig Jahre dauern wird. Unerforschte Ölreserven werden uns vermutlich ein weiteres halbes Jahrhundert Kohlenwasserstoff-Energie liefern, aber die Produktionskosten können so hoch sein, dass Öl im Vergleich zu anderen Energiequellen einfach unrentabel wird. Wenn die Lagerstätten mit bequemer Produktion aufgebraucht sind, steigen die Rohstoffpreise automatisch: Wenn die Kosten für die Herstellung eines Fasses in Russland jetzt auf 2-3 Dollar geschätzt werden (nach alternativen Schätzungen 18 Dollar ), dann sind dies für Schieferöl bereits 30-50 Dollar. Und vor der Menschheit besteht eine echte Aussicht auf eine Umstellung auf die Produktion von Offshore- und Arktisöl, deren Preis noch höher sein wird.

Der Anstieg des Interesses am Elektrotransport in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts entstand genau vor dem Hintergrund eines krampfhaften Anstiegs der Ölpreise aufgrund der politischen Krise - es gab keinen Mangel an Rohstoffen, aber ein vierfacher Preisanstieg machte Benzinautos und Ölenergie sofort zu einem Luxus.

Und kontroversere Hindernisse standen Benzinautos im Wege - die Umweltschutz in Städten und Ländern, in denen Autoabgase zu einem Problem geworden sind. Aus diesem Grund hat Deutschland beispielsweise seit 2030 eine Resolution verabschiedet, die die Produktion von Autos mit Verbrennungsmotor verbietet. Frankreich und Großbritannien versprechen, Kohlenwasserstoffbrennstoffe bis 2040 aufzugeben. Niederlande - bis 2030. Norwegen - bis 2025. Selbst Indien und China erwarten, den Verkauf von Diesel- und Benzinfahrzeugen seit 2030 zu verbieten. Paris, Madrid, Athen und Mexiko werden den Einsatz von Dieselfahrzeugen seit 2025 verbieten.

Verbrennung von Wasserstoff in ICE

Die Verbrennung von Wasserstoff in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor scheint die einfachste und logischste Art der Verwendung von Gas zu sein, da Wasserstoff leicht entzündet wird und spurlos verbrennt. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Benzin und Wasserstoff war es jedoch nicht so einfach, ICE auf eine neue Art von Kraftstoff zu übertragen. Beim Langzeitbetrieb der Motoren traten Schwierigkeiten auf: Wasserstoff verursachte eine Überhitzung der Ventile, der Kolbengruppe und des Öls aufgrund der dreimal höheren Verbrennungswärme als die von Benzin (141 MJ / kg gegenüber 44 MJ / kg). Wasserstoff zeigte bei niedrigen Motordrehzahlen eine gute Leistung, aber die Detonation trat mit zunehmender Last auf. Eine mögliche Lösung des Problems war der Ersatz von Wasserstoff durch ein Benzin-Wasserstoff-Gemisch, dessen Gaskonzentration mit zunehmender Motordrehzahl dynamisch abnahm.


Der Zweistoff-BMW Hydrogen 7 in der E65-Karosserie verbrennt Wasserstoff im ICE anstelle von Benzin
Quelle: Sachi Gahan / Flickr

Eines der wenigen Serienautos, bei denen Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor wie bei anderen Kraftstoffen verbrannt wurde, war BMW Hydrogen 7, das 2006-2008 nur in 100 Exemplaren auf den Markt kam. Der modifizierte Sechs-Liter-ICE V12 arbeitete mit Benzin oder Wasserstoff, der Wechsel zwischen Kraftstoffen erfolgte automatisch.

Trotz der erfolgreichen Lösung des Problems der Überhitzung des Ventils hat dieses Projekt dem immer noch ein Ende gesetzt. Erstens sank die Motorleistung beim Verbrennen von Wasserstoff um etwa 20% - von 260 Litern. s Benzin bis 228 Liter s Zweitens reichten 8 kg Wasserstoff für nur 200 km Lauf, was um ein Vielfaches weniger ist als bei Dieselelementen. Drittens erschien Wasserstoff 7 zu früh - als die "grünen" Autos noch nicht so relevant waren. Viertens gab es anhaltende Gerüchte, dass die US-Umweltschutzbehörde es nicht erlaubte, Hydrogen 7 als Auto ohne schädliche Abgase zu bezeichnen. Aufgrund der besonderen Merkmale des Verbrennungsmotors fielen Motorölpartikel in den Brennraum und wurden dort mit Wasserstoff entzündet.

Der Mazda RX-8 Hydrogen RE ist der Fall, wenn Wasserstoff die gesamte Dynamik eines Rotationsmotors ruiniert. Quelle: Mazda

Zuvor, im Jahr 2003, wurde der Zweistoff-Mazda RX-8 Hydrogen RE eingeführt, der die Kunden erst 2007 erreichte. Beim Umschalten auf Wasserstoff von der Leistung des legendären Rotations-RX-8 gab es keine Spuren mehr - die Leistung fiel von 206 auf 107 Liter. Sek. und die Höchstgeschwindigkeit beträgt bis zu 170 km / h.

Der BMW Hydrogen 7 und der Mazda RX-8 Hydrogen RE waren das Schwanenlied der Wasserstoff-ICEs: Als diese Autos ankamen, war endlich klar, dass es viel effizienter war, Wasserstoff in seit langem bekannten Brennstoffzellen einzusetzen, als einfach zu verbrennen.

Brennstoffzellen in Autos

Das erste erfolgreiche Experiment zur Herstellung eines Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugs ist der 1959 gebaute Harry-Karl-Traktor. Das Ersetzen des Dieselmotors durch eine Brennstoffzelle reduzierte die Traktorleistung auf 20 Liter. s

Im letzten halben Jahrhundert wurde der Wasserstofftransport in Stücken hergestellt. Beispielsweise erschien 2001 in den USA der Bus der Generation II, für den Wasserstoff aus Methanol hergestellt wurde. Brennstoffzellen erzeugten eine Leistung von bis zu 100 kW, dh etwa 136 Liter. s Im selben Jahr führte die russische VAZ die Niva für Wasserstoffelemente ein, die unter dem Namen Antel-1 bekannt ist . Der Elektromotor leistete bis zu 25 kW (34 PS), beschleunigte das Auto auf maximal 85 km / h und arbeitete 200 km an einer Tankstelle. Das einzige produzierte Auto war das "Labor auf Rädern".


Ein russisches Wasserstoff-Brennstoffzellenauto - damals ging die Technologie über das Design hinaus. Quelle: AvtoVAZ

2013 erschütterte Toyota die Automobilwelt mit der Einführung des Mirai-Wasserstoff-Brennstoffzellenmodells. Die Einzigartigkeit der Situation war, dass Toyota Mirai kein Konzeptauto war, sondern ein Auto, das für die Massenproduktion bereit war und dessen Verkauf ein Jahr später begann. Im Gegensatz zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen erzeugte Mirai selbst Strom für sich.


Toyota Mirai. Quelle: Toyota

Der Elektromotor mit Frontantrieb von Mirai hat eine maximale Leistung von 154 Litern. mit. dass ein wenig für ein modernes Elektroauto, aber nicht schlecht im Vergleich zu Wasserstoffautos der Vergangenheit. Die theoretische Reichweite von 5 kg Wasserstoff beträgt 500 km, die tatsächliche - etwa 350 km. Tesla Model S kann laut Pass 540 km zurücklegen. Das Auftanken eines vollen Wasserstofftanks dauert nur 3 Minuten, und eine Tesla-Batterie wird an Tesla-Ladestationen in 75 Minuten zu 75% und an einer normalen 220-V-Steckdose bis zu 30 Stunden aufgeladen.

Der Gleichstrom aus den 370 Wasserstoff-Brennstoffzellen von Mirai wird in Wechselstrom umgewandelt und die Spannung steigt auf 650 V. Die Höchstgeschwindigkeit des Autos erreicht 175 km / h - ein wenig im Vergleich zu Kohlenwasserstoff, aber mehr als genug für das tägliche Fahren. Zur Energiespeicherung wird eine 21 kWh Nickel-Metallhydrid-Batterie verwendet, auf die überschüssige Brennstoffzellen und regenerative Bremsenergie übertragen werden. Angesichts der japanischen Realität, in der Siedlungen jederzeit von einem Erdbeben betroffen sein können, verfügt der Mirai-Kofferraum des Modelljahres 2016 über einen CHAdeMO-Anschluss, über den Sie die Stromversorgung eines kleinen Privathauses organisieren können, wodurch das Auto zu einem Generator auf Rädern mit einer maximalen Kapazität von 150 kWh wird .

Übrigens gelang es Toyota in nur wenigen Jahren, die Masse des Generators deutlich zu reduzieren: Wenn er zu Beginn des Jahrhunderts in Prototypen 108 kg wog und 122 Liter produzierte. Sek., dann ist in Mirai die Brennstoffzelle doppelt so kompakt (37 Liter) und wiegt 56 kg. Es wird fair sein, diese 87 kg Kraftstofftanks zu ergänzen.

Zum Vergleich: Der beliebte moderne Volkswagen 1.4 TSI-Turbomotor ähnelt dem Mirai mit einer Leistung von 140–160 PS. Es ist berühmt für seine „Leichtigkeit“ aufgrund seiner Aluminiumkonstruktion - es wiegt 106 kg plus 38–45 kg Benzin im Tank. Der Tesla Model S Akku wiegt übrigens 540 kg!

Für 4 km Lauf produziert Mirai nur 240 ml destilliertes, relativ trinkfreies Wasser - Enthusiasten, die den „Auspuff“ von Mirai ausprobiert haben, berichteten von einem geringen Geschmack von Kunststoff.

Aus Mirai abgelassenes Trinkwasser ist sicher, obwohl der Anblick zunächst schockierend ist

Der Toyota Mirai installierte zwei Tanks für Wasserstoff mit 60 und 62 Litern, die insgesamt 5 kg Wasserstoff unter einem Druck von 700 Atmosphären enthielten. Toyota entwickelt und produziert seit 18 Jahren eigenständig Wasserstofftanks. Der Mirai-Tank besteht aus mehreren Kunststoffschichten mit Kohlefaser und Glasfaser. Die Verwendung solcher Materialien erhöhte zum einen die Beständigkeit der Lager gegen Verformung und Eindringen und löste zum anderen das Problem der Metallwasserstoffaufnahme, wodurch Stahltanks ihre Eigenschaften und Flexibilität verloren und mit Mikrorissen bedeckt waren.

Baue Toyota Mirai. Ein Elektromotor befindet sich vorne, die Brennstoffzelle ist unter dem Fahrersitz versteckt und Tanks und eine Batterie sind unter der hinteren Reihe und im Kofferraum installiert. Quelle: Toyota

Was sind die Aussichten?

Nach Schätzungen von Bloomberg werden Autos bis 2040 1.900 Terawattstunden anstelle von 13 Millionen Barrel pro Tag verbrauchen, dh 8% des Strombedarfs ab 2015. 8% sind nichts, wenn man bedenkt, dass jetzt bis zu 70% des weltweiten Öls für die Kraftstoffproduktion für den Transport ausgegeben werden.

Die Marktaussichten für batterieelektrische Fahrzeuge sind viel ausgeprägter und beeindruckender als bei Wasserstoffbrennstoffzellen. Im Jahr 2017 belief sich der Markt für Elektroautos auf 17,4 Milliarden US-Dollar, während der Markt für Wasserstoffautomobile einen Wert von 2 Milliarden US-Dollar hatte. Trotz dieses Unterschieds sind Investoren weiterhin an Wasserstoff interessiert und möchten neue Entwicklungen finanzieren.

Ein Beispiel hierfür ist der 2017 gegründete Hydrogen Council, dem 39 große Unternehmen wie Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM und Hyundai angehören. Ihr Ziel ist die Erforschung und Entwicklung neuer Wasserstofftechnologien und deren anschließende Umsetzung in unserem Leben.