General Motors заключила партнёрское соглашение с японским производителем строительной техники Komatsu для создания тяжёлых карьерных самосвалов, использующих в качестве источника энергии «энергетические кубы» GM Hydrotec. Каждый «энергетический куб» мощностью 80 кВт состоит из 300 отдельных водородных топливных элементов.

Источник изображения: Komatsu

Водородные топливные элементы используют в качестве топлива сжатый водород, считающийся экологически чистым топливом, так как в результате его сгорания образуется лишь водяной пар. Технология развивается уже несколько десятилетий и теперь GM начала наращивать усилия по созданию нового бизнеса, ориентированного на мобильное производство электроэнергии и тяжёлую технику, работающие на водороде.

GM планирует использовать «энергетические кубы» Hydrotec для питания различных систем, включая мобильные генераторы, временные зарядные устройства для электромобилей и профессиональные транспортные средства, такие как тяжёлые карьерные самосвалы, терминальные тягачи и бетономешалки.

Источник изображения: GM

Количество энергии, необходимое для каждого грузовика весьма велико — современный карьерный самосвал Komatsu модели 930E весит более 500 тонн, развивает мощность 3500 л.с. (2600 кВт) и способен перевезти до 320 тонн груза. Исполнительный директор Hydrotec GM Чарльз Фриз (Charles Freese) рассказал, что «энергетические кубы» будут объединены в массивы, способные выдавать «более 2 мегаватт мощности» на каждый грузовик.

«Хотя [литиевые] аккумуляторы действительно хорошо работают в пассажирских транспортных средствах и локализованных автопарках, они не являются эффективным решением для приложений с экстремальной буксировкой или предельными требованиями к полезной нагрузке», — заявил Фриз на пресс-конференции.

GM и Komatsu планируют испытать прототип грузовика на полигоне в Аризоне в течение следующих двух лет. При положительном результате испытаний партнёры собираются организовать выпуск серийных карьерных самосвалов на водородных топливных элементах. Такие грузовики, как правило, работают в одном месте в течение всего срока службы, что делает их хорошими кандидатами на использование водородной энергии. Их удобно заправлять и обслуживать.

Дэниел Функаннон (Daniel Funcannon), вице-президент Komatsu по проектированию в Северной Америке, сообщил, что компания активно ищет партнёров для помощи в развёртывании инфраструктуры заправки водородом в удалённых местах добычи полезных ископаемых, назвав необходимость подобной инфраструктуры одновременно «плюсом и минусом» для будущего грузовиков с водородным двигателем.

Серьёзная проблема водородных ДВС кроется в слишком бедной топливной смеси, которая не позволяет создавать мощные двигатели, например, для гоночных автомобилей. Похоже, разработчики из Австрии смогли её обойти, предложив водородный двигатель с прямым впрыском воды в камеру сгорания. Испытания показали, что новый двигатель выдаёт более 200 л.с. на литр и этим рвёт все шаблоны.

Источник изображений: AVL

Водородные двигатели внутреннего сгорания менее экологичны, чем платформы на водородных топливных ячейках. Но у них есть важное преимущество — они могут выдавать большую мощность. Правда, на уровень мощности влияет степень обогащения топливной смеси воздухом. Традиционно в водородных ДВС топливная смесь бедная — там слишком много воздуха. Чтобы довести соотношение воздуха и водорода в камере сгорания до идеальной инженеры из компании AVL создали систему контролируемого прямого впрыска воды в камеру наряду с использованием турбокомпрессора для замедления горения.

Моделирование на компьютере подтвердило работоспособность идеи, и инженеры создали прототип 2-литрового четырёхцилиндрового двигателя. На стенде прототип выдал мощность 410 л.с. (302 кВт) при 6500 об/мин и крутящем моменте 500 Н·м в диапазоне от 3000 до 4000 об/мин. Позже двигатель будет испытан на гоночном автомобиле на трассе.

По словам представителей компании, интеллектуальная система впрыска воды PFI подает воду в канал подачи воздуха в камеру сгорания, предотвращая возможность преждевременного воспламенения и изменяя соотношение воздух-топливо от обедненного до стехиометрического (идеального для водородного топлива) уровня. Воздух подается системой турбонаддува. С такими двигателями гоночные авто станут экологически чистыми, не потеряв в мощности и оставаясь ревущими монстрами — всё, как мы любим.

В акватории Невы в Ленинградской области прошли испытания первого в России прототипа электросудна на водороде, созданного Sitronics group в сотрудничестве с Центром водородных технологий АФК «Система», сообщило ТАСС со ссылкой на пресс-службу компании.

Источник изображения: Sitronics Group/paluba.media

«Компания Sitronics group провела успешные испытания судна с электрохимическим генератором (ЭХГ), вырабатывающим энергию из водорода. Для этого инновационного проекта Центром водородных технологий АФК “Система” был разработан генератор на топливных элементах. Установка интегрирована в энергосистему катамарана. Испытания прошли в акватории Невы в Ленинградской области у верфи Emperium. В Центре водородных технологий и Sitronics group эксперимент считают удавшимся», — рассказали в пресс-службе Sitronics group.

Президент Sitronics group Николай Пожидаев отметил, что водород является не только самым экологически чистым и перспективным видом топлива, но и самым энергоэффективным, с высоким КПД топливных элементов, позволяя увеличить дальность хода судна. Запас хода малого пассажирского электросудна на водородном топливе может составить до 20 часов без дополнительной заправки.

«…Мы считаем это направление перспективным для строительства судов, которым требуется проходить значительные расстояния», — заявил президент Sitronics group, добавив, что данная технология может быть востребована и для круизных моделей, и грузовых судов.

В компании считают, что помимо увеличения автономности использование плавучих средств на альтернативной энергии позволит снизить нагрузку на окружающую среду и увеличить низкоуглеродную генерацию. Также отмечено, что создание судна на альтернативной энергии станет важным шагом в направлении экологичной трансформации транспортной отрасли России.

Разработка силового генератора на водородном топливе началась в январе этого года. Гендиректор Центра водородных технологий АФК «Система» Юрий Добровольский сообщил, что дальнейшие планы разработчиков включают внедрение подобных энергоустановок в другие сферы, в том числе коммунальное хозяйство, горное и электрическое складское оборудование.

Эксперименты по использованию водорода в качестве топлива в авиации ведутся не только в контексте его непосредственного сжигания, но и в виде источника электроэнергии для топливных ячеек. Японские власти готовы выделить до $200 млн государственных субсидий на создание экологически чистой авиации, и водородный авиатранспорт данной инициативой тоже покрывается в полной мере.

Источник изображения: Boeing

Министерство экономики, торговли и промышленности Японии, по данным Nikkei Asian Review, готовит выделение $205 млн на поддержку инициатив по разработке более экологичных силовых установок для авиационной отрасли. Из этой суммы примерно $116 млн будут направлены на субсидирование разработки водородных топливных ячеек авиационного класса. Они требуют более высокой отдачи, чем применяемые в наземном транспорте. В специальных реакторах водород используется для генерирования электричества, в качестве выхлопа при этом образуется водяной пар. Генерируемая электроэнергия уже используется для вращения тяговых электродвигателей, в этом отношении авиационные системы не должны принципиально отличаться от наземных.

В отличие от аккумуляторных электрических силовых установок, водородные топливные ячейки обладают меньшей массой, что для авиации имеет принципиально важное значение. Оставшиеся $90 млн субсидий будут направлены на разработку систем управления авиационных двигателей, которые позволяют снизить расход топлива. Airbus собирается вывести на рынок серийный авиалайнер на водороде к 2035 году. Японская промышленность должна заниматься профильными разработками уже сейчас, чтобы в следующем десятилетии не оказаться в числе отстающих. К 2030 году власти Японии рассчитывают увидеть прототипы соответствующих решений в исполнении получателей субсидий, которые пока не определены, но будут найдены до конца текущего года. В США и Европе прототипы летательных аппаратов с водородными топливными ячейками уже испытываются.

Сейчас японские поставщики снабжают до 15 % компонентов для авиалайнеров серии Boeing 787 и до 35 % для планерной части. В эпоху перехода на водородное топливо японские компании тоже не хотят оставаться в стороне от формирования международных стандартов в этой сфере. Члены Международной организации гражданской авиации поставили перед собой цель добиться осуществления международных перелётов с углеродной нейтральностью к 2050 году. В 2021 году авиационные перелёты обеспечили до 2 % всех выбросов углекислого газа на планете, по расчётам специалистов.

Британская промышленная инженерная компания Rolls-Royce разработала новые топливные форсунки и другие компоненты, которые позволяют использовать водород в авиадвигателе даже на взлётных режимах. Испытания проводились в камере сгорания турбовентиляторного двигателя Pearl 700, развивающего тягу более 8000 кгс, на самолёте Gulfstream G700. По утверждению Rolls-Royce, испытания прошли успешно, работа камеры сгорания и выбросы соответствовали ожиданиям.

Источник изображений: Rolls Royce

Хотя водород является одним из самых сложных в обращении видов топлива, его сжигание не приводит к выбросу парниковых газов в атмосферу, что делает его весьма перспективным топливом для авиаперевозок будущего. Кроме того, при испытаниях использовался «зелёный» водород, выработанный с помощью ветряных и приливных электрогенераторов. Помимо прочего, эксперимент косвенно подтверждает верный выбор стратегии декарбонизации Rolls-Royce.

Новые топливные форсунки Rolls-Royce стали ключевым элементом для успешного использования водорода в качестве топлива в режимах максимальной мощности, необходимых для взлёта самолёта. Водородные форсунки были предварительно протестированы в Университете Лафборо в Великобритании и Немецком аэрокосмическом центре.

Камера сгорания, сопло и форсунки для распыления водородного топлива, участвовавшие в тесте, были спроектированы с учётом особенностей сгорания водорода, так как им пришлось выдерживать более высокую температуру сгорания, поскольку горючесть водорода выше, чем у керосина.

Компания Rolls-Royce утверждает, что ей удалось сделать процесс сжигания водорода в двигателе полностью управляемым, а проведённые испытания позволили собрать большой массив данных о горючести водорода в разных режимах и условиях и о его потенциальной пригодности для реактивных полётов.

Китай давно стал не только крупнейшим автомобильным рынком, но и страной, где реализуется больше всего электромобилей. Местных производителей уже начали побаиваться европейские «старожилы» рынка, поэтому сомневаться в успехе стратегии электрификации автопарка КНР не приходится. Политическое руководство страны, однако, говорит об актуальности водородного транспорта и гибридов в определённых условиях эксплуатации.

Источник изображения: BMW

Соответствующие заявления, как отмечает Bloomberg, на отраслевой конференции в Германии сделал Вань Ган (Wan Gang), которого можно считать «отцом» инициативы властей КНР, которая спустя много лет привела к бурному развитию местного рынка электромобилей. Сейчас Вань Ган занимает пост вице-председателя Народного политического консультативного совета Китая — совещательного органа при руководстве страны, который помогает формировать стратегию развития по ключевым отраслям экономики.

По словам китайского чиновника, автомобили на водородных топливных элементах будут востребованы в северо-западной части страны, где велики расстояния между населёнными пунктами, а степень распространения электромобилей низка. При этом, как подчёркивает Вань Ган, сперва необходимо создать инфраструктуру по добыче, хранению и транспортировке так называемого «зелёного» водорода, которая наносила бы минимальный вред окружающей среде. В отдельных регионах КНР, по его словам, гибриды и водородный транспорт будут доминировать над «чистокровными» электромобилями.

Получивший образование в Германии Вань Ган некоторое время работал в Audi и занимал пост министра технологий и науки КНР, около двух десятилетий назад он инициировал перевод отечественного автопарка на электротягу. Это делалось под предлогом снижения зависимости экономики страны от импорта нефтепродуктов и улучшения экологической обстановки в Китае. Активное субсидирование отрасли по производству тяговых батарей и электромобилей со стороны властей КНР в итоге позволило превратить страну в крупнейшего производителя и потребителя электромобилей.

По словам Вань Гана, продвижение водородного топлива выгодно ещё и возможностью использования его в морском и железнодорожном транспорте. В целом, коммерческий автотранспорт мог бы выиграть от перехода на водородное топливо. Использование топливных водородных ячеек позволяет повысить полезную нагрузку на транспорт и сократить время, необходимое для восполнения запаса хода по сравнению с аккумуляторными электромобилями.

Представители BMW, которые на этом мероприятии тоже присутствовали, выразили поддержку данным идеям, поскольку баварская компания уже эксплуатирует тестовый парк из примерно 80 кроссоверов iX5, оснащённых водородными силовыми установками. Как заявил генеральный директор компании Оливер Ципсе (Oliver Zipse), представленное недавно семейство электромобилей Neue Klasse к середине десятилетия должно обзавестись версией с водородной силовой установкой. «Для нас разговор о транспортных средствах с нулевым выбросом всегда подразумевает и водород», — пояснил глава BMW, добавив, что Китай должен строить больше водородозаправочных станций ближе к центру городских территорий, чтобы способствовать распространению соответствующего типа машин среди частных клиентов.

Прочие автопроизводители в разной степени видят целесообразность выпуска легковых машин с водородными силовыми установками. Mercedes-Benz прекратила поставки соответствующей версии кроссовера GLC, которую выпускала небольшими партиями. Honda Motor тоже отправила на покой в 2021 году свою водородную модель Clarity, но пообещала возобновить её производство на территории США с 2024 года. Компания BMW собирается решить, нужно ли выпускать серийно кроссоверы на водородных топливных ячейках, ориентировочно во второй половине текущего десятилетия.

В сегменте грузового транспорта водородные топливные ячейки считаются многими игроками рынка перспективным направлением развития, поскольку водородное топливо считается более экологически чистым, а запас хода в сотни километров можно восполнить за несколько минут, и при этом не тратить энергию на перевозку тяжёлых тяговых батарей. Bosch сообщила о запуске производства профильных силовых установок на двух своих предприятиях в Германии и Китае соответственно.

Источник изображения: Nikola Motor

Водородные топливные ячейки используют специальные генераторы, вырабатывающие электроэнергию с использованием водорода, в качестве выхлопа такие силовые установки создают обычный водяной пар. Запас водорода, хранимый в специальных резервуарах под большим давлением, в данном случае заменяет тяговый аккумулятор. Баллоны с водородом намного легче аккумуляторных батарей, а наполнить их на заправочных станциях можно за несколько минут, чего нельзя сделать в случае с дальнобойными грузовиками аккумуляторного типа.

Как заявляет Reuters со ссылкой на представителей компании Bosch, силовые установки на основе водородных топливных ячеек с предприятия в Германии начнут поступать в США, где ими будут оснащаться магистральные тягачи Nikola, использующие водородное топливо в качестве источника энергии. Поставки водородных грузовиков Nikola на рынок Северной Америки Nikola рассчитывает начать уже в текущем квартале. Эта компания станет первым получателем данных силовых установок производства Bosch. Со временем водородные топливные ячейки Bosch начнут выпускаться и в США.

В период с 2021 по 2026 годы европейский конгломерат планирует потратить на разработку и производство водородных топливных ячеек почти 2,5 млрд евро. Эта сумма оказалась на миллиард выше запланированной на период до 2024 года, который был охвачен первоначальной версией инвестиционной программы. К 2030 году Bosch рассчитывает ежегодно выручать по 5 млрд евро за счёт реализации водородных силовых установок. По прогнозам компании, к концу десятилетия каждый пятый грузовик массой более шести тонн будет использовать водородные топливные ячейки.

Многие автопроизводители придерживаются гибкой стратегии в области отказа от ДВС. Молодая по меркам отрасли компания Nikola готова оснащать грузовики как тяговыми аккумуляторами, так и водородными топливными ячейками, подобной идеологии придерживается и Daimler, а вот грузовое подразделение Volkswagen делает ставку исключительно на аккумуляторные транспортные средства.

Водородное топливо в транспортной сфере предполагается применять в двух вариантах: напрямую в модифицированных ДВС или для выработки электроэнергии в топливных ячейках. Представителям одного из нидерландских университетов недавно удалось обновить рекорд продолжительности пробега транспортного средства на одном килограмме водородного топлива — экспериментальный трёхколёсный электромобиль смог проехать 2488 км.

Источник изображения: Delft University of Technology

Как поясняет Popular Science, предыдущий рекорд в 2056 км был установлен прототипом на основе Renault Zoe, оснащённым топливными ячейками с метанолом. Нидерландская машина Eco-Runner XIII является уже 13-м по счёту поколением транспортного средства, разработка которого началась ещё в 2005 году. Машину нельзя назвать практичной, поскольку ради облегчения конструкции она лишилась многих потребительских качеств. Приземистый обтекаемый корпус способен вместить одного человека, масса всей конструкции не превышает 72 кг, а предельная скорость ограничена отметкой 45 км/ч. Ради снижения массы углеволокно используется не только для производства кузова прототипа, но и отдельных элементов подвески и системы рулевого управления. В ходе эксперимента на закрытой трассе в Германии группа студентов на протяжении 71 часа сменяла друг друга за рулём прототипа через каждые пару часов, всего на 1 кг водорода машина смогла проехать 2488 км.

Разработчики Eco-Runner XIII также уделили особое внимание снижению потерь в цепочке преобразования водорода в электроэнергию для вращения тягового электродвигателя. В итоге машина получила водородные топливные ячейки нового поколения, которые обладают более высоким КПД. Конечно, в серию такую машину будет запустить проблематично, но некоторые наработки Eco-Runner XIII можно будет применить на более практичных транспортных средствах. Во всём мире в прошлом году было продано около 56 000 машин на водородном топливе, многие участники рынка грузоперевозок считают его одной из немногих разумных альтернатив дизельным двигателям.

Учёные из Технологического института Карлсруэ (KIT) вместе с коллегами из Канады разработали фотопанель для выработки водорода с помощью одного только солнечного света. Панели стоимостью до $22 за квадратный метр можно будет располагать на крышах домов или в виде солнечных ферм, но на выходе будет не электричество, а водород, синтетическое топливо или даже чистая вода, что будет зависеть от выбора фотокатализатора.

Источник изображения: KIT

Перед учёными стояло две задачи. Во-первых, они должны были придумать самый оптимальный для поглощения света фотореактор, ведь эффективность реакции в нём будет определяться количеством падающего солнечного света в течение суток. Кроме того, реактор должен быть из простых материалов и удобен для массового производства и эксплуатации. Проще говоря, учёные взялись решить сложную конструкторскую задачу, с чем они успешно справились.

Лабораторная установка

Во-вторых, необходимо было разработать эффективный фотокатализатор для проведения соответствующей химической реакции. Эта часть проекта пока не завершена. Кроме того, химические реакции могут быть разными, например, позволяя синтезировать в реакторе под воздействием света искусственное углеродное топливо, воздействуя на углекислый газ и воду. Наконец, можно получать в таких реакторах чистую воду, что найдёт поддержку в странах с засушливым климатом.

О результатах своего исследования учёные рассказали в журнале Joule. Статья свободно доступна для прочтения. Там же представлен чертёж фотореактора, который может служить отправной точкой для разработки коммерческих установок.

Конструкция фотореактора

В общем случае фотореактор производится из полимерных материалов, но для лучшего переотражения света к фотокатализатору в рабочую зону его поверхность покрывают алюминиевой фольгой или напылением. Согласно предварительным оценкам, стоимость каждого квадратного метра такой панели не будет превышать $22. Представители института изучают вопрос массового производства подобных фотопанелей.

Чего только не придумаешь, когда в стране официально запрещена ядерная энергетика.

Этим летом в Канаде начал курсировать первый в Северной Америке пассажирский поезд на водородном топливе. Демонстрационная эксплуатация французского Coradia iLint продолжится до конца сентября — создатели рассчитывают, что это будет способствовать внедрению подобного транспорта в Канаде и США.

Источник изображения: Alstom

Как заявил представитель местного совета Hydrogen Business Council провинции Онтарио, призванного способствовать развёртыванию водородных технологий, самым важным следствием станет осведомлённость местных жителей о водородном транспорте и повышение уровня психологического комфорта при использовании соответствующих технологий. Поезд ходит по провинции Квебек, из местной столицы — города Квебека в Бэ-Сен-Поль и обратно. Дорога в один конец занимает 2,5 часа, поездки продлятся до 30 сентября. Максимальная скорость поезда составляет 140 км/ч, он способен везти 120 человек в двух пассажирских вагонах.

Как заявляет французская Alstom, выпустившая поезд, характеристики ускорения и торможения сравнимы с показателями для классических дизельных поездов, зато отсутствуют вредные выбросы. В самой Европе применяется очень много электропоездов, питающихся от контактных проводов, а водородные варианты оптимальны для длительных перегонов, например — в Канаде с её большими пространствами и относительно низкой плотностью населения. То же в некоторой мере касается и США, во всяком случае — отдельных штатов.

Впрочем, такая же модель уже успешно тестировалась в восьми странах Европы. Так, 14 поездов начали курсировать в прошлом году по дорогам Германии. Тестирование поездов на водородном топливе началось в 2018 году и уже заключены дополнительные контракты с Германией, Италией и Францией. Сообщается, что всего европейские покупатели заказали 41 состав.

Coradia iLint использует около 50 кг водорода ежедневно. На такое же путешествие с использованием стандартных двигателей ушло бы примерно 500 литров дизельного топлива. Единственным выбросом в результате работы двигателей является водяной пар, возникающий в результате реакции водорода и кислорода в топливных ячейках, генерирующих энергию.

Стоит отметить, что с новым водородным поездом не всё так благополучно, как кажется на первый взгляд. Для транспортировки водорода используется грузовик на дизельном топливе — в будущем газ рассчитывают получать на месте заправки. Кроме того, СМИ уже задумываются, сколько всего выбросов отправилось в атмосферу в ходе его доставки в Канаду из Европы. Впрочем, поезд, по крайней мере, не придётся возвращать — после сентября его начнут тестировать в других городах Северной Америки. В будущем не исключается распространение такого транспорта во многих американских регионах. Считается, что такие экобезопасные поезда благодаря использованию «зелёных» технологий смогут с запасом компенсировать экологический ущерб, наносимый в ходе доставки к ним водорода и транспортировки самих поездов через Атлантику.

Компания Airbus настойчиво занимается разработкой и тестированием «зелёных» авиационных технологий, реализуя крупные проекты. Новые решения позволяют не только использовать полностью водородную топливную систему, но и применять в лайнерах водородную вспомогательную силовую установку (APU) — вместо т.н. «скрытого» авиадвигателя, применяемого для электроснабжения самолётов. Часть новых разработок базируются на космических технологиях.

Источник изображения: Airbus

Полностью «водородная» экономика требует не только простой замены одного топлива на другое, но и полного пересмотра двигательной и энергетической системы авиалайнеров. При сотрудничестве с ArianeGroup (совместным предприятием Airbus и Safran), компания Airbus завершила тестирование полнофункциональной системы подачи водорода в газотурбинные двигатели самолёта. Проект HyPERION начали реализовать в 2020 году, он предусматривает появление коммерческих водородных лайнеров к 2035 году. Тем не менее, для тестирования безопасности технологий и выявления недочётов, требующих доработки, требуется провести дополнительные работы.

Проект предусматривает использование опыта Airbus в строительстве самолётов и применение топливных систем на жидком водороде, разработанных ArianeGroup для космических ракет семейства Ariane. В новой системе водород хранится в состоянии сверхохлаждённой жидкости в криогенных ёмкостях. После впрыска в топливную систему он подогревается до газообразного состояния и доставляется в двигатели с оптимальной температурой и давлением. 12 мая ArianeGroup совместно с французской ONERA провела ряд испытаний совместимости материалов и технологий с использованием электронасоса, газового генератора и теплообменников, изначально предназначавшихся для ракет Ariane.

Ещё одним важным проектом занимается подразделение Airbus UpNext — оно работает над программой, предусматривающей замену «скрытого» авиадвигателя авиалайнеров на водородные топливные ячейки. Хотя большинство людей принимают во внимание только двигатели самолёта, расположенные под крыльями, в хвосте крупных лайнеров обычно имеется ещё один, приводящий в действие вспомогательную силовую установку (APU). Реактивный двигатель подключён к генератору и обеспечивает лайнеру освещение, работу камбуза, питание бортовой авионики и даже поддержание на борту необходимого давления, и т.п. В Airbus намерены создать к 2025 году прототип HyPower, который заменит APU на Airbus 330 — он будет использовать водородные топливные ячейки, что позволит обеспечивать авиалайнер электроэнергией без лишнего шума и с пониженными выбросами.

Источник изображения: Airbus

Новые тесты, по данным Airbus, являются очередным шагом к демонстрационному полёту, который должен состояться к концу 2025 года. В числе прочего планируется показать и процесс заправки авиалайнера, который, с учётом физических свойств водорода, сам по себе является весьма сложной задачей. Ожидается, что систему продемонстрируют в реалистичных условиях — авиалайнер полетит на высоте 7620 м в течение часа с 10 кг водородного топлива на борту.

В январе 2023 года появились новости о том, что компания ZeroAvia подняла в воздух крупнейший в мире пассажирский самолёт на водородной тяге — в воздухе он продержался 10 минут и значительно уступает размерами крупным авиалайнерам вроде Boeing и Airbus.

Железные дороги были и остаются одними из сильнейших загрязнителей окружающей среды. Поэтому перевод подвижного состава на экологические виды топлива обязателен для соблюдения «зелёной» повестки. В идеальном случае транспорт под эти цели надо проектировать с нуля, но замена двигателей на «чистые» — это тоже рабочий вариант и главное, что он может быть реализован в кратчайшие сроки.

Источник изображений: CRRC

Китайские СМИ сообщают, что в филиале Датун государственного производителя China Railway Rolling Stock Corporation (CRRC) завершена модернизация первого дизельного локомотива с заменой «ископаемого» двигателя на водородный. Точнее, локомотив получил электрический двигатель и водородные топливные ячейки, в которых легчайший газ при взаимодействии с кислородом превращается в электричество и водяной пар.

На одной заправке модернизированный локомотив может двигаться до 190 часов — это больше недели в пути, а на саму заправку необходимы два часа. Другая выгода от использования водородных ячеек заключается в том, что обслуживание и эксплуатация водородных локомотивов обещает быть в два раза дешевле дизельных.

Китай может довольно быстро перевести дизельные локомотивы на водородное топливо. По оценкам специалистов, модернизировать можно будет до 90 % локомотивов из парка порядка 7800 штук. Это почти третья часть от всего подвижного состава в Китае. Экологический эффект обещает быть колоссальным.

Всё это хозяйство и водородный автомобильный транспорт потребует выработки соответствующих объёмов водородного топлива. Сегодня водород в основном производится методами, сопровождающимися вредными выбросами — это переработка нефти, угля и сопутствующая добыча. Более экологически чистые способы — получение водорода с помощью электричества с АЭС и из биомассы. Совсем чистые — электролиз с использованием мощностей солнечных и ветряных электростанций. Китайские железнодорожники рассчитывают своими силами организовать производство «зелёного» водорода в объёме до 200 тыс. т к 2025 году.

Новый водородный состав

Параллельно разрабатываются абсолютно новые локомотивы, сразу ориентированные на водородное топливо. Такая новинка была представлена зимой этого года. Современный четырёхвагонный водородный пассажирский поезд может проезжать на одной заправке до 600 км. В Германии подобный пилотный состав был запущен в 2018 году и летом 2022 года принят в эксплуатацию. За четыре года он проехал более 220 тыс. км и хорошо себя зарекомендовал. Есть подозрение, что китайцы спроектировали водородный четырёхвагонный пассажирский состав с прицелом на европейский рынок, но пока там правит бал французская компания Alstom.

Самый «чистый» водород производится из воды методом электролиза с использованием электричества от возобновляемых источников. Но энергетически это очень затратное мероприятие, которое российские учёные обещают ощутимо улучшить, повысив его энергоэффективность до двух и более раз. И поможет в этом простейший лазер.

Источник изображения: Портал «Атомная энрегия 2.0»

Изобретение представили исследователи из кемеровского ФИЦ угля и углехимии СО РАН. Доклад опубликован в журнале Hydrogen Energy и свободно доступен по ссылке. Учёные предложили оригинальное решение. Вместо того чтобы пропускать ток большой силы через электроды электролизёра и страдать от потерь, предложено облучать объём воды лазером.

В воде создаётся суспензия в виде наночастиц алюминия. Лазерный луч свободно проходит сквозь толщу воды и работает исключительно на поверхности наночастиц. Это разрушает защитный оксидный слой на частицах и обнажает металлический алюминий для вступления в химическую реакцию с водой, в результате которой начинает выделяться чистый водород.

Согласно проведенным расчётам, затраты электроэнергии на получение 1 кг водорода могут быть снижены до 15–17 кВт·ч, тогда как в классическом электролизёре они могут достигать 40 кВт·ч и более. При этом появляется возможность создавать компактные и относительно недорогие модульные генераторы водорода, для работы которых хватит сравнительно маломощных полупроводниковых лазеров.

Побочным продуктом процесса станут оксиды алюминия, которые можно использовать для производства адсорбентов, керамических материалов и других материалов.

Учёные из Университета Пенсильвании предложили неожиданное применение обычному углю в низкоуглеродной энергетике. Уголь любых марок можно использовать как контейнер для длительного хранения газообразного водорода. Первые эксперименты в этом направлении обнадёживают. Это позволит сохранить отрасль, десятки тысяч рабочих мест и даст старт водородной энергетике — чистой безо всяких оговорок.

Источник изображения: Pixabay

С выработкой водорода особых проблем сегодня нет. Есть проблемы с его длительным хранением в больших объёмах. Предлагаются как классические способы хранения с закачиванием в подземные пустоты, так и экзотические в виде гидридов металлов. Каждое из предложенных решений, которое также включает заключение водорода в порошки, пасты и разнообразные по содержанию картриджи, имеет свои плюсы и минусы. Идеального решения так и не найдено и уголь, как ни странно, может оказаться перспективным кандидатом на роль контейнера для водорода.

Известно, что уголь хорошо абсорбирует газообразный метан. Это же свойство угля, решили учёные, можно перенести на водород. Для проверки идеи на практике была создана установка, которая создавала оптимальное давление для нагнетания водорода внутрь угля.

«Мы собрали новую и очень сложную конструкцию, — сказал Шимин Лю (Shimin Liu), доцент кафедры энергетики и минерального машиностроения в Пенсильванском университете. — Потребовались годы, чтобы понять, как это правильно сделать. Методом проб и ошибок нам пришлось разработать систему экспериментов, для чего пригодился наш предыдущий опыт с углями и сланцами».

После анализа семи марок угля из разных угольных районов США, исследователи обнаружили, что этот материал действительно исключительно хорошо хранит водород. Лучшим из них оказался битуминозный уголь с низким содержанием летучих веществ, найденный в Вирджинии, и антрацитовый уголь из Пенсильвании. Как пояснили учёные, газоулавливающая способность угля основана на его уникальном составе. Он, по сути, похож на губку, которая может удерживать гораздо больше молекул водорода по сравнению с другими неуглеродными материалами.

На этом изучение угля как контейнера для длительного хранения водорода не окончено. Учёные намерены изучить его проницаемость и диффузионную способность. Это поможет понять, как быстро водород может закачиваться в различные виды угля и извлекаться из него, что, в свою очередь, может привести к созданию эффективных водородных «батарей» на основе этого ископаемого ресурса.

Компании Natilus и ZeroAvia объединили усилия для разработки грузового беспилотника в виде летающего крыла на водородном двигателе. Форма планера Natilus Kona выглядит так, словно она сошла с изображений будущего авиации. Но привлекает этот проект тем, что он может быть реализован в обозримом будущем, а не через сто или больше лет.

Грузовой дрон Natilus Kona. Источник изображения: Natilus

Сейчас компания Natilus проводит в Калифорнии испытания модели дрона Natilus Kona в масштабе 1:4. Этому предшествовали три года испытания в аэродинамической трубе, пока аэродинамические обводы планера не были доведены до совершенства. Аппарат летает на двигателях внутреннего сгорания и в коммерческой эксплуатации также должен использовать подобные двигатели. В союзе с ZeroAvia дроны Natilus получат двигатели на водородной тяге, что обещает в два раза снизить общие выбросы на каждый килограмм перевозимого ими груза.

Следует сказать, что форма планера «летающее крыло» была выбрана для грузового дрона специально, как наиболее вместительная с точки зрения перевозки грузов. Это же обстоятельство послужит на благо водородным силовым установкам, которые по определению более габаритные (со всеми своими вспомогательными узлами), чем традиционные двигатели на авиационном керосине.

Полномасштабный беспилотный грузовик Kona должен взлететь в 2024 году — его сейчас изготавливают. Размах его крыльев составит 22 м. Он сможет перевозить 3,8 т груза на дальность до 1667 км (на авиационном керосине). Параллельно компания разрабатывает проекты грузовиков Alisio и Nordes грузоподъёмностью 60 и 100 т. Это будут воздушные суда для беспилотных межконтинентальных перелётов.

Компания ZeroAvia, в свою очередь, создаёт для подобных гигантов водородные силовые установки мощностью 2,5 МВт. Решение обещает быть готово к 2026 году. Также компания изучает потенциал криогенных систем на жидком водороде, которые обещают увеличить дальность полета и уменьшить требования к пространству для загрузки топлива.

Первым на грузовые маршруты обещает выйти дрон Natilus Kona в 2025 году или около того. Силовая водородная установка ZeroAvia мощностью 600 кВт уже готова и успешно испытана в полёте, о чём мы сообщали в январе текущего года. Правда, испытания показали, что водородные установки обеспечивают полёт на вдвое более короткие расстояния, так что Natilus придётся либо сократить дальность перелётов, либо уменьшить объём перевозимых грузов, но зато полёты будут с минимальными выбросами парниковых газов, а ради этого стоит преодолевать все трудности.