Ученые Пермского Политеха находятся на пути к производству отечественных электромобилей на водородном топливе

2 ноября 2023

В ПНИПУ создан стенд для исследования водородной силовой установки гоночного электромобиля

В мире постепенно растет спрос на транспорт с электрическим приводом. К основным проблемам эксплуатации, например, аккумуляторных электромобилей (BEV) относятся недостаточное распространение зарядных станций и ограниченный пробег, в среднем не превышающий 500 км. Эту проблему решает использование в качестве альтернативного источника энергии для электромобилей (типа FCEV) топливных элементов на водородном топливе. Электромобиль типа FCEV отличается той же экологичностью, что и BEV, но при этом отличается большим запасом хода между заправками (более 1000 км), которая к тому же происходит достаточно быстро, а также безопасностью.

В тоже время FCEV – это сложная техническая система, требующая изучения. В России есть всего одна зарубежная модель такого типа транспортного средства – Toyota Mirai.
Ученые Пермского Политеха (ПНИПУ) разработали в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» нагрузочный стенд для проведения тщательных контрольных тестирований и изучения конструкции малогабаритной модели гоночного болида типа FCEV. Разработка позволила выявить важные эксплуатационные характеристики объекта, обнаруженные в процессе его работы. Исследование должно способствовать процессу импортозамещения зарубежных FCEV.

При эксплуатации FCEV отсутствуют прямые выбросы вредных газов в атмосферу. Однако на окружающую среду влияет углеродный след от производства самого H2. Наиболее экологичный (но энергозатратный – авт.) способ его получения – электролиз воды, дающий т.н. «зеленый» водород.

В Пермском Политехе в ходе эксперимента используется расщепляющий воду на водород и кислород водородный генератор с протонообменной мембраной, на которой и происходит выделение чистого газа.

Водород на борту модели гоночного болида хранится в специальном накопителе, емкость которого равна 10 литрам. При соединении с электролизером емкость заполняется в среднем за 17 минут. Ученые поставили перед собой задачу – выяснить, насколько конструкция накопителя прочна, долговечна и безопасна для применения в электромобиле. Для этого они распилили его и провели химический анализ сплава.

Ведущий инженер кафедры «Автомобили и технологические машины» Пермского Политеха Ольга Иванова рассказала: «Мы сделали вывод, что марганец является основанием химической реакции, лежащей в основе работы накопителя. Титан – это добавка, оказывающая положительное влияние, как катализатор. Добавление в сплав хрома позволяет использовать его в качестве аккумулятора. А увеличение содержания ванадия эффективно для повышения выделения водорода. В итоге данная система хранения водородного топлива стабильная, многоразовая и безопасная, а значит, ее стоит использовать в дальнейших разработках транспорта на альтернативном источнике энергии.

Исследуемый гоночный болид является радиоуправляемой моделью электромобиля с размещенной на ней водородной энергоустановкой. На борту модели топливо хранится в водородном картридже, который подключен к регулятору давления. Трубопроводы направляют газ к блоку топливных элементов, который в свою очередь конвертирует химическую энергию водорода и кислорода в электрическую. Постоянный ток поступает в контроллер, необходимый для питания и управления электродвигателем. Данные рабочие процессы обеспечивают эффективное передвижение электромобиля на альтернативном топливе.

Испытательный стенд, разработанный учеными, дает возможность динамического моделирования всех этапов преобразования водорода – от хранения в топливном баке до питания электродвигателя. Разработка позволила провести эксперимент по стабильности работы модели гоночного болида (фото на заставке). Политехники испытывали модель на уровень мощности и продолжительность работы. Для определения этих параметров экспериментальная установка оборудована автоматизированной системой измерений, регистрации электрических параметров и скорости движения.

Необходимый минимальный уровень мощности установки 10,5 Вт. Выход на стабильный режим работы такой мощности занял 1,5 минуты. Так как для эксперимента политехники использовали небольшой объем водорода (3 литра), время работы установки составило 9 минут при среднем значении выходной мощности 11 Вт. Как только водород в системе закончился, режим стабильной работы пошел на спад и мощность начала снижаться. Эксперимент подтвердил, что параметры водородной энергоустановки достаточны для движения электромобиля на различных эксплуатационных режимах.

Благодаря разработанному стенду ученые ПНИПУ получили важные характеристики работы электромобиля на водородном топливе, которые станут основой для разработки уже реальных отечественных полномасштабных автомобилей на альтернативном источнике энергии. Кроме того исследование обращает внимание на недостатки модели, которые в дальнейшем будут доработаны.

Справка: Пермский Политех в 2021 году стал получателем гранта «Приоритет 2030» размером 100 млн рублей. «Приоритет 2030» выступает самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель – формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60% – региональные университеты.

P.S. Водородомобили (в том числе FCEV) остаются приоритетом, прежде всего, для автомобилестроителей Японии и Кореи, которые считают, что для магистральных перевозок аккумуляторные электромобили не подходят. Однако, согласно отчету опубликованному в июне нынешнего года Bloomberg NEF – на долю FCEV пришлось всего 0,02% мировых продаж легковых автомобилей в 2022 году, и трудно делать какие-либо долгосрочные прогнозы по их судьбе, пока их доля не достигнет хотя бы 0,1%, или ~80 тыс. машин.

На водородные модели Toyota Mirai и Hyundai Nexo пришлась большая часть из 15 391 легковых FCEV, проданных в 2022 году. Причем продажи упали по всему миру по сравнению с 2021 годом и особенно заметно в Японии, где они упали до 844 ед. с 2440 ед. в 2021 году. Большая часть поставок Toyota Mirai пошла в Южную Корею, где правительство предоставляет щедрые субсидии на покупку автомобилей и водородное топливо.

На бумаге водород обеспечивает более быструю заправку и больший запас хода, но отсутствие заправочной инфраструктуры и массового производства делает более широкое внедрение водородомобилей в ближайшей перспективе призрачным. Большинство исследований показывают, что аккумуляторные электромобили выступают самым быстрым и дешевым способом сократить выбросы легковых автомобилей.

P.P.S. И все же Россия с ее огромными запасами природного газа, который служит для производства «серого» водорода методом парового риформинга (или «голубого» водорода, т.е. «серого» Н₂ с закачиванием выделяемого при его производстве CO₂ в подземные и прочие хранилища) – пока что доминирующей технологии при производстве данного вида топлива, также заинтересована в развитии водородных технологий, так как они признаются экспертами наиболее перспективными для магистрального транспорта будущего (включая автомобильный, железнодорожный и водный), несмотря на полное отсутствие инфраструктуры и потребность в огромных инвестициях. 

Следите за новостями на портале www.rim3.ru

Наш интернет магазин: https://irim3.ru/

Загрузка