Биологическое топливо, производимое из растительного сырья и используемое в некоторых странах, не может полностью заменить углеводородное топливо. Его доля в современном количестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (далее по тексту ДВС) составляет менее 1% .
Перевод на использование электроэнергии сопряжён с определёнными трудностями и ограничениями. В частности, пробег электромобилей без подзарядки не может удовлетворить даже нетребовательных автолюбителей. К тому же современная наука не в состоянии обеспечить электромобили малогабаритными и мощными аккумуляторными батареями.
Использование гибридных двигателей позволяет довольно-таки существенно уменьшить объёмы потребляемого бензина, но не избавляет полностью от его использования. Да и стоимость автомобилей с такими силовыми агрегатами не всем по карману.
Введение в водородную энергетику и топливные элементы
Новый вид топлива должен отвечать многим требованиям:
- Иметь достаточные по объёму сырьевые ресурсы.
- Его себестоимость не должна быть высокой.
- Современные ДВС должны без доработок, или с их минимальным количеством, работать на новом топливе.
- Выброс вредных веществ работающим двигателем должен быть минимальным.
- нового топлива должна быть выше существующего.
История использования водорода в качестве топлива
Водорода как топлива для ДВС не нова. Ещё в 1806 году изобретатель Франсуа Исаак де Рива запатентовал во Франции первый двигатель на водороде. Но его изобретение не получило признания и не имело успеха. С середины XIX века в качестве топлива стал широко использоваться бензин. В блокадном Ленинграде, в условиях тотального дефицита бензина, более 600 автомобилей успешно работали на водороде. После войны этот опыт был успешно забыт.
Вернуться к водородному топливу и всерьёз заняться научными изысканиями в этой области заставил второй половины прошлого столетия. Причём такими разработками занимались учёные практически всех развитых стран.
Нужно отметить определённые успехи, достигнутые в этой области. Такие известные производители, как Honda, Toyota, Hyundaiи другие выпускают свои модели водородных автомобилей.
Варианты использования водорода как топлива
Использовать водород как топливо для автомобилей можно разными способами:
- Используя только сам водород.
- Используя его в смеси с другими видами топлива.
- Применение водорода в топливных элементах.
Самый доступным методом производства водорода является сегодня электролитический метод, при котором водород получают из воды, путём воздействия сильного электрического тока, возникающего между разнополярными электродами. Сегодня более 90% добываемого водорода производится из углеводородных газов.
Использование чистого водорода для питания ДВС давно опробовано. И не получает широкого применения, в частности, по целому ряду объективных причин. А именно:
- Большой энергозатратности сегодняшних способов получения этого вида топлива.
- Необходимости создания и использования сверхгерметичных ёмкостей для хранения полученного водорода.
- Отсутствия сети станций для заправки автомобилей водородом.
Из дополнительного оборудования для сжигания водорода в ДВС автомобиля, устанавливается лишь система питания водородом и бак для его хранения. Такой метод допускает использование в качестве топлива, как водорода, так и бензина. Его используют в своих водородных автомобилях такие автогиганты как BMW и Mazda.
Возможно использование водорода в смеси с традиционным углеводородным топливом. Использование такого метода обусловлено теми же проблемами, что и метод работы ДВС на чистом водороде, и даёт значительную экономию бензина или дизельного топлива.
Но самым предпочтительным многие специалисты и автопроизводители признают автомобили, работающие с использованием топливных элементов. Не вдаваясь в технические подробности этот процесс можно описать как соединение водорода и кислорода в устройстве, называемом топливным элементом, в результате которого образуется электрический ток, подающийся на электродвигатели, приводящие автомобиль в движение. Побочным продуктом этого процесса является вода, которая в виде пара выводится наружу. Такой метод активно используют такие производители автомобилей как Nissan , Toyota и Ford .
Преимущества использования водородного топлива. Самое главное достоинство водородных двигателей – . Использование водорода избавит от огромного количества всевозможных вредных веществ, попадающих в окружающее пространство в виде выхлопов при использовании углеводородных видов топлива.
Привлекательным в сегодняшних реалиях является тот факт, что не утрачивается возможность использования того же бензина.
Отсутствие сложных и дорогостоящих систем подачи топлива также, несомненно, можно отнести к существенным преимуществам ДВС на водороде перед традиционными.
Ну и, конечно же, нельзя не сказать о существенно большем КПД водородного двигателя, по сравнению с классическими вариантами ДВС.
Недостатки автомобилей на водородном топливе. К ним можно отнести увеличение веса автомобиля за счёт установки водородного бака и другого дополнительного оборудования.
Довольно-таки низкая безопасность при сжигании чистого водорода в ДВС. Весьма велика вероятность его воспламенения и даже взрыва.
Дороговизна топливных водородных элементов, на использование которых делают упор многие автопроизводители.
Несовершенство нынешних ёмкостей для хранения водорода в автомобиле. До сих пор у учёных нет однозначного мнения по поводу материалов, из которых необходимо делать автомобильные баки для водорода.
Отсутствие сети станций для заправки автомобилей водородом делает эксплуатацию водородного автомобиля весьма затруднительной.
Выводы
Несмотря на существенные технические проблемы и недоработки, использование в будущем водорода как основного вида топлива имеет . Альтернативы ему, по крайней мере, сегодня, нет.
Мы живем в 21 веке, пришло время для создания топлива будущего, которое заменит традиционное топливо и ликвидирует нашу зависимость от него. Ископаемые виды топлива сегодня являются нашим основным источником энергии.
За последние 150 лет количество углекислого газа в атмосфере увеличилось на 25%. Сжигание углеводородов приводит к загрязнениям, таким как смог, кислотные дожди и загрязнение воздуха.
Каким будет топливо будущего?
Водород — альтернативный вид топлива будущего
Водород бесцветный газ без запаха, составляет 75% массы всей Вселенной. Водород на Земле существует только в сочетании с другими элементами, такими как кислород, углерод и азот.
Чтобы использовать чистый водород, он должен быть отделен от этих других элементов, чтобы быть использованным в качестве топлива.
Переход на водород всех автомобилей и всех автозаправочных станций непростая задача, но в долгосрочной перспективе, переход на водород, как альтернативный вид топлива для автомобилей, будет очень выгодно.
Превращение воды в топливо
Водные топливные технологии используют воду, соль и очень недорогой металлический сплав. Газ, что результатом этого процесса является — чистый водород, который горит как топливо без необходимости использования внешнего кислорода — и не выделяет никаких загрязнений.
Морская вода может использоваться непосредственно в качестве основного топлива, тем самым устраняя необходимость добавления соли.
Есть еще один способ превращения воды в топливо. Он называется электролизом. Этот метод превращения воды в газ Брауна, который также является прекрасным топливом для нынешних бензиновых двигателей.
Почему газ Брауна лучшее топливо, чем чистый водород?
Давайте посмотрим на все три вида водородного топливного решения — топливные элементы, чистый водород, и газ Брауна — и посмотрим, как они работают по отношению к кислороду и его потреблению:
Топливные элементы: Этот метод использует кислород из атмосферы при полном сжигании водорода в топливных элементах. Что выходит из выхлопной трубы? Кислород и пары воды! Но кислород изначально пришел из атмосферы, а не из топлива.
И поэтому использование топливных элементов не решает проблему: окружающая среда испытывает огромные проблемы на данный момент с содержанием кислорода в воздухе; мы теряем кислород.
Водород: Это топливо является совершенным, если бы не одно «но». Хранение и распределение водорода требует специального оборудования, а топливные баки автомобилей должны выдерживать высокое давление сжиженного газа водорода.
Газ Брауна: Это самое совершенное топливо для работы всех наших транспортных средств. Чистый водород поступает непосредственно из воды, то есть, пара водород — кислород, но, кроме того, он горит в двигателе внутреннего сгорания, выделяя кислород в атмосферу: из выхлопной трубы входит в атмосферу кислород и пары воды.
Так, при сжигании газа Брауна в качестве топлива, можно увеличить кислород воздуха и тем самым увеличить содержание кислорода в нашей атмосфере. Это способствует решению очень опасной экологической проблемы.
Газ Брауна — идеальное топливо будущего
Об использовании воды в качестве альтернативного вида топлива для автомобилей, о планах преобразования бензиновых двигателей для работы на обычной водопроводной воде, этот постулат является мировым переворотом в сознании людей.
Теперь только вопрос времени, когда все поймут, что вода лучшее топливо для нашего транспорта. Лицо или лица, которые дали нам это знание, мы должны их помнить как героев.
Их убивали, их патенты скупались частными лицами, чтобы их изобретения не стали достоянием гласности; информация об автомобилях на воде жила в Интернете не более 1-2 часов…
Но сейчас что-то изменилось, видимо, власть имущие решили «Пусть начнутся игры»!
Автомобилей на воде работает, и мы знаем это наверняка. Работа бензиновых двигателей на воде — это как трамплин для гораздо лучших технологий, чем те, которые уже существуют и которые быстро заменят идею ведения автомобилей на воде.
Но пока нефтяные компании душат идею автомобиля на воде, овладеть более высокими технологиями не получится, и использование нефти будет продолжаться. Это общее мнение ученых, так говорят во всем мире.
Может ли использование воды в виде топлива изменить жизнь Земли?
Известно ли Вам, что водоснабжение Земли не является статическим? Количество воды на Земле увеличивается с каждым днем.
Было обнаружено, что в последние несколько лет, большое количество воды ежедневно прибывает из космоса в виде водных астероидов!
Эти огромные астероиды — мегатонны воды, которые попав в верхние слои атмосферы, немедленно испаряются, и в конце концов оседают на Землю.
Вы можете просмотреть фотографии НАСА этих астероидов в первой книге доктора Эмото, «Сообщение о воде«. Почему эти водные астероиды ближаются к Земле, а не на другие планеты, такие как Марс, остается загадкой.
И действительно ли то, что это происходит только сейчас или это происходило на протяжении всей истории Земли. Другое дело, что никто не знает ответа.
Таяние ледников . Помимо этого, уровень океана повышается из-за таяния ледников. Как следствие потепления климата, начинает быть слишком много воды на Земле.
Я разговаривал с учеными, которые считают, что было бы реально помочь, если бы небольшое количество воды было как-то использовано в это время — например, для работы машин.
Запуск автомобилей на воде поможет пополнить кислород в нашей атмосфере: главная причина для перехода на воду в качестве топлива — наши текущие экологические проблемы.
Они настолько велики, что если мы не будем делать что-то для снижения использования ископаемых видов топлива, наша Земля будет уничтожена. И уже не будет имеет значения, если ли у планеты вода или ее нет.
Иногда человек потребляет то, что является потенциально опасным для того, чтобы стать здоровым. Запуск автомобилей на воде сродни этой концепции. Это может быть потенциально опасным, если бы мы продолжали использовать воду в качестве топлива для чрезмерного периода времени.
Но учитывая все обстоятельства, это решение является лучшим из того, что правительства могут себе позволить на время.
Даже правительства готовятся запустить автомобили на топливных элементах, где топливом является водород. И для реализации этой технологии, нам не придется изменять наши двигатели — альтернативный источник нашего топлива может быть не единственным.
На данный момент водород является самым разрабатываемым "топливом будущего". На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть, что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.
Управляемый термоядерный синтез
Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50 годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 году исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 году самая крупная термоядерная установка - Европейский Токамак, JET, получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.
Электроводородный генератор
В результате проведенных работ изобретено и патентуется по системе РСТ простое высокопроизводительное устройство для разложения воды и производства из нее беспрецедентно дешевого водорода методом гравитационного электролиза раствора электролита, получившее название "электроводородный генератор (ЭВГ)". Он приводится в действие механическим приводом и работает при обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок. В процессе разложения воды подведенная к приводу ЭВГ избыточная механическая энергия может быть на 80 % преобразована в электроэнергию, которая затем используется любым потребителем на нужды полезной внешней нагрузки. При этом на каждую единицу затраченный мощности привода генератором в зависимости от заданного режима работы поглощается от 20 до 88 энергетических единиц низкопотенциального тепла, что собственно и компенсирует отрицательный термический эффект химической реакции разложения воды. Один кубический метр условного рабочего объема генератора, работающего в оптимальном режиме с КПД 86-98 %, способен за секунду произвести 3,5 м3 водорода и одновременно около 2,2 МДж постоянного электрического тока. Единичная тепловая мощность ЭВГ в зависимости от решаемой технической задачи может варьироваться от нескольких десятков ватт до 1000 МВт.
"Водородный" автомобиль
Французский автомобильный концерн Renault совместно с компанией Nuvera Fuel Cells планирует разработать серийный автомобиль, использующий в качестве топлива водород, уже к 2010 году (рис.6)
Рис. 6
Nuvera - небольшая американская компания, с 1991 года занимающаяся разработкой двигателей, альтернативных доминирующим сейчас бензиновым и дизельным. В основе разработок Nuvera лежит так называемый "топливный элемент" (Fuel Cell). Топливный элемент - устройство, не имеющее движущихся частей, в котором происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является выделяемое тепло и некоторое количество воды.
Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах. Разработчики утверждают, что их продукция - это по сути дела "вечная батарейка", имеющая весьма значительный срок службы. Кроме того, в отличие от обычной батареи, "топливный элемент" не нуждается в подзарядке.
"Водородные батарейки"
Группа инженеров из технологического института штата Массачусетс (Massachusetts Institute of Technology) совместно со специалистами других университетов и компаний разрабатывает миниатюрный топливный двигатель, который в будущем сможет заменить батареи и аккумуляторы.
Журнал Popular Science, опубликовавший статью об исследованиях американских учёных, не удержался от восторга: "Вы только представьте себе жизнь без батареи! Когда топливо заканчивается в вашем ноутбуке, вы "заливаете полный бак" - и вперёд!"
Снижение объема углеводородов и ухудшение состояния окружающей среды.
Крупнейшие мегаполисы мира встречают вас серым видом: застывший над городом тяжелый смог, образованный выхлопными газами.
Наряду с задымлением, в воздух выделяется углекислый газ, изменяющий наш климат на Земле.
Также многие государства задумываются об энергетической независимости.
Не волнуйтесь, автомобиль не исчезнет. Как раз когда вы читаете, сегодняшние ученые исследуют топливо будущего. На чем будут работать двигатели завтрашних автомобилей? Рассмотрим трех самых многообещающих кандидатов.
Водород – топливо космической эры
- более энергоемкий, чем бензин или аккумулятор для электромобиля;
- в качестве выхлопа вода;
- быстро заправляется.
- очень дорогой в производстве;
- трудность в хранении и транспортировке;
- несовместимость с сегодняшней инфраструктурой.
Итог:
На бумаге водород – весьма многообещающее горючее, но высокая стоимость и проблемы с хранением не дают возможности его широкого использования в ближайшем будущем.
Когда ученым понадобилось топливо для космической отрасли, они обратили внимание на водород. Водородные топливные элементы использовались, чтобы привести в действие электронику в командных модулях, включая миссию 1969 года, в которой люди впервые высадились на Луну.
Энергоблоки хоть и выглядят необычно, тем не менее очень похожи на батареи. Они также производят электричество, что дает основание считать автомобиль, работающий на подобном элементе, электромобилем. Для выработки электроэнергии в топливных элементах взаимодействуют два химических вещества.
Могут использоваться и другие, включая метанол и этанол. Но, как правило, применяется водород, поскольку у него высокая энергоемкость на единицу веса, а побочным продуктом является вода. Поэтому, если у вас водородный автомобиль, можно пить его выхлоп.
Топливные элементы почти не ограничены размерами и могут применяться в различных транспортных средствах.
Но не все так радужно. К сожалению, у водородных топливных элементов есть серьезные недостатки.
Во-первых, энергия в них не хранится.
Во-вторых, нет больших естественных источников чистого водорода на Земле, в отличие от ископаемого топлива. Это означает, что он должен производиться с нуля. Также водород – очень энергоемкое вещество. Это преимущество становится и недостатком, так как требует больших затрат энергии для производства.
Несмотря на некоторые многообещающие новые технологии, сегодня в почти каждом мыслимом промышленном сценарии стоимость водорода превышает цену бензина.
Кроме всего, водород – газ. Для использования он должен находиться в сжатом состоянии при высоком давлении, что затрудняет хранение и транспортировку. Например, для сохранности 5 кг водорода нужен крупный 171 литровый бак, удерживающий газ при давлении в 340 раз превышающим атмосферное.
Заправка транспорта сжатым газом требует дорогой инфраструктуры. Водородная заправочная станция стоит приблизительно 2 миллиона долларов США. Добавьте затраты на транспортировку и производство водорода. Все это потребует значительных долгосрочных инвестиций.
Тем не менее многие автопроизводители создали прототипы автомобилей на водородных топливных элементах, включая Фиат, Фольксваген и BMW. А Пежо-Ситроен даже произвел работающий на водороде квадроцикл.
Батареи – высокое напряжение в реальности
- отсутствие выхлопа;
- практически бесшумная работа;
- для зарядки используется электросеть;
- батареи уже запущены в массовое производство.
- большие габариты;
- тяжелые;
- долгое время зарядки;
- большая часть электричества многих стран производится работающими на угле ТЭС.
Итог:
Электромобиль – давняя мечта изобретателя. С правильным правительством и промышленной поддержкой он давно стал бы массовым. Есть много теорий заговора о том, что погубило «чистый» автомобиль. Но любая история об электромобилях должна начинаться с обсуждения энергоносителей.
После 20 летнего технологического пути сегодня золотым ребенком является литий-ионный аккумулятор. Он существенно легче, держит больше энергии и более эффективен, чем предшествующие ему батареи. Они используются во всей бытовой электронике.
Все же сегодняшние самые лучшие батареи вырабатывают существенно меньше энергии, чем водород или бензин. Средний запас хода электромобиля составляет 60 км. Поэтому технологии чистой энергии являются дополнением к традиционным.
Хотя возможности электромобилей постоянно расширяются. Например, Мини-E проезжает 240 км на одной зарядке. Но Мини-E – крошечный автомобиль с крупной батареей весом более 300 кг, из-за которой проектировщикам пришлось пожертвовать задними сиденьями.
Помимо ужасного модельного ряда, есть и другой недостаток. Аккумуляторы очень не спешат заряжаться.
Однако, чтобы справиться с различными проблемами внедряются технологические инновации. Израильская компания пошла по необычному пути: создание пунктов замены отработанных аккумуляторных батарей.
Другие решения включают внедрение мощных станций, где время заряда может быть снижено до тридцати минут. Также существует возможность зарядить специальные батареи всего за 10 секунд, используя очень высокое напряжение. Но если что-то пойдет не так, существует опасность получить серьезный вред здоровью.
В совокупности, вышеперечисленные технические проблемы убили первый электромобиль массового производства – EV-1 GM.
Все же прогресс не стоит на месте. Многие компании мира исследуют новые типы элементов для создания более энергоемких и простых в обслуживании аккумуляторных батарей. И недолог тот час, когда мы перестанем дышать городским смогом.
Биотопливо – мать-природа к спасению
- отсутствует необходимость в новой инфраструктуре;
- возобновляется;
- представляет собой нейтральный углерод;
- производится и применяется.
- может нанести вред более старым автомобилям;
- конкуренция с производством продуктов питания;
- нужно большое количество биомассы для удовлетворения мировой потребности.
Итог:
Сегодня биотопливо уже используется. С дальнейшим развитием технологий и увеличением производства его применение будет только расти. Несмотря на все перспективы, воздействие на окружающую среду – предмет интенсивного обсуждения.
Биотопливо – любое топливо, полученное из биологических материалов, например, таких как щепа, сахарное или растительное масло. Биогорючее от традиционного отличается двумя важными свойствами.
При добыче и сжигании ископаемых энергоресурсов дополнительно выделяется углекислый газ и накапливается в атмосфере. А биотопливо изготовлено из сельскохозяйственных культур, использующих двуокись углерода из окружающей среды для фотосинтеза. Поэтому при использовании биотоплива новый углекислый газ не выделяется (нейтральный углерод), что не ведет к климатическим изменениям.
Кроме всего, для биогорючего сырье выращивается.
Но несколько экологических «грязных пятен» портят радужную картину.
Для превращения биологического материала в биотопливо необходим производственный процесс, требующий затраты энергии. И, если она не из возобновляемого источника, производство вызывает загрязнение.
Вторая проблема состоит в том, что замена ископаемого топлива в мире на биотопливо требует огромного количества новой биомассы. Это может значительно сократить мировые продовольственные запасы. Этанол традиционно производится из зерна. Есть непродовольственные источники, например, пальмовое масло. Но они часто влекут за собой уничтожение девственных лесов.
Хорошие новости в том, что существует широкий выбор биологического материала для создания разных видов биогорючего. Метан, топливные добавки в виде этанола, более тяжелое дизельное топливо.
Направление получает значительную сумму правительственных субсидий, так как биотопливо совместимо с существующими двигателями внутреннего сгорания. Поэтому не требуется никакой новой инфраструктуры и автомобилей.
Производители сосредоточили усилия на создании этанола из целлюлозы, несъедобных частей растений. В этом два преимущества. Во-первых, отсутствует конкуренция с производством продуктов питания. Во-вторых, целлюлоза – самый богатый биологический материал на Земле.
Во многих странах используют биодобавки. Например, в Австралии этанол объединен с бензином в 10 процентную смесь, известную как E10. Почти все автомобили, сделанные после 1986 года, могут на ней безопасно ездить. Биодизель – другая топливная смесь (B10).
Какое будет топливо будущего?
Когда запасы ископаемых энергоресурсов сократятся до критических объемов, победит самая дешевая и быстрая в реализации альтернатива.
Поэтому биотопливо в настоящее время возглавляет гонку. Оно уже в продаже, широко используется и понижается в цене за счет роста производства. Электромобили едут вторыми с небольшим отрывом. Водородные автомобили без инфраструктуры плетутся на последнем месте.
Хотя внезапный технологический прорыв, такой как дешевый способ сохранять большое количество водорода, может изменить игру.
История водородного двигателя. Если нефть называют топливом сегодняшнего дня (топливом века), то водород можно назвать топливом будущего .
При нормальных условиях водород - это газ без цвета, запаха и вкуса, самое легкое вещество (в 14,4 раза легче воздуха); отличается очень низкими температурами кипения и плавления, соответственно, -252,6 и -259,1 СС.
Жидкий водород - бесцветная жидкость, без запаха, при -253 °С имеет массу 0,0708 г/см 3 .
Своим названием водород обязан французскому ученому Антуану Лорану Лавуазье, который в 1787 г., разлагая и вновь синтезируя воду, предложил назвать второе составляющее (кислород был известен) - гидрофеном, что в переводе означает «рождающий воду», или «водород». До этого выделяющийся при взаимодействии кислот с металлами газ назывался «горючим воздухом».
Первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода с кислородом, появился в 1841 г. в Англии, а спустя 11 лет придворный часовщик Христиан Тейман построил в Мюнхене двигатель, который проработал на смеси водорода с воздухом в течение нескольких лет.
Одной из причин того, что эти двигатели не получили распространения, послужило отсутствие в природе свободного водорода.
Вновь к водородному двигателю обратились уже в нашем веке - в 70-е годы в Англии учеными Рикардо и Брусталлом были проведены серьезные исследования. Экспериментально - путем изменения только подачи водорода - они установили, что двигатель на водороде может работать во всем диапазоне нагрузок, от холостого хода до полной нагрузки. Причем на бедных смесях были получены более высокие значения индикаторного КПД, чем на бензине.
В Германии в 1928 г. дирижаблестроительная фирма «Цеппелин» использовала водород в качестве обогатителя топлива, чтобы осуществить дальний испытательный перелет через Средиземное море.
Перед второй мировой войной в той же Германии применялись автодрезины, работавшие на водороде. Водород для них получали в электролизерах высокого давления, работавших от электросети на заправочных станциях, расположенных близ железной дороги.
Большую роль в совершенствовании водородного двигателя сыграли работы Рудольфа Эррена. Он впервые применил внутреннее смесеобразование, что позволило осуществить конвертирование жидкотопливных двигателей на водород при сохранении основной топливной системы и тем самым обеспечить работу двигателя на углеводородном топливе, водороде и жидком топливе с присадкой водорода. Интересно отметить, что переходить с одного вида топлива на другой можно было без остановки двигателя.
Одним из двигателей, конвертированных Эрреном, является дизель автобуса «Лейланд», опытная эксплуатация которого выявила высокую экономичность при добавке водорода к дизельному топливу.
Эррен разработал также водородокислородный двигатель, продуктом сгорания которого был водяной пар Некоторая часть пара возвращалась в цилиндр вместе с кислородом а ос тальная конденсировалась. Возможность работы такого двигателя без наружного выхлопа была использована на германских подводных лодках довоенной постройки. В надводном положении дизели обеспечивали ход лодки и давали энергию для разложения воды на водород и кислород, в подводном положении - работали на парокислородной смеси и водороде. При этом подводная лодка не нуждалась в воздухе для дизелей и не оставляла на поверхности воды следов в виде пузырьков азота, кислорода и других продуктов сгорания.
В нашей стране исследование возможностей использовать водород в двигателях внутреннего сгорания началось в 30-е годы.
В период блокады Ленинграда для подъема и спуска аэростатов воздушного заграждения использовались автомобили-лебедки с двигателями «ГАЗ-АА», которые были переведены на водородное питание. С 1942 г. водород успешно использовался в московской службе ПВО, им надували аэростаты.
В 50-е годы на речных судах предполагалось использовать водород, получаемый разложением воды током гидроэлектростанций.
Использование водорода в настоящее время
В 70-е годы под руководством академика В. В. Струминского были проведены испытания автомобильного двигателя «ГАЗ-652», работавшего на бензине и водороде, и двигателя «ГАЗ-24», работавшего на жидком водороде. Испытания показали, что при работе на водороде повышается КПД и уменьшается нагрев двигателя.В Харьковском институте проблем машиностроения АН УССР и Харьковском автодорожном институте под руководством профессора И. Л. Варшавского были проведены исследования детонационной стойкости водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, а также выполнены разработки по конвертированию на водород и добавке водорода к бензину двигателей автомобилей «Москвич-412», «ВАЗ-2101», «ГАЗ-24» с использованием для получения и хранения водорода энергоаккумулирующих веществ и гидридов тяжелых металлов. Эти разработки достигли стадии опытной эксплуатации на автобусах и такси.
В космонавтике появился новый класс летательных аппаратов, имеющих в земной атмосфере гиперзвуковые скорости. Для достижения таких скоростей необходимо топливо с высокой теплотворной способностью и низким молекулярным весом продуктов сгорания; кроме того, оно должно обладать большим хладоресурсом.
Этим требованиям как нельзя лучше отвечает водород. Он способен поглощать тепло в 30 раз больше, чем керосин. При нагревании от -253 по +900 °С (температура на входе в двигатель) 1 кг водорода может поглотить более 4000 ккал.
Омывая изнутри обшивку летательного аппарата перед поступлением, в камеру сгорания, жидкий водород поглощает все тепло, выделяющееся при разгоне аппарата до скорости, в 10-12 раз превосходящей скорость звука в воздухе.
Жидкий водород в паре с жидким кислородом был применен в последних ступенях сверхтяжелых американских ракет - носителей «Сатурн-5», что в определенной степени способствовало успеху космических программ «Аполлон» и «Скайлэб».
Моторные свойства топлива
Основные физико-химические и моторные свойства водорода в сравнении с пропаном и бензином приведены в табл. 1.
Водород обладает наиболее высокими энергомассовыми показателями, превосходящими традиционные углеводородные топлива в 2,5-3 раза, а спирты - в 5-6 раз. Однако из-за низкой плотности по объемной тепло-производительности он уступает большинству жидких и газообразных топлив. Теплота сгорания 1 м 3 водородовоздушной смеси на 15% меньше, чем у бензина. Вследствие худшего наполнения цилиндра из-за низкой плотности литровая мощность бензиновых двигателей при переводе на водород снижается на 20-25%.
Температура воспламенения водородных смесей выше, чем углеводородных, но для воспламенения первых требуется меньшее количество энергии. Водородовоздушные смеси отличаются высокой скоростью сгорания в двигателе, причем сгорание протекает практически при постоянном объеме, что ведет к резкому возрастанию давления (в 3 раза выше по сравнению с бензиновым эквивалентом). Однако на бедных и даже очень бедных смесях скорость горения водорода обеспечивает нормальную работу двигателя.
Водородовоздушные смеси обладают исключительно широким диапазоном горючести, что позволяет при любых изменениях нагрузки применять качественное регулирование. Низкий предел воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне состава смеси, вследствие чего его КПД на частичных нагрузках увеличивается на 25-50%.
Для подачи водорода в двигатели внутреннего сгорания известны следующие способы: впрыск во впускной трубопровод; при помощи модификации карбюратора, аналогичной системам питания сжиженным и природным газами; индивидуальное дозирование водорода около впускного клапана; непосредственный впрыск под высоким давлением в камеру сгорания.
Для обеспечения устойчивой работы двигателя первый и второй способы могут применяться только при частичной рециркуляции отработавших газов, при помощи присадки к топливному заряду воды и добавки бензина.
Наилучшие результаты дает непосредственный впрыск водорода в камеру сгорания, при котором полностью исключаются обратные вспышки во впускном тракте, максимальная же мощность не только не уменьшается, но может быть повышена на 10-15%.
Запас топлива
Объемно-массовые характеристики различных систем хранения водорода приведены в табл. 2. Все они по габаритам и массе уступают бензину.
Из-за малого энергозапаса и значительного увеличения размеров и массы топливного бака газообразный водород не применяется. Не применяются на транспортных средствах и тяжелые баллоны высокого давления.
Жидкого водорода в криогенных емкостях, имеющих двойные стенки, пространство между которыми теплоизолировано.
Большой практический интерес представляет аккумулирование водорода при помощи металлогидридов. Некоторые металлы и сплавы, например ванадий, ниобий, железотитановый сплав (FeTi), марганцевоникелевый (Mg + 5% Ni) и другие, при определенных условиях могут соединяться с водородом. При этом образуются гидриды, содержащие большое количество водорода. Если к гидриду подводить тепло, он будет разлагаться, освобождая водорот. Восстановленные металлы и сплавы можно многократно использовать для соединения с водородом.
В гидридных системах для выделения водорода обычно используется тепло отработавших газов двигателя. Зарядка гидридного аккумулятора водородом производится под небольшим давлением с одновременным охлаждением проточной водой из водопровода. По термодинамическим свойствам и низкой стоимости наиболее подходящим компонентом является сплав FeTi.
Гидридный аккумулятор представляет собой пакет трубок (гидридных патронов) из нержавеющей стали, заполненных порошкообразным сплавом FeTi и заключенных в общую оболочку. В пространство между трубками пропускаются отработавшие газы двигателя или вода. Трубки с одной стороны объединены коллектором, который служит для хранения небольшого запаса водорода, необходимого для запуска двигателя и его работы на переходных режимах. По массе и объему гидридные аккумуляторы соизмеримы с системами хранения жидкого водорода. По энергоемкости они уступают бензину, но превосходят свинцовые электроаккумуляторы.
Гидридный способ хранения хорошо согласуется с режимами работы двигателя посредством автоматического регулирования расхода отработавших газов через гидридный аккумулятор. Гидридная система позволяет наиболее полно утилизовать тепловые потери с отработавшими газами и охлаждающей водой. На автомобиле «Шевроле Монте-Карло» применена опытная гидридно-криогенная система. В этой системе запуск двигателя производится на жидком водороде, а гидридный аккумулятор включается после прогрева двигателя, причем для подогрева гидрида используется вода из системы охлаждения.
В довоенной Германии в опытной гидридной системе, разработанной фирмой «Даймлер-Бенц», были применены два гидридных аккумулятора, один из которых - низкотемпературный - поглощает тепло из окружающей среды и работает как кондиционер, другой - нагревается охлаждающей жидкостью из системы охлаждения двигателя. Время, необходимое для зарядки гидридного аккумулятора, зависит от количества времени, необходимого для отвода тепла. При охлаждении водопроводной водой время полной заправки гидридного аккумулятора емкостью 65 л, содержащего 200 кг сплава FeTi и поглощающего 50 м3 водорода, составляет 45 мин, причем за первые 10 мин происходит 75%-ная заправка.
Преимущества водорода
Главными преимуществами водорода как топлива в настоящее время являются неограниченные запасы сырья и отсутствие или малое количество вредных веществ в отработавших газах.Сырьевая база для получения водорода практически неограничена. Достаточно сказать, что во вселенной это самый распространенный элемент. В виде плазмы он составляет почти половину массы Солнца и большинства звезд. Газы межзвездной среды и газовые туманности также в основном состоят из водорода.
В земной коре содержание водорода составляет 1% по массе, а в воде - самом распространенном на Земле веществе - 11,19% по массе. Однако свободный водород встречается крайне редко и в минимальных количествах в вулканических и других природных газах.
Водород является уникальным топливом, которое добывается из воды и после сгорания вновь образует воду. Если в качестве окислителя применять кислород, то единственным продуктом сгорания будет дистиллированная вода. При использовании воздуха к воде добавляются окислы азота содержание которых зависит от коэффициента избытка воздуха.
При использовании водорода не требуются ядовитые свинцовые антидетонаторы.
Несмотря на отсутствие в водородном топливе углерода, в отработавших газах из-за выгорания углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, может содержаться незначительное количество окиси углерода и углеводородов.
Фирмой «Дженерал Моторс» (США) в 1972 г. были проведены соревнования автомобилей на наиболее чистый выхлоп. В соревнованиях приняли участие аккумуляторные электромобили и 63 автомобиля, работавших на различных топливах, в том числе на газе - аммиаке, пропане. Первое место было присуждено конвертированному на водород автомобилю «Фольксваген », отработавшие газы которого оказались чище окружающего атмосферного воздуха, потребляемого двигателем.
При работе двигателей внутреннего сгорания на водороде вследствие значительно меньшего выделения твердых частиц и отсутствия органических кислот, образующихся при сгорании углеводородных топлив, увеличивается срок службы двигателя и сокращаются ремонтные расходы.
О недостатках
Газообразный водород обладает высокой диффузионной способностью - его коэффициент диффузии в воздухе более чем в 3 раза выше по сравнению с кислородом, двуокисью водорода и метаном.Способность водорода проникать в толщу металлов, получившая название наводораживание, возрастает с повышением давления и температуры. Проникновение водорода в кристаллическую решетку большинства металлов на 4-6 мм при нагартовке снижается на 1,5-2 мм. Наводораживание алюминия, достигающее 15-30 мм, при нагартовке может быть снижено до 4-6 мм. Наводораживание большинства металлов практически полностью устраняется легированием хромом, молибденом, вольфрамом.
Углеродистые стали не пригодны для изготовления деталей, контактирующих с жидким водородом, так как становятся хрупкими при низких температурах, Для этих целей применяются хромоникелевые стали Х18Н10Т, ОХ18Н12Б, Х14Г14НЗТ, латуни Л-62, ЛС 69-1, ЛЖ МЦ 59-1-1, оловянофосфористая БР ОФ10-1, берилиевая БРБ2 и алюминиевые бронзы.
Криогенные (для низкотемпературных веществ) емкости для хранения жидкого водорода изготавливаются обычно из алюминиевых сплавов АМц, АМг, АМг-5В и др.
Смесь газообразного водорода с кислородом в широких пределах отличается склонностью к воспламеняемости и взрываемости. Поэтому закрытые помещения должны быть оборудованы детекторами, контролирующими его концентрацию в воздухе.
Высокая температура воспламенения и способность к быстрому рассеиванию в воздухе делают водород в открытых объемах по безопасности примерно равноценным природному газу.
Для определения взрывобезопасности при дорожно-транспортном происшествии жидкий водород из криогенной емкости проливали на землю, однако он мгновенно испарялся и не воспламенялся при попытках поджечь.
В США автомобиль «Кадиллак Эльдорадо», переоборудованный на водородное топливо, подвергался следующим испытаниям. В полностью заправленную гидридную емкость с водородом стреляли из винтовки бронебойными пулями. При этом взрыва не происходило, а бензобак при аналогичном испытании взрывался.
Таким образом, серьезные недостатки водорода - высокая диффузионная способность и широкая область воспламеняемости и взрываемости водородокислородной газовой смеси уже не являются причинами, препятствующими его применению на транспорте.
Перспективы
Как топливо водород уже применяется в ракетной технике. В настоящее время исследуются возможности его применения в авиации и на автомобильном транспорте. Уже известно, каким должен быть оптимальный водородный двигатель. Он должен иметь: степень сжатия 10-12, частоту вращения коленвала - не менее 3000 об/мин внутреннюю систему смесеобразования и работать при коэффициенте избытка воздуха α≥1,5. Но для реализации. такого двигателя нужно улучшить смесеобразование в цилиндре двигателя и выдать надежные рекомендации по конструированию.Ученые прогнозируют начало широкого применения водородных двигателей на автомобилях не раньше 2000 г. До этого времени возможно применение добавок водорода к бензину; это позволит улучшить экономичность и снизить количество вредных выбросов в окружающую среду.
Представляет интерес перевод на водород роторно-поршневого двигателя, так как он не имеет картера и, следовательно, не взрывоопасен.
В настоящее время водород производят из природного газа. Использовать такой водород в качестве топлива невыгодно, дешевле сжигать в двигателях газ. Получение водорода разложением воды также экономически невыгодно из-за больших затрат энергии на расщепление молекулы воды Однако проводятся исследования и в этом направлении. Уже есть экспериментальные автомобили, снабженные собственной электролизной установкой, которая может подключаться к общей электросети; вырабатываемый водород накапливается в гидридном аккумуляторе.
На сегодняшний день стоимость электролитического водорода в 2,5 раза выше, чем получаемого из природного газа. Ученые объясняют это техническим несовершенством электролизеров и считают, что их КПД может быть увеличен в скором времени до 70-80%, в частности, за счет применения высокотемпературной технологии. По существующей технологии итоговый КПД электролитического производства водорода не превышает 30%.
Для прямого термического разложения воды требуется высокая температура порядка 5000 °С. Поэтому прямое разложение воды пока не осуществимо даже в термоядерном реакторе - трудно найти материалы, способные работать при такой температуре. Японским ученым Т. Накимурой для солнечных печей предложен двухступенчатый цикл разложения воды, не требующий столь высоких температур. Может быть, придет время, когда по двухступенчатому циклу водород будет вырабатываться гелиоводородными станциями, расположенными в океане, и ядерно-водородными станциями, вырабатывающими водорода больше, чем электроэнергии.
Как и природный газ, водород можно транспортировать по трубопроводам. Вследствие меньшей плотности и вязкости по одному и тому же трубопроводу при одинаковом давлении водорода можно перекачать в 2,7 раза больше, чем газа, однако затраты на транспортировку будут выше. Расходы энергии на транспортировку водорода по трубопроводам составят приблизительно 1% на 1000 кгс, что недостижимо для линий электропередач.
Водород можно хранить в газгольдерах с жидким затвором и в резервуарах. Во Франции уже есть опыт хранения под землей газа, содержащего 50% водорода. Жидкий водород можно хранить в криогенных емкостях, в гидридах металлов и в растворах.
Гидриды могут быть нечувствительны к загрязняющим примесям и способны селективно поглощать водород из газовой смеси. Это открывает возможность заправляться в ночное время от бытовой газовой сети, питаемой продуктами газификации угля.
Литература
- 1. Владимиров А. Топливо больших скоростей. - Химия и жизнь. 1974, №12, с. 47-50.
- 2. Воронов Г. Термоядерный реактор - источник водородного топлива. - Химия и жизнь, 1979, № 8, с. 17.
- 3. Использование альтернативных топлив на автомобильном транспорте за рубежом. Обзорная информация. Серия 5. Экономика, управление и организация производства. ЦБНТИ Минавтотранса РСФСР, 1S82, вып. 2.
- 4. Струминский В. В. Водород как топливо. - За рулем, 1980, Ко 8, с. 10-11.
- 5. Xмыров В. И., Лавров Б. Е. Водородный двигатель. Алма-Ата, Наука, 1981.