...
ВОДНЕВИЙ ДВИГУН PDF Печать E-mail

ВОДНЕВИЙ ДВИГУН

План

1. Трохи техніки.
2. Водень як паливо.
3. Замість паливного бака.
4. Паливний елемент.
1. ТРОХИ ТЕХНІКИ

Америка поставила собі завдання: в найближчих 10-15 років
позбавитися від нафтової залежності. Єдиний вихід -
якнайскоріше запустити в серійне виробництво водневий
автомобіль. Європа боїться відстати, крім того, європейцям
доводиться виконувати прийняті у них норми на выброе
шкідливих речовин автотранспортом, які увесь час
посилюються. У 1993 році були введені норми "Євро^1>, у
1996 року - "Евро-2", в 1999 році - чЕвро-3", а з 2005 року
у Європі планується ввести в дію ще жорсткіші
норми "Евро-4". У перспективі автомобілям зовсім заборонять
викидати шкідливі речовини, і тоді не можна буде обійтися
без машини, що працює на водні.

Головна перешкода до впровадження водневого автомобіля
- відсутність системи промислового отримання водню
у потрібних об'ємах, систем його зберігання, транспортування
і заправки автомобілів. На думку американських фахівців,
таку систему вдасться створити не раніше 2020^-2030 рр.
На перехідний період провідні автомобілебудівники запропонують
так звані "гібридні автомобили"-: в них економічний
двигун внутрішнього згорання заряджає акку^
муляторную батарею, яка живить електричний двигун.
Такі автомобілі розробляються практично усіма
провідними автомобільними компаніями І вже серійно ви -.
пускаються в Японії.

Класична схема: двигун внутрішнього згорання приводить
у рух колеса через механічний привід. Нас.оточують
тисячі автомобілів, але мало кому спадає на думку,
що їх ефективність катастрофічно мала. Якщо узяти так
звані "умови міського циклу руху", то загальний
коефіцієнт корисної дії (ККД) автомобіля -
10-12 % (за містом, де менше світлофорів, 15-17 %). Дев'ять
літрів бензину з десяти просто відлітають в атмосферу.

Автомобілі на водневому паливі умовно можна розділити
на три класи.

Перший - це машини із звичайним двигуном внутрішнього
згорання, що працює на водні або водневій суміші.
Такі моделі можуть працювати на чистому водні або 5 -
10% водню додають до основного палива. У обох слу


чаї ККД двигуна збільшується (в другому випадку приблизно
на 20%) і вихлоп стає набагато чистіше (зміст
чадного газу (З) і вуглеводнів (З" Нт) зменшиться
у півтори рази, оксидів азоту (NOX) - до п'яти разів. Такі
двигуни і автомобілі були зроблені і пройшли усі випробування
у нас і за кордоном приблизно в 70-80-х роках. Проте,
враховуючи витрати і конструкційні складнощі, це може
бути тільки проміжним, перехідним етапом на шляху до
третьому типу.

Другий - це машини з двома електроносіями, так
звані гібридні. Його колеса приводять в рух електропривод,
енергію якому поставляє акумулятор, у свою
черга що заряджається від високоекономічного двигуна
внутрішнього згорання, що працює на водні або суміші
водню з бензином. Це дуже вигідно, адже ККД електродвигуна
досягає 90-95 % на відміну від бензинового (35 %)
чи дизельного (50 %), таким чином, загальний ККД підвищується
до 30 %', відповідно знижується витрата палива. Навіть
якщо для заряджання акумулятора використовується бензин, об'єм
шкідливих викидів дозволить укластися в норми "Евро-4" з
десятиразовим запасом. Та все ж отримати абсолютно чистий
вихлоп можна тільки у третього типу автомобілів.

Третій - справжній водневий автомобіль - це машина
з електродвигуном, який живиться від паливного
елементу, розташованого на борту автомобіля. Теоретично
ККД паливного елементу, що працює на суміші водород-
повітря, може бути більше 85 %. Зараз вже вдалося
отримати двигуни з ККД близько 75 % - це більш ніж в два
разу вище, ніж в.лучших двигателяхчвнутреннего згорання. У
умовах міста такі машини отримають пяти-шестикратное
перевага перед звичайними автомобілями.

2. ВОДЕНЬ ЯК ПАЛИВО
Існуючі на сьогодні технології произ


водства водню далекі від досконалості.

Незважаючи на це, гіганти хімічної промисловості
і сьогодні вже отримують по 500 млрд. м3 водню в рік. Половина
вироблюваної кількості йде на аміачні удоб




Водневий двигун


ренію, решта - на виробництво сталі, скла, маргарину
і ін. В основному водень отримують за допомогою парового
риформинга природного газу : метан при високих температурах
((900°С) у присутності нікелевого каталізатора реагує
з парою. Поки що такий водень найдешевший, проте
російські учені знають, як здешевити виробництво
ще в 2 рази.

Є і інші технології отримання водню, наприклад
електроліз, крекінг або переробка біомаси (деревини,
соломи). Кожен з цих варіантів має свої недоліки.
Наприклад, переробка біомаси : її нагрівають на 500 -
600°З, після чого виходять спирти (етанол, метанол), які,
у свою чергу, перетворюються на водень. Можна нагрівати
біомасу до вищих температур (1000°С), тоді
вона повністю перетвориться на газ і вийде суміш Н2 і З.
Проблема в тому, що сировини для такого процесу знадобиться
дуже і дуже мього. Якщо, наприклад, усю родючу територію
Франції пустити на вирощування біомаси, то водню,
отриманого з неї, не досить навіть на те, щоб покрити
потреби цієї країни в паливі навіть для нині існуючих
автомобілів.

Здавалося б, найпростіший спосіб отримання водню
- електроліз (електричне розщеплення води). Результат
- водень і кисень. Але в цілому ефективність
цього процесу не дуже велика: потрібно витратити 4 кВт електроенергії,
щоб отримати 1 м3 водню, який, згораючи,
дасть лише 1,8 кВт. Проте, електроліз води досить
перспективний і йому напевно знайдуть застосування,
тим паче, що існують виходи з "енергетичної проблеми
". По-перше, можна використовувати енергію атомною
електростанції в години слабкого навантаження (коли що виробляється
там енергія виявляється незатребуваною) або,
врешті-решт, поновлювані джерела енергії (сонячні
батареї, енергія вітру, приливи і ін.). По-друге,
ця технологія активно розвивається: електроліз для більшої
ефективності можна проводити при підвищеному тиском
чи температурі, що і намагаються зробити учені.

Зараз біологи активно розробляють ще один напрям.
Деякі бактерії і водорості в процесі фотосинтезу
розкладають воду і виділяють водень. Проблема в тому,
що вони роблять це тільки у відсутності кисню, отже,
процес триває дуже короткий час, оскільки при розкладанні
води, природно, утворюється і кисень. Завдання
учених - за допомогою генної інженерії продовжити цей період,
тоді сонячні райони нашої планети будуть забезпечені
воднем.

3. ЗАМІСТЬ ПАЛИВНОГО БАКА
Загальна схема водневого двигуна зрозуміла: електро


двигун, паливний елемент, водень для його роботи. Про


блема полягає в тому, що потрібний деякий аналог паливного

бака, адже водень в паливний бак не наллєш. Це на

сьогоднішній день найбільша технічна трудність.

Учені розглядають досить багато варіантів. На


приклад, можна зберігати водень в акумуляторах на основі

гідридів інтерметалевих сплавів (TiVaFe, CuNi та ін.),

з яких у міру потреби поступово вивільняється

чиста речовина. Але при цьому варіанті маса водню в

загальному об'ємі речовини (т. н. аспектне число) складає

всього 5 %, до того ж виникає проблема із швидкістю выс


во-бождения водню. Можна зберігати водень в рідкому
виді. Але, по-перше, це вимагає охолодження до температур,
близьких до абсолютного нуля (відповідно, зростає
вартість водню), а по-друге, заправлений таким чином
автомобіль повинен буде витрачати своє паливо
якнайшвидше. Дуже перспективний напрям -
зберігання водню в наноструктурах (вуглецевих нанотрубках),
проте ці дослідження знаходяться доки на початкових
стадіях.

Найбільш перспективним учені рахують зберігання водню
у балонах високого тиску - більше 350 атм (аспектне
число до 18 % при тиску вище 500 атм) або отримання
його прямо на борту з іншого палива (метанолу або
рідких вуглеводнів: бензину, дизельного палива і ін.), в
спеціальних каталітичних реакторах (аспектне число біля
10 %). Таких систем розроблені і російськими ученими
і при розумних габаритах забезпечують запас водню для
пробігу в декілька сотень кілометрів.

Конструктори стикаються також і з іншими проблемами.
Так, машина (передусім кабіна) повинна мати систему
водневій безпеці.

4. ПАЛИВНИЙ ЕЛЕМЕНТ
Паливний елемент, що працює на водні, - одна з
ключових деталей в новому автомобілі. Паливний елемент
((інакше - електрохімічний генератор) - це пристрій для
перетворення хімічної енергії в електричну. Те ж
відбувається і в звичайних електричних акумуляторах, але в
паливних елементах є дві важливі відмінності:

- вони працюють до тих пір, поки поступає паливо;
- паливний елемент не треба перезаряджати.
Паливний елемент складається з багатьох десятків осередків,
кожна приблизно в сантиметр завтовшки. Кожен осередок
складається з двох електродів, розділених електролітом. На
один електрод (анод) підводиться паливо (водень), на
інший (катод) - окисник (кисень повітря). Водень
тут не згорає, хімічна реакція окислення відбувається
при низькій температурі у присутності каталізатора.
Сенс пристрою в тому, щоб, використовуючи цю реакцію,
розділити позитивний і негативний заряди в просторі
і створити між ними напругу. Тому електроліт,
що заповнює простір між електродами,
повинен мати здатність пропускати через себе протони
((тобто іони водню) і не пропускати електрони. На
аноді водень розпадається на електрони і протони, далі
протони проходять через шар електроліту, досягають катода
і, з'єднуючись з киснем, утворюють воду. Проте в
питаннях отримання якісного і недорогого електро:
льоту наука поки що зазнає величезні труднощі. Полімерний
електроліт американської фірми "Дюпон" коштує
близько 700 євро за м2, а на батарею для середнього автомобіля
треба десятки квадратних метрів такого матеріалу. Зрозуміло,
що при такій вартості електроліту неможливе
налагодити серійний випуск водневих автомобілів. Ученими
всього світу ведуться інтенсивні дослідження з метою
здешевлення цього матеріалу і використання його при
вищих температурах (150-200°С).

Загалом, паливний елемент на водні цілком готів
до застосування. Справа за малим: зробити його. компактніше і дешевше.

 

Яндекс.Метрика >