Водородный двигатель

Опубликовано admin 06.04.2009 в категории Будущее |

1. Немного техники.
2. Водород как топливо.
3. Вместо топливного бака.
4. Топливный элемент.

1. НЕМНОГО ТЕХНИКИ

Америка поставила себе задачу: в ближайшие 10—15 лет
избавиться от нефтяной зависимости. Единственный выход —
как можно скорее запустить в серийное производство водородный
автомобиль. Европа боится отстать, кроме того, европейцам
приходится выполнять принятые у них нормы на выброе
вредных веществ автотранспортом, которые все время
ужесточаются. В 1993 году были введены нормы «Евро-1», в
1996 году - «Евро-2», в 1999 году - «Евро-3», а с 2005 года
в Европе планируется ввести в действие еще более жесткие
нормы «Евро-4». В перспективе автомобилям совсем запретят
выбрасывать вредные вещества, и тогда нельзя будет обойтись
без машины, работающей на водороде.

Главное препятствие к внедрению водородного автомобиля
— отсутствие системы промышленного получения водорода
в нужных объемах, систем его хранения, транспортировки
и заправки автомобилей. По мнению американских специалистов,
такую систему удастся создать не раньше 2020-2030 гг.
На переходный период ведущие автомобилестроители предложат
так называемые «гибридные автомобили»-: в них экономичный
двигатель внутреннего сгорания подзаряжает аккумуляторную
батарею, которая питает электрический двигатель.
Такие автомобили разрабатываются практически всеми
ведущими автомобильными компаниями И уже серийно
выпускаются в Японии.

Классическая схема: двигатель внутреннего сгорания приводит
в движение колеса через механический привод. Нас.окружают
тысячи автомобилей, но мало кому приходит в голову,
что их эффективность катастрофически мала. Если взять так
называемые «условия городского цикла движения», то общий
коэффициент полезного действия (КПД) автомобиля —
10—12 % (за городом, где меньше светофоров, 15—17 %). Девять
литров бензина из десяти попросту улетают в атмосферу.

Автомобили на водородном топливе условно можно разделить
на три класса.

Первый — это машины с обычным двигателем внутреннего
сгорания, работающим на водороде или водородной смеси.
Такие модели могут работать на чистом водороде или 5—
10% водорода добавляют к основному топливу. В обоих случаях
КПД двигателя увеличивается (во втором случае примерно
на 20%) и выхлоп становится гораздо чище (содержание
угарного газа (СО) и углеводородов (С„Нт) уменьшится
в полтора раза, оксидов азота (NOX) — до пяти раз. Такие
двигатели и автомобили были сделаны и прошли все испытания
у нас и за рубежом примерно в 70—80-х годах. Однако,
учитывая затраты и конструкционные сложности, это может
быть только промежуточным, переходным этапом на пути к
третьему типу.

Второй — это машины с двумя электроносителями, так
называемые гибридные. Его колеса приводят в движение электропривод,
энергию которому поставляет аккумулятор, в свою
очередь заряжающийся от высокоэкономичного двигателя
внутреннего сгорания, работающего на водороде или смеси
водорода с бензином. Это очень выгодно, ведь КПД электродвигателя
достигает 90—95 % в отличие от бензинового (35 %)
или дизельного (50 %), таким образом, общий КПД повышается
до 30 %’, соответственно снижается расход топлива. Даже
если для подзарядки аккумулятора используется бензин, объем
вредных выбросов позволит уложиться в нормы «Евро-4» с
десятикратным запасом. И все же получить совершенно чистый
выхлоп можно только у третьего типа автомобилей.

Третий — настоящий водородный автомобиль — это машина
с электродвигателем, который питается от топливного
элемента, расположенного на борту автомобиля. Теоретически
КПД топливного элемента, работающего на смеси водород—
воздух, может быть больше 85 %. Сейчас уже удалось
получить двигатели с КПД около 75 % — это более чем в два
раза выше, чем в.лучших двигателяхчвнутреннего сгорания. В
условиях города такие машины получат пяти—шестикратное
преимущество перед обычными автомобилями.

2. ВОДОРОД КАК ТОПЛИВО

Существующие на сегодняшний день технологии производства водорода далеки от совершенства.
Несмотря на это, гиганты химической промышленности
и сегодня уже получают по 500 млрд. м3 водорода в год. Половина
производимого количества идет на аммиачные удобрения, остальное — на производство стали, стекла, маргарина
и пр. В основном водород получают с помощью парового
риформинга природного газа: метан при высоких температурах
(900°С) в присутствии никелевого катализатора реагирует
с паром. Пока что такой водород самый дешевый, однако
российские ученые знают, как удешевить производство
еще в 2 раза.

Есть и другие технологии получения водорода, например
электролиз, крекинг или переработка биомассы (древесины,
соломы). Каждый из этих вариантов имеет свои недостатки.
Например, переработка биомассы: ее нагревают на 500—
600°С, после чего получаются спирты (этанол, метанол), которые,
в свою очередь, превращаются в водород. Можно нагреть
биомассу до более высоких температур (1000°С), тогда
она полностью превратится в газ и получится смесь Н2 и СО.
Проблема в том, что сырья для такого процесса понадобится
очень и очень мього. Если, например, всю плодородную территорию
Франции пустить на выращивание биомассы, то водорода,
полученного из нее, не хватит даже на то, чтобы покрыть
потребности этой страны в топливе даже для ныне существующих
автомобилей.

Казалось бы, самый простой способ получения водорода
— электролиз (электрическое расщепление воды). Результат
— водород и кислород. Но в целом эффективность
этого процесса не очень велика: надо затратить 4 кВт электроэнергии,
чтобы получить 1 м3 водорода, который, сгорая,
даст лишь 1,8 кВт. Тем не менее, электролиз воды довольно
перспективен и ему наверняка найдут применение,
тем более, что существуют выходы из «энергетической проблемы».
Во-первых, можно использовать энергию атомной
электростанции в часы слабой нагрузки (когда вырабатывающаяся
там энергия оказывается невостребованной) или,
в конце концов, возобновляемые источники энергии (солнечные
батареи, энергия ветра, приливы и пр.). Во-вторых,
эта технология активно развивается: электролиз для большей
эффективности можно проводить при повышенном давлением
или температуре, что и пытаются сделать ученые.

Сейчас биологи активно разрабатывают еще одно направление.
Некоторые бактерии и водоросли в процессе фотосинтеза
разлагают воду и выделяют водород. Проблема в том,
что они делают это только в отсутствии кислорода, следовательно,
процесс длится очень короткое время, так как при разложении
воды, естественно, образуется и кислород. Задача
ученых — с помощью генной инженерии продлить этот период,
тогда солнечные районы нашей планеты будут обеспечены
водородом.

3. ВМЕСТО ТОПЛИВНОГО БАКА

Общая схема водородного двигателя понятна: электро-двигатель, топливный элемент, водород для его работы. Проблема заключается в том, что нужен некий аналог топливного
бака, а ведь водород в топливный бак не нальешь. Это на
сегодняшний день самая большая техническая трудность.
Ученые рассматривают довольно много вариантов. На
пример, можно хранить водород в аккумуляторах на основе
гидридов интерметаллических сплавов (TiVaFe, CuNi и др.),
из которых по мере надобности постепенно высвобождается
чистое вещество. Но при этом варианте масса водорода в
общем объеме вещества (т. н. аспектное число) составляет
всего 5 %, к тому же возникает проблема со скоростью высвобождения водорода. Можно хранить водород в жидком
виде. Но, во-первых, это требует охлаждения до температур,
близких к абсолютному нулю (соответственно, вырастает
стоимость водорода), а во-вторых, заправленный таким образом
автомобиль должен будет расходовать свое топливо
как можно быстрее. Очень перспективное направление —
хранение водорода в наноструктурах (углеродных нанотрубках),
однако эти исследования находятся пока на начальных
стадиях.

Наиболее перспективным ученые считают хранение водорода
в баллонах высокого давления — более 350 атм (аспектное
число до 18 % при давлении выше 500 атм) или получение
его прямо на борту из другого топлива (метанола или
жидких углеводородов: бензина, дизельного топлива и пр.), в
специальных каталитических реакторах (аспектное число около
10 %). Такие системы разработаны и российскими учеными
и при разумных габаритах обеспечивают запас водорода для
пробега в несколько сотен километров.

Конструкторы сталкиваются также и с другими проблемами.
Так, машина (прежде всего кабина) должна иметь систему
водородной безопасности.

4. ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Топливный элемент, работающий на водороде, — одна из
ключевых деталей в новом автомобиле. Топливный элемент
(иначе — электрохимический генератор) — это устройство для
преобразования химической энергии в электрическую. То же
происходит и в обычных электрических аккумуляторах, но в
топливных элементах есть два важных отличия:
— они работают до тех пор, пока поступает топливо;
— топливный элемент не нужно перезаряжать.
Топливный элемент состоит из многих десятков ячеек,
каждая примерно в сантиметр толщиной. Каждая ячейка
состоит из двух электродов, разделенных электролитом. На
один электрод (анод) подводится топливо (водород), на
другой (катод) — окислитель (кислород воздуха). Водород
здесь не сгорает, химическая реакция окисления происходит
при низкой температуре в присутствии катализатора.
Смысл устройства в том, чтобы, используя эту реакцию,
разделить положительный и отрицательный заряды в пространстве
и создать между ними напряжение. Поэтому электролит,
заполняющий пространство между электродами,
должен обладать способностью пропускать через себя протоны
(т. е. ионы водорода) и не пропускать электроны. На
аноде водород распадается на электроны и протоны, далее
протоны проходят через слой электролита, достигают катода
и, соединяясь с кислородом, образуют воду. Однако в
вопросах получения качественного и недорогого электро:
лита наука пока что испытывает огромные трудности. Полимерный
электролит американской фирмы «Дюпон» стоит
около 700 евро за м2, а на батарею для среднего автомобиля
нужно десятки квадратных метров такого материала. Понятно,
что при такой стоимости электролита невозможно
наладить серийный выпуск водородных автомобилей. Учеными
всего мира ведутся интенсивные исследования с целью
удешевления этого материала и использования его при
более высоких температурах (150—200°С).

В общем, топливный элемент на водороде вполне готов
к применению. Дело за малым: сделать его. компактнее и дешевле.