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 выброс 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 введены 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.
Немного техники
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 (СnНm) 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.
Инжекторные двигатели (2)
... сгорания. 2. Технология ТО и ремонта Устройство современных автомобилей постоянно совершенствуется. Сегодня почти на всех автомобилях устанавливаются инжекторные бензиновые двигатели ... системах с каталитическим нейтрализатором под нормы токсичности Евро-2 и Евро-3 (в Евро-3 используется два датчика кислорода ... подъёму и развитию транспорта принимались в годы первых пятилеток. В результате принятых мер ...
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 позволяет 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 двигателях внутреннего сгорания. В условиях города такие машины получат пяти—шестикратное преимущество перед обычными автомобилями.
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 много. 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.).
Перспективы развития автомобильных двигателей, работающих на водороде
... делает водород слишком дорогим. Глава 2. Перспективы в автомобилестроении 2.1. Двигатель внутреннего сгорания работающий на водороде Топливный ... Не более перспективным выглядит и сжиженный водород. Кому захочется иметь дело с топливом, которое нужно хранить ... топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород ...
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.
Вместо топливного бака
Общая схема водородного двигателя понятна: электродвигатель, 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. Например, можно хранить водород в аккумуляторах на основе гидридов интерметаллических сплавов (TiVaFe, CuNi идр.), из которых по мере надобности постепенно высвобождается чистое вещество. Но при этом варианте масса водорода в общем объеме вещества (т. и. 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.
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:
Экологические проблемы автомобильного транспорта
... топливе в 2,0-2,8 раза и примерно в 10 раз при использовании неэтилированного бензина и нейтрализатора отрабатывающих газов. Контроль за соблюдением экологических требований при эксплуатации автомобильного транспорта ... Москомприроды решило организовать мониторинг атмосферного воздуха в местах наибольшего скопления автотранспорта. Для этого в городе было создано 50 постов непрерывного контроля ...
- 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 электролита 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.
Заключение
водород автомобиль двигатель
Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода — это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.
Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты. Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах.
В то же время водород — сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов. Автопроизводители говорят, что водородные двигатели решают сразу две важнейшие задачи, во-первых, они делают автомобили и их выхлопы безвредными для окружающей среды, а во-вторых, они снижают зависимость транспортной системы, являющейся ключевой для современного мира, он нефти и ее производных
Новые проекты воздушного транспорта
... преимущественно на большие расстояния и в трудно доступные районы. Одновременно к воздушному транспорту повышаются требования в части экономичности, регулярности, комфорта и полного обеспечения ... силовой установки будет входить прямоточный воздушно-pеактивный двигатель (в качестве топлива намечено использовать водород). Запланированы четыре этапа исследовательских полетов: первый - на скорости М = ...
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/vodorodnyiy-dvigatel/
1. История автомобильного транспорта. Режим доступа: www.auto-book.net
2. Непомнящий А.Л. История автомобилей. Режим доступа :http://automan.ru
3. Шотт. А.В. Курс лекций по истории автомобильного транспорта /А.В. Шотт, И.С. Петров. — Минск: Асар, 2004
4. Экология и жизнь -2005- №5- (статья из журнала)
5. Электронный ресурс — www.google.by
6. Электронный ресурс — www.library.by
