¬одородный тупик

¬одородный тупик

¬одород – самый первый элемент таблицы ћенделеева и самый распространЄнный элемент ¬селенной. Ќа него приходитс€ около семи дес€тых еЄ массы. Ќа поверхности нашей планеты водород обычно присутствует в виде соединений, в воде его примерно одиннадцать процентов, на суше – пор€дка процента. —оединение двух атомов водорода в единую молекулу даЄт самый лЄгкий газ планеты. ƒол€ его в атмосфере ничтожна, он не токсичен, человек его просто не замечает.

—амое распространЄнное и хорошо всем знакомое из разнообразных соединений водорода – это, конечно, основа жизни – вода. ќна состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, и еЄ планетные запасы неисчерпаемы. „тобы получить водород из воды, надо пропустить через неЄ электрический ток. ѕри этом происходит электролитическое разложение, водород и кислород выдел€ютс€ вблизи погружЄнных в воду электродов и всплывают в виде пузырьков.

≈стественно, обратный процесс идЄт с выделением энергии. ќкисление водорода в чистом кислороде даЄт единственный продукт – воду. —горание на воздухе в силу присутстви€ в нЄм азота приведЄт к образованию оксидов азота, но – в малых количествах.

ќсобое место занимают металлогидриды, соединени€ водорода с металлами, вернее, его растворы в них. ќни обладают одним замечательным свойством: объЄм металлов при их образовании почти не мен€етс€, то есть на единицу своего объЄма они могут поглощать многие объЄмы водорода.

ƒве экониши

—пециалисты говор€т, что принципиально ничто не мешает использовать чистый водород в качестве газового автомобильного топлива. “еоретически из выхлопной трубы автомобил€ на водороде должна течь вода, точнее, пар, если не учитывать продукты высокотемпературных реакций смазочных масел двигател€. ≈щЄ несколько лет назад это не вызывающее возражений мнение широко тиражировалось и производител€ми, и прессой.

Ќо практика показала, что принципиального скачка в новую экологическую нишу совершить не удалось. ¬ыхлопы переоборудованных на газоводородное топливо двигателей внутреннего сгорани€ содержат вредные вещества в количествах, сравнимых с обычным двигателем. Ёти автомобили можно совершенствовать, однако нынешние методы производства самого топлива неизбежно загр€зн€ют атмосферу.

Ќа сегодн€ известны две основные технологии производства силовых автомобильных установок на водороде. Ёто топливные €чейки дл€ электромобилей и модифицированные двигатели внутреннего сгорани€ разнообразных конструкций. ≈щЄ несколько лет назад было впечатление, что первые вытесн€т последние. ќднако этого пока не произошло.

Ќаполовину дороже

ѕервый двигатель внутреннего сгорани€, работающий на смеси водорода и кислорода, был построен чуть более двухсот лет назад, в 1806 году. ѕоршневой двигатель, модифицированный под водородное топливо, впервые был запатентован менее п€тидес€ти лет назад, в 1970 году. —егодн€ производители переоборудуют под водород даже дизельные двигатели с пр€мым впрыском топлива. » стоит это не так дорого, как может показатьс€.

’имики знают, что водород имеет высокую теплоту сгорани€. ѕоэтому существенна€ переделка двигател€ в первую голову св€зана с ростом его теплонагруженности. ¬ моторах устанавливают более прочные и термостойкие детали, рычаги и клапаны распредвала, их сЄдла, большие демпферы коленвала. ѕримен€ют особые материалы крышек цилиндров и инжекторов газового топлива, свечи без платиновых электродов, высоковольтные катушки зажигани€, модифицированный под турбонаддув входной воздухопровод, высокотемпературное двигательное масло и пр.

¬ результате всех переделок мощность двигател€ вырастает примерно на двадцать процентов, если его прародитель был инжекторным, и на 40 – если карбюраторным. ћодификаци€ удорожает двигатель внутреннего сгорани€ примерно в полтора раза. » всЄ же перед силовыми установками с топливными €чейками эти имеют преимущества многотопливности и надЄжной работы при низких температурах. Ёто, конечно, результат длительной эволюции автодвигател€.

Ќаиболее известны широкой публике водородомобили германского концерна BMW. Ёто выпущенные в 2007 году ограниченным тиражом в сотню экземпл€ров «люксовый» Hydrogen 7 и рекордный по скорости H2R.

бмв7схема ”стройство BMW Hydrogen 7. —хема из пресс-материалов BMW

ѕервый имеет своим прототипом классический бензиновый «биммер» с шестилитровым 12-цилиндровым V-образным двигателем седьмой серии. »ме€ под капотом две с половиной сотни лошадей, на 100 километров этот автомобиль с двум€ топливными баками тратит 50 литров водорода или 14 литров бензина. ƒаже в сжиженном состо€нии энергоЄмкость водорода в п€ть раз меньше бензина.

∆идкий водород заправл€ют в 110-литровый криогенный бак с двухслойным, хорошо изолирующим покрытием. ≈го теплопроводность эквивалентна таковой дл€ стены из современных строительных полимеров толщиной в семнадцать метров. ’ранение в жидком виде позвол€ет в том же объЄме бака иметь на три четверти больший энергозапас, чем у сжатого до семисот атмосфер водорода. „тобы остатьс€ жидким, топливо должно поддерживатьс€ при температуре, не превышающей минус 253 градуса. ≈сли Hydrogen 7 оставить на сто€нке, бак будет постепенно разогреватьс€, а топливо – испар€тьс€. ѕримерно через семнадцать часов при превышении некоторого критического давлени€ паров автоматика стравит часть водорода в атмосферу. «а дес€ток дней бак оставленного в гараже автомобил€ разр€дитс€ полностью.

мазда
Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid. ‘отографи€ из пресс-материалов Mazda

¬ —Ўј хорошо известен концепт пикапа фирмы Ford. “рЄхтопливный флекс F-250 Super Chief способен заправл€тьс€ и водородом. ¬ јзии тон задаЄт фирма Mazda, известна€ своими приЄмистыми роторными двигател€ми ¬анкел€. —оздание надЄжных термостойких уплотнений в высокооборотном роторном ¬анкеле – очень непроста€ инженерна€ задача. ≈щЄ в 1991 году была построена перва€ водородна€ Mazda HR-X. ¬последствии фирма переключилась на гибриды. ¬ 2003 году по€вилс€ RX-8 Hydrogen RE на водородном топливе и бензине, в 2007-м – водородный Premacy Hydrogen RE Hybrid.

 осмические элементы

ќкисление водорода в топливных элементах и питание их током силового электромотора – это второй путь использовани€ водородного топлива. “опливный элемент или €чейка – это перезар€жаема€ батаре€, но не от раза к разу, как аккумул€тор, а непрерывно, с посто€нным добавлением химического топлива и окислител€. ячейка пр€мо и эффективно преобразует химическую энергию топлива в посто€нный электрический ток и тепло. »зобретены топливные элементы давно, а во второй половине прошлого века они примен€лись дл€ энергоснабжени€ космических кораблей.  стати сказать, в своЄ врем€ таким безотходным электрогенератором был оснащЄн космический челнок «Ѕуран».

¬се €чейки состо€т из двух покрытых катализатором электродов, между которыми находитс€ электролит. „ерез один электрод подаЄтс€ водород, через другой – чистый кислород или кислород из воздуха. ¬одород обычно соедин€етс€ с кислородом внутри пористой полимерной мембраны. ќтходом производства электроэнергии служит чиста€ вода. ≈сть разные типы топливных €чеек. Ёто пр€мые метанольные €чейки, €чейки на полимерных электролитных мембранах, на фосфорной кислоте, на расплавленных карбонатах, на твЄрдых оксидах и др.

“опливные €чейки – продукт высоких технологий. „асто их конструкции сложны и недостаточно отработаны. ѕри эксплуатации они требуют «защиты от дурака». ¬ движении они бо€тс€ ударных нагрузок и сотр€сений. ѕри температурах ниже нул€ вода замерзает, поэтому €чейки требуют внешнего подогрева.

электровэн
GM Electrovan 1966 года – первый в мире работающий автомобиль на водородных топливных элементах, который в ходе испытаний развил скорость 110 км/ч. ƒо 100 км/ч он разгон€лс€ за 30 секунд и имел запас хода примерно в 230 километров. ѕроект был закрыт по причине неверо€тно высокой стоимости производства и полного отсутстви€ инфраструктуры дл€ таких автомобилей. ≈динственный действующий экземпл€р использовалс€ только на территории завода GM. ‘отографи€ и схема из архивов General Motors

ѕервый автомобиль на топливных €чейках по€вилс€ в 1966 году. »м был концепт-кар от General Motors под названием Electrovan. ≈го криогенна€ топливна€ €чейка фирмы Union Carbide питала тот же электромотор, что был у электрического концепта Chevrolet Electrovair II. —корость Electrovan достигала сотни километров в час при пробеге на одной зар€дке в пару сотен километров. ’арактеристики как у электромобил€. »звестен интересный проект Autonomy от General Motors. Ёто платформа автомобил€, на которую можно установить любой кузов. Ёлектромоторы-колеса питались от водородных топливных элементов, а управление этим напичканным электроникой монстром, даже рулевое, осуществл€лось электрически, через разъЄмы платформы.

Chrysler в начале века создал целую серию джипов на топливных €чейках. Daimler с 1994 по 2000 год разработал п€ть видов своего Mercedes NECAR. ¬ 2002 году фирмой был представлен Mercedes Benz F-CELL, базирующийс€ на Mercedes Benz «A» класса, в 2009-м – Roadster на его основе. японска€ фирма Toyota в 2002-м широко рекламировала гибридный автомобиль на водородных элементах FCVH-4 (fuel cell hybrid vehicle) на базе внедорожника Kluger V. ≈го максимальна€ скорость – 95 миль/час, а пробег на одной заправке – 155 миль.

≈щЄ недавно крупные компании массово разрабатывали конструкции на топливных элементах. »ми интересовались такие гиганты, как Honda, Ford, Daimler-Chrysler, Toyota Opel, Volkswagen и др. “руднее назвать фирмы-производители, которые были к ним равнодушны. »нвестиции в проекты составл€ли сотни миллионов долларов. “еперь же всЄ не так. ‘ирма Ford, создавша€ Focus FCV-Fuel —ELL, даже официально за€вила об отказе от водородных планов с целью сосредоточени€ на разработке электромобилей.

јлхимические вопросы

–ассказывают, что одному алхимику средневековь€ страстный неофит поведал о своЄм желании изобрести вещество, которое будет раствор€ть любое другое. —разу последовал вопрос: «ј в чЄм ¬ы его будете хранить?»  онечно, химически активный водород не раствор€ет все вещества, но сама€ важна€ проблема практического использовани€ водорода в автомобил€х та же – это длительное, надЄжное и экономичное хранение.

ћалое энергосодержание на единицу объЄма требует высоких давлений или сжижени€ при хранении и перевозке, а значит – сложных конструкций топливных баков. ќтсюда их высокий вес. ’арактерна€ цифра – жидкий водород имеет плотность, в четырнадцать раз меньшую, чем у воды. јльтернативой газобакам высокого давлени€ могут стать заранее «зар€женные» водородом сменные контейнеры, начинЄнные пористыми поглотител€ми, которые выдел€ют водород при подогреве. —егодн€ наибольшую Ємкость имеют баки с гидридами металлов, разрабатывают и баки с углеродными наноматериалами. ќднако все они пока не могут хранить нужного дл€ дальнего пробега запаса топлива.

≈сть масса путей получени€ водорода. —егодн€ его производ€т из метана и других видов углеводородного топлива. —ырьЄм может быть широкий спектр материалов.   примеру, несколько лет назад американские химики разработали простой способ получени€ водорода из природного растительного сырь€. ¬ новом технологическом процессе также образуетс€ оксид углерода и немного метана. ¬одород же выдел€етс€ на платиноалюминиевом катализаторе при нагреве растительной глюкозы под давлением. ”чЄные из ”ниверситета штата ¬исконсин предлагают использовать в качестве сырь€ не только сахар-сырец, но и отходы различных производств, в частности деревообрабатывающей промышленности. ќсновна€ проблема в данном случае – удешевление примен€емых катализаторов.

ѕроцесс преобразовани€ в водород бензина, других жидких углеводородов или природного газа называют риформингом. », что привлекательно, проводить его можно почти в «домашних услови€х».   примеру, известен проект компании General Motors – риформер, получающий водород из бензина с малым содержанием серы. »м был оснащЄн Chevrolet S-10 с силовой установкой на водородных топливных элементах, расходовавший шесть литров бензина на сотню километров пути.

„тобы надЄжно и безопасно заправл€ть газобаки под давлением в сотни атмосфер, канадска€ компани€ Fuelmaker, известна€ своими небольшими заправочными комплексами дл€ природного газа, выпускает водородную мини-компрессорную станцию. ќна забирает газ низкого давлени€ от источника, сушит его и подаЄт в бак автомобил€. »сточником служит водород, полученный электролизом воды или разложением природного газа. —овсем «домашнюю» ј«— канадцы рекомендуют строить, комбиниру€ станцию Fuelmaker с компактным электролизным генератором фирмы Stuart Energy Systems.

Ёлектролиз воды – экологически оптимальный вариант производства, но лишь при наличии дешЄвой электроэнергии. ¬етр€к с электролизером, например, вполне подойдЄт. Ќо где вз€ть столько ветр€ков?

Ўирокое распространение водородных авто сдерживает не только их цена, но и главное – отсутствие источников водорода промышленных масштабов и сети водородных заправок.

ƒл€ подобных автомобилей требуетс€ и особый сервис. —проектировать и организовать всЄ это под силу только крупным инвесторам, например государству. ћассово развернуть такую де€тельность – значит, вложив очень большие средства, строить новую водородную энергетику. ћногие эксперты при нынешнем состо€нии дел считают этот путь тупиковым.

–езервна€ валюта?

¬ целом применение водорода как топлива – это замкнутый круг «энерги€ – водород – энерги€» с потер€ми на каждом этапе. ¬ двигател€х внутреннего сгорани€  ѕƒ использовани€ сжатого водорода – 22 процента, жидкого – 17 процентов. ѕроизводитс€ водород за счЄт тепловой электроэнергии с энергоэффективностью от трети до половины и существенной эмиссией углекислого газа. “ак что дев€ть дес€тых энергии до колЄс не доходит и попросту тер€етс€. ƒл€ авто с эффективными топливными €чейками вкупе с производством, хранением, конверсией водорода только четверть энергии топлива идЄт на перемещение автомобил€. ƒл€ электромобилей же эта цифра втрое больше.

Ёто значит, что новый энергоноситель не может стать конвертируемой энергетической валютой, даже резервной. » всЄ же водород остаЄтс€ особым альтернативным топливом. ≈го технологии почти готовы дл€ массового применени€. » это «почти» превратитс€ во «вполне», если будут найдены пути его эффективного и экологически чистого получени€.

≈щЄ несколько лет назад в ответ на экологические ограничени€ законодателей автопроизводители за€вл€ли, что они разрабатывают водородные технологии, которые позвол€т снизить долю токсинов и совокупных выбросов диоксида углерода в атмосферу. ѕри этом молчаливо предполагалось, что мы понимаем, как циркул€ци€ его и других парниковых газов вли€ет на еЄ свойства, в частности озоновые дыры. ƒл€ обывателей была придумана очередна€ апокалипсическа€ страшилка. ћеждународные соглашени€ были подписаны. ѕрошло врем€, а озон, вернее его отсутствие, и ныне там. “еперь, правда, нова€ проблема со старыми дырами – глобальное потепление.

«а всеми этими ходами просматриваютс€ денежные интересы. “радиционные двигатели и энергетика корм€т многих. ¬ыпуск и разработка доли экологичных авто на законном основании позвол€ют производить супермощные и суперпопул€рные внедорожники и лимузины – показатели-то усредн€ютс€ по всей линейке продукции. Ётот подход теперь называетс€ прагматизмом.

Ќо в случае водорода всЄ может изменитьс€, и очень резко. Ќаука по-прежнему ускор€ет развитие цивилизации. “ак, в начале ма€ сообщалось о том, что греческий профессор-химик  онстандопулос, руковод€щий институтом химических процессов в —алониках, выиграл грант ≈вропейского исследовательского совета в размере 1,75 миллиона евро на получение водородного топлива из воды за счЄт энергии солнца. ’арактерно, что ни греческие власти, ни местные олигархи не стремились помогать профессору, который был вынужден даже снижать зарплату своим сотрудникам, и предпочитали выпрашивать инвестиции у ≈вросоюза. »де€ процесса в том, что сфокусированные солнечные лучи нагревают воду, котора€ разлагаетс€ на катализаторах. ѕилотный проект станции мощностью в сотню киловатт уже прошЄл успешные испытани€ в »спании. “еперь стоит задача построить реактор в один мегаватт, производ€щий водород, метан и метанол.

»сточник "Ќаука и технологии в –‘"


 
  • ƒата публикации: 25.08.2011
  • 3440
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150