1 стр. из 1

Техногенная цивилизация, сидящая на «нефтяной игле»,— непреходящий кошмар футурологов и политиков, понимающих, что нефтяная «подушка» рано или поздно иссякнет, и тогда глобальную экономику постигнет абсолютный крах, если только не будет найдено другое топливо. Один из самых перспективных кандидатов на эту роль — водород.

Теплота сгорания единицы массы водорода почти в 3 раза превосходит бензин, а параметры горения (нижний предел и широкий интервал воспламенения в смеси с воздухом, высокая скорость распространения ламинарного пламени, низкая энергия инициирования воспламенения, более высокая температура сгорания (для ламинарного пламени в воздухе — 2300К) и самовоспламенения в воздухе (850К)) позволяют в 1,5 раза повысить КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по сравнению с ДВС на бензине!

Водород может использоваться не только как основное топливо, но и в качестве добавки к традиционным углеводородам, повышающей экономичность и снижающей токсичность выбросов. Но, по мнению экспертов, самое эффективное применение водорода в качестве топлива — создание электродвигателя с водородным топливным элементом и электроприводом. В этом случае КПД двигательной такой установки на водороде при городском цикле езды может достигать 50%, что в 2 раза больше КПД водородного ДВС и в 3 раза бензинового ДВС.

Водород — топливо абсолютно экологичное. Если обычный автомобильный двигатель выбрасывает около 50 токсичных веществ, в том числе и канцерогенов, то водородный выдает на выходе дистиллированную воду, всем известную H2O. При утечке топлива не будет никаких луж бензина или солярки, водород просто легко улетучится.

Запасы водорода практически неисчерпаемы! В Мировом океане содержится свыше 12 квадриллионов т водорода, что составляет 1% общей массы нашей планеты. Поэтому решение проблемы водородного двигателя практически избавит человечество от забот по поводу сокращающихся запасов топлива.

Важно и то, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы. А это значит, что и трудностей с загрязнением (за исключением теплового) не возникнет.

Неудивительно, что попытки использования водорода как топлива начались более 150 лет назад. Первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода, был выдан в Англии в 1841г. В 1852 г. Христиан Тейтман в Мюнхене построил двигатель, работавший несколько лет на смеси водорода с воздухом. В 1920-е гг. прошлого столетия Г.Ф.Рикардо и А.Ф.Брустэлл детально исследовали работу ДВС с внешним смесеобразованием на водородо-воздушных смесях. Тогда же началось практическое использование водородных двигателей на дирижаблях фирмы «Цеппелин». Для них в качестве топлива использовался водород, наполнявший дирижабль. В 1928 г. был проведен испытательный перелет такого дирижабля через Средиземное море.

Впервые внутреннее смесеобразование было применено в двигателях конструкции Рудольфа Эррена, установленных на автобусах «Лэйланд» и успешно проработавших в течение несколько месяцев в пригороде Лондона.

Работы по исследованию перспектив применения водородных двигателей не прекращались и во время II Мировой войны, хотя их масштаб существенно уменьшился. Тем не менее, в блокадном Ленинграде в 1941 г. инженер-лейтенант Б.И.Шелищ перевел на питание водородо-воздушной смесью (из аэростатов, потерявших плавучесть) несколько десятков двигателей ГАЗ-АА, вращавших лебедки аэростатов заграждения. С 1942 г. водород из аэростатов стал использоваться и Московской службой ПВО. В годы войны более 400 автомобильных двигателей для привода лебедок аэростатов заграждения в CCCР работали на водороде.

После войны дешевизна нефти негативно повлияла на работы по разработке водородных двигателей. Для бурно растущего автотранспорта углеводородное топливо оставалось разумным компромиссом между ценой использования и эффективностью (о загрязнении окружающей среды тогда мало кто задумывался), и места для развития водородных технологий в этой отрасли не осталось.

Первый энергетический кризис начала 70-х гг., резкое ухудшение экологической ситуации в крупных городах изменили ситуацию в корне. К началу 80-х гг. во всех ведущих индустриальных странах (США, Япония, Германия, Канада, Франция и др.) были созданы экспериментальные водородные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на водороде, бензоводородных смесях, смесях водорода с природным газом и с различными системами хранения водорода. Основной задачей работ в этом направлении в последующие годы стало создание эффективной и дешевой двигательной установки на основе водородо-воздушного топливного элемента.

Но на пути тотального распространения систем водородной энергетики есть масса препятствий, преодолеть которые в массовом масштабе современная промышленность пока не в состоянии.

Во-первых, как хранить водород? В свободном состоянии и при нормальных условиях водород — бесцветный газ с очень малой плотностью, составляющей около 7% плотности воздуха. Охлажденный же до жидкого состояния водород занимает в 700 раз меньше места, имея при этом самое высокое содержание энергии на единицу массы — 121 ГДж/т (именно поэтому жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля).

Если в космической технике, не считающейся с затратами, применение жидкого водорода оправдано, то для массовой энергетики криогенные установки еще не стали распространенными. Дополнительные проблемы возникают при испарении водорода. Водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.

Одно из широко распространенных соединений водорода — гидриды, например, гидрид магния. Металлические сплавы «магний-никель», «магний-медь» и железо-титановые сплавы поглощают водород в относительно больших количествах и освобождают его при нагреве.

В СССР опытные металлогидридные аккумуляторы для различных типов автомобилей (ГАЗ-24, ВАЗ-2101, автопогрузчик, микроавтобус РАФ) прошли опытную эксплуатацию и показали приемлемые технические характеристики и соответствие нормам безопасности при запасе хода бензоводородных автомобилей до 300 км.

Гидриды, однако, хранят водород с небольшой плотностью энергии на единицу веса, а процесс заправки идет очень медленно. В недалеком будущем, когда будет создан рентабельный состав с существенно большей плотностью энергии и легко освобождающей водород, металлогидридные системы хранения водорода найдут самое широкое применение для комбинированных бензоводородных автомобилей, автопогрузчиков, тракторов, кораблей, стационарных энергетических установок.

Но для двигателей, работающих на чистом водороде, металлогидриды слишком тяжелы. Гораздо более перспективны емкости с водородонесущими химическими соединениями — аммиаком, метанолом и некоторыми другими. По объемной плотности хранения водорода метанол в 1,5 раза превосходит жидкий водород.

Неудивительно, что в основном разработкой водородных двигателей занимаются автомобильные компании — такие радужные перспективы открываются на этом пути! Но даже такие гиганты, как General Motors, Ford и Mitsubishi не в состоянии справиться с возникающими трудностями, поэтому в США, например, эти работы пользуются масштабной государственной поддержкой.

Американская программа финансирования НИОКР (направленных на создание семейного седана с эквивалентным удельным пробегом, в три раза выше, чем у американского семейного седана 1993 г.) Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV) охватывает работы 21-й лаборатории со штатом около тысячи человек из 7-ми федеральных агентств.

С 1995 г. по программе было израсходовано свыше $1,7 млрд. Первые концептуальные модели были переданы на испытания в конце 2001 г. — DaimlerChrysler представил Dodge ESX3, Ford Motor — Ford Prodigy, General Motors — GM Precept. Для снижения веса во всех моделях конструкторы старались максимально использовать легкие сплавы алюминия и магния и ­композиционные пластики типа тех, что применяют в корпусах ракет.

Первый автомобиль на топливных элементах был показан компанией Daimler-Benz в 1994 г. К 2000 г. был готов улучшенный образец NECAR-4, намеченный к опытному выпуску с 2004 г.

Топливные элементы и бак, содержащий 100 л жидкого водорода, расположены под полом, что обеспечивает достаточное пространство в салоне для пассажиров и багажа. Мощность электромотора — 74 л. с., максимальная скорость — 160 км/ч, запас хода — 450 км. Движение начинается сразу после нажатия на педаль акселератора. 90% максимальной мощности двигателя достигается за две секунды.

Автомобиль с топливными элементами имеет динамику, сопоставимую с машинами, оснащенными бензиновыми или дизельными моторами.

Партию легковых автомобилей с топливными элементами на жидком водороде на базе популярной модели Ford Focus к выпуску в 2004 г. готовит исследовательский центр Ford Motor Company.

Немецкий филиал компании Ford в Аахене в сотрудничестве с 40 университетами из 12 стран создал модель Mondeo P2000 HFC. Бак с жидким водородом расположен за задним сиденьем, пробег между двумя заправками — 160 км.

BMW вышел на сцену с седаном 750hl, оснащенным баком на 140 л жидкого водорода. Максимальная скорость — 200 км/ч, запас хода — 350 км.

Роботизированная станция для заправки жидким водородом была построена в 1999г. в Мюнхене, рядом с аэропортом. 16машин за 5 лет пробежали почти 100тыс. км. Toyota начинает выпускать первую партию автомобилей с топливными элементами на жидком водороде ценой $75тыс. Возможные покупатели — ­правительство и ­крупные корпорации. На начальном этапе эксплуатация машин будет только в Токио, где построены специальные заправочные станции.

В июне 2002 г. о переводе транспортных наземных систем и рыболовецкого флота на водородные системы было объявлено правительством Исландии.

В этой стране на новых чистых видах энергии (в первую очередь — геотермальной) базируется вся энергетика и теплоснабжение. Потребление нефтепродуктов осталось только в сфере автотранспорта и рыболовстве. Проведя необходимые сравнения и проектную подготовку, правительство Исландии пришло к выводу о переводе в ближайшие годы на экологически чистое водородное топливо всего парка автомобилей и рыболовецких судов.

На основе опыта эксплуатации первых десятков водородных автобусов в Европе в Рейкьявике в начале 2003 г. компанией Shell по проекту ECTOS пущена первая станция заправки автобусов сжатым электролизным водородом производитель­ностью 60 нм3•ч. Как основа производства водорода из воды используются керамические высокотемпературные электролизеры.

Производство водорода в промышленных условиях – это давно не фантастика, это уже апробированный процесс, имеющий реальные экономические показатели. Согласно данным Министерства энергетики США, в 1995 г. стоимость водорода составляла $7/ГДж (в условиях крупного промышленного производства), что примерно эквивалентно стоимости бензина $0,24/л. Производство водорода электролизом воды (одним из наиболее дорогих и энергоемких) на основе современных технологий оценивается $10-20/ГДж, что уже сравнимо с ценой на бензин. Бурно развивающаяся коммерциализация водородных технологий и водородных энергетических систем, основанная на технических успехах, способна обеспечить реальное вхождение водородной экономики в жизнь индустриальных стран в самое ближайшее время.

Между компаниями из Германии, США, Японии уже сейчас наметилась скрытая (а иногда и открытая) борьба за будущие рынки водородной техники, ставки на которых неизмеримо высоки — речь идет о технологии, которая изменит мир.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!