Популярность электромобилей в последнее время несколько задвинула на второй план авто на топливных элементах. Тем не менее водород готовится дать бой электричеству, и сегодня мы посмотрим на перспективы этого элемента в энергетическом будущем планеты. Водород — это самый простой и распространенный химический элемент во вселенной, на долю которого приходится 74% всей известной нам материи. Именно водород используется звездами, в том числе и Солнцем, для высвобождения огромного количества энергии в результате термоядерных реакций.
Несмотря на свою простоту и распространенность, на Земле водород в свободной форме не встречается. За счет своего легкого веса он либо поднимается в верхние слоя атмосферы, либо вступает в связь с другими химическими элементами, например с кислородом, образуя воду.
Интерес к водороду, как к альтернативному источнику энергии, в последние десятилетия вызван двумя факторами. Во-первых, загрязнением окружающей среды ископаемым топливом, являющимся основным источником энергии на данном этапе развития цивилизации. И, во-вторых, тем фактом что запасы ископаемого топлива ограничены и по оценкам экспертов будут истощены приблизительно через шестьдесят лет.
Водород, как впрочем и некоторые другие альтернативы, является решением вышеперечисленных проблем. Использование водорода приводит к нулевым загрязнениям, поскольку в результате выделения энергии побочными продуктами являются лишь тепло и вода, которые могут быть использованы повторно для других целей. Запасы водорода также очень сложно истощить, учитывая что он составляет 74% вещества во Вселенной, а на Земле входит в состав воды, которой покрыто две трети поверхности планеты.
Получение водорода
В отличие от ископаемых источников энергии (нефти, угля, природных газов), водород не является готовым к использованию источником энергии, а считается ее носителем. То есть взять водород в чистом виде как уголь и использовать для получения энергии невозможно, необходимо сначала потратить некоторую энергию для того чтобы получить чистый водород пригодный для использования в топливных элементах.
Поэтому водород нельзя сравнивать с ископаемыми источниками энергии и более коректна аналогия с батареями, которые предварительно необходимо зарядить. Правда батареи перестают работать после разряда, а водородные элементы могут производить энергию до тех пор пока будут снабжаться топливом (водородом).
Наиболее распространенным и недорогим методом получения водорода считается паровой риформинг, в котором используются углеводороды (вещества состоящие исключительно из углерода и водорода). Во время реакции воды и метана (CH4) при высоких температурах выделяется большое количество водорода. Недостатком метода является то, что побочным продуктом реакции является углекислый газ, поступающий в атмосферу точно так же как и при сжигании ископаемого топлива, что соответственно не снижает выбросы парниковых газов несмотря на использование альтернативного источника энергии..
Возможно и прямое применение некоторых природных газов непосредственно в водородных топливных элементах в качестве альтернативы. Это позволяет не затрачивать энергию на получение водорода из газа. Стоимость таких топливных элементов будет ниже, однако при работе на природном газе в атмосферу также будут попадать парниковые газы и другие токсические элементы, что не делает такие газы полноценной заменой водороду.
Получить водород можно и в процессе электролиза. При пропускании электрического тока через воду, происходит ее разделение на составляющие химические элементы в результате чего получают водород и кислород.
Помимо привычных способов сейчас тщательно исследуются альтернативные пути получения водорода. Например, при наличии солнечного освещения продуктом жизнедеятельности некоторых водорослей и бактерий также может быть водород. Некоторые из этих бактерий могут производить водород прямо из обычных бытовых отходов. Несмотря на относительно низкую эффективность этого метода, возможность перерабатывать отходы делает его достаточно перспективным, особенно с учетом того что эффективность процесса постоянно повышается в результате создания новых видов бактерий.
Совсем недавно на горизонте появился еще один перспективный способ получения водорода с применением аммиака (NH3). При разделении этого химического вещества на составляющие получается одна часть азота и три части водорода. Наилучшими катализаторами таких реакций являются дорогостоящие редкие металы. Новый способ вместо одного редкого катализатора использует два доступных и недорогих вещества, соду и амиды. При этом эффективность процесса сопоставима с наиболее результативными дорогими катализаторами.
Помимо низкой стоимости данный метод примечателен и тем что аммиак проще хранить и транспортировать по сравнению с водородом. А в необходимый момент водород можно получить из аммиака просто запустив химическую реакцию. По неподтвержденным пока прогнозам использование аммиака позволит создать реактор объемом не более 2-литровой бутылки, достаточный для производства водорода из аммиака в количествах достаточных для использования автомобилем обычных размеров.
Аммиак на данный момент транспортируется в огромных количествах и широко применяется в качестве удобрения. Именно это химическое вещество делает возможным выращивание практически половины еды на Земле, и возможно в будущем станет одним из важнейших источников энергии для человечества.
Сферы применения
Водородные топливные элементы могут применяться практически в любом виде транспорта, в стационарных источниках энергии для домов, а также в небольших портативных, иногда карманных устройствах, для генерирования электричества, используемого другими мобильными устройствами.
Еще в 70-х годах прошлого столетия водород начали применять в NASA для вывода ракет и космических шатлов на орбиту Земли. Водород используется и позже для получения электричества на шатлах, а также воды и тепла в качестве побочных продуктов реакции.
На текущий момент наибольшие усилия направлены на продвижение водорода как топлива в автомобильной индустрии.
Сравнение водородных и электрических автомобилей
Водород на обывательском уровне по-прежнему принято считать опасным химическим элементом. Эта репутация закрепилась за ним после крушения дирижабля Гинденбург в 1937. Тем не менее Администрация по энергетической информации США (EIA) утверждает что в аспектах использования водорода касающихся нежелательных взрывов, этот элемент как минимум так же безопасен как и бензин.
На текущий момент очевидно, что если не произойдет очередной технологической революции, то машины ближайшего будущего будут преимущественно либо электрическими, либо водородными, либо гибридными формами этих двух технологий и бензиновых авто.
У каждого из вариантов развития автоиндустрии есть свои преимущества и недостатки. Заправочные станции под водородное топливо гораздо проще сделать на базе текущих бензиновых заправок, чего не можно сказать об инфраструктуре для электического «заряда» транспортных средств.
В определенном смысле разделение на водородные и электрические автомобили является искусственным, поскольку в обоих случаях машина использует электричество для движения. Только в электрокарах оно запасено в более привычной для нас форме непосредственно в аккумуляторах, а в топливных элементах вещество, которое в результате реакции будет переводить химическую энергию в электрическую, можно добавить в любой момент.
Заправка водородом по времени сравнима с заправкой бензином, и занимает несколько минут, а вот полный заряд электрических аккумуляторов на текущий момент в лучшем случае производится за 20-40 минут. С другой стороны электромобили обладают тем преимуществом что их можно подключать к розетке непосредственно дома, и если делать это ночью то можно экономить на электро-тарифах.
Экологичность
Поскольку ни электричество, ни водород не являются природными источниками энергии, в отличие от ископаемого топлива, то на их получение необходимо затратить энергию. Источник этой энергии и становится решающим фактором в экологичности как водородных, так и электрических автомобилях.
Для получения водорода требуется либо тепло, либо электрический ток, которые в жарких и солнечных регионах планеты могут быть получены сбором солнечной энергии. В холодных странах, например Скандинавии, уже сейчас упор делается на более подходящем для этого климата источнике зеленой энергии, на ветряных станциях, которые с таким же успехом могут принимать участие в производстве водорода с помощью электролиза. Примечательно что водород в таком случае может использоваться и для хранения неиспользуемой энергии, например при выработке ночью.
Учитывая обязательную стадию получения водорода и электричества, нулевой уровень выбросов таких автомобилей зависит от того каким способом была получена первичная энергия. Именно поэтому между обоими типами транспортных средств соблюдается паритет и ни один нельзя причислить к более экологическому средству передвижения.
Ничью можно констатировать и сравнив шумность этих видов транспорта. В отличие от традиционных, новые двигатели работают гораздо тише.
По этому поводу можно вспомнить известный закон красного флага регулирующий появление первых автомобилей в 19 веке. Согласно самым жестким формам этого закона транспортное средство без лошадей не могло перемещаться в черте города со скоростью превышающей 3.2 км/ч. При этом предвосхищяя движение автомобиля за несколько минут до его появления по дороге должен был идти человек с красным флагом, предупреждающий о появлении транспорта.
Закон красного флага был принят в связи с тем что новые транспортные средства перемещались относительно бесшумно по сравнению с каретами и могли стать причиной аварий и травм, по крайней мере по мнению судей того времени. Проблема, хоть и была преувеличена, но все же спустя полтора века мы можем стать свидетелями новых подобных законов в связи с бесшумностью новых типов двигателей. Электрокары и авто на топливных элементах вряд ли работают громче первых транспортных средств, а вот скорость их перемещения в городской черте сейчас явно выше 3 км, что делает их потенциально опасными для пешеходов. В той же Формула 1 сейчас задумываются об усилении звука моторов с помощью искусственной озвучки. Но если в автогонках это делается для повышения зрелищности, то в новых автомобилях появление искусственного источника шума может стать требованием безопасности.
Отрицательные температуры
Автомобили на топливных элементах, как и обычные бензиновые авто, испытывают определенные проблемы на морозе. Внутри самых батарей может содержаться небольшое количество воды, замерзающее при отрицательных температурах и приводящее батареи в неработоспособное состояние. После прогрева батареи будут работать нормально, однако вначале без внешнего обогрева, они либо не заводятся, либо работают некоторое время на пониженной мощности.
Дальность перемещения
Дистанция перемещения современных водородных авто составляет приблизительно 500 км, что заметно больше чем в типичных электрокарах, которые нередко могут перемещаться лишь на 150-200 км. Ситуация изменилась после появления Tesla Model S, однако даже этот электрокар способен перемещаться без дозарядки на расстояние не более 430 км.
Такие цифры достаточно неожиданны если учесть КПД соответствующих типов двигателей. Для обычных бензиновых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет приблизительно 15%. КПД авто на топливных элементах — 50%. КПД электромобилей — 80%. На данный момент концерн General Electrics работает над топливными элементами с 65% эффективностью и утверждает что их КПД может быть повышен до 95%, что позволят запасать до 10 МВт электрической энергии (после преобразования) в одном элементе.
Вес батарей и топлива
Однако слабым местом электрокаров являются сами батареи. Например в Tesla Model S она весит 550 кг, а полный вес авто составляет 2100 кг, что на пару сотен килограм больше веса аналогичного водородного транспортного средства. Вес этой батареи к тому же не уменьшается по мере преодоления дистанции, в то время как выработанное топливо в бензиновых и водородных автомобилях постепенно делает машину легче.
Выигрывают водородные элементы и в плане хранения энергии в пересчете на единицу массы. В плане плотности энергии на единицу объема водород не так хорош. При обычных условиях этот газ содержит лишь треть энергии метана в одинаковом объеме. Естественно водород хранится при транспортировке и внутри топливных батарей в жидком или сжатом виде. Но даже в этом случае количество энергии (Мегаджоулей) в одном литре проигрывает показателям бензина.
Сильные стороны водорода проявляются при пересчете энергии на единицу веса. В этом случае он уже в три раза превосходит бензин (143 МДж/кг против 47 МДж/кг). Выигрывает водород по этому показателю и у электрических батарей. При одинаковом весе водород имеет вдвое больший запас энергии чем электрическая батарея.
Хранение и транспортировка
Определенные сложности возникают и при хранении водорода. Наиболее эффективная форма для транспортировки и хранения этого химического элемента — жидкое состояние. Однако добиться перехода газа в жидкую форму можно лишь при температуре в -253 градуса Цельсия, что требует специальных контейнеров, оборудования и немалых финансовых затрат.
2015 год
Toyota, Hyundai, Honda и другие производители авто в течение многих лет вкладывали большие средства в исследование водородных топливных элементов и в 2015 году собираются представить первые автомобили стоимость и характеристики которых позволят рассматривать их как альтернативу другим видам транспорта. Машина на топливных элементах в 2015 году должна быть среднеразмерным 4-дверным седаном с возможностью преодоления как минимум 500 км без дозаправок, которые будут длиться не более пяти минут. Стоимость такого авто должна находиться в диапазоне от $50 тыс до $100 тыс. Таким образом стоимость водородных авто снизилась на порядок в течение одного десятилетия.
Как должно быть очевидно из списка автопроизводителей, Япония станет одним из центров развития водородных автомобилей. Интересно что одним из главных рынков для этих авто станет территория отделенная от Японии гораздо большими расстояними чем близлежащий азиатский рынок.
Калифорния уже давно имеет репутацию одного из самых прогрессивных мест на планете Земля. Именно здесь законодательство часто дает зеленый свет новейшим технологиям и изобретениям. Не стало исключением и продвижение автомобилей на альтернативном топливе.
Согласно принятому закону о транспортных средствах с нулевым выбросом (ZEV — zero-emission vehicle) к 2025 15% от всех проданных автомобилей не должны производить вредных выбросов в атмосферу. Совместно с десятью другими штатами, принявшими аналогичные законы, к 2025 году на дорогах США должно находиться около 3.3 млн ZEV.
Несмотря на то что подготовка к запуску новых автомобилей идет полным ходом, на первых этапах производителям придется столкнуться с серьезными инфраструктурными проблемами. Toyota выделила $200 млн на постройку водородных заправочных станций на территории Калифорнии, однако этих средств будет достаточно для создания лишь двадцати заправочных точек в следующем году. Даже без учета большой стоимости постройки, количество заправок будет увеличиваться достаточно скромными темпами. В 2016 году их число составит 40 штук, а в 2024 — 100 штук.
Такие размеренные сроки постройки можно легко объяснить тем что провести даже небольшую технологическую революцию за один год практически невозможно. 2015 год обозначен в календаре как год начала развития водородной автоиндустрии, однако настоящую конкуренцию машины на топливных элементах смогут составить своим конкурентам скорее всего лишь с появлением второго поколения более недорогих и надежных моделей, которые ожидаются к 2020 году, и появятся на дорогах с уже более-менее развитой сетью дозаправочных станций.
Несмотря на обилие японских имен среди производителей водородных авто, интересуются этим видом транспорта на других континентах. Среди известных производителей водородные планы есть у: General Electrics, Diamler, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Volkswagen.
Итоги
Как это часто бывает, мир не делится на белое и черное, и водород не станет единственным источником энергии в будущем. Этот элемент совместно с другими альтеранитвными источниками энергии станет частью решения проблемы загрязнения окружающей среды и исчезновения природных ископаемых ресурсов. Перспектива данного вида топлива и водородных автомобилей начнет проясняться в 2015 году с появлением первых массовых авто на дорогах. Насколько они смогут конкурировать с электромобилями мы скорее всего узнаем в 2020 году по мере дальнейшего развития технологий и появления второго поколения топливных авто.
Снижение объема углеводородов и ухудшение состояния окружающей среды.
Крупнейшие мегаполисы мира встречают вас серым видом: застывший над городом тяжелый смог, образованный выхлопными газами.
Наряду с задымлением, в воздух выделяется углекислый газ, изменяющий наш климат на Земле.
Также многие государства задумываются об энергетической независимости.
Не волнуйтесь, автомобиль не исчезнет. Как раз когда вы читаете, сегодняшние ученые исследуют топливо будущего. На чем будут работать двигатели завтрашних автомобилей? Рассмотрим трех самых многообещающих кандидатов.
Водород – топливо космической эры
- более энергоемкий, чем бензин или аккумулятор для электромобиля;
- в качестве выхлопа вода;
- быстро заправляется.
- очень дорогой в производстве;
- трудность в хранении и транспортировке;
- несовместимость с сегодняшней инфраструктурой.
Итог:
На бумаге водород – весьма многообещающее горючее, но высокая стоимость и проблемы с хранением не дают возможности его широкого использования в ближайшем будущем.
Когда ученым понадобилось топливо для космической отрасли, они обратили внимание на водород. Водородные топливные элементы использовались, чтобы привести в действие электронику в командных модулях, включая миссию 1969 года, в которой люди впервые высадились на Луну.
Энергоблоки хоть и выглядят необычно, тем не менее очень похожи на батареи. Они также производят электричество, что дает основание считать автомобиль, работающий на подобном элементе, электромобилем. Для выработки электроэнергии в топливных элементах взаимодействуют два химических вещества.
Могут использоваться и другие, включая метанол и этанол. Но, как правило, применяется водород, поскольку у него высокая энергоемкость на единицу веса, а побочным продуктом является вода. Поэтому, если у вас водородный автомобиль, можно пить его выхлоп.
Топливные элементы почти не ограничены размерами и могут применяться в различных транспортных средствах.
Но не все так радужно. К сожалению, у водородных топливных элементов есть серьезные недостатки.
Во-первых, энергия в них не хранится.
Во-вторых, нет больших естественных источников чистого водорода на Земле, в отличие от ископаемого топлива. Это означает, что он должен производиться с нуля. Также водород – очень энергоемкое вещество. Это преимущество становится и недостатком, так как требует больших затрат энергии для производства.
Несмотря на некоторые многообещающие новые технологии, сегодня в почти каждом мыслимом промышленном сценарии стоимость водорода превышает цену бензина.
Кроме всего, водород – газ. Для использования он должен находиться в сжатом состоянии при высоком давлении, что затрудняет хранение и транспортировку. Например, для сохранности 5 кг водорода нужен крупный 171 литровый бак, удерживающий газ при давлении в 340 раз превышающим атмосферное.
Заправка транспорта сжатым газом требует дорогой инфраструктуры. Водородная заправочная станция стоит приблизительно 2 миллиона долларов США. Добавьте затраты на транспортировку и производство водорода. Все это потребует значительных долгосрочных инвестиций.
Тем не менее многие автопроизводители создали прототипы автомобилей на водородных топливных элементах, включая Фиат, Фольксваген и BMW. А Пежо-Ситроен даже произвел работающий на водороде квадроцикл.
Батареи – высокое напряжение в реальности
- отсутствие выхлопа;
- практически бесшумная работа;
- для зарядки используется электросеть;
- батареи уже запущены в массовое производство.
- большие габариты;
- тяжелые;
- долгое время зарядки;
- большая часть электричества многих стран производится работающими на угле ТЭС.
Итог:
Электромобиль – давняя мечта изобретателя. С правильным правительством и промышленной поддержкой он давно стал бы массовым. Есть много теорий заговора о том, что погубило «чистый» автомобиль. Но любая история об электромобилях должна начинаться с обсуждения энергоносителей.
После 20 летнего технологического пути сегодня золотым ребенком является литий-ионный аккумулятор. Он существенно легче, держит больше энергии и более эффективен, чем предшествующие ему батареи. Они используются во всей бытовой электронике.
Все же сегодняшние самые лучшие батареи вырабатывают существенно меньше энергии, чем водород или бензин. Средний запас хода электромобиля составляет 60 км. Поэтому технологии чистой энергии являются дополнением к традиционным.
Хотя возможности электромобилей постоянно расширяются. Например, Мини-E проезжает 240 км на одной зарядке. Но Мини-E – крошечный автомобиль с крупной батареей весом более 300 кг, из-за которой проектировщикам пришлось пожертвовать задними сиденьями.
Помимо ужасного модельного ряда, есть и другой недостаток. Аккумуляторы очень не спешат заряжаться.
Однако, чтобы справиться с различными проблемами внедряются технологические инновации. Израильская компания пошла по необычному пути: создание пунктов замены отработанных аккумуляторных батарей.
Другие решения включают внедрение мощных станций, где время заряда может быть снижено до тридцати минут. Также существует возможность зарядить специальные батареи всего за 10 секунд, используя очень высокое напряжение. Но если что-то пойдет не так, существует опасность получить серьезный вред здоровью.
В совокупности, вышеперечисленные технические проблемы убили первый электромобиль массового производства – EV-1 GM.
Все же прогресс не стоит на месте. Многие компании мира исследуют новые типы элементов для создания более энергоемких и простых в обслуживании аккумуляторных батарей. И недолог тот час, когда мы перестанем дышать городским смогом.
Биотопливо – мать-природа к спасению
- отсутствует необходимость в новой инфраструктуре;
- возобновляется;
- представляет собой нейтральный углерод;
- производится и применяется.
- может нанести вред более старым автомобилям;
- конкуренция с производством продуктов питания;
- нужно большое количество биомассы для удовлетворения мировой потребности.
Итог:
Сегодня биотопливо уже используется. С дальнейшим развитием технологий и увеличением производства его применение будет только расти. Несмотря на все перспективы, воздействие на окружающую среду – предмет интенсивного обсуждения.
Биотопливо – любое топливо, полученное из биологических материалов, например, таких как щепа, сахарное или растительное масло. Биогорючее от традиционного отличается двумя важными свойствами.
При добыче и сжигании ископаемых энергоресурсов дополнительно выделяется углекислый газ и накапливается в атмосфере. А биотопливо изготовлено из сельскохозяйственных культур, использующих двуокись углерода из окружающей среды для фотосинтеза. Поэтому при использовании биотоплива новый углекислый газ не выделяется (нейтральный углерод), что не ведет к климатическим изменениям.
Кроме всего, для биогорючего сырье выращивается.
Но несколько экологических «грязных пятен» портят радужную картину.
Для превращения биологического материала в биотопливо необходим производственный процесс, требующий затраты энергии. И, если она не из возобновляемого источника, производство вызывает загрязнение.
Вторая проблема состоит в том, что замена ископаемого топлива в мире на биотопливо требует огромного количества новой биомассы. Это может значительно сократить мировые продовольственные запасы. Этанол традиционно производится из зерна. Есть непродовольственные источники, например, пальмовое масло. Но они часто влекут за собой уничтожение девственных лесов.
Хорошие новости в том, что существует широкий выбор биологического материала для создания разных видов биогорючего. Метан, топливные добавки в виде этанола, более тяжелое дизельное топливо.
Направление получает значительную сумму правительственных субсидий, так как биотопливо совместимо с существующими двигателями внутреннего сгорания. Поэтому не требуется никакой новой инфраструктуры и автомобилей.
Производители сосредоточили усилия на создании этанола из целлюлозы, несъедобных частей растений. В этом два преимущества. Во-первых, отсутствует конкуренция с производством продуктов питания. Во-вторых, целлюлоза – самый богатый биологический материал на Земле.
Во многих странах используют биодобавки. Например, в Австралии этанол объединен с бензином в 10 процентную смесь, известную как E10. Почти все автомобили, сделанные после 1986 года, могут на ней безопасно ездить. Биодизель – другая топливная смесь (B10).
Какое будет топливо будущего?
Когда запасы ископаемых энергоресурсов сократятся до критических объемов, победит самая дешевая и быстрая в реализации альтернатива.
Поэтому биотопливо в настоящее время возглавляет гонку. Оно уже в продаже, широко используется и понижается в цене за счет роста производства. Электромобили едут вторыми с небольшим отрывом. Водородные автомобили без инфраструктуры плетутся на последнем месте.
Хотя внезапный технологический прорыв, такой как дешевый способ сохранять большое количество водорода, может изменить игру.
В настоящее время многие технические вопросы по внедрению водородной энергетики решены. Все ведущие автомобильные компании имеют концептуальные модели машин, работающих на водороде. Существуют станции заправки этих автомобилей. Однако стоимость водорода пока намного выше, чем бензина или природного газа. Чтобы новая отрасль стала коммерчески оправданной, необходимо выйти на новый уровень получения водорода и снизить цену на него.
Сейчас известно около десятка методов получения водорода из разных исходных материалов. Самый известный - гидролиз воды, ее разложение при пропускании электрического тока, но он требует больших затрат энергии. Главным направлением снижения энергозатрат при электролизе воды является поиск новых материалов для электродов и электролитов.
Разрабатываются методы получения водорода из воды с использованием неорганических восстановителей - электроотрицательных металлов и их сплавов с добавкой металлов-активаторов. Такие сплавы названы энергоаккумулирующими веществами (ЭАВ). Они позволяют получать из воды любое количество водорода. Еще одним способом выделения водорода из воды может стать ее фотоэлектрохимическое разложение под действием солнечного света.
К распространенным методам относятся парофазная переработка метана (природного газа) и термический метод разложения угля и другого биоматериала. Перспективны термохимические циклы производства водорода, парофазные методы конверсии его из каменного и бурого угля и торфа, а также метод подземной газификации угля с получением водорода.
Отдельная тема - разработка катализаторов для получения водорода из органического сырья - продукта переработки биомассы. Но при этом наряду с водородом образуются значительные количества окиси углерода (СО), который необходимо утилизировать.
Еще один перспективный метод - процесс каталитической паровой переработки этанола. Можно также получить водород из угля (как каменного, так и бурого) и даже из торфа. Также все большее внимание привлекает сероводород. Это обусловлено низкими затратами энергии на электролитическое выделение водорода из сероводорода и большими запасами этого соединения в природе - в воде морей и океанов, в природном газе. Сероводород также получается в качестве побочного продукта нефтеперерабатывающей, химической, металлургической промышленности.
Водород можно получать с использованием плазменных технологий. С их помощью можно газифицировать даже самое низкокачественное углеродное сырье, например твердые бытовые отходы. В качестве источника термической плазмы используются плазмотроны - устройства, генерирующие плазменную струю.
Хранение водорода
Для хранения водорода непосредственно в автомобиле существуют следующие способы: газобаллонный, криогенный, металлогидридный.
В первом случае водород хранится в сжатом виде при давлении около 700 атм. При этом масса водорода составляет всего около 3% от массы баллона и для хранения сколько-нибудь заметного количества газа нужны весьма тяжёлые и объёмные баллоны. Это не говоря уже о том, что изготовление, зарядка и эксплуатация таких баллонов требуют особых мер предосторожности из-за опасности взрыва.
Криогенный способ подразумевает сжижение водорода и хранение его в теплоизолированных сосудах при температуре -235 градусов. Это достаточно энергозатратный процесс – сжижение обходится в 30-40% той энергии, которая получится при использовании полученного водорода. Но, как-бы ни была совершенна теплоизоляция, водород в баке нагревается, давление увеличивается и газ стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. Всего несколько дней – и баки пусты!
Самыми перспективными являются твердые накопители, так называемые металлогидриды. Эти соединения умеют вбирать в себя, как губка, водород при одних условиях и отдавать при других, например при нагревании. Чтобы это было экономически выгодно, такой металлогидрид должен «впитывать» не менее 6% водорода. Весь мир сейчас ищет подобные материалы. Как только материал будет найден - его подхватят технологи, и процесс «водородизации» пойдет.
Водородо-кислородную смесь, как самую энергетически емкую, предлагал использовать в двигателях К.Э. Циолковский еще в 1903 году. Водород уже применяют как топливо: для автомобилей (от полуторки до Тойоты "Мирай"), реактивных самолётов (от «Хейнкель» до Ту-155), торпед (от GT 1200A до "Шквала"), ракет (от "Сатурна" до "Бурана"). Новые аспекты открывает получение металлического водорода и практическое применение реактора Росси. В недалеком будущем развитие технологий получения дешевого водорода из сероводорода Чёрного моря и непосредственно из источников дегазации Земли. Не смотря на противодействие нефтяного лобби, мы неумолимо вступаем в водородную эру!
Изменяя своё потребление - мы вместе изменяем Мир!
«Плюсы» и «минусы» водородного топлива
Водородное топливо имеет ряд особенностей:
- Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси.
- После сжигания водородной смеси на выходе образуется только пар.
- Реакция воспламенения происходит быстрее, чем с другими видами топлива.
- Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
- Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется.
- Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы двигателя путем дозирования консистенции.
- КПД водородного двигателя достигает 90 процентов. Для сравнения, дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС - 35%.
- Водород - летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
- Возникает меньший уровень шума при работе двигателя.
Первый двигатель на водороде заработал в СССР в 1941 году!
Будете удивлены, но первый двигатель обычной «полуторки» заработал на водороде в блокадном Ленинграде в сентябре 1941 года! Молодому младшему техник-лейтенанту Борису Щелищу, руководившему подъемом аэростата заграждения, было приказано в отсутствии бензина и электричества наладить работу лебёдок. Поскольку аэростаты заполнялись водородом, ему пришла мысль использовать его как топливо.
Во время опасных опытов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, сам Борис Исаакович получил контузию. После этого для безопасной эксплуатации воздушно-водородной «гремучей» смеси он придумал специальный водяной затвор, исключавший воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя. Когда все наконец получилось, приехали военачальники, убедились, что система работает нормально, и приказали за 10 дней перевести все аэростатные лебедки на новый вид горючего. В виду ограниченности ресурсов и времени, Щелищ остроумно применил для изготовления гидрозатвора списанные огнетушители. И задача подъёма аэростатов заграждения была успешно решена!
Бориса Исааковича наградили орденом "Красной звезды" и командировали в Москву, его опыт использовали в частях ПВО столицы - 300 двигателей перевели на «грязный водород», было оформлено авторское свидетельство №64209 на изобретение. Таким образом был обеспечен приоритет СССР в развитии энергетики будущего. В 1942 году необычный автомобиль демонстрировался на выставке техники, приспособленной к условиям блокады. При этом его двигатель проработал 200 часов без остановки в закрытом помещении. Отработанные газы - обыкновенный пар - не загрязняли воздух.
В 1979 году под научным руководством Шатрова Е.В. творческим коллективом работников НАМИ в составе Кузнецова В.М. Раменского А.Ю., Козлова Ю.А. был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине.
Испытания РАФ 22031 (1979 г.) Подводные аппараты на перекиси водорода
В 1938-1942 годах на Кильских верфях под руководством инженера Вальтера построили опытную лодку У-80 работавшую на перекиси водорода. На испытаниях корабль показал скорость полного подводного хода 28,1 узла. Полученные в результате разложения перекиси пары воды и кислорода использовали в качестве рабочего тела в турбине, после чего удаляли их за борт.
На рисунке условно показано устройство подводной лодки с двигателем на перекиси водорода Всего немцы успели построить 11 лодок с ПГТУ.
После разгрома гитлеровской Германии в Англии, США, Швеции и СССР проводились работы с целью довести замысел Вальтера до практической реализации. Была построена советская подлодка (проект 617) с двигателем Вальтера в конструкторском бюро Антипина.
«Это была первая подводная лодка СССР, перешагнувшая 18-узловую величину подводной скорости: в течение 6 часов её подводная скорость составляла более 20 узлов! Корпус обеспечивал увеличение глубины погружения вдвое, то есть до глубины 200 метров. Но главным достоинством новой подводной лодки была её энергетическая установка, явившаяся удивительным по тем временам новшеством. И не случайно было посещение этой лодки академиками И. В. Курчатовым и А. П. Александровым - готовясь к созданию атомных подводных лодок, они не могли не познакомиться с первой в СССР подводной лодкой, имевшей турбинную установку. Впоследствии, многие конструктивные решения были заимствованы при разработке атомных энергетических установок…» - писал Александр Тыклин.
Знаменитая ПОДВОДНАЯ РАКЕТО-ТОРПЕДА ВА-111 «ШКВАЛ». Тем временем успехи атомной энергетики позволили более удачно решить проблему мощных подводных двигателей. И эти идеи успешно применили в торпедных двигателях. Walter HWK 573. (работающий под водой двигатель первой в мире управляемой противокорабельной ракеты «воздух-поверхность» GT 1200A для поражения корабля ниже ватерлинии). Планирующая торпеда (УАБ) GT 1200A имела подводную скорость 230 км/ч, являясь прототипом высокоскоростной торпеды СССР «Шквал». Торпеда ДБТ принята на вооружение в декабре 1957 года, работала на перекиси водорода и развивала скорость 45 узлов при дальности хода до 18 км.
Газогенератором через кавитационную головку создается воздушный пузырь вокруг корпуса объекта (парогазовый пузырь) и, вследствие падения гидродинамического сопротивления (сопротивления воды) и применения реактивных двигателей, достигается требуемая подводная скорость движения (100 м/с), превышающая в разы скорость самой быстрой обычной торпеды. Для работы используется гидрореагирующее топливо (щелочные металлы при взаимодействии с водой выделяют водород).
Ту-155 на водороде установил 14 мировых рекордов!
Во время ВОВ Фирма «Хейнкель» создала под двигатель Вальтера Walter HWK-109-509 с тягой 2000 кгс., работавший на перекиси водорода, целую линейку реактивных самолетов.
Вполне успешный, но, к сожалению, не ставший серийным опыт создания «экологических» самолетов у России был уже в конце 80-х годов прошлого столетия. Миру был представлен Ту-155 (экспериментальная модель Ту-154), работающий на сжиженном водороде, а затем и на сжиженном природном газе. 15 апреля 1988 года самолет был впервые поднят в небо. Он установил 14 мировых рекордов и выполнил порядка ста рейсов. Однако затем проект ушел «на полку».
В конце 1990-х по заказу «Газпрома» был построен Ту-156 с двигателями на сжиженном газе и традиционном авиационном керосине. Этот самолет постигла та же участь, что и Ту-155. Представляете, насколько тяжело бороться с нефтяным лобби даже Газпрому!
Водородомобили
Автомобили с двигателями, работающими на водороде, делятся на несколько групп:
- Транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД до 90%.
- Машины с гибридным двигателем. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
- Автомобили со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства.
Главной особенностью водородомобилей является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.
Уже выпускаются серийно такие модели водородомобилей, как:
- Ford Focus FCV;
- Mazda RX-8 hydrogen;
- Mercedes-Benz A-Class;
- Honda FCX;
- Toyota Mirai;
- Автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450;
- гибридный автомобиль на два вида топлива BMW Hydrogen 7.
Серийный водородомобиль Тойота "Мирай". Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9,6 секунды и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км
Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen . Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 - до 229 км/час.
Honda Clarity - автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
Home Energy Station III - это компактный блок, включающий в себя топливные элементы, баллон для хранения водорода и риформер природного газа, извлекающий H2 из газовой трубы.
Метан из бытовой сети превращается этим аппаратом в водород. А он - в электричество для дома. Мощность топливных элементов в Home Energy Station составляет 5 киловатт. Кроме того, встроенные баллоны с газом служат своеобразными аккумуляторами энергии. Станция использует этот водород при пике нагрузки на домашнюю электросеть. Вырабатывает 5 кВт электроэнергии и до 2 м3 водорода в час.
К недостаткам водородомобилей можно отнести:
- громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
- пока высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
- несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для топлива не позволяющих долго хранить водород;
- отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.
По мере серийного производства большинство этих конструктивных и технологических недостатков будут преодолены, а по мере развития добычи водорода, как полезного ископаемого, и сети заправок, существенно понизится его стоимость.
В 2016 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom. Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).
В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.
Во Франции выпустили оригинальную модель велосипеда на водороде. (Французский Pragma). Заливаешь всего 45 грамм водорода и в путь! Расход топлива - примерно 1 грамм на 3 километра.
Водород в космонавтике
Как горючее в паре с жидким кислородом (ЖК) жидкий водород (ЖВ) был предложен в 1903 г. К. Э. Циолковским. Он является горючим, с самым большим удельным импульсом (при любом окислителе), что позволяет при равной стартовой массе ракеты выводить в космос гораздо большую массу полезного груза. Однако на пути применения водородного топлива стояли объективные трудности.
Первая - сложность его сжижения (получение 1 кг ЖВ обходится в 20-100 раз дороже 1 кг керосина).
Вторая - неудовлетворительные физические параметры - чрезвычайно низкая температура кипения (-243°С) и очень малая плотность (ЖВ в 14 раз легче воды), что отрицательно сказывается на возможности хранения этого компонента.
В 1959 г. НАСА выдало крупный заказ на проектирование кислородно-водородного блока "Центавр". Он использовался в качестве верхних ступеней таких РН, как "Атлас", "Титан" и тяжелой ракеты "Сатурн".
Из-за крайне низкой плотности водорода, первые (самые большие) ступени ракет-носителей использовали другие (менее эффективные, но более плотные) виды горючего, например керосин, что позволяло уменьшить размеры до приемлемых. Пример такой «тактики» - ракета «Сатурн-5», в первой ступени которой применялись компоненты кислород/керосин, а во 2-й и 3-й ступени - кислородно-водородные двигатели J-2, тягой по 92104 т каждый.
Термический реактор Росси
Итальянский изобретатель Андреа Росси при поддержке научного консультанта физика Серджо Фокарди, провели эксперимент:
В герметичную трубку поместили насколько грамм никеля (Ni) добавили 10% алюмогидрида лития, катализатор и заполнили капсулу водородом (Н2). После нагрева до температуры порядка 1100-1300оС, парадоксально, но трубка оставалась в горячем состоянии на протяжении целого месяца, а выделенная тепловая энергия, в несколько раз превышала затраченную на нагрев!
На семинаре в Российском университете дружбы народов (РУДН) в декабре 2014 года, было доложено об успешном повторении этого процесса в России:
По аналогии выполнена трубка с топливом:
Выводы по эксперименту: выделение энергии в 2,58 раза больше затраченной электрической энергии.
В Советском Союзе работы по ХЯС велись с 1960 года в некоторых КБ и НИИ по заказу государства, но с "перестройкой" финансирование прекратилось. На сегодняшний день эксперименты успешно проводятся независимыми исследователями – энтузиастами. Финансирование осуществляется на личные средства коллективов граждан России. Одна из групп энтузиастов, под руководством Самсоненко Н.В., работает в здании «Инженерного корпуса» РУДН.
Ими был проведен ряд калибровочных тестов с электронагревательными приборами и реактором без топлива. В этом случае, как и следовало ожидать, выделяемая тепловая мощность равна подводимой электрической мощности.
Основная проблема – спекание порошка и локальный перегрев реактора, из-за чего нагревательная спираль перегорает и даже сам реактор может прогореть насквозь.
Но А.Г. Пархомову, удалось сделать длительно работающий реактор. Мощность нагревателя 300 Вт, КПД=300%.
Реакция синтеза 28Ni + 1H (ион) = 29Cu + Q согревает Землю изнутри!
Внутреннее ядро Земли содержит никель и водород, при температуре 5000К и давлении 1,36 Мбар, поэтому есть все условия для протекания реакции синтеза в недрах Земли, экспериментально воспроизведённой в реакторе Росси! В результате этой реакции получается медь, соединения которой находят в «черных курильщиках» зонах расширения Земли (срединно-океанических хребтах) в потоке богатом водородом.
Темный водород
В 2016 году учёные из США и Великобритании, создав при мгновенном сжатии давление 1,5 млн. атмосфер и температуру в несколько тысяч градусов, смогли получить третье промежуточное состояние водорода, при котором он одновременно имеет свойства и газа, и металла. Он получил название «тёмный водород», так как в этом состоянии он не пропускает видимый свет, в отличие от инфракрасного излучения. "Тёмный водород", в отличие от металлического, идеально вписывается в модель строения планет-гигантов. Он объясняет, почему их верхние слои атмосферы значительно теплее, чем должны быть, перенося энергию от ядра, а поскольку он обладает значительной электропроводностью, то играет ту же роль, что и внешнее ядро на Земле, формируя магнитное поле планеты!
Генерация водорода из глубин Черного моря
Бог одарил землю Крыма не только красивейшей и разнообразной природой, но и достаточными запасами различных ископаемых, в том числе и углеводородов. Но наш полуостров буквально "купается" в самом большом на планете водном хранилище природных газов, коим является Чёрное море.
Глубинные слои - ниже 150м, состоят из водородосодержащих соединений, основную часть которых составляет сероводород. По приблизительным оценкам, общее содержание сероводорода в Черном море может достигать 4.6 млрд. т, что, в свою очередь, служит потенциальным источником 270 млн. т водорода!
Запатентованы несколько способов разложения сероводорода с получением водорода и серы (H2S <=> H2 + S – Q), включающий контактирование сероводородсодержащего газа через слой твердого материала, способного разлагать его с выделением водорода и образованием серосодержащих соединений на поверхности материала, при давлении 15 атмосфер и температуре 400oС.
Наиболее перспективным, представляется разработка специальных гидрофобных мембран-фильтров, отделяющих водород от других газов прямо на глубине. Ведь мельчайшие из молекул легко просачиваются через металлы и даже в гранитных массивах живут колонии бактерий питающихся водородом!
Давайте помечтаем... Представим себе, что лет через десять на одном из мысов южного побережья Крыма, где морское дно резко понижается до глубин более 200 метров, будет построена небольшая станция. Из моря к ней протянутся рукава труб, на концах которых будут находиться сепараторы сероводорода. Водород после очистки поступит в сеть заправок автотранспорта и на когенераторную теплоэлектростанцию. Рядом с заводом разместиться ферма, где в водородной атмосфере будут выращивать анаэробные микроорганизмы, митоз которых происходит на порядок быстрее их обычных собратьев. Из их биомассы будут производить корм для скота и удобрения.
Мир неумолимо вступает в водородную эру!
Советник президента РФ академик РАН Сергей Глазьев подчеркивал: "Каждый из экономических циклов Кондратьева характеризуется своим энергоносителем: сначала дрова (органический углерод), уголь (углерод), потом нефть и мазут (тяжелые углеводороды), затем бензин и керосин (средние углеводороды), сейчас газ (легкие углеводороды), а основным энергоносителем следующего экономического цикла должен стать чистый водород!"
Применения водорода обширны, многогранны, энергетически выгодны, экологичны, и очень перспективны. Уже наши дети будут ездить на серийных автомобилях на водороде, использовать алмазные микропроцессоры, сделанные по водородной технологии, металлический водород совершит революцию в космонавтике, а развитие реакторов Росси - в энергетике!
Признание теории изначально гидридной Земли (В.Н.Ларина) приведёт к открытию ископаемых месторождений Н2, что сильно удешевит его получение. И не смотря на сопротивление "удушающих" Землю вредными выбросами нефтяных лоббистов, мы неизбежно вступаем в водородную эру!
Сывороткин В.Л., МГУ
По всему миру катаются около пятидесяти миллионов авто, которые ездят на бензине или дизельном топливе. Нефть не безгранична и значит возникает вопрос — на чем будут ездить автомобили через 30-40 лет?
Какое топливо доступно
Начнем с гибридных автомобилей. Они сочетают небольшой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электропривод с аккумуляторными батареями. Энергия от двигателя и от тормозной системы автомобиля используется для зарядки аккумуляторов, питающих электропривод. Типичные гибридные двигатели позволяют на 20−30% эффективнее использовать топливо по сравнению с традиционными ДВС и выбрасывают в атмосферу значительно меньше вредных веществ.
Как мы знаем, без бензина гибриды далеко не уедут , так что этот вариант убираем. Электромобили пока кажется оптимальным вариантом, но нормальных машин на электрической тяге мало. И запас хода у них маловат, особенно если путешествуете на дальние расстояния. Стоимость также велика. Этот вариант на будущее, а искать альтернативное топливо нужно сейчас.
Дальше по списку идут автомобили на альтернативном топливе , по типу спиртового топлива, биодизеля или этанола. Этот вариант, на первый взгляд, кажется отличным, к тому же создаются автомобили на альтернативном топливе и они отлично себя показали. Но если все машины «пересадить» на биотопливо, то подорожают продукты питания, т.к. для производства этого вида топлива нужны большие посевочные площади.
Другое дело — водород для заправки автомобилей. Он перспективнее по нескольким причинам: масса водородной батареи меньше, перезаправка быстрее, производство аккумуляторов дороже и требует больше разных экзотических элементов, сеть заправочных станций организовать гораздо проще чем зарядные, есть и другие плюсы…
Электричество — топливо будущего?
Авто компании уже вкладывают огромные деньги на разработку альтернативного топлива, создаются электромобили с большим запасом хода. Если в начале они имели запас хода не более 100 километров, то сейчас некоторые могут похвастаться запасом без подзарядки до 300-400 километров пробега. Если даже будут развиваться технологии и появятся новые типы аккумуляторных батарей для электромобилей, то запас можно увеличить до 500 км.
Применяемость электромобилей с большим запасом хода на этом не ограничивается. Нужно строить заправки по всему миру, их должно быть большое количество. Причем заправки должны быть быстрые , когда машина может «запитаться» электричеством по времени не более 1 часа (в идеале 10-20 минут). Сейчас на полную подзарядку уходит до 16-24 часов в зависимости от емкости батарей.
Как понимаете, нужно полностью менять дорожную сеть, и на это могут пойти крупные нефтяные компании. Они обладают большим количеством авто заправок. Нужно всего лишь рядом поставить колонки для заправки электромобилей. Тогда количество машин на электрической тяге возрастет, ведь проблема дозаправки будет решена.
Исходя из сказанного: для электромобилей пока нет нормальных батарей которые были бы всепогодны и принимали бы заряд хотя бы за минуты. К тому же электромобили дороги для большинства автолюбителей. Но со временем и развитием технологий, их стоимость снизится, они станут доступны для каждого.