Горючее НА БУДУЩЕЕ
Горючее НА БУДУЩЕЕ
ТЕХНИКА
ВОДОРОД
Горючее НА БУДУЩЕЕ
Удельная масса водорода невелика, а вот его перспективы
в автомобилестроении расцениваются как очень приличные.
Аркадий АЛЕКСЕЕВ
Топливный кризис 70-х годов принудил многие авто компании заного посмотреть на другие виды горючего. Тогда и был отмечен 1-ый всплеск энтузиазма к водороду. А что, этот "кандидат" смотрелся полностью многообещающе. Водорода на Земле - море. В прямом смысле слова, ведь его можно получать из воды...
Но скоро кризис пошел на убыль, нефтепроводы заработали на полную мощность, а водородные трудности были, на 1-ый взор, отодвинуты в далекие углы академических лабораторий. Но прошло 20 лет, и сейчас эти исследования, похоже, обрели 2-ое дыхание - они оказались созвучны современным "экологическим" настроениям. Вправду: сжигаем водород - получаем воду. Как ни посмотри - полностью нейтральный и безобидный продукт.
ГДЕ ЕГО ВЗЯТЬ?
Как обычно, в новеньком и многообещающем деле огромное количество вариантов. Единообразие придет позже, а пока выбор достаточно велик. Самое обычное - заместо бензобака расположить на автомобиле баллоны со сжатым водородом. Подходящая аппаратура уже существует - ведь в мире много автомобилей работает на сжатом газе. Правда, природном, но приспособить эти устройства относительно просто. Естественно, и сам движок придется переделывать, но об этом чуток позднее. Таковой путь, хотя и кажется обычным, все-же маловероятен. Тяжело представить водителя, который добровольно согласится возить емкости со сжатым до 200 кгс/см2 водородом, к тому же способным каверзно просачиваться через мелкие неплотности топливной аппаратуры. В чем намного превосходит природный газ, состоящий из более "томных и неуклюжих" молекул и поэтому наименее склонный к утечкам. А еще каждый, непременно, припомнит "гремучий газ" - взрывоопасную смесь водорода с кислородом в объемном соотношении 2:1.
Менее многообещающим смотрится и сжиженный водород. Кому захочется иметь дело с топливом, которое необходимо хранить при -253°С? И на какие технические ухищрения придется идти конструкторам, чтоб поддерживать таковой холод сколько-либо долгое время? Итак, этот вариант пока тоже отпадает.
К счастью, еще есть одна возможность - гидриды. Напомним, что атомы металлов размещаются в определенном порядке, их "построение" именуют кристаллической решеткой. Итак вот, некие металлы и сплавы способны "расположить" меж своими атомами и атомы водорода. Такие "общества" и именуют гидридами.
Не вдаваясь в подробности, заметим, что емкость подобного "хранилища" (при равном объеме устройства) впятеро выше, чем у баллона со сжатым газом, и практически в два раза - чем у дьюара со сжиженным. Исследователи напористо отыскивают более походящие сплавы, но уже понятно, что лучшей основой для их является титан. Гидридные накопители штука достаточно непростая, и, естественно, они не состоят из цельного кусочка металла, а больше напоминают губку со обилием каналов - для скорого поглощения и выделения водорода. Последнее происходит при нагреве гидридов, а источник тепла на автомобиле длительно находить не надо - скажем, для этой цели полностью подходят жаркие выхлопные газы. Еще одна принципиальная черта гидридов - они стократ безопаснее других методов хранения водорода. Правда, для авто транПодвескаа емкость и у их маловата, а вес и сложность устройства, напротив, значительны.
Резонно задать вопрос: если хранение вызывает такие трудности, нельзя ли получать водород конкретно на автомобиле? Оказывается, можно. Самым многообещающим считается метод, при котором сырьем служит метанол, либо, по старенькой русской систематизации, метиловый спирт - "младший братец" известного всем этилового. Родственничек-то, правда, с нравом - ядовит, но это если его пить, а вообще-то он применяется достаточно обширно - даже заходит в состав большинства авто жидкостей для мытья стекол.
Итак, бак автомобиля - на самом деле, полностью обыденный - заполняют легкой жидкостью с резким спиртовым запахом. Отсюда она попадает в реактор (не пугайтесь, не ядерный, а хим), испаряется и в присутствии катализатора реагирует с водяным паром, выделяя водород и двуокись углерода.
Горючее получено, осталось его использовать. Кстати, можно провести реакцию другим методом, тогда вторым из товаров окажется не СО2, а СО (тот, с которым борются экологи); смесь последнего с водородом получила заглавие синтез-газ. Так как Н2 и СО горючи, их можно совместно конкретно спаливать в цилиндрах бензинового двигателя. Подобные опыты проводились во огромном количестве лабораторий, в том числе и у нас в НАМИ.
ЖЕЧЬ Либо НЕ ЖЕЧЬ?
Более чем столетняя традиция транПодвесканых средств с моторами внутреннего сгорания фактически совершенно точно решает этот вопрос в пользу первого варианта. Таковой путь сулит определенные выгоды - увеличивается действенный КПД мотора, единственным прямым продуктом реакции является водяной пар, и даже оксидов азота (они образуются при высочайшей температуре из кислорода и азота воздуха) выбрасывается в атмосферу в 4-5 раз меньше (данные НАМИ), чем при езде на бензине.
Определенную опасность представляют вспышки "гремучего газа" в коллекторе в момент открытия впускного клапана. Чтоб избежать этого, инженеры в 70-е годы подразумевали подавать водород конкретно в камеру сгорания. На чертежах тех лет несложно увидеть дополнительный канал в головке блока цилиндров и небольшой клапан, управляющий поступлением водорода. Позже выяснилось, что делему можно решить по-другому - скажем, впрыскивать в рабочую смесь воду либо обеспечить рециркуляцию отработавших газов (тоже, на самом деле, водяного пара). К преимуществам водорода как моторного горючего следует отнести его высшую детонационную стойкость, что позволяет приметно прирастить степень сжатия и давление наддува. Эти меры подымут эффективную мощность мотора (при "бензиновых" степенях сжатия из-за наименьшего коэффициента заполнения мощность мотора на водороде оказывается меньше). Проводились опыты и по использованию водорода в... дизеле. Правда, в газодизельном цикле маленькая порция водянистого горючего подавалась в цилиндр, чтоб инициировать начало горения. Дизелю водород тоже пошел бы на пользу - с ним выбросы сажи и жестких частиц сводятся практически к нулю.
На 1-ый взор, добавить к тому, что сказано, как бы нечего, если не погружаться в рассуждения о том, что лучше спаливать: незапятнанный водород, синтез-газ либо их различные консистенции с бензином, метанолом, соляркой... Но, оказывается, не все спецы мыслят настолько прямолинейно. Некие, раз ступив на путь исследовательских работ в области химии водорода, уже и слышать не желают о движках внутреннего сгорания. И вот, благодаря усилиям конструкторов на сцене возникает новое необычное устройство, позволяющее при реакции водорода с кислородом получить электронную энергию конкретно!
Многие, возможно, помнят школьные опыты по электролизу: в воду опускают два электрода, подводят определенное напряжение, и на одном из их начинает выделяться водород, а на другом - кислород. Тут же все происходит с точностью до напротив. Водород в чем либо сродни металлам, и его атом просто теряет собственный единственный электрон. В устройстве, получившем заглавие водородный топливный элемент, реакция водорода с кислородом происходит в несколько стадий. Сначала водород обязан пройти через ионообменную мембрану, которая свободно пропускает только протоны - лишенные электрона атомы водорода (Н+), а совсем не его молекулы Н2. Электроны при всем этом остаются на отрицательном электроде (он же - платиновый катализатор). Пройдя через мембрану, водород вновь получает собственный электрон - в момент реакции с кислородом воздуха, на положительном (и тоже платиновом) электроде. Электроны же обязаны идти "кружным методом", через электронную цепь, производя при всем этом полезную работу.
Ну вот, осталось подключить электродвигатель, блок управления и... батарею аккумов. Последняя, естественно, меньше, чем в электромобилях, и служит для приведения всего устройства в рабочее состояние, также сглаживает пиковые нагрузки на топливный элемент и сохраняет энергию при торможении.
Бывалые экземпляры транПодвесканых средств с таковой страшенной по трудности силовой установкой уже бегают по полигонам многих забугорных авто концернов, а "Тойота" даже представила свою модель FCEV (электромобиль с топливными элементами) на Токийском автомобильном салоне в конце прошедшего года. Занимаются этой темой и "Mercedes", и америкосы, но более активны жители страны восходящего солнца. По правде говоря, пока сложность и цена таких автомобилей неоднократно превосходят их эффективность, но, как знать, в дальнейшем ситуация может поменяться.
Молвят, что в Стране восходящего солнца часто проводят конкурсы на транПодвесканое средство с более сложными преобразованиями энергии. Пару лет вспять в таком соревновании одолел некоторый энтузиаст, придумавший... велик. Вращение педалей этого замудренного устройства приводило к трению 2-ух брусочков, которые, нагреваясь, кипятили воду. Маленькая паровая машина крутила генератор, а колеса приводились в действие электромотором. Что самое необычное, этот велик был способен двигаться (правда, очень неторопливо)! Жюри такая конструкция показалась просто уникальной. Но ведь тогда еще не выстроили "Тойоту FCEV"!..
Размещение агрегатов "Тойоты FCEV":
1 - движок; 2 - электрический блок управления; 3 - топливные элементы; 4 - реактор преобразования метанола в водород; 5 - топливный бак; 6 - батареи.
Структура топливного элемента.
Схема топливного элемента.
Схема реактора.
ТЕХНИКА
ВОДОРОД
Горючее НА БУДУЩЕЕ
Удельная масса водорода невелика, а вот его перспективы
в автомобилестроении расцениваются как очень приличные.
Аркадий АЛЕКСЕЕВ
Топливный кризис 70-х годов принудил многие авто компании заного посмотреть на другие виды горючего. Тогда и был отмечен 1-ый всплеск энтузиазма к водороду. А что, этот "кандидат" смотрелся полностью многообещающе. Водорода на Земле - море. В прямом смысле слова, ведь его можно получать из воды...
Но скоро кризис пошел на убыль, нефтепроводы заработали на полную мощность, а водородные трудности были, на 1-ый взор, отодвинуты в далекие углы академических лабораторий. Но прошло 20 лет, и сейчас эти исследования, похоже, обрели 2-ое дыхание - они оказались созвучны современным "экологическим" настроениям. Вправду: сжигаем водород - получаем воду. Как ни посмотри - полностью нейтральный и безобидный продукт.
ГДЕ ЕГО ВЗЯТЬ?
Как обычно, в новеньком и многообещающем деле огромное количество вариантов. Единообразие придет позже, а пока выбор достаточно велик. Самое обычное - заместо бензобака расположить на автомобиле баллоны со сжатым водородом. Подходящая аппаратура уже существует - ведь в мире много автомобилей работает на сжатом газе. Правда, природном, но приспособить эти устройства относительно просто. Естественно, и сам движок придется переделывать, но об этом чуток позднее. Таковой путь, хотя и кажется обычным, все-же маловероятен. Тяжело представить водителя, который добровольно согласится возить емкости со сжатым до 200 кгс/см2 водородом, к тому же способным каверзно просачиваться через мелкие неплотности топливной аппаратуры. В чем намного превосходит природный газ, состоящий из более "томных и неуклюжих" молекул и поэтому наименее склонный к утечкам. А еще каждый, непременно, припомнит "гремучий газ" - взрывоопасную смесь водорода с кислородом в объемном соотношении 2:1.
Менее многообещающим смотрится и сжиженный водород. Кому захочется иметь дело с топливом, которое необходимо хранить при -253°С? И на какие технические ухищрения придется идти конструкторам, чтоб поддерживать таковой холод сколько-либо долгое время? Итак, этот вариант пока тоже отпадает.
К счастью, еще есть одна возможность - гидриды. Напомним, что атомы металлов размещаются в определенном порядке, их "построение" именуют кристаллической решеткой. Итак вот, некие металлы и сплавы способны "расположить" меж своими атомами и атомы водорода. Такие "общества" и именуют гидридами.
Не вдаваясь в подробности, заметим, что емкость подобного "хранилища" (при равном объеме устройства) впятеро выше, чем у баллона со сжатым газом, и практически в два раза - чем у дьюара со сжиженным. Исследователи напористо отыскивают более походящие сплавы, но уже понятно, что лучшей основой для их является титан. Гидридные накопители штука достаточно непростая, и, естественно, они не состоят из цельного кусочка металла, а больше напоминают губку со обилием каналов - для скорого поглощения и выделения водорода. Последнее происходит при нагреве гидридов, а источник тепла на автомобиле длительно находить не надо - скажем, для этой цели полностью подходят жаркие выхлопные газы. Еще одна принципиальная черта гидридов - они стократ безопаснее других методов хранения водорода. Правда, для авто транПодвескаа емкость и у их маловата, а вес и сложность устройства, напротив, значительны.
Резонно задать вопрос: если хранение вызывает такие трудности, нельзя ли получать водород конкретно на автомобиле? Оказывается, можно. Самым многообещающим считается метод, при котором сырьем служит метанол, либо, по старенькой русской систематизации, метиловый спирт - "младший братец" известного всем этилового. Родственничек-то, правда, с нравом - ядовит, но это если его пить, а вообще-то он применяется достаточно обширно - даже заходит в состав большинства авто жидкостей для мытья стекол.
Итак, бак автомобиля - на самом деле, полностью обыденный - заполняют легкой жидкостью с резким спиртовым запахом. Отсюда она попадает в реактор (не пугайтесь, не ядерный, а хим), испаряется и в присутствии катализатора реагирует с водяным паром, выделяя водород и двуокись углерода.
Горючее получено, осталось его использовать. Кстати, можно провести реакцию другим методом, тогда вторым из товаров окажется не СО2, а СО (тот, с которым борются экологи); смесь последнего с водородом получила заглавие синтез-газ. Так как Н2 и СО горючи, их можно совместно конкретно спаливать в цилиндрах бензинового двигателя. Подобные опыты проводились во огромном количестве лабораторий, в том числе и у нас в НАМИ.
ЖЕЧЬ Либо НЕ ЖЕЧЬ?
Более чем столетняя традиция транПодвесканых средств с моторами внутреннего сгорания фактически совершенно точно решает этот вопрос в пользу первого варианта. Таковой путь сулит определенные выгоды - увеличивается действенный КПД мотора, единственным прямым продуктом реакции является водяной пар, и даже оксидов азота (они образуются при высочайшей температуре из кислорода и азота воздуха) выбрасывается в атмосферу в 4-5 раз меньше (данные НАМИ), чем при езде на бензине.
Определенную опасность представляют вспышки "гремучего газа" в коллекторе в момент открытия впускного клапана. Чтоб избежать этого, инженеры в 70-е годы подразумевали подавать водород конкретно в камеру сгорания. На чертежах тех лет несложно увидеть дополнительный канал в головке блока цилиндров и небольшой клапан, управляющий поступлением водорода. Позже выяснилось, что делему можно решить по-другому - скажем, впрыскивать в рабочую смесь воду либо обеспечить рециркуляцию отработавших газов (тоже, на самом деле, водяного пара). К преимуществам водорода как моторного горючего следует отнести его высшую детонационную стойкость, что позволяет приметно прирастить степень сжатия и давление наддува. Эти меры подымут эффективную мощность мотора (при "бензиновых" степенях сжатия из-за наименьшего коэффициента заполнения мощность мотора на водороде оказывается меньше). Проводились опыты и по использованию водорода в... дизеле. Правда, в газодизельном цикле маленькая порция водянистого горючего подавалась в цилиндр, чтоб инициировать начало горения. Дизелю водород тоже пошел бы на пользу - с ним выбросы сажи и жестких частиц сводятся практически к нулю.
На 1-ый взор, добавить к тому, что сказано, как бы нечего, если не погружаться в рассуждения о том, что лучше спаливать: незапятнанный водород, синтез-газ либо их различные консистенции с бензином, метанолом, соляркой... Но, оказывается, не все спецы мыслят настолько прямолинейно. Некие, раз ступив на путь исследовательских работ в области химии водорода, уже и слышать не желают о движках внутреннего сгорания. И вот, благодаря усилиям конструкторов на сцене возникает новое необычное устройство, позволяющее при реакции водорода с кислородом получить электронную энергию конкретно!
Многие, возможно, помнят школьные опыты по электролизу: в воду опускают два электрода, подводят определенное напряжение, и на одном из их начинает выделяться водород, а на другом - кислород. Тут же все происходит с точностью до напротив. Водород в чем либо сродни металлам, и его атом просто теряет собственный единственный электрон. В устройстве, получившем заглавие водородный топливный элемент, реакция водорода с кислородом происходит в несколько стадий. Сначала водород обязан пройти через ионообменную мембрану, которая свободно пропускает только протоны - лишенные электрона атомы водорода (Н+), а совсем не его молекулы Н2. Электроны при всем этом остаются на отрицательном электроде (он же - платиновый катализатор). Пройдя через мембрану, водород вновь получает собственный электрон - в момент реакции с кислородом воздуха, на положительном (и тоже платиновом) электроде. Электроны же обязаны идти "кружным методом", через электронную цепь, производя при всем этом полезную работу.
Ну вот, осталось подключить электродвигатель, блок управления и... батарею аккумов. Последняя, естественно, меньше, чем в электромобилях, и служит для приведения всего устройства в рабочее состояние, также сглаживает пиковые нагрузки на топливный элемент и сохраняет энергию при торможении.
Бывалые экземпляры транПодвесканых средств с таковой страшенной по трудности силовой установкой уже бегают по полигонам многих забугорных авто концернов, а "Тойота" даже представила свою модель FCEV (электромобиль с топливными элементами) на Токийском автомобильном салоне в конце прошедшего года. Занимаются этой темой и "Mercedes", и америкосы, но более активны жители страны восходящего солнца. По правде говоря, пока сложность и цена таких автомобилей неоднократно превосходят их эффективность, но, как знать, в дальнейшем ситуация может поменяться.
Молвят, что в Стране восходящего солнца часто проводят конкурсы на транПодвесканое средство с более сложными преобразованиями энергии. Пару лет вспять в таком соревновании одолел некоторый энтузиаст, придумавший... велик. Вращение педалей этого замудренного устройства приводило к трению 2-ух брусочков, которые, нагреваясь, кипятили воду. Маленькая паровая машина крутила генератор, а колеса приводились в действие электромотором. Что самое необычное, этот велик был способен двигаться (правда, очень неторопливо)! Жюри такая конструкция показалась просто уникальной. Но ведь тогда еще не выстроили "Тойоту FCEV"!..
Размещение агрегатов "Тойоты FCEV":
1 - движок; 2 - электрический блок управления; 3 - топливные элементы; 4 - реактор преобразования метанола в водород; 5 - топливный бак; 6 - батареи.
Структура топливного элемента.
Схема топливного элемента.
Схема реактора.