Водородное топливо

Водородное топливо

Водород

Стремительно увеличивающийся парк транспортных средств, использующих углеводородное топливо, с одной стороны, не менее стремительными темпами уменьшающиеся запасы сырой нефти, обуславливают активный поиск альтернативы топливу на основе углеводородов.

Не много правды о водородном топливе

Критерии, которым должно соответствовать топливо будущего

Биологическое топливо, производимое из растительного сырья и используемое в некоторых странах, не может полностью заменить углеводородное топливо. Его доля в современном количестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (далее по тексту ДВС) составляет менее 1%.

Перевод автомобильного транспорта на использование электроэнергии сопряжён с определёнными трудностями и ограничениями. В частности, пробег электромобилей без подзарядки не может удовлетворить даже нетребовательных автолюбителей. К тому же современная наука не в состоянии обеспечить электромобили малогабаритными и мощными аккумуляторными батареями.

Использование гибридных двигателей позволяет довольно-таки существенно уменьшить объёмы потребляемого бензина, но не избавляет полностью от его использования. Да и стоимость автомобилей с такими силовыми агрегатами не всем по карману.

Введение в водородную энергетику и топливные элементы

Новый вид топлива должен отвечать многим требованиям:

1. Иметь достаточные по объёму сырьевые ресурсы.
2. Его себестоимость не должна быть высокой.
3. Современные ДВС должны без доработок, или с их минимальным количеством, работать на новом топливе.
4. Выброс вредных веществ работающим двигателем должен быть минимальным.
5. Энергетическая полезность нового топлива должна быть выше существующего.

Перечислять требования можно и далее.

Перебирая все известные на сегодня виды топлива, можно с уверенностью сказать, что наиболее подходящим будет водород.

Водородное топливо на автозаправке

История использования водорода в качестве топлива

Идея использования водорода как топлива для ДВС не нова. Ещё в 1806 году изобретатель Франсуа Исаак де Рива запатентовал во Франции первый двигатель на водороде. Но его изобретение не получило признания и не имело успеха.

С середины XIX века в качестве топлива стал широко использоваться бензин. В блокадном Ленинграде, в условиях тотального дефицита бензина, более 600 автомобилей успешно работали на водороде. После войны этот опыт был успешно забыт.

Нужно отметить определённые успехи, достигнутые в этой области. Такие известные производители, как Honda, Toyota, Hyundaiи другие выпускают свои модели водородных автомобилей.

Варианты использования водорода как топлива

Использовать водород как топливо для автомобилей можно разными способами:

1. Используя только сам водород.
2. Используя его в смеси с другими видами топлива.
3. Применение водорода в топливных элементах.

Самый доступным методом производства водорода является сегодня электролитический метод, при котором водород получают из воды, путём воздействия сильного электрического тока, возникающего между разнополярными электродами. Сегодня более 90% добываемого водорода производится из углеводородных газов.

Использование чистого водорода для питания ДВС давно опробовано. И не получает широкого применения, в частности, по целому ряду объективных причин. А именно:

1. Большой энергозатратности сегодняшних способов получения этого вида топлива.
2. Необходимости создания и использования сверхгерметичных ёмкостей для хранения полученного водорода.
3. Отсутствия сети станций для заправки автомобилей водородом.

Из дополнительного оборудования для сжигания водорода в ДВС автомобиля, устанавливается лишь система питания водородом и бак для его хранения. Такой метод допускает использование в качестве топлива, как водорода, так и бензина. Его используют в своих водородных автомобилях такие автогиганты как BMW и Mazda.

Возможно использование водорода в смеси с традиционным углеводородным топливом. Использование такого метода обусловлено теми же проблемами, что и метод работы ДВС на чистом водороде, и даёт значительную экономию бензина или дизельного топлива.

Но самым предпочтительным многие специалисты и автопроизводители признают автомобили, работающие с использованием топливных элементов.

Не вдаваясь в технические подробности этот процесс можно описать как соединение водорода и кислорода в устройстве, называемом топливным элементом, в результате которого образуется электрический ток, подающийся на электродвигатели, приводящие автомобиль в движение.

Побочным продуктом этого процесса является вода, которая в виде пара выводится наружу. Такой метод активно используют такие производители автомобилей как Nissan, Toyota и Ford.

Преимущества использования водородного топлива. Самое главное достоинство водородных двигателей – это экологичность. Использование водорода избавит от огромного количества всевозможных вредных веществ, попадающих в окружающее пространство в виде выхлопов при использовании углеводородных видов топлива.

Отсутствие сложных и дорогостоящих систем подачи топлива также, несомненно, можно отнести к существенным преимуществам ДВС на водороде перед традиционными.

Ну и, конечно же, нельзя не сказать о существенно большем КПД водородного двигателя, по сравнению с классическими вариантами ДВС.

Недостатки автомобилей на водородном топливе. К ним можно отнести увеличение веса автомобиля за счёт установки водородного бака и другого дополнительного оборудования.

Дороговизна топливных водородных элементов, на использование которых делают упор многие автопроизводители.

Несовершенство нынешних ёмкостей для хранения водорода в автомобиле. До сих пор у учёных нет однозначного мнения по поводу материалов, из которых необходимо делать автомобильные баки для водорода.

Отсутствие сети станций для заправки автомобилей водородом делает эксплуатацию водородного автомобиля весьма затруднительной.

Как работает технология водордного топлива в автомобиле

Выводы

Несмотря на существенные технические проблемы и недоработки, использование в будущем водорода как основного вида топлива имеет многообещающие перспективы. Альтернативы ему, по крайней мере, сегодня, нет.

Источник: https://www.13min.ru/nauka/vodorodnoe-toplivo/

Водородное топливо

Сейчас автопроизводители только и говорят о водородных разработках. Что же такое водород? Рассмотрим его немного подробнее.

Водород – первый элемент химической таблицы, его атомные вес равен 1. Это одно из самых распространенных веществ во вселенной, например из 100 атомов из которых состоит наша планета 17 – водород.

Водород — топливо будущего. Он имеет массу преимуществ по сравнению с другими видами топлива и имеет огромные перспективы его заменить. Он может быть использован абсолютно во всех отраслях современного производства и транспорта, даже газ, на котором готовиться пища, можно запросто, без каких либо переделок, заменить на водород.

Пожалуй, единственным эффективным на данный момент способом его получения является электролитический способ – получение из вещества воздействием сильного электрического тока.

Но на данный момент, большая часть электричества получается на теплоэлектростанциях, и поэтому возникает вопрос «А стоит ли игра свеч?». Но внедрение в производство электричества атомной энергии, энергии ветра и солнца, наверное, исправит эти проблемы.

Это вещество содержится практически во всех веществах, но больше всего его в воде. Как сказал писатель-фантаст Жюль Верн: «Вода – это уголь будущих веков». Это высказывание можно отнести к разряду предсказаний. Этого «угля» на поверхности больше чем чего либо еще, так что водородом мы будем обеспечены на долгие годы.

Топливный элемент – пожалуй, самый эффективный способ получения энергии из водорода. Он работает по принципу батарейки: в топливном элементе имеется два электрода, между ними движется водород, происходит химическая реакция, на электродах появляется электрический ток, а вещество превращается в воду.

Поговорим о применении водорода в автомобилях. Идея замены обычного шумного и дымного бензина на абсолютно чистый газ возникла много лет назад, причем как в Европе так и в СССР. Но разработки в этой сфере велись с переменным успехом. А сейчас наступил апогей желания автопроизводителей получить независимость от нефти. Каждая, уважающая себя, компания имеет разработки в этой сфере.

Hydrogen в автомобиле может быть использован двумя способами: или сжигаться в двигателе внутреннего сгорания, или использоваться в топливных элементах. Основное количество новых концепткаров используют технологии топливных элементов. Но такие компании как Mazda и BMW пошли по второму пути и на это есть веские причины.

Автомобиль на топливных элементах – простая и чрезвычайно надежная система, но ее широкому распространению мешает инфраструктура. Например, если купить автомобиль на топливных элементах и использовать его в нашей стране, то на заправку придется ездить в Германию. А инженеры BMW пошли другим путем.

Они построили автомобиль, использующий водород как горючее топливо, причем этот автомобиль может использовать как бензин, так и водород, как многие современные автомобили, оснащенные системой питания газ-бензин.

Таким образом, если в вашем городе появилась хотя бы одна заправка, торгующая таким топливом – вы смело можете покупать водородный BMW Hydrogen 7.

Еще одной проблемой внедрения водорода — является его способ хранения. Вся сложность заключается в том, что атом водорода – самый маленький по размерам в химической таблице, а это значит, что он может проникать практически сквозь любое вещество. Это значит, что даже самые толстые стальные стенки будут медленно, но верно его пропускать. Эта проблема сейчас решается химиками.

Еще одна загвоздка – сам бак. 10 кг водорода могут заменить 40 кг бензина, но дело в том, 10 кг вещества занимают объем 8000 л.

! А это целый олимпийский бассейн! Для уменьшения объема газа его нужно сжижать, а сжиженный водород надо безопасно и удобно хранить.

Баки современных водородных автомобилей весят около 120 кг, что почти в два раза больше стандартных баков. Но и эта проблема скоро будет решена.

Преимуществ у водородного топлива намного больше чем недостатков. Водород сгорает намного эффективнее, не имеет вредных веществ выхлопе, не производит сажи, а это значительно увеличивает ресурс автомобилей. Водород – легко возобновляемое топливо, поэтому природа не получит практически никакого вреда.

В странах бывшего советского союза о водородном автомобиле вообще можно пока и не мечтать. До появления водородных заправок пройдет еще не один год, а может и десяток лет.

Остается ждать, когда же и мы вместе со всем миром начнем спасать планету от экологической катастрофы.

No related links found

Источник: http://tainy.net/13400-vodorodnoe-toplivo.html

Автомобили на водородном топливе, что это такое, как работает?

Современное автомобилестроение развивается с акцентом на производство более экологичных транспортных средств. Это обусловлено развернувшейся во всём мире борьбой за чистоту атмосферного воздуха путём снижения выбросов углекислого газа.

Постоянный рост цен на бензин также заставляет производителей искать другие источники энергии.

Многие ведущие автостроительные концерны постепенно переходят к серийному производству машин, работающих на альтернативном топливе, что уже в самом ближайшем будущем приведёт к появлению на автодорогах мира достаточного количества не только электрокаров, но также авто с двигателями, работающими от водородного топлива.

Принцип работы водородных автомобилей

Авто, работающее на водороде, призвано снизить атмосферные выбросы углекислого газа, а также других вредных примесей. Использование водорода для приведения в движение колёсного транспортного средства, возможно двумя различными способами:

• применением водородного двигателя внутреннего сгорания (ВДВС);
• установкой силового электрического агрегата, работающего от водородных элементов (ВЭ).

 В то время, как мы привыкли заполнять бензином или дизельным топливом свой автомобиль, новое чудо – работает на наиболее распространенном элементе во вселенной — водороде 

Водородный элемент состоит из следующих частей:

• корпуса;
• мембраны, пропускающей только протоны – она делит ёмкость на две части: анодную и катодную;
• анода, покрытого катализатором (палладием или платиной);
• катода с тем же катализатором.

Принцип действия ВЭ построен на физико-химической реакции, состоящей в следующем:

• Водород подаётся в анодный отсек, где под действием катализатора его молекулы отдают свои электроны аноду.Газообразный водород заправляют в бак автомобиля так же, как и бензин, а затем особый топливный элемент, производящий химическую реакцию за счет водорода и кислорода, преобразует электроэнергию, которая и является движущей силой машины 
• Образовавшиеся протоны (Н+) поступают в катодную часть ВЭ, свободно проходя через мембрану, куда одновременно подаётся кислород.
• Электроны устремляются по аноду в цепь питания электродвигателя автомобиля, приводя его в движение.
• Под действием катализатора, подаваемые на катод электроны, соединяются с протонами (Н+), образуя молекулярный водород. Подача в камеру кислорода, способствует образованию молекул воды.

Таким образом, при движении автомобиля не выделяется углекислый газ, а лишь водяной пар, электричество и окись азота.

Основные характеристики водородных автомобилей

Главные игроки автомобилестроительного рынка уже имеют опытные образцы своей продукции, использующие водород в качестве топлива. Можно уже определённо выделить отдельные технические характеристики таких машин:

• максимально развиваемую скорость до 140 км/час;
• средний пробег от одной заправки 300 км (некоторые производители, например, Тойота или Хонда заявляют вдвое большую цифру – 650 или 700 км, соответственно, на одном лишь водороде);
• время разгона до 100 км/час с нуля – 9 секунд;
• мощность силовой установки до 153 лошадиных сил.

Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9.6 секунд и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км 

Совсем неплохие параметры даже для бензиновых двигателей.

Пока ещё не наметился крен в сторону ВДВС, использующего сжиженный Н2 или машин на ВЭ, и непонятно, какой из этих типов двигателей достигнет лучших технических характеристик и экономических показателей.

Но сегодня больше выпущено моделей машин с электроприводом, работающих от ВЭ, которые дают больший КПД. Хотя расход водорода для получения 1 кВт энергии меньше в ВДВС.

Плюсы и минусы авто, работающих на водороде

Среди основных преимуществ водородомобилей можно отметить:

• высокую экологичность, заключающуюся в отсутствии большинства вредных веществ в выхлопах, характерных для работы бензинового двигателя, – углекислого и угарного газа, окиси и диоксидов серы, альдегидов, ароматических углеводородов;
• более высокий КПД, по сравнению с бензиновыми авто;

В целом авто имеет амбиции покорить весь мир 

• меньший уровень шума от работы двигателя;
• отсутствие сложных, ненадёжных систем топливоподачи и охлаждения;
• возможность использования двух видов топлива.

Кроме того, машины, работающие на ВДВС, имеют меньший вес и больше полезного объёма, несмотря на необходимость установки баллонов для топлива.

К недостаткам водородомобилей можно отнести:

• громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
• высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
• несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для водородного топлива;
• отсутствие технологии хранения водорода;
• отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.

Однако, с переходом к массовому выпуску авто, оснащённых водородными силовыми установками, большая часть этих недостатков наверняка будет устранена.

Какие автомобили, использующие водород, уже выпускаются

Производством машин на водородном топливе занимаются такие ведущие мировые автомобилестроительные компании, как BMW, Mazda, Mercedes, Honda, MAN и Toyota, Daimler AG и General Motors.

Среди опытных моделей, а у некоторых производителей уже и мелкосерийных, имеются автомобили, функционирующие только на водороде, или с возможностью использования двух видов топлива, так называемые гибриды.

Уже выпускаются 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.

Сегодня можно сказать определённо, что, несмотря на имеющиеся трудности (новое всегда с трудом пробивает себе дорогу), будущее принадлежит более экологичным автомобилям.

Автокары, работающие на водородном топливе, составят достойную конкуренцию электромобилям.

Источник: https://neauto.ru/mashiny-na-vodorodnom-toplive/

Водородное топливо

Водород как топливо

Где можно взять водород было известно давно, еще пару веков назад. Способ получения водорода был достаточно подробно описан в издании:
О. Д. Хвольсон, Курс физики, Берлин, 1923, тт. 3 и.

Оказывается, не нарушая никаких законов физики можно построить машину, которая будет производить тепло за счет положительной разности энергии сжигания водорода, и энергии затрачиваемой на получение его в процессе электролиза воды.

Конкретно, 2 гр водорода при сгорании выделяют 67.54 больших калорий тепла, а при электролизе раствора серной кислоты, при напряжении 0.1 вольта, на получение такого же количества водорода будет затрачено менее 5 больших калорий тепла. Суть состоит в том, что при электролизе не расходуется энергия разъединения молекулы воды на кислород и водород.

Эта работа совершается без нашего участия межмолекулярными силами при диссоциации воды ионами серной кислоты.

Мы расходуем энергию только на то, чтобы нейтрализовать заряды уже имеющихся ионов водорода и остатка SO- Количество выделившегося водорода зависит не от энергии, а только от количества электричества, равного произведению силы тока на время его прохождения.

При сжигании водорода выделяется именно та энергия, которую надо было бы совершить для того, чтобы оторвать молекулу водорода от кислорода в воздухе. А это и есть 67.54 больших калорий. Полученный избыток энергии может быть использован по разному.

Можно получать водород прямо на заправочных станциях и заправлять им автомобили.

В крупных промышленных установках, даже при 33% кпд, как и в атомных станциях сегодня, сжигая водород получим электрической энергии в несколько раз больше, чем было затрачено ее на получение этого водорода.

Привлекательно использование водорода, как топлива для автомобилей, ввиду его нескольких особых преимуществ:

• при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода, что делает двигатель на водородном топливе наиболее экологически чистым;
• высокие энергетические свойства водорода (1 кг водорода эквивалентен почти 4,5 кг бензина;
• неограниченная сырьевая база при получения водорода из воды.

Использовать водород в качестве топлива для автомобилей можно несколькими разными способами:

• можно использовать только сам водород;
• можно использовать водород вместе с традиционными топливами;
• можно применять водород в топливных элементах.

Конечно, возникают определенные технические трудности, которые необходимо решить. Лет 30 назад, академик А. П. Александров, вел семинар по водородной энергетике. На нем обсуждались уже технические проекты.

Предполагалось, что атомная энергия будет использоваться для получения водорода, а он уже будет использоваться как топливо. Но очевидно скоро поняли, что атомная энергетика здесь вообще не нужна.

Тогда и похерили все водородные проекты, потому что нужно было не водородное топливо, а плутоний.

Я совершенно уверена, что дешевые источники электроэнергии давно уже разработаны и разработки эти лежат в сейфах нефтяных королей. Убеждена, сегодня наука так работает, что этого не могут не сделать.

Но до тех пор, пока последнюю каплю нефти не сожгут, такие разработки не выпустят из сейфа, им не нужен передел денег, мира, власти, влияния”.

До сих пор сторонники развития атомной энергетики ставят коронный вопрос: А где альтернатива атому? Следует ожидать яростного противодействия не только сторонников ядерной энергетики, но всего топливно- энергетического комплекса. Они не пожалеют сил и средств, чтобы закопать проблему водородного топлива вместе с ее энтузиастами.

Более 90% водорода получают в нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах. Также водород вырабатывается при превращении природного газа в синтез-газ. Процесс получение водорода электролизом воды – чрезвычайно дорогой, по затратам энергии он практически равен количеству энергии, получаемой при сгорании водорода в двигателе.

С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на всех скоростных режимах.

В отработавших газах практически отсутствуют оксиды углерода (СО и СО2) и несгоревшие углеводороды (СН), но выброс оксидов азота вдвое превышает выброс оксидов азота бензинового двигателя.

Из-за высокой реакционной способности водорода есть возможность проскока пламени во впускной трубопровод и преждевременного воспламенения смеси. Из всех вариантов устранения этого явления самым оптимальным является впрыск водорода непосредственно в камеру сгорания.
Проблемой использования водорода в качестве моторного топлива является его хранение на автомобиле.

Система хранения сжатого водорода позволяет уменьшить объем бака, но не его массу из-за увеличения толщины стенки. Хранение жидкого водорода – сложная задача, учитывая его низкую температуру кипения. Жидкий водород хранят в емкостях с двойными стенками.

При хранении водорода в виде гидридов металлов, водород находится в химически связанном состоянии. Если в качестве гидрида металла использовать гидрид магния, соотношение между водородом и металлом-носителем составляет около 168 кг магния и 13 кг водорода.

Высокая температура самовоспламенения водородо-воздушных смесей затрудняет использование водорода в дизелях. Устойчивое воспламенение может быть обеспечено принудительным поджогом от свечи.

Трудности при использовании водорода и высокая его цена привели к тому, что разрабатывается комбинированное топливо бензин-водород. Использование бензино-водородных смесей позволяет на 50% снизить расход бензина при скорости 90 – 120 км/ч и на 28% при езде в городе.

— sintezgaz.org.ua —

Топливо из воды способом Юрия КрасноваСвойства Газа Брауна

Источник: http://www.altsyn.com/1_articles/113/vodorodnoe-toplivo

Водород как топливо для автомобиля

Водород практически не встречается в природе в чистой форме, поэтому первая проблема, которая стоит перед одним из видов топлива будущего – получение.

Вопреки распространенному стереотипу электролиз (химический процесс, возникающий при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита и приводящий к выделению на электродах его составляющих веществ) не единственный метод производства водорода, хотя именно его предлагают применять в бытовых электролитерах.

Об использовании водорода на службе автомобиля и начальную информацию о методах получения водорода читайте далее.

Как получают водород для использования в качестве топлива для автомобиля

Водород можно получать паровой конверсией – выделением чистой его формы из летучих углеводородов, чаще всего для этого используют метан, данный способ является наиболее дешевым.

Газификация угля также дает свои “водородные плоды” за счет преобразования твердого и жидкого топлива в горючие газы.

За производство водорода посредством термического разложения воды (пиролиза) ратуют британцы, мотивируя это тем, что сырьем в подобном случае может являться обычный мусор.

Последние используют явление выделения водорода микроорганизмами (например, некоторыми водорослями при недостатке кислорода и серы), либо разложение воды с участием все тех же микроорганизмов. Благодаря использованию катализаторов эффективность последнего метода можно увеличить на треть.

Как хранят добытый для использования в автомобилях водород 

Следующий задачей для водородной энергетики является процесс хранения водорода, оно возможно в трех формах: в виде сжатого газа, в сжиженном или адсорбированном состоянии, когда газ удерживается в поглотившем его веществе.

Так или иначе в каждом из этих случаев приходится решать определенную проблему: сжатый газ, несмотря на свою плотность, все-таки занимает немало места, жидкий – требует низких температур, а в случае третьей формы – это поиск подходящего материала для удержания летучего топлива, обладающего высокими поглощающими свойствами и подходящими условиями аккумуляции газа (в основе своей это углеродные наноструктуры с различными вариациями).

Заправка автомобиля водородным топливом

Следующий этап в транспортировке водорода к конечному пользователю – заправка. Различают мобильные, стационарные и домашние заправочные системы.

В основном в них используется газообразный водород, хотя есть и станции, работающие с жидким топливом. В данном случае все зависит от автомобиля.

Например, BMW Hydrogen 7 потребляет наряду с бензином жидкий водород, а вот его конкурент от General Motors – Opel Zafira Hydrogen 3 использует 2 бака под сжатый и сжиженный газы.

Проблемы продвижения водорода как топлива

Вообще заправочная инфраструктура – один из камней преткновения для водородной отрасли: чтобы автомобили на водороде стали популярны, для них нужна обслуживающая система, а чтобы создать эту систему, необходимо достаточное количество ее пользователей.

Что в конечном итоге сдвинет с мертвой точки решение этой проблемы – покажет время, но как и всегда вся надежда возлагается на науку, хотя здесь уже возникнет другая дилемма: наука нуждается в финансировании, а инвесторам в свою очередь нужна гарантия результативности и востребованности открытий.

Преимущества и плюсы водорода как топлива для продавцов

Из привлекательных факторов водородной инфраструктуры можно выделить время заправки автомобиля – оно составляет обыкновенно 3-5 минут (1 кг топлива по данным американских ученых необходим для 96 км пробега).

Также определенно стоит подчеркнуть, что на первых порах малые и средние заправки могли бы совмещать в себе функции производства, хранения и передачи топлива потребителю, тем самым исключив расходы на транспортировку. Однако чем больше водородных автомобилей будет появляться, тем большие размеры заправочных станций будут востребованы.

Особенности потребления водородного топлива

Наконец, пришло время поговорить об особенностях потребления водородного топлива.

Во-первых, на радость борцам за экологию снижается выброс углекислого газа и вредных продуктов сгорания в атмосферу, здесь необходимо сделать ремарку о том, что данное положительное явление может нивелироваться, если для производства самого водорода будут использоваться грязные источники энергии, так что как ни крути, а водородное дитя требует более нежного обращения, если люди хотят, чтобы из него кое-что получилось в будущем.

Во-вторых, с использованием водорода экономики стран могут стать менее зависимыми от роста цен на энергоносители.

В-третьих, КПД водородного двигателя составляет 45%, что больше, чем у его дизельного аналога. Хотя мощность первого меньше, чем у второго на 20-30%, кроме того, водород может существенно увеличить износ деталей двигателя за счет вступления в реакции с материалами, из которых они изготовлены.

Безопасность водорода как топлива для автомобиля

Далее, не следует пренебрегать вопросом безопасности – водород летуч и легко воспламеняем: закрытое пространство автомобиля может заполниться опасным газом, а уже одно то, что смесь водорода и воздуха является взрывоопасной, способно напрочь оттолкнуть от его использования. Однако не следует слишком критично относиться к этим замечаниям, все знают, насколько опасны АЭС при возникновении проблем в их эксплуатации, и тем не менее они считаются самыми чистыми производителями электроэнергии.

Кроме того, не обязательно вообще кардинально менять автомобиль и вид топлива, сегодня уже есть возможность использовать гибридный транспорт, в котором, например, используется смесь водорода и дизельного топлива, что с одной стороны сокращает его расход, а с другой – уменьшает количество вредных выбросов в атмосферу.

Также никто не запрещает использовать водород в других транспортных системах, скажем, железнодорожной и морской: здесь не так важна компактность топливных емкостей, а в случае применения водорода в качестве топлива, например, для подводных лодок, они приобретают существенный козырь – практически полное отсутствие шумов.

Вывод о водороде как о топливе для автомобиля

Водородной отрасли нужно дать время развиться, хотя сегодня оно как никогда напоминает ускользающий через пальцы песок, потому как уже появляются автомобили на гибридных электро-дизельных или электро-азотных двигателях, а также работающие на сжатом воздухе. Конкуренция на рынке энергоносителей крайне высока и вряд ли уменьшится в ближайшее время.

Источник: https://multiblog67.ru/raznoe/31-avtomobili/141-vodorod-kak-toplivo.html

Водородное топливо

По отношению к бензину водород  имеет в 3 раза большую теплотворную способность, в 13–14 раз меньшую энергию   воспламенения, и, что существенно для ДВС, более широкие пределы воспламенения топливно-воздушной смеси.

Такие свойства водорода делают его чрезвычайно эффективным для применения в ДВС, даже в качестве добавки.

В то же время к недостаткам водорода как топлива можно отнести : падение мощности ДВС по сравнению с бензиновым аналогом; «жесткий» процесс сгорания водородовоздушных смесей в области стехиометрического состава , что приводит к детонации на режимах высоких нагрузок.

Эта особенность водородного топлива требует изменений конструкции ДВС. Для существующих двигателей  необходимо применять водород в композиции с углеводородными топливами,  например с бензином. или природным газом.

Например, организацию  топливоподачи бензоводородных топливных композиций (БВТК) для существующих автомобилей необходимо осуществлять таким образом, чтобы на режимах холостого хода и частичных нагрузок двигатель работал на топливных композициях с высоким содержанием водорода. По мере возрастания нагрузок концентрация водорода должна снижаться  и на режиме полного дросселя подачу водорода необходимо прекратить. Это позволит сохранить мощностные характеристики двигателя на прежнем уровне.

Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте

Наиболее перспективным направлением в области использования водорода для автомобильной техники  являются комбинированные энергоустановки на базе электрохимических генераторов с топливными элементами (ТЭ) .

При этом, необходимым условием является получение водорода из возобновляемых, экологически чистых источников энергии, для производства которых, в свою очередь, должны использоваться экологически чистые материалы и  технологии.

К сожалению, в ближайшей перспективе применение таких высокотехнологичных транспортных средств в широком масштабе проблематично. Это связано с несовершенством рядя технологий, применяемых при их производстве, недостаточной отработанностью конструкции электрохимических генераторов, ограниченностью и высокой стоимостью применяемых материалов.

В частности, отсутствуют достоверные данные при испытании автомобиля на топливную экономичность в условиях реальной эксплуатации. Как правило, оценка эффективности работы энергоустановки установки осуществляется на основе вольт-амперной характеристики.

Такая оценка эффективности не соответствует принятой в практике двигателестроения оценки эффективного КПД ДВС, при расчете которого учитываются  также и все механические потери, связанные с приводом агрегетов двигателя.

Нет достоверных данных и по оценке эффективности в условиях отрицательных температур, при которых необходимо осуществлять поддержание температурного режима, обеспечивающего работоспособность как самой энергоустановки и  подаваемого топлива, так и подогрев  кабины водителя или салона с пассажирами. Для современных автомобилей рабочий режим эксплуатации может достигать -40 оС, это особо надо учитывать в российских условиях эксплуатации.

Как известно, в топливных элементах вода является не только продуктом реакции взаимодействия водорода и кислорода, но и активно участвует в рабочем процессе генерации энергии, смачивая твердополимерные материалы, входящие в конструкцию топливных ячеек. В современной технической литературе отсутствуют данные о надежности и долговечности топливных элементов в условиях низких температур. Очень противоречивые данные публикуются в литературе и по долговечности работы ЭХГ на ТЭ.

В этой связи, вполне закономерным является продвижение рядом ведущих мировых автопроизводителей транспортных средств, работающих на водороде, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. 

С точки зрения надежности конструкции, относительной низкой стоимости одного кВт установленной мощности энергоустановки на базе   двигателей внутреннего сгорания работающие на водороде значительно превосходят ЭХГ на ТЭ, однако ДВС имеют, как принято считать,  меньший КПД.

  Наилучший результат до топливной экономичности и токсичности отработавших газов, по-видимому следует ожидать от применения гибридных установок с последовательной схемой преобразования химической энергии топлива в ДВС в механическую энергию движения автомобиля.

При последовательной схеме ДВС автомобиля работает практически на постоянном режиме с максимальной топливной эффективностью, приводя в движение электрогенератор, который подает электрический ток на электромотор привода колес автомобиля и накопитель электроэнергии ( аккумулятор).

Основной задачей оптимизации при такой схеме является поиск компромисса между топливной экономичностью ДВС и токсичностью ее отработавших газов.

Особенность решения задачи заключается в том, что  максимальный КПД двигателя достигается на при работе на обедненной топливовоздушной смеси, а максимальное снижение токсичности отработавших  газов достигается при стехиометрическом составе, при котором количество топлива, подаваемого  в камеру сгорания подается строго в соответствии с количеством воздуха, необходимым для его полного сгорания. Образование окислов азота при этом ограничивается дефицитом свободного кислорода в камере сгорания, а неполнота сгорания топлива нейтрализатором отработавших газов. В современных ДВС датчик для замера концентрации свободного кислорода в ОГ ДВС подает сигнал на электронную систему подачи топлива, которая  спроектирована таким образом, чтобы максимально поддерживать стехиометрический состав топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя  на всех режимах ДВС. Для гибридных энергоустановок с последовательной схемой, возможно добиться наилучшей эффективности регулирования топливовоздушной смеси из-за отсутствия знакопеременных нагрузок на ДВС.   Вместе с тем, с точки зрения топливной экономичности, ДВС стехиометрический состав топливовоздушной смеси не является оптимальным. Максимальный КПД двигателя всегда соответствует смеси обедненной  на 10–15 процентов по сравнения с стехиометрической. При этом КПД ДВС при работе на обедненной смеси может быть на 10–15 выше чем при работе на смеси стехиометрического состава. Решение проблемы повышенного выброса вредных веществ, свойственного на этих режимах для ДВС с искровым зажиганием, возможно  в результате перевода работы ДВС на водород, бензоводородные топливные композиции (БВТК) или метановодородные топливные композиции (МВТК). Применение водорода в качестве топлива или в качестве добавки к основному топливу может позволить существенно расширить пределы эффективного обеднения  топливовоздушной смеси. Это обстоятельство позволяет существенно увеличить КПД ДВС и снизить токсичность отработавших газов.

В отработавших газах двигателей внутреннего сгорания содержится свыше 200 различных углеводородов.

  Теоретически, в случае сгорания гомогенных смесей (из условий равновесия) углеводородов в отработавших газах ДВС не должно содержаться, однако из-за негомогенности топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС возникают разные начальные условия протекания реакции окисления топлива.

Температура в камере сгорания различается по ее объему, что также существенно влияет на полноту сгорания топливовоздушной смеси. В ряде исследований было установлено, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени.

Фотографирование осуществлялось через кварцевое окно в головке цилиндра двигателя. Это позволило определить толщину зоны гашения в пределах 0,05–0,38 мм. В  непосредственной близости от стенок камеры сгорания СН в 2–3 раза возрастает. Авторы делают вывод, что зона гашения является одним из источников выделения углеводородов.

Другим важным источником образования углеводородов является моторное масло, которое попадает в цилиндр двигателя в результате не эффективного удаления со стенок маслосъемными кольцами или через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками. Исследования  показывают,  что расход масла через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками  в автомобильных бензиновых ДВС  достигает 75% общего расхода масла на угар.

При работе ДВС на водороде в топливе не содержится углеродосодержащих  веществ.  В этой связи подавляющее большинство публикаций содержит сведения о том, что в отработавших газах ДВС не может содержаться углеводородов. Однако это оказалось не так.

Безусловно, с увеличение концентрации водорода в БВТК и МВТК концентрация углеводородов существенно снижается, но не исчезает полностью. Во много это может быть связано с несовершенством конструкцией топливной аппаратуры, дозирующей подачу углеводородного топлива.

Даже небольшая утечка углеводородов при работе ДВС на сверхбедных смесях может привести к выбросу углеводородов. Такой выброс углеводородов может быть связан с износом цилиндропоршневой группы и как следствием повышенным угаром масла и др.

В этой связи при организации процесса сгорания необходимо поддерживать температуру сгорания на таком уровне , при котором имеет место достаточно полно сгорание углеводородных соединений.

В процессе сгорания топлива окислы азота формируются за фронтом пламени в зоне повышенной температуры, вызванной реакцией сгорания топлива. Образование окислов азота, если это не азотосодержащие соединения образуются в результате взаимодействия кислорода и азота воздуха. Общепринятой  теорией образования окислов азота является термическая теория.

  В соответствии с этой теорией выход окислов азота определяется максимальной температурой цикла, концентрацией азота и кислорода в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива  рода топлива (при отсутствии в топливе азота). В отработавших газах ДВС с искровым зажиганием содержание окиси азота составляет 99% от количества всех окислов азота (NOx).

После выхода в атмосферу происходит окисление NO  до NO2.

Перевод автомобильного двигателя на водород позволяет кардинально решить проблему топливной экономичности,  токсичности отработавших газов и снижения выброса двуокиси углерода.

Применение водорода в качестве моторного толива может быть эффективно только лишь при создании специализированных конструкций. В настоящее время ведущие производители автомобильных двигателей работают над созданием таких моторов. В принципе, основные направления по которым необходимо двигатья при создании новой конструкции водородных ДВС известны. К ним относятся:

1. Применение внутреннего смесеобразования позволит улучшить на 20–30 процентов удельные массогабаритные показатели водородного двигателя.
2. Применение сверх бедных водородовоздушных смесей для гибридных энергоустановок даст  возможность существенно снизить температуру сгорания в камере сгорания ДВС и создаст предпосылки для повышения степени сжатия ДВС, использования новых материалов, в том числе и для внутренней поверхности камеры сгорания, позволяющих снизить потери тепла в систему охлаждения двигателя.

Все это по мнению специалистов позволит довести эффективный КПД ДВС, работающего на водороде до 42–45 процентв, что вполне сопоставимо с КПД электрохимических генераторов, для которых в настоящее время нет данных по экономической эффективности в условиях реальной эксплуатации автомобилей с учетом привода вспомогательных агрегатов, отоплания салона и др.

Источник: http://auto.gosstandart.info/avtohimiya/toplivo/vodorodnoe-toplivo/

Водородный транспорт

Энергетические кризисы, возникающие при малейшей заминке на рынке продажи традиционного топлива, стимулируют поиск наиболее эффективных заменителей газа или нефти.

По мнению большинства ученых, занимающихся поиском альтернативных энергоносителей, одним из перспективнейших направлений развития современной энергетики является попытка замены углеводного топлива на водород – наиболее распространенный в природе химический элемент.

За проведения подобной модернизации выступают и экологи, поскольку продукт распада водородного топлива (вода) относится к абсолютно безвредным химическим соединениям, чего не скажешь о привычных углеводах, горение которых сопровождается выделение в атмосферу целого «букета» вредных веществ.

В начале 21-го века серьезный бизнес открыто заявил о заинтересованности именно в водородной энергетике. Во второй половине «нулевых» США, Китай и страны ЕС инвестировали в производство водорода миллиарды долларов.

Только один проект водородной электростанции «FutureGen» обошелся правительству США в 1,2 миллиарда долларов, а стоимость китайского аналога GreenGen оценивается в еще большую сумму.

Кроме того, водородную энергетику развивают такие компании, как Sharp, Sanyo, Hitachi, Toyota, Panasonic, инвестирующие громадные суммы в производство бытовых энергоустановок.

Водородное топливо

Одним из возможных способов использования энергии водорода является трансформация этого химического элемента в водородное топливо – сжиженную или газообразную смесь водорода и кислорода. Теплота горения подобного коктейля существенно выше теплоты окисления смеси бензина (природного газа) и воздуха.

Кроме того, смешанный в определенных пропорциях водород и кислород детонирует в камере сгорания не хуже бензиновых паров. Распространение водородного топлива пока еще сдерживает высокая себестоимость конечного продукта и отсутствие развитой инфраструктуры (заправочные станции, заводы по производству, топливопроводы и прочее).

Стоимость килограмма водородного топлива зависит от способа получения. Например:

• конверсия метана обходится в 2,5 доллара за кило топлива;
• классический электролиз воды приводит к затратам от 2 до 10 долларов за кило топлива (в зависимости от способа получения электроэнергии);
• высокотемпературная обработка угля в безвоздушном пространстве позволяет получать кило топлива по цене от 1,5 до 2 долларов.

Разумеется, при таком уровне развития технологии добычи водородного топлива оно не может конкурировать с традиционными энергоносителями.

Однако современные технологии совершенствуются, что приводит к снижению себестоимости альтернативного горючего, а традиционные нефтепродукты только дорожают.

Поэтому в ближайшем будущем либо бензин приблизится к цене водородного топлива, либо альтернативное горючее подешевеет до цены нефтепродуктов – в любом случае в выигрыше окажутся производители альтернативных энергоносителей.

Водородные автомобили

Гиганты автомобильной индустрии очень быстро отреагировали на перспективы трансформации энергоносителей.

Попытки разработки «водородного» транспортного средства увенчались успехом еще в прошлом веке, а первом десятилетии века нынешнего появились уже серийные образцы «водородных» автомобилей.

По оценкам немецких футурологов из группы к середине 21 века доля привычных, бензиновых двигателей не превысит одной четверти, остальные агрегаты будут потреблять альтернативное топливо.

На сегодняшний день мировые автопроизводители могут предложить заинтересованным покупателям и «водородную» и «гибридную» (традиционный бензин плюс водород) схему силового агрегата.

Лидирующие позиции в этом сегменте рынка занимают концерны Daimler, Honda, и симбиоз китайского Shanghai и немецкого VW.

Именно эти производители предлагают автолюбителям готовые решения: BMW Hydrogen 7, Honda FCX, Mercedes F-Cell. Рассмотрим эти и другие решения подробнее.

Honda FCX

Силовыми агрегатами Honda FCX являются 3 электродвигателя, один вращает вал передней колесной пары, два других вмонтированы в задние колеса. Мощность «переднего» двигателя – 80 кВт. Мощность «задних» агрегатов – по 25 кВт каждый. Двигатели Honda FCX не испытывают проблем с пуском даже при чрезвычайно низких температурах (-30 по Цельсию).

Проект Honda FCX относится к комплексным решениям. Кроме транспортного средства компания Honda продает бытовую установку по добыче водородного топлива – Home Energy Station, вырабатывающую водород методом электролиза.

Причем под водородное топливо расходуется только часть выработанного газа, оставшийся объем тратится на производство электроэнергии и обогрев жилища.

В сутки Home Energy Station производит около 50 «кубов» альтернативного топлива.

2. Mercedes F-Cell является автомобилем из серии «B-class», оснащенным особым агрегатом, который разрабатывался в рамках проекта HYGENIUS.

На сегодняшний день проект F-Cell проходит традиционные тесты, аналогичные испытаниям в полевых условиях «бензиновых» моделей.

Инженеры концерна Mercedes заявили о решении проблемы «холодного пуска» двигателя и возможном завершении работ по оптимизации функционирования управления электродвигателем в скоростном режиме.

Mercedes F-Cell

Mercedes F-Cell образца 2010 года оснащен электродвигателем F 600, мощность которого увеличилась до 115 лошадиных сил, а крутящий момент приближается к отметке 350 Нм. Кроме того, инженеры Mercedes добились 16-процентного сокращения потребления топлива по сравнению с моделями 2005 года.

Концерн Mercedes-Benz эксплуатирует модель F-Cell в рекламных целях, подогревая интерес к другим разработкам компании – автобусам из серии Citaro.

Citaro

Проект Citaro ориентирован на выпуск общественного транспорта для крупных городов. На сегодня в мире существует около 40 действующих автобусов Mercedes Citaro. Мощность электродвигателя такого автобуса не превышает 250 кВат, что позволяет транспортировать пассажиров и багаж со скоростью 80 км/час.

Расход составляет 25 кило на 100 километров. В баке бака Mercedes Citaro помещается 42 килограмма водородного топлива, что позволяет этому транспортному средству проехать 167 км без дозаправки.

Автобусы Mercedes Citaro можно увидеть не только в крупных городах Европы – 3 автобуса закупил Китай (для пекинского общественного транспорта), а 1 автобус «заехал» в далекую Австралию.

BMW Hydrogen 7 –очередной вариант стандартной «семерки» BMW, оснащенный гибридным двигателем внутреннего сгорания. В качестве топливной смеси применяется бензин или водород. Двигатель Hydrogen является итогом двадцатилетней работы инженеров компании BMW. Этот агрегат способен «разогнать» стандартный BMW 7 до 230 км/час, а до первой сотни это авто «добегает» за 9,5 секунд.

BMW Hydrogen 7

Показатель потребление топлива у Hydrogen равняется 6,5 литрам бензина или 25 литров жидкого водорода на 100 километров пути. Емкость классического (бензинового) бака – 74 литра (хватает на 480 км). Емкость водородного бака – 8 килограмм.

Именно этот элемент BMW Hydrogen 7 отличает данное авто от изделий конкурентов. Бак для водородного топлива позволяет сохранять этот летучий газ в сжиженном состоянии, поддерживая постоянную температуру в -253 градусов по Цельсию.

Водородный бак для Hydrogen 7 прошел все тесты безопасности, и выдержал не только механическое воздействие, но и нагрев до температуры в 1000 градусов по Цельсию. К сегодняшнему дню реализовано более 100 автомобилей BMW Hydrogen 7

Аналогичный проект делает компания Mazda, решившая запустить в серию концепт RX-8 hydrogen – автомобиля с гибридным двигателем. Агрегат получил наименование Wankel и позволяет проехать до 100 километров пути на одной заправке водородным топливом или 550 км на бензине.

RX-8 hydrogen

Емкость водородного бака составляет 2,4 кило.

Мощность водородной части двигателя RX-8 hydrogen в два раза ниже бензиновой – 109 против 192 «лошадок», но этих усилий с избытком хватает для достижения максимальной скорости в 170 км/час и разгона до 100 км/час 10 секунд.

Водородные заправочные станции. Водородные шоссе

Для представителей автомобильной индустрии ввод в эксплуатацию водородных двигателей является очередным этапом борьбы за благорасположение целевой аудитории потребителей.

Практически все крупные корпорации уже имеют в своем модельном ряду «водородный» автомобиль и готовы наращивать производство подобных авто уже в ближайшем будущем. Представители энергетических компаний не разделяют подобного оптимизма.

В последние десятилетия бензиновые колонки с трудом уступают место газозаправочным станциям.

На промышленной основе водородные заправки строят только в США и Канаде. Именно в этих странах за последнее 2-3 года открылось более 200 заправок. Американское правительство реализует план оснащения водородными заправками крупных магистралей. Водородные шоссе появились в Калифорнии, Нью-Йорке (Hi Way Initiative), Иллинойсе (2H2), Флориде.

Подобного размаха внедрения водородного топлива не наблюдается даже в Канаде (1 шоссе на 900 км- The Northern H) и Норвегии (система дорог HyNor, общей протяженностью в 500 км).

Германия и скандинавские страны пока еще только собираются внедрять национальные проекты водородных магистралей (соответственно – Zero Regio и Scandinavian Hydrogen Highway Partnership).

Жителям нашего государства остается только завидовать иностранцам и удивляться нерасторопности отечественных энергетиков. Хотя проекты установки водородных двигателей на автомобили Lada 111 и «Нива» были реализованы еще в начале 21-го века.

Источник: http://unusauto.ru/vodorodnyjtransport.htm