Mașini alimentate cu hidrogen. Utilizarea hidrogenului ca combustibil pentru mașini Un viitor cu hidrogen

Se știe că, în anii 30 ai secolului trecut, în Uniunea Sovietică la Bauman MVTU numit după N. Bauman Soroko-Novitsky V.I. efectul adițiilor de hidrogen la benzină pe motorul ZIS-5. Există, de asemenea, lucrări cunoscute despre utilizarea ca combustibil de hidrogen, care au fost efectuate în țara noastră de F.B. Perelman. Cu toate acestea, utilizarea practică a hidrogenului ca combustibil pentru vehicule a început în 1941. În timpul Marelui Război Patriotic din Leningradul asediat, a sugerat locotenent-tehnicianul Shelishch B.I. folosiți hidrogen, „A lucrat” în baloane, ca combustibil pentru motor pentru motoarele auto GAZ-AA.

Figura 1. Post de apărare aeriană a frontului din Leningrad al celui de-al doilea război mondial, echipat cu o instalație de hidrogen

În fig. 1 în fundal, un balon de hidrogen este văzut coborât la sol, din care hidrogenul este pompat într-un rezervor de gaz situat în prim-plan. De la recipientul cu hidrogen „uzat”, combustibilul gazos este alimentat cu ajutorul unui furtun flexibil către motorul cu ardere internă al autovehiculului GAZ-AA. Baloanele cu baraj s-au ridicat la o înălțime de până la cinci kilometri și au reprezentat un mijloc de apărare antiaerian fiabil al orașului, nepermițând avioanelor inamice să efectueze bombardamente îndreptate. A fost nevoie de mult efort pentru a coborî baloanele care își pierduseră parțial ridicarea. Această operațiune a fost efectuată folosind un troliu mecanic instalat pe un vehicul GAZ-AA. Motorul cu ardere internă a rotit troliul pentru a coborî baloanele. În condițiile unei penurii acute de benzină, câteva sute de posturi de apărare antiaeriană au fost transformate pentru a funcționa pe hidrogen, care folosea vehicule GAZ-AA care funcționau pe hidrogen.

După războiul din anii șaptezeci ai secolului trecut, Briss Isaakovich a fost invitat în mod repetat la diferite conferințe științifice, unde în discursurile sale a vorbit în detaliu despre acele zile eroice îndepărtate. Unul dintre aceste evenimente - I Școala All-Union a Tinerilor Oameni de Știință și Specialiști în Probleme ale Energiei și Tehnologiei Hidrogenului, organizată la inițiativa Comitetului Central al Ligii Leniniste Tinere Comuniste All-Union, Comisia Academiei de Științe a URSS cu privire la energia hidrogenului, Institutul IV al Energiei Atomice Kurchatov și Institutul Politehnic din Donetsk, au avut loc în septembrie 1979, cu șase luni înainte de moartea sa. Boris Issakovich a făcut raportul său „Hidrogen în loc de benzină” la secțiunea „Tehnologia utilizării hidrogenului” pe 9 septembrie.

În anii șaptezeci, s-a lucrat intens în mai multe organizații de cercetare științifică din URSS privind utilizarea hidrogenului ca combustibil. Cele mai cunoscute sunt organizații precum Institutul Central de Cercetare Științifică pentru Automobile și Automobile (NAMI), Institutul de Probleme de Inginerie Mecanică al Academiei de Științe din RSS Ucraineană (IPMASH al Academiei de Științe din RSS Ucraineană), Sectorul Mecanica mediilor neomogene a Academiei de Științe a URSS (SMNS a Academiei de Științe a URSS), Plant-VTUZ la ZIL, etc. realizat pentru a crea un microbuz cu hidrogen RAF 22034. A fost dezvoltat un sistem de putere al motorului care îi permite să lucreze pe hidrogen. A trecut o gamă completă de teste rutiere pe bancă și de laborator.

Figura 2. De la stânga la dreapta E. V. Shatrov, V. M. Kuznetsov, A. Yu. Ramenskiy

În fig. 2 fotografii de la stânga la dreapta: Shatrov E.V. - conducător științific al proiectului; VM Kuznetsov - șeful grupului de motoare cu hidrogen; A. Yu. Ramenskiy este un student postuniversitar al NAMI, care a făcut o comoară semnificativă în organizarea și desfășurarea cercetării și dezvoltării în ceea ce privește crearea unei mașini cu hidrogen. Fotografiile standurilor pentru testarea unui motor alimentat cu hidrogen și a unui microbuz RAF 22034 care funcționează pe compoziții de hidrogen și combustibil amestecat cu hidrogen (BVTK) sunt prezentate în Fig. 3 și 4.

Figura 3. Compartimentul motor al lui Bolks nr. 20 pentru testarea motorului cu ardere internă pe hidrogen al Departamentului Laboratoarelor de Motoare din NAMI

Figura 4. Microbuz hidrogen RAF (NAMI)

Primul prototip al microbuzului a fost construit la NAMI în perioada 1976-1979 (Fig. 4). Din 1979, NAMI a efectuat testele de laborator și rutier și operațiunile de încercare.

În paralel, lucrările privind crearea mașinilor care funcționează cu hidrogen au fost efectuate la Academia de Științe IPMASH din RSS Ucraineană și SMNS ale Academiei de Științe a URSS și Uzina Vtuz de la ZIL. Datorită poziției active a academicianului VV Struminsky (Fig. 5), șeful SMNS al Academiei de Științe a URSS, la cele XXII Jocuri Olimpice de vară de la Moscova din 1980 au fost utilizate mai multe modele de microbuze.

Figura 5. De la stânga la dreapta Legasov V. A., Semenenko K. N. Struminsky V. V.

În calitate de institut principal al Ministerului Industriei Auto din URSS, NAMI a cooperat cu organizațiile de mai sus. Un exemplu de astfel de cooperare a fost cercetarea comună cu IPMash a Academiei de Științe din RSS Ucraineană, al cărei director la acel moment era membru corespondent al Academiei de Științe din RSS Ucraineană A.N. AI, Nightingale VV și multe altele (Fig. 6 ).

Figura 6. Angajații Academiei de Științe IPMASH din RSS Ucraineană, de la stânga la dreapta Podgorny A. N., Varshavsky I. L., Mishchenko A. I.

Dezvoltările acestui institut sunt cunoscute pe scară largă pentru crearea de mașini și stivuitoare care funcționează la BVTK cu sisteme de stocare a hidrogenului metalic la bord.

Un alt exemplu de cooperare între NAMI și institutele de cercetare de top din țară a fost munca privind crearea sistemelor de stocare a hidrogenului metalic pe o mașină. În cadrul consorțiului pentru crearea sistemelor de stocare a hidrurilor metalice, au colaborat trei organizații de frunte: Institutul de Energie Atomică I.V. Kurchatov, NAMI și Universitatea de Stat M.V. Lomonosov din Moscova. Inițiativa de a crea un astfel de consorțiu a aparținut academicianului VA Legasov. Institutul de Energie Atomică numit după IV Kurchatov a fost dezvoltatorul principal al unui sistem de stocare a hidrogenului metalic la bordul unui vehicul. Managerul de proiect a fost Yu.F. Chernilin; A. N. Udovenko și A. Ya. Stolyarevsky au fost participanți activi la lucrare.

Compușii de hidrură metalică au fost dezvoltați și fabricați în cantitatea necesară de către Universitatea de Stat din Moscova. M.V. Lomonosov. Această lucrare a fost efectuată sub îndrumarea lui KN Semenenko, șeful Departamentului de chimie și fizică de înaltă presiune. La 21 noiembrie 1979, cererile nr. 263140 și 263141 au fost înregistrate în Registrul de stat al invențiilor din URSS cu prioritate de invenție la 22 iunie 1978. Certificatele inventatorului pentru aliajele de stocare a hidrogenului Nr. AS 722018 și Nr. 722021 din 21 noiembrie 1979 au fost printre primele invenții în acest domeniu în URSS și în lume.

În invenții, au fost propuse noi compoziții, care pot crește semnificativ cantitatea de hidrogen stocat. Acest lucru a fost realizat prin modificarea compoziției și cantității de componente din aliajele pe bază de titan sau vanadiu, ceea ce a făcut posibilă obținerea unei concentrații de 2,5 până la 4,0 procente în masă de hidrogen. Eliberarea hidrogenului din compusul intermetalic a fost efectuată în intervalul de temperatură 250-400 ° C. Până în prezent, acest rezultat este practic realizarea maximă pentru aliajele de acest tip. Oamenii de știință din organizațiile științifice de conducere ale URSS, asociate cu dezvoltarea de materiale și dispozitive bazate pe hidruri de aliaje intermetalice, au participat la dezvoltarea aliajelor - Universitatea de Stat din Moscova. M.V. Lomonosov (Semenenko K.N., Verbetsky V.N., Mitrokhin S.V., Zontov V.S.); NAMI (E. V. Shatrov, A. Yu. Ramenskiy); IMash al Academiei de Științe a URSS (Varshavsky I.L.); Plant-VTUZ la ZIL (Gusarov V.V., Kabalkin V.N.). La mijlocul anilor optzeci, testele unui sistem de stocare a hidrogenului de hidrură metalică la bordul unui microbuz RAF 22034 care funcționa la BVTK au fost efectuate în cadrul Departamentului de motoare pe gaz și alte tipuri de combustibili alternativi ai NAMI (șeful departamentului, Ramenskiy A . Yu.). Angajații departamentului au participat activ la lucrări: Kuznetsov V.M., Golubchenko N.I., Ivanov A.I., Kozlov Yu.A. 7.

Figura 7. Acumulator de hidrogen cu hidrură metalică pentru autoturism (1983)

La începutul anilor optzeci, a început să apară o nouă direcție în ceea ce privește utilizarea hidrogenului ca combustibil pentru mașini, care este acum considerată principala tendință. Această direcție este asociată cu crearea de vehicule care funcționează pe pilele de combustibil. Crearea unei astfel de mașini a fost efectuată în centralele nucleare „Kvant”. Sub conducerea NS Lidorenko. Mașina a fost prezentată pentru prima dată la expoziția internațională „Electro-82” din 1982, la Moscova (Fig. 8).

Figura 8. Minibus de hidrogen RAF pe pilele de combustibil (NPP "KVANT")

În 1982, microbuzul RAF, la bordul căruia au fost montate generatoare electrochimice și a fost instalat un motor electric, a fost demonstrat ministrului adjunct al industriei auto E. A. Bashinjaghyan. Mașina a fost demonstrată chiar de N. S. Lidorenko. Pentru prototip, mașina cu celule de combustibil a avut o calitate bună a mersului, ceea ce a fost remarcat cu satisfacție de toți spectatorii. A fost planificată realizarea acestei lucrări împreună cu întreprinderile Ministerului Industriei Automobilelor din URSS. Cu toate acestea, în 1984, NS Lidorenko a părăsit postul de șef al întreprinderii, ceea ce se poate datora faptului că această lucrare nu a primit continuarea sa. Crearea primului automobil rusesc cu pilă de hidrogen, construit de echipa companiei de mai bine de 25 de ani, s-ar putea califica pentru un eveniment istoric din țara noastră.

Caracteristicile motoarelor cu ardere internă atunci când funcționează pe hidrogen

În raport cu benzina, hidrogenul are o putere calorică de 3 ori mai mare, de 13-14 ori mai puțină energie de aprindere și, ceea ce este important pentru un motor cu ardere internă, limite mai mari de aprindere a amestecului combustibil-aer. Aceste proprietăți ale hidrogenului îl fac extrem de eficient pentru utilizarea în motoarele cu ardere internă, chiar și ca aditiv. În același timp, dezavantajele hidrogenului ca combustibil includ: o scădere a puterii motorului cu ardere internă în comparație cu analogul benzinei; Proces de ardere "dur" al amestecurilor de hidrogen-aer în regiunea compoziției stoichiometrice, care duce la detonare la sarcini mari. Această caracteristică a combustibilului cu hidrogen necesită modificări în designul motorului cu ardere internă. Pentru motoarele existente, este necesar să se utilizeze hidrogen într-o compoziție cu combustibili cu hidrocarburi, de exemplu, cu benzină. sau gaze naturale.

De exemplu, organizarea alimentării cu combustibil a compozițiilor de combustibil hidrogen-benzoic (BHTK) pentru autovehiculele existente trebuie realizată în așa fel încât la încărcări la ralanti și parțiale motorul să funcționeze pe compoziții de combustibil cu un conținut ridicat de hidrogen. Pe măsură ce încărcările cresc, concentrația de hidrogen ar trebui să scadă și alimentarea cu hidrogen ar trebui oprită la modul de accelerare completă. Acest lucru va menține caracteristicile de putere ale motorului la același nivel. În fig. 9 prezintă graficele modificărilor caracteristicilor economice și toxice ale unui motor cu un volum de lucru de 2,45 litri. și un raport de compresie de 8,2 unități. privind compoziția amestecului combustibil-hidrogen-aer și concentrația de hidrogen din BVTK.

Figura 9. Caracteristicile economice și toxice ale motoarelor cu ardere internă pe hidrogen și BVTK

Caracteristicile de reglare ale motorului în ceea ce privește compoziția amestecului la o putere constantă Ne = 6,2 kW și o turație a arborelui cotit n = 2400 rpm fac posibil să ne imaginăm cum se modifică performanța motorului atunci când funcționează pe hidrogen, BVTK și benzină.

Indicatorii de putere și viteză ai motorului pentru testare sunt selectați astfel încât să reflecte cel mai bine condițiile de funcționare ale mașinii în condiții urbane. Puterea motorului Ne = 6,2 kW și turația arborelui cotit n = 2400 rpm corespund mișcării unei mașini, de exemplu, „GAZEL” la o viteză constantă de 50-60 km / h pe un drum orizontal, plat. După cum se poate observa din grafice, pe măsură ce crește concentrația de hidrogen în BVTK, crește eficiența efectivă a motorului. Valoarea maximă a eficienței la o putere de 6,2 kW și o viteză a arborelui cotit de 2400 rpm atinge 18,5% la hidrogen. Aceasta este de 1,32 ori mai mare decât atunci când motorul funcționează la aceeași sarcină pe benzină. Eficiența maximă efectivă a motorului pe benzină este de 14% la această sarcină. În acest caz, compoziția amestecului corespunzătoare randamentului maxim al motorului (limita efectivă de epuizare) este deplasată spre amestecuri slabe. Deci, atunci când se lucrează la benzină, limita efectivă de epuizare a amestecului combustibil-aer a corespuns raportului de aer în exces (a) egal cu 1,1 unități. Atunci când funcționează pe hidrogen, raportul de aer în exces corespunzător cu limita efectivă de epuizare a amestecului combustibil-aer este a = 2,5. Un indicator la fel de important al funcționării unui motor cu combustie internă a automobilelor la sarcini parțiale este toxicitatea gazelor de eșapament (gazelor de eșapament). Studiul caracteristicilor de control ale motorului asupra compoziției amestecului pe BVTK cu diferite concentrații de hidrogen a arătat că, pe măsură ce amestecul a devenit mai slab, concentrația de monoxid de carbon (CO) din gazele de eșapament a scăzut la aproape zero, indiferent de tipul de combustibil. O creștere a concentrației de hidrogen în BHTK duce la o scădere a emisiilor de hidrocarburi СnHm cu gazele de eșapament. Când funcționează pe hidrogen, concentrația acestei componente în anumite moduri a scăzut la zero. Când se lucrează pe acest tip de combustibil, emisia de hidrocarburi a fost determinată în mare măsură de intensitatea combustiei din camera de ardere a motorului cu ardere internă. Formarea oxizilor de azot NxOy, după cum se știe, nu este legată de tipul de combustibil. Concentrația lor în gazele de eșapament este determinată de regimul de temperatură de ardere a amestecului combustibil-aer. Capacitatea de a acționa motorul pe hidrogen și BVTK în gama de compoziții de amestec slab permite reducerea temperaturii maxime a ciclului în camera de ardere a motorului cu ardere internă. Acest lucru reduce semnificativ concentrația de oxizi de azot. Când amestecul combustibil-aer este epuizat peste a = 2, concentrația de NxOy scade la zero. În 2005, NAVE a dezvoltat microbuzul GAZEL care funcționează la BVTK. În decembrie 2005, a fost prezentat la unul dintre evenimentele desfășurate la Presidiumul Academiei de Științe din Rusia. Prezentarea microbuzului a fost programată să coincidă cu a 60-a aniversare a președintelui NAVE P. B. Shelishch. O fotografie a unui microbuz benzină-hidrogen este prezentată în Fig. 10.

Figura 10. Microbuzul cu hidrogen „Gazela” (2005)

Pentru a evalua fiabilitatea echipamentelor pe benzină-hidrogen și pentru a promova perspectivele economiei hidrogenului, în primul rând în domeniul transportului rutier, NAVE a organizat un raliu de mașini cu hidrogen în perioada 20-25 august 2006. Cursa a fost efectuată de-a lungul rutei Moscova - Nijni Novgorod - Kazan - Nijhnekamsk - Cheboksary - Moscova cu o lungime de 2300 km. Mitingul a fost programat să coincidă cu Primul Congres Mondial „Energie alternativă și ecologie”. La cursă au participat două mașini cu hidrogen. Al doilea camion multi-combustibil GAZ 3302 funcționa pe hidrogen, gaz natural comprimat, BVTK și benzină. Mașina era echipată cu 4 cilindri ușori din fibră de sticlă cu o presiune de lucru de 20 MPa. Masa sistemului de stocare a hidrogenului la bord este de 350 kg. Rezerva de putere a vehiculului la BVTK era de 300 km.

Cu sprijinul Agenției Federale pentru Știință și Inovare NAVE cu participarea activă a Institutului de Inginerie Energetică din Moscova MPEI (TU), Avtokombinat nr. 41, Centrul Tehnic și de Inginerie Hydrogen Technologies și Slavgaz LLC, un prototip al GAZ 330232 GAZEL -A fost creată o mașină FERMER cu o capacitate de încărcare de 1, 5 tone, care lucrează la BVTK cu sistem electronic de alimentare cu hidrogen și benzină. Vehiculul este echipat cu un sistem de tratare a gazelor de eșapament cu trei căi. În fig. 11 prezintă fotografiile unei mașini și a unui set de echipamente electronice pentru alimentarea cu hidrogen a unui motor cu ardere internă.

Figura 11. Un prototip al mașinii GAZ 330232 „GAZEL-FARMER”

Perspective pentru introducerea hidrogenului în transportul rutier

Cea mai promițătoare direcție în domeniul utilizării hidrogenului pentru tehnologia auto sunt centralele combinate bazate pe generatoare electrochimice cu celule de combustibil (FC). În același timp, o condiție prealabilă este producerea de hidrogen din surse de energie regenerabile, ecologice, pentru producția cărora, la rândul lor, ar trebui utilizate materiale și tehnologii ecologice.

Din păcate, pe termen scurt, utilizarea unor astfel de vehicule de înaltă tehnologie pe scară largă este problematică. Acest lucru se datorează imperfecțiunii unui număr de tehnologii utilizate în producția lor, dezvoltării insuficiente a proiectării generatoarelor electrochimice, costului limitat și ridicat al materialelor utilizate. De exemplu, costul specific al unui kW de putere ECH pe pilele de combustibil ajunge la 150-300 de mii de ruble (la rata rublei rusești 30 de ruble / dolar SUA). Un alt element important al restricționării avansării tehnologiei hidrogenului cu pilele de combustibil pe piața auto este dezvoltarea insuficientă a proiectării acestor vehicule în ansamblu. În special, nu există date fiabile atunci când se testează eficiența consumului de combustibil în condiții reale. De regulă, evaluarea eficienței centralei electrice a instalației se efectuează pe baza caracteristicii curent-tensiune. O astfel de evaluare a eficienței nu corespunde cu evaluarea eficienței efective a unui motor cu ardere internă, acceptată în practica construcției motorului, în calculul căreia sunt luate în considerare și toate pierderile mecanice asociate cu acționarea unităților motorului. Nu există date fiabile privind eficiența consumului de combustibil al mașinilor în condiții reale de funcționare, a căror valoare este influențată de necesitatea de a menține dispozitive și sisteme suplimentare la bord instalate pe mașini, atât în ​​mod tradițional, cât și asociate cu particularitățile atracției mașinilor pe pilele de combustibil. Nu există date fiabile privind evaluarea eficienței în condiții de temperaturi negative, la care este necesar să se mențină un regim de temperatură care să asigure funcționarea atât a centralei în sine, cât și a combustibilului furnizat, precum și încălzirea cabinei șoferului sau a habitaclu. Pentru mașinile moderne, modul de funcționare poate atinge -40 ° C, acest lucru ar trebui să fie luat în considerare în special în condițiile de funcționare rusești.

După cum știți, în celulele de combustibil, apa nu este doar un produs al reacției dintre hidrogen și oxigen, ci și participă activ la procesul de lucru al generării de energie, umezind materiale polimerice solide care fac parte din proiectarea celulelor de combustibil. În literatura tehnică modernă, nu există date privind fiabilitatea și durabilitatea pilelor de combustibil la temperaturi scăzute. Datele foarte contradictorii sunt publicate în literatura de specialitate cu privire la durabilitatea funcționării ECH pe pilele de combustibil.

În acest sens, este destul de firesc ca un număr dintre cei mai mari producători auto din lume să promoveze vehiculele cu hidrogen echipate cu motoare cu ardere internă. În primul rând, acestea sunt companii atât de cunoscute precum BMW și Mazda. Motoarele BMW Hydrogen-7 și Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid (2008) au fost transformate cu succes în hidrogen.

Din punctul de vedere al fiabilității proiectării, costul relativ scăzut al unui kW de putere instalată, centralele electrice bazate pe motoare cu ardere internă care funcționează pe hidrogen sunt semnificativ superioare ECH bazat pe FC, cu toate acestea, ICE-urile au, așa cum se crede de obicei, mai mici eficienţă. În plus, gazele de eșapament ale unui motor cu ardere internă pot conține unele substanțe toxice. În viitorul apropiat, utilizarea centralelor electrice combinate (hibride) ar trebui considerată drept principala direcție pentru îmbunătățirea tehnologiei auto dotată cu un motor cu ardere internă. Cel mai bun rezultat în ceea ce privește eficiența combustibilului și toxicitatea gazelor de eșapament este probabil de așteptat din utilizarea instalațiilor hibride cu o schemă secvențială pentru conversia energiei chimice a combustibilului din motorul cu ardere internă în energie mecanică a mișcării vehiculului. Cu o schemă secvențială, motorul cu ardere internă al unei mașini funcționează aproape continuu cu eficiență maximă a combustibilului, acționând un generator electric, care furnizează curent electric motorului electric pentru acționarea roților mașinii și un dispozitiv de stocare a energiei (baterie). Sarcina principală a optimizării cu o astfel de schemă este de a găsi un compromis între consumul de combustibil al motorului cu ardere internă și toxicitatea gazelor sale de eșapament. Particularitatea soluției la problemă constă în faptul că eficiența maximă a motorului este atinsă atunci când funcționează pe un amestec slab de aer-combustibil, iar reducerea maximă a toxicității gazelor de eșapament se realizează cu o compoziție stoichiometrică, în care cantitatea de combustibil furnizată camerei de ardere este furnizată strict în conformitate cu cantitatea de aer necesară pentru arderea sa completă. În acest caz, formarea oxizilor de azot este limitată de deficiența de oxigen liber în camera de ardere și de combustia incompletă a combustibilului de către neutralizatorul gazelor de eșapament. În motoarele moderne cu ardere internă, un senzor pentru măsurarea concentrației de oxigen liber în gazele de eșapament ale motorului cu ardere internă trimite un semnal către sistemul electronic de alimentare cu combustibil, care este proiectat în așa fel încât să mențină la maximum compoziția stoichiometrică a amestec aer-combustibil în camera de ardere a motorului la toate modurile motorului cu ardere internă. Pentru centralele hibride cu circuit secvențial, este posibil să se obțină cea mai bună eficiență în reglarea amestecului aer-combustibil datorită absenței sarcinilor alternative pe motorul cu ardere internă. În același timp, din punctul de vedere al consumului de combustibil al motorului cu ardere internă, compoziția stoichiometrică a amestecului aer-combustibil nu este optimă. Eficiența maximă a motorului corespunde întotdeauna unui amestec care este de 10-15% slab în comparație cu stoichiometric. În același timp, eficiența motorului cu ardere internă atunci când funcționează pe un amestec slab poate fi cu 10-15 mai mare decât atunci când funcționează pe un amestec stoichiometric. O soluție la problema creșterii emisiilor de substanțe dăunătoare inerente acestor moduri pentru ICE-urile cu aprindere prin scânteie este posibilă ca urmare a transferului funcționării motorului cu ardere internă la hidrogen, compoziții hidrogen combustibil (BHTK) sau compoziții metan-hidrogen combustibil ( MVTK). Utilizarea hidrogenului ca combustibil sau ca aditiv la combustibilul principal poate extinde semnificativ limitele de epuizare efectivă a amestecului aer-combustibil. Această circumstanță face posibilă creșterea semnificativă a eficienței motorului cu ardere internă și reducerea toxicității gazelor de eșapament.

Gazele de eșapament ale motoarelor cu ardere internă conțin peste 200 de hidrocarburi diferite. Teoretic, în cazul arderii amestecurilor omogene (din condiții de echilibru), gazele de eșapament ale motorului cu ardere internă nu ar trebui să conțină hidrocarburi; totuși, din cauza omogenității amestecului aer-combustibil din camera de ardere a motorului cu ardere internă , apar diferite condiții inițiale ale reacției de oxidare a combustibilului. Temperatura din camera de ardere diferă în volum, ceea ce afectează, de asemenea, în mod semnificativ completitudinea arderii amestecului aer-combustibil. În mai multe studii, s-a constatat că stingerea flăcării are loc lângă pereții relativ reci ai camerei de ardere. Acest lucru duce la o deteriorare a condițiilor de ardere a amestecului aer-combustibil din stratul apropiat de perete. În lucrare, Daneshyar H și Watf M au făcut fotografii ale procesului de ardere a amestecului combustibil-aer în imediata vecinătate a peretelui cilindrului motorului. Fotografierea a fost efectuată printr-o fereastră de cuarț din chiulasa motorului. Acest lucru a făcut posibilă determinarea grosimii zonei de acoperire în intervalul 0,05-0,38 mm. În imediata vecinătate a pereților camerei de ardere, CH crește de 2-3 ori. Autorii concluzionează că zona de stingere este una dintre sursele de eliberare de hidrocarburi.

O altă sursă importantă de formare a hidrocarburilor este uleiul de motor, care pătrunde în cilindrul motorului ca rezultat al îndepărtării ineficiente din pereți de către inelele racloarelor de ulei sau prin golurile dintre tijele supapelor și bucșele de ghidare ale acestora. Studiile arată că consumul de ulei prin golurile dintre tijele supapelor și bucșele de ghidare ale acestora la motoarele cu combustie internă pe benzină pentru automobile atinge 75% din consumul total de ulei pentru deșeuri.

Când motorul cu ardere internă funcționează cu hidrogen, combustibilul nu conține substanțe care conțin carbon. În acest sens, majoritatea covârșitoare a publicațiilor conțin informații că gazele de eșapament ale unui motor cu ardere internă nu pot conține hidrocarburi. Cu toate acestea, acest lucru sa dovedit a nu fi cazul. Fără îndoială, odată cu creșterea concentrației de hidrogen în BVTK și MVTK, concentrația de hidrocarburi scade semnificativ, dar nu dispare complet. Acest lucru se poate datora în mare parte imperfecțiunii proiectării echipamentelor de combustibil, măsurând alimentarea cu combustibil de hidrocarburi. Chiar și o mică scurgere de hidrocarburi atunci când funcționează un motor cu ardere internă pe amestecuri ultra-slabe poate duce la eliberarea de hidrocarburi. O astfel de emisie de hidrocarburi poate fi asociată cu uzura grupului cilindru-piston și, ca urmare, creșterea consumului de ulei etc. În acest sens, atunci când se organizează procesul de ardere, este necesar să se mențină temperatura de ardere la un nivel la care arderea compușilor de hidrocarburi are loc suficient de completă.

În procesul de ardere a combustibilului, oxizii de azot se formează în spatele frontului flăcării într-o zonă cu temperatură crescută cauzată de reacția de ardere a combustibilului. Formarea oxizilor de azot, dacă aceștia nu sunt compuși care conțin azot, se formează ca urmare a interacțiunii oxigenului și azotului în aer. Teoria general acceptată pentru formarea oxizilor de azot este teoria termică. În conformitate cu această teorie, randamentul oxizilor de azot este determinat de temperatura maximă a ciclului, de concentrația de azot și oxigen din produsele de ardere și nu depinde de natura chimică a combustibilului, de tipul de combustibil (în absența azot din combustibil). În gazele de eșapament ale unui motor cu aprindere prin scânteie, conținutul de oxid de azot este de 99% din totalul oxizilor de azot (NOx). După ce este eliberat în atmosferă, NO este oxidat la NO2.

Când motorul cu ardere internă funcționează cu hidrogen, formarea oxidului de azot are unele particularități în comparație cu funcționarea motorului pe benzină. Acest lucru se datorează proprietăților fizico-chimice ale hidrogenului. Principalii factori în acest caz sunt temperatura de ardere a hidrogenului și aerului și limitele sale de aprindere. După cum știți, limitele de aprindere ale unui amestec de hidrogen-aer sunt cuprinse între 75% - 4,1%, ceea ce corespunde coeficientului, aerul în exces 0,29 - 1,18. O caracteristică importantă a arderii hidrogenului este rata crescută de ardere a amestecurilor stoichiometrice. În fig. 12 prezintă un grafic al dependențelor care caracterizează cursul proceselor de lucru ale unui motor cu ardere internă atunci când funcționează pe hidrogen și benzină.

Figura 12. Modificări ale parametrilor procesului de lucru ICE atunci când funcționează cu hidrogen și benzină, puterea ICE este de 6,2 kW, viteza de rotație a arborelui cotit este de 2400 rpm.

După cum urmează din graficele lor, conversia motoarelor cu ardere internă din benzină în hidrogen conduce în regiunea amestecurilor stoichiometrice la o creștere bruscă a temperaturii maxime a ciclului. Graficul arată că rata de degajare a căldurii atunci când motorul cu ardere internă funcționează pe hidrogen în punctul mort superior al motorului cu ardere internă este de 3-4 ori mai mare decât atunci când funcționează pe benzină.combustia amestecului aer-combustibil. Figura 13 prezintă diagrame indicatoare care descriu schimbarea presiunii în cilindrul motorului cu ardere internă (ZMZ-24D, Vh = 2,4 litri. Raport de compresie -8,2). în funcție de unghiul de rotație al arborelui cotit (putere 6,2 kW, h.v. la 2400 rpm) atunci când funcționează pe benzină și hidrogen.

Figura 13. Diagramele indicatoare ale motorului cu ardere internă (ZMZ-24-D, Vh = 24 CP, raport de compresie 8,2) cu o putere de 6,2 kW și h. până la 2400 rpm. atunci când funcționează pe benzină și hidrogen

Când motorul cu ardere internă funcționează pe benzină, denivelarea fluxului de diagrame indicatoare de la ciclu la ciclu este clar vizibilă. Când se lucrează la hidrogen, în special cu o compoziție stoichiometrică, nu există denivelări. În același timp, timpul de aprindere a fost atât de mic încât poate fi considerat practic egal cu zero. O creștere foarte puternică a presiunii în spatele TDC atrage atenția asupra sa, indicând o rigiditate crescută a procesului. Graficul inferior prezintă diagrame indicatoare atunci când funcționează pe hidrogen cu un raport de aer în exces de 1,27. Timpul de aprindere a fost de 10 grade FF. Pe unele diagrame indicatoare, urmele funcționării „dure” a motorului cu ardere internă sunt vizibile în mod clar. Această natură a procesului de lucru ICE atunci când se utilizează hidrogenul ca combustibil contribuie la formarea crescută a oxizilor de azot. Valoarea maximă a concentrației de oxizi de azot din gazele de eșapament corespunde funcționării motorului cu ardere internă cu un raport de aer în exces de 1,27. Acest lucru este destul de natural, deoarece amestecul aer-combustibil conține o cantitate mare de oxigen liber și, ca urmare a unor rate de combustie ridicate, are loc o temperatură ridicată de ardere a încărcăturii aer-combustibil. În același timp, la trecerea la amestecuri mai slabe, ratele de eliberare a căldurii scad. Temperatura maximă a ciclului este, de asemenea, redusă și, prin urmare, concentrația oxizilor de azot din gazele de eșapament.

Figura 14. Caracteristicile de reglare pentru compoziția amestecului atunci când motorul cu ardere internă funcționează pe compoziții de combustibil hidrogen-benzoic, puterea motorului cu ardere internă este de 6,2 kW, viteza de rotație a arborelui cotit este de 2400 rpm. 1. Benzină, 2. Benzină + H2 (20%), 3. Benzină + H2 (50%), 4. Hidrogen

În fig. 14 prezintă dependența de modificarea emisiilor de substanțe toxice din gazele de eșapament ale motorului cu ardere internă atunci când funcționează pe benzină, compoziții benzină-hidrogen și hidrogen. După cum se arată în grafic, cea mai mare valoare a emisiilor de NOx corespunde funcționării motorului cu ardere internă pe hidrogen. În același timp, pe măsură ce amestecul aer-combustibil devine mai slab, concentrația de NOx scade, ajungând la aproape zero la un raport de aer în exces de peste 2 unități. Astfel, conversia unui motor de automobile în hidrogen face posibilă rezolvarea radicală a problemei eficienței combustibilului, a toxicității gazelor de eșapament și a reducerii emisiilor de dioxid de carbon.

Utilizarea hidrogenului ca aditiv la combustibilul principal poate ajuta la rezolvarea problemei îmbunătățirii eficienței combustibilului a motorului cu ardere internă, reducerea emisiilor de substanțe toxice și reducerea emisiilor de dioxid de carbon, ale căror cerințe pentru conținutul acestora gazele de eșapament ale motorului cu ardere internă devin în mod constant mai stricte. Adăugarea hidrogenului în greutate în intervalul 10-20 la sută poate deveni optimă pentru mașinile cu motoare hibride în viitorul foarte apropiat.

Utilizarea hidrogenului ca combustibil pentru motor poate fi eficientă numai atunci când sunt create structuri specializate. În prezent, principalii producători de motoare auto lucrează la astfel de motoare. În principiu, sunt cunoscute principalele direcții în care este necesar să se deplaseze atunci când se creează un nou design al motoarelor cu combustie internă cu hidrogen. Acestea includ:

1. Utilizarea formării de amestecuri interne va îmbunătăți greutatea și dimensiunile specifice ale motorului cu hidrogen cu 20-30 la sută.

2. Utilizarea amestecurilor de hidrogen-aer super-slabe pentru centralele electrice hibride va face posibilă reducerea semnificativă a temperaturii de ardere în camera de ardere a unui motor cu ardere internă și crearea condițiilor prealabile pentru creșterea raportului de compresie al motorului cu ardere internă, utilizarea de noi materiale, inclusiv pentru suprafața interioară a camerei de ardere, permițând reducerea pierderilor de căldură la motorul sistemului de răcire.

Toate acestea, potrivit experților, vor face posibilă aducerea eficienței efective a unui motor cu ardere internă care funcționează pe hidrogen la 42-45%, ceea ce este destul de comparabil cu eficiența generatoarelor electrochimice, pentru care în prezent nu există date privind economia eficiența în condițiile de funcționare reală a vehiculului, luând în considerare acționarea unităților auxiliare, salonul de încălzire etc.

În jurul lumii circulă aproximativ cincizeci de milioane de mașini care funcționează cu benzină sau motorină. Petrolul nu este nelimitat, ceea ce înseamnă că apare întrebarea - ce vor conduce mașinile în 30-40 de ani?

Ce combustibil este disponibil

Să începem cu vehicule hibride. Acestea combină un mic motor cu ardere internă (ICE) și o unitate electrică cu baterii. Energia din motor și din sistemul de frânare al vehiculului este utilizată pentru a încărca bateriile care alimentează acționarea electrică. Motoarele hibride tipice sunt cu 20-30% mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil decât ICE-urile tradiționale și emit semnificativ mai puțini poluanți.

După cum știm, hibrizii nu vor merge departe fără benzină, așa că vom elimina această opțiune. Mașinile electrice par a fi în continuare cea mai bună opțiune, dar există puține mașini electrice normale. Iar rezerva lor de putere este prea mică, mai ales dacă călătoriți pe distanțe mari. Costul este, de asemenea, mare. Această opțiune este pentru viitor și trebuie să căutați un combustibil alternativ acum.

Mai jos, lista se duce vehicule cu combustibil alternativ, cum ar fi combustibilul alcoolic, biodieselul sau etanolul. Această opțiune, la prima vedere, pare a fi excelentă, în plus, sunt create mașini cu combustibili alternativi și s-au arătat excelent. Dar dacă toate mașinile sunt „transplantate” în biocombustibil, atunci mâncarea va crește, deoarece pentru producerea acestui tip de combustibil sunt necesare suprafețe mari cultivate.

Un alt lucru este hidrogenul pentru realimentarea mașinilor. Este mai promițător din mai multe motive: masa unei baterii cu hidrogen este mai mică, alimentarea cu combustibil este mai rapidă, producția de baterii este mai scumpă și necesită mai multe elemente exotice diferite, o rețea de stații de alimentare este mult mai ușor de organizat decât încărcătoarele, există alte avantaje ...

Este electricitatea combustibilul viitorului?

Companiile auto investesc deja sume uriașe de bani în dezvoltarea combustibililor alternativi, se creează vehicule electrice cu o rază lungă de acțiune. Dacă la început aveau o rezervă de putere de cel mult 100 de kilometri, acum unii se pot lăuda cu o rezervă fără a reîncărca până la 300-400 de kilometri. Chiar dacă se dezvoltă tehnologii și apar noi tipuri de baterii pentru vehiculele electrice, atunci stocul poate fi mărit la 500 km.

Aplicabilitatea vehiculelor electrice cu o rezervă de putere mare nu se limitează la aceasta. Este necesar să se construiască benzinării în întreaga lume, ar trebui să existe un număr mare de ele. în plus realimentarea ar trebui să fie rapidă când mașina poate fi „alimentată” cu energie electrică pentru un timp de cel mult 1 oră (ideal 10-20 minute). Acum este nevoie de până la 16-24 de ore pentru a reîncărca complet, în funcție de capacitatea bateriilor.

După cum ați înțeles, este necesar să schimbați complet rețeaua rutieră, iar marile companii petroliere pot fi de acord cu acest lucru. Au un număr mare de stații de alimentare. Trebuie doar să puneți dozatoarele pentru realimentarea vehiculelor electrice în apropiere. Apoi, numărul de mașini cu tracțiune electrică va crește, deoarece problema alimentării cu combustibil va fi rezolvată.

Pe baza celor de mai sus: nu există încă baterii normale pentru vehiculele electrice care ar fi toate vremea și ar fi încărcate cel puțin în câteva minute. În plus, mașinile electrice sunt scumpe pentru majoritatea pasionaților de mașini. Dar cu timpul și dezvoltarea tehnologiilor, costurile lor vor scădea, vor deveni disponibile tuturor.

Biocombustibilii, produși din materiale vegetale și utilizați în unele țări, nu pot înlocui complet combustibilii cu hidrocarburi. Ponderea sa în cantitatea actuală de combustibil pentru motoarele cu ardere internă (denumită în continuare ICE) este mai mică de 1%.

Conversia la utilizarea energiei electrice este asociată cu anumite dificultăți și limitări. În special, kilometrajul vehiculelor electrice fără reîncărcare nu poate satisface nici măcar șoferii neexigenți. În plus, știința modernă nu este capabilă să ofere vehiculelor electrice baterii de stocare mici și puternice.

Utilizarea motoarelor hibride vă permite să reduceți semnificativ volumul de benzină consumat, dar nu eliminați complet utilizarea acestuia. Și costul mașinilor cu astfel de unități de putere nu este accesibil pentru toată lumea.

Introducere în energia hidrogenului și celulele de combustibil

Noul tip de combustibil trebuie să îndeplinească multe cerințe:

1. Să aibă suficiente resurse de materie primă.
2. Costul său nu ar trebui să fie ridicat.
3. Motoarele moderne cu ardere internă ar trebui, fără modificări sau cu numărul lor minim, să lucreze cu combustibil nou.
4. Emisia de substanțe nocive de către un motor în funcțiune ar trebui să fie minimă.
5. noul combustibil trebuie să fie mai mare decât cel existent.

Istoria utilizării hidrogenului ca combustibil

Hidrogenul ca combustibil pentru motoarele cu ardere internă nu este nou. În 1806, inventatorul François Isaac de Riva a brevetat primul motor cu hidrogen din Franța. Dar invenția sa nu a primit recunoaștere și nu a avut succes. De la mijlocul secolului al XIX-lea, benzina a fost folosită pe scară largă ca combustibil. În Leningradul asediat, în condițiile unei penurii totale de benzină, peste 600 de vehicule circulau cu succes pe hidrogen. După război, această experiență a fost uitată cu succes.

A doua jumătate a secolului trecut m-a forțat să mă întorc la combustibilul cu hidrogen și să mă angajez serios în cercetări științifice în acest domeniu. Mai mult, astfel de evoluții au fost realizate de oameni de știință din aproape toate țările dezvoltate.

Trebuie remarcat faptul că s-au obținut anumite succese în acest domeniu. Producători cunoscuți precum Honda, Toyota, Hyundai și alții produc propriile modele de mașini cu hidrogen.

Opțiuni pentru utilizarea hidrogenului ca combustibil

Există multe modalități de a utiliza hidrogenul ca combustibil pentru mașini:

1. Folosind numai hidrogen în sine.
2. Folosindu-l într-un amestec cu alți combustibili.
3. Utilizarea hidrogenului în pilele de combustibil.

Cea mai accesibilă metodă de producere a hidrogenului este astăzi metoda electrolitică, în care hidrogenul este obținut din apă prin acțiunea unui curent electric puternic care apare între electrozi polarizați opus. Astăzi mai mult de 90% din hidrogenul produs este produs din gaze de hidrocarburi.

Utilizarea hidrogenului pur pentru alimentarea unui motor cu ardere internă a fost mult timp testată. Și nu este utilizat pe scară largă, în special, din mai multe motive obiective. Și anume:

1. Consumul ridicat de energie al metodelor actuale de obținere a acestui tip de combustibil.
2. Necesitatea de a crea și utiliza recipiente super-strânse pentru stocarea hidrogenului produs.
3. Lipsa unei rețele de stații pentru realimentarea autovehiculelor cu hidrogen.

Dintre echipamentele suplimentare pentru arderea hidrogenului în motorul cu ardere internă al unei mașini, sunt instalate doar un sistem de alimentare cu hidrogen și un rezervor pentru stocarea acestuia. Această metodă permite utilizarea atât a hidrogenului, cât și a benzinei ca combustibil. Este folosit în mașinile lor cu hidrogen de către giganți auto precum BMW și Mazda.

Este posibil să se utilizeze hidrogen într-un amestec cu combustibil hidrocarbonat tradițional. Utilizarea acestei metode se datorează acelorași probleme ca și metoda de funcționare a unui motor cu ardere internă pe hidrogen pur și oferă economii semnificative în benzină sau motorină.

Dar mulți experți și producători de automobile recunosc cele mai preferabile mașini care utilizează celule de combustibil. Fără a intra în detalii tehnice, acest proces poate fi descris ca combinând hidrogenul și oxigenul într-un dispozitiv numit celulă de combustibil, în urma căruia este generat un curent electric care este furnizat motoarelor electrice care conduc mașina. Un produs secundar al acestui proces este apa, care este evacuată în exterior sub formă de abur. Această metodă este utilizată în mod activ de producători auto precum Nissan, Toyota și Ford.

Avantajele utilizării combustibilului cu hidrogen. Cel mai important avantaj al motoarelor cu hidrogen este. Utilizarea hidrogenului va elimina o cantitate imensă de tot felul de substanțe nocive care intră în spațiul înconjurător sub formă de gaze de eșapament atunci când se utilizează combustibili cu hidrocarburi.

Atractiv în realitățile actuale este faptul că nu se pierde posibilitatea de a folosi aceeași benzină.

Absența unor sisteme complexe și costisitoare de alimentare cu combustibil poate fi atribuită, fără îndoială, și avantajelor semnificative ale ICE-urilor cu hidrogen față de cele tradiționale.

Și, desigur, nu se poate să nu spunem despre eficiența semnificativ mai mare a motorului cu hidrogen, în comparație cu versiunile clasice ale motorului cu ardere internă.

Dezavantaje ale mașinilor cu hidrogen. Acestea includ creșterea greutății vehiculului datorită instalării unui rezervor de hidrogen și a altor echipamente suplimentare.

Siguranță destul de scăzută atunci când ardeți hidrogen pur într-un motor cu ardere internă. Este foarte probabil să se aprindă și chiar să explodeze.

Costul ridicat al celulelor de combustibil cu hidrogen, pe care mulți producători de automobile îl subliniază.

Imperfecțiunea rezervoarelor actuale de stocare a hidrogenului într-o mașină. Până în prezent, oamenii de știință nu au o părere fără echivoc despre materialele din care este necesar să se facă rezervoare de automobile pentru hidrogen.

Lipsa unei rețele de stații pentru realimentarea autovehiculelor cu hidrogen face foarte dificilă funcționarea unei mașini cu hidrogen.

concluzii

În ciuda problemelor și deficiențelor tehnice semnificative, utilizarea hidrogenului ca principal tip de combustibil în viitor are. Nu există nicio alternativă, cel puțin astăzi.

Scăderea volumului de hidrocarburi și degradarea mediului.

Cele mai mari zone metropolitane ale lumii vă întâmpină cu un aspect gri: smog greu înghețat peste oraș, format din gaze de eșapament.

Alături de fum, dioxidul de carbon este eliberat în aer, ceea ce ne schimbă climatul de pe Pământ.

De asemenea, multe state se gândesc la independența energetică.

Nu vă faceți griji, mașina nu va dispărea. După cum ați citit, oamenii de știință de astăzi explorează combustibilii viitorului. Pe ce vor funcționa motoarele mașinilor de mâine? Să aruncăm o privire asupra celor mai promițători trei candidați.

Hidrogenul este combustibilul epocii spațiale

1. consumă mai mult de energie decât benzina sau bateria unui vehicul electric;
2. apa ca evacuare;
3. se umple repede.

1. foarte scump de fabricat;
2. dificultate în depozitare și transport;
3. incompatibilitate cu infrastructura de astăzi.

Rezultat:

Pe hârtie, hidrogenul este un combustibil foarte promițător, dar problemele sale ridicate de cost și stocare împiedică utilizarea sa pe scară largă în viitorul apropiat.

Când oamenii de știință au avut nevoie de combustibil pentru industria spațială, și-au îndreptat atenția asupra hidrogenului. Celulele de combustibil cu hidrogen au fost folosite pentru a alimenta electronica în modulele de comandă, inclusiv misiunea din 1969 în care oamenii au aterizat pentru prima dată pe Lună.

Deși unitățile de putere arată neobișnuit, ele sunt totuși foarte asemănătoare cu bateriile. De asemenea, generează electricitate, ceea ce face ca o mașină alimentată de un element similar să devină un vehicul electric. Două substanțe chimice interacționează pentru a genera electricitate în pilele de combustibil.

Se pot utiliza alții, inclusiv metanol și etanol. Dar hidrogenul este utilizat în general, deoarece are un conținut ridicat de energie pe unitate de greutate, iar apa este un produs secundar. Prin urmare, dacă aveți o mașină cu hidrogen, puteți bea evacuarea acesteia.

Celulele de combustibil au dimensiuni aproape nelimitate și pot fi utilizate într-o varietate de vehicule.

Dar nu totul este atât de roz. Din păcate, pilele de combustibil cu hidrogen prezintă dezavantaje grave.

În primul rând, energia nu este stocată în ele.

În al doilea rând, nu există surse naturale mari de hidrogen pur pe Pământ, spre deosebire de combustibilii fosili. Aceasta înseamnă că trebuie produsă de la zero. De asemenea, hidrogenul este o substanță foarte consumatoare de energie. Acest avantaj devine, de asemenea, un dezavantaj, deoarece necesită multă energie pentru producție.

În ciuda unor noi tehnologii promițătoare, astăzi, în aproape toate scenariile industriale imaginabile, costul hidrogenului depășește prețul benzinei.

În plus, hidrogenul este un gaz. Pentru utilizare, trebuie comprimat sub presiune ridicată, ceea ce face dificilă depozitarea și transportul. De exemplu, pentru a stoca 5 kg de hidrogen, este necesar un rezervor mare de 171 litri pentru a menține gazul la o presiune de 340 de ori mai mare decât presiunea atmosferică.

Umplerea vehiculelor cu gaz comprimat necesită o infrastructură costisitoare. Stația de alimentare cu hidrogen costă aproximativ 2 milioane USD. Adăugați costurile de transport și producere a hidrogenului. Toate acestea vor necesita investiții semnificative pe termen lung.

Cu toate acestea, mulți producători auto au creat prototipuri de vehicule cu pilă de combustibil cu hidrogen, inclusiv Fiat, Volkswagen și BMW. Și Peugeot-Citroen a construit chiar și un ATV alimentat cu hidrogen.

Baterii - de înaltă tensiune în realitate

1. fără evacuare;
2. muncă aproape tăcută;
3. rețeaua este utilizată pentru încărcare;
4. bateriile sunt deja în producție de masă.

1. dimensiuni mari;
2. greu;
3. timp lung de încărcare;
4. cea mai mare parte a energiei electrice din multe țări este generată de centrale electrice pe cărbune.

Rezultat:

Mașina electrică este un vis de multă vreme al inventatorului. Cu sprijinul guvernamental și industrial adecvat, acesta ar fi devenit mainstream cu mult timp în urmă. Există multe teorii ale conspirației despre ceea ce a ucis mașina curată. Dar orice poveste despre vehiculele electrice trebuie să înceapă cu o discuție despre energie.

După 20 de ani de dezvoltare tehnologică, bateria litiu-ion este astăzi copilul de aur. Este mult mai ușor, deține mai multă putere și este mai eficient decât bateriile predecesoare. Sunt utilizate în toate produsele electronice de larg consum.

Cu toate acestea, cele mai bune baterii de astăzi produc substanțial mai puțină energie decât hidrogenul sau benzina. Autonomia medie a unui vehicul electric este de 60 km. Prin urmare, tehnologiile de energie curată se adaugă celor tradiționale.

Deși posibilitățile vehiculelor electrice sunt în continuă expansiune. De exemplu, Mini-E parcurge 240 km cu o singură încărcare. Însă Mini E este o mașină minusculă cu o baterie mare care cântărește mai mult de 300 kg, ceea ce i-a obligat pe designeri să sacrifice scaunele din spate.

În afară de teribila gamă, mai există un defect. Bateriile se încarcă foarte lent.

Cu toate acestea, inovațiile tehnologice sunt introduse pentru a face față diferitelor probleme. Compania israeliană a luat o cale neobișnuită: crearea de puncte pentru înlocuirea bateriilor uzate.

Alte soluții includ introducerea de stații puternice în care timpul de încărcare poate fi redus la treizeci de minute. De asemenea, este posibil să încărcați baterii speciale în doar 10 secunde folosind tensiuni foarte mari. Dar dacă ceva nu merge bine, există pericolul de a afecta grav sănătatea.

În mod colectiv, problemele tehnice de mai sus au ucis primul vehicul electric produs în serie, EV-1 GM.

Cu toate acestea, progresul nu stă pe loc. Multe companii din întreaga lume cercetează noi tipuri de celule pentru a crea baterii mai înfometate și mai ușor de întreținut. Și ora nu este lungă când vom înceta să mai respirăm smogul orașului.

Biocombustibili - Mama Natură în Salvare

1. nu este nevoie de infrastructură nouă;
2. CV-uri;
3. este un carbon neutru;
4. produs și aplicat.

1. poate dăuna vehiculelor mai vechi;
2. concurență cu producția de alimente;
3. este necesară o cantitate mare de biomasă pentru a satisface cererea mondială.

Rezultat:

Biocombustibilii sunt deja folosiți astăzi. Odată cu dezvoltarea în continuare a tehnologiei și creșterea producției, utilizarea acesteia va crește. În ciuda tuturor perspectivelor, impactul asupra mediului este un subiect de discuții intense.

Biocombustibili - Orice combustibil fabricat din materiale biologice precum așchii de lemn, zahăr sau ulei vegetal. Biocombustibilul diferă de cel tradițional prin două proprietăți importante.

În timpul extragerii și arderii resurselor de energie fosilă, dioxidul de carbon suplimentar este eliberat și se acumulează în atmosferă. Iar biocombustibilii sunt produși din culturi care utilizează dioxidul de carbon din mediu pentru fotosinteză. Prin urmare, atunci când se utilizează biocombustibili, nu se emite dioxid de carbon nou (carbon neutru), ceea ce nu duce la schimbări climatice.

În plus, se cultivă materii prime pentru biocombustibili.

Dar câteva „pete murdare” de mediu strică imaginea roz.

Transformarea materialului biologic în biocombustibil necesită un proces de producție care consumă multă energie. Și, dacă nu provine din surse regenerabile, producția provoacă poluare.

A doua problemă este că înlocuirea combustibililor fosili din lume cu biocombustibili necesită o cantitate imensă de biomasă nouă. Acest lucru ar putea reduce semnificativ aprovizionarea cu alimente la nivel mondial. Etanolul este obținut în mod tradițional din cereale. Există surse nealimentare precum uleiul de palmier. Dar acestea implică deseori distrugerea pădurilor virgine.

Vestea bună este că există o mare varietate de materiale biologice disponibile pentru a crea diferite tipuri de biocombustibili. Metan, aditivi pentru combustibil etanol, motorină mai grea.

Compania primește o cantitate semnificativă de subvenții guvernamentale, deoarece biocombustibilii sunt compatibili cu motoarele cu ardere existente. Prin urmare, nu sunt necesare infrastructuri și vehicule noi.

Producătorii s-au concentrat pe fabricarea etanolului din celuloză, părțile necomestibile ale plantelor. Aceasta are două avantaje. În primul rând, nu există concurență cu producția de alimente. În al doilea rând, celuloza este cel mai bogat material biologic de pe Pământ.

Suplimentele sunt utilizate în multe țări. De exemplu, în Australia, etanolul este combinat cu benzină într-un amestec de 10% cunoscut sub numele de E10. Aproape toate mașinile fabricate după 1986 pot fi conduse în siguranță. Biodieselul este un alt amestec de combustibil (B10).

Care va fi combustibilul viitorului?

Când rezervele de resurse de energie fosilă sunt reduse la volume critice, va câștiga cea mai ieftină și mai rapidă alternativă.

Prin urmare, biocombustibilii conduc în prezent cursa. Este deja la vânzare, este utilizat pe scară largă și scade în preț din cauza creșterii producției. Mașinile electrice vin pe locul doi cu o mică marjă. Mașinile cu hidrogen fără infrastructură sunt pe ultimul loc.

O descoperire tehnologică bruscă, cum ar fi o modalitate ieftină de a stoca cantități mari de hidrogen, ar putea schimba jocul.

În acest moment, hidrogenul este cel mai dezvoltat „combustibil al viitorului”. Există mai multe motive pentru aceasta: atunci când hidrogenul este oxidat, apa se formează ca subprodus, iar hidrogenul poate fi extras din acesta. Și dacă considerăm că 73% din suprafața Pământului este acoperită cu apă, atunci putem presupune că hidrogenul este un combustibil inepuizabil. De asemenea, este posibil să folosim hidrogen pentru fuziunea termonucleară, care are loc pe Soarele nostru de câteva miliarde de ani și ne furnizează energie solară.

Fuziune termonucleară controlată

Fuziunea termonucleară controlată folosește energia nucleară eliberată din fuziunea nucleelor ​​ușoare, cum ar fi nucleele hidrogenului sau izotopii săi deuteriu și tritiu. Reacțiile de fuziune nucleară sunt răspândite în natură, fiind sursa de energie a stelelor. Cea mai apropiată stea de noi - Soarele - este un reactor termonuclear natural care furnizează energie vieții de pe Pământ de mai multe miliarde de ani. Fuziunea nucleară a fost deja stăpânită de om în condiții terestre, dar până acum nu pentru producerea de energie pașnică, ci pentru producerea de arme, este utilizată în bombele cu hidrogen. Începând cu anii 50, în țara noastră și în paralel în multe alte țări, s-au efectuat cercetări pentru a crea un reactor termonuclear controlat. Încă de la început a devenit clar că fuziunea termonucleară controlată nu are nicio aplicație militară. În 1956, cercetarea a fost declasificată și de atunci a fost efectuată în cadrul unei largi cooperări internaționale. În acel moment, se părea că obiectivul era aproape și că primele mari instalații experimentale, construite la sfârșitul anilor 1950, vor primi plasmă termonucleară. Cu toate acestea, a fost nevoie de mai mult de 40 de ani de cercetare pentru a crea condiții în care eliberarea energiei termonucleare este comparabilă cu puterea de încălzire a amestecului care reacționează. În 1997, cea mai mare instalație termonucleară, Tokamak european, JET, a primit 16 MW de energie termonucleară și s-a apropiat de acest prag.

Generator de electrohidrogen

Ca rezultat al muncii desfășurate, a fost inventat și brevetat un sistem simplu de înaltă performanță pentru descompunerea apei și producerea de hidrogen ieftin fără precedent din aceasta prin metoda electrolizei gravitaționale a unei soluții de electroliți, denumită „generator de electrohidrogen (EHG)”. Este acționat de o acționare mecanică și funcționează la temperatura normală în modul pompă de căldură, absorbind căldura necesară din mediu prin schimbătorul său de căldură sau utilizând pierderile de căldură de la centralele industriale sau de transport. În procesul de descompunere a apei, excesul de energie mecanică furnizat unității EVG poate fi transformat cu 80% în energie electrică, care este apoi utilizată de orice consumator pentru nevoile unei sarcini utile externe. În același timp, pentru fiecare unitate de putere de acționare consumată de generator, în funcție de modul de funcționare specificat, se absoarbe de la 20 la 88 de unități de energie de căldură slabă, ceea ce compensează efectul termic negativ al reacției chimice a descompunerea apei. Un metru cub din volumul convențional de lucru al generatorului, care funcționează în modul optim cu o eficiență de 86-98%, este capabil să producă 3,5 m3 de hidrogen pe secundă și în același timp aproximativ 2,2 MJ de curent electric continuu. Puterea termică a unității EVG, în funcție de problema tehnică rezolvată, poate varia de la câteva zeci de wați la 1000 MW.

Mașina „hidrogen”

Compania franceză de automobile Renault, împreună cu Nuvera Fuel Cells, intenționează să dezvolte un vehicul de producție care utilizează hidrogen ca combustibil până în 2010 (Fig. 6)

Orez. 6

Nuvera este o mică companie americană care dezvoltă alternative la motoarele pe benzină și diesel dominante din 1991. Dezvoltarea Nuvera se bazează pe așa-numita celulă de combustibil. O celulă de combustibil este un dispozitiv fără părți în mișcare care reacționează chimic hidrogen și oxigen pentru a genera electricitate. Subprodusele reacției sunt căldura generată și puțină apă.

Principiul „celulei de combustibil” este fundamental diferit de procesul convențional de electroliză utilizat în prezent în baterii și acumulatori. Dezvoltatorii susțin că produsele lor sunt în esență o „baterie eternă” cu o durată de viață foarte lungă. În plus, spre deosebire de o baterie convențională, „celula de combustibil” nu trebuie să fie reîncărcată.

„Baterii cu hidrogen”

Un grup de ingineri de la Massachusetts Institute of Technology lucrează cu specialiști din alte universități și companii pentru a dezvolta un motor cu combustibil miniatural care ar putea înlocui bateriile și acumulatorii în viitor.

Revista Popular Science, care a publicat un articol despre cercetările oamenilor de știință americani, nu a putut rezista încântării: „Imaginați-vă viața fără baterie!