Introducere
Studiile asupra Soarelui, stelelor, spațiului interstelar arată că cel mai abundent element al Universului este hidrogenul (în spațiu, sub formă de plasmă fierbinte, reprezintă 70% din masa Soarelui și a stelelor).
Conform unor calcule, în fiecare secundă în adâncurile Soarelui, aproximativ 564 de milioane de tone de hidrogen sunt convertite în 560 de milioane de tone de heliu ca urmare a fuziunii termonucleare, iar 4 milioane de tone de hidrogen sunt transformate în radiații puternice care intră în exterior. spaţiu. Nu există nicio teamă că soarele va rămâne în curând fără rezerve de hidrogen. A existat de miliarde de ani, iar furnizarea de hidrogen din el este suficientă pentru a asigura același număr de ani de ardere.
Omul trăiește într-un univers hidrogen-heliu.
Prin urmare, hidrogenul este de mare interes pentru noi.
Influența și beneficiile hidrogenului în aceste zile sunt foarte mari. Aproape toate tipurile de combustibil cunoscute acum, cu excepția, bineînțeles, a hidrogenului, poluează mediul. Grădinăritul are loc anual în orașele țării noastre, dar acest lucru, după cum puteți vedea, nu este suficient. Milioane de modele de mașini noi care sunt produse acum sunt pline cu combustibil care eliberează gaze de dioxid de carbon (CO 2 ) și monoxid de carbon (CO) în atmosferă. Respirarea unui astfel de aer și a fi în mod constant într-o astfel de atmosferă reprezintă un foarte mare pericol pentru sănătate. Din aceasta, apar diverse boli, multe dintre care practic nu sunt supuse tratamentului și, cu atât mai mult, este imposibil să le trateze, în timp ce continuă să fie în atmosferă, s-ar putea spune, „contaminată” cu gaze de eșapament. Ne dorim să fim sănătoși, și bineînțeles, ne dorim ca generațiile care ne vor urma să nu se plângă și să sufere de aerul poluat constant, ci, dimpotrivă, să ne amintim și să avem încredere în proverbul: „Soarele, aerul și apa sunt ale noastre. cei mai buni prieteni."
Între timp, nu pot spune că aceste cuvinte se justifică de la sine. Deja trebuie să închidem ochii la apă, pentru că acum, chiar dacă ne luăm anume orașul, sunt fapte că de la robinete curge apă poluată și în niciun caz nu trebuie să o bei.
În ceea ce privește aerul, o problemă la fel de importantă se află pe ordinea de zi de mulți ani. Și dacă ne imaginăm, chiar și pentru o secundă, că toate motoarele moderne vor funcționa cu combustibil prietenos cu mediul, care, desigur, este hidrogen, atunci planeta noastră se va angaja pe calea care duce către un paradis ecologic. Dar toate acestea sunt fantezii și reprezentări, care, spre marele nostru regret, nu vor deveni curând realitate.
În ciuda faptului că lumea noastră se apropie de o criză de mediu, toate țările, chiar și cele care poluează mediul într-o măsură mai mare cu industria lor (Germania, Japonia, Statele Unite și, din păcate, Rusia) nu se grăbesc să intre în panică și începe o politică de urgență pentru a o curăța.
Indiferent cât de mult vorbim despre efectul pozitiv al hidrogenului, în practică acest lucru poate fi văzut destul de rar. Dar, cu toate acestea, multe proiecte sunt în curs de dezvoltare, iar scopul muncii mele nu a fost doar să spun despre cel mai minunat combustibil, ci și despre aplicarea lui. Acest subiect este foarte relevant, deoarece acum locuitorii nu numai din țara noastră, ci și din întreaga lume, sunt îngrijorați de problema ecologiei și posibilele modalități de rezolvare a acestei probleme.
Hidrogenul pe Pământ
Hidrogenul este unul dintre cele mai abundente elemente de pe Pământ. În scoarța terestră, din 100 de atomi, 17 sunt atomi de hidrogen. Reprezintă aproximativ 0,88% din masa pământului (inclusiv atmosfera, litosfera și hidrosfera). Dacă vă amintiți că apa de pe suprafața pământului este mai mult
1,5 ∙ 10 18 m 3 și că fracția de masă a hidrogenului din apă este de 11,19%, devine clar că există o cantitate nelimitată de materii prime pentru producerea hidrogenului pe Pământ. Hidrogenul face parte din petrol (10,9 - 13,8%), lemn (6%), cărbune (cărbune brun - 5,5%), gaze naturale (25,13%). Hidrogenul face parte din toate organismele animale și vegetale. Se găsește și în gazele vulcanice. Cea mai mare parte a hidrogenului intră în atmosferă ca urmare a proceselor biologice. Când miliarde de tone de reziduuri vegetale se descompun în condiții anaerobe, o cantitate semnificativă de hidrogen este eliberată în aer. Acest hidrogen din atmosferă se disipează rapid și difuzează în atmosfera superioară. Având o masă mică, moleculele de hidrogen au o viteză mare de mișcare de difuzie (este aproape de a doua viteză cosmică) și, căzând în straturile superioare ale atmosferei, pot zbura în spațiul cosmic. Concentrația de hidrogen în atmosfera superioară este de 1 ∙ 10 -4%.
Ce este tehnologia hidrogenului?
Tehnologia hidrogenului înseamnă un ansamblu de metode și mijloace industriale de producere, transport și stocare a hidrogenului, precum și mijloace și metode de utilizare în siguranță a acestuia bazate pe surse inepuizabile de materii prime și energie.
Care este atracția hidrogenului și tehnologiei hidrogenului?
Tranziția transportului, a industriei și a vieții de zi cu zi la arderea hidrogenului este calea către o soluție radicală a problemei protejării bazinului aerian de poluarea cu oxizi de carbon, azot, sulf și hidrocarburi.
Tranziția la tehnologia hidrogenului și utilizarea apei ca unica sursă de materii prime pentru producția de hidrogen nu pot schimba nu numai echilibrul hidric al planetei, ci și echilibrul hidric al regiunilor sale individuale. Astfel, cererea anuală de energie a unei țări atât de industrializate precum Republica Federală Germania poate fi asigurată de hidrogenul obținut dintr-o asemenea cantitate de apă, ceea ce corespunde la 1,5% din scurgerea medie a râului Rin (2180 de litri de apă dau 1 aici sub forma H 2). Să remarcăm în treacăt că în fața ochilor noștri devine reală una dintre presupunerile geniale ale marelui scriitor de science fiction Jules Verne, care pe buzele eroului romului „Insula misterioasă” (Capitolul XVII) declară: „Apa este cărbunele secolelor viitoare”.
Hidrogenul obținut din apă este unul dintre cei mai bogați purtători de energie. La urma urmei, căldura de ardere a 1 kg de H 2 este (la limita inferioară) 120 MJ / kg, în timp ce căldura de ardere a benzinei sau a celui mai bun combustibil de aviație cu hidrocarburi este de 46 - 50 MJ / kg, adică. De 2,5 ori mai puțin de 1 tonă de hidrogen corespunde în energie echivalentă cu 4,1 tep, în plus, hidrogenul este un combustibil ușor de regenerat.
Este nevoie de milioane de ani pentru a acumula combustibili fosili pe planeta noastră, iar pentru a obține apă din apă în ciclul de obținere și utilizare a hidrogenului, este nevoie de zile, săptămâni și uneori ore și minute.
Dar hidrogenul ca combustibil și materie primă chimică are și o serie de alte calități cele mai valoroase. Versatilitatea hidrogenului constă în faptul că poate înlocui orice tip de combustibil în cele mai diverse domenii ale energiei, transporturilor, industriei și în viața de zi cu zi. Înlocuiește benzina în motoarele de automobile, kerosenul în motoarele de avioane cu reacție, acetilena în procesele de sudare și tăiere a metalelor, gazele naturale pentru uz casnic și de altă natură, metanul în celulele de combustie, cocsul în procesele metalurgice (reducerea directă a minereurilor), hidrocarburile într-un numărul de procese microbiologice. Hidrogenul se transportă cu ușurință prin conducte și se distribuie printre consumatorii mici; poate fi obținut și stocat în orice cantitate. Totodată, hidrogenul este o materie primă pentru o serie de sinteze chimice importante (amoniac, metanol, hidrazină), pentru producerea de hidrocarburi sintetice.
Cum și din ce se obține hidrogenul în prezent?
Tehnologii moderni au la dispoziție sute de metode tehnice de producere a hidrogenului, gazelor de hidrocarburi, hidrocarburilor lichide și apei. Alegerea acestei metode este dictată de considerente economice, disponibilitatea materiilor prime adecvate și a resurselor energetice. Țări diferite pot avea situații diferite. De exemplu, în țările în care există surplus de energie electrică ieftină generată de centralele hidroelectrice, hidrogenul poate fi obținut prin electroliza apei (Norvegia); acolo unde există mult combustibil solid și hidrocarburile sunt scumpe, hidrogenul poate fi obținut prin gazeificarea combustibilului solid (China); unde există petrol ieftin, puteți obține hidrogen din hidrocarburi lichide (Orientul Mijlociu). Cu toate acestea, cel mai mult hidrogenul este obținut în prezent din hidrocarburi gazoase prin conversia metanului și a omologilor săi (SUA, Rusia).
În procesul de transformare a metanului cu vapori de apă, dioxid de carbon, oxigen și monoxid de carbon cu vapori de apă, au loc următoarele reacții catalitice. Luați în considerare procesul de producere a hidrogenului prin transformarea gazului natural (metan).
Producția de hidrogen se realizează în trei etape. Prima etapă este conversia metanului într-un cuptor cu tuburi:
CH4 + H20 = CO + 3H2 - 206,4 kJ/mol
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 - 248,3 kJ/mol.
A doua etapă este asociată cu preconversia metanului rezidual din prima etapă cu oxigenul atmosferic și introducerea de azot în amestecul gazos dacă se folosește hidrogen pentru sinteza amoniacului. (Dacă se obține hidrogen pur, a doua etapă, în principiu, poate să nu existe).
CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2 + 35,6 kJ/mol.
Și, în sfârșit, a treia etapă este conversia monoxidului de carbon cu vapori de apă:
CO + H20 = CO2 + H2 + 41,0 kJ/mol.
Toate aceste etape necesită vapori de apă, iar prima etapă necesită multă căldură, prin urmare procesul din punct de vedere al tehnologiei energetice se realizează în așa fel încât cuptoarele tubulare să fie încălzite din exterior de metanul ars în cuptoare și căldura reziduală a cuptoarelor de ardere este utilizată pentru obţinerea vaporilor de apă.
Să luăm în considerare cum se întâmplă acest lucru într-un mediu industrial (Schema 1). Gazul natural, care conține în principal metan, este prepurificat din sulf, care este o otravă pentru catalizatorul de conversie, este încălzit la o temperatură de 350 - 370 o С și la o presiune de 4,15 - 4,2 MPa este amestecat cu abur în raport. de volume de abur: gaz = 3,0: 4,0. Presiunea gazului din fața cuptorului cu tuburi, raportul exact abur:gaz, este menținută de regulatoare automate.
Amestecul vapor-gaz rezultat la 350 - 370 o C intră în încălzitor, unde din cauza gazelor de ardere este încălzit la 510 - 525 o C. Apoi amestecul vapori-gaz este trimis la prima etapă de conversie a metanului - într-un cuptor tubular, în care este distribuit uniform peste tuburi de reacție dispuse vertical (opt). Temperatura gazului transformat la ieșirea din tuburile de reacție atinge 790 - 820 o C. Conținutul de metan rezidual după cuptorul tubular este de 9 - 11% (vol.). Conductele sunt umplute cu catalizator.
De unde puteți obține hidrogen este cunoscut de mult timp, cu câteva secole în urmă. Metoda de producere a hidrogenului a fost descrisă suficient de detaliat în publicație:
O.D. Khvolson, Curs de fizică, Berlin, 1923, voi. 3 și.
Se pare că, fără a încălca nicio lege a fizicii, puteți construi o mașină care va produce căldură datorită diferenței pozitive dintre energia de ardere a hidrogenului și energia cheltuită pentru obținerea acestuia în procesul de electroliză a apei.
Mai exact, 2 g de hidrogen, atunci când sunt arse, eliberează 67,54 calorii mari de căldură, iar în timpul electrolizei unei soluții de acid sulfuric, la o tensiune de 0,1 volți, se vor cheltui mai puțin de 5 calorii mari de căldură pentru a obține aceeași cantitate de hidrogen. . Concluzia este că electroliza nu consumă energia separării moleculei de apă în oxigen și hidrogen. Acest lucru este efectuat fără participarea noastră de către forțele intermoleculare în timpul disocierii apei de către ionii de acid sulfuric. Cheltuim energie doar pentru a neutraliza sarcinile ionilor de hidrogen existenti si restul de SO- Cantitatea de hidrogen eliberata nu depinde de energie, ci doar de cantitatea de electricitate egala cu produsul dintre puterea curentului si timpul acestuia. trecere.
Când hidrogenul este ars, se eliberează exact energia care ar trebui făcută pentru a rupe o moleculă de hidrogen din oxigenul din aer. Și asta înseamnă 67,54 calorii mari. Excesul de energie rezultat poate fi folosit în diferite moduri.
Puteți obține hidrogen direct de la benzinării și alimentați mașinile cu el.
Într-o locuință, luând un kilowatt oră de energie din rețea, putem obține 10 kWh de energie termică pentru nevoile casnice. Acesta este un fel de amplificator de energie. Nu va fi nevoie de conducte de gaz, rețea de încălzire și încăperi de cazane. Energia va fi pregătită direct în apartament din apă, iar din nou doar apa va fi risipă.
În instalațiile industriale mari, chiar și cu o eficiență de 33%, ca în centralele nucleare de astăzi, care arde hidrogen, vom primi energie electrică de câteva ori mai mult decât a fost cheltuită pentru obținerea acestui hidrogen.
Utilizarea hidrogenului ca combustibil pentru mașini este atractivă datorită mai multor avantaje speciale:
- atunci când hidrogenul arde în motor, se formează aproape doar apă, ceea ce face ca motorul alimentat cu hidrogen să fie cel mai ecologic;
- proprietăți energetice ridicate ale hidrogenului (1 kg de hidrogen este echivalent cu aproape 4,5 kg de benzină);
- bază nelimitată de materie primă pentru producerea hidrogenului din apă.
Hidrogenul poate fi folosit ca combustibil pentru mașini în mai multe moduri diferite:
- numai hidrogenul în sine poate fi utilizat;
- hidrogenul poate fi utilizat împreună cu combustibilii convenționali;
- hidrogenul poate fi folosit în celulele de combustie.
Desigur, există anumite dificultăți tehnice care trebuie abordate. În urmă cu aproximativ 30 de ani, academicianul A.P. Aleksandrov, a susținut un seminar despre energia hidrogenului. S-a discutat deja despre proiecte tehnice. S-a presupus că energia atomică va fi folosită pentru a produce hidrogen și va fi deja folosită ca combustibil. Dar era evident că ei și-au dat seama curând că energia nucleară nu este deloc necesară aici. Apoi, toate proiectele cu hidrogen au fost irosite, pentru că nu era nevoie de combustibil cu hidrogen, ci de plutoniu.
Scriitorul L. Ulitskaya, genetician de educație, a scris în Obshchaya Gazeta în perioada 16-22 mai 2002. „Perioada romantică din istoria științei a luat sfârșit. Sunt absolut sigur că sursele ieftine de energie electrică au fost dezvoltate de mult timp și că aceste evoluții sunt în seifurile regilor petrolului. Sunt convins că astăzi știința funcționează în așa fel încât ei nu pot decât să o facă. Dar până când ultima picătură de petrol nu va fi arsă, astfel de evoluții nu vor fi eliberate din seif, nu au nevoie de o redistribuire a banilor, pace, putere, influență.”
Până acum, susținătorii dezvoltării energiei nucleare ridică întrebarea coroană: unde este alternativa la atom? O opoziție acerbă ar trebui așteptată nu numai din partea susținătorilor energiei nucleare, ci și din partea întregului complex de combustibil și energie. Nu vor precupeți efort și bani pentru a îngropa problema combustibilului cu hidrogen împreună cu entuziaștii săi.
Mai mult de 90% din hidrogen este obținut în procesele de rafinare a petrolului și petrochimice. De asemenea, hidrogenul este generat atunci când gazul natural este transformat în gaz de sinteză. Procesul de obținere a hidrogenului prin electroliza apei este extrem de costisitor; din punct de vedere al consumului de energie, acesta este practic egal cu cantitatea de energie obținută în timpul arderii hidrogenului într-un motor.
Astăzi, aproape tot hidrogenul produs este folosit în diferite procese de rafinare a petrolului și petrochimice.
Cu aer, hidrogenul se aprinde stabil într-o gamă largă de concentrații, ceea ce asigură funcționarea stabilă a motorului la toate regimurile de viteză.
Practic nu există oxizi de carbon (CO și CO2) și hidrocarburi nearse (CH) în gazele de eșapament, dar emisia de oxizi de azot este de două ori mai mare decât emisia de oxizi de azot a unui motor pe benzină.
Datorită reactivității ridicate a hidrogenului, există posibilitatea pătrunderii flăcării în galeria de admisie și aprinderea prematură a amestecului. Dintre toate opțiunile de eliminare a acestui fenomen, cea mai optimă este injectarea de hidrogen direct în camera de ardere.
Problema utilizării hidrogenului ca combustibil pentru vehicule este depozitarea acestuia într-o mașină.
Sistemul de stocare a hidrogenului comprimat reduce volumul rezervorului, dar nu și masa acestuia din cauza grosimii crescute a peretelui. Stocarea hidrogenului lichid este o provocare, având în vedere punctul său de fierbere scăzut. Hidrogenul lichid este depozitat în recipiente cu pereți dubli.
Când hidrogenul este stocat sub formă de hidruri metalice, hidrogenul se află într-o stare legată chimic. Dacă hidrura de magneziu este utilizată ca hidrură de metal, raportul dintre hidrogen și metalul purtător este de aproximativ 168 kg de magneziu și 13 kg de hidrogen.
Temperatura ridicată de autoaprindere a amestecurilor hidrogen-aer face dificilă utilizarea hidrogenului în motoarele diesel. Aprinderea susținută poate fi asigurată prin aprindere forțată de la o lumânare.
Dificultățile în utilizarea hidrogenului și prețul său ridicat au condus la dezvoltarea unui combustibil combinat benzină-hidrogen. Utilizarea amestecurilor benzină-hidrogen permite reducerea consumului de benzină cu 50% la o viteză de 90 - 120 km/h și cu 28% la conducerea în oraș.
- site -Comentarii:
Sunt pentru combinat benzina-hidrogen
Și sunt în favoarea utilizării unui reactor mobil cu hidrogen, așa cum este descris mai sus. Și nu aveți nevoie de părți laterale și este în siguranță. Pentru siguranță, așa cum se știe deja, puteți folosi un sigiliu de apă.
Nimeni nu va putea porni hidrogen ca combustibil cât timp există ulei.... cum puteți obține sau vedea desenele pentru instalația pentru încălzirea sobei ……….
La începutul articolului se vorbește despre acidul sulfuric, apoi se menționează întâmplător apa. Deci cu ce fluid ne vom ocupa și cu ambiguitățile legate de mediu?
Nu sunt chimist, te rog să nu dai cu piciorul dacă ai omis ceva.
Dacă utilizați acid sulfuric cu o anumită concentrație medie, atunci după obținerea hidrogenului din acesta prin electroliză, este necesar să mențineți cumva concentrația de acid. Puteți doar să adăugați apă și să urmăriți hidrometrul, dar apa din sistemul de alimentare cu apă este departe de a fi distilată și evaporarea oxidului de sulf-6 într-un sistem cu scurgeri va avea loc, până la urmă, și gaz. Pentru a arde hidrogenul în oxigenul produs în paralel, pentru a asigura etanșeitatea, este necesar în porții mici, dar acesta este și antiexploziv. Ideea este bună, trebuie să încercați - electrolitul bateriei este disponibil, la fel și rețeaua de alimentare.
În cel de-al Doilea Război Mondial, hidrogenul a fost folosit pe Derijab-urile din Leningrad, iar mai târziu au fost folosite pentru a alimenta motoarele mașinilor cu trolii.
Uitați, aceasta este o teorie, de fapt, totul este corect, doar că aici hidrogenul este de 3 ori mai puțin caloric, să zicem gazul natural, iar eficiența unui astfel de motor este de 3 ori mai mică decât, să zicem, gazul natural, adică va zumzea la ralanti, dar nu va conduce. uitați de utilizarea combustibilului autosuficient cu hidrogen, aceasta este o utopie, dar intensificarea moleculară a combustibilului este benzină, gaz, motorină în motoarele cu ardere internă și în instalațiile de turbine cu gaz, acest lucru este promițător justificată din punct de vedere economic, deoarece randamentul motoarelor crește de 2-3 ori, reducând în același timp consumul de combustibil cu 38-50%, să zicem 100 km într-adevăr. Toate aceste neînțelegeri despre gazul lui Brown, Mayer și alții nu sunt nimic, așa că legile fizicii în timp ce părintele în -legea funcționează, nu este realist să obțineți gaz prin electroliză și nu este realist să mergeți la nm deoarece puterea rețelei auto nu este suficientă; generatorul unei mașini tipice produce un curent maxim de 7,5A, pentru funcționarea stabilă a electrolizorului, puterea curentului necesară este de cel puțin 2 ori mai mare, ceea ce înseamnă că vom planta akamulator suficient de repede și vom arde, de asemenea, ca regulator automat cu releu minim.Toate navigate. Dar există încă o soluție, deoarece numărul octanic al hidrogenului este de 1000, respectiv, este necesar să se alimenteze foarte puțin motorul, adică să se aducă curentul din electrolizor la 3-4 amperi și să se pregătească o benzină sau un combustibil. amestec imediat înainte de injectarea în camera de ardere, îmbogățindu-l cu gazul detonant rezultat. După cum a arătat practica pe mașinile subiecților Skoda Octavia, BMW-520., Opel Ascona și alții timp de aproximativ 5-7 ani, economiile s-au ridicat la 50% în funcție de tipul de combustibil al motorului, Resursa motorului a crescut de 2 ori, puterea motorului a crescut cu cel puțin 50%, cuplul a crescut în consecință.Un fenomen interesant se observă consumul de combustibil este aproape același ca în oraș și în ciclul suburban. Mașina devine plină de spirit și foarte agilă, viteza cu motorul de bază Skoda Octavia cu un volum de 1,6 litri crește viteză de până la o sută de km în 12 secunde, cu un intensificator molecular în 7 secunde .. . viteza maximă de croazieră a lui Octavia a fost de 195 km pe oră la setările din fabrică lea 120-1 30 de pe un deal, pe motoarele pe benzină ucise de un kilometraj mare, sa dovedit că bujiile amestecului devin eterne, au trecut fără înlocuire pentru 250 de mii de kilometri ...
H- dă ~ 75% mai mult J decât benzina și ~ 50% mai mult decât metanul (aș putea greși).
Mă întreb ce presiune creează H în cilindru?
HHO .prom.ua
Colectează lizire electrice de vânzare
mașina cu hidrogen este deja în funcțiune. peste 100 de mii de mașini din lume funcționează cu hidrogen.
Mă întreb cine este autorul acestei capodopere? În primul rând, el scrie: „Într-o casă, luând un kilowatt oră de energie din rețea, putem obține 10 kWh de energie termică pentru nevoile casnice”. Pur și simplu și cu gust, autorul propune o mașină obișnuită cu mișcare perpetuă. Puțin mai jos: „Procedeul de obținere a hidrogenului prin electroliza apei este extrem de costisitor, din punct de vedere al consumului de energie este practic egal cu cantitatea de energie obținută în timpul arderii hidrogenului într-un motor”. Se pare că autorul a scris-o cu mâini diferite, dar mâna dreaptă nu știe ce scrie mâna stângă și invers...
Yuri.
Autorul a vrut să spună că pentru cei cu putere și proprietate, generarea de hidrogen este cea mai benefică atunci când este sintetizat cu alte substanțe. Dar din nou, acestea sunt lanțuri întregi de măsuri tehnologice, ca să nu mai vorbim de echipamente scumpe. Există o mulțime de moduri, dar profitabilitatea trebuie luată în considerare. Eu cred că electroliza este cea mai rentabilă, deoarece energia eoliană este foarte ieftină. Și toate celelalte metode de producere a gazului.ob-hidrogen ar putea să nu fie profitabile din cauza uzurii echipamentelor și a complexului. Tehnolog. Procese ..
În prezent, multe probleme tehnice legate de introducerea energiei cu hidrogen au fost rezolvate. Toate companiile auto de top au modele conceptuale de mașini alimentate cu hidrogen. Există benzinării pentru aceste mașini. Cu toate acestea, costul hidrogenului este încă mult mai mare decât cel al benzinei sau al gazului natural. Pentru ca o nouă industrie să devină viabilă din punct de vedere comercial, este necesar să se atingă un nou nivel de producție de hidrogen și să-i reducă prețul.
Aproximativ o duzină de metode de producere a hidrogenului din diverse materii prime sunt acum cunoscute. Cea mai cunoscută este hidroliza apei, descompunerea acesteia la trecerea unui curent electric, dar necesită multă energie. Direcția principală de reducere a consumului de energie în electroliza apei este căutarea de noi materiale pentru electrozi și electroliți.
Sunt în curs de dezvoltare metode pentru producerea hidrogenului din apă folosind agenți reducători anorganici - metale electronegative și aliajele acestora cu adăugarea de metale activatoare. Astfel de aliaje sunt numite substanțe de stocare a energiei (EAS). Ele vă permit să obțineți orice cantitate de hidrogen din apă. O altă modalitate de a elibera hidrogenul din apă poate fi descompunerea sa fotoelectrochimică sub influența luminii solare.
Metodele comune includ procesarea în fază de vapori a metanului (gazului natural) și descompunerea termică a cărbunelui și a altor biomateriale. Ciclurile termochimice ale producției de hidrogen, metodele în fază de vapori de conversie a acestuia din cărbune și cărbune brun și turbă, precum și metoda de gazeificare subterană a cărbunelui pentru a produce hidrogen sunt promițătoare.
Un subiect separat este dezvoltarea catalizatorilor pentru producerea hidrogenului din materii prime organice - un produs al prelucrării biomasei. Dar, în același timp, împreună cu hidrogenul, se formează cantități semnificative de monoxid de carbon (CO), care trebuie eliminate.
O altă metodă promițătoare este procesul de prelucrare catalitică cu abur a etanolului. De asemenea, puteți obține hidrogen din cărbune (atât cărbunele, cât și maro) și chiar din turbă. De asemenea, hidrogenul sulfurat atrage din ce în ce mai multă atenție. Acest lucru se datorează consumului redus de energie pentru separarea electrolitică a hidrogenului de hidrogen sulfurat și rezervelor mari ale acestui compus din natură - în apa mărilor și oceanelor, în gaze naturale. Hidrogenul sulfurat se obține și ca produs secundar al industriilor de rafinare a petrolului, chimică și metalurgică.
Hidrogenul poate fi produs folosind tehnologii cu plasmă. Ele pot fi folosite pentru a gazeifica chiar și materiile prime de carbon de cea mai slabă calitate, cum ar fi deșeurile solide municipale. Ca sursă de plasmă termică se folosesc plasmatroni - dispozitive care generează un jet de plasmă.
Depozitarea hidrogenului
Există următoarele metode pentru stocarea hidrogenului direct într-o mașină: butelie de gaz, criogen, hidrură metalică.
În primul caz, hidrogenul este stocat sub formă comprimată la o presiune de aproximativ 700 atm. În același timp, masa hidrogenului este de numai aproximativ 3% din masa cilindrului și sunt necesare butelii foarte grele și voluminoase pentru a stoca orice cantitate notabilă de gaz. Ca să nu mai vorbim de faptul că fabricarea, încărcarea și funcționarea unor astfel de cilindri necesită precauții speciale din cauza pericolului de explozie.
Metoda criogenică presupune lichefierea hidrogenului și depozitarea acestuia în vase izolate la o temperatură de -235 de grade. Acesta este un proces destul de consumator de energie - lichefierea costă 30-40% din energia care se obține la utilizarea hidrogenului obținut. Dar, oricât de perfectă ar fi izolația termică, hidrogenul din rezervor se încălzește, presiunea crește și gazul este eliberat în atmosferă prin supapa de siguranță. Doar câteva zile - și rezervoarele sunt goale!
Cele mai promițătoare sunt dispozitivele de stocare solide, așa-numitele hidruri metalice. Acești compuși sunt capabili să absoarbă, ca un burete, hidrogenul în anumite condiții și să cedeze în altele, de exemplu, atunci când sunt încălziți. Pentru ca aceasta să fie viabilă din punct de vedere economic, o astfel de hidrură de metal trebuie să „absoarbă” cel puțin 6% hidrogen. Întreaga lume caută acum astfel de materiale. De îndată ce materialul va fi găsit, tehnologii îl vor ridica, iar procesul de „hidrogenizare” va continua.
Se știe că în anii 30 ai secolului trecut în Uniunea Sovietică la Bauman MVTU numit după N.E.Bauman Soroko-Novitsky V.I. efectul adăugărilor de hidrogen la benzină pe motorul ZIS-5. Sunt cunoscute și lucrări despre utilizarea ca combustibil hidrogen, care au fost realizate la noi de către 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, tehnicianul-locotenent Shelishch B.I. a propus folosi hidrogen, „A lucrat” în baloane, ca combustibil pentru motor pentru motoarele auto GAZ-AA.
Figura 1. Postul de apărare aeriană al frontului de la Leningrad al celui de-al Doilea Război Mondial, echipat cu o instalație de hidrogen
În fig. 1 în fundal, se vede coborât la pământ un balon cu hidrogen, din care hidrogenul este pompat într-un rezervor de gaz situat în prim plan. Din rezervorul de gaz cu hidrogen „uzat”, combustibilul gazos este alimentat cu ajutorul unui furtun flexibil către motorul cu ardere internă al mașinii GAZ-AA. Baloanele de baraj s-au ridicat la o înălțime de până la cinci kilometri și au fost un mijloc de apărare antiaerian de încredere a orașului, împiedicând aeronavele inamice să efectueze bombardamente cu țintit. A fost nevoie de mult efort pentru a coborî baloanele care își pierduseră parțial susținerea. 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 deficite acute de benzină, câteva sute de posturi de apărare aeriană au fost transformate pentru a funcționa pe hidrogen, care foloseau vehicule GAZ-AA care rulau 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-a Școala Uniune a Tinerilor Oameni de Știință și Specialiști în Problemele Energiei și Tehnologiei Hidrogenului, organizată la inițiativa Comitetului Central al Ligii Tinerilor Comuniști Leninişti din întreaga Uniune, Comisia Academiei de Științe a URSS. privind energia hidrogenului, Institutul IV Kurchatov de Energie Atomică și Institutul Politehnic Donețk, a avut loc în septembrie 1979 cu șase luni înainte de moartea sa. Boris Issakovich și-a făcut raportul „Hidrogen în loc de benzină” la secțiunea „Tehnologia utilizării hidrogenului” pe 9 septembrie.
În anii șaptezeci, s-au desfășurat intens lucrări în mai multe organizații de cercetare științifică din URSS cu privire la utilizarea hidrogenului ca combustibil. Cele mai cunoscute sunt organizații precum Institutul Central de Cercetare Științifică Automotive și Auto (NAMI), Institutul de Probleme de Inginerie Mecanică al Academiei de Științe a RSS Ucrainei (IPMASH a Academiei de Științe a RSS Ucrainei), Sectorul de Mecanica mediilor neomogene a Academiei de Științe a URSS (SMNS a Academiei de Științe a URSS), a Plant-VTUZ la ZIL etc. În special, în NAMI sub conducerea lui EV Shatrov, începând cu 1976, munca de cercetare și dezvoltare a fost realizat pentru a crea un microbuz cu hidrogen RAF 22034. A fost dezvoltat un sistem de alimentare cu motor care îi permite să lucreze pe hidrogen. Ea 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 privind crearea unei mașini cu hidrogen. În Fig. 3 și 4.
Figura 3. Compartimentul motor al Bolks nr. 20 pentru testarea motoarelor cu ardere internă pe hidrogen al Departamentului de laboratoare de motoare din NAMI
Figura 4. Microbuz cu hidrogen RAF (NAMI)
Primul prototip al microbuzului a fost construit la NAMI în perioada 1976-1979 (Fig. 4). Din 1979, NAMI și-a efectuat testele de laborator și rutiere și operațiunile de probă.
În paralel, la Academia de Științe IPMASH a RSS Ucrainei și la SMNS a Academiei de Științe a URSS și la Uzina Vtuz de la ZIL s-au desfășurat lucrări la crearea de mașini care funcționează pe hidrogen. Datorită poziției active a academicianului VV Struminsky (fig. 5), șeful SMNS al Academiei de Științe a URSS, mai multe modele de microbuze au fost folosite la XXII-a Jocurile Olimpice de vară de la Moscova în 1980.
Figura 5. De la stânga la dreapta Legasov V. A., Semenenko K. N. Struminsky V. V.
În calitate de instituție principală a Ministerului Industriei Auto al 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 a RSS Ucrainei, al cărei director la acel moment era un membru corespondent al Academiei de Științe a RSS Ucrainene A.N. Podgorny AI, Nightingale VV și mulți alții (Fig. 6).
Figura 6. Angajații Academiei de Științe IPMASH a RSS Ucrainei, de la stânga la dreapta Podgorny A. N., Varshavsky I. L., Mishchenko A. I.
Dezvoltarea acestui institut pentru crearea de automobile și stivuitoare care funcționează la BVTK cu sisteme de stocare a hidrogenului cu hidrură metalică la bord este cunoscută pe scară largă.
Un alt exemplu de cooperare dintre NAMI și principalele institute de cercetare ale țării a fost activitatea de creare a sistemelor de stocare a hidrogenului cu hidrură metalică pe o mașină. În cadrul consorțiului pentru crearea sistemelor de stocare a hidrurii metalice, au colaborat trei organizații de vârf: Institutul de Arheologie I.V. Kurchatov, NAMI și Universitatea de Stat M.V. Lomonosov din Moscova. Inițiativa de a crea un astfel de consorțiu i-a aparținut academicianului V. A. Legasov. Institutul de energie atomică I. V. Kurchatov a fost principalul dezvoltator al unui sistem de stocare a hidrogenului cu hidrură metalică la bordul unui vehicul. Managerul de proiect a fost Yu. F. Chernilin; A. N. Udovenko și A. Ya. Stolyarevsky au fost participanți activi la lucru.
Compușii de hidrură metalică au fost dezvoltați și fabricați în cantitatea necesară de Universitatea de Stat din Moscova. M.V. Lomonosov. Această activitate a fost realizată sub conducerea lui KN Semenenko, șeful Departamentului de Chimie și Fizica de Înaltă Presiune. La 21 noiembrie 1979, cererile nr. 263140 și 263141 au fost înregistrate în Registrul de stat al invențiilor al URSS cu prioritate de invenție la 22 iunie 1978. Certificatele de inventator pentru aliajele de stocare a hidrogenului A.S. Nr. 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 aliaje pe bază de titan sau vanadiu, astfel de compoziții au făcut posibilă atingerea 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 top ale URSS, asociate cu dezvoltarea materialelor și dispozitivelor 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 '80, au fost efectuate teste ale unui sistem de stocare a hidrogenului cu hidrură metalică la bordul unui microbuz RAF 22034 care funcționează la BVTK în cadrul Departamentului de motoare pe gaz și alte tipuri de combustibili alternativi al NAMI (Șeful Departamentului, Ramenskiy). A. Yu.). Angajații departamentului au participat activ la lucru: Kuznetsov V.M., Golubchenko N.I., Ivanov A.I., Kozlov Yu.A. 7.
Figura 7. Acumulator de hidrogen cu hidrură metalică a mașinii cu hidrogen (1983)
La începutul anilor optzeci, a început să apară o nouă direcție în utilizarea hidrogenului ca combustibil pentru mașini, care este acum considerată tendința principală. Această direcție este asociată cu crearea de vehicule care funcționează pe celule de combustibil. Crearea unei astfel de mașini a fost realizată în CNE „Kvant”. Sub conducerea lui NS Lidorenko. Mașina a fost prezentată pentru prima dată la expoziția internațională „Electro-82” în 1982 la Moscova (Fig. 8).
Figura 8. Microbuz cu hidrogen RAF pe celule de combustie (NPP „KVANT”)
În 1982, microbuzul RAF, la bordul căruia s-au montat generatoare electrochimice și a fost instalat un motor electric, a fost demonstrat ministrului adjunct al industriei auto E. A. Bashinjaghyan. Mașina a fost demonstrată de însuși N. S. Lidorenko. Pentru prototip, mașina cu pile de combustibil a avut o calitate bună a călătoriei, care a fost remarcată cu satisfacție de toți privitorii. S-a planificat realizarea acestei lucrări împreună cu întreprinderile Ministerului Industriei Auto al URSS. Cu toate acestea, în 1984, N. S. Lidorenko a părăsit postul de șef al întreprinderii, poate că acest lucru se datorează faptului că această muncă nu a primit continuarea. Crearea primului automobil rusesc cu pile de combustie cu hidrogen, construit de echipa companiei de mai bine de 25 de ani, s-ar putea califica la un eveniment istoric în țara noastră.
Caracteristici ale motoarelor cu ardere internă atunci când funcționează pe hidrogen
În raport cu benzina, hidrogenul are o putere calorică de 3 ori mai mare, o energie de aprindere de 13-14 ori mai mică și, ceea ce este important pentru un motor cu ardere internă, intervale de aprindere mai largi ale 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; Procesul de ardere „dur” a amestecurilor 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 aprovizionării cu combustibil a compozițiilor de combustibil hidrogen-benzoic (BHFC) pentru mașinile existente trebuie efectuată în așa fel încât, la ralanti și sarcini parțiale, motorul să funcționeze cu compoziții de combustibil cu un conținut ridicat de hidrogen. Pe măsură ce sarcinile cresc, concentrația de hidrogen ar trebui să scadă și alimentarea cu hidrogen ar trebui oprită la modul de accelerare maximă. Acest lucru va menține caracteristicile de putere ale motorului la același nivel. În fig. 9 prezintă grafice ale 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 în BVTK.
Figura 9. Caracteristicile economice și toxice ale motoarelor cu ardere internă care funcționează 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 permit să ne imaginăm cum se modifică performanța motorului atunci când funcționează cu hidrogen, BVTK și benzină.
Indicatorii de putere și viteză ai motorului pentru testare sunt selectați astfel încât să reflecte cel mai pe deplin condițiile de funcționare ale mașinii în condiții urbane. Puterea motorului Ne = 6,2 kW și viteza arborelui cotit n = 2400 rpm corespunde 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 din BVTK, crește eficiența efectivă a motorului. Valoarea maximă a eficienței la o putere de 6,2 kW și o turație a arborelui cotit de 2400 rpm atinge 18,5 la sută pe hidrogen. Aceasta este de 1,32 ori mai mare decât atunci când motorul funcționează la aceeași sarcină cu benzină. Eficiența maximă efectivă a motorului pe benzină este de 14% la această sarcină. În acest caz, compoziția amestecului corespunzătoare eficienței maxime a motorului (limita de epuizare efectivă) este deplasată către amestecuri slabe. Deci, atunci când lucrați la benzină, limita efectivă de epuizare a amestecului combustibil-aer corespundea raportului de aer în exces (a) egal cu 1,1 unități. La funcționarea cu hidrogen, raportul de exces de aer corespunzător limitei efective de epuizare a amestecului combustibil-aer este a = 2,5. Un indicator la fel de important al funcționării unui motor cu ardere internă a unui automobil la sarcini parțiale este toxicitatea gazelor de eșapament (gaze de eșapament). Studiul caracteristicilor de control ale motorului asupra compoziției amestecului de pe BVTK cu diferite concentrații de hidrogen a arătat că, pe măsură ce amestecul s-a epuizat, 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 BHTC 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. La funcționarea cu acest tip de combustibil, emisia de hidrocarburi a fost determinată în mare măsură de intensitatea arderii în 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 evacuare este determinată de regimul de temperatură de ardere a amestecului combustibil-aer. Capacitatea de a opera 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 operează la BVTK. În decembrie 2005, a fost prezentat la unul dintre evenimentele organizate la Prezidiul Academiei Ruse de Științe. Prezentarea microbuzului a fost programată pentru a coincide cu aniversarea a 60 de ani de la președintele NAVE P. B. Shelishch. O fotografie a unui microbuz pe benzină-hidrogen este prezentată în Fig. 10.
Figura 10. Microbuz cu hidrogen „Gazelle” (2005)
Pentru a evalua fiabilitatea echipamentelor pe benzină-hidrogen și pentru a promova perspectivele unei economii cu hidrogen, în primul rând în domeniul transportului rutier, NAVE a organizat în perioada 20-25 august 2006 un miting al mașinilor cu hidrogen. Cursa s-a desfășurat pe traseul Moscova - Nijni Novgorod - Kazan - Nijnekamsk - Ceboksary - 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 multicombustibil GAZ 3302 a funcționat cu 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 de 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 de Inginerie și Tehnic Hydrogen Technologies și LLC Slavgaz, un prototip al GAZ 330232 GAZEL -A fost creată mașina FERMER cu o capacitate de transport de 1, 5 tone, care funcționează pe BVTK cu sistem electronic de alimentare cu hidrogen și benzină. Vehiculul este echipat cu un sistem de posttratare a gazelor de eșapament cu trei căi. În fig. 11 prezintă fotografii ale 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 electrice combinate bazate pe generatoare electrochimice cu pile de combustie (FC). În același timp, o condiție prealabilă este producția de hidrogen din surse de energie regenerabile, prietenoase cu mediul, pentru producerea cărora, la rândul său, ar trebui utilizate materiale și tehnologii ecologice.
Din păcate, pe termen scurt, utilizarea pe scară largă a unor astfel de vehicule high-tech 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 celulele de combustibil ajunge la 150-300 de mii de ruble (la rata rublei rusești 30 de ruble / dolar american). Un alt element important de restrângere a progresului tehnologiei hidrogenului cu celule de combustie pe piața auto este dezvoltarea insuficientă a designului unor astfel de vehicule în ansamblu. În special, nu există date fiabile atunci când se testează o mașină pentru eficiența consumului de combustibil în condiții reale. De regulă, evaluarea eficienței centralei electrice a instalației se realizează 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 motoarelor, în calculul căruia se iau în considerare și toate pierderile mecanice asociate cu antrenarea unităților motoare. 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 pile de combustibil. Nu există date sigure 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 electrice în sine, cât și a combustibilului furnizat, precum și încălzirea cabinei șoferului sau a habitaclu. Pentru mașinile moderne, modul de funcționare poate ajunge la -40 ° C, acest lucru ar trebui să fie luat în considerare în special în condițiile de funcționare rusești.
După cum știți, în celulele de combustie, apa nu este doar un produs al reacției interacțiunii hidrogenului și oxigenului, ci participă în mod activ la procesul de lucru de generare a energiei, umezind materialele polimerice solide care fac parte din proiectarea celulelor de combustibil. . Literatura tehnică modernă nu are date despre fiabilitatea și durabilitatea celulelor de combustie la temperaturi scăzute. Date foarte contradictorii sunt publicate în literatura de specialitate cu privire la durabilitatea funcționării ECH pe celulele de combustie.
În această privință, este destul de firesc ca un număr dintre cei mai importanți producători auto din lume să promoveze vehiculele alimentate 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 la hidrogen.
Din punct 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 bazate pe celule de combustie, cu toate acestea, ICE-urile, după cum se crede în mod obișnuit, au eficienta mai scazuta. În plus, gazele de eșapament ale unui motor cu ardere internă pot conține unele substanțe toxice. În viitorul apropiat, utilizarea centralelor combinate (hibride) ar trebui să fie considerată ca principală direcție de îmbunătățire a tehnologiei auto echipate cu un motor cu ardere internă. Cel mai bun rezultat în ceea ce privește eficiența combustibilului și toxicitatea gazelor de eșapament, aparent, ar trebui așteptat de la utilizarea instalațiilor hibride cu o schemă secvențială pentru transformarea 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 practic într-un mod constant cu eficiență maximă a combustibilului, acționând un generator electric, care furnizează curent electric motorului electric pentru antrenarea 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 eficiența combustibilului motorului cu ardere internă și toxicitatea gazelor sale de eșapament. Particularitatea soluției problemei constă în faptul că eficiența maximă a motorului este atinsă atunci când funcționează pe un amestec sărac aer-combustibil, iar reducerea maximă a toxicității gazelor de eșapament se realizează cu o compoziție stoechiometrică, 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 arderea incompletă a combustibilului de către neutralizatorul de gaze de eșapament. La 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 astfel încât să mențină la maximum compoziția stoechiometrică a amestec aer-combustibil în camera de ardere a motorului la toate regimurile motorului cu ardere internă. Pentru centralele hibride cu circuit secvenţial, este posibil să se obţină cea mai bună eficienţă a reglajului amestecului aer-combustibil datorită absenţei sarcinilor alternative pe motorul cu ardere internă. În același timp, din punct de vedere al eficienței combustibilului motorului cu ardere internă, compoziția stoechiometrică a amestecului aer-combustibil nu este optimă. Eficiența maximă a motorului corespunde întotdeauna unui amestec sărac cu 10-15 la sută în comparație cu cel stoichiometric. În același timp, randamentul 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 stoechiometric. Soluția problemei creșterii emisiilor de substanțe nocive inerente acestor moduri pentru motoarele cu ardere internă cu aprindere prin scânteie este posibilă ca urmare a transferului funcționării motorului cu ardere internă la hidrogen, compoziții de combustibil cu hidrogen (BHTK) sau metan. compoziții de combustibil cu hidrogen (MVTK). Utilizarea hidrogenului ca combustibil sau ca aditiv la combustibilul principal poate extinde semnificativ limitele epuizării efective a amestecului aer-combustibil. Această împrejurare 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 trebuie să conțină hidrocarburi; totuși, din cauza neomogenității amestecului aer-combustibil din camera de ardere a motorului cu ardere internă. , apar condiții inițiale diferite pentru reacția de oxidare a combustibilului. Temperatura din camera de ardere diferă în ceea ce privește volumul său, ceea ce afectează semnificativ, de asemenea, caracterul complet al arderii amestecului aer-combustibil. Într-o serie de studii, s-a constatat că stingerea flăcării are loc în apropierea pereților relativ reci ai camerei de ardere. Aceasta duce la o deteriorare a condițiilor de ardere a amestecului aer-combustibil din stratul din apropierea peretelui. În munca lor, Daneshyar H și Watf M au fotografiat procesul de ardere a unui amestec combustibil-aer în imediata apropiere 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 golire în intervalul 0,05-0,38 mm. În imediata apropiere a pereților camerei de ardere, CH crește de 2-3 ori. Autorii concluzionează că zona de stingere este una dintre sursele de eliberare a hidrocarburilor.
O altă sursă importantă de formare a hidrocarburilor este uleiul de motor, care intră în cilindrul motorului ca urmare a îndepărtării ineficiente de pe pereții inelelor raclete de ulei sau prin golurile dintre tijele supapelor și bucșele lor de ghidare. Studiile arată că consumul de ulei prin golurile dintre tijele supapelor și bucșele lor de ghidare la motoarele cu combustie internă pe benzină de automobile atinge 75% din consumul total de ulei pentru deșeuri.
Când motorul cu ardere internă funcționează pe hidrogen, combustibilul nu conține substanțe care conțin carbon. În acest sens, majoritatea covârșitoare a publicațiilor conțin informații conform cărora gazele de eșapament ale unui motor cu ardere internă nu pot conține hidrocarburi. Cu toate acestea, acest lucru s-a dovedit a nu fi cazul. Fără îndoială, odată cu creșterea concentrației de hidrogen în BHTK și MVTK, concentrația de hidrocarburi scade semnificativ, dar nu dispare complet. Acest lucru se poate datora în mare măsură imperfecțiunii designului echipamentului de alimentare cu combustibil, măsurarea aprovizionării cu combustibil cu hidrocarburi. Chiar și o mică scurgere de hidrocarburi atunci când funcționează un motor cu ardere internă pe amestecuri ultra-sărace poate duce la eliberarea de hidrocarburi. O astfel de emisie de hidrocarburi poate fi asociată cu uzura grupului cilindru-piston și, ca urmare, cu o ardere crescută a uleiului etc. În acest sens, atunci când se organizează procesul de ardere, este necesar să se mențină temperatura de ardere la un nivel la care are loc arderea suficientă a compuşilor hidrocarburici.
În procesul de ardere a combustibilului, oxizii de azot se formează în spatele frontului de flăcări într-o zonă de 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 din aer. Teoria general acceptată pentru formarea oxizilor de azot este teoria termică. În conformitate cu această teorie, randamentul de oxizi de azot este determinat de temperatura maximă a ciclului, concentrația de azot și oxigen din produsele de ardere și nu depinde de natura chimică a combustibilului, tipul de combustibil (în absența azot din combustibil). În gazele de eșapament ale unui ICE cu aprindere prin scânteie, conținutul de oxizi 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 pe hidrogen, formarea de oxid 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 hidrogen-aer și limitele sale de aprindere. După cum știți, limitele de aprindere ale amestecului hidrogen-aer sunt în intervalul 75% - 4,1%, ceea ce corespunde coeficientului, excesul de aer 0,29 - 1,18. O caracteristică importantă a arderii hidrogenului este viteza 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 cu hidrogen și benzină.
Figura 12. Modificări ale parametrilor procesului de lucru al motorului cu ardere internă atunci când funcționează cu hidrogen și benzină, puterea motorului cu ardere internă este de 6,2 kW, viteza de rotație a arborelui cotit este de 2400 rpm.
După cum rezultă din graficele lor, transferul motoarelor cu ardere internă de la benzină la hidrogen duce în regiunea amestecurilor stoechiometrice la o creștere bruscă a temperaturii maxime a ciclului. Graficul arată că viteza de degajare a căldurii în timpul funcționării unui motor cu ardere internă care funcționează pe hidrogen în punctul mort superior al ICE este de 3-4 ori mai mare decât în timpul funcționării 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). in functie de unghiul de rotatie al arborelui cotit (putere 6,2 kW, h.v. pana la 2400 rpm) cand functioneaza pe benzina si hidrogen.
Figura 13. Diagrame 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. la 2400 rpm. când funcționează cu benzină și hidrogen
Când motorul cu ardere internă funcționează pe benzină, neuniformitatea fluxului diagramelor indicatoare de la ciclu la ciclu este clar vizibilă. Când se lucrează pe 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 bruscă a presiunii în spatele TDC atrage atenția asupra ei însăși, indicând o rigiditate crescută a procesului. Graficul de jos 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 sunt vizibile clar urmele funcționării „grele” a motorului cu ardere internă. Această natură a procesului de lucru ICE atunci când se folosește hidrogenul ca combustibil contribuie la formarea crescută de oxizi de azot. Valoarea maximă a concentrației de oxizi de azot din gazele de eșapament corespunde funcționării motorului cu ardere internă cu un raport de exces de aer de 1,27. Acest lucru este destul de natural, deoarece amestecul aer-combustibil conține o cantitate mare de oxigen liber și, ca urmare a ratelor mari de ardere, 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 de oxizi de azot în gazele de eșapament.
Figura 14. Caracteristici de reglare pentru compoziția amestecului atunci când motorul cu ardere internă funcționează cu 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 dependențele modificării emisiei de substanțe toxice din gazele de eșapament ale motorului cu ardere internă la funcționarea pe benzină, compoziții benzină-hidrogen și hidrogen. După cum reiese din 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 aproape la 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 motoarelor cu ardere internă, reducerea emisiilor de substanțe toxice și reducerea emisiilor de dioxid de carbon, ale căror cerințe pentru conținutul gazele de eșapament ale motoarelor cu ardere internă devin din ce în ce mai stricte. Adăugarea de hidrogen în greutate în intervalul de 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 modele specializate. Producătorii de top de motoare auto lucrează în prezent la astfel de motoare. În principiu, sunt cunoscute principalele direcții în care este necesar să se deplaseze atunci când se creează un nou design de motoare cu ardere internă pe hidrogen. Acestea includ:
1. Utilizarea formării interne a amestecului va îmbunătăți masa și dimensiunile specifice ale motorului cu hidrogen cu 20-30 la sută.
2. Utilizarea amestecurilor hidrogen-aer super-sacră pentru centralele electrice hibride va face posibilă reducerea semnificativă a temperaturii de ardere în camera de ardere a unui motor cu ardere internă și va crea condiții 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 la sută, ceea ce este destul de comparabil cu eficiența generatoarelor electrochimice, pentru care în prezent nu există date despre economie. eficiență în condițiile de funcționare reală a vehiculului, ținând cont de acționarea unităților auxiliare, salon de încălzire etc.
În zilele noastre, producătorii auto vorbesc doar despre dezvoltarea hidrogenului. Ce este hidrogenul? Să o luăm în considerare puțin mai detaliat.
Hidrogenul este primul element al tabelului chimic, greutatea sa atomică este 1. Este una dintre cele mai răspândite substanțe din univers, de exemplu, din 100 de atomi care formează planeta noastră, 17 este hidrogen.
Hidrogenul este combustibilul viitorului. Are multe avantaje față de alte tipuri de combustibil și are șanse mari de a-l înlocui. Poate fi folosit in absolut toate ramurile productiei si transportului modern, chiar si gazul folosit la prepararea mancarii poate fi inlocuit cu usurinta cu hidrogen fara nici o alterare.
De ce hidrogenul nu a fost adoptat pe scară largă până acum? Una dintre probleme constă în tehnologiile de producere a acestuia. Poate că singura metodă eficientă de producere a acestuia în acest moment este metoda electrolitică - obținerea dintr-o substanță prin acțiunea unui curent electric puternic. Dar în acest moment, cea mai mare parte a energiei electrice este obținută de la termocentrale și, prin urmare, întrebarea „Merită jocul lumânarea?” Dar introducerea energiei nucleare, eoliene și solare în producția de energie electrică va corecta probabil aceste probleme.
Această substanță se găsește în aproape toate substanțele, dar cea mai mare parte se află în apă. După cum a spus scriitorul de science fiction Jules Verne: „Apa este cărbunele secolelor viitoare”. Această afirmație poate fi clasificată ca o predicție. Există mai mult din acest „cărbune” la suprafață decât orice altceva, așa că ne vom asigura cu hidrogen pentru anii următori.
Un singur lucru se poate spune despre puritatea ecologică a hidrogenului: în timpul arderii sale și al reacțiilor în celulele de combustie, se formează apă și nimic altceva decât apă.
O celulă de combustie este poate cea mai eficientă modalitate de a genera energie din hidrogen. Funcționează pe principiul unei baterii: există doi electrozi într-o pilă de combustie, hidrogenul se mișcă între ei, are loc o reacție chimică, pe electrozi apare un curent electric, iar substanța se transformă în apă.
Să vorbim despre utilizarea hidrogenului în mașini. Ideea de a înlocui benzina obișnuită zgomotoasă și fumurie cu gaz absolut curat a apărut cu mulți ani în urmă, atât în Europa, cât și în URSS. Dar evoluțiile în acest domeniu au fost realizate cu diferite grade de succes. Și acum a sosit apogeul dorinței producătorilor auto de a câștiga independență față de petrol. Fiecare companie care se respectă are evoluții în acest domeniu.
Hidrogenul dintr-o mașină poate fi folosit în două moduri: fie ars într-un motor cu ardere internă, fie folosit într-o pilă de combustie. Majoritatea noilor concept cars folosesc tehnologia celulelor de combustibil. Dar companii precum Mazda și BMW au urmat această ultimă cale, și din motive întemeiate.
Un vehicul cu celule de combustibil este un sistem simplu și extrem de fiabil, dar adoptarea sa pe scară largă este îngreunată de infrastructură. De exemplu, dacă îți cumperi o mașină pe pile de combustie și o folosești la noi, va trebui să mergi în Germania pentru a alimenta. Și inginerii BMW au mers pe direcția inversă. Ei au construit o mașină care folosește hidrogen ca combustibil combustibil, iar această mașină poate folosi atât benzină, cât și hidrogen, la fel ca multe mașini moderne echipate cu un sistem de combustibil gaz-benzină. Astfel, dacă în orașul dvs. a apărut cel puțin o benzinărie care vinde astfel de combustibil, puteți cumpăra în siguranță BMW Hydrogen 7 cu hidrogen.
O altă problemă cu introducerea hidrogenului este metoda de stocare a acestuia. Dificultatea constă în faptul că atomul de hidrogen este cel mai mic ca dimensiune din tabelul chimic, ceea ce înseamnă că poate pătrunde aproape în orice substanță. Aceasta înseamnă că chiar și cei mai groși pereți de oțel îl vor lăsa să treacă încet, dar sigur. Această problemă este acum rezolvată de chimiști.
O altă problemă este rezervorul în sine. 10 kg de hidrogen pot înlocui 40 kg de benzină, dar adevărul este că 10 kg de substanță ocupă un volum de 8000 de litri! Și acesta este un întreg bazin olimpic! Pentru a reduce volumul de gaz, acesta trebuie lichefiat, iar hidrogenul lichefiat trebuie depozitat în siguranță și convenabil. Rezervoarele mașinilor moderne cu hidrogen cântăresc aproximativ 120 kg, ceea ce este aproape de două ori dimensiunea rezervoarelor standard. Dar această problemă va fi rezolvată în curând.
Avantajele combustibilului cu hidrogen sunt mult mai mult decât dezavantaje. Hidrogenul arde mult mai eficient, nu are substanțe de evacuare nocive, nu produce funingine, iar acest lucru crește semnificativ durata de viață a mașinilor. Hidrogenul este un combustibil puternic regenerabil, astfel încât natura va primi puțin sau deloc rău.
Principalul obstacol în calea tehnologiei hidrogenului este infrastructura. Foarte puține benzinării din lume sunt în prezent pregătite să umple o mașină cu hidrogen, deși mașini de producție cu hidrogen sunt deja produse de Honda și se pregătesc pentru BMW. În țările din fosta Uniune Sovietică, nici măcar nu se poate visa la o mașină cu hidrogen. Va dura mai mult de un an, și poate o duzină de ani, până la apariția stațiilor de realimentare cu hidrogen. Rămâne de văzut când noi, împreună cu întreaga lume, vom începe să salvăm planeta de la o catastrofă ecologică.
Oamenii de știință ruși au venit cu un combustibil nou, care este de 100 de ori mai ieftin decât motorina, mai eficient și mai ușor de fabricat... Crezi că cineva a fost mulțumit de asta? Deloc! De 3 ani încoace, miniștrii de la Moscova au condus aerul în jurul birourilor - se pare că încă se gândesc cum să implementeze cel mai bine un ordin direct de implementare, pe care l-au primit pentru execuție. Și nici cei care au dat acest ordin nu sunt interesați de implementarea sa timpurie, pentru că nu împiedicați miniștrii să saboteze cu impunitate soluționarea problemelor vitale pentru Rusia și restul lumii. Deci, gândiți-vă acum: pentru cine lucrează cu adevărat acești miniștri? .. Yuri Ivanovich Krasnov și Yevgeny Guryevich Antonov de la NPO Lavochkin, au venit cu un tip fundamental de combustibil nou bazat pe apă structurată. Dar se dovedește că regii de astăzi nu au nevoie de invenția lor! Chiar îi împiedică să ne conducă către epuizarea completă a combustibililor cu hidrocarburi și dezastrul de mediu pe odinioară frumoasă planetă Pământ...