Водневий двигун

Реферат з хімії

на тему:

Водневий двигун

План

1. Трохи техніки

2. Водень як паливо

3. Замість паливного бака

4. Паливний елемент

5. Демонмтраційні водневі проекти

Автомобілі на паливних елементах - 2003 рік

Водневий демо-проект компанії Ford

Пропаганда знань щодо водневої економіки в старших класах шкіл

Перша заправочна воднева станція у Вашингтоні- 2004 рік

Європейський демонстраційний проект

Перший пасажирський автобус на водні у Лондоні

Міжнародна виставка «Водень -2005»

1. Трохи техніки

Америка визначила собі завдання: у найближчі 10 - 15 років позбутися нафтової залежності. Єдиний вихід - якомога швидше запустити в серійне виробництво водневий автомобіль. Європа бойться відстати, крім того, європейцям доводиться виконувати прийняті в них норми на викид шкідливих речовин авто транспортом, які постійно стають більш жорсткими. У 1993 році були запроваджені норми «Євро-1», у 1996 році - «Євро-2», у 1999 році - «Євро-3», а з 2005 року в Європі ввели в дію ще більш жорсткі норми «Євро-4». У перспективі - повна заборона на викиди шкідливих речовин автомобілями, і тоді не можна буде обійтися без машин, яка працює на водні.

Головна перешкода для впровадження водневого автомобіля - відсутність системи промислового отримання водню в потрібних обсягах, систем його збереження, транспортування й заправлення автомобілів. На думку американських фахівців, таку систему вдасться створити не раніше 2020 - 2030 рр. На перехідний період провідні автовиробники можуть запропонувати так звані «гібридні автомобілі»: у них економічний двигун внутрішнього згоряння заряджає акумуляторну батарею, яка живить електричний двигун. Такі автомобілі розробляються практично всіма провідними автомобільними компаніями і вже серійно випускаються в Японії.

Класична схема: двигун внутрішнього згоряння рухає колеса з допомогою механічного приводу. Нас оточують тисячі автомобілів, але мало кому спадає на думку, що їхня ефективність катастрофічно мала. Якщо взяти так звані «умови міського циклу руху», то загальний коефіцієнт корисної дії (ККД) автомобіля - 10 - 12% (за містом, де менше світлофорів, 15 - 17%). Отже, дев'ять літрів бензину з десяти просто летять у атмосферу.

Автомобілі на водневому паливі умовно можна розділити на три класи.

Перший - це машини зі звичайним двигуном внутрішнього згоряння, який працює на водні або водневій суміші. Такі моделі можуть працювати на чистому водні або 5 - 10% водню додають до основного палива. В обох випадках ККД двигуна збільшується (у другому випадку приблизно на 20%) і вихлоп стає набагато чистішим (вміст чадного газу (СО) і вуглеводнів зменшується в півтора рази, оксидів нітрогену (NO) -до п'яти разів). Такі двигуни й автомобілі були сконструйовані й пройшли всі випробування в нас і за кордоном приблизно в 70 - 80-х роках. Однак, з огляду на витрати і й конструкційні складності, це може бути тільки проміжним, перехідним етапом на шляху до третього типу.

Дргуий - це машини з двома електроносіями, так звані гібридні. Їх колеса рухає електропривод, енергію якому постачає акумулятор, що у свою чергу заряджається від високо-економічного двигуна внутрішнього згоряння, що працює на водні або суміші водню з бензином. Це дуже вигідно, адже ККД електродвигуна сягає 90 - 95% на відніму від бензинового (35%) або дизеньного (50%). Таким чином, загальний ККД підвищується до 30%, відповідно знижується витрата палива. Навіть якщо для підзарядки акумулятора використовується бензин, об'єм шкідливих викидів дозволить вкластися в норми «Євро-4» із десяти річним запасом. І все таки отримати абсолютно чистий вихлоп можна тільки від автомобілів третього типу.

Третій тип - справжній водневий автомобіль - це машина з електро двигуном, який працує від паливного елемента, що знаходиться в автомобіли. Теоретично ККД паливного елемента, що працює на суміші водень-повітря, може перевищувати 80%. Зараз вже вдалося одержати двигун з ККД близько 75% - це більш ніж удвічі вище відповідного покажчика найкращих двигунів внутрішнього згоряння. В умовах міста такі машини одержать п'яти-шестиразову перевагу над звичфйними автомобілями.

2. Водень як паливо

Сучасні технології виробництва водню деякі від досконалості.

Незважаючи на це, гіганти хіміяної промисловості й сьогодні вже одержають по 500 млрд мі водню на рік. Половина виробленої кількості йде на амонійні добрива, решта - на виробництво сталі, скла, маргарину та ін. В основному водень одержують за допомогою парового риформінгу природного газу: метан при високих температурах (900єС) у присутності нікелевого каталізатора реагує з паром. Поки що такий водень найдешевший.

Є й інші технології отримання водню, наприклад електроліз, крекінг або переробка біомаси (деревини, соломи). Кожен із цих варіантів має свої недоліки. Наприклад, переробка біомаси: її нагрівають на 500 - 600єС, після чого виходять спирти (етанол, метанол), які, у свою чергу, перетворюються на водень. Можна нагріти біомасу до більш високих температур (1000єС), тоді вона повністю перетвориться на газ і вийде суміш Н2 і СО. Проблема в тому, що сировини для такого процесу знадобиться дуже й дуже багато. Якщо, наприклад, усю родючу територію Франції пустити на вирощування біомаси, то водню, отриманого з неї, не вистачить навіть на те, щоб покрити потреби цієї країни в падиві навіть для нині існуючих автомобілів.

Здавалося б, найпростіший спосіб отримання водню - електроліз (електричне розщеплення води). Результат - водень і кисень. Але згодом ефективність цього процесу не дуже висока: треба витратити 4 кВт електроенергії, щоб одержати 1 мі водню, який, згоряючи, дасть лише 1,8 кВт енергії. Проте електроліз води досить перспективний і йому, напевно, знайдуть застосування, тим більше, що існують виходи з «енергетичної проблеми». По-перше, можна використовувати енергію атомної електростанції у години слабкого навантаження (коли вироблена там енергія виявляється незатребуваною) або, зрештою, поновлювані джерела енергії (сонячні батареї, енергію вітру, припливу й ін.). По-друге, ця технологія активно розвивається: електроліз для більшої ефективності можна проводити під підвищеним тиском або температурою, що намагаються зробити вчені.

Зараз біологи активно розробляють ще один напрямок. Деякі бактерії й водорості в процесі фотосинтезу розкладають воду і виділяють водень. Проблема в тому, зо вони роблять це тільки за відсутністю кисню, отже, процес приває протягом дуже короткого часу, тому що при розкладанні води, природно, утворюється і кисень. Завдання вчених - за допомогою генної інженерії продовжити цей період, тоді сонячні райони нашої планети біли б забезпечені воднем.

3. Замість паливного бака

Загальна схема водненого двигуна зрозуміла: електродвигун, паливний елемент, водень для його роботи. Проблема полягає в тому, що потрібен якийсь аналог паливного бака, але ж водень у паливних бак не наллєш. Це на сьогодні складає найбільші технічні труднощі.

Учені розглядають досить багато варіантів. Наприклад, можна зберігати водень в акумуляторах на основі гідридів інтерметалічних сплавів (TiVaFe, CuNi та ін.), із яких за потребою поступово вивільнюється чиста речовина. Але за цим варіантом маса водню в загальному обсязі речовини (так зване аспектне число) складає всього 5%, до того ж виникає проблема зі швидкістю вивільнення водню. Можна зберігати водень у рідкому вигляді. Але, по-перше, це вимагає охолодження до температур, близьких до абсолютного нуля (відповідно, зростає вартість водню), а по0друге, заправлений у такий спосіб автомобіль повинен буде витрачати своє паливо якомога швидше. Дуже перспективний напрямок- зберігання водню в наноструктурах (карбонових нанотрубках), однак ці дослідження знаходиться поки що на початкових стадіях.

Найбільш перспективним учені вважають збереження водню в балонах високого тиску - більше 350 атм. (аспектне число до 18% при тиску вище 500 атм.) або отримання його прямо на борті з іншого палива (метанолу або рідких вуглеводнів: бензину, дизельного палива та ін.), у спеціальних каталітичних реакторах (аспектне число близько 10%). Такі системи розроблені й російськими вченими і за розумних габаритів забезпечують запас водню для пробігу в кілька сотень кілометрів.

Конструктори стискаються також і з іншими проблемами. Так, машина (насамперед кабіна) повинна мати систему водневої безпеки.

4. Паливний елемент

Паливний елемент, прауюючий на водень - одна з ключових деталей у новому автомобілі. Паливний елемент (інакше - електрохімічний генератор) - це пристрій для перетворення хімічної енергії на електричну. Те ж відбувається й у звичайних електричних акумуляторах, але в паливних елементах є дві важливі відмінності: по-перше, вони працюють доти, поки надходить паливо; по-друге, паливний елемент не потрібно перезаряджати.

Паливний елемент складається з багатьох комірок, кожна приблизно в сантиметр завтовшки. Кожна комірка складається з двох електродів, розділених електролітом. На один електрод (анод) підводиться паливо (водень), на інший (катод) - окисник (кисень повітря). Водень тут не згоряє, хімічна реакція окиснення відбувається при низькій температурі в присутності каталізатора. Смисл пристрою в тому, щоб, використовуючи цю реакцію, розділити позитивний і негативний заряди в просторі й створити між ними напругу. Тому електроліт, який заповнює простір між електродами, повинен мати здатність пропускати крізь себе протони (тобто іони гідрогену) і не пропускати електрони. На аноді водень розпадається на електрони і протони, далі протони проходять крізь шар електроліту, досягають катода і, з'єднуючись із киснем, утворюючи воду. Однак у ританнях отримання якісного й недорогого електроліту наука поки що зазнає величезних труднощів. Полімерний електроліт американської фірми «Дюпон» коштує близько 700 євро за мІ, а на батарею для середнього автомобіля потрібно десятки квадратних маетрів такого матеріалу. Зрозуміло, що при такій вартості електроліту неможжливо налагодити серійний випуск водневих автомобілів. Ученими всього світу ведуться інтенсивні дослідження з метою здешевлення цього матеріалу й використання його при більш високих температурах (150 - 200єС).

Загалом, паливний елемент на водні цілком готовий до застосування. Бракує дрібниці: зробити його компакнішим і дешевшим.

5. Демонстраційні водневі проекти

Автомобілі на паливних елементах -- 2003 рік

Під час зустрічі у Вашінгтоні у грудні 2003, на якій, після дев'яти місяців переговорів на найвищому рівні, представники 15 країн світу і Європейського Союзу підписали історичну угоду про кооперацію, шість основних автомобільних компаній світу -- Форд, Дженерал Моторс, Хундаї, Хонда, Ніссан продемонстрували свої автомобілі на паливних комірках. Ці дорогі автомобілі було показано в дії на парковочному просторі Вашингтонського аеропорту ім. Дж. Кеннеді для того, щоб довести учасникам зустрічі реальність ідеї водневої енергетики.

Найцікавішим був автомобіль Тойота Пріус 2002 р., в якому двигун було перетворено із звичайного на водневий. Цей автомобіль з металевим накопичувачем водню, може рухатися без дозаправки 150 км і витрачає 1 кг водню на 44 км. Він також повністю відповідає вимогам адміністрації з контролю за шкідливими викидами штату Каліфорнія, де стандарти є найсуворішими із усіх штатів США.

Слід зазначити, що згідно вище згаданої угоди, на першому етапі розглядається 10-річний період, тоді як розробку подальших угод і координацію дій після закінчення першого етапу покладено на постійно діючий Організаційний Комітет. Передбачається, що ці розробки будуть вимагати колосальних інвестицій, тому необхідним є створення відповідної регуляторної бази і податкового клімату.

Водневий демо-проект компанії Форд

У травні 2005 р. компанії Ford Motor Company і BP America провели демонстрацію своїх водневих автомобілів і водневої заправ очної станції в Орландо, штат Флорида.

В межах спеціалізованого урядового проекту Форд передав адміністрації штату Флорида п'ять автомобілів Ford Focus Fuel Cell Vehicles.

Ці водневі автомобілі будуть слугувати парковим охоронцям в їх щоденних рейдах по парку Wekiwa Springs State Park, який відвідують біля 185,000 людей щорічно. Один з цих автомобілів буде використовуватись також радником адміністрації з питань енергозбереження в службових подорожах.

Пропаганда знань щодо водневої економіки в старших класах шкіл

North Port - це перша в США школа, де будуть вивчати питання, пов'язані з водневими технологіями і науковими аспектами цих технологій. Уряд забезпечив цю школу повним набором лабораторного обладнання і програм навчання. Школу буде забезпечено діючою моделлю водневої паливної комірки. Ця комірка буде виробляти 5 кВт енергії - достатньо для одного класу. Вода, що є продуктом роботи комірки буде використовуватись для догляду за газонами, а тепло - для підогріву води у шкільній кухні.

Перша заправочна воднева станція у Вашингтоні- 2004 рік

10-го листопада 2004 року було відкрито першу заправочну водневу станцію в столиці США, Вашингтоні. Проект був фінансований спільно компаніями Shell та General Motors.

Заправочна станція, вперше в Північній Америці обладнана як для заправки бензином так і воднем, є практичним вкладом в вирішення питання зменшення залежності США від закордонних енергетичних ресурсів шляхом розвитку нових інноваційних технологій, таких як водневі паливні комірки.

Ця заправочна станція компанії Shell є центральною частиною спільного з General Motors і Міністерством енергетики США демонстраційного проекту. Вона буде використовуватися для заправки автомобілів General Motors, і є першою з тих, що увійдуть у „Водневий коридор” від Вашингтону до Нью-Йорку.

Європейський демонстраційний проект

Проект було успішно виконано влітку 2004 р., коли автомобіль на водневому двигуні подолав відстань в 10 000 км від Хаммерфеста, Норвегія, найпівнічнішого міста Європи, до Лісабона, найзахіднішого міста континенту.

Цей символічний марафон через весь континент мав дві основні цілі: показати надійність і ресурс працездатності двигуна на паливній комірці а також продемонструвати глядачам, яких було багато під час зупинок у великих містах, і представникам державних установ, потенціал водневої економіки.

Перший пасажирський автобус на водні у Лондоні

На Різдво 2003 року Лондон отримав подарунок від мерії - пасажирський автобус на водневому двигуні. В січні 2004 року цей автобус розпочав виконувати регулярні рейси. Уряд Китаю у той час виголосив намір купити за кордоном 12 автобусів на паливних комірках і провести демонстраційні проекти в Шанхаї і Пекіні.

Міжнародна виставка «Водень -2005»

Більше, ніж 50 міжнародних учасників взяли участь у цій виставці, де було продемонстровано готові до комерціалізації водневі і паливно - комірчані технології.

Найбільш цікавим і видовищним була демонстрація автомобілів на водневих двигунах - „vehicle ride & drive»- в реальних умовах експлуатації.

Honda FCX є першим автомобілем на паливних комірках, що був офіційно сертифікований як придатний для щоденного використання. Максимальна потужність двигуна - 80 кінських сил (hp), швидкість - 260 км/год.

Компанія Honda надала у лизинг два своїх автомобіля на водневих паливних комірках місту Лас-Вегас, Техас, а також виконала тестовий автопробіг на дорогах штату Каліфорнія.

Інший учасник вистаки - баварська компанія BMW продемонструвала автомобіль BMW 745h, який має водневий двигун внутрішнього згоряння. Цей двигун працює як на водні, так і бензині. Таким чином може бути подолано незручності завдяки відсутності водневих заправок. Цей автомобіль має власний запас водню на 240 км, а бензиновий бак забезпечує рух ще на 480 км.

Крім цього готового до широкого використання автомобіля, компанія BMW продемонструвала ще унікальний H2R, гоночний автомобіль, який долає всі рекорди швидкості. Цей автомобіль має 12 ціліндровий, 6 литровий двигуні забезпечує потужність 232 hp і використовує рідке водневе паливо. H2R має стартове прискорення 0-60 mph за 6 секунд і максимальну швидкість при 174 mph.