Водородные двигатели

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения

Кафедра: «Подъемно-транспортные, путевые, строительные машины и оборудование»

Реферат на тему:

Водородные двигатели

Выполнил: студент гр.ПТМ-109

Оборкин А. А.

Проверил: Харлов М. В.

Санкт-Петербург 2015

Оглавление

Введение

1. Силовые установки на основе водородных топливных элементов

2. Другие виды транспорта, работающие на водородных элементах

3. Toyota Mirai

4. Водородные двигатели внутреннего сгорания

5. BMW hydrogen 7

6. Mazda RX-8 hydrogen

7. Недостатки водородного транспорта

Список использованной литературы

Введение

Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная.

Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его легко выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хоть и связаны с определенными сложностями, но осуществимы. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина.

Первый патент на водородную силовую установку был выдан в Англии еще в 1841 году. В 1852 году в Германии был построен двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и воздуха, а на печально известном дирижабле Гинденбург компании Zeppelin были установлены ходовые двигатели, работавшие на светильном газе - смеси газов с пятидесятипроцентной долей водорода.

Интерес к водородным двигателям возобновился в семидесятые годы, с приходом топливно-энергетического кризиса.

По окончании нефтяного кризиса, интерес к альтернативным источникам энергии не исчез. В настоящее время его интенсивно подогревают защитники экологии, борющиеся за снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, постоянно растущие цены на энергоносители и желание многих стран обрести топливную независимость способствуют продолжению теоретических и практических исследований способов применения водорода в транспортных средствах.

В 2009 году примерно 25% выбросов углекислого газа в атмосферу Земли производилось в результате работы разного рода транспорта. По оценке МЭА, уже к 2050 году это число удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.

В морском транспорте зачастую используются низкокачественные дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы СО2морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год.

Другой причиной повышения интереса к водородному транспорту является рост цен на энергоносители (в настоящее время подавляющее их большинство -- уголь, нефть и их производные), дефицит топлива, стремление различных стран обрести энергетическую независимость.

1. Силовые установки на основе водородных топливных элементов

Принцип работы топливных элементов построен на физико-химической реакции. По сути, топливные элементы напоминают обычные свинцовые аккумуляторы. Разница в том, что КПД топливного элемента существенно выше КПД аккумулятора и составляет 45% и более.

В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами - анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор. водородный двигатель топливный

Основное преимущество внедрения топливных элементов в наземные транспортные средства (например на автомобилях): предполагаемый высокий КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента -- 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systemsбыл продемонстрирован КПД в 57 %. КПД классического свинцового аккумулятора выше -- до 70-90 %. Но основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей -- дороговизна и несовершенство аккумуляторов. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов.

На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.

В 2002 году Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель -- снизить к 2010 году стоимость топливных элементов до $45 за 1 кВт установленной мощности и до $30 за 1 кВт к 2015 году (в долларах 2002 года, без учёта инфляции). Это означает, что бортовой источник электроэнергии для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л. с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания.

Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

*Ford Motor Company - Focus FCV;

*Honda - Honda FCX;

*Hyundai - Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power);

*Nissan - X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);

*Toyota - Toyota Highlander FCHV, Toyota Mirai;

*Volkswagen - space up!;

*General Motors;

*Daimler AG - Mercedes-Benz A-Class;

*Daimler AG - Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);

*Toyota - FCHV-BUS;

*Thor Industries (топливные элементы компании UTC Power);

*Irisbus (топливные элементы компании UTC Power);

Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на 100 миль (160 км) пробега, то есть 6,4 литра бензинового эквивалента. Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л мощностью 85 кВт потребляет 5,8 л бензина на 100 км в условиях трассы.

National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использует среднюю дальность пробега легкового автомобиля равную 12000 миль в год (19200 км), потребление водорода -- 1 кг на 60 миль (96 км) пробега. То есть одному легковому автомобилю на водородных топливных элементах в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день. Один килограмм водорода считают равным по энергетической ценности одному галлону (3,78 л) бензин.

2. Другие виды транспорта, работающие на водородных элементах

Железнодорожные двигательные установки должны развивать довольно большую мощность, тогда как компактность железнодорожных двигательных установок менее важна чем на автомобильном транспорте. Железнодорожный транспорт представляет собой огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. В настоящее время около 60 % грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы. Еще одна выгодная возможность -- построить, используя топливные элементы, локомотивы сочетающие достоинства тепловоза и электровоза (способность питаться от контактной сети на электрифицированных линиях и автономность при прохождении неэлектрифицированных участков).

Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., дальность пробега на одной заправке -- 300--400 км. Прототип был испытан 18 февраля 2004 года.

В Дании водородный поезд курсирует между городами Vemb, Lemvig и Thyboron. Протяженность маршрута -- 59 км, что ограничено ёмкостью водородных баков. Проект получил название Danish Hydrogen Train Project.

Институт транспорта и инфраструктурных систем Fraunhofer (Германия) создал прототип гибрида трамвая и автобуса. AutoTram оснащен водородным топливным элементом и маховиком, который заряжается при торможении и разгоняет вагон при старте. Прототип имеет длину 18 метров, но институт заявляет, что возможно создание 56-метровых вагонов вместимостью на 300 пассажиров. Топливный элемент производства компании Ballard Power Systems, маховик компании CCM Nuenen. 10 кг водорода хранится на крыше. AutoTram развивает скорость 60 км/ч.

Для внедрения водородных топливных элементов в морской транспорт в Европе в 2003 году был создан консорциум FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships). В консорциум FellowSHIP входят компании Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik и Wдrtsilд Automation Norway.

В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции,Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

Испанская судостроительная компания Navantia, S.A. планирует начать производство подводных лодок класса S-80 с силовыми установками на PEM водородных топливных элементах мощностью 300 кВт. Водород производится на борту подводной лодки из этанола. Поставщик топливных элементов компания UTC Power (США). S-80 предназначены для охраны побережья. Применение водородных топливных элементов позволит сократить уровень шумов, и увеличить время нахождения под водой.

Исландия планирует перевести на водород все рыболовецкие суда. Для производства водорода будет использоваться геотермальная энергия и энергия ГЭС.

3. Toyota Mirai

В Японии начались продажи автомобиля Toyota Mirai («будущее» яп.) - первого в мире серийного автомобиля с водородным двигателем. Цена новинки составляет 7 236 000 иен (примерно $61 100), при этом правительство Японии субсидирует покупку на 2.02 млн иен (немногим более $17 000). Согласно планам компании продажи должны были начаться весной 2015 года, однако, поскольку число предварительных заказов превысило ожидание, было принято решение о переносе даты на ранний срок.

Mirai -- это четырёхдверный седан, двигателем которого является электромотор с мощностью в 151 л. с., получающий энергию от конвертера, исходным веществом которого является водород, хранящийся в двух баках из углеродного волокна под давлением в 70 МПа. Требуемый для химической реакции кислород поступает прямо из радиатора автомобиля во время его движения. Одной заправки хватит на пробег в 480 км, а сама заправка 5 килограммами (170 литров) водорода длится около 3 минут. Максимальная скорость Mirai составляет 111 миль в час (около 180 км/ч), при этом для разгона до 100 км/ч потребуется 9 секунд.

В Европе автомобиль официально презентуют на автосалоне в Женеве, а в Америке продажи начнутся в конце следующего года по цене в $57 500 (что сравнимо с детищем Илона Маска -- электрокарами Tesla) только в Калифорнии и только в количестве 200 экземпляров -- на данный момент водородные заправочные станции на территории США отсутствуют, и Toyota совместно с Air Liquide планирует их построить в количестве 12 штук к началу продаж -- цена одной станции составляет $7.2 млн. Как ожидается, конечная цена на авто с учётом всех скидок и государственных субсидий может составить $45 000.

Помимо своего прямого предназначения, силовая установка автомобиля может служить еще и своеобразной домашней электростанцией для дома: инженеры утверждают, что при помощи разработанной ими системы отбора мощности (Power take off System) средний японский дом может питаться вырабатываемой электроэнергией в течение 5 дней. Интересно отметить, то мысль об этом нестандартном использовании автомобиля возникла из-за значительных рисков катастроф в Японии, когда из-за цунами целые города остаются без электричества.

4. Водородные двигатели внутреннего сгорания

ДВС на водороде может использовать и классические виды топлива, такие как бензин. Для этого придётся устанавливать на автомобиль дополнительный топливный бак. Такой гибрид гораздо легче «продвинуть» на рынок, чем чистый водородный ДВС.

Архивы упоминают некоего французского изобретателя Франсуа Исаака де Риваз, который разработал первый в мире двигатель внутреннего сгорания в 1806 году потребляющий водородное топливо. Естественно, об использовании бензина тогда не могло быть и речи.
Необходимую электрическую энергию для работы ДВС Франсуа Исаак де Риваз получал методом электролиза воды. При этом процессе выделялась энергия и выхлопные газы в виде водяного пара и некоторого количества азота. Трудно сказать насколько востребованным было изобретение француза в начале 19 века, однако именно ему приписывают первенство в использовании водорода, как топлива.

Преимущества водорода как эффективного и экологически чистого топлива хорошо известны. Однако его широкому использованию пока мешают определенные свойства вещества. Молекула водорода - самая маленькая во Вселенной. Его чрезвычайно трудно удержать в замкнутом объеме. Чтобы удержать водород и использовать в качестве ракетного топлива, его охлаждают до экстремально низкой температуры. Но и в этом случае к герметичности трубопроводов и емкостей предъявляются особые требования. По заказу ESA компания MagnaSteyr принимала участие в разработке резервуаров и трубопроводов Arian. Главная проблема при этом состояла в том, чтобы найти жесткие и прочные уплотнительные материалы. Накопив определенный опыт, MagnaSteyr смогла применить его при создании топливной системы автомобиля, использующего в качестве топлива водород. Результатом сотрудничества MagnaSteyr и концерна BMW стало рождение битопливной модели BMW Hydrogen 7, способной работать как на водороде, так и на бензине. Участие MagnaSteyr в проекте заключалось в разработке и создании топливного бака и системы трубопроводов.

Температура жидкого водорода -253 градуса Цельсия. Чтобы водород оставался в жидком состоянии, его надо охлаждать. Вместо этого 114-литровый водородный бак BMW Hydrogen 7 очень хорошо изолирован от внешней среды. Его термоизоляция по эффективности эквивалентна слою пенополистирола толщиной в 17 метров. Она позволяет удерживать нужную температуру внутри бака в течение двух недель.

Сделать автомобиль класса люкс экологически чистым -- идея разумная. Роскошь должна быть эстетична и элегантна, а не расточительна. Экземпляр, о котором поговорим мы сегодня, как раз из этой серии. В 2007 году немецкая компания BMW без фанфар представила миру полноразмерный седан BMW Hydrogen 7. Обычно публику к таким проектам подготавливают с помощью шоу-каров. Здесь этого не понадобилось, как понятно из названия, в основу проекта легла BMW седьмой серии.

Под капотом немецкого автомобиля находится 12-цилиндровый двигатель, рабочий объем которого равен 6 литрам. Обычно такие цифры предполагают огромную мощность, но у BMW Hydrogen 7 этот показатель при работе на водороде составляет 230 лошадиных сил при максимальном крутящем моменте 337 Нм. Мощность двигателя, работающего на водороде, существенно ниже, чем у бензинового аналога. Но если силовая установка спроектирована особым образом, такой недостаток можно практически полностью исключить.

Особенность BMW Hydrogen 7 заключается в том, что он кроме водорода для движения может использовать обычный бензин. Для этого нужно просто переключиться в режим Super. При работе на бензине мощность силового агрегата увеличивается до 260 лошадиных сил. Максимально седан BMW Hydrogen 7 может разогнаться до 230 км/ч.

В автомобиле установлен 74-литровый бензобак, который позволяет проехать до 480 километров. С помощью нехитрых подсчетов можно определить, что расход бензина составляет около 15 литров на 100 км. В BMW Hydrogen 7 также установлен 8-килограммовый двухслойный бак для жидкого водорода. Расход водорода составляет 3.6/100 км, а это значит, что автомобиль проедет еще 200-250 км.

Данная модель имеет необыкновенное богатое оснащение. Помимо стандартной комплектации BMW Hydrogen 7 имеет многослойное комфортное остекление, систему климат контроля High, подогрев всех сидений, автономный отопитель, поясничный подпор. Также автомобиль оснащен датчиком дождя, сигнализацией аварийного сближения при парковке, автоматическими доводчиками дверей, системой управления дальним светом.

В этом автомобиле четко представлена концепция, которая опровергает представление о вынужденном отказе от динамичности и комфорта в пользу альтернативного топлива. В BMW Hydrogen 7 сочетаются все эти характеристики, которые ничуть не ниже, чем у монотопливных автомобилей данного класса.

BMW уже более 20 лет работает над водородными технологиями. Тем не менее компания не спешит сделать BMW Hydrogen 7 массовым автомобилем. К 2010 году произведено всего около 100 моделей.

6. Mazda RX-8 hydrogen

Компания Mazda разработала водородный автомобиль Mazda RX-8 hydrogen, который имеет возможность работы на двух видах топлива, включая бензин и водород. Автоматически система переключает подачу того или иного вида топлива.

В 2008 году было объявлено о первом, вышедшем в Европе таком автомобиле. Являясь отличной альтернативой монотопливным автомобилям, Mazda RX-8 hydrogen отлично подходит для таких районах Европы, где есть возможность дозаправки автомобиля водородом на сети водородных заправочных станциях. Данный автомобиль играет важную роль в развитии транспорта, работающего на альтернативном топливе.

Общая длина автомобиля 4,435 м, ширина 1,77 м.В автомобиле 4 пассажирских места. Мощность водородного двигателя 109 л.С., мощность бензинового двигателя - 210 л.с. Максимальный крутящий момент в режиме «водород» - 140 Нм, в режиме «бензин» - 222 Нм. Двигатель имеет четыре скоростных режима. Максимальная дальность поездки в режиме бензинового двигателя составляет 549 км.

Автомобиль Mazda RX-8 hydrogen оснащен двигателем, работающим на водородном топливе. Двигатель расположен поперечно. Автоматическая коробка передач была улучшена, по сравнению с предыдущими модификациями. Ей стало значительно удобнее пользоваться. Помимо этого, дальность пути в водородном режиме увеличена до 100 км, благодаря увеличению объема резервуара для хранения водорода, а также созданию технологии экономии топлива.

Система автоматически переключает с режима водородного топлива на бензин. Кроме того, в случае дальней поездки и поездки в районе, где нет возможности заправки водородом, водитель может вручную переключить между системами одним нажатием кнопки прямо во время движения автомобиля. Переключение с бензина на водород возможно только после остановки.

Уровень водородного топлива отражается на индикаторе топлива, который предупреждает о том, что уровень приближается к нулю. На панели всегда отображается, какой вид топлива используется. Индикатор замены топлива загорается, когда двигатель работает в режиме водородного топлива. Также автомобиль оснащен звуковым сигналом, оповещающим водителя о смене вида топлива.

7. Недостатки водородного транспорта

Смесь водорода с воздухом взрывоопасна. Водород более опасен, чем бензин, так как горит в смеси с воздухом в более широком диапазоне концентраций. Но водород, хранящийся в баках при высоком давлении, в случае пробоя бака очень быстро испаряется. Для транспорта разрабатываются специальные безопасные системы хранения водорода -- баки с многослойными стенками, из специальных материалов и т. д. (К примеру, бак из нанотрубок, заполненных водородом.) Но, всё равно это в целом удорожает весь цикл эксплуатации транспортного средства, ложась расходами на плечи потребителя.

Водородная силовая установка на базе традиционного ДВС значительно сложнее и дороже в обслуживании, чем обычный ДВС (особенно дизельный). По данным Массачусетского технологического института, эксплуатация водородного автомобиля на данном этапе развития водородных технологий обходится в сто раз дороже, чем бензинового.

Пока нет достаточного опыта эксплуатации водородного транспорта.

Нет возможности быстрой дозаправки в пути из канистры или от другого автомобиля.

Для заправки водородом требуется построить сеть заправочных станций. Для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким водородом стоимость оборудования выше, чем для заправочных станций, заправляющих автомобили жидким топливом (бензином, этанолом и дизельным топливом). (Согласно GM, строительство 12 тысяч водородных заправочных станций в 2005 году оценивалось в $12 млрд, то есть $1 млн на одну заправочную станцию, в то время как комплект оборудования для бензиновых заправочных станций стоит от $40 тыс., в среднем $100-200 тыс.)

Летучесть водорода самая высокая среди газов. Таким образом, водород трудно сохранить в жидком виде, это затрудняет хранение водорода, транспортировку, и использование в баке. Так как топливо испарится из бака полностью за короткое время. За девять дней испаряется полбака топлива BMW Hydrogen

В настоящий момент водород производится либо путём расхода значительного количества электроэнергии , либо из углеводородов. В первом случае используется та же электроэнергия, которая может производиться на тепловых, атомных и других электростанциях. К сожалению альтернативными источниками производится довольно небольшое количество энергии , и её не хватит на развитие транспорта. Во втором случае имеем использование тех же видов топлива и выделение COІ, а также требуется очистка от соединений серы и других примесей, которые в случае применения топливных элементов значительно сокращают срок их службы.

Список использованной литературы

1. http://www.facepla.net/

2. http://oprogresse.ru/

3. http://www.alterenergy.info/

4. blamper.ru

Размещено на Allbest.ru