Водородный двигатель

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

ВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Содержание

Введение

1. Немного техники

2. Водород как топливо

3. Вместо топливного бака

4. Топливный элемент

Заключение

Список литературы

Введение

Америка поставила себе задачу: в ближайшие 10--15 лет избавиться от нефтяной зависимости. Единственный выход -- как можно скорее запустить в серийное производство водородный автомобиль. Европа боится отстать, кроме того, европейцам приходится выполнять принятые у них нормы на выброс вредных веществ автотранспортом, которые все время ужесточаются. В 1993 году были введены нормы «Евро-1», в 1996 году -- «Евро-2», в 1999 году -- «Евро-3», а с 2005 года в Европе введены в действие еще более жесткие нормы «Евро-4». В перспективе автомобилям совсем запретят выбрасывать вредные вещества, и тогда нельзя будет обойтись без машины, работающей на водороде.

Немного техники

Главное препятствие к внедрению водородного автомобиля -- отсутствие системы промышленного получения водорода в нужных объемах, систем его хранения, транспортировки и заправки автомобилей. По мнению американских специалистов, такую систему удастся создать не раньше 2020--2030 гг. На переходный период ведущие автомобилестроители предложат так называемые «гибридные автомобили»: в них экономичный двигатель внутреннего сгорания подзаряжает аккумуляторную батарею, которая питает электрический двигатель. Такие автомобили разрабатываются практически всеми ведущими автомобильными компаниями и уже серийно выпускаются в Японии.

Классическая схема: двигатель внутреннего сгорания приводит в движение колеса через механический привод. Нас окружают тысячи автомобилей, но мало кому приходит в голову, что их эффективность катастрофически мала. Если взять так называемые «условия городского цикла движения», то общий коэффициент полезного действия (КПД) автомобиля -- 10--12 % (за городом, где меньше светофоров, 15--17 %). Девять литров бензина из десяти попросту улетают в атмосферу.

Автомобили на водородном топливе условно можно разделить на три класса.

Первый -- это машины с обычным двигателем внутреннего сгорания, работающим на водороде или водородной смеси. Такие модели могут работать на чистом водороде или 5-- 10% водорода добавляют к основному топливу. В обоих случаях КПД двигателя увеличивается (во втором случае примерно на 20%) и выхлоп становится гораздо чище (содержание угарного газа (СО) и углеводородов (СnНm) уменьшится в полтора раза, оксидов азота (NOx) -- до пяти раз. Такие двигатели и автомобили были сделаны и прошли все испытания у нас и за рубежом примерно в 70--80-х годах. Однако, учитывая затраты и конструкционные сложности, это может быть только промежуточным, переходным этапом на пути к третьему типу.

Второй -- это машины с двумя электроносителями, так называемые гибридные. Его колеса приводят в движение электропривод, энергию которому поставляет аккумулятор, в свою очередь заряжающийся от высокоэкономичного двигателя внутреннего сгорания, работающего на водороде или смеси водорода с бензином. Это очень выгодно, ведь КПД электродвигателя достигает 90--95 % в отличие от бензинового (35 %) или дизельного (50 %), таким образом, общий КПД повышается до 30 %, соответственно снижается расход топлива. Даже если для подзарядки аккумулятора используется бензин, объем вредных выбросов позволяет уложиться в нормы «Евро-4» с десятикратным запасом. И все же получить совершенно чистый выхлоп можно только у третьего типа автомобилей.

Третий -- настоящий водородный автомобиль -- это машина с электродвигателем, который питается от топливного элемента, расположенного на борту автомобиля. Теоретически КПД топливного элемента, работающего на смеси водород--воздух, может быть больше 85 %. Сейчас уже удалось получить двигатели с КПД около 75 % -- это более чем в два раза выше, чем в лучших двигателях внутреннего сгорания. В условиях города такие машины получат пяти--шестикратное преимущество перед обычными автомобилями.

Водород как топливо

Существующие на сегодняшний день технологии производства водорода далеки от совершенства.

Несмотря на это, гиганты химической промышленности и сегодня уже получают по 500 млрд. м3 водорода в год. Половина производимого количества идет на аммиачные удобрения, остальное -- на производство стали, стекла, маргарина и пр. В основном водород получают с помощью парового риформинга природного газа: метан при высоких температурах (900°С) в присутствии никелевого катализатора реагирует с паром. Пока что такой водород самый дешевый, однако российские ученые знают, как удешевить производство еще в 2 раза.

Есть и другие технологии получения водорода, например электролиз, крекинг или переработка биомассы (древесины, соломы). Каждый из этих вариантов имеет свои недостатки. Например, переработка биомассы: ее нагревают на 500-- 600°С, после чего получаются спирты (этанол, метанол), которые, в свою очередь, превращаются в водород. Можно нагреть биомассу до более высоких температур (1000°С), тогда она полностью превратится в газ и получится смесь Н2 и СО. Проблема в том, что сырья для такого процесса понадобится очень и очень много. Если, например, всю плодородную территорию Франции пустить на выращивание биомассы, то водорода, полученного из нее, не хватит даже на то, чтобы покрыть потребности этой страны в топливе даже для ныне существующих автомобилей.

Казалось бы, самый простой способ получения водорода -- электролиз (электрическое расщепление воды). Результат -- водород и кислород. Но в целом эффективность этого процесса не очень велика: надо затратить 4 кВт электроэнергии, чтобы получить 1 м3 водорода, который, сгорая, даст лишь 1,8 кВт. Тем не менее, электролиз воды довольно перспективен и ему наверняка найдут применение, тем более, что существуют выходы из «энергетической проблемы». Во-первых, можно использовать энергию атомной электростанции в часы слабой нагрузки (когда вырабатывающаяся там энергия оказывается невостребованной) или, в конце концов, возобновляемые источники энергии (солнечные батареи, энергия ветра, приливы и пр.). Во-вторых, эта технология активно -развивается: электролиз для большей эффективности можно проводить при повышенном давлением или температуре, что и пытаются сделать ученые.

Сейчас биологи активно разрабатывают еще одно направление. Некоторые бактерии и водоросли в процессе фотосинтеза разлагают воду и выделяют водород. Проблема в том, что они делают это только в отсутствии кислорода, следовательно, процесс длится очень короткое время, так как при разложении воды, естественно, образуется и кислород. Задача ученых -- с помощью генной инженерии продлить этот период, тогда солнечные районы нашей планеты будут обеспечены водородом.

Вместо топливного бака

Общая схема водородного двигателя понятна: электродвигатель, топливный элемент, водород для его работы. Проблема заключается в том, что нужен некий аналог топливного бака, а ведь водород в топливный бак не нальешь. Это на сегодняшний день самая большая техническая трудность.

Ученые рассматривают довольно много вариантов. Например, можно хранить водород в аккумуляторах на основе гидридов интерметаллических сплавов (TiVaFe, CuNi идр.), из которых по мере надобности постепенно высвобождается чистое вещество. Но при этом варианте масса водорода в общем объеме вещества (т. и. аспектное число) составляет всего 5 %, к тому же возникает проблема со скоростью высвобождения водорода. Можно хранить водород в жидком виде. Но, во-первых, это требует охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю (соответственно, вырастает стоимость водорода), а во-вторых, заправленный таким образом автомобиль должен будет расходовать свое топливо как можно быстрее. Очень перспективное направление -- хранение водорода в наноструктурах (углеродных нанотрубках), однако эти исследования находятся пока на начальных стадиях.

Наиболее перспективным ученые считают хранение водорода в баллонах высокого давления -- более 350 атм (аспектное число до 18 % при давлении выше 500 атм) или получение его прямо на борту из другого топлива (метанола или жидких углеводородов: бензина, дизельного топлива и пр.), в специальных каталитических реакторах (аспектное число около 10 %). Такие системы разработаны и российскими учеными и при разумных габаритах обеспечивают запас водорода для пробега в несколько сотен километров.

Конструкторы сталкиваются также и с другими проблемами. Так, машина (прежде всего кабина) должна иметь систему водородной безопасности.

Топливный элемент

Топливный элемент, работающий на водороде, -- одна из ключевых деталей в новом автомобиле. Топливный элемент (иначе -- электрохимический генератор) -- это устройство для преобразования химической энергии в электрическую. То же происходит и в обычных электрических аккумуляторах, но в топливных элементах есть два важных отличия:

-- они работают до тех пор, пока поступает топливо;

-- топливный элемент не нужно перезаряжать.

Топливный элемент состоит из многих десятков ячеек, каждая примерно в сантиметр толщиной. Каждая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом. На один электрод (анод) подводится топливо (водород), на другой (катод) -- окислитель (кислород воздуха). Водород здесь не сгорает, химическая реакция окисления происходит при низкой температуре в присутствии катализатора. Смысл устройства в том, чтобы, используя эту реакцию, разделить положительный и отрицательный заряды в пространстве и создать между ними напряжение. Поэтому электролит, заполняющий пространство между электродами, должен обладать способностью пропускать через себя протоны (т. е. ионы водорода) и не пропускать электроны. На аноде водород распадается, на электроны и протоны, далее протоны проходят через слой электролита, достигают катода и, соединяясь с кислородом, образуют воду. Однако в вопросах получения качественного и недорогого электролита наука пока что испытывает огромные трудности. Полимерный электролит американской фирмы «Дюпон» стоит около 700 евро за м2, а на батарею для среднего автомобиля нужно десятки квадратных метров такого материала. Понятно, что при такой стоимости электролита невозможно наладить серийный выпуск водородных автомобилей. Учеными всего мира ведутся интенсивные исследования с целью удешевления этого материала и использования его при более высоких температурах (150--200°С).

В общем, топливный элемент на водороде вполне готов к применению. Дело за малым: сделать его компактнее и дешевле.

Заключение

водород автомобиль двигатель

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода - это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты. Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах.
В то же время водород - сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов. Автопроизводители говорят, что водородные двигатели решают сразу две важнейшие задачи, во-первых, они делают автомобили и их выхлопы безвредными для окружающей среды, а во-вторых, они снижают зависимость транспортной системы, являющейся ключевой для современного мира, он нефти и ее производных

Список литературы

1. История автомобильного транспорта. Режим доступа: www.auto-book.net

2. Непомнящий А.Л. История автомобилей. Режим доступа :http://automan.ru

3. Шотт. А.В. Курс лекций по истории автомобильного транспорта /А.В. Шотт, И.С. Петров. - Минск: Асар, 2004

4. Экология и жизнь -2005- №5- (статья из журнала)

5. Электронный ресурс - www.google.by

6. Электронный ресурс - www.library.by

Размещено на Allbest.ru