План

1. Немного техники.

2. Водород как топливо.       

3. Вместо топливного бака.

4. Топливный элемент.

1.НЕМНОГО ТЕХНИКИ

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 планируется ввести 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.

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 2020л-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 уменьшится в полтора раза, оксидов азота — 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 позволит 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.

2.- ВОДОРОД КАК ТОПЛИВО

Существующие на сегодняшний день технологии произ­водства водорода далеки от совершенства.

Несмотря на это, гиганты химическ3ой 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.

3. 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 (ПУаРе, СиМ и др.), из которых по мере надобности постепенно высвобождается чистое вещество. Но при этом варианте масса водорода в общем объеме вещества (т. н. 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.

4. 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.