Водородное топливо

Двигатели внутреннего сгорания не появились, как отдельные силовые агрегаты резко. Ско

Содержание

Водород – это непросто

Помимо плюсов, есть у водорода и недостатки. Во-первых, гидроген – самый легкий химический элемент, его атом содержит по одному протону и электрону. Простое вещество, состоящее из двух атомов, из-за этого имеет очень малую плотность (0,09 кг/м³) и обладает большой летучестью. Это порождает проблемы хранения и транспортировки газа. Ведь чтобы запасти достаточно энергии для автомобиля – нужно сильно сжать газ (в сотни раз), что требует использования прочных и тяжелых баллонов.

Водородные баллоны © PEGE.orgВодородные баллоны © PEGE.org

Водородные баллоны © PEGE.org

Выдающиеся энергетические характеристики водорода, являющиеся его достоинством, являются также и источником повышенного риска. Смешиваясь с воздухом, он образует гремучий газ, взрывающийся от малейшей искры. Этот газ намного опаснее других горючих газов, используемых на транспорте.

Если метан взрывается при концентрации в воздухе от 4 до 17%, пропан – от 2 до 10% (если газа будет меньше или больше – «бабах» не произойдет), то для водорода концентрация практически не имеет значения. Это значит, что в случае ДТП риск взрыва авто с водородным мотором гораздо выше, чем с бензиновым или газовым.

Кроме того, через микроскопические поры и трещины водород улетучивается намного легче и быстрее другого топлива, из-за чего даже небольшое повреждение топливных магистралей может повлечь взрыв в подкапотном пространстве. Порой даже трещин не надо, так как маленькая молекула способна просачиваться через многие материалы (в том числе, металлы).

Баллон для водорода имеет сложную многослойную структуру стенок, препятствующих утечке газа © EHAБаллон для водорода имеет сложную многослойную структуру стенок, препятствующих утечке газа © EHA

Баллон для водорода имеет сложную многослойную структуру стенок, препятствующих утечке газа © EHA

Производят водород несколькими способами, самые популярные из них – разложение метана путем паровой конверсии, и воды – методом электролиза. Первый метод требует, по большому счету, только газ метан (он и сырье, и энергоноситель), а электролиз воды требует электроэнергию. Полученный таким путем газ стоит дороже, а сам КПД процесса электролиза весьма невысок. Это тоже неидеальный вариант.

История развития водородных автомобилей в России

Известно, что в  30-е годы прошлого столетия в Советском Союзе в МВТУ им Н.Э Баумана  Сороко-Новицкий В. И., (зав. кафедрой «Легкие двигатели» до 1937 г. ) совместно с А. К. Курениным исследовал  влияние добавок водорода к бензину на двигателе ЗИС-5.  Известны также работы по использованию в качестве топлива водорода, которые проводильсь  в нашей стране Ф. Б. Перельманом. Однако практическое применение водорода в качестве моторного топлива началось в 1941 году. В Великую Отечественную войну в блокадном Ленинграде техник-лейтенант Шелищ Б. И. предложил использовать водород, «отработавший» в аэростатах, как моторное топливо для двигателей автомобиля ГАЗ-АА.

2.jpg

Рисунок 1. Пост ПВО Лениградского фронта ВОВ, оборудованный водороднгой установкой

На рис. 1  на заднем плане виден спущенный на землю водородный аэростат, из которого водород перекачивается в газгольдер, расположенный на переднем плане. Из газгольдера с «отработашим» водородом газообразное топливо посредством гибкого шланга  подается в двигатель внутреннего сгорания автомобиля ГАЗ-АА. Заградительные аэростаты поднимались на высоту до  пяти километров и являлись надежным противовоздушным средством обороны города,  не позволяя самолетам противника осуществлять прицельное бомбометание. Для опускания аэростатов, частично потерявших свою подъемную силу требовалось большое усилие. Эта операция осуществлялась с использованием механической лебедки, установленной на автомобиль ГАЗ-АА. ДВС вращал лебедку для опускания аэростатов. В условиях острого дефицита бензина были переоборудованы для работы на водороде несколько сотен постов ПВО, на которых использовались автомобили  ГАЗ-АА, работающие на водороде.

После воины в семидесятые годы прошлого века Бриса Исааковича неоднократно приглашали на различные научные конферкнции, где в своих выступлениях он подробно рассказывал о тех далеких героических днях. Одно из таких мероприятий — I Всесоюзная школа молодых ученых и специалистов  по проблемам водородной энергетики и технологии , организованная по инициативе ЦК ВЛКСМ, Комиссии АН СССР по водородной энергетике, Институтом атомной энергии им И. В. Курчатова и Донецким политехническим институтом, проводилась в сентябре 1979 года за полгода до его смерти. Борис Иссакович  свой доклад «Водород вместо бензина» на секции «Технология использования Водорода» сделал 9 сентября.

В  семидесятые годы в нескольких научно-исследовательских организациях СССР интенсивно проводились работы по использованию водорода в качестве топлива. Наиболее известны такие организации как Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ), Институт проблем машиностроения АН УССР (ИПМАШ АН УССР), Сектор механики неоднородных сред АН СССР (СМНС АН СССР), Завод-ВТУЗ при ЗИЛе  и др. В частности,  в  НАМИ под руководством Шатрова Е. В. начиная с 1976 года были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию водородного микроавтобуса РАФ 22034. Была разработана система питания двигателя позволяющая работать на водороде. Она прошла полный комплекс стендовых и лабораторно-дорожных испытаний.

5.jpg

Рисунок 2. Слева направо Шатров Е. В., Кузнецов В. М., Раменский А. Ю.

На рис. 2 фотографии слева на право: Шатров Е.В – научный руководитель проекта;  Кузнецов В. М. – руководителя группы водородных двигателей; Раменский А. Ю. — аспирант НАМИ, внесшие значительный клад в организацию и проведение НИОКР по созданию водородного  автомобиля. Фотографии стендов для испытания двигателя, работающего на водороде и микроавтобуса  РАФ 22034, работающего на водороде и бензоводородных топливных композициях (БВТК), представлены на рис. 3 и 4.

6.jpg

 Рисунок 3. Моторный отсек Болкса № 20 для испытаний ДВС на водороде Отдела мотрорных лабораторий НАМИ

7.jpg

 Рисунок 4. Водородный микроавтобус РАФ (НАМИ)

Первый опытный образец микроавтобуса был построен в НАМИ в период 1976–1979 году (рис. 4). Начиная с 1979 года в НАМИ осуществлялись его лабораторно-дорожные испытания и опытная эксплуатация.

Параллельно работы по созданию автомобилей работающих на  водорода велись в ИПМАШ АН УССР и  СМНС АН СССР и Заводе Втузе при ЗИЛе. Благодаря активной позиции академика Струминского В. В. (рис. 5), руководителя СМНС АН СССР несколько образцов микроавтобусов использовались на ХХII Олимпийских летних играх в Москве в 1980 году.

8.jpg

 Рисунок 5. Слева направво Легасов В. А., Семененко К. Н. Струминский В. В.

Как головной институт Министерства   автомобильной промышленности СССР  НАМИ сотрудничал с указанными выше организациями.  Примером такого сотрудничества были совместные исследования с ИПМаш АН УССР, директором которого в те времена работал член-корреспондент АН УССР Подгорный А. Н. В области применения водорода на автомобиле следует обратить внимание на работы руководителей ведущих подразделений   института: Варшавского И. Л., Мищенко А. И., Соловья В. В. и многих других (Рис. 6).

9.jpg

 Рисунок 6. Сотрудники ИПМАШ АН УССР, слева направо Подгорный А. Н., Варшавский И. Л., Мищенко А. И.

Широко известны разработки этого института по созданию  автомобилей и автопогрузчиков, работающих на БВТК с металлогидридными системами хранения водорода на борту.   

Другим примером сотрудничества НАМИ с ведущими НИИ страны была работа по созданию металлогидридных систем хранения водорода на автомобиле. В рамках консорциума по созданию металлогидридных систем хранения сотрудничали три ведущие организации: ИАЭ им И. В. Курчатова, НАМИ и МГУ им М. В. Ломоносова. Инициатива создания такого консорциума принадлежала академику Легасову В. А. Институт атомной энергии им И. В. Курчатова был головным разработчиком металлогидридной системы хранения водорода на борту автомобиля. Руководителем проекта был Чернилин Ю. Ф., активными участниками работ были Удовенко А. Н. и Столяревский А. Я.

Металлогидридные соединения разработал и изготовил в необходимом количестве МГУ им. М. В. Ломоносова. Эта работа велась под руководством Семененко К. Н., заведующего кафедрой  химии и физики высоких давлений. 21 ноября 1979 года были зарегистрированы в Государственном реестре изобретений СССР заявки № № 263140 и 263141 с приоритетом изобретения 22 июня 1978 года. Авторские свидетельства на сплавы-аккумуляторы водорода А. С. № 722018 и № 722021 от 21 ноября 1979 г. были одними из первых изобретений в этой области в СССР и в мире.

В изобретениях предлагались новые составы, позволяющие существенно увеличить количество запасаемого водорода. Это достигалось путем модификации состава и количества компонентов в сплавах на основе титана или ванадия.Такие композиции позволили добиться концентрации от 2.5 до 4.0 массовых процентов водорода. Выделение водорода из интерметаллида осуществлялось в интервале температур 250–400°С. Этот результат и по сей день является практически максимальным достижением для сплавов такого типа. В разработке сплавов  принимали участие ученые ведущих научных организаций СССР, связанных с разработкой материалов и устройств на базе гидридов интерметаллических сплавов — МГУ им. М. В. Ломоносова (Семененко К. Н., Вербецкий В. Н., Митрохин С. В., Зонтов В. С.); НАМИ (Шатров Е. В., Раменский А. Ю.); ИМаш АН СССР (Варшавский И. Л.); Завода-ВТУЗа при ЗИЛ (Гусаров В. В., Кабалкин В. Н.). В  середине восьмидесятых годов испытания металлогидридной системы хранения водорода на борту  микроавтобуса РАФ 22034, работающего на БВТК, проводились  в Отделе двигателей на газовых и других видах альтернативных топлив НАМИ (зав. отделом Раменский А. Ю.) . Активное участие в работе принимали сотрудники отдела: Кузнецов В. М., Голубченко Н. И., Иванов А. И., Козлов Ю. А. Фотография металлогидридной системы хранения водорода  для микроавтобуса представлена на рис. 7.

11.jpg

 Рисунок 7. Водородный автомобильныйметаллогидридный аккумулятор водорода (1983 г. )

В начале восьмидесятых годов начало зарождаться новое направление в применении водорода в качестве топлива для автомобилей, которое в настоящее время рассматривается как основная тенденция. Это направление связано с созданием автомобилей работающих на топливных элементах.  Создание такого автомобиля осуществлялось в НПП «Квант». Под руководством Н. С. Лидоренко.  Автомобиль  впервые был представлен на международной выставке  «Электро-82» в 1982 г. в Москве (рис. 8).

12.jpg

Рисунок 8. Водородный микроавтобус РАФ на топливных элементад (НПП «КВАНТ»)

В 1982 микроавтобус РАФ, на борту которого были смонтированы электрохимические генераторы и был установлен электрический привод, демонстрировался заместителю министра автомобильной промышленности Е. А. Башинджагяну. Демонстрировал автомобиль сам Н. С. Лидоренко. Для опытного образца, автомобиль на топливных элементах, имел неплохие ездовые качества, о чем не без удовлетворения отметили все участники просмотра.  Планировалось осуществлять эту работу совместно с предриятиями Минавтопрома СССР. Однако в 1984 году Н. С. Лидоренко оставил пост  руководителя предприятия, может быть с этим связано то обстоятельство, что эта работа не получила своего продолжения. Создание первого российского водородного автомобиля на топливных элементах, построенного коллективом предприятия более 25 лет могла бы претендовать на историческое событие в нашей стране.

О том, на сколько же еще далек от нас водородный автомобиль

Водород (H2) – это альтернативное топливо, которое получают из углеводородов, биомассы, мусора.  Водород помещают в топливные элементы (что-то вроде бензобака для топлива) и автомобиль перемещается, используя энергию водорода.

Хотя водород пока рассматривается только как альтернативное топливо будущего, правительство и промышленность работают над чистым, экономичным и безопасным производством водорода для электрических автомобилей на топливных элементах (FCEV). FCEV уже поступают на рынок в регионах, где немного развита инфраструктура водородных заправок. Рынок также развивается для спецтехники: автобусов, погрузочно-разгрузочного оборудования (например, вилочных погрузчиков), наземного вспомогательного оборудования, средних и больших грузовиков.

автомобили на водородеАвтомобили на водороде Toyota, GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz понемногу появляются в дилерских сетях. Стоят такие машины в районе 4-6 миллионов рублей (Toyota Mirai – 4 млн. руб., Honda FCX Clarity – 4 млн. руб.).

Ограниченными сериями выпускаются:

  • BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen — двухтопливные (бензин/водород) легковые автомобили. Используют жидкий водород.
  • Audi A7 h-tron quattro — электро-водородный гибридный легковой автомобиль.
  • Hyundai Tucson FCEV
  • Ford E-450. Автобус.
  • Городские автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

  • Ford Motor Company — Focus FCV;
  • Honda — Honda FCX;
  • Hyundai Nexo
  • Nissan — X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);
  • Toyota — Toyota Highlander FCHV
  • 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);

Водород обилен в окружающей среде. Он хранится в воде (H2O), углеводородах (метан, CH4) и других органических веществах. Проблема водорода как топлива в эффективности его извлечения из этих соединений.

При извлечении водорода, в зависимости от источника, в атмосферу попадают вредные для окружающей среды выбросы. При этом, автомобиль работающий на водороде, в качестве выхлопных газов выделяет только водяной пар и теплый воздух, у него нулевой уровень выбросов.

ВОДОРОД В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА

Интерес к водороду как альтернативному транспортному топливу обусловлен:

  • способностью использовать топливные элементы в FCEV с нулевым уровнем выбросов;
  • потенциалом для внутреннего производства;
  • быстрой заправкой автомобилей (3-5 минут);
  • по расходу и цене, топливные элементы до 80 процентов эффективнее обыкновенного бензина

В Европе стоимость заправки полного бака водорода емкостью в 4.7 килограмма обойдется в 3 369 рублей (717 рублей за килограмм). На полном баке Toyota Mirai в среднем проезжает 600 километров, итого 561 рубль на 100 километров. Для сравнения, цена 95-го бензина равна 101 рубль, т.е. 10л бензина обойдется в 1010 рублей или 6 060 рублей за 600 километров. Цены на 2018 год.

Данные розничных водородных заправочных станций, собранные и проанализированные Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, показывают, что среднее время на заправку FCEV, составляет менее 4 минут.

Топливный элемент, соединенный с электродвигателем, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. Водород используют и как топливо для двигателей внутреннего сгорания (BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen). Однако, в отличие от FCEV, такие двигатели выпускают вредные выхлопные газы, не такие мощные как водородные и быстрее подвержены износу.

В 1 килограмме газообразного водорода столько же энергии как в бензине объемом 1 галлон (6,2 фунта, 2,8 килограмма). Поскольку в водороде низкая объемная плотность энергии, он хранится на борту транспортного средства в виде сжатого газа. В машинах водород хранится в резервуарах высокого давления (топливных элементах), способных хранить водород на 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Например, FCEV, выпускаемые автопроизводителями и доступные в автосалонах, имеют емкость в 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Розничные диспенсеры, которые в основном расположены на автозаправочных станциях, заполняют такие резервуары за 5 минут. Разрабатываются и другие технологии хранения, включая химическое соединение водорода с металл гидридом или низкотемпературными сорбционными материалами.

Заправочных станций на водородные машины почти нет, следите за динамикой – в 2006 году в мире насчитывалось 140 заправок, а к 2008 году 175. Чувствуете, за 2 года построено 35 станций, 45% из которых находятся в США и Канаде. К 2018 году число станций равно приблизительно 300 единицам. Еще есть мобильные станции и домашние, точное число которых не известно.

КАК РАБОТАЕТ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Прокачивая кислород и водород через катоды и аноды, которые контактируют с платиновым катализатором, происходит химическая реакция, в результате которой получается вода и электрический ток. Набор из нескольких элементов (ячеек) необходим, чтобы увеличить заряд в 0,7 вольт в одной ячейке, что приводит к увеличению напряжения.

Ниже смотрите схему, как получается топливный элемент.

Водород в качестве альтернативного топлива

Водородное топливо – альтернатива или тупиковое направление?

Транспортные средства достаточно активно используют природные источники энергии, потребляя около трети всей нефти, добываемой в мире, и из всех видов транспорта автомобили являются наиболее энергоемкими. Использование углеводородного топлива на нефтяной основе сопровождается выбросом в атмосферу большого количества вредных веществ. Это приводит к глобальному загрязнению окружающей среды. В качестве альтернативы предлагается начать активно использовать гидроген и на его основе устанавливать в машины топливные элементы. Давайте сначала поймем, почему выбор пал на этот изотоп.

Водород (H2) – один из немногих газов, широко распространенный на планете, обладающий высокой теплотвотворной способностью. Это абсолютно бесцветный газ, без вкуса и без запаха, из-за чего экологи ратуют за его применение в качестве топлива. Можно отметить, что он очень перспективный энергоноситель. Промышленный процесс его получения таков, что когда вещество соединяется с кислородом, образуется вода и выделяется определенное количество тепла. Это сгорание не вызывает вредных выбросов в окружающую среду, в частности двуокиси углерода. При горении с доступом кислорода снова образуется вода, которую можно использовать повторно. Это делает источник энергии самообновляемым, а отсутствие вредных веществ – экологически чистым и безвредным для окружающей среды. 

Водородное топливо – альтернатива или тупиковое направление?

Идея создания углеводородного электродвигателя пришла с запада, а точнее из Америки. Интерес к газу как альтернативному питанию для транспорта обусловлен, прежде всего:

  • возможностью использования топливных элементов в FCEV (fuel cell vehicle) в электромобилях топливного типа без выбросов;
  • быстрой заправкой автомашин, занимающей от 3 до 5 минут;
  • эффективностью ТЭ с точки зрения расхода и стоимости;
  • возможностью получения его из углеводородов, биомассы и мусора;
  • потенциалом для отечественного производства.

Принцип действия ТЭ основан на прокачивании кислорода и водорода через катоды и аноды, контактирующими с платиновым катализатором. В результате происходит химическая реакция, в которой образуется вода и электрический ток. Топливный элемент, подсоединенный к электродвигателю, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем бензиновый мотор внутреннего сгорания. 

Водородное топливо – альтернатива или тупиковое направление?

Следует отметить, что большинство развитых стран охотно переходят на водородный изотоп и начали строить АЗС на его основе. Заправки появились в Японии, США и Германии. Также крупные автомобильные концерны готовы предложить новые разработки автомобилей с водородными ТЭ. Немалый интерес к этому типу горючего проявляют авиаконструкторы и уже фирмой “Боинг” был разработан самолет “Джамбо Джет” на основе водорода. А перекись водорода, являющаяся соединением водорода, применяется в электромоторах ракет и подводных лодок. Более подробную информацию о топливе можно прочитать в статье “Почему биотопливо считается перспективным направлением?”

Список обозначений

АТД автотракторный двигатель

БВТК бензоводородные топливные композиции

ВЗС водородная заправочная станция

ВТЭК водородный транспортно-энергетический комплекс

ДВС двигатель внутреннего сгорания

ЖРД жидкостный ракетный двигатель

РККА Рабоче-крестьянская Красная армия

ТС транспортное средство

ТСТЭ транспортное средство на топливных элементах

ТЭ топливный элемент

ЭХГ электрохимический генератор

Н2 водород

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Toyota Mirai 2016 года выпуска

Подводные аппараты на перекиси водорода

В 1938—1942 годах на Кильских верфях под руководством инженера Вальтера построили опытную лодку У-80 работавшую на перекиси водорода. На испытаниях корабль показал скорость полного подводного хода 28,1 узла. Полученные в результате разложения перекиси пары воды и кислорода использовали в качестве рабочего тела в турбине, после чего удаляли их за борт.

Водород - топливо будущего Игорь ДабаховНа рисунке условно показано устройство подводной лодки с двигателем на перекиси водорода

Всего немцы успели построить 11 лодок с ПГТУ.

После разгрома гитлеровской Германии в Англии, США, Швеции и СССР проводились работы с целью довести замысел Вальтера до практической реализации. Была построена советская подлодка (проект 617) с двигателем Вальтера в конструкторском бюро Антипина.

«Это была первая подводная лодка СССР, перешагнувшая 18-узловую величину подводной скорости: в течение 6 часов её подводная скорость составляла более 20 узлов! Корпус обеспечивал увеличение глубины погружения вдвое, то есть до глубины 200 метров. Но главным достоинством новой подводной лодки была её энергетическая установка, явившаяся удивительным по тем временам новшеством. И не случайно было посещение этой лодки академиками И. В. Курчатовым и А. П. Александровым — готовясь к созданию атомных подводных лодок, они не могли не познакомиться с первой в СССР подводной лодкой, имевшей турбинную установку. Впоследствии, многие конструктивные решения были заимствованы при разработке атомных энергетических установок…» – писал Александр Тыклин.

Водород - топливо будущего Игорь ДабаховЗнаменитая ПОДВОДНАЯ РАКЕТО-ТОРПЕДА ВА-111 «ШКВАЛ».

Тем временем успехи атомной энергетики позволили более удачно решить проблему мощных подводных двигателей. И эти идеи успешно применили в торпедных двигателях. Walter HWK 573. (работающий под водой двигатель первой в мире управляемой противокорабельной ракеты «воздух-поверхность» GT 1200A для поражения корабля ниже ватерлинии). Планирующая торпеда (УАБ) GT 1200A имела подводную скорость 230 км/ч, являясь прототипом высокоскоростной торпеды СССР «Шквал». Торпеда ДБТ принята на вооружение в декабре 1957 года, работала на перекиси водорода и развивала скорость 45 узлов при дальности хода до 18 км.

Газогенератором через кавитационную головку создается воздушный пузырь вокруг корпуса объекта (парогазовый пузырь) и, вследствие падения гидродинамического сопротивления (сопротивления воды) и применения реактивных двигателей, достигается требуемая подводная скорость движения (100 м/с), превышающая в разы скорость самой быстрой обычной торпеды. Для работы используется гидрореагирующее топливо (щелочные металлы при взаимодействии с водой выделяют водород).

2. Применение водорода в топливных элементах

Большое значение для практического применения имеет преобразование химической энергии органического топлива в электрическую — создание топливных элементов. Распространены низкотемпературные (150 °С) топливные элементы с жидким электролитом (концентрированные растворы серной или фосфорной кислот и щелочей KОН). Топливом в элементах служит водород, окислителем — кислород из воздуха.

Образование электроэнергии в элементе — это процесс обмена электронами между горючим и окислителем с образованием нового соединения — продукта реакции (рис. 3).

Отличие реакции в элементе от реакции окисления при горении состоит в том, что в первом случае процессы протекают с точки зрения термодинамики обратимо, т.е. разность энергий электронов у исходных веществ и продуктов реакции непосредственно превращается в электроэнергию (упорядоченное движение электронов). При горении же химическая энергия переходит в энергию хаотического теплового движения атомов, молекул и их частей.

Схема водородно-кислородного элемента

Рис. 3. Схема водородно-кислородного элемента: 1 – катод; 2 — электролит; 3 — анод

Основные преимущества топливных элементов:

  • высокая эффективность прямого преобразования химической энергии топлива (водорода) и окислителя (кислорода) в электроэнергию (КПД составляет 50…70 %);
  • высокие удельные массовые характеристики: 1,2…5 кг/кВт, в перспективе 0,8…1 кг/кВт;
  • компактность (большая плотность тока): 2…5 л/кВт, в перспективе 0,6…1 л/кВт;
  • низкая рабочая температура (до 100 °С), что обеспечивает возможность быстрого запуска и быстрого достижения максимальной мощности энергоустановки;
  • возможность многократных перегрузок по току;
  • высокий уровень отработки (для щелочных топливных элементов).

Топливный элемент — составная часть электрохимического генератора, который, кроме того, содержит системы кондиционирования, подготовки топлива, утилизации отходов и др. (рис. 4). Первичным топливом могут быть метан, пары метанола, керосина, синтез-газ и т.д. Коэффициенты полезного действия у генераторов с топливными элементами изменяются от 30 % (двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины) до 60…65 % (энергоустановки с твердооксидными топливными элементами).

Эксперты связывают «водородное будущее» автотранспорта прежде всего с топливными элементами. Водород и кислород соединяются в «ящике с мембраной» (так упрощенно можно представить топливный элемент) и получают водяной пар плюс электричество. В отличие от аккумуляторной батареи в топливном элементе обеспечивается непрерывный подвод реагирующих компонентов (горючего и окислителя) в зону электрохимической реакции, что позволяет преодолеть основной недостаток классического электромобиля (при сохранении всех достоинств) — недостаточную энергоемкость источника энергии. Удельная энергоемкость топливного элемента в 10 раз превышает этот параметр для лучших аккумуляторных батарей (порядка 1000 Вт · ч/кг вместо 100 Вт · ч/кг). При этом наблюдается полное отсутствие вредных выбросов, пробег определяется только запасом топлива на борту.

Схема электрохимического генератора

Рис. 4. Схема электрохимического генератора

Все это делает топливный элемент, работающий на водороде и воздухе, наиболее привлекательным источником энергии, особенно для городского транспорта. Однако серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах сдерживаются малым числом соответствующих заправочных станций. Да и стоимость топливных элементов пока велика.

Ту-155 на водороде установил 14 мировых рекордов!

Во время ВОВ Фирма «Хейнкель» создала под двигатель Вальтера Walter HWK-109-509 с тягой 2000 кгс., работавший на перекиси водорода, целую линейку реактивных самолетов.

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

Вполне успешный, но, к сожалению, не ставший серийным опыт создания «экологических» самолетов у России был уже в конце 80-х годов прошлого столетия. Миру был представлен Ту-155 (экспериментальная модель Ту-154), работающий на сжиженном водороде, а затем и на сжиженном природном газе. 15 апреля 1988 года самолет был впервые поднят в небо. Он установил 14 мировых рекордов и выполнил порядка ста рейсов. Однако затем проект ушел «на полку».

В конце 1990-х по заказу «Газпрома» был построен Ту-156 с двигателями на сжиженном газе и традиционном авиационном керосине. Этот самолет постигла та же участь, что и Ту-155. Представляете, насколько тяжело бороться с нефтяным лобби даже Газпрому!

Honda Clarity

Семейство Honda Clarity состоит из трех членов: электрического, сменного гибрида и третьего с двигателем, работающим только на водороде. Ожидается, что топливный элемент Honda Clarity, изначально доступный только в Калифорнии, должен поступить в Европу весной и стоить около 60 000 евро. Седан обладает мощностью 175 л.с. и дальностью 650 километров, а система быстрого наполнения газообразным водородом занимает всего три-пять минут для полного бака.

Опасен ли водород для человека?

Водород очень летуч, а также это легковоспламеняющийся газ, который хранить и перевозить следует предельно аккуратно. Сгорает он тоже довольно быстро. Например, газ в дирижабле «Гинденбург» полностью сгорел за полминуты, поэтому погибло только треть пассажиров.

водородное топливо для автомобилей что это

Когда на дорогах появится большое количество водородных автомобилей, то надо будет ввести новые меры безопасности. Ведь при пробитии бака с водородом и наличием искр рядом газ может загореться. Поэтому в водородных автомобилях баки делают очень прочные, которые даже могут выдержать выстрел из крупнокалиберного пистолета. Поэтому при соблюдении правил безопасности, авто на водороде не опаснее бензиновых и дизельных моделей.

Водородомобили

Автомобили с двигателями, работающими на водороде, делятся на несколько групп:

  • Транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД до 90%.
  • Машины с гибридным двигателем. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
  • Автомобили со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства.

Главной особенностью водородомобилей является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.

Уже выпускаются серийно такие модели водородомобилей, как:

  • Ford Focus FCV;
  • Mazda RX-8 hydrogen;
  • Mercedes-Benz A-Class;
  • Honda FCX;
  • Toyota Mirai;
  • Автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450;
  • гибридный автомобиль на два вида топлива BMW Hydrogen 7.

Водород - топливо будущего Игорь ДабаховСерийный водородомобиль Тойота “Мирай”.

Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9,6 секунды и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen. Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/час.

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

Honda Clarity — автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

Home Energy Station III — это компактный блок, включающий в себя топливные элементы, баллон для хранения водорода и риформер природного газа, извлекающий H2 из газовой трубы.

Водород - топливо будущего Игорь ДабаховМетан из бытовой сети превращается этим аппаратом в водород. А он – в электричество для дома. Мощность топливных элементов в Home Energy Station составляет 5 киловатт. Кроме того, встроенные баллоны с газом служат своеобразными аккумуляторами энергии. Станция использует этот водород при пике нагрузки на домашнюю электросеть. Вырабатывает 5 кВт электроэнергии и до 2 м3 водорода в час.

К недостаткам водородомобилей можно отнести:

  • громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
  • пока высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
  • несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для топлива не позволяющих долго хранить водород;
  • отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.

По мере серийного производства большинство этих конструктивных и технологических недостатков будут преодолены, а по мере развития добычи водорода, как полезного ископаемого, и сети заправок, существенно понизится его стоимость.

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

В 2016 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom. Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

Во Франции выпустили оригинальную модель велосипеда на водороде. (Французский Pragma). Заливаешь всего 45 грамм водорода и в путь! Расход топлива – примерно 1 грамм на 3 километра.

Проблемы продвижения водорода как топлива

Вообще заправочная инфраструктура – один из камней преткновения для водородной отрасли: чтобы автомобили на водороде стали популярны, для них нужна обслуживающая система, а чтобы создать эту систему, необходимо достаточное количество ее пользователей.

Что в конечном итоге сдвинет с мертвой точки решение этой проблемы – покажет время, но как и всегда вся надежда возлагается на науку, хотя здесь уже возникнет другая дилемма: наука нуждается в финансировании, а инвесторам в свою очередь нужна гарантия результативности и востребованности открытий.

Водородный автомобиль будущего

Водород в космонавтике

Как горючее в паре с жидким кислородом (ЖК) жидкий водород (ЖВ) был предложен в 1903 г. К. Э. Циолковским. Он является горючим, с самым большим удельным импульсом (при любом окислителе), что позволяет при равной стартовой массе ракеты выводить в космос гораздо большую массу полезного груза. Однако на пути применения водородного топлива стояли объективные трудности.

Первая – сложность его сжижения (получение 1 кг ЖВ обходится в 20-100 раз дороже 1 кг керосина).

Вторая – неудовлетворительные физические параметры – чрезвычайно низкая температура кипения (-243°С) и очень малая плотность (ЖВ в 14 раз легче воды), что отрицательно сказывается на возможности хранения этого компонента.

В 1959 г. НАСА выдало крупный заказ на проектирование кислородно-водородного блока “Центавр”. Он использовался в качестве верхних ступеней таких РН, как “Атлас”, “Титан” и тяжелой ракеты “Сатурн”.

Из-за крайне низкой плотности водорода, первые (самые большие) ступени ракет-носителей  использовали другие (менее эффективные, но более плотные) виды горючего, например керосин, что позволяло уменьшить размеры до приемлемых. Пример такой «тактики» – ракета «Сатурн-5», в первой ступени которой применялись компоненты кислород/керосин, а во 2-й и 3-й ступени – кислородно-водородные двигатели J-2, тягой по 92104 т каждый.

В качестве примера приведу видео старта “Аполлона-11”. На 4й минуте записи происходит отделение 1й ступени и создается иллюзия, что двигатели второй ступени не работают, это породило множество слухов о не реальности полета на Луну. На самом деле, горение водорода в  верхних слоях атмосферы происходит «бесцветно», пламя становится заметно, когда в него попадает предмет или кусочки краски.

В системе «Спейс-шаттл», 2я  ступень  тоже работала паре кислород/водород.

В эпоху бурного развития космонавтики в нашей стране также широко применялись ЖРД с водородным топливом.

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

BMW

BMW также работает над водородным автомобилем, который планирует выпустить в 2020 году. Единственное, что известно об этом автомобиле, помимо его внешнего вида – он будет проезжать на одной заправке более 300 миль (482 км) и заправляться за 5 минут.

Водородный BMW

Водородный BMW

3. Применение водорода в двигателях внутреннего сгорания

Для повышения экологической чистоты бензиновых двигателей внутреннего сгорания и их экономичности до уровня дизельных двигателей было предложено использовать водород в качестве основного моторного топлива или как добавки к бензину.

Интерес ученых в области двигателестроения всегда привлекали своеобразные физико-химические свойства водорода, главным достоинством которых является экологическая чистота рабочего процесса. Известный научно-технический опыт использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания показывает, что водород совместим с существующей базовой конструкцией поршневого двигателя. При этом водород кардинально улучшает экологическую эксплуатационную характеристику и имеет широкую сырьевую базу. Организация рабочего процесса двигателя, работающего на водороде или с его добавкой к другим топливам, имеет особенности и требует разработки новых способов топливоподачи.

Использование водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания представляет собой комплексную задачу, включающую широкий круг вопросов:

  • возможность перевода на водород современных двигателей;
  • изучение рабочего процесса двигателей при работе на водороде;
  • определение оптимальных способов регулирования рабочего процесса, обеспечивающих минимальную токсичность и максимальную топливную экономичность;
  • разработка системы топливоподачи, обеспечивающей организацию эффективного рабочего процесса в цилиндрах двигателя;
  • разработка эффективных способов хранения водорода на борту транспорта;
  • обеспечение экологической эффективности применения водорода;
  • возможность заправки водородом и аккумулирования водорода.

При сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода, и в этом отношении двигатель на водородном топливе является наиболее экологически чистым. Также водород имеет высокие энергетические свойства — низшая теплота сгорания водорода составляет 120 МДж/кг (бензин — 41…44 МДж/кг, дизельное топливо — 42…43 МДж/кг).

При высокой массовой энергоплотности объемная энергоплотность водорода на 15…20 % ниже энергоплотности бензина. В смеси с воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций, вплоть до коэффициента избытка воздуха α = 10, что обеспечивает нормальную работу двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения состава смеси от α = 0,2 до α = 5. Критическая степень сжатия при стехиометрическом водородно-воздушном составе смеси не превышает 4,7, что соответствует октановому числу 46 по исследовательскому методу,

в то время как при α = 3,5 степень сжатия достигает 9,4 и октановое число равно 114. Таким образом, при достаточном обеднении смеси возможна бездетонационная работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия.

Исследования в области применения водорода для двигателей внутреннего сгорания отличаются широким спектром вариантов использования водорода для двигателей внешнего и внутреннего смесеобразования: использование водорода в качестве присадки, частичное замещение топлива водородом и работа двигателя только на водороде.

Используют водород в двигателях, работающих на традиционном топливе нефтяного происхождения, а также в сочетании с альтернативным топливом, например со спиртами (этиловый, метиловый) или природным газом. Возможно использование водорода в сочетании с синтетическим топливом, мазутами и др.

Качественное влияние на рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания определяется прежде всего свойствами водорода. Он обладает более высокой диффузионной способностью, большей скоростью сгорания, широкими пределами воспламенения. Энергия воспламенения водорода на порядок меньше, чем у углеводородных топлив. Реальный рабочий цикл определяет более высокую степень совершенства рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания, лучшие показатели экономичности и токсичности.

Кроме того, перевод на водород обычных двигателей внутреннего сгорания не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы. Это происходит потому, что водород обладает намного более широким по сравнению с бензином диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых еще возможен поджог смеси, и сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остается несгоревшая рабочая смесь.

Значительный эффект по повышению КПД традиционных автомобильных двигателей, особенно в области малых нагрузок, дает переход на топливные смеси с большим избытком воздуха. При этом уникальные моторные свойства водорода позволяют даже при относительно небольших его добавках к бензино-воздушной смеси реализовать такие степени обеднения смеси, которые недоступны любому другому способу.

Чтобы приспособить существующие конструкции двигателей к работе на водороде как основном топливе, необходимы определенные изменения, в первую очередь конструкции топливоподающей системы. Известно, что применение внешнего смесеобразования приводит к уменьшению наполнения двигателя свежим окислителем, а значит, и к снижению мощности до 40 % из-за низкой плотности и высокой летучести водорода. При использовании внутреннего смесеобразования энергоемкость заряда водородного дизеля может возрастать до 12 % или может быть обеспечена на уровне, соответствующем работе дизеля на традиционном углеводородном дизельном топливе. Особенности организации рабочего процесса водородного двигателя определяются свойствами водородно-воздушной смеси, а именно: пределами воспламенения, температурой и энергией воспламенения, скоростью распространения фронта пламени, расстоянием гашения пламени. Но в водородных двигателях внутреннего сгорания скорость распространения фронта пламени при сгорании водорода в 5–6 раз выше, чем при сгорании бензина. Это приводит к большим механическим и тепловым нагрузкам на детали кривошипно-шатунного механизма двигателя. Для современных конструкций двигателей наиболее эффективно использование водорода в качестве добавки к бензиновоздушной смеси. При этом не требуется серьезных изменений в конструкции топливной системы и системы двигателя в целом. С другой стороны, добавка водорода в широких пределах активизирует рабочий процесс в двигателе.

Практически во всех известных исследованиях рабочего процесса водородного двигателя отмечается трудноконтролируемое воспламенение водородно-воздушной смеси. Воздействие на преждевременное воспламенение путем подачи воды во впускной трубопровод или путем впрыска холодного водорода исследовано и дает положительные результаты.

Остаточные газы и горячие точки камеры сгорания интенсифицируют преждевременное воспламенение водородно-воздушной смеси. Это обстоятельство требует дополнительных мероприятий по предупреждению неконтролируемого воспламенения. В то же время низкая энергия воспламенения в широких пределах коэффициента избытка воздуха позволяет использовать существующие системы зажигания при переводе двигателей на водород.

Самовоспламенение водородно-воздушной смеси в цилиндре двигателя при степени сжатия, соответствующей дизелям, не происходит. Для самовоспламенения этой смеси необходимо обеспечить температуру конца сжатия не менее 1023 К. Возможно воспламенение воздушной смеси от запальной порции углеводородного топлива за счет увеличения температуры конца сжатия наддувом или подогревом на впуске воздушного заряда.

Водород в качестве топлива для дизелей характеризуется большой скоростью распространения фронта пламени. Эта скорость может превышать 200 м/с и вызывать возникновение волны давления, перемещающейся в камере сгорания со скоростью свыше 600 м/с. Высокая скорость сгорания водородно-воздушных смесей, с одной стороны, должна оказывать положительное влияние на повышение эффективности рабочего процесса, с другой стороны, этим предопределяются высокие значения максимального давления и температуры цикла, более высокая жесткость рабочего процесса водородного двигателя. Повышение максимального давления цикла влечет снижение моторесурса двигателя, а увеличение максимальной температуры приводит к интенсивному образованию окислов азота. Возможно снижение максимального давления за счет дефорсирования двигателя или сжигания водорода по мере его подачи в цилиндр на такте рабочего хода. Снижение эмиссии окислов азота до незначительного уровня возможно путем обеднения рабочей смеси или путем использования воды, подаваемой во впускной трубопровод. Так, при α  1,8 эмиссия окислов азота практически отсутствует. При подаче воды по массе в 8 раз больше, чем водорода, эмиссия окислов азота снижается в 8–10 раз.

В дизелях, работающих всегда при избытке воздуха в смеси, содержание в продуктах сгорания окиси углерода и углеводородов немного ниже по сравнению с бензиновыми двигателями, а уровень содержания окислов азота сравнительно близок. Дизели выбрасывают большое количество сажи, являющейся адсорбентом для полициклических ароматических углеводородов, часть которых обладает канцерогенными свойствами. Именно количество сажи является определяющим в общем уровне токсичности отработавших газов дизелей.

Благодаря снижению содержания углеводородного топлива при работе на водороде состав отработавших газов существенно отличается от традиционного. Однако даже при работе на чистом водороде из-за выгорания углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, наблюдается незначительное количество углеводородных соединений. При использовании углеводородных топлив для воспламенения рабочей смеси количество углеводородных соединений зависит от количества запального углеводородного топлива.

При внутреннем смесеобразовании водородного двигателя продолжительность впрыска водорода оказывает влияние на содержание водорода в продуктах сгорания. Образование водородновоздушной смеси для дизелей влияет на показатели водородного двигателя внутреннего смесеобразования. Формирование рабочей смеси водородного дизеля должно обеспечивать гомогенность водородно-воздушного горючего тела. Этого можно достичь за счет оптимизации формы камеры сгорания и динамики развития струи водорода, подаваемого в цилиндр, с учетом движения свежего заряда воздуха в цилиндре.

Экспериментальные исследования по использованию водорода в качестве топлива для поршневого двигателя внутреннего сгорания показывают, что существует проблема детонационного сгорания. При этом авторы определяют различные пределы детонационной стойкости водородно-воздушной смеси в связи с разной ее оценкой. Так, оценка по стуку в двигателе дает результаты, почти в 2 раза отличающиеся от оценки по амплитуде высокочастотных колебаний на линии сгорания индикаторной диаграммы. Отдельные исследования свидетельствуют, что исчезновение стука наблюдается при степени сжатия 8, однако при этом колебания на линии сгорания имеются. Это значит, что оказывает влияние тепловое состояние двигателя, температура цикла в совокупности с качеством смесеобразования. Возможно использование антидетонационных свойств воды для исключения детонации водородного двигателя.

При использовании водорода для двигателей внешнего смесеобразования индикаторные и эффективные показатели ухудшаются. Чем больше процент добавки водорода, тем ниже индикаторный КПД и выше температура выпускных газов. Добавка водорода выше 30 % от суммарного подведенного тепла при α = 1,35 вызывает детонационноподобное сгорание, сопровождающееся появлением стуков и резким падением мощности двигателя. Кроме того, увеличивается объем водорода в выпускных газах и повышается количество окислов азота, содержание окиси углерода и углеводородов снижается.

Подача 5 % по массе пароводородной смеси на впуск дизеля позволяет улучшить параметры рабочего процесса и снизить дымность отработавших газов на 30 %, а содержание окислов азота в 2,4 раза. Большие добавки пароводородной смеси приводят к росту максимального давления цикла и скорости нарастания давления, т.е. снижается надежность дизеля.

В то же время согласно исследованиям ряда специалистов добавка 5 % водорода уменьшает требования к октановому числу на 10 %. Опытная эксплуатация автомобиля на бензино-водородной смеси показала, что индикаторный КПД двигателя с оптимальными добавками водорода увеличивается на 25 %, эксплуатационный расход топлива уменьшается на 25…40 %. При работе двигателя на холостом ходу практически исключается выброс токсичных веществ с отработавшими газами.

Итак, рабочий процесс водородного двигателя включает: жесткость сгорания, детонацию, неконтролируемое воспламенение, эмиссию окислов азота, формирование водородно-воздушной смеси. Одновременно известные исследования предлагают мероприятия, обеспечивающие нормальную работу двигателя на водороде в зависимости от поставленной технической цели, ее граничных условий.

Так, если целью является использование водорода в качестве основного топлива без потери мощности базового двигателя, то наиболее целесообразно внутреннее смесеобразование при воспламенении горючей смеси от запальной порции углеводородного топлива. В этом случае улучшаются экологические и экономические показатели дизеля. Индикаторный расход топлива снижается на 0,25 МДж/(кВт · ч) при 50%-ном замещении дизельного топлива водородом. Коэффициент избытка воздуха возрастает с 1,5 до 1,7, т.е. на частичных нагрузках смесь обедняется на 12 %, а на номинальном режиме — на 15 %. Это позволяет сохранить уровень окислов азота в отработавших газах и в 2 и более раза снизить содержание сажи на выпуске.

В зависимости от нагрузки для обеспечения нормальной работы двигателя без стука целесообразно на впуск подавать воду в соотношении 1:1 к подаваемому водороду, особенно на режиме полной нагрузки и близких к нему.

Предусматривается формирование водородно-воздушной смеси на такте сжатия в период после закрытия клапанов до подачи дизельного топлива. Газообразный водород, подаваемый в цилиндр клапаном-форсункой, поступает через отверстие, расположенное под углом 20…25° к тангенциальному направлению вращения заряда, усиливает вихревое движение заряда и способствует гомогенизации водородно-воздушной смеси. Если вершина струи водорода достигает противоположной стенки камеры сгорания, а энергия вихревого движения заряда достаточна, чтобы распределить водород по окружности, то можно считать, что водородновоздушная смесь гомофазная. Часть водорода направляется в зону струи углеводородного топлива, обеспечивая эффект торможения процесса сажеобразования.

Процесс конвертации дизеля на водород можно условно разделить на два основных, последовательно выполняемых этапа. Первый этап включает аккумулирование водорода в баллонах; приоритетное использование внутреннего смесеобразования и создание топливоподающей аппаратуры с подачей водорода на такте сжатия при давлении порядка 10 МПа; воспламенение горючей смеси от запальной порции углеводородного топлива; исследование процессов смесеобразования и управление ими; изучение термодинамических особенностей криогенного водорода как моторного топлива.

Второй этап включает создание криогенной системы хранения водорода; разработку адекватной системы управления всеми процессами, связанными с использованием водорода на транспорте; организацию рабочего процесса при работе на чистом водороде с принудительным воспламенением от свечи; исследование возможности подачи водорода в цилиндр вариантными способами.

Отсутствие углерода в водородном топливе приводит к тому, что в отработавших газах практически отсутствуют оксиды углерода (СО и СО2) и несгоревшие углеводороды (СnНm). Незначительные количества этих продуктов в отработавших газах обусловлены выгоранием смазочных материалов, попадающих в камеру сгорания. Выброс оксидов азота при стехиометрическом составе смеси за счет более высокой температуры горения водородно-воздушной смеси вдвое превышает выброс оксидов азота бензинового двигателя. Обеднение смеси приводит к быстрому снижению оксидов азота, а при α = 1,8 они в отработавших газах практически отсутствуют. Оксиды азота также легко обезвреживаются в каталитических нейтрализаторах. По этой причине водородное топливо для многих представляется идеальным инструментом для полного решения проблемы загрязнения окружающей среды.

Развитие водородной энергетики сдерживается экономическими соображениями. Стоимость киловатта установленной мощности (более 3…4 тыс. дол.) на порядок больше, чем в традиционной энергетике. Кроме того, цена водорода на порядок выше, чем обычного топлива. Тем не менее цена обычного топлива будет расти, а энергии, произведенной водородными устройствами, — падать. Поэтому водородная энергетика вполне перспективна.

Просмотров: 4 795

Геохимия водорода

Водород – самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Металлический водород

5 октября 2016 года в физической лаборатории Harvard University получили металлический водород. Для этого потребовалось давление 495 гигапаскаль. Если решить вопрос стабильности и охлаждения камеры сгорания (6000 К), то металлический водород станет самым перспективным ракетным топливом.Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

Ученые предполагают, что металлический водород позволит получить в двигателях импульс 1000-1700 секунд. (В современных ЖРД пока достигнут импульс 460 секунд). Плюс для хранения металлического водорода понадобятся маленькие баки, что позволит делать одноступенчатые ракеты для вывода полезной нагрузки в космос, это откроет новую эру освоения космического пространства!

Сколько это стоит автомобиль на водородном двигателе?

Стоимость водородного автомобиля приличная. Причина тому – драгоценные металлы, которые входят в состав электродов топливных элементов (палладий или платина). Также современное авто оснащено бесчисленным множеством систем безопасности и стабилизации работы электроэлементов, что тоже требует материальных средств.

Водородный двигатель. Как работает и недостатки

Хотя обслуживание такого автомобиля (до момента замены топливных ячеек) не намного дороже, чем обычного авто последних поколений. Есть страны, которые спонсируют производство водорода, но даже с учетом этого за килограмм газа придется заплатить в среднем 11 с половиной долларов. В зависимости от типа двигателя этого может хватить на расстояние около ста километров.

Получение алмазов

Ещё одно замечательное применение нашёл водород в производстве алмазов. Эволюция водородно – метанового флюида при понижении  давления  выражается  в  самоокислении  (глубинном  горении)  водородаи  метана  в системе  С-Н-О  с  образованием  алмазов,  воды,  и  СО.  Ярким подтверждением этого процесса является налаженное производство ювелирных алмазов весом до 4 карат и пленочных покрытий из флюидной системы С-Н-О (полупроводники из которых, представляют будущее микроэлектроники). См. статью Алмаз Карбонадо-ценнейший полупроводник будущего.

Действительно ли водород на столько опасен?

Водород в автомобилях: Опасности и сложности использования

Наверное, после всего прочитанного Вы будете уважаемые читатели просто в шоке, что водород на столько опасен. И возможно никогда не захочете покупать себе водородный автомобиль, если в будущем у вас появится такая возможность(?).

На самом деле не все так уж и плохо. Поскольку газообразный водород чрезвычайно легок, то при утечке он быстро рассеется в самой атмосфере. Тогда ни какой гремучей смеси не получится и опасность взрыва будет сведена к минимуму.

Что касается опасности удушья, то мы ответим вам так: –такая проблема может случиться только в замкнутом пространстве, например в гараже. Если же утечка водорода произойдет на открытом воздухе, то его концентрация будет незначительной и небольшой, опасности для жизни она не представляет.

Искусственный шум

Двигатели на водородном топливе практически бесшумны, поэтому на автомобилях, которые эксплуатируются или будут входить в эксплуатацию, устанавливается так называемый «искусственный шум автомобиля», – для предотвращения аварий на дорогах.

Ну что же, друзья, мы с вами стоим на пороге грандиозного перехода от бензина, который уничтожает всю нашу экосистему, до водорода, который наоборот её восстанавливает!

Колодийчук Андрей, специально для ByCars.ru

Термический реактор Росси

Итальянский изобретатель Андреа Росси при поддержке научного консультанта физика Серджо Фокарди, провели эксперимент:

В герметичную трубку поместили насколько грамм никеля (Ni) добавили 10% алюмогидрида лития, катализатор и заполнили капсулу водородом (Н2). После нагрева до температуры порядка 1100-1300оС, парадоксально, но трубка оставалась в горячем состоянии на протяжении целого месяца, а выделенная тепловая энергия, в несколько раз превышала затраченную на нагрев!

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

На семинаре в Российском университете дружбы народов (РУДН) в декабре 2014 года, было доложено об успешном повторении этого процесса в России:

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

По аналогии выполнена трубка с топливом:

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

Выводы по эксперименту: выделение энергии в 2,58 раза больше затраченной электрической энергии.

В Советском Союзе работы по ХЯС велись с 1960 года в некоторых КБ и НИИ по заказу государства, но с “перестройкой” финансирование прекратилось. На сегодняшний день эксперименты успешно проводятся независимыми исследователями – энтузиастами. Финансирование осуществляется на личные средства коллективов граждан России. Одна из групп энтузиастов, под руководством Самсоненко Н.В., работает в здании «Инженерного корпуса» РУДН.

Ими был проведен ряд калибровочных тестов с электронагревательными приборами и реактором без топлива. В этом случае, как и следовало ожидать, выделяемая тепловая мощность равна подводимой электрической мощности.

Основная проблема – спекание порошка и локальный перегрев реактора, из-за чего нагревательная спираль перегорает и даже сам реактор может прогореть насквозь.

Водород - топливо будущего Игорь Дабахов

Но А.Г. Пархомову, удалось сделать длительно работающий реактор. Мощность нагревателя 300 Вт, КПД=300%.

17 фотографий из разряда «как тут и было», на которых совпали мельчайшие детали

Мастерство отечественных умельцев всегда поражало и вызывало неприкрытую зависть автолюбителей всего мира. Стремление избежать лишних расходов принуждает доморощенных механиков совершенствовать личные средства передвижения своими руками. Водородный двигатель не является исключением. Российские автолюбители научились изготавливать его самостоятельно.

Чтобы лучше разобраться во всех тонкостях этого процесса, предварительно следует ознакомиться с устройством силового агрегата, которому, несомненно, принадлежит будущее моторостроения. Также необходимо досконально изучить принцип работы подобного устройства.

Источники:

  • FB.ru
  • ТЕХНОИНФОРМЕР
  • beelead.com
  • втораяиндустриализация.рф
  • 1gai.ru
  • Студопедия
Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 3 из 5.

Темный водород

В 2016 году учёные из США и Великобритании, создав при мгновенном сжатии давление 1,5 млн. атмосфер и температуру в несколько тысяч градусов, смогли получить третье промежуточное состояние водорода, при котором он одновременно имеет свойства и газа, и металла. Он получил название «тёмный водород», так как в этом состоянии он не пропускает видимый свет, в отличие от инфракрасного излучения. “Тёмный водород”, в отличие от металлического, идеально вписывается в модель строения планет-гигантов. Он объясняет, почему их верхние слои атмосферы  значительно теплее, чем должны быть, перенося энергию от ядра, а поскольку он обладает значительной электропроводностью, то играет ту же роль, что и внешнее ядро на Земле, формируя магнитное поле планеты!

Генерация водорода из глубин Черного моря

Бог одарил землю Крыма не только красивейшей и разнообразной природой, но и достаточными запасами различных ископаемых, в том числе и углеводородов. Но наш полуостров буквально “купается” в самом большом на планете водном хранилище природных газов, коим является Чёрное море.

Глубинные слои – ниже 150м, состоят из водородосодержащих соединений, основную часть которых составляет сероводород. По приблизительным оценкам, общее содержание сероводорода в Черном море может достигать 4.6 млрд. т, что, в свою очередь, служит потенциальным источником 270 млн. т водорода!

Запатентованы несколько способов разложения сероводорода с получением водорода и серы (H2S <=> H2 + S – Q), включающий контактирование сероводородсодержащего газа через слой твердого материала, способного разлагать его с выделением водорода и образованием серосодержащих соединений на поверхности материала, при давлении 15 атмосфер и температуре 400oС.

Наиболее перспективным, представляется разработка специальных гидрофобных мембран-фильтров, отделяющих водород от других газов прямо на глубине. Ведь мельчайшие из молекул легко просачиваются через металлы и даже в гранитных массивах живут колонии бактерий питающихся водородом!

Давайте помечтаем… Представим себе, что лет через десять на одном из мысов южного побережья Крыма, где морское дно резко понижается до глубин более 200 метров, будет построена небольшая станция. Из моря к ней протянутся рукава труб, на концах которых будут находиться сепараторы сероводорода. Водород после очистки поступит в сеть заправок автотранспорта и на когенераторную теплоэлектростанцию. Рядом с заводом разместиться ферма, где в водородной атмосфере будут выращивать анаэробные микроорганизмы, митоз которых происходит на порядок быстрее их обычных собратьев. Из их биомассы будут производить корм для скота и удобрения.

Мир неумолимо вступает в водородную эру!

Советник президента РФ академик РАН Сергей Глазьев подчеркивал: “Каждый из экономических циклов Кондратьева характеризуется своим энергоносителем: сначала дрова (органический углерод), уголь (углерод), потом нефть и мазут (тяжелые углеводороды), затем бензин и керосин (средние углеводороды), сейчас газ (легкие углеводороды), а основным энергоносителем следующего экономического цикла должен стать чистый водород!”

Применения водорода обширны, многогранны, энергетически выгодны, экологичны, и очень перспективны. Уже наши дети будут ездить на серийных автомобилях на водороде, использовать алмазные микропроцессоры, сделанные по водородной технологии, металлический водород совершит революцию в космонавтике, а развитие реакторов Росси – в энергетике!

Признание теории изначально гидридной Земли (В.Н.Ларина) приведёт к открытию ископаемых месторождений Н2, что сильно удешевит его получение. И не смотря на сопротивление “удушающих” Землю вредными выбросами нефтяных лоббистов, мы неизбежно вступаем в водородную эру!

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...