Водородный двигатель- мечта человечества и реальность 21 века

Водородный  двигатель-

мечта человечества и реальность 21 века. 
 

Острейшей современной  глобальной экологической проблемой  является потепление климата, последствием чего стали губительные катастрофы на всех континентах планеты. Причину  потепления климата связывают с увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, образующихся вследствие интенсивной антропогенной деятельности человечества. Основным компонентом теплового эффекта биосферы является углекислый газ СО2, источниками которого являются процессы деструкции детрита   и сжигание всех видов топлива, но определяющим источником СО2-газа стал двигатель внутреннего сгорания, т.е. автомобили, количество которых непрерывно возрастает. Это порождает ещё одну проблему – острый дефицит нефти и обозримый срок её истощения, поэтому создание водородного двигателя, работающего на топливе(энергии)  с неограниченным количеством и не загрязняющем атмосферу СО2-газом и целым рядом токсических компонентов является мечтой человечества, а сегодня уже реальностью. Так как информация об устройстве и работе водородного автомобиля не стала массовой, а интерес к этой проблеме велик и полезен, то представляется полезным рассматривать кратко принцип его работы, а также оценить экологическую и экономическую составляющую.

В этой работе рассматривается принцип работы водородного двигателя и способы получения водорода. Недавно на Московском автосалоне была представлена машина "Лада-Антэл" , которая работает на электричестве получаемом из водорода. Теперь подробнее об этом автомобиле. На автомобиле находятся баллоны с водородом и кислородом. В специальном электрохимическом генераторе происходит химическая реакция между водородом и кислородом при температуре около 100 градусов, в результате чего производится электрическая энергия , а в качестве "выхлопа" образуется вода. Водород в этой системе находится под давлением 290 атмосфер, и машина может пройти 250 километров. Весь этот комплекс установлен на электромобиль, созданный на базе ВАЗ-2131. Нужно заметить, что двигатель внутреннего сгорания имеет коэффициент полезного действия около 30 процентов, а новая энергоустановка на топливных элементах - в два раза больше. То есть если перевести на любое условное топливо, то получается, что эта энергоустановка абсолютно экологически чистая и тратит в два раза меньше топлива.

Если говорить про опасность водорода ,то она достаточно велика т.к. молекулы водорода поменьше и побыстрее ,чем те же молекулы газа. И они способны проникать через мельчайшие отверстия в топливной системе. Так же надо устанавливать баллон с кислородом  с участием которого идёт реакция. Конечно, кислород можно закачивать из окружающей среды ,но его содержание в атмосфере 21% и придётся устанавливать компрессор ,а это приведёт к уменьшению КПД.

Хранение водорода представляет наибольшую проблему. Можно хранить сжатый водород. Основные проблемы с его хранением перечислены выше. Можно хранить сжиженный водород, но температура его хранения -253°С. Сейчас  не создано приемлемых технологий для его хранения. Ёще одна возможность – гидриды. Атомы в   металлах образуют кристаллическую решетку. Некоторые металлы и сплавы способны "разместить" между своими атомами и атомы водорода. Такие "сообщества" и называют гидридами.  
Так размещаются атомы водорода в 
кристаллической решетке металла.

Ёмкость подобного "хранилища" (при равном объеме устройства) впятеро выше, чем у  баллона со сжатым газом, и почти  вдвое – чем у дьюара со сжиженным. Наилучшей основой для гидрида  является титан. Гидридные накопитель-устройство довольно сложное, и, естественно, оно  состоит не из цельного куска металла, а больше напоминают губку из множества каналов – для скорейшего поглощения и выделения водорода. Последнее происходит при нагреве гидридов, а источник тепла на автомобиле долго искать не нужно – для этой цели вполне подойдут горячие выхлопные газы. Еще одна важная черта гидридов – они стократ безопаснее других способов хранения водорода. Правда, для автомобильного транспорта емкость и у них маловата, а масса и сложность устройства велики. Можно конечно водород получать из углеводородов, к примеру из метилового спирта, который получают из древесины ,а для его хранения достаточно обыкновенного топливного бака, но он будет работать по принципу бензиновых машин. 

Электричество получаем  в результате электролиза воды с платиновым катализатором. 
Водород в чем-то сродни металлам, и его атом легко теряет свой единственный электрон. В устройстве, получившем название водородный топливный элемент, реакция водорода с кислородом происходит в несколько стадий. Сперва водород вынужден пройти через ионообменную мембрану, которая свободно пропускает лишь протоны – лишенные электрона атомы водорода (Н+), но не молекулы Н. Электроны при этом остаются на отрицательном электроде (он же – платиновый катализатор). Пройдя через мембрану, водород вновь получает свой электрон – в момент реакции с кислородом воздуха, но уже на положительном электроде, и тоже платиновом.

Теперь рассмотрим получение водорода. Сейчас водород получают при высокой температуре из воды. А на нагревание тратятся те же драгоценные углеводороды. Учёные ищут катализатор для выделения водорода из воды при более низкой температуре. Одним из решений является электроводородный генератор, который в 1.5 раза меньше тратит энергии. Как видно из следующих реакций, его катализатором является кремний. Вот схема его работы:

     1) Q + C + SiO₂ → Si + CO₂ ↑ + H₂O — восстановление кремния углеродом

     2) Si + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂↑ + Q — получение водорода

     3) 2H₂ + O₂ → 2H₂O + Q — сжигание водорода

     Теперь  поговорим про экологическую  составляющую водородного автомобиля. В 2005 году в ЕС объем выхлопов СО2 одного автомобиля составлял в среднем 162 грамма на километр. Если учитывать то, что в мире насчитывается порядка 700млн. легковых автомобилей и среднегодовой пробег составляет 15тыс. километров, то выброс СО2 составляет 1.5млрд. тонн в год, и это не учитывая выхлопы машин с большим и очень большим объёмом двигателя (фуры, тягачи, карьерные грузовики) и работу крупных фабрик , заводов и теплоэлектростанций. Автомобиль с двигателем на водороде является транспортным средством с нулевым уровнем выброса загрязняющих веществ. Продуктом сгорания топлива является дистиллированная вода. Автомобиль не выделяет в атмосферу выхлопных газов и развивает скорость от 80 до 160 км/ч.Чтобы снизить выхлопы машин на 20% , нужно массово ввести в производство порядка 70млн. автомобилей. Однако, как отмечают эксперты, переход на водородные автомобили в ближайшие 5-6 лет в мировом масштабе осуществить не удастся, так как еще не все производители анонсировали свои будущие водородные линейки автомобилей. Серийное производство небольшими партиями в 2008 году планируют концерны Honda, General motors, BMW, ВАЗ. Сегодня в мире водородных автозаправок насчитывается не больше сотни, причем около 90 процентов из них находятся в Японии и США. Однако ЕК планирует выделить 470млн. для создания водородных заправок к 2008 году. Шумовое загрязнение машин на водородном двигателе в 2 раза меньше , чем на двигателях внутреннего сгорания. Путь создания автомобиля имеет много проблем ,но в итоге мы получаем  более высокий  КПД и выхлоп в виде дистиллированной воды и оксидов азота , но последних образуется меньше в 4-5 раз , чем в бензиновом двигателе. Путь создания данного автомобиле очень сложный, но человек не стоит на месте и он приближается к этой цели, все преимущества которой налицо ,ведь в наше время актуален вопрос альтернативного источника энергии ,как с целью поиска новых источников энергии, так и с целью сокращения выбросов углекислого газа в атмосферу.

Литература:

www.lada-vaz.ru

www.5ballov.ru