Водородное топливо

Содержание

1)Введение

2)Водородное топливо - энергетика будущего?

3)Водородное топливо угрожает климату планеты.

4)Водородные топливные элементы.

5)Водородное топливо для автомобиля.

6)Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Водородное топливо - энергетика будущего?

В последние годы активно обсуждается возможность замены ископаемых источников энергии на водородное топливо. На протяжении нескольких столетий источником энергии служило углеводородное ископаемое сырье. Станции на угле, газе и жидком топливе в мировом масштабе производят 2/3 электричества. Эти же виды топлива преобладают на транспорте.  
 
Первые промышленные гидроэлектростанции появились в Германии и в Англии в 1876-81 годах, в то время какатомные электростанции начали строиться только в 1950-е годы. В настоящее время в 31 стране действуют 440 АЭС, на долю которых приходится 16% мирового производства электроэнергии; вклад гидростанций в мировую энергетику составляет 19%. В ряде стран действуют приливные, ветровые, солнечные и геотермальные электростанции; кроме того, наблюдается заметный рост темпов использования биомассы растительного происхождения для производства моторного топлива, а также строительство электростанций на биомассе. Тем не менее, в общемировом балансе энергоснабжения доля всех этих возобновляемых источников энергии пока что незначительна.  
 
Однако ориентация на ископаемые источники углеводородов не имеет долговременной перспективы. К 2050 году мировая потребность в энергии, как минимум, удвоится по сравнению с современным уровнем. Ресурсы невозобновляемых источников по определению ограничены; ожидается, что мировое производство нефти в следующем десятилетии достигнет пиковых показателей, а затем начнет снижаться. Кроме того, нефтяные и газовые поля (и в меньшей степени угольные месторождения) сосредоточены лишь в отдельных регионах земного шара, в силу чего бесперебойное поступление этих видов топлива в другие районы само по себе требует значительных усилий и затрат даже в условиях политической и военной стабильности, которая отнюдь не гарантирована.  
При утилизации всех видов топлива, кроме природного или синтетического горючего газа, в воздушный бассейн попадают твердые минеральные частицы, многие из которых токсичны для человека, животных и растений. Уже сейчас в атмосферу ежегодно выбрасывается 25 млрд. тонн двуокиси углерода (углекислого газа), который служит основной причиной парникового эффекта, вызывающего глобальное потепление. Все это означает, что поиск реальных альтернатив углеводородным топливам является исключительно актуальной проблемой. 

 

В настоящее время многие специалисты в области энергетики, политики, журналисты и активисты общественных движений в защиту среды обитания отдают предпочтение водородному топливу.  
 
По состоянию на 2005 год объем мирового производства водорода составлял 50 млн. тонн. К настоящему времени он равен 55-60 млн. тонн. Водород в основном применяют для производства азотных удобрений и для превращения низкокачественных видов сырой нефти в моторное топливо. Сжиженный водород используют для получения сверхнизких температур и в качестве горючего для криогенных ракетных двигателей. Постоянно ведутся исследования, призванные более широко внедрить использование водородное топливо в качестве замены бензину.  
 
Так например, в конце 2007 года Университет Пенсильвании объявил, что разработал технологию по производству водородного топлива из пищевых отходов. Новая технология производства водородного топлива теоретически может привести к массовому переходу автомобилей на водородное топливо.  
 
У водорода есть множество очевидных достоинств. Водород полностью сгорает в кислороде, выделяя большое количество энергии и оставляя после себя только водяной пар. Его легко транспортировать по трубопроводам практически на любые расстояния, тем более, что он не ядовит (хотя и взрывоопасен) и не обладает коррозирующим действием. Запасы водорода (как компонента воды) практически неограниченны и более или менее равномерно распределены по всем континентам. Водород представляется идеальным горючим для относительно маломощных и в то же время многочисленных силовых установок, размещенных на подвижных платформах - прежде всего для автомобильных и авиационных двигателей.  
 
Однако при всех этих несомненных преимуществах водорода его массовое использование в качестве топлива будет сопряжено со множеством сложнейших проблем. Их решение потребует очень крупных средств, которые придется затратить как на разработку высокоэффективных технологий получения и утилизации водорода, так и на создание инфраструктуры для его промышленного производства, доставки, хранения и распределения. Эти средства неизбежно придется отбирать у других насущно важных проектов, что потребует немалой политической воли и готовности принимать рискованные решения.  
Водородное топливо угрожает климату планеты.

Опираясь на результаты компьютерного  моделирования, исследователи Калифорнийского  технологического института в Пасадене, США, утверждают, что массовый переход  на водород в качестве топлива  для автомобильных и других двигателей может способствовать деградации озонового  слоя, особенно над полюсами, а также  некоторому охлаждению атмосферы.

На фоне очевидных недостатков  традиционных видов топлива, добываемых из горючих ископаемых, водород длительное время представлялся как уникальный экологически чистый ("зелёный") энергоноситель. Уголь, газ, бензин и т.д. при сгорании приводят к образованию довольно длинного списка различных неорганических и органических продуктов, в том  числе углекислого газа, являющегося  одним из основных парниковых газов (любопытно, что в своё время его  выделение считалось вполне безопасным и не вызывало особых опасений). С  другой стороны, двигатели на водороде (которые на английском звучат как  fuel cells, "топливные ячейки"), при работе выделяют единственный побочный продукт – воду.

Учитывая сказанное, не удивительно, что многие видят в водороде экологически чистую альтернативу современным видам  топлива во всех возможных сферах – от автомобилей и бытовых  устройств до электростанций и промышленности. Американский Конгресс уже в ближайшие 5 лет намерен вложить в разработку технологий добычи и использования  водорода более 3 млрд. долларов, и надеется на массовое использование автомобилей  на водородном топливе уже к 2020 году. Крупнейшие автомобилестроительные компании уже сейчас инвестируют значительные суммы в разработку двигателей на Н2. И хотя на пути масштабного использования водорода в качестве топлива ещё большое количество проблем самого различного характера (в том числе и чисто технологических), мировые лидеры настроены оптимистически. Настроение весьма мажорное.

Однако, вот на днях на страницах журнала Science группа американских учёных опубликовала результаты своих исследований, в которых утверждает, что быстрое расширение "водородной" индустрии может обернуться весьма ощутимыми климатическими изменениями и ростом озоновых дыр.

Исследователи утверждают, что в  случае полной замены водородом всех других используемых ныне видов топлива  значительные его количества будут  попадать в атмосферу из-за утечки из труб, топливных терминалов, заводов  и различных двигателей. По словам Юка Юна (Yuk Yung), одного из калифорнийских исследователей, ежегодно таким образом может теряться от 10 до 20 % производимого водорода или, по крайней мере, 60 миллионов тонн. Выделение такого количества газа может привести к утроению количества водорода, поступающего в атмосферу (кроме искусственных, существуют также природные источники водорода).

Благодаря своей лёгкости, водород  быстро поднимается в верхние  слои атмосферы, и, достигнув стратосферы, взаимодействует с кислородом, образуя  воду. Современное содержание водорода в стратосфере составляет 0,5 объёма на 1 млн. объёмов воздуха, и увеличение его количества приведет к образованию  большего количества водяного пара. Как  сообщает Трейси Тромп (Tracey Tromp), согласно результатам компьютерного моделирования, предполагаемое увлажнение стратосферы повлечет снижение её температуры приблизительно на 0,5 градуса Цельсия. Понижение температуры будет особенно заметно в области полюсов, где образуется большинство водяного пара, и проявится, в частности, в более позднем приходе весны (как видим, в будущем нам может грозить не только глобальное потепление).

Описанное явление, по утверждению  авторов, будет способствовать нарушению  процессов образования озона  и увеличению озоновых дыр над  полюсами – на 8 % над Северным и на 7 % - над Южным (Nature). По предыдущим оценкам, сокращение выбросов хлорфторуглеводородов большинством развитых стран должно обеспечить некоторое восстановление озонового слоя приблизительно за 50 лет.

Исходя из сказанного, представляется важным, насколько скоро водородная промышленность приобретёт значительные масштабы – уже через 20 лет, когда атмосферная концентрация ХФУ будет ещё достаточно высокой, или к средине столетия, когда их содержание будет значительно ниже.

Тем не менее, и это отмечают сами исследователи, прогнозы относительно опасности выбросов водорода в атмосферу  весьма и весьма относительны. Цикл водорода остаётся исследованным не до конца, а поскольку мы не располагаем полной схемой процессов круговорота водорода в природе, утверждать что-либо было бы опрометчиво. Так, в частности, не исключено, что большие количества водорода могут поглощаться грунтом, и в таком случае эффект утечки Н2 в атмосферу будет значительно ослаблен.

Поэтому учёные отмечают, что результаты их работы не следует расценивать как призыв отказаться от развития водородной промышленности, а скорее как способ подчеркнуть большое значение понимания водородного цикла. В любом случае, если уж "выбирать из двух зол меньшее", то пока преимущества водородного топлива для окружающей среды превышают все известные недостатки, в том числе вышеуказанные.

Водородные топливные  элементы.

Водородные топливные элементы могут производить электрическую  энергию для электродвигателя на борту транспортного средства, заменив  тем самым двигатель внутреннего  сгорания, или применяться для  бортового питания.

ИсторияПервое транспортное средство на топливных элементах создала в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company (США). Щелочные топливные элементы (AFC) были установлены на трактор В 1962 году — на автомобиль для гольфа. В 1967 году компания Union Carbide (США) установила топливные элементы на мотоцикл.

Автомобильный транспорт

Hyundai Tucson FCEV на водородных топливных элементах

Основное преимущество внедрения  топливных элементов в транспортные средства: высокий КПД. Например, паравоз за 150 лет своей эволюции смог достичь 5 % КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента — 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД 57 %.

КПД классического свинцового аккумулятора 70-90 %. Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей— дороговизна и несовершенство аккумуляторов. Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают низкой ёмкостью и большой массой. Никель-металл-гидридные аккумуляторы обладают недостаточной емкостью и неспособностью держать высокие токи разряда. В настоящее время актуальны литий –ионные акккумуляторы , но они тоже имеют проблему с обеспечением высокого тока нагрузки. Но наиболее перспективными на сегодняшний день являются литий-воздушные аккумуляторы. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов. На автомобилях и автобусах  устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.

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

Совершенствование PEM топливных элементов  продолжается. Они становятся легче, компактнее, дешевле. Теперь могут запускаться  при температуре минус 30 °С.

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

Ford Motor Company — Focus FCV;

Honda — Honda FCX;

Hyundai — Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power);

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

Toyota — Toyota Highlander FCHV;

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);

и другие единичные экземпляры в Бразилии, Китае, Чехии и т. д.

С 2003 года по 2006 год 36 автобусов по программе Clean Urban Transport for Europe проехали более 2 млн км. и перевезли 6 млн пассажиров.

Экономичность топливных  элементов

Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт. в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на пробег 100 миль (160 км.), то есть 4,3 литра бензинового эквивалента. Водород на заправочной станции Вашингтона продавался по цене $4,75 за кг (данные на 2005 год).

Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л. мощностью 85 кВт. потребляет 5,8 л. бензина на 100 км в условиях трассы.

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

Железнодорожный транспорт

Железнодорожные двигательные установки  должны развивать довольно большую  мощность, тогда как размеры железнодорожных  двигательных установок имеют малое  значение. Железнодорожный транспорт  представляет собой огромный рынок  сбыта для силовых установок  на водородных топливных элементах. В настоящее время около 60% грузов по железной дороге во всём мире перевозят  тепловозы. Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., дальность пробега на одной заправке — 300—400 км. Прототип был испытан 18 февраля 2004 года.В США эксплуатация локомотива на водородных топливных элементах мощностью 2 тысячи л. с. должна была начаться в 2009 году. Локомотив создавался с 2003 года при участииМинистерства обороны США (DoD) для нетактических военных целей и коммерческих приложений.