Сторінка
1

Водневий двигун

План

1. Трохи техніки.

2. Водень як паливо.

3. Замість паливного бака.

4. Паливний елемент.

ТРОХИ ТЕХНІКИ

Америка визначила собі завдання: у найближчі 10—15 років позбутися на­фтової залежності. Єдиний вихід — якомога швидше запустити в серійне вироб­ництво водневий автомобіль. Європа боїться відстати, крім того, європейцям доводиться виконувати прийняті в них норми на викид шкідливих речовин авто­транспортом, які постійно стають більш жорсткими. У 1993 році були запровад­жені норми «Євро-1», у 1996 році — «Євро-2», у 1999 році — «Євро-3», а з 2005 року в Європі планується ввести в дію ще більш жорсткі норми «Євро-4». У перспективі — повна заборона на викиди шкідливих речовин автомобілями, і тоді не можна буде обійтися без машини, яка працює на водні.

Головна перешкода для впровадження водневого автомобіля — відсутність системи промислового отримання водню в потрібних обсягах, систем його збе­реження, транспортування й заправлення автомобілів. На думку американських фахівців, таку систему вдасться створити не раніше 2020—2030 pp. На пере­хідний період провідні автовиробники можуть запропонувати так звані «гібридні автомобілі»: у них економічний двигун внутрішнього згоряння заряджає акуму­ляторну батарею, яка живить електричний двигун. Такі автомобілі розробля­ються практично всіма провідними автомобільними компаніями і вже серійно випускаються в Японії.

Класична схема: двигун внутрішнього згоряння рухає колеса з допомогою механічного приводу. Нас оточують тисячі автомобілів, але мало кому спадає на думку, шо їхня ефективність катастрофічно мала. Якщо взяти так звані «умови міського циклу руху», то загальний коефіцієнт корисної дії (ККД) автомобіля — 10—12 % (за містом, де менше світлофорів, 15—17 %). Отже, дев'ять літрів бен­зину з десяти просто летять в атмосферу.

Автомобілі на водневому паливі умовно можна розділити на три класи.

Перший — це машини зі звичайним двигуном внутрішнього згоряння, який працює на водні або водневій суміші. Такі моделі можуть працювати на чистому водні або 5—10 % водню додають до основного палива. В обох випадках ККД двигуна збільшується (у другому випадку приблизно на 20 %) і вихлоп стає наба­гато чистішим (вміст чадного газу (CO) і вуглеводнів (CnHm) зменшується в півто­ра рази, оксидів нітрогену (NOK) — до п'яти разів). Такі двигуни й автомобілі були сконструйовані й пройшли всі випробування в нас і за кордоном приблиз­но в 70—80-х роках. Однак, з огляду на витрати і й конструкційні складності, це може бути тільки проміжним, перехідним етапом на шляху до третього типу.

Другий — це машини з двома електроносіями, так звані гібридні. їх колеса рухає електропривод, енергію якому постачає акумулятор, що у свою чергу за­ряджається від високоекономічного двигуна внутрішнього згоряння, який пра­цює на водні або суміші водню з бензином. Це дуже вигідно, адже ККД елект-

родвигуна сягає 90—95 % на відміну від бензинового (35 %) або дизельного (50 %). Таким чином, загальний ККД підвищується до ЗО %, відповідно зни­жується витрата палива. Навіть якщо для підзарядки акумулятора використо­вується бензин, об'єм шкідливих викидів дозволить вкластися в норми «Євро-4» із десятикратним запасом. І все-таки отримати абсолютно чистий вихлоп можна тільки від автомобілів третього типу.

Третій — справжній водневий автомобіль — це машина з електродвигуном, який працює від паливного елемента, що знаходиться в автомобіли. Теоретично ККД паливного елемента, що працює на суміші водень—повітря, може переви­щувати 85 %. Зараз вже вдалося одержати двигуни з ККД близько 75 % — це більш ніж удвічі вище відповідного покажчика найкращих двигунів внутріш­нього згоряння. В умовах міста такі машини одержать п'яти-шестиразову пере­вагу над звичайними автомобілями.

ВОДЕНЬ ЯК ПАЛИВО

Сучасні технології виробництва водню далекі від досконалості

Незважаючи на це гіганти хімічної промисловості й сьогодні вже одержують по 500 млрд м5 водню на рік. Половина виробленої кількості йде на амонійні добрива, решта — на виробництво сталі, скла, маргарину та ін. В основному водень одержують за допомогою парового риформінгу природного газу: метан при високих температурах (900 °С) у присутності нікелевого каталізатора реагує з парою. Поки що такий водень найдешевший.

Є й інші технології отримання водню, наприклад електроліз, крекінг або переробка біомаси (деревини, соломи). Кожен із цих варіантів має свої недоліки. Наприклад, переробка біомаси: її нагрівають на 500—600 °С, після чого вихо­дять спирти (етанол, метанол), які, у свою чергу, перетворюються на водень. Можна нагріти біомасу до більш високих температур (1000 °С), тоді вона по­вністю перетвориться на газ і вийде суміш Н2 і CO. Проблема в тому, що сирови­ни для такого процесу знадобиться дуже й дуже багато. Якщо, наприклад, усю родючу територію Франції пустити на вирощування біомаси, то водню, отрима­ного з неї, не вистачить на те, щоб покрити потреби цієї країни в паливі навіть для нині існуючих автомобілів.

Здавалося б, найпростіший спосіб отримання водню — електроліз (елект­ричне розщеплення води). Результат — водень і кисень. Але загалом ефек­тивність цього процесу не дуже висока: треба витратити 4 кВт електроенергії, щоб одержати 1 м' водню, який, згоряючи, дасть лише 1,8 кВт енергії. Проте електроліз води досить перспективний і йому, напевно, знайдуть застосування, тим більше, що існують виходи з «енергетичної проблеми» По-перше, можна використовувати енергію атомної електростанції у години слабкого наванта­ження (коли вироблена там енергія виявляється незатребуваною) або, зреш­тою, поновлювані джерела енергії (сонячні батареї, енергію вітру, приливу й ін.). По-друге, ця технологія активно розвивається: електроліз для більшої ефек­тивності можна проводити під підвищеним тиском або температурою, що нама­гаються зробити вчені.

Зараз біологи активно розробляють ще один напрямок. Деякі бактерії й водорості в процесі фотосинтезу розкладають воду і виділяють водень. Пробле­ма в тому, що вони роблять це тільки за відсутністю кисню, отже, процес триває протягом дуже короткого часу, тому що при розкладанні води, природно, утворюється і кисень. Завдання вчених — за допомогою генної інженерії продовжи­ти цей період, тоді сонячні райони нашої планети були б забезпечені воднем.

ЗАМІСТЬ ПАЛИВНОГО БАКА

Загальна схема водневого двигуна зрозуміла: електродвигун, паливний еле­мент, водень для його роботи. Проблема полягає в тому, шо потрібен якийсь аналог паливного бака, але ж водень у паливний бак не наллєш. Це на сьогодні складає найбільші технічні труднощі.

Учені розглядають досить багато варіантів. Наприклад, можна зберігати во­день в акумуляторах на основі гідридів інтерметалічних сплавів (TiVaFe, CuNi та ін.), із яких за потребою поступово вивільняється чиста речовина. Але за цим варіантом маса водню в загальному обсязі речовини (так зване аспектне число) складає всього 5 %, до того ж виникає проблема зі швидкістю вивільнення вод­ню. Можна зберігати водень у рідкому вигляді. Але, по-перше, це вимагає охо­лодження до температур, близьких до абсолютного нуля (відповідно, зростає вартість водню), а по-друге, заправлений у такий спосіб автомобіль повинен буде витрачати своє паливо якомога швидше. Дуже перспективний напрямок — зберігання водню в наноструктурах (карбонових нанотрубках), однак ці дослі­дження знаходяться поки що на початкових стадіях.