Смогут ли «поезда на водороде» избавить нас от дизельного топлива?

1. Методы получения водорода и перспективы его использования в автомобилях

В настоящее время существует много различных методов получения водорода:

  • электрохимический метод (электролиз воды, каталитическая конверсия природного газа и др.);
  • получение водорода в термохимических циклах (термохимическое разложение воды на водород и кислород, термохимическое разложение йодата калия);
  • комбинированные методы;
  • фотокаталитические методы;
  • получение водорода из сероводорода;
  • получение водорода из углеводородного сырья (метод паровой конверсии, метод каталитической конверсии легкого углеводородного сырья и газификации тяжелых нефтяных остатков, плазменный риформинг);
  • одноступенчатые методы разложения воды на водород и кислород.

CH4 H2O → CO 3H2

CH4 0,5O2 → CO 2H2.

CO H2O → CO2 H2.

Смогут ли «поезда на водороде» избавить нас от дизельного топлива?

Водород, добываемый из природного газа, самый дешевый. Очень распространен способ производства водорода из водяного и паровоздушного газов, получаемых газификацией угля.

Получение водорода электролизом воды в настоящее время — процесс чрезвычайно дорогой. Однако в этом направлении ведутся постоянные исследования. Например, процесс разложения воды, используемый при производстве водорода, может быть ускорен за счет уникальных каталитических свойств углеродных нанотрубок.

Кроме того, следует учитывать способ получения электроэнергии, необходимой для электролиза воды. Если электроэнергия вырабатывается на электростанциях, использующих в качестве топлива природный газ или уголь, то экологичность применения водорода в качестве моторного топлива во многом теряет свои преимущества.

Мощности по производству водорода в мире оцениваются в 40 млн т в год. Практически весь вырабатываемый в настоящее время водород используется в различных процессах нефтепереработки и нефтехимии.

Водород (лат. hydrogenium), Н — химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса его составляет 1,00797. При обычных условиях водород — газ; не имеет цвета, запаха и вкуса. Водород — легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче воздуха), плотность его составляет 0,0899 г/л при 0 °С и 1 атм.

Водород кипит (сжижается) и плавится (затвердевает) соответственно при –252,6 °С и –259,1 °С (только гелий имеет более низкие температуры плавления и кипения). Удельная теплоемкость водорода при 0 °С и 1 атм равна 14,208 кДж/(кг · К). Водород малорастворим в воде (0,0182 мл/г при 20 °С и 1 атм), но хорошо — во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объемов Н на 1 объем Pd). Жидкий водород очень легок, его плотность при –253 °С равна 0,0708 г/см3.

Один из путей постепенного внедрения водорода на автотранспорте — применение двухтопливного двигателя внутреннего сгорания (водород — бензин, водород — метан).

Перспективность применения водорода для автомобильных двигателей определяется прежде всего экологической чистотой, неограниченностью и возобновляемостью сырьевых запасов, относительно низкими затратами на транспортировку и, наконец, уникальными моторными свойствами, что открывает возможности его широкого применения как в современных автомобильных двигателях без их коренной перестройки, так и в принципиально новых транспортных энергоустановках с прямым преобразованием энергии типа электрохимических генераторов тока.

Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с довольно обширным кругом вопросов:

  • разработка наиболее эффективных способов преобразования химической энергии водорода в энергию движения автомобиля;
  • разработка безопасных и эффективных способов хранения водорода на борту автомобиля;
  • решение ряда самостоятельных вопросов, прямо не связанных с автомобилями, но без учета которых идея перехода на водород неосуществима. Это проблемы получения водорода в необходимых количествах, его транспортировки и хранения, создания инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию автомобильного транспорта на водороде.

Использование водорода в качестве моторного топлива для автомобилей может осуществляться путем применения:

  • самого водорода;
  • водорода совместно с традиционными нефтяными топливами;
  • водорода как топлива в топливных элементах.
Читать далее:  Как установить и СДЕЛАТЬ ПОДОГРЕВ двигателя своими руками схемы подключения и установка автономных или электрических предпусковых подогревателей с видео

Поезда на водороде

Водородные поезда уже заменили более грязные дизельные двигатели в Германии, и некоторые железнодорожные компании считают, что Великобритания последует ее примеру к 2022 году. Для внедрения новых технологий все равно нужны инвестиции. Но они могут стать важным шагом на пути к снижению углеродного следа железных дорог.

В настоящее время электрифицирована только треть железнодорожной сети Великобритании, и за последние несколько лет было переоборудовано немного дополнительных путей. Прекращая электрификацию сети, правительство сталкивается с дилеммой: как ликвидировать дизельные поезда, которые производят углекислый газ и другие вредные загрязнители?

Текущая стратегия заключается в покупке бимодальных поездов, которые могут переключаться на дизельное топливо, когда выходят на пути без электричества. Но это не решает проблему как таковую.

Если электрификация остальной части сети покажется слишком дорогой, одной из возможных альтернатив будет выработка электроэнергии на борту поезда. Один из способов сделать это — использовать топливные элементы, которые объединяют газообразный водород с кислородом из воздуха для производства электричества и воды.

Газообразный водород должен быть сжат в резервуарах, которые обычно располагаются на крыше поезда. Но добавление системы рекуперативного торможения для зарядки дополнительной маленькой батареи снизит количество водорода, необходимого для питания поезда.

Высокая стоимость установки воздушных проводов означает, что водородные поезда, вероятно, будут более экономичным способом электрифицировать железнодорожные линии с относительно небольшим трафиком. Также есть смысл экспериментировать с водородными поездами, чтобы выявить любые неожиданные проблемы. Однако широкое использование потребует значительных инвестиций в производство и хранение водорода.

Лучшим решением может быть разработка также гибридных двухрежимных поездов, которые могут переключаться между электричеством от воздушных проводов и топливных элементов. Это лучше подойдет для железнодорожных сетей, которые проходят через мосты и туннели.

Другая проблема, связанная с водородными топливными элементами, состоит в том, что сейчас топливо производится из метана (природного газа) с использованием процесса под названием паровой риформинг метана, который также дает большой выход высокотоксичного моноксида углерода. Его можно преобразовать в диоксид углерода, однако в таком случае водородное топливо все равно будет содействовать выбросам парниковых газов.

3. Применение водорода в двигателях внутреннего сгорания

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.

Смогут ли «поезда на водороде» избавить нас от дизельного топлива?

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.

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).

Читать далее:  Замена переднего сальника коленвала на ВАЗ 2101-ВАЗ 2107

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.

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.

alt

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.

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.

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.

Читать далее:  Промывочное масло для двигателя как выбрать лучшее

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.

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.

Чистый водород

Экологически чистый способ получения водорода — через электролиз, когда через воду пропускается электрический ток. Теоретически, можно использовать избыточную энергию ветра (и, возможно, солнца) для выработки этого электричества и сделать водород возобновляемым источником энергии. Проблема в том, что электролизные установки вряд ли будут экономичными, если не будут работать большую часть дня.

Вторая альтернатива — использование «термохимического» способа производства, который включает взаимодействие воды с серой и йодом в присутствии тепла. Хорошей новостью будет то, что этот метод станет экономичным в течение следующих десяти лет, благодаря развитию атомных электростанций IV поколения. Эти высокотемпературные небольшие модульные реакторы разрабатываются в Китае, США, Канаде и Японии, но не в Великобритании или Европе.

https://www.youtube.com/watch?v=http:H5Gty_bnxJg

Несмотря на все ограничения использования водорода в качестве транспортного топлива, поскольку все больше и больше стран (в частности, Япония) проводят дальнейшие исследования в области водородной экономики, его стоимость буде сокращаться. Водород может даже прийти на смену природному газу в магистральных газовых трубах, что также поможет снизить затраты на его использование для транспорта.

Как думаете, когда Россия озаботится переводом железнодорожных поездов на водород?  Предлагаем обсудить это в нашем чате в Телеграме.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
AutoJiza
Adblock
detector