Перспективы водорода как автомобильного топлива

Пнд, 09/09/2013 - 17:12

Экологичный кроссовер EcoVoyager оснащен водородным двигателем и электромотором мощностью 268 л.с. Согласно официальному пресс-релизу, на одной зарядке литиевой батареи и баке водорода этот концепт без проблем может проехать 480 км




Плюсы и минусы



Идея использования водорода в качестве топлива для автомобилей разрабатывается уже довольно давно, а в последние пару десятков лет особенно активно. Предполагаемые перспективы довольно заманчивы по отношению к современному состоянию автомобильной промышленности и существующему парку машин. Однако пока что-то мешает шагнуть в это светлое будущее.

Одной из основных черт XXI-го века является обострение энергетических проблем. Связано это, в первую очередь, с неумолимым сокращением запасов углеводородного топлива (нефти и газа), являющегося на сегодняшний день основным энергоносителем. Кроме того, использование этого топлива, а также углей приводит к катастрофическому загрязнению окружающей среды. Исчерпание ресурсов минерального топлива и токсичность выхлопов двигателей внутреннего сгорания на нефтепродуктах стимулирует поиск новых, возобновляемых и экологически чистых энергоносителей для транспорта и энергетики в целом.

Какое же место предполагается для водорода в системе автомобильной энергетики? Сразу оговоримся, что его существующие запасы на нашей планете поистине огромны, более того — этот элемент является самым распространенным в наблюдаемой галактике. Однако на Земле подавляющее большинство водорода находится в связанном состоянии, то есть в виде соединений с другими химическими элементами (например, вода, углеводороды и т.д.). Это, в свою очередь, означает, что в нашей энергосистеме он непосредственным источником быть не может, так как его еще надо вырабатывать. Естественно, КПД такого процесса не может быть больше единицы, другими словами, энергия, получаемая при сжигании водорода, не может быть больше, чем энергия, необходимая для выделения его, например, из той же воды. Понимание этого приводит к тому, что предполагаемое место этого газа в энергетической системе определяется лишь как накопитель и носитель заранее произведенной энергии. Именно поэтому автомобиль, снабженный двигателем, работающим на водороде, не стоит рассматривать как что-то отдельное, а только в комплексе со всей энергетической системой.

Современное состояние мировой энергетики, основанной на традиционных углеводородных источниках сырья, даже по оптимистичным оценкам характеризуется как предкризисное. Уже сейчас очевидно не столь отдаленное во времени истощение этих ресурсов. Безусловно, атомная энергетика с учетом имеющихся запасов урана и тория будет играть все большую роль в мировой экономике. Предполагается, что в отдаленном будущем решающее место в крупномасштабной энергетике займет энергия управляемого термоядерного синтеза. Однако даже если предположить, что атомная и термоядерная энергетики будут в состоянии произвести необходимое количество электроэнергии, остается неясным, каким образом полученная энергия может обеспечить, например, функционирование транспорта или жизнедеятельность удаленных районов. (На сегодняшний день транспорт использует около половины мирового объема потребления нефтепродуктов, а в США — до 65%. При этом в выхлопах двигателей внутреннего сгорания содержится около 45 токсичных веществ, в том числе канцерогены). Поэтому поиск альтернативных возобновляемых и экологически чистых источников, способных обеспечить человечество энергией на ближайшие сотни лет, является одним из несомненных приоритетов современной науки. Этот поиск показывает, что одним из наиболее вероятных заменителей органического топлива энергоносителей для транспорта и энергетики в целом является водород. Водород пригоден для всех видов тепловых двигателей: поршневых, турбинных, поршнетурбинных, двигателей Стирлинга и так далее. При этом водород как топливо имеет высокое удельное содержание энергии на единицу массы — 120,7 МДж/кг, что выше, чем у любого органического топлива. Использование водорода для получения энергии ведет к резкому снижению загрязнения окружающей среды. При сгорании водорода в кислороде токсичные выхлопы полностью отсутствуют, так как продуктом реакции является вода, а при сгорании в воздухе загрязнения намного ниже, чем при использовании бензина.

Очень важно, что водород может быть использован для прямого преобразования химической энергии в электрическую. Такое преобразование происходит в электрохимическом генераторе (топливном элементе) при соединении водорода с кислородом на одном из электродов. Вредные выбросы при этом практически отсутствуют. Коэффициент полезного действия топливного элемента может достигать очень высоких значений — от 40 до 70 %, и он относительно мало зависит от установленной мощности и нагрузки (напомним, что у тепловых машин этот показатель не превышает 40%).

Именно прогресс в разработке топливных элементов с высоким КПД вселяет уверенность в перспективах использования водорода как топлива при создании автономных мобильных и стационарных источников энергии. Такие источники могут найти широкое применение на транспорте. Автомобили с топливными элементами особенно перспективны для использования в городских условиях.

Подобные гибридные автомобильные двигатели требуют высочайшего качества обработки металла и внедрение самых передовых методов обработки поверхности. На рынке появились уникальные твердосплавные пластины от Торгового Дома Гефест, которыми производить фрезерные работы - одно удовольствие. Подобные твердосплавные материалы позволяют изготавливать элементы любого двигателя самой сложной конструкции.

Успехи, достигнутые в разработке топливных элементов, рост цен на традиционные энергоносители (в особенности на нефть), политическая нестабильность в странах — экспортерах нефти, экологические проблемы — все это привело к осознанию на правительственном уровне необходимости ускоренного развития исследований и технологий в области водородной энергетики. В этой связи характерно решение президента США о включении водородной энергетики в число национальных приоритетов. Конгресс США принял решение о финансировании в размере 1,3 миллиарда долларов работ по топливным элементам для автомобилей. Япония поддерживает развитие технологий, основанных на водороде и топливных элементах, посредством 28-летней программы (1993-2020) с общим бюджетом 2,4 миллиарда евро. Финансирование исследований по топливным элементам в Европе составляет примерно 1/3 часть от финансирования в США и 1/4 часть от финансирования в Японии. При этом в последние годы страны ЕС активно разрабатывают стратегию консолидации усилий правительств и крупных межнациональных компаний в области разработки водородных технологий и топливных элементов. Отметим, что крупные негосударственные компании, главным образом автомобильные, также вкладывают в разработку водородных технологий значительные средства.

Существуют идеи и более широкой «глобализации» работ по водородной энергетике. Так, в ноябре 2003 года подписано соглашение «Международное партнерство по водородной экономике». Его участниками стали Австралия, Великобритания, Бразилия, Германия, ЕС, Индия, Исландия, Италия, Канада, Китай, Норвегия, Республика Корея, Россия, США, Франция, Япония. Предполагается, что «Международное партнерство по водородной экономике» обеспечит механизм организации, оценки и координации многосторонних исследований, разработок и программ развертывания, которые ускорят переход к глобальной водородной экономике. Очевидно, что для перехода к водородной энергетике необходимо решить серьезные научные, технологические и технические проблемы. К таковым относят в первую очередь получение достаточно дешевого водорода в массовом количестве, его хранение и доставку, а также эффективное использование. Рассмотрим их современное состояние по-порядку.

Другие материалы рубрики


  • Чтобы получать тепло из снега, дождя и, что реже, града, нужен АТМОТЕРМ. Это устройство относится к стационарным приборам для нагревания текущих сред, использующий при прохождении данного процесса тепловой эффект экзотермической реакции образования гидроксида кальция из СаО, которая проходит при утилизации снежного покрова на месте его образования.
    Область применения устройства – генерация тепловой энергии для обогрева стен жилых и нежилых помещений, используя атмосферные осадки.
    Исследуя решения в данной области, мы не найдем наверняка устройства, объединяющего в себе функции переработки атмосферных осадков и обогревателя, работающего без подвода электроэнергии, при этом являясь таким экономичным, как атмотерм (экономичность смотрите дальше). Решения, предлагаемые другими авторами (смотри ниже) имеют ряд недостатков: потребляемость большого количества электроэнергии, узкая направленность технологий – только утилизация снега или только генерация тепловой энергии, сложность устройства, лежащее в наличии большого количества комплектующих компонентов, таких как ИК-излучатели и другие подобные устройства.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Многие десятилетия неизменным элементом пейзажа промышленной нефтедобычи являлись грандиозные факелы, в которых сгорал попутный газ — неизбежный спутник нефтедобычи. Громадные шлейфы дыма простирались на десятки и сотни километров и были прекрасно видны даже из космоса. Так было долго и казалось, что так будет всегда. Но все меняется в этом мире, и иногда — в лучшую сторону.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Еще с незапамятных времен люди использовали энергию ветра.
    Первоначально человек научился преобразовывать кинетическую энергию воздушного потока (ветра) в механическую. Появилось огромное разнообразие ветряных мельниц, значительно облегчивших жизнь людей того времени.
    Идея ветрогенератора для выработки электрической энергии с использованием энергии ветра появилась чуть более 100 лет назад.
    Пытливая мысль изобретателей создала огромное разнообразие конструкций ветроустановок:
    — по расположению оси вращения лопастей (горизонтальная, вертикальная, наклоненная);
    — по количеству лопастей (одна, две, три и более);
    — по мощности (от десятков Ватт до нескольких МВатт);
    — по форме лопастей, по конструкции генераторов и т.д.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Экспоненциальный рост населения и истощение природных ресурсов заставляют ученых придумывать самые невероятные проекты по спасению планеты. Один из них — космические электростанции, передающие на Землю энергию Солнца посредством микроволнового излучения. Технология эта не столь фантастична, как может показаться на первый взгляд.
    Вполне возможно, что лет через тридцать на геостационарной орбите обоснуется группировка объектов, каждый из которых будет подозрительно напоминать «Звезду смерти». Необъятные зеркальные крылья, нечто вроде электромагнитной пушки и наземная приемная антенна километров десять в диаметре — так будет выглядеть система глобального энергоснабжения.
    Вернее, такой ее представляли конструкторы еще в 1970-х. И уже тогда это не было научной фантастикой! В связи с энергетическим кризисом американское правительство выделило $20 миллионов агентству NASA и компании Boeing на проработку проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).



  • Ветры бывают самые разнообразные: это и дующий десятки минут легкий бриз, и глобальные ветра — но все они существуют за счет солнечного нагрева планеты. Важными факторами влияния на атмосферную циркуляцию воздуха являются разность обогрева между экватором и полюсами, а также вращение нашей планеты, называемое эффектом Кориолиса. Сезонные колебания в скорости и направлении ветра являются результатом сезонных изменений из-за относительного наклона оси вращения Земли к Солнцу, которое, в свою очередь, изменяет паттерны разности обогрева. Ежедневные различия в обогреве атмосферы вызваны различным нагревом локальных областей поверхности земли, например, суши и океана. Еще движение воздуха осложняется целым рядом факторов глобального масштаба, таких как вращение Земли, а также сушей, горными хребтами и холмами, растительностью, океанами, морями и озерами. Из-за трения о поверхность земли, растительность и здания скорость ветра возрастает с увеличением высоты над поверхностью земли.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Многие ученые считают, что единственным масштабным и долговременным решением надвигающейся энергетической проблемы, одновременно удовлетворяющей условиям энергетической эффективности и экологической безопасности, является термоядерный синтез на базе использования лунного изотопа элемента гелия.
    Страна, которая опередит другие в освоении Луны и добычи гелия-3, станет лидером в мировой экономике, считает академик Эрик Галимов.



  • Если внимательно присмотреться к рынку многофункциональных преобразователей, то даже не смотря на всемирный спад и уменьшение продаж, многие производители не перестают выступать новые инверторы. Отчасти подобное связано с тем, что компании стараются привлечь внимание покупателей, частично из-за применения последних технологий.
    Несмотря на то, что источник бесперебойного питания купить можно в любом магазине, новинки не так быстро достигают конечного потребителя.



  • ...В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки. Вот далеко не полный перечень уникальных систем и механизмов, обеспечивающих эффективную и безопасную работу ветроэлектростанций: система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки); система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы); система управления рысканием  — электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции); система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором «беличья клетка»)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • ...Возможность установки ветрогенераторов также зависит от климата, а конкретнее – от средней скорости ветра в данной местности. Трудно спрогнозировать, каковы будут скорость и направление ветра в определенный момент. Но если рассматривать большие временные промежутки, соизмеримые со сроком эксплуатации ветряка, то можно довольно точно сказать, что, например, в течение года в месте его установки будет 4000 часов со скоростью ветра более 4 м/с, что обеспечит гарантированную генерацию, условно говоря, 1000 КВт·ч в год. В частности, у нас средняя скорость ветра составляет около 5 м/с, что вполне пригодно для получения ветровой энергии, так как рекомендуемая скорость ветра для этих целей 4 м/с и более.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Сначала приведем высказывание российского геофизика Е.П. Борисенкова о прошлом человечества:
    «Причины гибели или упадка некоторых цивилизаций, а также многие неблагоприятные социальные явления в период средневековья так же, как и в древней истории, были связаны с экологией.
    Если мышление человека античности в ряде случаев было настолько эгоистичным, что, несмотря на свои выдающиеся по тому времени научные и естественные познания, он не думал о связи между лесом, водой, почвой и последствиями своей деятельности, то и в период средневековья человечество ушло от этого уровня понимания не очень далеко».

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4