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


  • В начале нового тысячелетия почти весь мир столкнулся с новой, весьма болезненной проблемой — истощением топливных запасов планеты. Ученые с каждого угла кричали, что через 30 лет на земле не останется ни капли нефти. Но прошло уже 10 лет, и эти крики понемногу улеглись. Были найдены новые месторождения в Саудовской Аравии, в России разведали новые, огромные запасы сибирской и заполярной нефти. Единственная проблема — добраться до них, но учитывая сегодняшнюю стоимость «черного золота» на мировом рынке, это не будет составлять особого труда.
    Но беда, как известно, не приходит одна. С топливной проблемой пришла проблема загрязнения окружающей среды обитания человека. Продукты сгорания бензина и дизтоплива стали настолько насыщать атмосферу Земли, что экологи забили тревогу. Их главный девиз — «Парниковый эффект!» К сожалению, они до сих пор не могут определиться, чем он грозит нашей планете — глобальным потеплением или новым ледниковым периодом. Впрочем, одно не исключает другое. Сначала довольно сильно потеплеет, арктические льды растают, опять понизят температуру, но настолько сильно, что 2/3 суши (по самым пессимистическим прогнозам) покроется снегом и льдом.
    Что же делать? Отказаться от автомобильного транспорта и вообще от использования нефти и нефтепродуктов? В данный исторический отрезок времени это даже не теория, а какая-то фантазия Гринписа, если не сказать больше. Но нам надо как-то сберечь природу и при этом не нанести вреда экономике, как в мировом масштабе, так и в масштабе отдельной страны. И тут, к огромной радости почти всех экологов (почему почти — будет сказано ниже) на мировую топливную арену семимильными шагами выходит новое горючее — биодизель.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3

  • При минусовой температуре проблемы с запуском двигателя гарантированы. Это знает каждый опытный автомобилист, которому не раз приходилось подолгу просиживать в холодном салоне, пытаясь завести автомобиль. А вот о причинах этих самых проблем думает далеко не каждый водитель. Еще до того, как температура опустится ниже нуля, важно сменить все жидкости в автомобиле на незамерзающие. Это касается моторного масла, охлаждающей жидкости, жидкости в бачке омывателя. Нужно тщательно смазать стартер и прочие системы мотора, от этого также зависит степень прилагаемых для запуска двигателя усилий в сильный мороз.



  • Вопрос смесевых технологий при производстве бензинов давно уже интересует технологов, экологов, энергетиков, автомобилистов и просто любителей всяческих новшеств и современных технологий. Несмотря на множество позитивных моментов, так же как и на наличие определенных недостатков, однозначности в выводах пока еще не присутствует, что оставляет обширные пространства для размышлений и убеждений, похвалы и критики.

    • 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).



  • Еще в 212 году до н. э. древнегреческий ученый Архимед использовал светоотражающие свойства бронзовых боевых щитов для того, чтобы сосредоточить солнечный свет и поджечь вражеские деревянные суда римлян, осаждающих его родной город Сиракузы. Но прошло почти полтора тысячелетия, за время которых люди продолжали греться на солнышке, не задумываясь, какой мощный источник представляет собой это божественное дневное светило. И лишь в 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в. ведущий французский химик Антуан Лоран Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650°С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8х3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке.

    В 1866 г. французский математик Август Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных коллекторов, ставших прообразами современных, и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника. В 1890 г. профессор В.К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000°С. Однако только в 1980-е годы были созданы первые крупномасштабные солнечные электрогенераторы.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Нефте- и газодобыча уже в течение многих лет — ведущие отрасли российской экономики. В иные периоды они давали до 50% поступлений в федеральный бюджет. Это стало возможным только после введения в эксплуатацию крупнейших месторождений Западной Сибири. Поиск месторождений, ставших открытием века, стоил огромного труда. Основной вклад в него внесли сибирские геологи.
    Чтобы понять, где и как искать нефть, — а ее считают самым труднодоступным богатством планеты, — надо знать, как она образуется. В 1932 году была опубликована классическая работа основоположника советской нефтяной геологии Ивана Михайловича Губкина (1871-1939) «Учение о нефти», которая сыграла огромную роль в развитии представлений о происхождении нефти и формировании ее залежей. Он сформулировал четыре этапа образования нефтяных запасов, которые и сегодня лежат в основе научных воззрений о процессах нефтеобразования.

    • 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.



  • ...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


  • Недавно в новостях услышал информацию о том, что весной 2010 г. городское население планеты превысило сельское и составляет 51%. В 2020 г. городское население уже будет составлять 57%.
    Вроде бы ничего интересного. Сухая статистика.
    Но за этой статистикой просматривается очень настораживающая тенденция, если учесть, что за этот период население Земли вырастет с 6,8 до 8 миллиардов человек.
    Урбанизация растет огромными темпами.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Солнце — основной источник энергии на планете. В полдень на низких широтах плотность потока энергии солнечного излучения близка к 1 кВт/м²,, в среднем по освещенной части земного шара — 350 Вт/м². Потенциальный ресурс энергии огромен. Ей соответствует мощность 6,7∙1016 Вт. Теоретически КПД преобразования энергии может достигать 93%. Сейчас он составляет 10…30%. КПД определяет технический ресурс, равный произведению КПД на потенциальный ресурс.
    В настоящее время энергия солнечного излучения используется мало из-за относительно низких значений плотности потока энергии (100 — 1000 Вт/м²).
    Разрабатываются проекты создания солнечных энергосистем на геостационарной орбите с мощностью 1…10 ГВт. Передачу энергии на Землю планируется осуществлять при помощи мощных электромагнитных пучков на длине волны около 5…10 см.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4