АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ - Студенческий научный форум

IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Чем больше в мире производится автомобилей, тем значительнее интерес к альтернативным бензину видам топлива, при сгорании которых выделяется меньше вредных веществ. Во многих странах все более популярным становится биологическое топливо, изготавливаемое из растительного сырья. В шести государствах ЕС, а также в США, Канаде, Бразилии, Малайзии такое биологическое топливо производят в промышленных масштабах, но все же его доля в топливном балансе не превышает 0,3%.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания остаётся основной движущей силой автомобиля. В связи с этим единственный путь решения энергетической проблемы автомобильного транспорта - это создание альтернативных видов топлива. Новое горючее должно удовлетворить очень многим требованиям: иметь необходимые сырьевые ресурсы, низкую стоимость, не ухудшать работу двигателя, как можно меньше выбрасывать вредных веществ, по возможности сочетаться со сложившейся системой снабжения топливом и др.

Нефть сегодня - основной и наиболее востребованный энергоресурс. Однако ее запасы катастрофически заканчиваются, и уже понятно, что наступает закат нефтяной эры. Чем заправляться будем?

Уже сейчас абсолютно ясно, что XXI век станет закатом нефтяной эры. Снижение темпов нефтедобычи в ряде стран, включая Россию, и снижение ее рентабельности наблюдается уже сегодня. Все это является первопричиной увеличения стоимости нефтепродуктов и, как следствие, накладывает определенные ограничения на развитие экономик отдельных стран и мировой экономики в целом. Данное обстоятельство, с учетом того, что 80% механической энергии, которую использует в своей деятельности человек, вырабатывается двигателями внутреннего сгорания, заставляет уже сегодня серьезно задуматься об альтернативном источнике энергии, не нефтяного происхождения.

В последнее время большое количество зарубежных научно-исследовательских центров моторостроительных фирм проводят исследования, направленные на экономию топлива и замену традиционных жидких углеводородных топлив новыми видами.

Рассмотрим каждый из наиболее распространенных видов альтернативного топлива более подробно.

Природный газ.

 Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде жидкого, охлажденного до -160°С газа. В настоящее время наиболее перспективным является применение жидкого газа (пропан-бутан). В Европе это топливо называется Liquefied petroleum gas. В Европе сегодня насчитывается около 2,8 млн машин, работающих на Liquefied petroleum gas.

Газовый конденсат.

Использование газовых конденсатов в качестве моторного топлива сведено к минимуму из-за следующих недостатков: вредное воздействие на центральную нервную систему, недопустимое искрообразование в процессе работы с топливом, снижение мощности двигателя (на 20%), повышение удельного расхода топлива.

Шахтный метан.

В последнее время к числу альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан, добываемый из угольных пород. Так, к 1990 г. в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны. Прогнозируется, что газовая добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135 миллиардов метров кубических.

Синтетический бензин.

Сырьем для его производства могут быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России, производство синтетического моторного топлива из природного газа освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии на установке фирмы "Мобил" из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторных топлив. Однако в настоящее время синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных. В то же время разработки по получению синтетического бензина из угля достаточно активно ведутся в настоящее время в Англии.

Спирты.

 Среди альтернативных видов топлива в первую очередь следует отметить спирты, в частности метанол и этанол, которые можно применять не только как добавку к бензину, но и в чистом виде. Их главные достоинства - высокая детонационная стойкость и хороший КПД рабочего процесса, недостаток - пониженная тепловая способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает расход топлива в 1,5-2 раза по сравнению с бензином. Кроме того, затруднён запуск двигателя из-за плохого испарения метанола и этанола.

Этанол (питьевой спирт), обладающий высокой энергетической ценностью, добывается из отходов древесины и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов и особо популярен в теплых странах. Так, Бразилия после своего нефтяного кризиса 1973 г. активно использует этанол - в стране более 7 млн автомобилей заправляются этанолом и еще 9 млн - его смесью с бензином. США является вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. Этанол используется как "чистое" топливо в 21 штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и применяется более чем в 100 млн двигателей. Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. Всплеск интереса к его использованию в качестве моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами.

Использование спиртов в качестве автомобильного топлива требует незначительной переделки двигателя. Например, для работы на метаноле достаточно отрегулировать карбюратор, установить устройство для стабилизации запуска двигателя и заменить некоторые подверженные коррозии материалы более стойкими. Учитывая то, что чистый метанол ядовитый, необходимо предусмотреть тщательную герметизацию топливной системы автомобиля. Пары метанола более токсичны, чем пары бензина и вызывают сильные отравления при попадании в организм человека, слепоту и даже летальный исход.

А вот для работы на чистом спирте требуется увеличение вместимости топливного бака и степени сжатия до 12-14, чтобы полностью использовать детонационную стойкость топлива.

Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спирта делают практически невозможным запуск бензиновых двигателей уже при температуре окружающей среды ниже +10°С.

Электрическая энергия.

Заслуживает внимания применение электроэнергии в качестве энергоносителя для электромобилей. Кардинально решается вопрос, связанный с токсичностью отработанных газов, появляется возможность использования нефти для получения химических веществ и соединений. К недостаткам электроэнергии как вида электроносителя можно отнести: ограниченный запас хода электромобиля, увеличенные эксплуатационные расходы, высокая первичная стоимость и высокая стоимость энергоемких аккумуляторных батарей.

Топливные элементы.

 Топливные элементы - это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства. В процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и электрический ток. В качестве топлива содержащего водород, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол. В этом направлении работает достаточно много зарубежных автомобильных фирм, и если им в итоге удастся приблизить стоимость автомобилей на топливных элементах к бензиновым, то это станет реальной альтернативой традиционным нефтяным топливам в странах, импортирующих нефть. В настоящее время стоимость зарубежного экспериментального легкового автомобиля с топливными элементами составляет порядка 1 млн долл. США. Кроме того, к недостаткам применения топливных элементов следует отнести повышенную взрывоопасность водорода и необходимость выполнения специальных условий его хранения, а также высокую себестоимость получения водорода.

Биодизельное топливо.

 В последние годы в США, Канаде и странах ЕС возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из растительного масла. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях. Применение биодизельного топлива связано, в первую очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25-50%), улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизелей - сера в биодизельном топливе составляет 0,02%.

Биогаз.

Он представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Биогаз относится к топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для его производства достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов. Биогаз как альтернативный энергоноситель может служить высококалорийным топливом. Он предназначен для улучшения технико-эксплуатационных и экологических показателей работы двигателя внутреннего сгорания. Применение биогаза в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания позволяет снизить выбросы, а также улучшить топливную экономичность.

Отработанное масло.

 В настоящее время на ряде предприятий различных стран мира весьма эффективно работают установки, преобразующие отработанное масло (моторное, трансмиссионное, гидравлическое, индустриальное, трансформаторное, синтетическое и т. д.) в состояние, которое позволяет полностью использовать его в качестве дизельного или печного топлива. Установка подмешивает очищенные (в установке) масла в соответствующее топливо, в точно заданной пропорции, с образованием навсегда стабильной, неразделяемой топливной смеси. Полученная смесь имеет более высокие параметры по чистоте, обезвоживанию и теплотворной способности, чем дизельное топливо до его модификации в установке.

Водород как альтернативное топливо.

Водород является эффективным аккумулятором энергии. Применение водорода в качестве топлива возможно в разнообразных условиях, что может дать существенный вклад в мировую энергетику, когда ресурсы ископаемого топлива будут близки к полному истощению. По сравнению с бензином и дизельным топливом водород более эффективен и меньше загрязняет окружающую среду. Взрывоопасность водорода резко снижается с применением специальных присадок.

Сейчас каждая автомобильная компания имеет концепт-кар, который работает на водороде. Однако некоторые фирмы предлагают комбинированные решения. Так, «Мазда»  предлагает автомобиль, который имеет возможность чередовать топливо (водород и бензин). Другие автопроизводители совмещают эти виды топлива. В США выпускают тягачи, в двигателях которых используется смесь дизельного и водородного топлива. Это позволяет увеличить мощность двигателя, экологическую чистоту и уменьшить расход топлива. Система осуществляет разложение воды, собирает водород и направляет его в камеру сгорания, обеспечивая более высокую эффективность сгорания топлива.

Водородное топливо

Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд).

По некоторым расчётам, каждую секунду в глубинах Солнца примерно 564 млн. тонн водорода в результате термоядерного синтеза превращаются в 560 млн. тонн гелия, а 4 млн. тонн водорода превращаются в мощное излучение, которое уходит в космическое пространство. Нет опасений, что на Солнце скоро иссякнут запасы водорода. Оно существует миллиарды лет, а запас водорода в нём достаточен для того, чтобы обеспечить ещё столько же лет горения.

Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной. Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес. Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением, разумеется, водорода, загрязняют окружающую среду. В городах нашей страны ежегодно проходит озеленение, но этого, как видно, недостаточно. В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО2) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья. От этого происходят различные заболевания, многие из которых практически не поддаются лечению, а уж тем более невозможно лечить их, продолжая находиться в можно сказать «заражённой» выхлопными газами атмосфере.

Что касается воздуха, то здесь на повестке дня уже много лет стоит не менее важная проблема. И если представить, хотя бы на секунду, что все современные двигатели будут работать на экологически чистом топливе, коим, разумеется, является водород, то наша планета встанет на путь, ведущий к экологическому раю. Но это всё фантазии и представления, которые, к великому нашему сожалению ещё не скоро станут реальностью.

Сколько бы мы не говорили о положительном влиянии водорода, на практике это можно увидеть довольно таки не часто. Но всё же разрабатывается множество проектов, и целью моей работы явился не только рассказ о самом чудесном топливе, но и о его применении. Эта тема очень актуальна, поскольку сейчас жителей не только нашей страны, но и всего мира, волнует проблема экологии и возможные пути решения этой проблемы.

Водород на Земле

Водород - один из наиболее распространённых элементов и на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 - атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более

1,5∙1018  м3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле - неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 - 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь - 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1∙10-4 %.

Что такое водородная технология?

Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.

В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода - это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Переход на водородную технологию и использование воды в качестве единственного источника сырья для получения водорода не может изменить не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных её регионов. Так, годовая энергетическая потребность такой высокоиндустриальной страны, как ФРГ, может быть обеспечена за счёт водорода, полученного из такого количества воды, которое соответствует 1,5% среднего стока реки Рейн. Отметим попутно, что на наших глазах становится реальной одна из гениальных догадок великого фантаста Жюля Верна, который устами героя рома «Таинственный остров» (гл. XVII) заявляет: «Вода - это уголь будущих веков».

Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H2 составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива - 46 - 50 МДж/кг, т.е. в 2,5 раза меньше. К тому же водород - легковозобновляемое топливо.

Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты.

Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин а автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить  в любых количествах. В то же время водород - сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.

Как и из чего в настоящее время получают водород?

В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. В разных странах могут быть различные ситуации. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).

В процессе конверсии метана водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и оксида углерода водяным паром протекают следующие каталитические реакции. Рассмотрим процесс получения водорода конверсией природного газа (метана).

Получение водорода осуществляется в три стадии. Первая стадия - конверсия метана в трубчатой печи:

CH4 + H2O = CO + 3H2 - 206,4 кДж/моль

или

CH4 +CO2 = 2CO + 2H2 - 248, 3 кДж/моль.

Вторая стадия связана с доконверсией остаточного метана первой стадии кислородом воздуха и введением в газовую смесь азота, если водород используется для синтеза аммиака. (Если получается чистый водород, второй стадии принципиально может и не быть).

CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2 + 35,6 кДж/моль.

И, наконец, третья стадия - конверсия оксида углерода водяным паром:

CO + H2O = СO2 + H2 + 41,0 кДж/моль.

Для всех указанных стадий требуется водяной пар, а для первой стадии - много тепла, поэтому процесс в энерготехнологическом плане проводится таким образом, чтобы трубчатые печи снаружи обогревались сжигаемым в печах метаном, а остаточное тепло дымовых использовалось для получения водяного пара.

Рассмотрим, как это происходит в промышленных условиях (схема 1). Природный газ, содержащий в основном метан, предварительно очищают от серы, которая является ядом ля катализатора конверсии, подогревают до температуры 350 - 370 oС и под давлением 4,15 - 4,2 МПа смешивают с водяным паром в соотношении объёмов пар : газ = 3,0 : 4,0. Давление газа перед трубчатой печью, точное соотношение пар : газ поддерживаются автоматическими регуляторами.

Образующаяся парогазовая смесь при 350 - 370 oC поступает в подогреватель, где за счёт дымовых газов нагревается до 510 - 525 oС. Затем парогазовую смесь направляют на первую ступень конверсии метана - в трубчатую печь, в которой она равномерно распределяется по вертикально расположенными реакционным трубам (8). Температура конвертированного газа на выходе из реакционных труб достигает 790 - 820 oС. Остаточное содержание метана после трубчатой печи 9 - 11 % (объёмн.). Трубы заполнены катализатором.

После реакционных труб конвертированная парогазовая смесь проходит подъёмные трубы (9) и по коллектору (10) попадает в шахтный конвертор метана второй ступени (11). Здесь на никелевом катализаторе происходит кислородная конверсия остаточного метана. Температура конвертированного газа на выходе из реактора второй ступени достигает 990 - 1000 oC, остаточное содержание метана в конвертированном газе составляет 0,35 - 0,55 % (объёмн.).

После двухступенчатой конверсии метана, если водород предназначается для синтеза аммиака, в конвертированном газе кроме водорода (57%) и азота (22,4%) содержатся оксид углерода 13,4% и диоксид углерода 7,7% (объёмн.).

Оксид углерода далее превращается в водород и диоксид углерода в системе паровой конверсии. Паровая конверсия оксида углерода до водорода проводится в две ступени (схема 2). Первая ступень конверсии осуществляется при температуре 330 - 400 oС на железо-хромовом катализаторе, при этом на выходе из конвертора первой ступени (1) содержание оксида углерода в конвертированном газе падает до 3,3% (объёмн.), и с таким содержанием оксида углерода газ, пройдя через испаритель (2), вступает во вторую, низкотемпературную ступень конверсии. Здесь на низкотемпературном катализаторе конверсии, содержащем оксидные соединения меди, цинка, алюминия, хрома, при температуре 190-210 оС  происходит доконверсия остаточного оксида углерода до его содержания на выходе из конвертора (3) 0,4 - 0,5 %. Далее газ поступает на очистку углерода различного рода поглотителями. Так в промышленных условиях получают чистый водород и азото-водородную смесь.

Получение водорода - будущая технология

Современная технология обеспечивает ежегодное получение во всём мире десятков миллионов тонн молекулярного водорода. Более 90% его получается каталитической конверсией метана, жидких углеводородов, газификацией твёрдого топлива. Совершенно ясно, что в будущем при переходе на водородную технологию такие источники получения водорода, кроме твёрдого топлива, будут в основном исключены. В качестве основного источника сырья будет использоваться вода. В качестве источника энергии для разложения воды - атомная энергия в различных её видах (тепло, электроэнергия) и энергия воды, ветра в виде электрической энергии, энергия солнечного излучения.

При внимательном рассмотрении всего комплекса методов получения водорода видно, что если использование горючих ископаемых имеет прямой выход к водороду, то использование других первичных источников энергии в основном базируется на использовании электрической энергии для электролитического разложения воды, энергии Солнца в фотосинтетических системах для разложения воды и атомного тепла в термохимических системах для разложения воды. Электролиз воды проводится в промышленной практике давно и широко описан в литературе. Сейчас делаются значительные усилия в науке промышленности, чтобы использовать неисчерпаемую энергию солнечного излучения для разложения воды. Это и применение фотолизных ячеек для разложения воды, солнечных ячеек для получения электроэнергии с последующим её использованием при электролизе воды. Главная задача, которая здесь решается, заключается в том, чтобы провести под непосредственным воздействием солнечной энергии ряд фотохимических реакций с целевым назначением разложения воды до водорода  кислорода. Суть проблемы заключается в том, чтобы подобрать такие биологические системы, которые будут использовать солнечную энергию для разложения воды.

Но наиболее в технологическом плане являются методы термохимического разложения воды. Эти методы важны тем, что для разложения воды они могут использовать и тепло атомных реакторов,  солнечное тепло, и тепло геотермальных вод, и любые другие виды тепла, например перепад температур верхних и нижних слоёв тропических морей. Разрабатываются и комбинированные термохимические процессы, которые наряду с теплом используют электрическую энергию - термоэлектрохимические процессы, солнечное излучение, фото- и термохимические процессы. Термохимические процессы разложения воды привлекательны ещё и тем, что в результате целого ряда химических превращений, протекающих в термохимическом цикле (системе), из цикла в окружающее пространство ничего, кроме водорода и кислорода, не выделяется. Все химические процессы, сопровождающие разложение воды, находятся в закрытом циркуляционном контуре. В этот контур подводятся только вода и тепло (высокопотенциальное), от контура отводятся водород, кислород и тепло (низкопотенциальное).

Водород на транспорте

Водород имеет более высокую теплоту сгорания - 120 МДж/кг, в то время, как бензин - всего 42 МДж/кг. Кроме того, единственным выхлопным газом при сгорании водорода являются водяные пары, которые вступают в естественный природный круговорот воды. А, как известно, посредством электролиза из воды можно снова получить водород. Этот замкнутый цикл, лежащий в основе идеи водородной энергетики, позволяет назвать водород одним из самых экологичных видов топлива (рис. 1).

Очевидно, что при переходе транспорта на водородное топливо экологические проблемы больших городов были бы раз и навсегда решены. Однако, перед таким переходом стоит ряд проблем, среди которых:

  • потребность вогромных энергозатратах для получения водорода электролизом воды;
  • необходимость использования специальных сверхгерметичных емкостей для хранения итранспортировки водорода, т.к. всилу малого размера молекул онобладает высокой проникающей способностью;

Необходимость создания развитой сети заправочных станций в каждом населенном пункте и вдоль крупных автомагистралей: водород - самый легкий и наименее плотный газ, поэтому автомобилю с водородным двигателем придется заправляться намного чаще, чем в автомобилям с бензиновым и дизельным двигателями.

Один из путей внедрения водорода на автотранспорте - сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) - существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии.

Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника).

Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских "раскольников".

BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами "бензин/газ").

Такой подход, по замыслу автостроителей, облегчит постепенный переход автотранспорта только на водородное питание.

Ведь клиент сможет с чистой совестью купить подобную машину уже тогда, когда в регионе, где он живёт, появится хоть одна водородная заправка. И ему не придётся опасаться застрять поодаль от неё с пустым водородным баком.

Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций. Да, и стоимость топливных элементов пока велика.

Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы.

Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси.

И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.

Итак, "скармливаем" водород двигателю внутреннего сгорания. Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина. Над системами питания немцам и японцам пришлось поломать голову. Но результат того стоил.

Показанные BMW и Mazda водородные автомобили сочетают привычную для владельцев обычных авто высокую динамику с нулевым выхлопом.

А главное - они куда лучше приспособлены к массовому производству, чем "ультраинновационные" машины на топливных элементах.

Водородный топливный элемент

Очевидно, что если под "водородным двигателем" понимать электрический, получающий энергию от реакции соединения водорода и кислорода в топливных элементах, то окислов азота не будет совсем. А углеводородное топливо "поставляет" при сжигании целый букет токсичных соединений, среди которых сажа - далеко не самая вредная.

"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все. Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо - мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Производители автомобилей сделали первые шаги в направлении водородной энергетики. В частности, уже несколько лет выпускаются так называемые гибридные автомобили, снабженные как традиционным бензиновым двигателем, так и электродвигателем, работающим благодаря водородному топливному элементу.              

Водородный топливный элемент во многом напоминает обычный аккумулятор: в нем энергия химической реакции преобразуется в электрическую энергию. Принцип его действия показан на рис. 2.

Водород из специальной герметичной емкости подается в топливный элемент, состоящий из двух электродов (анода и катода) и протонообменной мембраны - материала, пропускающего только протоны. На аноде, изготовленном с использованием благородного металла (например, платины или ее сплавов), молекулы водорода распадаются на атомы и теряют электроны. Освободившиеся при этом ядра водорода, т. е. протоны, начинаются двигаться к катоду сквозь мембрану. Электроны же направляются как бы «в обход» мембраны, поскольку их она пропускать не будет. Поток электронов и представляет собой электрический ток, который потребляется электродвигателем автомобиля. Миновав двигатель, электроны поступают на катод. Там же, в свою очередь, распадаются на атомы молекулы кислорода, поступающего в топливный элемент из атмосферы. Таким образом, на катоде происходит одновременная встреча атомов кислорода, протонов и электронов: это приводит, очевидно, к образованию молекул воды, которые благополучно выводятся в за пределы элемента.

Фактически, топливный элемент позволяет провести высокоэнергетичную реакцию

H2 + O2 → H2O,

но не в виде взрыва, а в спокойном, управляемом режиме.

Схематичное изображение автомобиля с топливным элементом приведено на рис. 4.

Способы хранения водорода. Существуют разнообразные способы хранения водорода. Самый эффективный из них - это баллоны. Если баллон выдерживает 300 атм, то в нем можно хранить 9%(масс) водорода; 500 атм - 11%. В США разработаны баллоны, рассчитанные на 700 атм. Они хранят 13% водорода. В ракетно-космической технике накоплен значительный опыт хранения и доставки водорода в сжиженном состоянии, при криогенных температурах. Хорошие способы его хранения - адсорбция водорода в гидридах металлов (порядка 3%) и в интерметаллидах (до 5%). Есть идеи и проводятся уже эксперименты по таким способам хранения водорода, как углеродные наноматериалы, нанотрубки и стеклянные микросферы. Целесообразно максимально согласовать во времени процессы производства водорода из традиционного топлива и его потребления, чтобы минимизировать потребность в хранении водорода.

Инженеры Honda в один голос твердят - за водородом и электричеством будущее. Через 50 лет дизельные двигатели окажутся в музеях машиностроения, а на бензиновых будут ездить лишь сентиментально настроенные старики.

Уникальных автомобилей Honda FCX Clarity, использующих для весьма комфортабельного передвижения в пространстве сжатый водород и электромотор, было построено всего 220 штук, из которых 20 были разбиты на краш-тестах, дабы развеять панику относительно безопасности водородных машин. Экспериментальный тираж, первые экземпляры которого прокатились по дорогам летом 2008 года, предназначен для сдачи в лизинг в США (конкретнее - в Калифорнии) и Японии. Лишь два автомобиля прописаны в Европе, где заправочные станции со сжатым водородом можно пересчитать по пальцам.

В силу того, что Clarity пока что все же экспериментальный проект, все нынешние пользователи машины, отобранные из 50 тысяч претендентов руководством Honda, имеют право лишь на трехлетнюю аренду машины, которая стоит в Калифорнии 600 долларов в месяц. В эту цену входит абсолютно все обслуживание автомобиля.

Так что же заставляет машину двигаться? У силовой установки FCX Clarity есть 4 основных элемента. В районе центрального тоннеля располагается батарея топливных элементов (Fuel Cell Stack) V Flow, весящая 67 кг, под капотом находится электромотор переменного тока, а в районе задней оси установлен 171-литровый бак для сжатого водорода и компактный литиево-ионный аккумулятор.

Водород, поступающий из бака в батарею топливных элементов, соединяется там с кислородом, получаемым из внешней среды. Энергия реакции преобразуется в электричество, которое питает электромотор. Дополнительная энергия, получаемая при торможении, остается в литиево-ионном аккумуляторе. Рекуперативная тормозная система здесь - почти такая же, как и у обычного гибрида. При этом КПД водородной установки в 3 раза превышает показатель традиционного бензинового двигателя и в 2 раза - гибридной силовой установки.

Первые водородные прототипы FCX (Fuel Cell eXperimental) cпецы Honda стали испытывать еще в 1999 году. С тех пор батареи топливных элементов стали намного легче и меньше, а вместо никелевых аккумуляторов стали использоваться литиево-ионные. Система рекуперации энергии также было усовершенствована. Более того, топливные ячейки стали более термостойкими: если раньше минимальной температурой для обеспечения нормальной работы был 0 градусов Цельсия, то современный FCX Clarity должен исправно функционировать и при -30 градусах.

Сравнение версий топливных элементов

Параметр

2001

2005

2009

Мощность

60 кВт

86 кВт

100 кВт

Объём

134 литра

66 л

52 л

Вес

202 кг

96 кг

67 кг

Мощность/Объём

0,448 кВт/л

1,3 кВт/л

1,92 кВт/л

Мощность/вес

0,3 кВт/кг

0,9 кВт/кг

1,5 кВт/кг

Вместе с Honda FCX Clarity японцы представили домашнюю заправку Home Energy Station, которая производит водород из бытового природного газа, а затем использует его для получения электричества для бытовых нужд и тепла, а остатки сохраняет для заправки машины. По подсчетам Honda такая станция позволяет сократить выбросы CO2 на 40 %, и затраты на энергообеспечение дома на 50 %.

Водород можно добывать множеством способов, но в Honda делают ставку на водный электролиз, который в будущем позволит навсегда попрощаться с углеродной энергетикой. Электричество, необходимое для разложения дистиллированной воды на водород и кислород, можно будет получать с помощью ветряных турбин или солнечных батарей, тем самым создавая т.н "круговорот возобновляемой энергии".

4 килограмма (171 литр) сжатого водорода позволяют проехать за рулем Honda FCX Clarity около 468 километров. Заправка занимает в среднем 3-4 минуты. Самая большая цифра, которую можно лицезреть на цифровом спидометре  - 160 км/ч.

Отсутствие выхлопной системы позволило создать для FCX Clarity абсолютно плоское днище, что не может не сказаться на аэродинамике автомобиля: ветер просто "облизывает" машину. Расположение бака с водородом, аккумулятора и непосредственно самого батареи с топливными элементами обеспечивает низкий центр тяжести, улучшая управление и устойчивость.

Заключение

Сегодня FCX Clarity автомобильный мир воспринимает, как экзотику. Но при этом очень уважает благородные стремления японцев: именно эта модель была удостоена престижного титула World Green Car of the year 2009.

Уже через 4 года, когда на свет должно появиться второе поколение водородной Honda, в Европе обещают построить первую партию специальных заправок. Инженеры готовятся улучшить стабильность работы FCX Clarity в холодном климате, а также серьезно поразмышлять над надежностью всей системы.

Плюсы: нулевой выброс СО2, динамика, комфорт, плавность хода, шикарный салон
Минусы: дороговизна и недоступность водорода, проблемы в холодном климате, отсутствие инфраструктуры

Технические характеристики Honda FCX Clarity

Двигатель: синхронный электромотор переменного тока (постоянный магнит), батарея топливных элементов V-Flow
Батарея: литиево-ионная, 288 вольт
Мощность: 100 кВт (134 л.с) при 3 500-10 500 об/мин
Крутящий момент: 256 Н-м при 0-1 000 об/мин
Максимальная скорость: 160 км/ч
Время разгона 0-100 км/ч: около 10 с.
Привод: передний привод, система стабилизации ESP
Трансмиссия: электромотор и планетарный редуктор
Тормоза: спереди - дисковые вентилируемые, сзади - дисковые, система ABS с электронным распределением тормозного усилия и электронной системой экстренного торможения, система рекуперации энергии
Подвеска: спереди - независимая, типа McPherson, со стабилизатором поперечной устойчивости, сзади - независимая, многорычажная, со стабилизатором поперечной устойчивости
Диски: 16-дюймовые
Расход топлива: 117 км на 1 кг водорода, 468 км на полном баке
Время заправки: 3-4 минуты
Выброс СО2: 0 г/км
Габариты: длина 4835 мм, ширина 1845 мм, высота 1470 мм, колесная база 2800 мм, колея 1580 мм (сзади - 1595 мм)
Масса и вместимость: снаряженная масса 1625 кг, объем багажника 371 л, объем топливного бака - 171 л сжатого водорода при давлении 350 бар.

Просмотров работы: 7989