Zašto je vodonik ekološki prihvatljivo gorivo. Proizvodnja ekološki prihvatljivih vrsta goriva za automobilska goriva. Od vodonika do gorivnih ćelija

Živimo u 21. veku, čovečanstvo se razvija, gradi fabrike, vodi aktivan stil života. Međutim, za puni razvoj i postojanje potrebna nam je energija! Sada je ta energija nafta. Koristi se za proizvodnju goriva za sve industrije. Koristimo ga bukvalno svuda: od malih automobila do velikih fabrika.

Međutim, nafta nije beskonačan resurs, svake godine idemo ka njegovom potpunom uništenju. Naučnici kažu da smo u fazi kada treba da tražimo efikasnu zamenu za benzin, jer je sada njegova cena veoma visoka, a svake godine će biti sve manje nafte, a cene će biti sve veće, a uskoro, kada nestane nafte (a sa postojećim načinom života čovječanstva to će se dogoditi za 60 godina), naš razvoj i punopravno postojanje će jednostavno prestati.

Svi shvaćaju da je potrebno tražiti alternativna goriva. Ali koja je najefikasnija zamjena? Odgovor je jednostavan: vodonik! Evo šta će zamijeniti uobičajeni benzin.

Ko je izumeo motor na vodonik?

Kao i mnoge visoke tehnologije, ova ideja nam je došla sa Zapada. Prvi motor na vodik razvio je i kreirao američki inženjer i naučnik Brown. Prva kompanija koja je koristila ovaj motor bila je japanska Honda. Ali ova automobilska kompanija morala je da se potrudi da oživi "automobil budućnosti". Tokom stvaranja automobila, svi najbolji inženjeri i umovi kompanije bili su uključeni nekoliko godina! Svi su morali da obustave proizvodnju nekih automobila. I što je najvažnije, odbili su učestvovati u Formuli 1, jer su svi radnici koji su bili uključeni u stvaranje automobila počeli razvijati automobil na vodik.

Prednosti vodonika kao goriva

• Vodik je najčešći element u svemiru, od njega se sastoji apsolutno sve u našem životu, svi objekti oko nas imaju barem malu, ali česticu vodonika. Upravo je ta činjenica veoma prijatna za čovečanstvo, jer za razliku od nafte, vodonika nikada neće nestati, a nećemo morati da štedimo na gorivu.
• Apsolutno je ekološki prihvatljiv! Za razliku od benzinskog motora, motor na vodik ne ispušta štetne plinove koji bi negativno utjecali na okoliš. Izduvni gas koji emituje takav agregat je običan par.
• Vodonik, koji se koristi u motorima, je veoma zapaljiv i automobil će se dobro pokrenuti i raditi bez obzira na vremenske prilike. Odnosno, više ne trebamo zagrijavati auto zimi prije puta.
• Na vodiku, čak i mali motori će biti veoma moćni i da biste napravili najbrži automobil, više ne morate da pravite jedinicu veličine rezervoara.

Naravno, postoje i nedostaci ovog goriva:

• Činjenica je da je, uprkos činjenici da je ovo neograničen materijal, a ima ga svuda, vrlo teško izvući ga. Iako za čovječanstvo to nije problem. Naučili smo kako da izvučemo naftu iz okeana bušenjem njegovog dna, a naučićemo i kako da uzmemo vodonik iz zemlje.
• Drugi nedostatak je nezadovoljstvo naftnih tajkuna. Neposredno nakon početka progresivnog razvoja ove tehnologije, većina projekata je zatvorena. Prema glasinama, sve je to zbog činjenice da ako zamijenite benzin vodonikom, onda će najbogatiji ljudi na planeti ostati bez prihoda, a oni to ne mogu priuštiti.

Metode ekstrakcije vodonika kao korištenje energije

Vodik nije čisti fosil kao nafta i ugalj, ne možete ga tek tako iskopati i koristiti. Da bi on postao energija, potrebno ga je dobiti i potrošiti nešto energije za njegovu obradu, nakon čega će ovaj najčešći hemijski element postati gorivo.

Trenutno praktikovana metoda proizvodnje vodikovog goriva je takozvana "parna reforma". Za pretvaranje običnog vodonika u gorivo koriste se ugljikohidrati koji se sastoje od vodika i ugljika. U hemijskim reakcijama, na određenoj temperaturi, oslobađa se ogromna količina vodika koji se može koristiti kao gorivo. Ovo gorivo neće emitovati štetne materije u atmosferu tokom rada, međutim, prilikom njegove proizvodnje oslobađa se ogromna količina ugljen-dioksida, što loše utiče na životnu sredinu. Stoga, iako je ova metoda efikasna, ne treba je uzimati kao osnovu za ekstrakciju alternativnih goriva.

Postoje motori za koje je pogodan i čisti vodik, oni sami prerađuju ovaj element u gorivo, međutim, kao i kod prethodne metode, postoji i ogromna količina emisije ugljičnog dioksida u atmosferu.

Elektroliza je vrlo efikasan način ekstrakcije alternativnog goriva u obliku vodonika. U vodu se propušta električna struja, zbog čega se ona razlaže na vodik i kisik. Ova metoda je skupa i problematična, ali ekološki prihvatljiva. Jedini otpad od proizvodnje i rada goriva je kiseonik, koji će samo pozitivno uticati na atmosferu naše planete.

A najperspektivniji i najjeftiniji način za dobivanje vodikovog goriva je prerada amonijaka. Uz potrebnu hemijsku reakciju, amonijak se razlaže na dušik i vodik, a vodika se dobiva tri puta više od dušika. Ova metoda je bolja po tome što je nešto jeftinija i jeftinija. Osim toga, amonijak je lakši i sigurniji za transport, a po dolasku na mjesto isporuke treba pokrenuti hemijsku reakciju, osloboditi dušik i gorivo je spremno.

umjetna buka

Motori na vodonik su praktično nečujni, pa se takozvana „vještačka buka vozila“ ugrađuje na automobile koji su u pogonu ili će biti pušteni u rad kako bi se spriječile nezgode na cestama.

Pa, prijatelji, mi smo na ivici grandioznog prelaska sa benzina, koji uništava čitav naš ekosistem, na vodonik koji ga, naprotiv, obnavlja!

Dugi niz godina istraživači se bore da pronađu alternativu benzinu kao glavnom tipu goriva za vozila. Nema smisla nabrajati ekološke i resursne razloge - samo lijeni ne govore o toksičnosti izduvnih plinova. Naučnici pronalaze rješenje za problem u najneobičnijim vrstama goriva. Recycle je odabrao najzanimljivije ideje koje dovode u pitanje hegemoniju goriva benzina.

Biodizel na bazi biljnih ulja

Biodizel je vrsta biogoriva na bazi biljnih ulja, koja se koristi kako u čistom obliku, tako i kao različite mješavine sa dizel gorivom. Ideja o korištenju biljnog ulja kao goriva pripada Rudolfu Dieselu, koji je 1895. godine stvorio prvi dizel motor koji radi na biljnom ulju.

Za proizvodnju biodizela po pravilu se koriste ulja od uljane repice, suncokreta i soje. Naravno, sama biljna ulja se ne sipaju u rezervoar za gas kao gorivo. Biljno ulje sadrži masti - estre masnih kiselina sa glicerinom. U procesu dobijanja "biosolarije", estri glicerola uništavaju i zamjenjuju glicerol (oslobađa se kao nusproizvod) jednostavnijim alkoholima - metanolom i rjeđe etanolom. Ovo postaje sastavni dio biodizela.

U mnogim evropskim zemljama, kao iu SAD-u, Japanu i Brazilu, biodizel je već postao dobra alternativa konvencionalnom benzinu. U Njemačkoj se, na primjer, metil ester uljane repice već prodaje na više od 800 benzinskih stanica. U julu 2010. godine u zemljama EU radilo je 245 biodizel postrojenja ukupnog kapaciteta 22 miliona tona. Analitičari Oil World predviđaju da će do 2020. godine udio biodizela u strukturi potrošenog motornog goriva u Brazilu, Evropi, Kini i Indiji iznositi 20%.

Biodizel je ekološki prihvatljivo transportno gorivo: u poređenju sa konvencionalnim dizel gorivom, gotovo ne sadrži sumpor i gotovo je potpuno biorazgradivo. U tlu ili vodi, mikroorganizmi prerade 99% biodizela za 28 dana - to minimizira stepen zagađenja rijeka i jezera.

Komprimirani zrak

Nekoliko kompanija je već objavilo modele pneumatskih automobila - mašina koje rade na komprimovanom vazduhu. Peugeotovi inženjeri su svojevremeno napravili buku u automobilskoj industriji, najavljujući stvaranje hibrida, u koji se dodaje energija komprimovanog vazduha za pomoć motoru sa unutrašnjim sagorevanjem. Francuski inženjeri su očekivali da će takav razvoj pomoći malim automobilima da smanje potrošnju goriva do 3 litre na 100 km. Stručnjaci Peugeota tvrde da se u gradu pneumatski hibrid može kretati na komprimiranom zraku do 80% vremena bez stvaranja ni jednog miligrama štetnih emisija.

Princip rada "vazdušnog automobila" je prilično jednostavan: automobil ne pokreće mješavina benzina koja gori u cilindrima motora, već snažan protok zraka iz cilindra (pritisak u cilindru je oko 300 atmosfera) . Pneumatski motor pretvara energiju komprimiranog zraka u rotaciju osovinskih osovina.

Nažalost, mašine u potpunosti na komprimovanom vazduhu ili vazdušnim hibridima se uglavnom stvaraju u oskudnim serijama - za rad u specifičnim uslovima i u ograničenim prostorima (na primer, na proizvodnim lokacijama koje zahtevaju najviši nivo zaštite od požara). Iako postoje neki modeli za "standardne" kupce.

Engineair-ov ekološki Gator mikro kamion je prvo australijsko vozilo sa komprimiranim zrakom koje je ušlo u stvarnu komercijalnu upotrebu. Već se može vidjeti na ulicama Melburna. Nosivost - 500 kg, zapremina cilindara sa vazduhom - 105 litara. Kilometraža kamiona na jednoj benzinskoj pumpi je 16 km.

Otpadni proizvodi

Do kakvog je napretka došlo – nekim automobilima nije potreban benzin za pokretanje motora, već ljudski otpad koji ulazi u kanalizaciju. Takvo čudo automobilske industrije stvoreno je u Velikoj Britaniji. Na ulice Bristola izašao je automobil koji kao gorivo koristi metan, izolovan iz ljudskog izmeta. Prototip modela bila je Volkswagen Beetle, a proizvođač VW Bio-Bug automobila na inovativno gorivo je GENeco. Motor za reciklažu fekalija ugrađen na Volkswagen kabriolet omogućio je vožnju 15 hiljada kilometara.

GENecov izum požurio je da se nazove probojom u uvođenju tehnologija za uštedu energije i ekološki prihvatljivog goriva. Ideja se laiku čini nadrealna, pa vrijedi objasniti: naravno, već prerađeno gorivo se utovaruje u automobil - u obliku metana koji je spreman za korištenje, unaprijed dobiven iz otpadnih proizvoda.

U isto vrijeme, VW Bio-Bug motor koristi dvije vrste goriva u isto vrijeme: automobil kreće od benzina, ali čim se motor zagrije i automobil podigne određenu brzinu, dolazi do snabdijevanja želučanog plina čovjeka obrađen u GENeco fabrikama je uključen. Potrošači možda neće ni primijetiti razliku. Ipak, glavni marketinški problem ostaje – ljudska negativna percepcija sirovina iz kojih se dobija biogas.

Solarni paneli

Proizvodnja automobila na solarnu energiju je možda najrazvijenije područje automobilske industrije usmjereno na korištenje eko-goriva. Automobili na solarni pogon proizvode se u cijelom svijetu iu raznim varijacijama. Davne 1982. godine, pronalazač Hans Tolstrup prešao je Australiju od zapada prema istoku u solarnom automobilu Quiet Achiever (iako brzinom od samo 20 km na sat).

U septembru 2014. automobil Stella nije uspio preći put od Los Angelesa do San Francisca, što je 560 km. Solarni automobil, koji je razvio tim sa holandskog univerziteta u Ajndhovenu, opremljen je panelima koji prikupljaju sunčevu energiju i baterijom od 60 kilograma kapaciteta šest kilovat-sati. Stella ima prosječnu brzinu od 70 km na sat. U nedostatku sunčeve svjetlosti, rezerva baterije je dovoljna za 600 km. U oktobru 2014. godine studenti iz Eindhovena su sa svojim čudesnim automobilom učestvovali na World Solar Challenge-u, reliju od 3.000 kilometara diljem Australije za automobile na solarni pogon.

Najbrži električni automobil na solarni pogon u ovom trenutku je Sunswift, koji je kreirao tim studenata sa australijskog Univerziteta u Novom Južnom Velsu. Na testovima u avgustu 2014. ovo solarno vozilo prešlo je 500 kilometara sa jednim punjenjem baterije pri prosečnoj brzini od 100 km na sat, što je neverovatno za takvo vozilo.

Biodizel na otpadu od kuvanja

U 2011, USDA je sarađivala sa Nacionalnom laboratorijom za obnovljivu energiju na istraživanju alternativnih goriva. Jedan od iznenađujućih rezultata bio je zaključak o perspektivi korištenja biodizel goriva na bazi sirovina životinjskog porijekla. Biodizel iz ostataka masti je tehnologija koja još nije previše razvijena, ali se već koristi u azijskim zemljama.

Svake godine u Japanu, nakon pripreme nacionalnog jela, tempure, ostane oko 400.000 tona iskorištenog jestivog ulja. Ranije se prerađivao u stočnu hranu, đubrivo i sapun, ali početkom 1990-ih ekonomični Japanci su mu našli drugu upotrebu, uspostavivši proizvodnju biljnog dizel goriva na bazi njega.

U poređenju s benzinom, ova prilagođena benzinska pumpa ispušta manje sumpornog oksida, glavnog uzroka kiselih kiša, u atmosferu i smanjuje druge toksične emisije izduvnih gasova za dvije trećine. Kako bi novo gorivo učinili popularnijim, njegovi su proizvođači smislili zanimljivu shemu. Svakom ko pošalje deset serija plastičnih boca korišćenog jestivog ulja u fabriku RTD biće dodeljeno 3,3 kvadratna metra šume u jednoj od japanskih prefektura.

Tehnologija još nije stigla u Rusiju u takvom obimu, ali uzalud: godišnja količina otpada iz ruske prehrambene industrije je 14 miliona tona, što je po svom energetskom potencijalu ekvivalentno 7 miliona tona nafte. U Rusiji bi otpad koji se stavlja u biodizel pokrio potrebu za transportom za 10 posto.

tečni vodonik

Tečni vodonik se dugo smatrao jednim od glavnih goriva koje može dovesti u pitanje benzin i dizel. Vozila na vodik nisu neuobičajena, ali zbog mnogih faktora nisu stekla široku popularnost. Iako je nedavno, zahvaljujući novom valu zabrinutosti oko "zelenih" tehnologija, ideja o hidrogenskom motoru dobila nove pristalice.

Nekoliko velikih proizvođača sada u svojoj ponudi ima automobile na vodik. Jedan od najpoznatijih primera je BMW Hydrogen 7, automobil sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem koji može da radi i na benzin i na tečni vodonik. BMW Hydrogen 7 ima rezervoar za benzin od 74 litara i rezervoar za 8 kg tečnog vodonika.

Dakle, automobil može da koristi obe vrste goriva tokom jednog putovanja: prelazak sa jedne vrste goriva na drugu se dešava automatski, pri čemu se prednost daje vodoniku. Na primjer, istim tipom motora opremljen je hibridni vodik-benzinski automobil Aston Martin Rapide S. U njemu motor može raditi na obje vrste goriva, a prebacivanje između njih vrši inteligentni sistem za optimizaciju potrošnje i emisije štetnih materija u atmosferu.

Vodonično gorivo će razvijati i drugi automobilski giganti - Mazda, Nissan i Toyota. Smatra se da je tečni vodonik ekološki siguran, jer kada se sagorijeva u čistom kisiku, ne emituje nikakve zagađivače.

zelene alge

Algalno gorivo je egzotičan način za dobijanje energije za automobil. Razmatranje algi kao biogoriva počelo je prvenstveno u Sjedinjenim Državama i Japanu.

Japan nema veliku ponudu plodnog zemljišta za uzgoj uljane repice ili sirka (koji se u drugim zemljama koriste za proizvodnju biogoriva iz biljnih ulja). Ali Zemlja izlazećeg sunca proizvodi ogromnu količinu zelenih algi. Ranije su ih jeli, a sada su na osnovu njih počeli praviti gorivo za moderne automobile. Ne tako davno, u japanskom gradu Fujisawa, na ulicama se pojavio DeuSEL putnički autobus iz Isuzua koji radi na gorivo, od kojih je dio dobiveno od algi. Euglena zelena postala je jedan od glavnih elemenata.

Sada aditivi "alge" čine samo nekoliko posto ukupne mase goriva u transportnim rezervoarima, ali u budućnosti azijska proizvodna kompanija obećava razvoj motora koji će omogućiti korištenje biokomponente na 100 posto.

I u Sjedinjenim Državama, pitanje biogoriva na bazi algi je pomno obrađeno. Propelov lanac benzinskih pumpi u sjevernoj Kaliforniji počeo je prodavati Soladiesel biodizel javnosti. Gorivo se dobija iz algi fermentacijom i naknadnim oslobađanjem ugljikovodika. Pronalazači biogoriva obećavaju 20% smanjenje emisije ugljičnog dioksida i značajno smanjenje toksičnosti u drugim aspektima.

Zapravo, pretvaranje automobila, aviona, brodova i lokomotiva u vodonično gorivo je vrlo atraktivna ideja. Upotreba H 2 ne ostavlja ugljični otisak. Putnički automobil Toyota Mirai, koji radi na vodonične gorive ćelije, vozi 100 km, proizvodi oko pola kante vode. I to je to! Nema gasova staklene bašte. Nema toksičnih emisija. Nije li ovo odlična zamjena za ugljikovodična goriva? Zamjena je odlična, ali problem je što nam je priroda stvorila ogromna nalazišta nafte i plina, a nalazišta vodonika ne postoje. Najlakši element periodnog sistema obilno je prisutan u vanjskom svijetu, ali u obliku jedinjenja - uglavnom s ugljikom i kisikom. Za dobijanje vodonika u slobodnom obliku potrebno je uništiti ova jedinjenja, za šta je potrebno utrošiti energiju, a na sadašnjem nivou razvoja tehnologije energija je mnogo veća nego što onda možemo dobiti korišćenjem vodonika.

Sunčevo zračenje, plima, vjetar danas se nazivaju alternativnim izvorima energije, ali vodonik nije među njima. H 2 je ekološki prihvatljivo gorivo, koje je u suštini akumulator energije utrošene na njegovu proizvodnju (minus neizbježnih gubitaka). Postoji niz trenutno korištenih i obećavajućih tehnologija za proizvodnju vodika, ali glavne su podijeljene u dvije vrste: uklanjanje vodika iz ugljika i uklanjanje vodika iz kisika.

Kako radi automobil Toyota Mirai?

1. Stag gorivnih ćelija Koristi prve Toyotine masovno proizvedene gorivne ćelije velike gustine (3,2kW/L) Maksimalna snaga: 124kW 2. Boost pretvarač pretvara DC generiran od strane gorivne ćelije u AC sa povećanjem napona do 650 V 3. Nikl -metal-hidridna baterija pohranjuje energiju koja se povrati tokom kočenja. Prilikom pokretanja napaja motor zajedno sa gorivnom ćelijom 4. Cilindri visokog pritiska Radni pritisak unutra: 700 atm. Unutrašnja zapremina: 60L (prednja boca) 62,4L (stražnja boca) 5. Elektromotor AC sinhroni motor: maksimalna snaga 113 kW (153,6 hp) maksimalni obrtni moment 335 Nm 6. Upravljačka jedinica kontroliše gorivu ćeliju i punjenje/pražnjenje baterije 7 Pribor Vodik buster pumpa itd.

Prljavo čisto gorivo?

Više od polovine vodonika u svijetu proizvodi se parnim reformiranjem metana - ovo je najjeftiniji i najpristupačniji način. U višestepenom procesu koji koristi visoke temperature i katalizatore, molekuli metana se razlažu na vodik i ugljični monoksid (ugljični monoksid). Budući da se u procesu koristi fosilna goriva, nekako je nemoguće nazvati vodonik koji se dobije na ovaj način da ne daje „ugljični otisak“.

Još jedan prilično uobičajen industrijski proces je elektroliza, poznata svima iz školskih kemijskih eksperimenata. Ovdje više nema nafte, plina ili uglja - obična voda se razlaže na kisik i vodonik kada se na nju dovede električna energija. Ali odakle dolazi ova energija? Ako se termoelektrana na lož ulje dimi pored proizvodnje vodonika, onda ni ovdje neće biti baš sve dobro sa “ugljeničnim otiskom”. Energetski vizionari budućnosti govore o fabrikama vodonika koje napajaju isključivo vjetroelektrane, solarne farme i drugi obnovljivi izvori. U ovom slučaju pojavit će se istinski lanac proizvodnje goriva bez ugljenika, ali to će zahtijevati ogromno povećanje proizvodnih kapaciteta u oblasti zelene energije.

Proizvodnja vodika biotehnologijom

O sudbini Hindenburga

Potpuni prelazak na vodonik će zahtijevati ne samo energetske resurse za njegovu proizvodnju, već i razvijenu infrastrukturu za njegov transport i skladištenje – cjevovodi, željezničke cisterne, morske tankere, rezervoare, benzinske pumpe. Jedan od glavnih razloga zašto je društvo donekle oprezno prema revoluciji vodika je taj što je vodonik vrlo hlapljiv i eksplozivan. Tamo gdje će se vodonik skladištiti, transportirati ili koristiti, potrebni su visokoosjetljivi gasni analizatori koji signaliziraju i najmanje curenje. Istina, pristalice aktivne upotrebe vodika tvrde da je opasnost pretjerana. Za razliku od teških gasova kao što je metan, laki vodonik koji curi iz cilindra odmah se podiže i raspršuje. Primjer je priča o katastrofi zračnog broda Hindenburg, u kojoj je blještavi vodonik gorio samo 32 sekunde, što je omogućilo 62 od 97 putnika da ne izginu u požaru i prežive. Ali u svakom slučaju, prisustvo na ulicama velikog broja vozila u kojima je eksplozivni gas pod pritiskom zahtevaće novi nivo bezbednosti saobraćaja.

Svi ovi faktori koji ograničavaju široku upotrebu vodonika ukazuju na to da se prelazak na novo gorivo neće dogoditi vrlo brzo. Prodaja pionirske Toyote Mirai sa pogonom na vodonične gorive ćelije, koja je počela 2015., približava se samo 3.000 - i to na ogromnom tržištu koje uključuje ne samo Japan, već i SAD, EU i UAE. Očigledno je da će vodonik kao gorivo koegzistirati i sa tradicionalnim ugljovodonicima i sa litijum-jonskim baterijama (u električnim vozilima) još dugo vremena. Istovremeno, tehnologije vodika će se moći razvijati bržim tempom u nekim od najperspektivnijih niša, na primjer, u području električnih bespilotnih letjelica. Činjenica je da je efikasnost vodonične gorivne ćelije veoma visoka, zbog činjenice da se energija koja se oslobađa kada se vodik kombinuje sa kiseonikom direktno iskorištava u električnu energiju, bez značajnih gubitaka u vidu toplote, kao što bi se desilo pri sagorevanju goriva. u Carnot ciklusu. Koristeći energiju goriva do maksimuma, UAV sa gorivnim ćelijama može ostati u zraku mnogo duže od drona s uporedivom težinom pri polijetanju, ali napaja se uobičajenom litijum-jonskom baterijom.

Čvrsti vodonik?

Kod nas su lideri u stvaranju vodonik-vazdušnih gorivnih ćelija (HVFC) za bespilotne letelice i ne samo Institut za probleme fizičke hemije IPPC RAS ​​i Centralni institut za motore vazduhoplovstva CIAM. Baranov. VVTE IPPC je u aprilu 2016. godine osigurao rekordni let od 3 sata i 10 minuta konceptnog oktokoptera NELK-88 koji su zajednički proizveli NELK i IPPC RAS.

Šema postavljanja granula "čvrstog vodonika" u krilo UAV

Sistem vodonika na brodu ima vrlo dobar VVTE i radi efikasno, ali s pojavom komprimovanog vodonika u bocama na brodu, pojavili su se problemi značajne težine i veličine. Osim toga, ostaje mogućnost curenja plina, što je nesigurno. Najnoviji materijali i tehnologije za teške uslove rada nisu u potpunosti riješili ovaj problem.

Da bi imali više vodonika na brodu iu lakšem sistemu skladištenja, pokušali su da pređu na vodonik ukapljen na temperaturi od -253°C, čija je gustina tri puta veća od gustine vodonika komprimovanog na standardne pritiske od 300°C. –350 atm za sisteme cilindara, što bi moglo povećati energetski intenzitet sistema. Ali problemi s Dewar posudom, toplinskom izolacijom, punjenjem itd. natjerali su da se takva ideja odustane. Izlaz je pronađen kada su se prisjetili čvrstih metalnih hidrida. U hidridu je vodonik tako gusto zbijen da nema govora o njegovom curenju. Stoga je "čvrsti" vodonik ozbiljan argument u rješavanju problema sigurnosti ljudi i opreme.

U različitim hidridima - natrijum, magnezijum, bor itd. - vodonik postoji u težinskom odnosu u različitim količinama, a šampion je ovde amonijak boran (borazan) sa 20% sadržaja vodonika. Da bi se dobio plinoviti vodonik potreban za HVTE, dovoljno je pažljivo zagrijati amonijak boran na temperaturu od 85-100°C kako se ne bi otopio uz pjenjenje. Postizanje takve temperature na UAV-u nije problem: do nje tokom rada, na primjer, VHTE se zagrijavaju.

Let na tabletima

Ne tako davno na ovim prostorima su se desila dva značajna događaja. Prvi je bio na samom početku februara 2016. godine, kada je britanska kompanija Cella Energy, zajedno sa Škotskom asocijacijom za morske nauke SAMS, uspješno testirala tehnologiju čvrstog vodonika na demonstratorskom dronu na poligonu Argyll. Prema planu, let je trajao deset minuta, bespilotna letelica se podigla na visinu od 80 metara.

Drugi događaj održan je sredinom februara 2016. godine u Singapuru, uoči otvaranja tamošnjeg Air Show 2016. Tada je serijski mini-UAV Skyblade 360 ​​iz HES Energy Systems-a izveo kontrolirani let šest sati i leteo je ukupno 300 km brzinom od 50-55 km/h. U oba slučaja, programeri su koristili slične tehnologije za proizvodnju materijala nosača vodika i dobijanje gasovitog vodonika iz njega.

Hidridni materijal je napravljen u obliku granula, koje su postavljene na štampanu montažnu traku, što je učinilo pogodnim za proizvodnju konzistentnog, od granule do granule, njihovog pažljivog zagrevanja iz ugrađenog izvora toplote. Celline amonijak boran pelete bile su kvadratne veličine 1 cm i bile su stavljene u cilindrični uložak gasnog generatora, u kojem se, nakon ispuštanja gasovitog vodonika, održavao potreban radni pritisak - inače, mali. Tehnologija pelet-in-cartridge omogućava skalabilno punjenje goriva ovisno o specifičnom zadatku, što pruža fleksibilnost u korištenju drona.

Ništa neće biti izgubljeno

U proizvodnji granula borazana korišćena je tehnologija nanostrukturiranja za dobijanje hidridnih nanočestica veličine 4–6 nm (30 puta manje od veličine zrna peska, kao što je bio slučaj sa Cellaom), što je doprinelo visokoj prinos vodonika. 1 g strukturiranih granula oslobađa više od 90-95% 1 litre gasovitog vodonika sa efikasnošću.

Ali što učiniti s istrošenim uloškom, u kojem nakon ekstrakcije vodika iz hidrida ostaje puno korisnog materijala? Naravno, nitko neće baciti takav uložak, a ostatak koji ostaje u njemu - polibazilen - se zasićenjem vodonikom u prisustvu posebnog katalizatora, na primjer, na bazi rutenija, dovodi u stanje amonijak-bora. Već postoji tehnologija regeneracije, prema kojoj se sve dešava u "jednom kotlu" - direktno u istrošenom ulošku, što proces čini sigurnim i pojednostavljuje proizvodni lanac.

Procjenjujući izglede za vodonik kao energent, uglavnom se oslanjamo na postojeće tehnologije za njegovu proizvodnju i primjenu. Međutim, skoro svaki dan se nešto novo dešava na ovom području (što pokazuje brzi dolazak „čvrstog vodonika“), a možda će nam ekonomija vodika na kraju doći u potpuno drugačijem obliku.

Uvod

Proučavanja Sunca, zvijezda, međuzvjezdanog prostora pokazuju da je najčešći element Univerzuma vodonik (u svemiru, u obliku vruće plazme, čini 70% mase Sunca i zvijezda).

Prema nekim proračunima, svake sekunde u dubinama Sunca otprilike 564 miliona tona vodonika kao rezultat termonuklearne fuzije pretvara se u 560 miliona tona helijuma, a 4 miliona tona vodonika pretvara se u snažno zračenje koje odlazi u svemir. Nema straha da će Sunce uskoro ostati bez zaliha vodonika. Postoji milijardama godina, a zalihe vodonika u njemu dovoljne su da osiguraju isti broj godina sagorevanja.

Čovjek živi u svemiru vodonik-helijum.

Stoga je vodonik za nas od velikog interesa.

Uticaj i upotreba vodonika danas je veoma velika. Gotovo sve trenutno poznate vrste goriva, osim, naravno, vodonika, zagađuju okoliš. U gradovima naše zemlje uređenje se odvija svake godine, ali to, očigledno, nije dovoljno. Milioni novih modela automobila koji se sada proizvode punjeni su gorivom koje ispušta ugljični dioksid (CO 2) i ugljični monoksid (CO) u atmosferu. Udisati takav vazduh i stalno biti u takvoj atmosferi je velika opasnost po zdravlje. To rezultira raznim bolestima, od kojih su mnoge praktički neizlječive, a još više ih je nemoguće liječiti dok se i dalje nalazi u atmosferi za koju se može reći da je “zaražena” izduvnim plinovima. Želimo da budemo zdravi, i naravno, želimo da generacije koje će nas pratiti ne žale i pate od stalnog zagađenja vazduha, već naprotiv, zapamtite i verujte poslovici: „Sunce, vazduh i voda su naši najbolji prijatelji ."

U međuvremenu, ne mogu reći da se ove riječi opravdavaju. Već generalno moramo zatvarati oči pred vodom, jer sada, čak i ako uzmemo konkretno naš grad, poznate su činjenice da zagađena voda teče iz slavina, a ni u kom slučaju je ne treba piti.

Što se tiče vazduha, jednako važno pitanje je na dnevnom redu već dugi niz godina. A ako zamislimo, makar i na sekundu, da će svi moderni motori raditi na ekološki prihvatljivom gorivu, a to je, naravno, vodonik, onda će naša planeta krenuti putem koji vodi u ekološki raj. Ali sve su to fantazije i ideje, koje, na našu veliku žalost, neće uskoro postati stvarnost.

Uprkos činjenici da se naš svijet približava ekološkoj krizi, sve zemlje, čak i one koje svojom industrijom u većoj mjeri zagađuju životnu sredinu (Njemačka, Japan, SAD i, nažalost, Rusija) ne žure paničariti i krenuti hitna politika za njegovo čišćenje.

Koliko god pričali o pozitivnom učinku vodonika, u praksi se to prilično rijetko može vidjeti. Ipak, mnogi projekti se razvijaju, a svrha mog rada nije bila samo da govorim o najdivnijem gorivu, već i o njegovoj primjeni. Ova tema je vrlo relevantna, jer su sada stanovnici ne samo naše zemlje, već i cijelog svijeta zabrinuti zbog problema ekologije i mogućih načina rješavanja ovog problema.

Vodonik na Zemlji

Vodonik je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji. U zemljinoj kori, od svakih 100 atoma, 17 su atomi vodonika. To je otprilike 0,88% mase globusa (uključujući atmosferu, litosferu i hidrosferu). Ako se prisjetimo da je vode na površini zemlje više

1,5∙10 18 m 3 i da je maseni udio vodonika u vodi 11,19%, postaje jasno da na Zemlji postoji neograničena količina sirovina za proizvodnju vodonika. Vodonik je uključen u naftu (10,9 - 13,8%), drvo (6%), ugalj (lignit - 5,5%), prirodni gas (25,13%). Vodik se nalazi u svim životinjskim i biljnim organizmima. Takođe se nalazi u vulkanskim gasovima. Najveći dio vodonika ulazi u atmosferu kao rezultat bioloških procesa. Kada se milijarde tona biljnih ostataka razgrađuju u anaerobnim uslovima, značajna količina vodonika se oslobađa u vazduh. Ovaj vodonik u atmosferi se brzo raspršuje i difundira u gornju atmosferu. Imajući malu masu, molekule vodonika imaju visoku brzinu difuzionog kretanja (blizu drugoj kosmičkoj brzini) i, došavši u gornje slojeve atmosfere, mogu odletjeti u svemir. Koncentracija vodonika u gornjim slojevima atmosfere iznosi 1∙10 -4%.

Šta je tehnologija vodonika?

Vodonička tehnologija se odnosi na skup industrijskih metoda i sredstava za proizvodnju, transport i skladištenje vodonika, kao i sredstava i metoda za njegovu bezbednu upotrebu zasnovanu na neiscrpnim izvorima sirovina i energije.

Koja je privlačnost vodonika i vodonične tehnologije?

Prelazak transporta, industrije i svakodnevnog života na sagorijevanje vodonika put je do radikalnog rješenja problema zaštite zračnog bazena od zagađenja ugljičnim oksidima, dušikom, sumporom i ugljovodonicima.

Prelazak na tehnologiju vodonika i korištenje vode kao jedinog izvora sirovina za proizvodnju vodonika ne može promijeniti ne samo vodni bilans planete, već i ravnotežu vode pojedinih njenih regija. Dakle, godišnja potražnja za energijom tako visoko industrijalizovane zemlje kao što je SRG može biti obezbeđena vodonikom dobijenim iz takve količine vode koja odgovara 1,5% prosečnog protoka reke Rajne (2180 litara vode daje 1 toe u oblik H 2). Napominjemo usput da se pred našim očima ostvaruje jedna od briljantnih nagađanja velikog pisca naučne fantastike Julesa Vernea, koji kroz usta junaka ruma „Tajanstveno ostrvo“ (poglavlje XVII) izjavljuje: „Voda je ugalj budućih vekova."

Vodik dobijen iz vode jedan je od energetski najbogatijih energetskih nositelja. Zaista, kalorijska vrijednost 1 kg H 2 je (na najnižoj granici) 120 MJ/kg, dok je kalorijska vrijednost benzina ili najboljeg ugljovodoničnog avionskog goriva 46–50 MJ/kg, tj. 2,5 puta manje od 1 tone vodonika odgovara svom energetskom ekvivalentu 4,1 tf, štaviše, vodonik je visoko obnovljivo gorivo.

Za akumulaciju fosilnih goriva na našoj planeti potrebni su milioni godina, a za dobijanje vode iz vode u ciklusu dobijanja i korišćenja vodonika potrebni su dani, nedelje, a ponekad i sati i minute.

Ali vodonik kao gorivo i hemijska sirovina ima niz drugih vrijednih kvaliteta. Svestranost vodonika leži u činjenici da može zamijeniti bilo koju vrstu goriva u raznim oblastima energetike, transporta, industrije, ali i u svakodnevnom životu. Zamjenjuje benzin u automobilskim motorima, kerozin u avionskim mlaznim motorima, acetilen u procesima zavarivanja i rezanja metala, prirodni plin za kućne i druge namjene, metan u gorivnim ćelijama, koks u metalurškim procesima (direktna redukcija ruda), ugljovodonike u nizu mikrobiološkim procesima. Vodik se lako transportuje kroz cijevi i distribuira malim potrošačima, može se dobiti i uskladištiti u bilo kojoj količini. Istovremeno, vodonik je sirovina za brojne važne hemijske sinteze (amonijak, metanol, hidrazin), za proizvodnju sintetičkih ugljovodonika.

Kako i od čega se trenutno proizvodi vodonik?

Savremeni tehnolozi imaju na raspolaganju stotine tehničkih metoda za proizvodnju vodikovog goriva, ugljikovodičnih plinova, tekućih ugljovodonika i vode. Izbor jedne ili druge metode diktiran je ekonomskim razlozima, dostupnošću odgovarajućih sirovina i energetskih resursa. U različitim zemljama mogu postojati različite situacije. Na primjer, u zemljama u kojima postoji jeftin višak električne energije proizveden u hidroelektranama, vodonik se može dobiti elektrolizom vode (Norveška); gdje ima puno čvrstog goriva i ugljovodonici su skupi, vodonik se može dobiti gasifikacijom čvrstog goriva (Kina); gdje je nafta jeftina, vodonik se može dobiti iz tekućih ugljovodonika (Bliski istok). Međutim, većina vodonika se trenutno proizvodi iz ugljikovodičnih plinova konverzijom metana i njegovih homologa (SAD, Rusija).

Prilikom konverzije metana sa vodenom parom, ugljičnim dioksidom, kisikom i ugljičnim monoksidom sa vodenom parom, javljaju se sljedeće katalitičke reakcije. Razmotrimo proces dobijanja vodonika konverzijom prirodnog gasa (metana).

Proizvodnja vodonika se odvija u tri faze. Prva faza je konverzija metana u cijevnoj peći:

CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 - 206,4 kJ / mol

CH 4 + CO 2 \u003d 2CO + 2H 2 - 248,3 kJ / mol.

Druga faza je povezana sa dodatnom konverzijom zaostalog metana prve faze sa atmosferskim kiseonikom i uvođenjem azota u mešavinu gasova, ako se vodik koristi za sintezu amonijaka. (Ako se dobije čisti vodonik, druga faza možda u principu ne postoji).

CH 4 + 0,5O 2 \u003d CO + 2H 2 + 35,6 kJ / mol.

I konačno, treća faza je pretvaranje ugljičnog monoksida u vodenu paru:

CO + H 2 O \u003d CO 2 + H 2 + 41,0 kJ / mol.

Za sve ove etape potrebna je vodena para, a za prvu fazu je potrebno mnogo topline, pa se proces u energetskom smislu odvija na način da se cijevne peći zagrijavaju izvana metanom koji sagorijeva u pećima, a zaostala toplota dimnjaka se koristi za proizvodnju vodene pare.

Razmotrimo kako se to događa u industrijskim uvjetima (šema 1). Prirodni gas, koji uglavnom sadrži metan, prethodno se prečišćava od sumpora, koji je otrov za katalizator konverzije, zagreva se na temperaturu od 350 - 370 o C i meša sa vodenom parom pod pritiskom od 4,15 - 4,2 MPa u odnosu zapremine pare: gas = 3,0: 4,0. Pritisak gasa ispred cevne peći, tačan odnos para: gas održavaju automatski regulatori.

Nastala mešavina gas-para na 350 - 370 o C ulazi u grejač, gde se zagreva na 510 - 525 o C usled dimnih gasova. Zatim se mešavina gasa i pare šalje u prvu fazu konverzije metana - u cev. peći, u kojoj se ravnomjerno raspoređuje na okomito postavljene reakcijske cijevi (osam). Temperatura konvertovanog gasa na izlazu iz reakcionih cevi dostiže 790 - 820 o C. Zaostali sadržaj metana nakon cevne peći je 9 - 11% (vol.). Cijevi su punjene katalizatorom.

Od sada, proizvođači automobila govore samo o razvoju vodonika. Šta je vodonik? Razmotrimo to malo detaljnije.

Vodonik je prvi element hemijske tabele, njegova atomska težina je 1. To je jedna od najčešćih supstanci u svemiru, na primer, od 100 atoma koji čine našu planetu 17 je vodonik.

Vodonik je gorivo budućnosti. Ima mnogo prednosti u odnosu na druge vrste goriva i ima velike izglede da ga zamijeni. Može se koristiti u apsolutno svim granama savremene proizvodnje i transporta, čak se i gas na kojem se kuva hrana može lako zameniti vodonikom bez ikakvih izmena.

Zašto vodonik do sada nije bio široko prihvaćen? Jedan od problema leži u tehnologijama za njegovu proizvodnju. Možda jedini efikasan način da se dobije u ovom trenutku je elektrolitička metoda - dobijanje iz supstance djelovanjem jake električne struje. No, trenutno se većina električne energije proizvodi u termoelektranama i stoga se postavlja pitanje: „Vrijedi li igra svijeće?“. Ali uvođenje atomske energije, energije vjetra i sunca u proizvodnju električne energije vjerovatno će ispraviti ove probleme.

Ova supstanca se nalazi u gotovo svim supstancama, ali najviše je u vodi. Kako je pisac naučne fantastike Jules Verne rekao: "Voda je ugalj budućih vekova." Ova izjava se može pripisati kategoriji predviđanja. Ovog “uglja” na površini ima više nego bilo čega drugog, tako da ćemo biti snabdjeveni vodonikom još dugi niz godina.

O ekološkoj čistoći vodonika može se reći samo jedno: tokom njegovog sagorevanja i reakcija u gorivim ćelijama nastaje voda i ništa osim vode.

Goriva ćelija je možda najefikasniji način za proizvodnju energije iz vodonika. Radi na principu baterije: u gorivnoj ćeliji se nalaze dvije elektrode, između njih se kreće vodonik, dolazi do kemijske reakcije, na elektrodama se pojavljuje električna struja i tvar se pretvara u vodu.

Hajde da pričamo o upotrebi vodonika u automobilima. Ideja o zamjeni običnog bučnog i zadimljenog benzina apsolutno čistim plinom pojavila se prije mnogo godina, kako u Europi tako iu SSSR-u. Ali razvoj u ovoj oblasti odvijao se sa različitim stepenom uspeha. A sada je došao vrhunac želje proizvođača automobila da steknu nezavisnost od nafte. Svaka kompanija koja poštuje sebe ima napredak u ovoj oblasti.

Vodonik u automobilu može se koristiti na dva načina: ili sagorijevanjem u motoru s unutrašnjim sagorijevanjem, ili korištenjem u gorivnim ćelijama. Većina novih koncept automobila koristi tehnologiju gorivih ćelija. Ali kompanije poput Mazde i BMW-a otišle su drugim putem, i to s dobrim razlogom.

Vozilo sa gorivnim ćelijama je jednostavan i izuzetno pouzdan sistem, ali infrastruktura sprečava široko usvajanje. Na primjer, ako kupite auto na gorive ćelije i koristite ga u našoj zemlji, morat ćete ići u Njemačku da punite gorivo. A BMW inženjeri su krenuli drugim putem. Napravili su automobil koji koristi vodonik kao gorivo, a ovaj automobil može koristiti i benzin i vodonik, kao i mnogi moderni automobili opremljeni sistemom gas-benzin. Dakle, ako se u vašem gradu pojavi barem jedna benzinska pumpa koja prodaje takvo gorivo, možete bezbedno kupiti hidrogen BMW Hydrogen 7.

Drugi problem sa uvođenjem vodonika je način njegovog skladištenja. Poteškoća leži u činjenici da je atom vodika najmanji po veličini u kemijskoj tablici, što znači da može prodrijeti u gotovo svaku tvar. To znači da će čak i najdeblji čelični zidovi polako ali sigurno proći kroz njega. Ovaj problem sada rješavaju hemičari.

Još jedna prepreka je sam rezervoar. 10 kg vodonika može zamijeniti 40 kg benzina, ali činjenica je da 10 kg tvari zauzima volumen od 8000 litara! A ovo je cijeli olimpijski bazen! Da bi se smanjila zapremina gasa, on mora biti ukapljen, a ukapljeni vodonik mora biti bezbedno i prikladno skladišten. Rezervoari današnjih automobila na vodonik su teški oko 120 kg, skoro dvostruko veći od standardnih rezervoara. Ali ovaj problem će uskoro biti riješen.

Prednosti vodikovog goriva su mnogo veće od mana. Vodonik sagorijeva mnogo efikasnije, nema štetne emisije, ne proizvodi čađ, a to značajno produžava vijek trajanja automobila. Vodonik je lako obnovljivo gorivo, tako da priroda neće pretrpjeti malo ili nimalo štete.

Glavna prepreka vodoničkoj tehnologiji je infrastruktura. Vrlo mali broj benzinskih pumpi u svijetu trenutno je spreman da napuni automobil vodonikom, iako Honda već proizvodi proizvodne automobile na vodik, a BMW se priprema za proizvodnju. U zemljama bivšeg Sovjetskog Saveza uopće se ne može ni sanjati o automobilu na vodik. Prije pojave vodoničnih benzinskih stanica trebat će više od godinu dana, a možda i desetak godina. Ostaje da se vidi kada ćemo zajedno sa cijelim svijetom početi spašavati planetu od ekološke katastrofe.

Ruski naučnici su došli do novog goriva koje je 100 puta jeftinije od dizel goriva, efikasnije i lakše za proizvodnju... Mislite li da je iko bio zadovoljan zbog ovoga? Ništa se nije dogodilo! Moskovski ministri već 3 godine ganjaju vazduh po svojim kancelarijama - očigledno još razmišljaju kako da u praksi provedu direktno naređenje o implementaciji koji su dobili na izvršenje. A oni koji su dali ovu naredbu, takođe se ispostavlja da nisu zainteresovani za njenu brzu implementaciju, jer. ne sprečavajte ministre da nekažnjeno sabotiraju rešavanje životno važnih zadataka za Rusiju i ostatak sveta. Pa razmislite sada: za koga zapravo rade ovi ministri? Lavočkin je smislio fundamentalno novu vrstu goriva na bazi strukturirane vode. Ali ispada da današnji kraljevi ne trebaju njihov izum! Čak ih onemogućava da nas tjeraju u bijeg ka potpunom iscrpljivanju ugljikovodičnih goriva i ekološkoj katastrofi na nekada prekrasnoj planeti Zemlji...