¿Por qué el hidrógeno es un combustible ecológico? Producción de tipos de combustibles ecológicos para combustibles de automoción. Del hidrógeno a las pilas de combustible

Vivimos en el siglo XXI, la humanidad se está desarrollando, construyendo fábricas, llevando un estilo de vida activo. Sin embargo, para el pleno desarrollo y existencia, ¡necesitamos energía! Ahora esa energía es el petróleo. Se utiliza para fabricar combustible para todas las industrias. Lo usamos literalmente en todas partes: desde autos pequeños hasta grandes fábricas.

Sin embargo, el petróleo no es un recurso inagotable, cada año avanzamos hacia su completa destrucción. Los científicos dicen que estamos en la etapa en que necesitamos buscar un reemplazo efectivo para la gasolina, porque ahora el precio de la misma es muy alto, y cada año habrá menos y menos petróleo, y los precios serán más altos, y pronto, cuando se acabe el petróleo (y con la forma de vida actual de la humanidad, esto sucederá en 60 años), nuestro desarrollo y nuestra existencia completa simplemente terminarán.

Todos entienden que es necesario buscar combustibles alternativos. Pero, ¿cuál es el reemplazo más efectivo? La respuesta es simple: ¡hidrógeno! Esto es lo que reemplazará a la gasolina habitual.

¿Quién inventó el motor de hidrógeno?

Como muchas tecnologías avanzadas, esta idea nos llegó de Occidente. El primer motor de hidrógeno fue desarrollado y creado por el ingeniero y científico estadounidense Brown. La primera empresa en utilizar este motor fue la japonesa Honda. Pero esta compañía de automóviles tuvo que hacer todo lo posible para dar vida al "automóvil del futuro". ¡Durante la creación del automóvil, los mejores ingenieros y mentes de la empresa participaron durante varios años! Todos tuvieron que suspender la producción de algunos autos. Y lo más importante, se negaron a participar en la Fórmula 1, ya que todos los trabajadores que estaban involucrados en la creación de automóviles comenzaron a desarrollar un automóvil de hidrógeno.

Ventajas del hidrógeno como combustible

• El hidrógeno es el elemento más común en el universo, absolutamente todo en nuestra vida consiste en él, todos los objetos que nos rodean tienen al menos una pequeña partícula de hidrógeno. Es este hecho el que resulta muy agradable para la humanidad, pues, a diferencia del petróleo, el hidrógeno nunca se agotará, y no tendremos que ahorrar en combustible.
• ¡Es absolutamente respetuoso con el medio ambiente! A diferencia de un motor de gasolina, un motor de hidrógeno no emite gases nocivos que afectarían negativamente al medio ambiente. El escape emitido por una unidad de potencia de este tipo es un par ordinario.
• El hidrógeno, que se usa en los motores, es altamente inflamable y el automóvil arrancará y funcionará bien sin importar el clima. Es decir, ya no necesitamos calentar el coche en invierno antes del viaje.
• Con hidrógeno, incluso los motores pequeños serán muy potentes y, para crear el automóvil más rápido, ya no es necesario construir una unidad del tamaño de un tanque.

Por supuesto, también hay desventajas en este combustible:

• El caso es que a pesar de que este es un material ilimitado y está en todas partes, es muy difícil extraerlo. Aunque para la humanidad esto no es un problema. Aprendimos a extraer petróleo del océano perforando su fondo y aprenderemos a extraer hidrógeno de la tierra.
• La segunda desventaja es el descontento de los magnates petroleros. Inmediatamente después del inicio del desarrollo progresivo de esta tecnología, la mayoría de los proyectos fueron cerrados. Según los rumores, todo esto se debe al hecho de que si reemplaza la gasolina con hidrógeno, las personas más ricas del planeta se quedarán sin ingresos y no podrán pagarlos.

Métodos de extracción de hidrógeno como aprovechamiento energético

El hidrógeno no es un fósil puro como el petróleo y el carbón, no puedes simplemente desenterrarlo y usarlo. Para que se convierta en energía, se debe obtener y utilizar algo de energía para procesarlo, después de lo cual este elemento químico más común se convertirá en combustible.

El método practicado actualmente para producir combustible de hidrógeno es el llamado "reformado con vapor". Para convertir el hidrógeno ordinario en combustible, se utilizan carbohidratos, que consisten en hidrógeno y carbono. En las reacciones químicas, a cierta temperatura, se libera una gran cantidad de hidrógeno, que puede usarse como combustible. Este combustible no emite sustancias nocivas a la atmósfera durante la operación, sin embargo, durante su producción, se libera una gran cantidad de dióxido de carbono, lo que tiene un efecto negativo en el medio ambiente. Por lo tanto, aunque este método es efectivo, no debe tomarse como base para la extracción de combustibles alternativos.

Hay motores para los que también es adecuado el hidrógeno puro, ellos mismos procesan este elemento en combustible, sin embargo, al igual que con el método anterior, también hay una enorme cantidad de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera.

La electrólisis es una forma muy eficiente de extraer combustible alternativo en forma de hidrógeno. Se pasa una corriente eléctrica al agua, como resultado de lo cual se descompone en hidrógeno y oxígeno. Este método es caro y problemático, pero respetuoso con el medio ambiente. El único desperdicio de la producción y operación del combustible es el oxígeno, el cual solo afectará positivamente la atmósfera de nuestro planeta.

Y la forma más prometedora y económica de obtener combustible de hidrógeno es el procesamiento de amoníaco. Con la reacción química necesaria, el amoníaco se descompone en nitrógeno e hidrógeno, y se obtiene tres veces más hidrógeno que nitrógeno. Este método es mejor porque es un poco más barato y menos costoso. Además, el amoníaco es más fácil y seguro de transportar y, al llegar al punto de entrega, se debe iniciar una reacción química, se debe liberar nitrógeno y el combustible está listo.

ruido artificial

Los motores alimentados con hidrógeno son prácticamente silenciosos, por lo que el llamado “ruido de vehículo artificial” se instala en los automóviles que están en funcionamiento o se pondrán en funcionamiento para evitar accidentes en las carreteras.

Bueno, amigos, estamos al borde de una transición grandiosa de la gasolina, que destruye todo nuestro ecosistema, al hidrógeno, que, por el contrario, ¡lo restaura!

Durante muchos años, los investigadores han estado luchando para encontrar una alternativa a la gasolina como principal tipo de combustible para los vehículos. No tiene sentido enumerar razones ambientales y de recursos: solo los perezosos no hablan sobre la toxicidad de los gases de escape. Los científicos encuentran una solución al problema en los tipos de combustible más, a veces, inusuales. Recycle ha seleccionado las ideas más interesantes que desafían la hegemonía del combustible de la gasolina.

Biodiesel a base de aceites vegetales

El biodiésel es un tipo de biocarburante a base de aceites vegetales, que se utiliza tanto en forma pura como en diversas mezclas con el gasóleo. La idea de utilizar aceite vegetal como combustible pertenece a Rudolf Diesel, quien en 1895 creó el primer motor diésel que funcionaba con aceite vegetal.

Por regla general, los aceites de colza, girasol y soja se utilizan para producir biodiesel. Por supuesto, los aceites vegetales en sí mismos no se vierten en el tanque de gasolina como combustible. El aceite vegetal contiene grasas, ésteres de ácidos grasos con glicerina. En el proceso de obtención de "biosolaria", los ésteres de glicerol destruyen y reemplazan el glicerol (se libera como subproducto) por alcoholes más simples: metanol y, con menos frecuencia, etanol. Esto se convierte en un componente del biodiesel.

En muchos países europeos, así como en EE. UU., Japón y Brasil, el biodiésel ya se ha convertido en una buena alternativa a la gasolina convencional. En Alemania, por ejemplo, el éster metílico de colza ya se vende en más de 800 estaciones de servicio. En julio de 2010 estaban en funcionamiento en los países de la UE 245 plantas de biodiésel con una capacidad total de 22 millones de toneladas. Los analistas de Oil World predicen que para 2020 la participación del biodiesel en la estructura del combustible de motor consumido en Brasil, Europa, China e India será del 20%.

El biodiesel es un combustible de transporte respetuoso con el medio ambiente: en comparación con el combustible diesel convencional, casi no contiene azufre y es casi completamente biodegradable. En el suelo o el agua, los microorganismos procesan el 99% del biodiesel en 28 días, lo que minimiza el grado de contaminación de los ríos y lagos.

Aire comprimido

Varias empresas ya han lanzado modelos de automóviles neumáticos, máquinas que funcionan con aire comprimido. En un momento, los ingenieros de Peugeot causaron sensación en la industria automotriz al anunciar la creación de un híbrido, en el que se agrega energía de aire comprimido para ayudar al motor de combustión interna. Los ingenieros franceses esperaban que tal desarrollo ayudaría a los automóviles pequeños a reducir el consumo de combustible hasta en 3 litros cada 100 km. Los expertos de Peugeot afirman que en la ciudad, el híbrido neumático puede moverse con aire comprimido hasta el 80% del tiempo sin crear un solo miligramo de emisiones nocivas.

El principio de funcionamiento del "automóvil de aire" es bastante simple: no es la mezcla de gasolina que se quema en los cilindros del motor lo que impulsa el automóvil, sino un poderoso flujo de aire del cilindro (la presión en el cilindro es de aproximadamente 300 atmósferas) . El motor neumático convierte la energía del aire comprimido en la rotación de los semiejes.

Desafortunadamente, las máquinas que funcionan completamente con aire comprimido o híbridos de aire se crean principalmente en lotes escasos, para trabajar en condiciones específicas y en espacios limitados (por ejemplo, en sitios de producción que requieren el más alto nivel de seguridad contra incendios). Aunque hay algunos modelos para compradores "estándar".

El microcamión Gator de Engineair, respetuoso con el medio ambiente, es el primer vehículo de aire comprimido de Australia que entra en servicio comercial real. Ya se puede ver en las calles de Melbourne. Capacidad de carga - 500 kg, volumen de cilindros con aire - 105 litros. El kilometraje del camión en una gasolinera es de 16 km.

Productos de desecho

A qué progreso ha llegado: algunos automóviles no necesitan gasolina para hacer funcionar el motor, sino desechos humanos que ingresan al alcantarillado. Tal milagro de la industria automotriz se creó en el Reino Unido. Un automóvil salió a las calles de Bristol, que utiliza metano, aislado de los excrementos humanos, como combustible. El modelo prototipo fue el Volkswagen Beetle, y el fabricante del automóvil VW Bio-Bug propulsado por combustible innovador es GENeco. El motor reciclador de heces instalado en el convertible Volkswagen permitió recorrer 15 mil kilómetros.

La invención de GENeco se apresuró a llamarse un gran avance en la introducción de tecnologías de ahorro de energía y combustible ecológico. Para la persona promedio, la idea parece surrealista, por lo que vale la pena explicarlo: por supuesto, el combustible ya procesado se carga en el automóvil, en forma de metano listo para usar obtenido de antemano a partir de productos de desecho.

Al mismo tiempo, el motor VW Bio-Bug usa dos tipos de combustible al mismo tiempo: el automóvil arranca con gasolina, pero tan pronto como el motor se calienta y el automóvil alcanza cierta velocidad, el suministro de gas gástrico humano procesado en las fábricas de GENeco está encendido. Es posible que los consumidores ni siquiera noten la diferencia. Sin embargo, sigue existiendo el principal problema de marketing: la percepción humana negativa de las materias primas de las que se obtiene el biogás.

Paneles solares

La producción de automóviles propulsados ​​por energía solar es quizás el área más desarrollada de la industria automotriz enfocada al uso de ecocombustibles. Los automóviles que funcionan con energía solar se construyen en todo el mundo y en una variedad de variaciones. En 1982, el inventor Hans Tolstrup cruzó Australia de oeste a este en el automóvil solar Quiet Achiever (aunque a una velocidad de solo 20 km por hora).

En septiembre de 2014, el auto Stella no pudo cubrir la ruta de Los Ángeles a San Francisco, que es de 560 km. El automóvil solar, desarrollado por un equipo de la Universidad Holandesa de Eindhoven, está equipado con paneles que recolectan energía solar y una batería de 60 kilogramos con una capacidad de seis kilovatios-hora. Stella tiene una velocidad promedio de 70 km por hora. En ausencia de luz solar, la reserva de la batería es suficiente para 600 km. En octubre de 2014, estudiantes de Eindhoven participaron en el World Solar Challenge, un rally de 3000 kilómetros por Australia para automóviles que funcionan con energía solar, con su automóvil milagroso.

El coche eléctrico solar más rápido del momento es el Sunswift, creado por un equipo de estudiantes de la Universidad Australiana de Nueva Gales del Sur. En las pruebas de agosto de 2014, este vehículo solar recorrió 500 kilómetros con una sola carga de batería a una velocidad media de 100 km por hora, lo que es sorprendente para un vehículo de este tipo.

Biodiesel en residuos de cocina

En 2011, el USDA colaboró ​​con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable para investigar combustibles alternativos. Uno de los resultados sorprendentes fue la conclusión sobre las perspectivas de utilizar combustible biodiesel a partir de materias primas de origen animal. El biodiesel a partir de residuos grasos es una tecnología que aún no está demasiado desarrollada, pero que ya se está utilizando en países asiáticos.

Cada año en Japón, después de preparar el plato nacional, la tempura, quedan aproximadamente 400.000 toneladas de aceite de cocina usado. Anteriormente, se procesaba en alimento para animales, fertilizantes y jabón, pero a principios de la década de 1990, los económicos japoneses le encontraron otro uso, estableciendo la producción de combustible diesel vegetal basado en él.

En comparación con la gasolina, esta gasolinera personalizada libera menos óxido de azufre, la principal causa de la lluvia ácida, a la atmósfera y reduce otras emisiones tóxicas en dos tercios. Para hacer que el nuevo combustible sea más popular, sus fabricantes idearon un esquema interesante. A cualquiera que envíe diez lotes de botellas de plástico de aceite de cocina usado a la planta de RTD se le asignarán 3,3 metros cuadrados de bosque en una de las prefecturas japonesas.

La tecnología aún no ha llegado a Rusia en tal volumen, pero en vano: la cantidad anual de residuos de la industria alimentaria rusa es de 14 millones de toneladas, lo que en términos de su potencial energético equivale a 7 millones de toneladas de petróleo. En Rusia, los desechos convertidos en biodiesel cubrirían la necesidad de transporte en un 10 por ciento.

hidrógeno líquido

El hidrógeno líquido se ha considerado durante mucho tiempo uno de los principales combustibles que pueden desafiar a la gasolina y al diésel. Los vehículos propulsados ​​por hidrógeno no son infrecuentes, pero debido a muchos factores no han ganado gran popularidad. Aunque recientemente, gracias a una nueva ola de preocupación por las tecnologías “verdes”, la idea de un motor de hidrógeno ha ganado nuevos adeptos.

Varios grandes fabricantes ahora tienen autos impulsados ​​por hidrógeno en su línea. Uno de los ejemplos más famosos es el BMW Hydrogen 7, un coche con motor de combustión interna que puede funcionar tanto con gasolina como con hidrógeno líquido. El BMW Hydrogen 7 tiene un tanque de gasolina de 74 litros y un tanque de almacenamiento para 8 kg de hidrógeno líquido.

Por lo tanto, el automóvil puede usar ambos tipos de combustible durante un viaje: el cambio de un tipo de combustible a otro se produce automáticamente, dando preferencia al hidrógeno. El automóvil híbrido hidrógeno-gasolina Aston Martin Rapide S, por ejemplo, está equipado con el mismo tipo de motor.En él, el motor puede funcionar con ambos tipos de combustible, y el cambio entre ellos se realiza mediante un sistema inteligente para optimizar el consumo. y las emisiones de sustancias nocivas a la atmósfera.

El combustible de hidrógeno también será desarrollado por otros gigantes automotrices: Mazda, Nissan y Toyota. Se cree que el hidrógeno líquido es ambientalmente seguro, ya que cuando se quema en oxígeno puro, no emite ningún contaminante.

alga verde

El combustible de algas es una forma exótica de obtener energía para un automóvil. Considere las algas como un biocombustible que comenzó, principalmente en los Estados Unidos y Japón.

Japón no tiene una gran oferta de tierra fértil para cultivar colza o sorgo (que se utilizan en otros países para producir biocombustibles a partir de aceites vegetales). Pero la Tierra del Sol Naciente produce una gran cantidad de algas verdes. Anteriormente, se comían, y ahora comenzaron a reabastecerse de combustible para automóviles modernos a base de ellos. No hace mucho, en la ciudad japonesa de Fujisawa, apareció en las calles un autobús de pasajeros DeuSEL de Isuzu, que funciona con combustible, parte del cual se deriva de algas. El verde Euglena se convirtió en uno de los elementos principales.

Ahora los aditivos de "algas" representan solo un pequeño porcentaje de la masa total de combustible en los tanques de transporte, pero en el futuro, la empresa manufacturera asiática promete desarrollar un motor que permitirá el uso del biocomponente al 100 por ciento.

En los Estados Unidos también se ha abordado de cerca el tema de los biocombustibles a base de algas. La cadena de estaciones de servicio de Propel en el norte de California ha comenzado a vender biodiesel Soladiesel al público. El combustible se obtiene de las algas por fermentación y posterior liberación de hidrocarburos. Los inventores de biocombustibles prometen una reducción del 20% en las emisiones de dióxido de carbono y una marcada reducción de la toxicidad en otros aspectos.

De hecho, convertir automóviles, aviones, barcos y locomotoras a combustible de hidrógeno es una idea muy atractiva. El uso de H 2 no deja huella de carbono. El automóvil de pasajeros Toyota Mirai, que funciona con celdas de combustible de hidrógeno, conduce 100 km y produce aproximadamente medio cubo de agua. ¡Y eso es! Sin gases de efecto invernadero. Sin emisiones tóxicas. ¿No es este un gran reemplazo para los combustibles de hidrocarburos? El reemplazo es excelente, pero el problema es que la naturaleza ha creado grandes depósitos de petróleo y gas para nosotros, pero los depósitos de hidrógeno no existen. El elemento más ligero de la tabla periódica está abundantemente presente en el mundo exterior, pero en forma de compuestos, principalmente con carbono y oxígeno. Para obtener hidrógeno en forma libre, es necesario destruir estos compuestos, para lo cual es necesario gastar energía, y en el nivel actual de desarrollo tecnológico, la energía es mucho mayor que la que podemos obtener utilizando hidrógeno.

La radiación solar, las mareas, el viento son hoy llamadas fuentes alternativas de energía, pero el hidrógeno no se encuentra entre ellas. El H 2 es un combustible respetuoso con el medio ambiente, que es esencialmente un acumulador de la energía gastada en su producción (menos las pérdidas inevitables). Hay una serie de tecnologías prometedoras que se utilizan actualmente para la producción de hidrógeno, pero las principales se dividen en dos tipos: extracción de hidrógeno del carbono y extracción de hidrógeno del oxígeno.

¿Cómo funciona un coche Toyota Mirai?

1. Pila de celdas de combustible Utiliza las primeras celdas de combustible de alta densidad de potencia producidas en masa de Toyota (3,2 kW/L) Potencia máxima: 124 kW 2. El convertidor elevador convierte la CC generada por la celda de combustible en CA con un aumento de voltaje de hasta 650 V 3. Níquel -La batería de hidruro metálico almacena la energía recuperada durante el frenado. Al arrancar alimenta el motor junto con la pila de combustible 4. Cilindros de alta presión Presión de trabajo interior: 700 atm. Volumen interno: 60 L (botella delantera) 62,4 L (botella trasera) 5. Motor eléctrico Motor síncrono AC: potencia máxima 113 kW (153,6 hp) par máximo 335 Nm 6. Unidad de control controla la pila de combustible y la carga/descarga de la batería 7 Accesorios Hidrógeno bomba de refuerzo, etc

¿Combustible sucio y limpio?

Más de la mitad del hidrógeno del mundo se produce mediante el reformado con vapor de metano: esta es la forma más barata y asequible. En un proceso de varias etapas que utiliza altas temperaturas y catalizadores, las moléculas de metano se descomponen en hidrógeno y monóxido de carbono (monóxido de carbono). Dado que el proceso utiliza combustibles fósiles, es de alguna manera imposible llamar al hidrógeno obtenido de esta manera que no dé una "huella de carbono".

Otro proceso industrial bastante común es la electrólisis, familiar para todos por los experimentos químicos escolares. Ya no hay petróleo, gas o carbón: el agua ordinaria se descompone en oxígeno e hidrógeno cuando se le aplica energía eléctrica. Pero, ¿de dónde viene esta energía? Si una central térmica que funciona con fuel oil echa humo al lado de la producción de hidrógeno, aquí tampoco todo irá muy bien con la “huella de carbono”. Los visionarios de la energía del futuro hablan de fábricas de hidrógeno alimentadas únicamente por parques eólicos, solares y otras fuentes renovables. En este caso, aparecerá una cadena de generación de combustible verdaderamente libre de carbono, pero esto requerirá un gran aumento en la capacidad de generación en el campo de la energía verde.

Producción de hidrógeno mediante biotecnología

Sobre el destino del Hindenburg

Una transición total al hidrógeno requerirá no solo recursos energéticos para su producción, sino también una infraestructura desarrollada para su transporte y almacenamiento: tuberías, tanques de ferrocarril, camiones cisterna, depósitos, estaciones de servicio. Una de las principales razones por las que la sociedad desconfía un poco de la revolución del hidrógeno es que el hidrógeno es altamente volátil y explosivo. Donde se almacenará, transportará o usará hidrógeno, se necesitan analizadores de gas altamente sensibles para señalar la más mínima fuga. Es cierto que los partidarios del uso activo del hidrógeno argumentan que el peligro es exagerado. A diferencia de los gases pesados ​​como el metano, el hidrógeno ligero que se escapa de un cilindro se eleva y se dispersa instantáneamente. Un ejemplo es la historia del desastre del dirigible Hindenburg, en el que el hidrógeno intermitente se quemó durante solo 32 segundos, lo que permitió que 62 de los 97 pasajeros no perecieran en el fuego y sobrevivieran. Pero en cualquier caso, la presencia en las calles de un gran número de vehículos en los que se encuentran bajo presión gases explosivos requerirá un nuevo nivel de seguridad vial.

Todos estos factores que limitan el uso generalizado del hidrógeno indican que la transición a un nuevo combustible no se producirá a un ritmo muy rápido. Las ventas del pionero Toyota Mirai impulsado por celdas de combustible de hidrógeno, que comenzó en 2015, solo se acercan a la marca de 3000, y esto es en un mercado enorme que incluye no solo a Japón, sino también a EE. UU., la UE y los Emiratos Árabes Unidos. Es evidente que el hidrógeno como combustible coexistirá durante mucho tiempo tanto con los hidrocarburos tradicionales como con las baterías de iones de litio (en los vehículos eléctricos). Al mismo tiempo, las tecnologías del hidrógeno podrán desarrollarse a un ritmo más rápido en algunos de los nichos más prometedores, por ejemplo, en el campo de los vehículos aéreos no tripulados eléctricos. El hecho es que la eficiencia de una pila de combustible de hidrógeno es muy alta, debido a que la energía liberada cuando el hidrógeno se combina con el oxígeno se utiliza directamente en electricidad, sin pérdidas significativas en forma de calor, como ocurriría cuando se quema combustible. en el ciclo de Carnot. Usando la energía del combustible al máximo, un UAV de celda de combustible puede permanecer en el aire mucho más tiempo que un dron con un peso de despegue comparable, pero alimentado por una batería de iones de litio de uso común.

Hidrógeno sólido?

En nuestro país, los líderes en la creación de pilas de combustible de hidrógeno-aire (HVFC) para UAV y no solo son el Instituto de Problemas de Química Física del IPPC RAS ​​y el Instituto Central de Motores de Aviación CIAM. Baranov. VVTE IPPC en abril de 2016 proporcionó una duración de vuelo récord de 3 horas y 10 minutos del octocóptero conceptual NELK-88 producido conjuntamente por NELK e IPPC RAS.

Esquema de colocación de gránulos de "hidrógeno sólido" en el ala del UAV

El sistema de hidrógeno a bordo tiene un VVTE muy bueno y funciona de manera eficiente, pero con la llegada del hidrógeno embotellado comprimido a bordo, surgieron problemas de peso y tamaño considerables. Además, sigue existiendo la posibilidad de fugas de gas, lo que no es seguro. Los últimos materiales y tecnologías para trabajos pesados ​​no han resuelto completamente este problema.

Para tener más hidrógeno a bordo y en un sistema de almacenamiento más ligero, intentaron cambiar a hidrógeno licuado a una temperatura de -253 °C, cuya densidad es tres veces mayor que la densidad del hidrógeno comprimido a presiones estándar de 300 –350 atm para sistemas de cilindros, lo que podría aumentar la intensidad energética de los sistemas. Pero los problemas con el recipiente Dewar, el aislamiento térmico, el relleno, etc. obligaron a abandonar tal idea. Se encontró una salida cuando se recordaron los hidruros metálicos sólidos. En el hidruro, el hidrógeno está tan densamente empaquetado que no hay duda de que se escape. Por lo tanto, el hidrógeno "sólido" es un argumento serio para resolver el problema de la seguridad tanto de las personas como de los equipos.

En diferentes hidruros (sodio, magnesio, boro, etc.), el hidrógeno existe en una proporción de peso en diferentes cantidades, y el campeón aquí es el borano de amoníaco (borazan) con un contenido de hidrógeno del 20%. Para obtener el hidrógeno gaseoso necesario para HVTE, es suficiente calentar cuidadosamente el borano de amoníaco a una temperatura de 85 a 100 °C para que no se funda con la formación de espuma. Obtener tal temperatura a bordo del UAV no es un problema: durante el funcionamiento, por ejemplo, se calientan los VHTE.

Vuelo en tabletas

No hace mucho tiempo, dos hechos significativos tuvieron lugar en esta zona. El primero fue a principios de febrero de 2016, cuando la empresa británica Cella Energy, junto con la Asociación Escocesa de Ciencias Marinas SAMS, probó con éxito la tecnología de hidrógeno sólido en un dron de demostración en el sitio de prueba de Argyll. Según el plan, el vuelo duró diez minutos, el UAV se elevó a una altura de 80 m.

El segundo evento tuvo lugar a mediados de febrero de 2016 en Singapur, en la víspera de la apertura del Air Show 2016. Luego, el mini-UAV Skyblade 360 ​​​​UAV de serie de HES Energy Systems realizó un vuelo controlado durante seis horas y voló 300 km en total a una velocidad de 50-55 km / h. En ambos casos, los desarrolladores utilizaron tecnologías similares para fabricar el material portador de hidrógeno y obtener hidrógeno gaseoso a partir de él.

El material de hidruro se fabricaba en forma de gránulos, que se colocaban sobre una cinta de montaje impresa, lo que facilitaba la producción constante, de gránulo a gránulo, de su cuidadoso calentamiento desde una fuente de calor a bordo. Los gránulos de borano de amoníaco de Cella eran de 1 cm cuadrado y se colocaban en un cartucho generador de gas cilíndrico, en el que, después de la liberación de gas hidrógeno, se mantenía la presión operativa requerida, por cierto, pequeña. La tecnología de pellets en cartucho permite una carga de combustible escalable según la tarea específica, lo que brinda flexibilidad en el uso del dron.

nada se perderá

En la producción de gránulos de borazán se utilizó la tecnología de nanoestructuración para obtener nanopartículas de hidruro con un tamaño de 4-6 nm (30 veces más pequeño que el tamaño de un grano de arena, como era el caso de Cella), y esto contribuyó a una alta rendimiento de hidrógeno. 1 g de un gránulo estructurado libera más del 90-95 % de 1 litro de hidrógeno gaseoso con una eficiencia.

Pero, ¿qué hacer con el cartucho gastado, en el que, después de la extracción de hidrógeno del hidruro, queda mucho material útil? Por supuesto, nadie va a tirar un cartucho de este tipo, y el residuo que queda en él, el poliborazileno, se reduce al estado de borano de amoníaco por saturación con hidrógeno en presencia de un catalizador especial, por ejemplo, a base de rutenio. Ya existe una tecnología de regeneración, según la cual todo sucede en una "una caldera", justo en el cartucho gastado, lo que hace que el proceso sea seguro y simplifica la cadena de producción.

Al evaluar las perspectivas del hidrógeno como fuente de energía, confiamos principalmente en las tecnologías existentes para su producción y aplicación. Sin embargo, casi todos los días sucede algo nuevo en esta área (lo que muestra el rápido advenimiento del "hidrógeno sólido"), y quizás la economía del hidrógeno eventualmente llegue a nosotros en una forma completamente diferente.

Introducción

Los estudios del Sol, las estrellas, el espacio interestelar muestran que el elemento más común del Universo es el hidrógeno (en el espacio, en forma de plasma caliente, constituye el 70% de la masa del Sol y las estrellas).

Según algunos cálculos, cada segundo en las profundidades del Sol, aproximadamente 564 millones de toneladas de hidrógeno como resultado de la fusión termonuclear se convierten en 560 millones de toneladas de helio, y 4 millones de toneladas de hidrógeno se convierten en una poderosa radiación que va al espacio exterior. No hay temor de que el Sol pronto se quede sin reservas de hidrógeno. Ha existido durante miles de millones de años, y el suministro de hidrógeno en él es suficiente para proporcionar la misma cantidad de años de combustión.

El hombre vive en un universo de hidrógeno-helio.

Por lo tanto, el hidrógeno es de gran interés para nosotros.

La influencia y el uso del hidrógeno hoy en día es muy grande. Casi todos los tipos de combustible actualmente conocidos, excepto, por supuesto, el hidrógeno, contaminan el medio ambiente. En las ciudades de nuestro país, el paisajismo se realiza todos los años, pero esto, aparentemente, no es suficiente. Millones de modelos de automóviles nuevos que se están produciendo ahora están llenos de combustible que libera gases de dióxido de carbono (CO 2 ) y monóxido de carbono (CO) a la atmósfera. Respirar ese aire y estar constantemente en esa atmósfera es un gran peligro para la salud. Esto da como resultado diversas enfermedades, muchas de las cuales son prácticamente intratables, y más aún es imposible tratarlas mientras se continúa en una atmósfera que se puede decir que está “infectada” con gases de escape. Queremos estar sanos, y por supuesto, queremos que las generaciones que nos sucedan no se quejen ni sufran por la constante contaminación del aire, sino que por el contrario, recuerden y confíen en el proverbio: "El sol, el aire y el agua son nuestros mejores amigos". ."

Mientras tanto, no puedo decir que estas palabras se justifiquen a sí mismas. Generalmente ya tenemos que cerrar los ojos al agua, porque ahora, aunque tomemos nuestra ciudad en concreto, se sabe que de los grifos brota agua contaminada, y en ningún caso se debe beber.

En cuanto al aire, un tema igualmente importante ha estado en la agenda durante muchos años. Y si imaginamos, aunque sea por un segundo, que todos los motores modernos funcionarán con combustible ecológico, que, por supuesto, es hidrógeno, entonces nuestro planeta emprenderá un camino que conducirá a un paraíso ecológico. Pero todo esto son fantasías e ideas que, muy a nuestro pesar, no se harán realidad pronto.

A pesar de que nuestro mundo se acerca a una crisis ambiental, todos los países, incluso aquellos que contaminan el medio ambiente en mayor medida con su industria (Alemania, Japón, EE. UU. y, lamentablemente, Rusia) no tienen prisa por entrar en pánico y comenzar una política de emergencia para su limpieza.

No importa cuánto hablemos sobre el efecto positivo del hidrógeno, en la práctica esto se puede ver muy raramente. Pero aún así, se están desarrollando muchos proyectos, y el propósito de mi trabajo no era solo hablar sobre el combustible más maravilloso, sino también sobre su aplicación. Este tema es muy relevante, porque ahora los habitantes no solo de nuestro país, sino del mundo entero, están preocupados por el problema de la ecología y las posibles formas de solucionar este problema.

hidrógeno en la tierra

El hidrógeno es uno de los elementos más abundantes en la Tierra. En la corteza terrestre, de cada 100 átomos, 17 son átomos de hidrógeno. Es aproximadamente el 0,88% de la masa del globo (incluyendo la atmósfera, la litosfera y la hidrosfera). Si recordamos que el agua en la superficie terrestre es más

1.5∙10 18 m 3 y que la fracción de masa de hidrógeno en el agua es 11.19%, queda claro que hay una cantidad ilimitada de materias primas para producir hidrógeno en la Tierra. El hidrógeno está incluido en el petróleo (10,9 - 13,8%), madera (6%), carbón (lignito - 5,5%), gas natural (25,13%). El hidrógeno se encuentra en todos los organismos animales y vegetales. También se encuentra en los gases volcánicos. La mayor parte del hidrógeno entra en la atmósfera como resultado de procesos biológicos. Cuando miles de millones de toneladas de residuos vegetales se descomponen en condiciones anaeróbicas, se libera una cantidad significativa de hidrógeno al aire. Este hidrógeno en la atmósfera se disipa rápidamente y se difunde en la atmósfera superior. Al tener una masa pequeña, las moléculas de hidrógeno tienen una alta tasa de movimiento de difusión (está cerca de la segunda velocidad cósmica) y, al ingresar a las capas superiores de la atmósfera, pueden volar hacia el espacio exterior. La concentración de hidrógeno en las capas superiores de la atmósfera es 1∙10 -4%.

¿Qué es la tecnología del hidrógeno?

La tecnología del hidrógeno se refiere a un conjunto de métodos y medios industriales para producir, transportar y almacenar hidrógeno, así como medios y métodos para su uso seguro basados ​​en fuentes inagotables de materias primas y energía.

¿Cuál es la atracción del hidrógeno y la tecnología del hidrógeno?

La transición del transporte, la industria y la vida cotidiana a la combustión de hidrógeno es el camino hacia una solución radical al problema de proteger la cuenca atmosférica de la contaminación por óxidos de carbono, nitrógeno, azufre e hidrocarburos.

La transición a la tecnología del hidrógeno y el uso del agua como única fuente de materias primas para la producción de hidrógeno no pueden cambiar no solo el balance hídrico del planeta, sino también el balance hídrico de sus regiones individuales. Así, la demanda energética anual de un país tan industrializado como la RFA puede ser cubierta con hidrógeno obtenido a partir de una cantidad de agua tal que corresponde al 1,5% del caudal medio del río Rin (2180 litros de agua dan 1 tep en la forma de H2). Señalamos de paso que se está haciendo realidad ante nuestros ojos una de las brillantes conjeturas del gran escritor de ciencia ficción Julio Verne, quien, por boca del héroe del ron "Isla Misteriosa" (Capítulo XVII), declara: "El agua es el carbón de los siglos futuros".

El hidrógeno obtenido del agua es uno de los portadores de energía más ricos en energía. Después de todo, el poder calorífico de 1 kg de H 2 es (en el límite más bajo) 120 MJ/kg, mientras que el poder calorífico de la gasolina o el mejor combustible de hidrocarburo para aviación es de 46 a 50 MJ/kg, es decir 2,5 veces menos de 1 tonelada de hidrógeno corresponde en su equivalente energético a 4,1 tf, además, el hidrógeno es un combustible altamente renovable.

Para acumular combustibles fósiles en nuestro planeta se necesitan millones de años, y para obtener agua del agua en el ciclo de obtención y uso del hidrógeno se necesitan días, semanas ya veces horas y minutos.

Pero el hidrógeno como combustible y materia prima química tiene otras cualidades valiosas. La versatilidad del hidrógeno radica en que puede sustituir a cualquier tipo de combustible en diversos campos de la energía, el transporte, la industria y en la vida cotidiana. Reemplaza la gasolina en los motores de automóviles, el queroseno en los motores a reacción de los aviones, el acetileno en los procesos de soldadura y corte de metales, el gas natural para uso doméstico y otros, el metano en las celdas de combustible, el coque en los procesos metalúrgicos (reducción directa de minerales), los hidrocarburos en varios procesos microbiológicos. El hidrógeno se transporta fácilmente a través de tuberías y se distribuye a pequeños consumidores, se puede obtener y almacenar en cualquier cantidad. Al mismo tiempo, el hidrógeno es materia prima para una serie de importantes síntesis químicas (amoníaco, metanol, hidracina), para la producción de hidrocarburos sintéticos.

¿Cómo y de qué se produce actualmente el hidrógeno?

Los tecnólogos modernos tienen a su disposición cientos de métodos técnicos para producir combustible de hidrógeno, gases de hidrocarburos, hidrocarburos líquidos y agua. La elección de uno u otro método está dictada por consideraciones económicas, la disponibilidad de materias primas apropiadas y recursos energéticos. Puede haber diferentes situaciones en diferentes países. Por ejemplo, en países donde hay excedentes de electricidad baratos generados en centrales hidroeléctricas, el hidrógeno se puede obtener por electrólisis del agua (Noruega); donde hay mucho combustible sólido y los hidrocarburos son caros, es posible obtener hidrógeno por gasificación de combustible sólido (China); donde el petróleo es barato, se puede obtener hidrógeno a partir de hidrocarburos líquidos (Oriente Medio). Sin embargo, la mayor parte del hidrógeno se produce actualmente a partir de gases de hidrocarburos mediante la conversión de metano y sus homólogos (EE. UU., Rusia).

Durante la conversión de metano con vapor de agua, dióxido de carbono, oxígeno y monóxido de carbono con vapor de agua, ocurren las siguientes reacciones catalíticas. Consideremos el proceso de obtención de hidrógeno por conversión de gas natural (metano).

La producción de hidrógeno se lleva a cabo en tres etapas. La primera etapa es la conversión de metano en un horno tubular:

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.

La segunda etapa está asociada a la conversión adicional del metano residual de la primera etapa con oxígeno atmosférico y la introducción de nitrógeno en la mezcla gaseosa, si se utiliza hidrógeno para la síntesis de amoníaco. (Si se obtiene hidrógeno puro, la segunda etapa puede no existir en principio).

CH 4 + 0.5O 2 \u003d CO + 2H 2 + 35.6 kJ / mol.

Y finalmente, la tercera etapa es la conversión de monóxido de carbono con vapor de agua:

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

Todas estas etapas requieren vapor de agua, y la primera etapa requiere mucho calor, por lo que el proceso en términos de tecnología energética se lleva a cabo de tal manera que los hornos tubulares se calientan desde el exterior por el metano quemado en los hornos, y el calor residual de la chimenea se utiliza para producir vapor de agua.

Consideremos cómo sucede esto en condiciones industriales (Esquema 1). El gas natural, que contiene principalmente metano, se purifica previamente a partir de azufre, que es un veneno para el catalizador de conversión, se calienta a una temperatura de 350 - 370 o C y se mezcla con vapor de agua a una presión de 4,15 - 4,2 MPa en la proporción de Volúmenes de vapor: gas = 3,0: 4,0. La presión del gas frente al horno tubular, la proporción exacta de vapor: gas se mantienen mediante reguladores automáticos.

La mezcla resultante de gas y vapor a 350 - 370 o C ingresa al calentador, donde se calienta a 510 - 525 o C debido a los gases de combustión. Luego, la mezcla de gas y vapor se envía a la primera etapa de conversión de metano, a un tubo. horno, en el que se distribuye uniformemente sobre tubos de reacción ubicados verticalmente (ocho). La temperatura del gas convertido a la salida de los tubos de reacción alcanza los 790 - 820 o C. El contenido residual de metano después del horno tubular es del 9 - 11% (vol.). Las tuberías están llenas de catalizador.

Desde ahora, los fabricantes de automóviles solo hablan del desarrollo del hidrógeno. ¿Qué es el hidrógeno? Considerémoslo con un poco más de detalle.

El hidrógeno es el primer elemento de la tabla química, su peso atómico es 1. Es una de las sustancias más comunes en el universo, por ejemplo, de los 100 átomos que componen nuestro planeta 17 es hidrógeno.

El hidrógeno es el combustible del futuro. Tiene muchas ventajas sobre otros tipos de combustible y tiene grandes perspectivas para reemplazarlo. Se puede utilizar en absolutamente todas las ramas de la producción y el transporte modernos, incluso el gas en el que se cocinan los alimentos se puede reemplazar fácilmente con hidrógeno sin ninguna alteración.

¿Por qué el hidrógeno no se ha adoptado ampliamente hasta ahora? Uno de los problemas radica en las tecnologías para su producción. Quizás la única forma efectiva de obtenerlo en este momento es el método electrolítico: obtener de una sustancia por la acción de una fuerte corriente eléctrica. Pero por el momento, la mayor parte de la electricidad se genera en las centrales térmicas, y por lo tanto surge la pregunta: "¿Vale la pena el juego?". Pero la introducción de la energía atómica, eólica y solar en la producción de electricidad probablemente corregirá estos problemas.

Esta sustancia se encuentra en casi todas las sustancias, pero sobre todo se encuentra en el agua. Como dijo el escritor de ciencia ficción Julio Verne: “El agua es el carbón de las edades futuras”. Esta afirmación se puede atribuir a la categoría de predicciones. Hay más de este "carbón" en la superficie que cualquier otra cosa, por lo que se nos proporcionará hidrógeno durante muchos años.

Solo se puede decir una cosa sobre la pureza ecológica del hidrógeno: durante su combustión y reacciones en las pilas de combustible, se forma agua y nada más que agua.

La pila de combustible es quizás la forma más eficiente de generar energía a partir del hidrógeno. Funciona según el principio de una batería: hay dos electrodos en la celda de combustible, el hidrógeno se mueve entre ellos, se produce una reacción química, aparece una corriente eléctrica en los electrodos y la sustancia se convierte en agua.

Hablemos del uso del hidrógeno en los automóviles. La idea de reemplazar la gasolina ordinaria ruidosa y humeante con gas absolutamente puro surgió hace muchos años, tanto en Europa como en la URSS. Pero los desarrollos en esta área se llevaron a cabo con diversos grados de éxito. Y ahora ha llegado el clímax del deseo de los fabricantes de automóviles de independizarse del petróleo. Toda empresa que se precie tiene novedades en este ámbito.

El hidrógeno en un automóvil se puede usar de dos maneras: quemado en un motor de combustión interna o usado en celdas de combustible. La mayoría de los nuevos prototipos utilizan tecnología de pila de combustible. Pero compañías como Mazda y BMW se han ido por el otro lado, y por una buena razón.

El vehículo de celda de combustible es un sistema simple y extremadamente confiable, pero la infraestructura impide su adopción generalizada. Por ejemplo, si compras un coche de pila de combustible y lo utilizas en nuestro país, tendrás que ir a Alemania a repostar. Y los ingenieros de BMW fueron por el otro lado. Construyeron un automóvil que usa hidrógeno como combustible, y este automóvil puede usar tanto gasolina como hidrógeno, como muchos automóviles modernos equipados con un sistema de gas-gasolina. Por lo tanto, si en su ciudad ha aparecido al menos una estación de servicio que vende dicho combustible, puede comprar con seguridad un BMW Hydrogen 7 de hidrógeno.

Otro problema con la introducción del hidrógeno es su método de almacenamiento. Toda la dificultad radica en que el átomo de hidrógeno es el de menor tamaño en la tabla química, lo que significa que puede penetrar en casi cualquier sustancia. Esto significa que incluso las paredes de acero más gruesas lo atravesarán lenta pero seguramente. Este problema ahora lo resuelven los químicos.

Otro inconveniente es el tanque en sí. ¡10 kg de hidrógeno pueden reemplazar 40 kg de gasolina, pero el hecho es que 10 kg de la sustancia ocupan un volumen de 8000 litros! ¡Y esto es toda una piscina olímpica! Para reducir el volumen de gas, debe licuarse, y el hidrógeno licuado debe almacenarse de manera segura y conveniente. Los tanques de los autos de hidrógeno actuales pesan alrededor de 120 kg, casi el doble del tamaño de los tanques estándar. Pero este problema se resolverá pronto.

Las ventajas del combustible de hidrógeno son mucho mayores que las desventajas. El hidrógeno se quema de manera mucho más eficiente, no tiene emisiones nocivas, no produce hollín y esto aumenta significativamente la vida útil de los automóviles. El hidrógeno es un combustible fácilmente renovable, por lo que la naturaleza recibirá poco o ningún daño.

La principal barrera para la tecnología del hidrógeno es la infraestructura. Muy pocas estaciones de servicio en el mundo están actualmente listas para llenar un automóvil con hidrógeno, aunque Honda ya está produciendo automóviles de hidrógeno de producción y BMW se está preparando para la producción. En los países de la antigua Unión Soviética, ni siquiera se puede soñar con un automóvil de hidrógeno. Antes de la llegada de las estaciones de servicio de hidrógeno, tomará más de un año, y tal vez una docena de años. Queda por ver cuándo nosotros, junto con el mundo entero, comenzaremos a salvar al planeta de una catástrofe ecológica.

Científicos rusos han ideado un nuevo combustible que es 100 veces más barato que el diesel, más eficiente y más fácil de fabricar... ¿Crees que alguien estaba contento con esto? ¡No pasó nada! Los ministros de Moscú han estado persiguiendo el aire alrededor de sus oficinas durante 3 años; aparentemente, todavía están pensando en la mejor manera de implementar la orden directa de implementación que recibieron para su ejecución. Y aquellos que dieron esta orden, tampoco están interesados ​​​​en su rápida implementación, porque. no impidan que los ministros saboteen con impunidad la solución de tareas de vital importancia para Rusia y el resto del mundo. Así que piense ahora: ¿para quién trabajan realmente estos ministros? Lavochkin ideó un tipo de combustible fundamentalmente nuevo basado en agua estructurada. ¡Pero resulta que los reyes de hoy no necesitan su invento! Incluso evita que nos lleven a la carrera hacia el agotamiento total de los combustibles de hidrocarburos y el desastre ecológico en el otrora hermoso planeta Tierra...