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

Živimo u 21. stoljeću, čovječanstvo se razvija, gradi tvornice, vodi aktivan način 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 doslovno posvuda: od malih automobila do velikih tvornica.

No, nafta nije beskonačan resurs, svake godine idemo prema njegovom potpunom uništenju. Znanstvenici kažu da smo u fazi kada trebamo tražiti učinkovitu zamjenu za benzin, jer je sada njegova cijena vrlo visoka, a svake godine će biti sve manje i manje nafte, a cijene će biti sve veće, a uskoro, kada ponestane nafte (a uz postojeći način života čovječanstva, to će se dogoditi za 60 godina), naš razvoj i punopravno postojanje jednostavno će završiti.

Svi razumiju da je potrebno tražiti alternativna goriva. Ali koja je najučinkovitija zamjena? Odgovor je jednostavan: vodik! Evo što će zamijeniti uobičajeni benzin.

Tko je izumio vodikov motor?

Kao i mnoge visoke tehnologije, ova nam je ideja došla sa Zapada. Prvi vodikov motor razvio je i stvorio američki inženjer i znanstvenik Brown. Prva tvrtka koja je koristila ovaj motor bila je japanska Honda. No ova se automobilska tvrtka morala jako potruditi da oživi “automobil budućnosti”. Tijekom stvaranja automobila nekoliko godina sudjelovali su svi najbolji inženjeri i umovi tvrtke! Svi su morali obustaviti proizvodnju nekih automobila. I što je najvažnije, odbili su sudjelovati u Formuli 1, budući da su svi radnici koji su bili uključeni u stvaranje automobila počeli razvijati automobil na vodik.

Prednosti vodika 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 vodika. Upravo je ta činjenica vrlo ugodna za čovječanstvo, jer, za razliku od nafte, vodika nikada neće nestati, a nećemo morati štedjeti na gorivu.
• Apsolutno je ekološki prihvatljiv! Za razliku od benzinskog motora, motor na vodik ne ispušta štetne plinove koji bi negativno utjecali na okoliš. Ispušni plin koji emitira takav agregat je običan par.
• Vodik, koji se koristi u motorima, vrlo je zapaljiv i automobil će se dobro pokrenuti i raditi bez obzira na vrijeme. Odnosno, više ne trebamo zagrijavati auto zimi prije puta.
• Na vodiku će čak i mali motori biti vrlo moćni i da biste stvorili najbrži automobil, više ne morate graditi jedinicu veličine spremnika.

Naravno, u ovom gorivu postoje i nedostaci:

• Činjenica je da unatoč činjenici da je ovo neograničen materijal, a ima ga posvuda, vrlo ga je teško izdvojiti. Iako za čovječanstvo to nije problem. Naučili smo kako izvući naftu iz oceana bušenjem njegovog dna, a naučit ćemo i kako uzeti vodik 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 benzin zamijenite vodikom, onda će najbogatiji ljudi na planeti ostati bez prihoda, a oni to ne mogu priuštiti.

Metode ekstrakcije vodika kao korištenje energije

Vodik nije čisti fosil poput nafte i ugljena, ne možete ga tek tako iskopati i koristiti. Da bi to postalo energija, potrebno ga je dobiti i potrošiti nešto energije za njegovu obradu, nakon čega će ovaj najčešći kemijski element postati gorivo.

Trenutno prakticirana metoda proizvodnje vodikovog goriva je takozvana "parna reforma". Za pretvaranje običnog vodika u gorivo koriste se ugljikohidrati koji se sastoje od vodika i ugljika. U kemijskim reakcijama pri određenoj temperaturi oslobađa se ogromna količina vodika koji se može koristiti kao gorivo. Ovo gorivo tijekom rada neće ispuštati štetne tvari u atmosferu, međutim tijekom njegove proizvodnje oslobađa se ogromna količina ugljičnog dioksida, što loše utječe na okoliš. Stoga, iako je ova metoda učinkovita, ne treba je uzimati kao osnovu za ekstrakciju alternativnih goriva.

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

Elektroliza je vrlo učinkovit način ekstrakcije alternativnog goriva u obliku vodika. U vodu se propušta električna struja, uslijed čega se ona raspada na vodik i kisik. Ova metoda je skupa i problematična, ali ekološki prihvatljiva. Jedini otpad od proizvodnje i rada goriva je kisik, koji će samo pozitivno utjecati na atmosferu našeg planeta.

A najperspektivniji i najjeftiniji način dobivanja vodikovog goriva je prerada amonijaka. Uz potrebnu kemijsku reakciju, amonijak se razgrađuje 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 kemijsku reakciju, ispustiti dušik i gorivo je spremno.

umjetna buka

Motori na vodik praktički su nečujni, pa se takozvana “umjetna buka vozila” ugrađuje na automobile koji su u pogonu ili će biti pušteni u pogon kako bi se spriječile nesreće na cestama.

Pa, prijatelji, na rubu smo grandioznog prijelaza s benzina, koji uništava cijeli naš ekosustav, na vodik, koji ga, naprotiv, obnavlja!

Dugi niz godina istraživači se bore pronaći alternativu benzinu kao glavnoj vrsti goriva za vozila. Nema smisla nabrajati ekološke i resursne razloge - samo lijeni ne govore o toksičnosti ispušnih plinova. Znanstvenici pronalaze rješenje za problem u najneobičnijim vrstama goriva. Recycle je odabrao najzanimljivije ideje koje izazivaju hegemoniju benzina u pogledu goriva.

Biodizel na bazi biljnih ulja

Biodizel je vrsta biogoriva na bazi biljnih ulja, koja se koristi u čistom obliku i kao razne mješavine s dizel gorivom. Ideja korištenja biljnog ulja kao goriva pripada Rudolfu Dieselu, koji je 1895. godine stvorio prvi dizelski motor koji radi na biljno ulje.

Za proizvodnju biodizela u pravilu se koriste ulja od uljane repice, suncokreta i soje. Naravno, sama biljna ulja se ne ulijevaju u spremnik za plin kao gorivo. Biljno ulje sadrži masti - estere masnih kiselina s glicerinom. U procesu dobivanja "biosolaria" esteri glicerola uništavaju i zamjenjuju glicerol (oslobađa se kao nusproizvod) jednostavnijim alkoholima - metanolom i rjeđe etanolom. To postaje sastavni dio biodizela.

U mnogim europskim zemljama, kao i u SAD-u, Japanu i Brazilu, biodizel je već postao dobra alternativa konvencionalnom benzinu. U Njemačkoj se, primjerice, metil ester uljane repice već prodaje na više od 800 benzinskih postaja. U srpnju 2010. u zemljama EU radilo je 245 biodizelskih tvornica ukupnog kapaciteta 22 milijuna tona. Analitičari Oil Worlda predviđaju da će do 2020. godine udio biodizela u strukturi potrošenog motornog goriva u Brazilu, Europi, Kini i Indiji iznositi 20%.

Biodizel je ekološki prihvatljivo transportno gorivo: u usporedbi s konvencionalnim dizelskim gorivom, gotovo ne sadrži sumpor i gotovo je potpuno biorazgradivo. U tlu ili vodi, mikroorganizmi prerade 99% biodizela u 28 dana – to minimizira stupanj onečišćenja rijeka i jezera.

Potisnut zrak

Modele pneumatskih automobila - strojeva koji rade na komprimiranom zraku - već je objavilo nekoliko tvrtki. Inženjeri Peugeota svojedobno su zahvatili automobilsku industriju, najavivši stvaranje hibrida, u koji se dodaje energija komprimiranog zraka za pomoć motoru s unutarnjim izgaranjem. Francuski inženjeri očekivali su da će takav razvoj pomoći malim automobilima smanjiti 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 niti jednog miligrama štetnih emisija.

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

Nažalost, strojevi u potpunosti na komprimirani zrak ili zračni hibridi uglavnom se stvaraju u oskudnim serijama - za rad u specifičnim uvjetima i u ograničenim prostorima (primjerice, na proizvodnim mjestima koja zahtijevaju najvišu razinu zaštite od požara). Iako postoje neki modeli za "standardne" kupce.

Engineairov ekološki Gator mikro kamion je prvo australsko vozilo s komprimiranim zrakom koje je ušlo u stvarne komercijalne usluge. Već se može vidjeti na ulicama Melbournea. Nosivost - 500 kg, volumen cilindara sa zrakom - 105 litara. Kilometraža kamiona na jednoj benzinskoj pumpi je 16 km.

Otpadni proizvodi

Do kakvog je napretka došlo – nekim automobilima za rad motora nije potreban benzin, 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, izoliran iz ljudskog izmeta. Prototip modela bila je Volkswagen Beetle, a proizvođač automobila VW Bio-Bug koji pokreće inovativno gorivo je GENeco. Motor za recikliranje izmeta ugrađen na Volkswagen kabriolet omogućio je vožnju 15 tisuća kilometara.

GENecov izum požurio se nazvati probojom u uvođenju tehnologija za uštedu energije i ekološki prihvatljivog goriva. Prosječnom čovjeku ideja se čini nadrealnim, pa je vrijedno objasniti: naravno, već prerađeno gorivo utovaruje se u automobil - u obliku metana spremnog za korištenje dobivenog unaprijed iz otpadnih proizvoda.

Istodobno, VW Bio-Bug motor koristi dvije vrste goriva u isto vrijeme: automobil počinje s benzinom, ali čim se motor zagrije i automobil podigne određenu brzinu, opskrba želučanim plinom čovjeka obrađen u GENeco tvornicama je uključen. Potrošači možda neće ni primijetiti razliku. No, glavni marketinški problem ostaje – ljudska negativna percepcija sirovina iz kojih se dobiva bioplin.

Solarni paneli

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

U rujnu 2014. automobil Stella nije uspio preći rutu od Los Angelesa do San Francisca, što je 560 km. Solarni automobil, koji je razvio tim s nizozemskog Sveučilišta u Eindhovenu, 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 listopadu 2014. studenti iz Eindhovena su sa svojim čudesnim automobilom sudjelovali na World Solar Challengeu, 3000 kilometara dugom reliju diljem Australije za automobile na solarni pogon.

Najbrži električni automobil na solarni pogon u ovom trenutku je Sunswift, a kreirao ga je tim studenata s australskog Sveučilišta New South Wales. Na testovima u kolovozu 2014. ovo solarno vozilo prešlo je 500 kilometara s jednim punjenjem baterije pri prosječnoj brzini od 100 km na sat, što je nevjerojatno za takvo vozilo.

Biodizel na otpadu od kuhanja

Godine 2011. USDA je surađivala s Nacionalnim laboratorijem za obnovljivu energiju na istraživanju alternativnih goriva. Jedan od iznenađujućih rezultata bio je zaključak o perspektivi korištenja biodizelskog goriva na bazi sirovina životinjskog podrijetla. Biodizel iz masnih ostataka 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. Prije se prerađivao u stočnu hranu, gnojivo i sapun, no početkom 1990-ih ekonomični Japanci su mu našli drugu namjenu, uspostavivši na temelju njega proizvodnju biljnog dizelskog goriva.

U usporedbi s benzinom, ova prilagođena benzinska postaja ispušta manje sumpornog oksida, glavnog uzroka kiselih kiša, u atmosferu i smanjuje druge otrovne ispušne emisije za dvije trećine. Kako bi novo gorivo učinili popularnijim, njegovi su proizvođači smislili zanimljivu shemu. Onaj tko pošalje deset serija plastičnih boca s iskorištenim jestivim uljem u tvornicu RTD dobit će 3,3 četvorna 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 iznosi 14 milijuna tona, što je po svom energetskom potencijalu ekvivalentno 7 milijuna tona nafte. U Rusiji bi otpad koji se stavlja u biodizel pokrio potrebu za transportom za 10 posto.

tekući vodik

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

Nekoliko velikih proizvođača sada u svojoj ponudi ima automobile na vodik. Jedan od najpoznatijih primjera je BMW Hydrogen 7, automobil s motorom s unutarnjim izgaranjem koji može raditi i na benzin i na tekući vodik. BMW Hydrogen 7 ima spremnik za benzin od 74 litre i spremnik za 8 kg tekućeg vodika.

Dakle, automobil može koristiti obje vrste goriva tijekom jednog putovanja: prebacivanje s jedne vrste goriva na drugu događa se automatski, a prednost se daje vodiku. Isti tip motora opremljen je, primjerice, hibridni vodik-benzinski automobil Aston Martin Rapide S. U njemu motor može raditi na obje vrste goriva, a prebacivanje između njih provodi inteligentni sustav za optimizaciju potrošnje te emisije štetnih tvari u atmosferu.

Vodikovo gorivo razvijat će i drugi automobilski divovi - Mazda, Nissan i Toyota. Vjeruje se da je tekući vodik ekološki siguran, jer kada se izgara u čistom kisiku, ne ispušta nikakve zagađivače.

zelene alge

Algalno gorivo je egzotičan način dobivanja energije za automobil. Razmotriti alge kao biogorivo 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. Prije su ih jeli, a sada su na temelju njih počeli proizvoditi 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 spremnicima, ali u budućnosti azijska proizvodna tvrtka obećava razvoj motora koji će omogućiti korištenje biokomponente na 100 posto.

U Sjedinjenim Državama također se pomno bavi pitanjem biogoriva na bazi algi. Propelov lanac benzinskih postaja u sjevernoj Kaliforniji počeo je prodavati Soladiesel biodizel javnosti. Gorivo se dobiva iz algi fermentacijom i naknadnim oslobađanjem ugljikovodika. Izumitelji biogoriva obećavaju 20% smanjenje emisije ugljičnog dioksida i značajno smanjenje toksičnosti u drugim aspektima.

Zapravo, pretvaranje automobila, aviona, brodova i lokomotiva u vodikovo gorivo vrlo je atraktivna ideja. Korištenje H 2 ne ostavlja ugljični otisak. Osobni automobil Toyota Mirai, koji radi na vodikove gorive ćelije, vozi 100 km, proizvodi oko pola kante vode. I to je to! Nema stakleničkih plinova. Nema toksičnih emisija. Nije li ovo odlična zamjena za ugljikovodična goriva? Zamjena je izvrsna, ali problem je što nam je priroda stvorila golema nalazišta nafte i plina, ali nalazišta vodika ne postoje. Najlakši element periodnog sustava obilno je prisutan u vanjskom svijetu, ali u obliku spojeva - uglavnom s ugljikom i kisikom. Za dobivanje vodika u slobodnom obliku potrebno je uništiti te spojeve, za što je potrebno potrošiti energiju, a na sadašnjoj razini razvoja tehnologije energija je puno veća nego što je tada možemo dobiti korištenjem vodika.

Sunčevo zračenje, plima, vjetar danas se nazivaju alternativnim izvorima energije, ali vodik nije među njima. H 2 je ekološki prihvatljivo gorivo, koje je u biti akumulator energije utrošene na njegovu proizvodnju (minus neizbježni gubici). 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 Toyotine prve masovno proizvedene gorive ćelije velike gustoće snage (3,2kW/L) Maksimalna snaga: 124kW 2. Boost pretvarač pretvara istosmjernu struju koju generira gorivna ćelija u izmjenični s povećanjem napona do 650 V 3. Nikl -metal-hidridna baterija pohranjuje energiju obnovljenu tijekom kočenja. Prilikom pokretanja napaja motor zajedno s gorivnom ćelijom 4. Visokotlačni cilindri Radni tlak unutra: 700 atm. Unutarnji volumen: 60L (prednja boca) 62,4L (stražnja boca) 5. Elektromotor AC sinkroni motor: maksimalna snaga 113 kW (153,6 KS) maksimalni okretni moment 335 Nm 6. Upravljačka jedinica kontrolira punjenje/pražnjenje gorivne ćelije i baterije 7 Dodatna oprema Vodik buster pumpa itd.

Prljavo čisto gorivo?

Više od polovice vodika u svijetu proizvodi se parnim reformiranjem metana - to je najjeftiniji i najpristupačniji način. U višestupanjskom procesu koji koristi visoke temperature i katalizatore, molekule metana se razlažu na vodik i ugljični monoksid (ugljični monoksid). Budući da se u procesu koristi fosilna goriva, nekako je nemoguće tako dobiveni vodik nazvati da ne daje “ugljični otisak”.

Još jedan prilično uobičajen industrijski proces je elektroliza, svima poznata iz školskih kemijskih pokusa. Ovdje više nema nafte, plina ili ugljena – obična voda se razlaže na kisik i vodik kada se na nju dovede električna energija. Ali odakle dolazi ta energija? Ako se pored proizvodnje vodika dimi termoelektrana na loživo ulje, onda ni ovdje s “ugljičnim otiskom” neće biti sve dobro. Energetski vizionari budućnosti govore o tvornicama vodika koje pokreću isključivo vjetroelektrane, solarne farme i drugi obnovljivi izvori. U ovom slučaju pojavit će se lanac proizvodnje goriva bez ugljika, ali to će zahtijevati veliko povećanje proizvodnih kapaciteta u području zelene energije.

Proizvodnja vodika biotehnologijom

O sudbini Hindenburga

Potpuni prijelaz na vodik zahtijevat će ne samo energetske resurse za njegovu proizvodnju, već i razvijenu infrastrukturu za njegov transport i skladištenje - cjevovode, željezničke spremnike, morske tankere, rezervoare, benzinske postaje. Jedan od glavnih razloga zašto je društvo donekle oprezno prema vodikovoj revoluciji je taj što je vodik vrlo hlapljiv i eksplozivan. Gdje će se vodik skladištiti, transportirati ili koristiti, potrebni su visokoosjetljivi plinski analizatori koji signaliziraju i najmanje curenje. Istina, pristaše aktivne upotrebe vodika tvrde da je opasnost pretjerana. Za razliku od teških plinova kao što je metan, lagani vodik koji iscuri iz cilindra odmah se diže i raspršuje. Primjer je priča o katastrofi zračnog broda Hindenburg, u kojoj je blještavi vodik gorio samo 32 sekunde, što je omogućilo 62 od 97 putnika da ne stradaju u požaru i prežive. No, u svakom slučaju, prisutnost na ulicama velikog broja vozila u kojima je eksplozivni plin pod pritiskom zahtijevat će novu razinu sigurnosti prometa.

Svi ovi čimbenici koji ograničavaju raširenu upotrebu vodika ukazuju na to da se prijelaz na novo gorivo neće dogoditi vrlo brzim tempom. Prodaja pionirske Toyote Mirai s pogonom na vodikove gorive ćelije, koja je započela 2015., tek se približava brojci od 3000 - i to na ogromnom tržištu koje uključuje ne samo Japan, već i SAD, EU i UAE. Očito je da će vodik kao gorivo još dugo koegzistirati i s tradicionalnim ugljikovodicima i s litij-ionskim baterijama (u električnim vozilima). Istodobno, vodikove tehnologije moći će se razvijati bržim tempom u nekim od najperspektivnijih niša, na primjer, u području električnih bespilotnih letjelica. Činjenica je da je učinkovitost vodikovih gorivnih ćelija vrlo visoka, zbog činjenice da se energija koja se oslobađa kada se vodik spoji s kisikom koristi izravno u električnu energiju, bez značajnih gubitaka u obliku topline, kao što bi se dogodilo pri sagorijevanju goriva. u Carnotovom ciklusu. Koristeći energiju goriva do maksimuma, UAV s gorivnim ćelijama može ostati u zraku mnogo dulje od drona s usporedivom težinom pri polijetanju, ali napaja se uobičajenom litij-ionskom baterijom.

Čvrsti vodik?

U našoj zemlji, vodeći u stvaranju vodikovo-zračnih gorivnih ćelija (HVFC) za UAV-ove, a ne samo Institut za probleme fizikalne kemije IPPC RAS ​​i Središnji institut za motore zrakoplovstva CIAM. Baranov. VVTE IPPC je u travnju 2016. osigurao rekordni let od 3 sata i 10 minuta konceptnog oktokoptera NELK-88 koji su zajednički proizveli NELK i IPPC RAS.

Shema postavljanja granula "čvrstog vodika" u krilo UAV-a

Ugrađeni vodikov sustav ima vrlo dobar VVTE i radi učinkovito, ali s pojavom komprimiranog vodika u bocama na brodu, pojavili su se problemi znatne težine i veličine. Osim toga, ostaje mogućnost istjecanja plina, što je nesigurno. Najnoviji materijali i tehnologije za teške uvjete rada nisu u potpunosti riješili ovaj problem.

Kako bi imali više vodika na brodu i u lakšem sustavu skladištenja, pokušali su prijeći na vodik ukapljen na temperaturi od -253°C, čija je gustoća tri puta veća od gustoće vodika komprimiranog na standardne tlakove od 300°C. –350 atm za sustave cilindara, što bi moglo povećati energetski intenzitet sustava. 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 vodik tako gusto nabijen da nema govora o njegovom curenju. Stoga je "čvrsti" vodik ozbiljan argument u rješavanju problema sigurnosti ljudi i opreme.

U različitim hidridima - natriju, magneziju, boru itd. - vodik postoji u težinskom omjeru u različitim količinama, a prvak je ovdje amonijak boran (borazan) s 20% udjela vodika. Da bi se dobio plinoviti vodik potreban za HVTE, dovoljno je pažljivo zagrijati amonijak boran na temperaturu od 85-100°C kako se ne bi otopio pjenom. Postizanje takve temperature na UAV-u nije problem: do nje tijekom rada, na primjer, VHTE se zagrijavaju.

Let na tabletima

Ne tako davno na ovim prostorima dogodila su se dva značajna događaja. Prvi je bio na samom početku veljače 2016. godine, kada je britanska tvrtka Cella Energy, zajedno sa Škotskom udrugom morskih znanosti SAMS, uspješno testirala tehnologiju čvrstog vodika na demonstratorskom dronu na poligonu Argyll. Prema planu, let je trajao deset minuta, bespilotna letjelica se podigla na visinu od 80 m.

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

Hidridni materijal izrađen je u obliku granula, koje su postavljene na tiskanu montažnu traku, što je omogućilo da se proizvede dosljedno, od granule do granule, njihovo pažljivo zagrijavanje iz ugrađenog izvora topline. Celline amonijak boran pelete bile su kvadratne veličine 1 cm, smještene su u cilindrični uložak plinskog generatora, u kojem se nakon ispuštanja plinovitog vodika održavao potreban radni tlak - inače, mali. Tehnologija pelet-in-cartridge omogućuje skalabilno punjenje goriva ovisno o specifičnom zadatku, što pruža fleksibilnost u korištenju drona.

Ništa neće biti izgubljeno

U proizvodnji granula borazana korištena je tehnologija nanostrukturiranja za dobivanje hidridnih nanočestica veličine 4-6 nm (30 puta manje od veličine zrna pijeska, kao što je bio slučaj s Cellaom), što je pridonijelo visokoj prinos vodika. 1 g strukturirane granule oslobađa više od 90-95% 1 litre plinovitog vodika s učinkovitošću.

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 - poliborazilen - se zasićenjem vodikom u prisutnosti posebnog katalizatora, na primjer, na bazi rutenija, dovodi u stanje amonijak-bora. Već postoji tehnologija regeneracije, prema kojoj se sve događa u "jednom kotlu" - točno u istrošenom ulošku, što proces čini sigurnim i pojednostavljuje proizvodni lanac.

Procjenjujući izglede vodika kao izvora energije, za njegovu proizvodnju i primjenu uglavnom se oslanjamo na postojeće tehnologije. Međutim, gotovo svaki dan se nešto novo događa na ovom području (što pokazuje brzi dolazak “čvrstog vodika”), a možda će nam vodikovo gospodarstvo s vremenom doći u potpuno drugačijem obliku.

Uvod

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

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

Čovjek živi u svemiru vodik-helij.

Stoga nas vodik jako zanima.

Utjecaj i upotreba vodika danas je vrlo velik. Gotovo sve trenutno poznate vrste goriva, osim, naravno, vodika, zagađuju okoliš. U gradovima naše zemlje uređenje se odvija svake godine, ali to, očito, nije dovoljno. Milijuni novih modela automobila koji se sada proizvode punjeni su gorivom koje ispušta plinove ugljični dioksid (CO 2) i ugljični monoksid (CO) u atmosferu. Udisati takav zrak i stalno biti u takvoj atmosferi vrlo 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” ispušnim plinovima. Želimo biti zdravi, i naravno, želimo da generacije koje će nas pratiti ne žale i ne pate od stalnog zagađenja zraka, već naprotiv, zapamtite i vjerujte poslovici: „Sunce, zrak i voda su naši najbolji prijatelji ."

U međuvremenu, ne mogu reći da se ove riječi opravdavaju. Pred vodom već uglavnom moramo zatvarati oči, jer sada, čak i ako uzmemo konkretno naš grad, poznate su činjenice da zagađena voda teče iz slavina, a ni u kojem slučaju je ne smijete piti.

Što se tiče zraka, 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, vodik, tada će naš planet krenuti putem koji vodi u ekološki raj. Ali sve su to maštarije i ideje, koje, na našu veliku žalost, neće uskoro postati stvarnost.

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

Koliko god pričali o pozitivnom učinku vodika, to se u praksi rijetko može vidjeti. No, još uvijek se razvijaju mnogi projekti, a svrha mog rada nije bila samo govoriti o najljepšem 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.

Vodik na Zemlji

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

1,5∙10 18 m 3 i da je maseni udio vodika u vodi 11,19%, postaje jasno da na Zemlji postoji neograničena količina sirovina za proizvodnju vodika. Vodik je uključen u naftu (10,9 - 13,8%), drvo (6%), ugljen (lignit - 5,5%), prirodni plin (25,13%). Vodik se nalazi u svim životinjskim i biljnim organizmima. Nalazi se i u vulkanskim plinovima. Glavnina vodika ulazi u atmosferu kao rezultat bioloških procesa. Kada se milijarde tona biljnih ostataka razgrađuju u anaerobnim uvjetima, značajna količina vodika se oslobađa u zrak. Ovaj vodik u atmosferi brzo se raspršuje i difundira u gornju atmosferu. Imajući malu masu, molekule vodika imaju visoku brzinu difuzijskog gibanja (blizu drugoj kozmičkoj brzini) i, ulazeći u gornje slojeve atmosfere, mogu odletjeti u svemir. Koncentracija vodika u gornjim slojevima atmosfere iznosi 1∙10 -4%.

Što je vodikova tehnologija?

Vodikova tehnologija je skup industrijskih metoda i sredstava za proizvodnju, transport i skladištenje vodika, kao i sredstava i metoda za njegovu sigurnu uporabu na temelju neiscrpnih izvora sirovina i energije.

Koja je privlačnost vodika i vodikove tehnologije?

Prijelaz prometa, industrije i svakodnevnog života na izgaranje vodika put je do radikalnog rješenja problema zaštite zračnog bazena od onečišćenja ugljičnim oksidima, dušikom, sumporom i ugljikovodicima.

Prijelaz na vodikovu tehnologiju i korištenje vode kao jedinog izvora sirovina za proizvodnju vodika ne može promijeniti ne samo vodnu ravnotežu planeta, već i ravnotežu vode pojedinih njegovih regija. Dakle, godišnja potražnja za energijom tako visoko industrijalizirane zemlje kao što je SRG može biti osigurana vodikom dobivenim iz takve količine vode koja odgovara 1,5% prosječnog protoka rijeke Rajne (2180 litara vode daje 1 toe u oblik H 2). Napominjemo usput da pred našim očima postaje stvarna jedna od briljantnih nagađanja velikog pisca znanstvene fantastike Julesa Vernea, koji ustima junaka ruma "Tajanstveni otok" (poglavlje XVII) izjavljuje: "Voda je ugljen budućih stoljeća."

Vodik dobiven iz vode jedan je od energetski najbogatijih energetskih nositelja. Uostalom, ogrjevna vrijednost 1 kg H 2 je (na najnižoj granici) 120 MJ/kg, dok je ogrjevna vrijednost benzina ili najboljeg ugljikovodika zrakoplovnog goriva 46–50 MJ/kg, t.j. 2,5 puta manje od 1 tone vodika odgovara svom energetskom ekvivalentu 4,1 tf, štoviše, vodik je visoko obnovljivo gorivo.

Za akumulaciju fosilnih goriva na našem planetu potrebni su milijuni godina, a za dobivanje vode iz vode u ciklusu dobivanja i korištenja vodika potrebni su dani, tjedni, a ponekad i sati i minute.

Ali vodik kao gorivo i kemijska sirovina ima niz drugih vrijednih kvaliteta. Svestranost vodika leži u činjenici da može zamijeniti bilo koju vrstu goriva u raznim područjima energetike, prometa, industrije, ali i u svakodnevnom životu. Zamjenjuje benzin u automobilskim motorima, kerozin u mlaznim motorima zrakoplova, acetilen u procesima zavarivanja i rezanja metala, prirodni plin za kućanstvo i druge namjene, metan u gorivnim ćelijama, koks u metalurškim procesima (izravna redukcija ruda), ugljikovodike u nizu mikrobiološkim procesima. Vodik se lako transportira kroz cijevi i distribuira malim potrošačima, može se dobiti i skladištiti u bilo kojoj količini. Istodobno, vodik je sirovina za niz važnih kemijskih sinteza (amonijak, metanol, hidrazin), za proizvodnju sintetskih ugljikovodika.

Kako i iz čega se trenutno proizvodi vodik?

Suvremeni tehnolozi imaju na raspolaganju stotine tehničkih metoda za proizvodnju vodikovog goriva, ugljikovodičnih plinova, tekućih ugljikovodika i vode. Izbor jedne ili druge metode diktiran je ekonomskim razmatranjima, dostupnošću odgovarajućih sirovina i energetskih resursa. U različitim zemljama mogu postojati različite situacije. Primjerice, u zemljama gdje postoji jeftin višak električne energije proizveden u hidroelektranama, vodik se može dobiti elektrolizom vode (Norveška); gdje ima puno krutog goriva, a ugljikovodici su skupi, vodik se može dobiti rasplinjavanjem krutog goriva (Kina); gdje je nafta jeftina, vodik se može dobiti iz tekućih ugljikovodika (Bliski istok). Međutim, većina vodika trenutno se proizvodi iz ugljikovodičnih plinova pretvorbom metana i njegovih homologa (SAD, Rusija).

Tijekom pretvorbe metana s vodenom parom, ugljičnim dioksidom, kisikom i ugljičnim monoksidom s vodenom parom, javljaju se sljedeće katalitičke reakcije. Razmotrimo proces dobivanja vodika pretvorbom prirodnog plina (metana).

Proizvodnja vodika 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.

Drugi stupanj je povezan s dodatnom pretvorbom zaostalog metana prve faze s atmosferskim kisikom i uvođenjem dušika u plinsku smjesu, ako se vodik koristi za sintezu amonijaka. (Ako se dobije čisti vodik, drugi stupanj možda u principu ne postoji).

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

I konačno, treća faza je pretvorba ugljičnog monoksida s vodenom parom:

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

Sve ove faze zahtijevaju vodenu paru, a prva faza zahtijeva puno topline, pa se proces u energetskom smislu provodi na način da se cijevne peći izvana zagrijavaju metanom izgaranim u pećima, a zaostala toplina dimnjaka koristi se za proizvodnju vodene pare.

Razmotrimo kako se to događa u industrijskim uvjetima (Shema 1). Prirodni plin, koji uglavnom sadrži metan, prethodno se pročišćava od sumpora, koji je otrov za katalizator konverzije, zagrijava se na temperaturu od 350 - 370 o C i miješa s vodenom parom pod tlakom od 4,15 - 4,2 MPa u omjeru volumeni pare: plin = 3,0: 4,0. Tlak plina ispred cijevne peći, točan omjer para: plin održavaju se automatskim regulatorima.

Nastala mješavina plinova i para na 350 - 370 o C ulazi u grijač, gdje se zbog dimnih plinova zagrijava do 510 - 525 o C. Zatim se plinsko-parna smjesa šalje u prvi stupanj konverzije metana - u cijevna peć, u kojoj se ravnomjerno raspoređuje na okomito smještene reakcijske cijevi (osam). Temperatura pretvorenog plina na izlazu iz reakcijskih cijevi doseže 790 - 820 o C. Preostali sadržaj metana nakon cijevne peći je 9 - 11 % (vol.). Cijevi su napunjene katalizatorom.

Od sada proizvođači automobila govore samo o razvoju vodika. Što je vodik? Razmotrimo to malo detaljnije.

Vodik je prvi element kemijske tablice, njegova atomska težina je 1. To je jedna od najčešćih tvari u svemiru, na primjer, od 100 atoma koji čine naš planet 17 je vodik.

Vodik je gorivo budućnosti. Ima puno prednosti u odnosu na druge vrste goriva i ima velike izglede da ga zamijeni. Može se koristiti u apsolutno svim granama moderne proizvodnje i transporta, čak se i plin na kojem se priprema hrana lako može bez ikakvih izmjena zamijeniti vodikom.

Zašto vodik do sada nije bio široko prihvaćen? Jedan od problema leži u tehnologijama za njegovu proizvodnju. Možda jedini učinkovit način za dobivanje u ovom trenutku je elektrolitička metoda - dobivanje iz tvari djelovanjem jake električne struje. No, trenutno se većina električne energije proizvodi u termoelektranama i stoga se postavlja pitanje: “Je li igra vrijedna svijeće?”. No, uvođenje atomske energije, energije vjetra i sunca u proizvodnju električne energije vjerojatno će ispraviti te probleme.

Ova tvar se nalazi u gotovo svim tvarima, ali najviše je u vodi. Kako je pisac znanstvene fantastike Jules Verne rekao: "Voda je ugljen budućih vjekova." Ova se izjava može pripisati kategoriji predviđanja. Ovog “uglja” na površini ima više nego bilo čega drugog, tako da ćemo još dugi niz godina biti opskrbljeni vodikom.

O ekološkoj čistoći vodika može se reći samo jedno: tijekom njegovog izgaranja i reakcija u gorivnim ćelijama nastaje voda i ništa osim vode.

Gorivna ćelija je možda najučinkovitiji način generiranja energije iz vodika. Radi na principu baterije: u gorivnoj ćeliji se nalaze dvije elektrode, između njih se kreće vodik, dolazi do kemijske reakcije, na elektrodama se pojavljuje električna struja i tvar se pretvara u vodu.

Razgovarajmo o korištenju vodika u automobilima. Ideja o zamjeni običnog bučnog i zadimljenog benzina s apsolutno čistim plinom pojavila se prije mnogo godina, kako u Europi tako iu SSSR-u. Ali razvoj u ovom području odvijao se s različitim stupnjevima uspjeha. A sada je došao vrhunac želje proizvođača automobila da steknu neovisnost od nafte. Svaka tvrtka koja poštuje sebe ima napredak u ovom području.

Vodik u automobilu može se koristiti na dva načina: ili izgarati u motoru s unutarnjim izgaranjem ili koristiti u gorivnim ćelijama. Većina novih konceptnih automobila koristi tehnologiju gorivnih ćelija. Ali tvrtke poput Mazde i BMW-a otišle su drugim putem, i to s dobrim razlogom.

Vozilo na gorive ćelije je jednostavan i iznimno pouzdan sustav, ali infrastruktura sprječava široku primjenu. Na primjer, ako kupite auto na gorive ćelije i koristite ga u našoj zemlji, morat ćete ići u Njemačku na točenje. A inženjeri BMW-a otišli su drugim putem. Napravili su automobil koji koristi vodik kao gorivo, a ovaj automobil može koristiti i benzin i vodik, poput mnogih modernih automobila opremljenih plinsko-benzinskim sustavom. Dakle, ako se u vašem gradu pojavi barem jedna benzinska postaja koja prodaje takvo gorivo, možete sigurno kupiti vodikov BMW Hydrogen 7.

Drugi problem s uvođenjem vodika je način njegovog skladištenja. Cijela 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 i najdeblje čelične stijenke polako, ali sigurno proći kroz njega. Ovaj problem sada rješavaju kemičari.

Još jedna prepreka je sam spremnik. 10 kg vodika može zamijeniti 40 kg benzina, ali činjenica je da 10 kg tvari zauzima volumen od 8000 litara! A ovo je cijeli olimpijski bazen! Kako bi se smanjio volumen plina, on se mora ukapljeni, a ukapljeni vodik mora biti sigurno i prikladno pohranjen. Spremnici današnjih automobila s vodikom teže oko 120 kg, gotovo dvostruko veći od standardnih spremnika. Ali ovaj će problem uskoro biti riješen.

Prednosti vodikovog goriva puno su veće od nedostataka. Vodik gori puno učinkovitije, nema štetnih emisija, ne proizvodi čađu, a to značajno produljuje vijek trajanja automobila. Vodik je lako obnovljivo gorivo, tako da priroda neće zadobiti malu ili nikakvu štetu.

Glavna prepreka vodikovoj tehnologiji je infrastruktura. Vrlo malo benzinskih postaja u svijetu trenutno je spremno napuniti automobil vodikom, iako Honda već proizvodi automobile na vodik, a BMW se priprema za proizvodnju. U zemljama bivšeg Sovjetskog Saveza uopće se ne može sanjati o automobilu na vodik. Prije pojave vodikovih benzinskih postaja, trebat će više od godinu dana, a možda i desetak godina. Ostaje za vidjeti kada ćemo zajedno s cijelim svijetom početi spašavati planet od ekološke katastrofe.

Ruski znanstvenici došli su do novog goriva koje je 100 puta jeftinije od dizel goriva, učinkovitije i lakše za proizvodnju... Mislite li da je netko bio sretan zbog ovoga? Ništa se nije dogodilo! Moskovski ministri već 3 godine ganjaju zrak po svojim uredima - očito još razmišljaju kako najbolje provesti direktnu naredbu o provedbi koju su dobili na izvršenje. A oni koji su dali ovu naredbu, također se ispostavilo da nisu zainteresirani za njegovu brzu provedbu, jer. ne sprječavajte ministre da nekažnjeno sabotiraju rješavanje životno važnih zadataka za Rusiju i ostatak svijeta. Pa razmislite sada: za koga ti ministri zapravo rade? Lavochkin je smislio temeljno novu vrstu goriva na bazi strukturirane vode. Ali ispada da današnji kraljevi ne trebaju njihov izum! Čak ih onemogućava da nas tjeraju u bijeg prema potpunom iscrpljivanju ugljikovodičnih goriva i ekološkoj katastrofi na nekoć lijepoj planeti Zemlji...