Почему водород экологически чистое топливо. Производство экологически чистых видов горючего для автомобильных топлив. От водорода - к топливным элементам

25.10.2019

Кто придумал водородный двигатель?

Как и многие высокие технологии, данная идея пришла к нам с запада. Первый водородный двигатель разработал и создал американский инженер и учёный Браун. Первая компания, которая использовала данный двигатель, была японская «Honda». Но этой автомобильной компании пришлось на многое пойти ради воплощения в жизнь «автомобиля будущего». Во время создания авто были задействованы на несколько лет все лучшие инженеры и умы компании! Им всем пришлось приостановить производство некоторых автомобилей. И что самое главное, они отказались от участия в Формуле 1, так как все работники, которые были задействованы в создании болидов, стали разрабатывать автомобиль на водороде.

Плюсы водорода как топлива

Водород является самым распространенным элементом во вселенной, абсолютно всё в нашей жизни состоит из него, все окружающие нас предметы имеют хоть маленькую, но частицу водорода. Именно этот факт очень приятный для человечества, ведь в отличие от нефти, водород не закончится никогда, и нам не придётся экономить на топливе.
Он является абсолютно экологически чистым! В отличие от бензинового, водородный двигатель не выделяет вредных газов, которые негативно влияли бы на экологию. Выхлопами, которые выделяет такой силовой агрегат, является обычная пара.
Водород, который используется в двигателях, очень воспламеняем, и автомобиль будет хорошо заводиться и передвигаться, независимо от погоды. То есть нам больше не потребуется зимой прогревать автомобиль перед поездкой.
На водороде даже маленькие двигатели будут очень мощными и чтобы создать самый быстрый автомобиль, больше не потребуется строить агрегат размером с танк.

Конечно есть и минусы в этом топливе:

Дело в том, что вопреки тому, что это безграничный материал, и он имеется повсюду, его очень тяжело добывать. Хотя для человечества это не проблема. Научились добывать нефть среди океана, пробурив его дно, научимся и водород брать с земли.
Вторым минусом является недовольство нефтяных магнатов. Зразу после начала прогрессивного развития данной технологии, большинство проектов были закрыты. По слухам, всё это связано с тем, что если заменить бензин водородом, то самые богатые люди планеты останутся без дохода, а они этого позволить не могут.

Способы добычи водорода в качестве использования в виде энергии

Водород не является чистым ископаемым вроде нефти и угля, нельзя так просто взять выкопать и использовать его. Для того, чтобы он стал энергией, его нужно раздобыть и испоьлзовать некоторую энергию для его переработки, после чего этот самый распространенный химический элемент станет топливом.

Практикуемым на данный день способом добычи водородного топлива является так называемый «паровой риформинг». Чтобы переработать обычный водород в топливо, используются углеводы, которые состоят из водорода и углерода. При химических реакциях, при определенной температуре выделяется огромное количество водорода, который и можно использовать в качестве топлива. Данное топливо не будет выделять вредных веществ в атмосферу во время эксплуатации, однако во время его добычи выделяется огромное количество углекислого газа, который плохо влияет на экологию. Поэтому данный метод хоть и является эффективным, он не должен браться в основу по добыче альтернативного топлива.

Есть двигатели, для которых подойдёт и чистый водород, они сами перерабатывают данный элемент в топливо, однако, как и при предыдущем способе, здесь также наблюдается огромное количество выбросов углекислого газа в атмосферу.

Очень эффективным способом добычи альтернативного топлива в виде водорода является электролиз. Электрический ток пускают в воду, вследствии чего она распадается на водород и кислород. Данный метод является дорогим и хлопотным, однако экологически чистым. Единственным отходом от получения и эксплуатации топлива является кислород, который лишь позитивно повлияет на атмосферу нашей планеты.

А самым перспективным и дешёвым способом получения водородного топлива является переработка аммиака. При необходимой химической реакции аммиак распадается на азот и водород, при чём водорода получается в трижды больше, ежели азота. Данный метод лучше тем, что он немного дешевле и менее затратный. Кроме того, аммиак легче и безопаснее транспортировать, а по прибытию к месту доставки, следует запустить химическую реакцию, выделить азот и топливо готово.

Искусственный шум

Двигатели на водородном топливе практически бесшумны, поэтому на автомобилях, которые эксплуатируются или будут входить в эксплуатацию, устанавливается так называемый «искусственный шум автомобиля», - для предотвращения аварий на дорогах.

Ну что же, друзья, мы с вами стоим на пороге грандиозного перехода от бензина, который уничтожает всю нашу экосистему, до водорода, который наоборот её восстанавливает!

Многие годы исследователи бьются над поиском альтернативы бензину как основному типа топлива для автотранспорта. Экологические и ресурсные причины нет смысла перечислять - о токсичности выхлопных газов не говорит только ленивый. Решение проблемы ученые находят в самых, порой, необычных видах топлива. Recycle выбрал наиболее интересные идеи, бросающие вызов топливной гегемонии бензина.

Биодизель на растительных маслах

Биодизель - разновидность биотоплива на основе растительных масел, которая применяется как в чистом виде, так и в качестве различных смесей с дизельным топливом. Идея применения растительного масла в качестве топлива принадлежит еще Рудольфу Дизелю, который в 1895 году создал первый дизельный двигатель для работы на растительном масле.

Как правило, для получения биодизеля используют рапсовое, подсолнечное и соевое масла. Разумеется, сами по себе растительные масла в качестве топлива в бензобак не заливаются. В растительном масле содержатся жиры — эфиры жирных кислот с глицерином. В процессе получения «биосоляры» эфиры глицерина разрушают и заменяют глицерин (он выделяется как побочный продукт) на более простые спирты — метанол и, реже, этанол. Это и становится компонентом биодизеля.

Во многих европейских странах, а также в США, Японии и Бразилии, биодизель уже стал неплохой альтернативой обычному бензину. Так, в Германии рапсовый метиловый эфир продается уже более чем на 800 заправочных станциях. В июле 2010 года в странах Евросоюза работали 245 заводов по производству биодизеля суммарной мощностью 22 млн тонн. Аналитики компании Oil World прогнозируют, что к 2020 г. доля биодизеля в структуре потребляемого моторного топлива в Бразилии, Европе, Китае и Индии составит 20%.

Биодизель — экологичное топливо для транспорта: в сравнении с обычным дизельным топливом он почти не содержит серы и при этом подвергается практически полному биологическому распаду. В почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биодизеля — это минимизирует степень загрязнения рек и озёр.

Сжатый воздух

Модели пневмоавтомобилей — машин, ездящих на сжатом воздухе — выпущены уже несколькими компаниями. Инженеры Peugeot в свое время произвели фурор в автомобильной индустрии, заявив о создании гибрида, у которого в помощь к двигателю внутреннего сгорания добавляется энергия сжатого воздуха. Французские инженеры рассчитывали, что такая разработка поможет малолитражкам сократить расход топлива до 3 л на 100 км. Специалисты Peugeot утверждают, что в городе пневмогибрид может до 80% времени передвигаться на сжатом воздухе, не создав ни миллиграмма вредных выбросов.

Принцип работы «воздухомобиля» довольно прост: в движение машину приводит не сгорающая в цилиндрах мотора бензиновая смесь, а мощный поток воздуха из баллона (давление в баллоне — около 300 атмосфер). Пневматический мотор конвертирует энергию сжатого воздуха во вращение полуосей.

К сожалению, машины целиком на сжатом воздухе или air-гибриды создаются, в основном, мизерными партиями — для работы в специфических условиях и на ограниченном пространстве (например, на производственных площадках, требующих максимального уровня пожарной безопасности). Хотя существуют некоторые модели и для «стандартных» покупателей.

Экологически чистый микрогрузовичок Gator от компании Engineair - первый в Австралии автомобиль на сжатом воздухе, поступивший в реальную коммерческую эксплуатацию. Его уже можно видеть на улицах Мельбурна. Грузоподъёмность - 500 кг, объём баллонов с воздухом - 105 литров. Пробег грузовичка на одной заправке - 16 км.

Продукты жизнедеятельности

До чего дошел прогресс — некоторым автомобилям для работы двигателя нужен не бензин, а попадающие в канализацию отходы жизнедеятельности человека. Такое чудо автопрома создали в Великобритании. На улицы Бристоля выкатили автомобиль, который использует в качестве топлива метан, выделенный из человеческих экскрементов. Прототипической моделью стал Volkswagen Beetle, а производитель машины VW Bio-Bug на инновационном топливе - компания GENeco. Установленный на кабриолете «Фольксваген» перерабатывающий фекалии двигатель позволил проехать 15 тысяч километров.

Изобретение GENeco поспешили назвать прорывом во внедрении энергосберегающих технологий и экологически чистого топлива. Обывателю идея кажется сюрреалистической, поэтому стоит разъяснить: в автомобиль загружается, конечно, уже переработанное топливо — в виде готового к использованию метана, полученного заблаговременно из отходов жизнедеятельности.

При этом двигатель VW Bio-Bug использует два вида топлива одновременно: машина стартует от бензина, но, как только двигатель прогревается, а автомобиль набирает определенную скорость, включается подача переработанного на заводах GENeco человеческого желудочного газа. Потребители могут даже не заметить разницы. Впрочем, остается главная маркетинговая проблема — человеческое негативное восприятие того сырья, из которого получают биогаз.

Солнечные батареи

Производство автомобилей, питающихся солнечной энергией — пожалуй, самое развитое направление автопрома, ориентированного на использование эко-топлива. Машины на солнечных батареях создаются по всему миру и в самых разных вариациях. Еще в 1982 году изобретатель Ханс Толструп на солнцемобиле «Quiet Achiever» («Тихий рекордсмен») пересёк Австралию с запада на восток (правда, со скоростью всего лишь 20 км в час).

В сентябре 2014 года автомобилю Stella на удалось проехать маршрут от Лос-Анджелеса до Сан-Франциско, а это 560 км. Солнцемобиль, разработанный группой из голландского Университета Эйндховена, оснащён панелями, собирающими солнечную энергию, и 60-килограммовым блоком батарей ёмкостью шесть киловатт-часов. Stella имеет среднюю скорость 70 км в час. При отсутствии солнечного света запаса батарей хватает на 600 км. В октябре 2014 года студенты из Эйндховена на своей чудо-машине приняли участие в World Solar Challenge — 3000-километровой ралли по Австралии для машин на солнечных батареях.

Самым скоростным электрокаром на солнечных батареях на данный момент является Sunswift, созданный командой студентов из австралийского Университета Нового Южного Уэльса. На испытаниях в августе 2014 года этот солнцемобиль на одном заряде аккумулятора преодолел 500 километров с потрясающей для такого транспорта средней скоростью 100 км в час.

Биодизель на кулинарных отходах

В 2011 году Министерство сельского хозяйства США вместе с Национальной лабораторией возобновляемых видов энергии проводило исследование альтернативных типов топлива. Одним из удивительных результатов стал вывод о перспективности использования биодизельного топлива на основе сырья животного происхождения. Биодизель из остатков жиров — технология еще не слишком развитая, но уже используемая в азиатских странах.

Каждый год в Японии после приготовления национального блюда, тэмпура, остается приблизительно 400 тысяч тонн использованного кулинарного жира. Раньше он перерабатывался в корм для животных, удобрения и мыло, однако в начале 1990-х годов экономные японцы нашли ему еще одно применение, наладив на его основе производство растительного дизельного топлива.

По сравнению с бензином такой нестандартный вид автозаправки выделяет в атмосферу меньшее количество окиси серы — главной причины кислотных дождей — и на две трети сокращает количество других ядовитых выбросов выхлопных газов. Чтобы сделать новое топливо более популярным, его производители придумали любопытную схему. Каждому, кто пришлет на завод по выработке РДТ десять партий пластмассовых бутылок с использованным кулинарном жиром, выделяется 3,3 квадратных метра леса в одной из японских префектур.

До России технология в таком объеме еще не дошла, а зря: ежегодное количество отходов российской пищевой промышленности составляет 14 млн тонн, что по своему энергетическому потенциалу эквивалентно 7 млн тонн нефти. В России пущенные на биодизель отходы закрыли бы потребность транспорта на 10 процентов.

Жидкий водород

Жидкий водород уже давно считается одним из главных видов топлива, способных бросить вызов бензину и дизелю. Транспортные средства на водородном топливе не являются редкостью, но в силу многих факторов так и не завоевали широкую популярность. Хотя в последнее время благодаря новой волне озабоченности «зелеными» технологиями идея водородного двигателя приобрела новых сторонников.

Сразу несколько крупных производителей сейчас имеют в своем модельном ряду машины с водородным двигателем. Один из самых известных примеров - BMW Hydrogen 7, автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, который может работать и на бензине, и на жидком водороде. BMW Hydrogen 7 имеет бензиновый бак на 74 литра и резервуар для хранения 8 кг жидкого водорода.

Таким образом, автомобиль может использовать оба вида топлива во время одной поездки: переключение с одного типа горючего на другое происходит автоматически, при этом предпочтение отдается водороду. Таким же типом двигателя оснащен, например, гибридный водородно-бензиновый автомобиль Aston Martin Rapide S. В нем двигатель может работать на обоих видах топлива, а переключение между ними осуществляет интеллектуальная система оптимизации расхода и выбросов вредных веществ в атмосферу.

Водородное топливо собираются осваивать и другие авто-гиганты - Mazda, Nissan и Toyota. Считается, что жидкий водород экологически безопасен, так как при горении в среде чистого кислорода не выделяет никаких загрязняющих веществ.

Зеленые водоросли

Водорослевое топливо — экзотичный способ получения энергии для автомобиля. Рассматривать водоросли в качестве биотоплива стали, прежде всего, в США и Японии.

Япония не обладает большим запасом плодородных земель для выращивания рапса или сорго (которые используются в других странах для получения биотоплива из растительных масел). Зато Страна Восходящего Солнца добывает огромное количество зеленых водорослей. Раньше их употребляли в пищу, а сейчас на их основе стали делать заправку для современных автомобилей. Не так давно в японском городе Фудзисава на улицах появился пассажирский автобус DeuSEL от компании Isuzu, который передвигается на топливе, часть которого получена на основе водорослей. Одним из главных элементов стала эвглена зеленая.

Сейчас «водорослевые» добавки составляют всего несколько процентов от общей массы топлива в транспортных баках, но в будущем азиатская компания-производитель обещает разработать двигатель, который позволит использовать биосоставляющую на все 100 процентов.

В США тоже плотно занялись вопросом биотоплива на базе водорослей. Сеть заправок Propel в Северной Калифорнии начала продажи биодизеля Soladiesel всем желающим. Топливо получают из водорослей путем их сбраживания и последующего выделения углеводородов. Изобретатели биотоплива обещают двадцатипроцентное уменьшение выбросов углекислоты и заметное снижение токсичности по другим показателям.

На самом деле перевести автомобили, самолеты, корабли и локомотивы на водородное топливо — весьма привлекательная идея. Применение H 2 не оставляет «углеродного следа». Легковой автомобиль Toyota Mirai, работающий на водородных топливных батареях, проезжая 100 км, производит около полуведра воды. И все! Никаких парниковых газов. Никаких токсичных выбросов. Разве это не прекрасная замена углеводородному топливу? Замена отличная, но проблема в том, что природа создала нам обширные месторождения нефти и газа, а вот месторождений водорода не существует. Самый легкий элемент таблицы Менделеева обильно наличествует в окружающем мире, но в виде соединений — в основном с углеродом и кислородом. Чтобы получить водород в свободном виде, требуется эти соединения разрушить, для чего необходимо затратить энергию, причем при нынешнем уровне развития технологий энергию намного бóльшую, чем мы сможем потом получить, утилизировав водород.

Излучение Солнца, приливы, ветер называют сегодня альтернативными источниками энергии, но водород в их ряду не стоит. H 2 — это экологически чистое топливо, которое по сути является аккумулятором энергии, затраченной на его производство (за вычетом неизбежных потерь). Есть целый ряд ныне применяемых и перспективных технологий производства водорода, но основные подразделяются на два типа: оторвать водород от углерода и оторвать водород от кислорода.

Как устроен автомобиль Toyota Mirai

1. Блок топливных элементов Использованы первые серийно производимые концерном Toyota топливные элементы с высокой удельной мощностью на единицу объема (3,2 кВт/л) Максимальная мощность: 124 кВт 2. Повышающий преобразователь превращает постоянный ток, вырабатываемый топливным элементом, в переменный с повышением напряжения до 650 В 3. Никель-металл-гидридный аккумулятор запасает энергию, рекуперируемую при торможении. При трогании с места питает двигатель совместно с топливным элементом 4. Баллоны высокого давления Рабочее давление внутри: 700 атм. Внутренний объем: 60 л (передний баллон) 62,4 л (задний баллон) 5. Электрический мотор Синхронный электродвигатель переменного тока: максимальная мощность — 113 кВт (153,6 л.с.) максимальный крутящий момент — 335 Нм 6. Блок управления управляет топливным элементом, а также зарядкой/разрядкой аккумуляторной батареи 7 Дополнительные приспособления Насос для подкачки водорода и проч.

Грязное чистое топливо?

Более половины водорода в мире производится методом паровой конверсии метана — это самый дешевый и доступный способ. В многоэтапном процессе с применением высоких температур и катализаторов молекулы метана разлагаются на водород и угарный газ (моноксид углерода). Поскольку в процессе используется ископаемое топливо, назвать полученный таким путем водород не дающим «углеродного следа» как-то не получается.

Другой достаточно распространенный промышленный процесс — это электролиз, знакомый всем еще по школьным химическим опытам. Здесь уже нет ни нефти, ни газа, ни угля — на кислород и водород разлагается обычная вода при приложении к ней электрической энергии. Но откуда эта энергия? Если рядом с водородным производством чадит тепловая электростанция на мазуте, то и здесь с «углеродным следом» будет все не очень хорошо. Визионеры энергетики будущего говорят о водородных фабриках, питающихся электричеством исключительно от ветропарков, солнечных электростанций и других возобновляемых источников. В этом случае появится действительно безуглеродная цепочка выработки топлива, но это потребует колоссального прироста генерирующих мощностей в сфере «зеленой» энергетики.

Производство водорода с применением биотехнологий

О судьбе «Гинденбурга»

Для тотального перехода на водород потребуются не только энергоресурсы для его производства, но и развитая инфраструктура для его транспортировки и хранения — трубопроводы, железнодорожные цистерны, морские танкеры, резервуары, автозаправки. Одна из главных причин несколько настороженного отношения общества к водородной революции заключается в том, что водород очень летуч и взрывоопасен. Там, где будет храниться, транспортироваться или использоваться водород, необходимо наличие высокочувствительных газоанализаторов, которые просигналят о малейшей утечке. Правда, сторонники активного использования водорода утверждают, что опасность преувеличена. В отличие от тяжелых газов типа метана, утекший из баллона легкий водород мгновенно поднимается вверх и развеивается. В пример приводят историю катастрофы дирижабля «Гинденбург», в котором вспыхнувший водород горел всего 32 секунды, что позволило 62 из 97 пассажиров не сгинуть в огне и выжить. Но в любом случае присутствие на улицах большого количества транспортных средств, в которых под давлением находится взрывоопасный газ, потребует нового уровня безопасности движения.

Все эти факторы, ограничивающие широкое применение водорода, свидетельствуют в пользу того, что переход на новое топливо будет происходить не очень быстрыми темпами. Продажи пионерской Toyota Mirai на водородных топливных элементах, начавшиеся в 2015 году, приблизились лишь к рубежу 3000 штук — и это на огромном рынке, в который входят не только Япония, но и США, ЕС, ОАЭ. Очевидно, что водород как топливо будет еще долго соседствовать как с традиционными углеводородами, так и с литий-ионными аккумуляторами (в электромобилях). При этом опережающими темпами водородные технологии смогут развиваться в отдельных наиболее перспективных нишах, например в сфере электрических БПЛА. Дело в том, что КПД водородного топливного элемента очень высок, за счет того что энергия, выделяемая при соединении водорода с кислородом, утилизуется непосредственно в электричество, без значительных потерь в виде тепла, как это происходило бы при сжигании топлива в цикле Карно. Используя энергию топлива по максимуму, БПЛА с топливным элементом может оставаться в воздухе гораздо дольше, чем беспилотник с сопоставимой взлетной массой, но питающий двигатель от широко применяемых литий-ионных аккумуляторов.

Твердый водород?

В нашей стране лидерами в создании водородно-воздушных топливных элементов (ВВТЭ) для БПЛА и не только являются Институт проблем физической химии ИПФХ РАН и Центральный институт авиационного моторостроения ЦИАМ им. Баранова. ВВТЭ ИПФХ в апреле 2016 года обеспечил рекордный полет длительностью 3 часа 10 минут октокоптера-концепта НЕЛК-88 совместного производства компании НЕЛК и ИПФХ РАН.

Схема размещения гранул «твердого водорода» в крыле БПЛА

Водородная бортовая система обладает очень хорошим ВВТЭ и эффективно работает, но с появлением на борту сжатого баллонного водорода возникли проблемы немалого веса и габарита. Кроме того, сохраняется вероятность утечки газа, что небезопасно. Новейшие сверхпрочные материалы и технологии до конца эту проблему не решили.

Чтобы иметь на борту водорода побольше и в более легкой системе хранения, пробовали перейти на сжиженный при температуре -253°C водород, плотность которого втрое выше плотности водорода, сжатого до стандартных для баллонных систем давлений 300−350 атм., что могло бы увеличить энергоемкость системы. Но проблемы с сосудом Дьюара, термоизоляцией, заправкой и т. п. от такой идеи заставили отказаться. Выход был найден, когда вспомнили о твердых металлических гидридах. В гидриде водород настолько плотно запакован, что о каких-либо его просачиваниях речи не идет. Поэтому «твердый» водород — это серьезный аргумент в решении проблемы безопасности и людей, и техники.

В разных гидридах — натрия, магния, бора и др. — водород в весовом отношении существует в разном количестве, и чемпионом здесь является боран аммиака (боразан) с 20%-ным содержанием водорода. Для получения необходимого для ВВТЭ газообразного водорода боран аммиака достаточно осторожно нагреть, чтобы не было его плавления с пенообразованием, до температуры 85−100°С. Получение такой температуры на борту БПЛА не проблема: до нее при работе, например, нагреваются ВВТЭ.

Полет на таблетках

Не так давно в этой сфере произошло два знаковых события. Первое — в самом начале февраля 2016 года, когда британская компания Cella Energy совместно с шотландской ассоциацией морских наук SAMS на полигоне в Аргайле провела успешные испытания твердоводородной технологии на беспилотнике-демонстраторе. По плану полет продолжался десять минут, БЛА поднимался на высоту 80 м.

Второе событие имело место в середине февраля 2016 года в Сингапуре, накануне открытия там Air Show 2016. Тогда серийный мини-БЛА Skyblade 360 UAV компании HES Energy Systems осуществил управляемый полет в течение шести часов и суммарно налетал 300 км со скоростью 50−55 км/ч. В обоих случаях разработчики использовали похожие технологии изготовления материала-носителя водорода и получения из него водорода газообразного.

Материал гидрида был изготовлен в виде гранул, которые размещались на печатной монтажной ленте, что делало удобным производить последовательный, от гранулы к грануле, их осторожный нагрев от бортового источника тепла. Гранулы компании Cella из бoрана аммиака имели квадратное сечение со стороной 1 см. Они были помещены в картридж-газогенератор цилиндрической формы, в котором после выделения газообразного водорода поддерживался необходимый уровень рабочего давления — кстати, небольшой. Технология «гранулы в картридже» позволяет масштабировать топливную загрузку в зависимости от конкретного задания, что обеспечивает гибкость в применении беспилотника.

Ничего не пропадет

При производстве гранул боразана использовалась технология наноструктурирования с получением наночастиц гидрида размером 4−6 нм (в 30 раз меньше размеров песчинки, как это было у компании Cella), и это способствовало высокой отдаче водорода. 1 г структурированной гранулы отдает с эффективностью более 90−95% 1 л газообразного водорода.

Но что делать с отработавшим картриджем, в котором после извлечения водорода из гидрида остается много полезного материала? Конечно, такой картридж никто не собирается выбрасывать, а оставшийся в нем остаток — полиборазилен — восстанавливают до состояния борана аммиака насыщением водородом в присутствии специального катализатора, например, на основе рутения. Уже имеется технология регенерации, по которой все происходит в «одном котле» — прямо в отработавшем картридже, что делает процесс безопасным и упрощает производственную цепочку.

Оценивая перспективы водорода как источника энергии, мы в основном опираемся на существующие технологии его производства и применения. Однако чуть ли не каждый день в этой сфере происходит что-то новое (что показывает стремительное пришествие «твердого водорода»), и, возможно, водородная экономика придет к нам в итоге в совершенно ином обличье.

Введение

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

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

Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной.

Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес.

Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением, разумеется, водорода, загрязняют окружающую среду. В городах нашей страны ежегодно проходит озеленение, но этого, как видно, недостаточно. В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО 2) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья. От этого происходят различные заболевания, многие из которых практически не поддаются лечению, а уж тем более невозможно лечить их, продолжая находиться в можно сказать «заражённой» выхлопными газами атмосфере. Мы хотим быть здоровыми, и разумеется, хотим, чтобы поколения, которые пойдут за нами, тоже не жаловались и не страдали от постоянного загрязняемого воздуха, а наоборот, помнили и доверяли пословице: «Солнце, воздух и вода – наши лучшие друзья».

А пока я не могу сказать, что эти слова оправдывают себя. На воду нам уже вообще приходится закрывать глаза, поскольку сейчас, если даже брать конкретно наш город, известны факты, что из кранов течёт загрязнённая вода, и пить её ни в коем случае нельзя.

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

Несмотря на то, что наш мир приближается к экологическому кризису, все страны, даже те, которые в большей степени загрязняют своей промышленностью окружающую среду, (ФРГ, Япония, США, и как это не прискорбно – Россия) не торопятся паниковать и начинать экстренную политику по её очищению.

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

Водород на Земле

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

1,5∙10 18 м 3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1∙10 -4 %.

Что такое водородная технология?

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

В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?

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

Переход на водородную технологию и использование воды в качестве единственного источника сырья для получения водорода не может изменить не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных её регионов. Так, годовая энергетическая потребность такой высокоиндустриальной страны, как ФРГ, может быть обеспечена за счёт водорода, полученного из такого количества воды, которое соответствует 1,5% среднего стока реки Рейн (2180 л воды дают 1 тут в виде H 2). Отметим попутно, что на наших глазах становится реальной одна из гениальных догадок великого фантаста Жюля Верна, который устами героя рома «Таинственный остров» (гл. XVII) заявляет: «Вода – это уголь будущих веков».

Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H 2 составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива – 46 – 50 МДж/кг, т.е. в 2,5 раза меньше 1 т водорода соответствует по своему энергетическому эквиваленту 4,1 тут, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.

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

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

Как и из чего в настоящее время получают водород?

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

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

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

CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 – 206,4 кДж/моль

CH 4 +CO 2 = 2CO + 2H 2 – 248, 3 кДж/моль.

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

CH 4 + 0,5O 2 = CO + 2H 2 + 35,6 кДж/моль.

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

CO + H 2 O = СO 2 + H 2 + 41,0 кДж/моль.

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

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

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

С ейчас автопроизводители только и говорят о водородных разработках. Что же такое водород? Рассмотрим его немного подробнее.

Водород – первый элемент химической таблицы, его атомные вес равен 1. Это одно из самых распространенных веществ во вселенной, например из 100 атомов из которых состоит наша планета 17 – водород.

Водород — топливо будущего. Он имеет массу преимуществ по сравнению с другими видами топлива и имеет огромные перспективы его заменить. Он может быть использован абсолютно во всех отраслях современного производства и транспорта, даже газ, на котором готовиться пища, можно запросто, без каких либо переделок, заменить на водород.

Почему же водород не получил до сих пор широкого внедрения? Одна из проблем заключается в технологиях его получения. Пожалуй, единственным эффективным на данный момент способом его получения является электролитический способ – получение из вещества воздействием сильного электрического тока. Но на данный момент, большая часть электричества получается на теплоэлектростанциях, и поэтому возникает вопрос «А стоит ли игра свеч?». Но внедрение в производство электричества атомной энергии, энергии ветра и солнца, наверное, исправит эти проблемы.

Это вещество содержится практически во всех веществах, но больше всего его в воде. Как сказал писатель-фантаст Жюль Верн: «Вода – это уголь будущих веков». Это высказывание можно отнести к разряду предсказаний. Этого «угля» на поверхности больше чем чего либо еще, так что водородом мы будем обеспечены на долгие годы.

Об экологической чистоте водорода можно сказать только одно: при его сгорании и реакциях в топливных элементах образуется вода и ничего кроме воды.

Топливный элемент – пожалуй, самый эффективный способ получения энергии из водорода. Он работает по принципу батарейки: в топливном элементе имеется два электрода, между ними движется водород, происходит химическая реакция, на электродах появляется электрический ток, а вещество превращается в воду.

Поговорим о применении водорода в автомобилях. Идея замены обычного шумного и дымного бензина на абсолютно чистый газ возникла много лет назад, причем как в Европе так и в СССР. Но разработки в этой сфере велись с переменным успехом. А сейчас наступил апогей желания автопроизводителей получить независимость от нефти. Каждая, уважающая себя, компания имеет разработки в этой сфере.

Hydrogen в автомобиле может быть использован двумя способами: или сжигаться в двигателе внутреннего сгорания, или использоваться в топливных элементах. Основное количество новых концепткаров используют технологии топливных элементов. Но такие компании как Mazda и BMW пошли по второму пути и на это есть веские причины.

Автомобиль на топливных элементах – простая и чрезвычайно надежная система, но ее широкому распространению мешает инфраструктура. Например, если купить автомобиль на топливных элементах и использовать его в нашей стране, то на заправку придется ездить в Германию. А инженеры BMW пошли другим путем. Они построили автомобиль, использующий водород как горючее топливо, причем этот автомобиль может использовать как бензин, так и водород, как многие современные автомобили, оснащенные системой питания газ-бензин. Таким образом, если в вашем городе появилась хотя бы одна заправка, торгующая таким топливом – вы смело можете покупать водородный BMW Hydrogen 7.

Еще одной проблемой внедрения водорода — является его способ хранения. Вся сложность заключается в том, что атом водорода – самый маленький по размерам в химической таблице, а это значит, что он может проникать практически сквозь любое вещество. Это значит, что даже самые толстые стальные стенки будут медленно, но верно его пропускать. Эта проблема сейчас решается химиками.

Еще одна загвоздка – сам бак. 10 кг водорода могут заменить 40 кг бензина, но дело в том, 10 кг вещества занимают объем 8000 л.! А это целый олимпийский бассейн! Для уменьшения объема газа его нужно сжижать, а сжиженный водород надо безопасно и удобно хранить. Баки современных водородных автомобилей весят около 120 кг, что почти в два раза больше стандартных баков. Но и эта проблема скоро будет решена.

Преимуществ у водородного топлива намного больше чем недостатков. Водород сгорает намного эффективнее, не имеет вредных веществ выхлопе, не производит сажи, а это значительно увеличивает ресурс автомобилей. Водород – легко возобновляемое топливо, поэтому природа не получит практически никакого вреда.

Основным препятствием водородных технологий является инфраструктура. Очень немногие в мире заправки на данный момент готовы заправить автомобиль водородом, хотя серийные автомобили на водороде уже производит Honda и готовиться к производству BMW. В странах бывшего советского союза о водородном автомобиле вообще можно пока и не мечтать. До появления водородных заправок пройдет еще не один год, а может и десяток лет. Остается ждать, когда же и мы вместе со всем миром начнем спасать планету от экологической катастрофы.

Русские учёные придумали новое топливо, которое в 100 раз дешевле солярки, эффективней и проще в производстве… Вы думаете, кто-то этому обрадовался? Ничуть не бывало! Московские министры уже 3 года гоняют воздух по кабинетам – видимо ещё думают, как же лучше воплотить в жизнь прямой приказ о внедрении, поступивший им для исполнения. А те, кто отдал этот приказ, тоже получается не заинтересован в его скорейшей реализации, т.к. не мешают министрам безнаказанно саботировать решение жизненно важных для России и всего остального мира задач. Вот и думайте теперь: на кого в действительности работают эти министры?.. Юрий Иванович Краснов и Евгений Гурьевич Антонов из НПО им. Лавочкина придумали принципиально новый вид топлива на основе структурированной воды. Но, получается, их изобретение сегодняшним царькам не нужно! Оно даже мешает им гнать нас бегом к полному истощению углеводородных видов топлива и экологической катастрофе на некогда прекрасной планете Земля…