Водородное топливо

Технология изготовления водородного котла своими силами

Мастеру, знакомому с устройством электролизера (ННО генератор), не составит труда сделать отопительный котел на водороде своими руками.

Потребуется некоторое количество материалов:

• лист стали (лучше нержавейка) размером 500х500 мм толщиной в 2 мм;
• пластиковый контейнер пищевой на 1,5 л;
• прозрачная трубка от водяного уровня длиной в 10 м;
• штуцеры на 8 мм для шланга;
• болты 6х50, гайки и шайбы;
• труба профильная 20х20 мм;
• труба профильная 40х40 мм;
• труба диаметром в 20-30 мм;
• заглушки;
• стальной лист размером 900х900 мм для корпуса котла.

Из инструментов: дрель, герметик, сварочный аппарат, нож, газовые форсунки. Еще нужен блок питания на 12 вольт. Работы со сваркой требуют опыта, поэтому сначала стоит оценить собственные умения, потом уже начинать делать водородный котел.

Алгоритм работы:

1. Предварительно нарезать 16 прямоугольников одинакового размера из нержавейки. Из 16 элементов 8 будут анод, 8 катод.
2. Каждую пластину оснастить одним отверстием для болта. Поместить пластины в контейнер с учетом чередования плюса и минуса.
3. Для изоляции элементов нарезать прозрачную трубку на шайбы толщиной в 2 мм. Крепить пластины на болты и шайбы так: сначала надеть на болт шайбу, потом анод, затем 3 шайбы, катод. Аналогичным образом надеть все пластины, затянуть гайки.
4. Проделать в контейнере дырки в стенках, вставить болты, закрепить конструкцию из пластин. На болты надеть шайбы. Затянуть.
5. В крышке контейнера сделать 2 отверстия для штуцеров. Закрепить на гайки. Зоны стыка заделать герметиком.
6. К одному патрубку присоединить манометр, к другому компрессор. Накачивать давление до уровня в 2 атм. с контролем показаний манометра. Если в течение 30 минут давление не упадет, герметичность хорошая. Если давление низкое, заделать стыки, швы соединения крышки с емкостью, и проверить давление еще раз.
7. Поставить обратный клапан на патрубок, подключить к нему баллон с водородом. На второй патрубок присоединить шланг с водой.
8. К болтам, которые крепят пластины, подвести электролиты. Подключить. Как только пойдет ток, вода начнет бурлить, и запустит реакцию для выделения тепла.

Простое устройство выполнимо своими руками за очень короткое время. Изготовление котла тоже не доставит сложности.

Что делать:

• нарезать профильную трубу 20х20 мм на 8 частей длиной в 300 мм;
• нарезать профильную трубу 40х40 мм на 3 части: одну сделать длинную на 200 мм, две других по 80 мм;
• в трубе длиной в 200 мм (40х40) посередине с обеих противоположных боковых сторон сделать отверстия под трубу 40х40 мм;
• вставить в эти отверстия отрезки трубы 40х40 мм длиной 80 мм;
• ставить под прямым углом, приварить;
• получилась крестовина, к трем торцам которой надо приварить заглушки;
• на четвертую сторону крестовины наварить заглушку с патрубком – он нужен для стыка трубы подачи водорода;
• от центральной точки крестовины в каждую сторону отмерить по 70 мм, отметить;
• высверлить в точках отверстия до 14 мм диаметром, всего выйдет 4 дырки;
• в эти отверстия вставить и приварить форсунки;
• к торцевым частям приварить по 2 профильные трубы размером 20х20 мм так, чтобы с плоскостью крестовины они образовали прямой угол;
• распустить стальной лист на стенки для корпуса, всего будет 3 стенки размером 300х300 мм;
• две стенки оснастить отверстиями – по 2 штуки в каждой, всего будет 4 дырки диаметром до 30 мм, размещенным по точкам установки форсунок;
• третий лист просверлить так, чтобы получилось отверстие размером не более 10 мм;
• трубу сечением 20-30 мм нарезать на детали по 600 мм длиной и приварить к стенке корпуса;
• взять трубу в 10 мм длиной меньше чем сваренные трубы на 40 мм, высверлить в ней по два отверстия сверху и снизу так, чтобы ее можно было приварить;
• приложить эту трубу к листу с малыми отверстиями и приварить;
• конструкцию перевернуть, поставить на второй стальной лист и ввести трубки в заранее проделанные отверстия;
• трубки приварить к листу и всю конструкцию приварить к последнему листу стали.

Осталось приварить патрубки для подачи теплоносителя к отверстиям в корпусе котла. Потом на входной патрубок установить датчик температуры, на горелку поставить датчик горения. Оба датчика соединить с автоматическим контроллером, узлом визуально-звукового сопровождения. Перед запуском в работу проверить герметичность котла.

Для защиты устройства мастера рекомендуют сварить внешний корпус из стали. Внутрь корпуса поместить узлы, соединить их и проверить на герметичность. Чтобы проверить систему, надо растворить в воде соль или добавить щелочь – компоненты ускорят реакцию выхода водорода.

Критерии, которым должно соответствовать топливо будущего

Биологическое топливо, производимое из растительного сырья и используемое в некоторых странах, не может полностью заменить углеводородное топливо. Его доля в современном количестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (далее по тексту ДВС) составляет менее 1%.

Перевод автомобильного транспорта на использование электроэнергии сопряжён с определёнными трудностями и ограничениями. В частности, пробег электромобилей без подзарядки не может удовлетворить даже нетребовательных автолюбителей. К тому же современная наука не в состоянии обеспечить электромобили малогабаритными и мощными аккумуляторными батареями.

Использование гибридных двигателей позволяет довольно-таки существенно уменьшить объёмы потребляемого бензина, но не избавляет полностью от его использования. Да и стоимость автомобилей с такими силовыми агрегатами не всем по карману.

Введение в водородную энергетику и топливные элементы

Водород как горючее

Первым делом хочется понять, что собой представляет двигатель на водороде. А для этого нам необходимо изучить сам водород как эффективный источник энергии, то есть альтернатива привычному нам топливу.

Каждый прекрасно знает, что в обычном двигателе с системой внутреннего сгорания, который работает на бензине, происходит смешивание топлива с воздухом. Затем эта смесь поступает внутрь цилиндров, где и сгорает. Это создаёт энергию для перемещения поршней, что и способствует в итоге движению ТС.

У водорода есть свои нюансы, которые проявляются в следующем:

• когда сжигается смесь с использованием водорода, на выходе получается только обычный водяной пар;
• на воспламенение водорода уходит меньше времени, чем в случае с дизельным или традиционным бензиновым топливом;
• детонационная устойчивость вещества способствует увеличению степени сжатия;
• показатели теплоотдачи состава превосходят топливовоздушную смесь на 250%;
• водород является летучим газом, из-за чего он может проникать в малейшие полости и зазоры;
• лишь некоторые металлы способны справиться с воздействием воспламеняющегося водорода;
• такое топливо можно хранить в жидком или сжатом агрегатном состоянии;
• если ёмкость получает пробой или небольшую трещину, всё топливо испаряется довольно быстро;
• чтобы вступить в реакцию с кислородом, нижний уровень газа составляет 4%;
• последняя особенность позволяет настраивать необходимые оптимальные режимы для двигателя за счёт дозировки консистенции.

Если принимать во внимание все рассмотренные особенности, можно с уверенностью сказать, что вариант с использованием чистого водорода в обычном ДВС невозможен. Чтобы добиться желаемого, необходимо обязательно внести некоторые изменения в конструкцию, а также установить дополнительное оборудование

В чём опасность такого топлива

Водород позиционируется как взрывоопасное вещество. Именно это можно справедливо считать главной опасностью и проблемой всей технологии водородных моторов.

Сочетаясь с окислителем, в качестве которого выступает кислород, увеличивается риск воспламенения, и также возникает угроза взрывов. Исследования показатели, что на воспламенение водорода уходит около десятой доли энергии, требуемой при воспламенении топливовоздушной смеси. Фактически можно обойтись небольшой статической искрой, дабы водород вспыхнул.

Есть ещё одна опасность. Газ невидимый, и даже в процессе горения его практически незаметно. Невидимость огня усложняет возможность бороться с ним.

Нельзя забывать об опасности вещества для самого человека. Находясь в зоне с повышенной концентрацией газа в воздухе, может наступить удушье. А распознать наличие вещества крайне проблематично. Объясняется это отсутствием запаха и цвета. То есть человеческий газ не способен его разглядеть, а нос не может разнюхать.

В качестве последнего аргумента в пользу того, что водород действительно опасен, выступает факт его очень низкой температуры в случае нахождения в сжиженном состоянии. Контакт с таким веществом способен спровоцировать обморожение.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал , что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Зеленая экономика

Водородная энергетика России и Европы: перспективы рынка на $700 млрд

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» , которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США , ЕС , Японии , России и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets , к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Давайте рассмотрим некоторые из причин, в том числе серьезные опасности, которые могут быть связаны с водородной энергетикой.

Первый минус. -Да, это правда, водород самый распространенный элемент во всей Вселенной, однако на самой Земле в чистом виде газообразный водород найти сегодня практически невозможно. Этот газ необычайно легок. Поэтому в чистом виде он очень быстро (почти моментально) поднимается к верхним слоям атмосферы и уходит дальше в безвоздушное пространство.

В подавляющем большинстве случаев атомы водорода связаны с другими типами атомов в разнообразные молекулы, которые образуют после этого различные вещества. Вот например, H2O, более известная нам всем, как вода, или тот же СН4, также известный, как метан, оба эти элемента содержат в себе молекулы водорода.

Поэтому получается, прежде чем водород может быть использован в качестве альтернативного топлива, он сначала должен быть извлечен из этих самых веществ, а затем уже переведен в особое состояние, то есть как правило, в тот самый сжиженный и необходимый нам вид.

На все эти действия потребуются очень большие затраты энергии, а значит и коллосальные материальные средства. К примеру, для извлечения H2 (водорода) из воды с помощью электролиза требуется большое количество электроэнергии, что на данный момент просто нерентабельно. По разным подсчетам стоимость 1 литра сжиженного водорода составляет примерно от $2 долларов и до 8 Евро, в зависимости от способа его добычи.

Следующим звеном в цепочке под номером два идет: -отсутствие развитой структурной сети самих водородных заправок. Стоимость оборудования для таких заправочных станций в разы выше, чем у обычной АЗС. Существует различные проекты для водородозаправляющих станций, как от классических АЗС, так и до частных минизаправок. При сегодняшнем развитии смежных технологий все эти проекты чрезвычайно дороги и относительно опасны.

Развитие сети водородных заправок дело будущих десятилетий. Именно столько должно пройти времени, чтобы стоимость их постройки была целесообразной.

Существуют ли опасности, которые связаны с наличием большого количества чистого водорода скопившегося в одном месте? Безусловно существует. Когда жидкий водород хранится в резервуарах, это безопасно, но стоит ему просочится в окружающую среду, как он моментально превращается в гремучую смесь (гремучий газ).

В плюсах мы уже отметили, что водородом можно заправлять автомобили с обычным двигателем внутреннего сгорания (в домашних условиях не повторять! ОПАСНО!!!), но однако, этот обычный двигатель проработает на чистом водороде не долго. Он быстро сломается. При сгорании водородной смеси выделяется большее количество тепла, чем при сгорании того же бензина, а это может привести под высокими нагрузками к перегреву клапанов и поршней двигателя. Помимо этого ,под воздействием высоких температур H2 (водород) может влиять на саму смазку в двигателе и на материалы из которых сделан мотор, что непременно приведет к повышенному износу рабочих частей агрегата.

Отсюда мы делаем неутешительный вывод: -без очень дорогостоящей модернизации ДВС, которая должна приспособить мотор к работе на этом виде горючего, использование водорода как топлива не приведет к ожидаемому результату.

А пока все построенные объекты для заправки автомобилей водородом скорее всего используются в качестве рекламного хода и для демонстрации возможностей будущего.

Топливные ячейки стоят на третьей позиции в качестве минусов. Эти вроде безопасные элементы тоже не избежали тернистого пути метода проб и ошибок. Как и с теми же заправочными станциями и с теми же двигателями ДВС, все упирается именно в стоимость применяемых на данный момент технологий.

Приведем один пример. В качестве катализатора в этих топливных элементах используется на данный момент платина. А теперь представляете друзья стоимость такой детали?!

Некоторые технологии для ДВС настолько дороги, что проще купить жене платиновое кольцо с бриллиантом, чем заменить сломавшуюся деталь в водородном автомобиле.

Хорошая новость в этом достаточно дорогом деле заключается в том, что ученные непрерывно день-изо-дня ищут замену этому драгоценному металлу. Разрабатываются все новые технологии, проходят тестирования новые современные материалы. В конечном итоге ученые надеются, что «топливные элементы будущего» могут существенно снизить себестоимость сегодняшних элементов в 1000 раз и более.

Итак, недостатки водородного автомобиля

Проблемы с инфраструктурой. Есть очень мало мест, где можно заполнить бак авто водородом, причем речь идет не только о нашей стране, в Европе ситуация не намного лучше. К примеру, в Великобритании функционирует менее 20 заправочных станций.

Для зарядки электромобилей требуется намного больше времени, но сделать это можно от любой розетки. И даже в этом случае сети электрических зарядок растет гораздо быстрыми темпами, а вот водородных заправочных станций нет.

Но самой большой проблемой, собственно, наверное из-за которой этот тип топлива настолько мало популярен является пожароопасность водородного топлива. Перемещать водород довольно сложно, так как он легко воспламеняется, намного быстрее и легче бензина. Чтобы водородные автомобили не превратились в бомбы на колесах, резервуары или баллоны, содержащие сжатый газ, должны быть чрезвычайно прочными и устойчивыми к ударам. А это делает их более сложными и дорогими в производстве. По той же причине трудно также транспортировать водород на заправочные станции танкером или трубопроводом.

Другая важная проблема, которая уже абсолютно не экологична — это собственно производство водорода. В принципе процесс не сложный, нужно лишь пропустить электрический ток через воду, которая распадается на водород и кислород. Но для этого нужна электрическая энергия, которая, скорее всего, генерируется при сжигании ископаемого топлива. Получается что для того, чтобы сделать экологичное топливо нужно больше сжечь угля. И это означает, что водород не так уж и «зеленый». С другой стороны, существует аргумент, что солнечная энергия может быть использована для производства такого электричества.

В настоящее время массовое производство водорода включает процесс, называемый паровой конверсией метана. В двух словах, это означает получение водорода из природного газа метана посредством экзотермической реакции. Но для такого производства нужно использовать ископаемое топливо. В целом, если учесть все нюансы, связанные с производством топлива, то водород можно считать более чистым по сравнению с бензином, но не таким экологичным, как электричество, вырабатываемое из возобновляемых источников.

Ученые работают над тем, чтобы сделать производство водорода более чистым, но пока они не смогут сделать это в масштабе, поэтому в ближайшее время маловероятно, что на придорожных заправках кроме пистолетов с бензином, дизелем и газом пропан-бутаном вы увидите множество насосов для водородного топлива.

Высокая стоимость. Пока водород дорогой, и он стоит дороже, чем бензин. А учитывая, что водород не настолько плотный, вам, вероятно, придется чаще заправляться.

Использует

Водородное топливо может обеспечить движущую силу для жидкостных ракет , автомобилей, грузовиков, поездов, лодок и самолетов, портативных топливных элементов или стационарных топливных элементов , которые могут мощности электродвигателя. Водород считается основным устойчивым источником возобновляемой энергии и «крайне необходим для современных систем преобразования энергии».

Проблемы использования водородного топлива в автомобилях возникают из-за того, что водород трудно хранить ни в баке высокого давления, ни в криогенном баке. Альтернативные носители информации, такие как сложные гидриды металлов, находятся в стадии разработки. В целом батареи больше подходят для транспортных средств размером с легковой автомобиль или меньше, но водород может быть лучше для более крупных транспортных средств, таких как тяжелые грузовики.

Водородное топливо также может использоваться для электростанций на электростанциях или в качестве альтернативы природному газу для отопления.

Топливные элементы

Топливные элементы представляют собой наиболее привлекательный выбор для преобразования энергии из водорода непосредственно в электричество из-за их высокой эффективности, низкого уровня шума и ограниченного количества движущихся частей. Топливные элементы представляют интерес как для стационарного, так и для мобильного производства электроэнергии из водорода. Топливные элементы часто рассматриваются как часть силовой установки транспортного средства.

Использование топливного элемента для питания электрифицированной трансмиссии, включая аккумулятор и электродвигатель, в два-три раза более эффективно, чем использование двигателя внутреннего сгорания, хотя некоторые из этих преимуществ связаны с электрифицированной трансмиссией (т.е. включая рекуперативное торможение). Это означает, что при использовании водорода в топливном элементе достигается гораздо большая экономия топлива по сравнению с водородным двигателем внутреннего сгорания.

Преобразование двигателя внутреннего сгорания на водород

Наряду со сжиганием водорода на одном топливе двигатели внутреннего сгорания в коммерческих транспортных средствах могут быть преобразованы для работы на водородно-дизельной смеси. Это было продемонстрировано на прототипах в Великобритании, где до 40% CO2выбросы были снижены при нормальных условиях вождения. Эта двухтопливная гибкость устраняет опасения по поводу дальности полета, поскольку в качестве альтернативы автомобили могут заправляться только на дизельном топливе, когда заправка водородом недоступна. Требуются относительно небольшие модификации двигателей, а также добавление баков с водородом при сжатии до 350 бар. Также в настоящее время проводятся испытания эффективности 100% -ного преобразования грузового автомобиля большой грузоподъемности Volvo FH16 на использование только водорода. Ожидаемая дальность полета составит 300 км / 17 кг; что означает эффективность лучше , чем стандартный дизельного двигатель (где воплощенная энергия из 1 галлона бензина равна 1 кг водорода ).

По сравнению с обычным топливом, при низкой себестоимости водорода (5 евро / кг), можно добиться значительной экономии топлива за счет такого перехода в Европе или Великобритании. Чтобы конкурировать с дизельным топливом / бензином в США, потребуется более низкая цена, поскольку это топливо не облагается высокими налогами на заправку.

Двигатели внутреннего сгорания, использующие водород, представляют интерес, поскольку эта технология предлагает менее существенные изменения для автомобильной промышленности и потенциально более низкую первоначальную стоимость транспортного средства по сравнению с полностью электрическими альтернативами или альтернативами на топливных элементах. Однако характер двигателя с ненулевым уровнем выбросов означает, что он не сможет работать в городских зонах с нулевым уровнем выбросов, если он не является частью гибридной трансмиссии.

4JM – лучший в мире водородный мотор

Следует отметить, что химическая реакция по выработке электрической энергии происходит без горения, повышая, тем самым экологичность и без того абсолютно «чистого» электромотора. Преобразование энергии в двигателе 4JM осуществляется с КПД 83 %. На двигатель установлена вторичная никель-кадмиевая батарея в виде аккумулятора мощностью 21 кВт.

Силовая установка 4JM на платформе Mirai

4JM представляет собой синхронный электродвигатель переменного тока. При рекуперативном торможении аккумулятор сохраняет возвращаемую в сеть электроэнергию, которая вырабатывается тяговым двигателем в режиме генератора.

С помощью преобразователя полученное на элементах напряжение повышается до показателя 650 В. Это нужно для того, чтобы уменьшить геометрические параметры электромотора и число топливных элементов, компактно уместить составные части системы внутри автомобиля. Постоянный ток в переменный преобразуется с помощью инвертора. В процессе заправки закачка водорода в бак производится через фильтрационную угольную систему. При движении через воздухозаборники в батарею попадает воздух из атмосферы.

Начинается химическая реакция с водородом, результатом которой является получение электрической энергии. При нажатии на акселератор осуществляется её подача от батареи к мотору. Знатоки химии сразу определят, что единственным побочным продуктом в данной цепочке является образующаяся в результате химической реакции вода. Её отвод осуществляется через выхлопную трубу.

Внешне автомобиль ничем не отличается от бензиновых и дизельных собратьев

Расположение батареи и водородных баллонов высокого давления по центру машины вкупе с оптимальными настройками электромотора обеспечивают оптимальное управление показателями мощности. Результатом этого является восприимчивость машины к действиям водителя на любой скорости, повышение крутящего момента и обеспечение плавного разгона. В обратном порядке происходит процедура торможения.

Геометрия машины спроектирована таким образом, чтобы обеспечить максимально низкий центр тяжести, оптимальную развесовку передней и задней частей кузова и общую максимальную жёсткость конструкции.

Ёмкость для хранения водорода

Количество водородных ёмкостей – 2 (60 и 62,4 л, соответственно). Газ хранится в них под давлением 70 МПа. Максимальная масса водорода, закачиваемого в ёмкости в течение 3 минут, составляет 5 кг. Это позволяет на одной заправке проехать до 650 километров, развивая максимальную скорость 175 км/ч.

Почему мы до сих пор не используем водородные двигатели?

В автомобилях внедрение альтернативных источников энергии безуспешно идет уже многие десятилетия. Но увы, топливо, изготовленное из «черного золота», уже больше века не желает уступать позиции: на сегодняшний день оно не имеет сильных конкурентов.

Одним из таких конкурентов вполне мог бы стать двигатель, использующий водород. Идея такого двигателя не нова: даже в блокадном Ленинграде работало несколько сотен машин на водороде, так как получить его было гораздо проще, чем традиционное топливо.

Причина, по которой человечество хочет «соскочить» с нефтяной зависимости, очевидна. Во-первых, это сильное загрязнение атмосферы, приводящее к парниковому эффекту (доля автомобилей в этом загрязнении оценивается в 25%). Во-вторых, это постоянно повышающаяся в долгосрочной перспективе стоимость самого топлива. В-третьих, бензиновые двигатели внутреннего сгорания имеют достаточно низкий КПД – около 35%, а вся остальная энергия уходит в тепло. Ну и, конечно, не стоит забывать о том, что нефть рано или поздно закончится.

Современные двигатели внутреннего сгорания могут работать на водороде. Правда, его мощность несколько снизиться; чтобы этого избежать, необходимо внести некоторые изменения в систему зажигания. Но по большому счету, традиционные ДВС не очень хорошо адаптированы к работе на водороде, и гораздо более привлекательной технологией выглядят водородные топливные элементы.

Топливный элемент – это, по сути, батарейка, вырабатывающая электричество, но в отличии от нее, вещество, необходимое для реакции (в данном случае водород), не находится внутри элемента, а подается извне. Энергия получается не в результате малоэффективного процесса горения, а посредством «холодной» химической реакции, например, с кислородом через протонообменную мембрану. КПД топливных элементов достигает очень высоких значений – до 80%, причем это значение практически не зависит от нагрузки. К преимуществам водородных топливных элементов также относится маленький вес и размеры.

Сегодня практически у всех автопроизводителей есть работающие прототипы машин, использующих жидкое водородное топливо. К сожалению, дальше концептов пока дело не идет, и этому есть свои объяснения.

• Практически полностью отсутствует инфраструктура водородных заправок, каждая из которых обходится примерно в 10 раз дороже традиционной (из-за дорогого оборудования).
• Повышенная опасность хранения водорода, связанная с его повышенной летучестью и легкостью воспламенения.
• Самая высокая из всех веществ летучесть водорода приводит к трудности его хранения: пары жидкого водорода проникают через мельчайшие зазоры. Так, специальный автомобильный бак, наполненный жидким водородом, за десять дней из-за испарения теряет половину объема.
• Стоимость водородного топлива в несколько раз выше стоимости бензина и соляры, и требует значительного количества электроэнергии для его производства.

Последняя причина, пожалуй, является основным сдерживающим фактором на пути развития водородных двигателей в массовом сегменте.

Плюсы и основные недостатки водородных двигателей

Итак, подытожим. К плюсам двигателей на водородном топливе можно отнести такие факторы:

• Экологически чистый выброс;
• Бесшумная работа силового агрегата (электротяга);
• В случае использования топливного элемента не требуется частое обслуживание;
• Быстрая заправка;
• По сравнению с электромобилями силовая установка и источник энергии работают более стабильно даже на морозе.

Хотя разработку нельзя назвать новинкой, тем не менее, у нее до сих пор существует ряд недостатков, которые побуждают обычного автомобилиста смотреть на нее с опаской. Вот некоторые из них:

• Чтобы водород смог воспламениться, он должен быть в газообразном состоянии. Это создает определенные трудности. Например, для сжатия легких газов требуются специальные дорогие компрессоры. Также существует проблема с должным хранением и транспортировкой топлива, так как он легко воспламеняется;
• Баллон, который будут устанавливать на автомобиль, будет нуждаться в периодической проверке. Для этого автомобилисту нужно будет посещать специализированный центр, а это дополнительные затраты;
• В водородном автомобиле не используется огромная батарея, тем не менее, установка все равно прилично весит, что значительно сказывается на динамических характеристиках транспорта;
• Водород – воспламеняется при малейшей искре, поэтому ДТП с участием такого авто будет сопровождаться серьезным взрывом. Учитывая безответственное отношение некоторых водителей к собственной безопасности и жизням других участников движения, такой транспорт еще нельзя выпускать на дороги.

Если учесть заинтересованность человечества в чистоте окружающей среды, стоит ожидать, что в вопросе доработки «зеленого» транспорта совершится прорыв. Но когда такое случится, это покажет только время.

А пока посмотрите видеообзор на Toyota Mirai:

Будущее на водороде? 2019 Toyota Mirai — ПОЛНЫЙ ОБЗОР и характеристики

Watch this video on YouTube

Как хранят добытый для использования в автомобилях водород

Следующий задачей для водородной энергетики является процесс хранения водорода, оно возможно в трех формах: в виде сжатого газа, в сжиженном или адсорбированном состоянии, когда газ удерживается в поглотившем его веществе.

Так или иначе в каждом из этих случаев приходится решать определенную проблему: сжатый газ, несмотря на свою плотность, все-таки занимает немало места, жидкий — требует низких температур, а в случае третьей формы — это поиск подходящего материала для удержания летучего топлива, обладающего высокими поглощающими свойствами и подходящими условиями аккумуляции газа (в основе своей это углеродные наноструктуры с различными вариациями).

Подводные аппараты на перекиси водорода

В 1938—1942 годах на Кильских верфях под руководством инженера Вальтера построили опытную лодку У-80 работавшую на перекиси водорода. На испытаниях корабль показал скорость полного подводного хода 28,1 узла. Полученные в результате разложения перекиси пары воды и кислорода использовали в качестве рабочего тела в турбине, после чего удаляли их за борт.

На рисунке условно показано устройство подводной лодки с двигателем на перекиси водорода

Всего немцы успели построить 11 лодок с ПГТУ.

После разгрома гитлеровской Германии в Англии, США, Швеции и СССР проводились работы с целью довести замысел Вальтера до практической реализации. Была построена советская подлодка (проект 617) с двигателем Вальтера в конструкторском бюро Антипина.

Знаменитая ПОДВОДНАЯ РАКЕТО-ТОРПЕДА ВА-111 «ШКВАЛ».

Тем временем успехи атомной энергетики позволили более удачно решить проблему мощных подводных двигателей. И эти идеи успешно применили в торпедных двигателях. Walter HWK 573. (работающий под водой двигатель первой в мире управляемой противокорабельной ракеты «воздух-поверхность» GT 1200A для поражения корабля ниже ватерлинии). Планирующая торпеда (УАБ) GT 1200A имела подводную скорость 230 км/ч, являясь прототипом высокоскоростной торпеды СССР «Шквал». Торпеда ДБТ принята на вооружение в декабре 1957 года, работала на перекиси водорода и развивала скорость 45 узлов при дальности хода до 18 км.

Газогенератором через кавитационную головку создается воздушный пузырь вокруг корпуса объекта (парогазовый пузырь) и, вследствие падения гидродинамического сопротивления (сопротивления воды) и применения реактивных двигателей, достигается требуемая подводная скорость движения (100 м/с), превышающая в разы скорость самой быстрой обычной торпеды. Для работы используется гидрореагирующее топливо (щелочные металлы при взаимодействии с водой выделяют водород).

Производство

Поскольку чистый водород не встречается на Земле в больших количествах, для его производства в промышленных масштабах обычно требуется ввод первичной энергии . Водородное топливо можно производить из метана или электролизом воды. По состоянию на 2020 год большая часть водорода (∼95%) производится из ископаемого топлива путем парового риформинга или частичного окисления метана и газификации угля, и лишь небольшое количество водорода производится другими способами, такими как газификация биомассы или электролиз воды.

Паровой риформинг метана, ведущая в настоящее время технология производства водорода в больших количествах, извлекает водород из метана . Однако в результате этой реакции в атмосферу выделяются углекислый газ и окись углерода, которые являются парниковыми газами, экзогенными по отношению к естественному круговороту углерода и, таким образом, способствуют изменению климата. При электролизе электричество пропускается через воду для разделения атомов водорода и кислорода. Этот метод может использовать ветер, солнечную энергию, геотермальную энергию, гидроэнергетику, ископаемое топливо, биомассу, ядерную энергию и многие другие источники энергии. Получение водорода с помощью этого процесса изучается как жизнеспособный способ производства его внутри страны по невысокой цене.

Синдзо Абэ совершит поездку по объекту FH2R в марте 2020 г.

Самым крупным в мире предприятием по производству водородного топлива является Фукусимский исследовательский центр по водородной энергии (FH2R), установка по производству водорода мощностью 10 МВт, открытая 7 марта 2020 года в Намиэ , префектура Фукусима . Участок занимает 180 000 квадратных метров земли, большая часть которой занята солнечными батареями ; но энергия из сети также используется для проведения электролиза воды для производства водородного топлива.

Продукция обычно классифицируется по цвету; «серый водород» образуется как побочный продукт промышленного процесса, «синий водород» производится в процессе производства, в котором CO2также производится, а затем улавливается с помощью CCS, и, наконец, « зеленый водород» производится полностью из возобновляемых источников.