Popularność pojazdów elektrycznych w ostatnim czasie nieco zepchnęła samochody napędzane ogniwami paliwowymi na dalszy plan. Wodór szykuje się jednak do podjęcia walki z prądem i dziś przyglądamy się perspektywom tego pierwiastka w energetycznej przyszłości planety. Wodór jest najprostszym i najobficiej występującym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, stanowiącym 74% całej znanej materii. To właśnie wodór wykorzystują gwiazdy, w tym Słońce, do uwalniania ogromnych ilości energii w wyniku reakcji termojądrowych.
Pomimo swojej prostoty i obfitości wodór nie występuje na Ziemi w postaci wolnej. Ze względu na niewielką wagę unosi się do górnych warstw atmosfery lub łączy się z innymi pierwiastkami chemicznymi, takimi jak tlen, tworząc wodę.
Zainteresowanie wodorem jako alternatywnym źródłem energii w ostatnich dziesięcioleciach wynika z dwóch czynników. Po pierwsze, zanieczyszczenie środowiska paliwami kopalnymi, które są głównym źródłem energii na tym etapie rozwoju cywilizacyjnego. Po drugie, zasoby paliw kopalnych są ograniczone i zdaniem ekspertów wyczerpią się za około sześćdziesiąt lat.
Wodór, a także kilka innych alternatyw, jest rozwiązaniem powyższych problemów. Stosowanie wodoru powoduje zerowe zanieczyszczenie, ponieważ produktami ubocznymi energii są jedynie ciepło i woda, które można ponownie wykorzystać do innych celów. Zasoby wodoru są również bardzo trudne do wyczerpania, biorąc pod uwagę, że stanowi on 74% materii we Wszechświecie, a na Ziemi stanowi część wody pokrywającej dwie trzecie powierzchni planety.
Produkcja wodoru
W odróżnieniu od kopalnych źródeł energii (ropa, węgiel, gazy ziemne) wodór nie jest gotowym do wykorzystania źródłem energii, lecz uważany jest za nośnik. Oznacza to, że nie da się pobrać wodoru w czystej postaci, takiej jak węgiel, i wykorzystać go do wytworzenia energii; trzeba najpierw wydać trochę energii, aby uzyskać czysty wodór nadający się do wykorzystania w ogniwach paliwowych.
Dlatego wodoru nie można porównywać z kopalnymi źródłami energii, a bardziej trafną analogią z akumulatorami, które trzeba najpierw naładować. To prawda, że akumulatory przestają działać po rozładowaniu, a ogniwa wodorowe mogą wytwarzać energię, o ile zasilane są paliwem (wodorem).
Najpopularniejszą i najtańszą metodą wytwarzania wodoru jest reforming parowy, w którym wykorzystuje się węglowodory (substancje składające się wyłącznie z węgla i wodoru). Podczas reakcji wody i metanu (CH4) w temp wysokie temperatury aha, wydziela się duża ilość wodoru. Wadą metody jest to, że produktem ubocznym reakcji jest dwutlenek węgla, który przedostaje się do atmosfery w taki sam sposób, jak podczas spalania paliw kopalnych, co w związku z tym nie powoduje redukcji emisji gazów cieplarnianych pomimo zastosowania alternatywnego źródła energii.
Alternatywnie możliwe jest także bezpośrednie wykorzystanie niektórych gazów ziemnych bezpośrednio w wodorowych ogniwach paliwowych. Pozwala to uniknąć marnowania energii na produkcję wodoru z gazu. Koszt takich ogniw paliwowych będzie niższy, ale przy zasilaniu gazem ziemnym do atmosfery będą uwalniane także gazy cieplarniane i inne toksyczne pierwiastki, co nie sprawi, że gazy te w pełni zastąpią wodór.
Wodór można również wytwarzać poprzez elektrolizę. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez wodę, zostaje on podzielony na pierwiastki chemiczne, z których składa się, w wyniku czego powstaje wodór i tlen.
Oprócz zwykłych metod obecnie dokładnie badane są alternatywne sposoby wytwarzania wodoru. Na przykład w obecności światła słonecznego produktem odpadowym niektórych glonów i bakterii może być również wodór. Niektóre z tych bakterii mogą wytwarzać wodór bezpośrednio ze zwykłych odpadów domowych. Pomimo stosunkowo niskiej efektywności tej metody, zdolność do recyklingu odpadów czyni ją dość obiecującą, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że efektywność procesu stale rośnie w wyniku powstawania nowych typów bakterii.
Niedawno na horyzoncie pojawiła się kolejna obiecująca metoda produkcji wodoru przy użyciu amoniaku (NH3). Po rozłożeniu tej substancji chemicznej na składniki powstaje jedna część azotu i trzy części wodoru. Najlepszymi katalizatorami takich reakcji są drogie metale rzadkie. Nowa metoda zamiast jednego rzadkiego katalizatora wykorzystuje dwie dostępne i niedrogie substancje: sodę i amidy. Ponadto wydajność procesu jest porównywalna z najskuteczniejszymi, drogimi katalizatorami.
Oprócz niskiego kosztu metoda ta wyróżnia się także tym, że amoniak jest łatwiejszy do przechowywania i transportu w porównaniu z wodorem. A we właściwym czasie wodór można otrzymać z amoniaku, po prostu rozpoczynając reakcję chemiczną. Według niepotwierdzonych jeszcze prognoz, wykorzystanie amoniaku umożliwi stworzenie reaktora o pojemności nie większej niż 2-litrowa butelka, wystarczającej do wytworzenia z amoniaku wodoru w ilościach wystarczających do wykorzystania przez samochód średniej wielkości.
Amoniak włączony w tej chwili transportowane w ogromnych ilościach i szeroko stosowane jako nawóz. To właśnie ta substancja chemiczna umożliwia uprawę niemal połowy żywności na Ziemi i może w przyszłości stać się jednym z najważniejszych źródeł energii dla ludzkości.
Obszary zastosowań
Wodorowe ogniwa paliwowe można stosować w praktycznie wszystkich środkach transportu, w stacjonarnych źródłach zasilania dla domów oraz w małych przenośnych, czasem podręcznych urządzeniach do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystywanej przez inne urządzenia mobilne.
Już w latach 70. ubiegłego wieku NASA zaczęła wykorzystywać wodór do wystrzeliwania rakiet i promów kosmicznych na orbitę okołoziemską. Wodór jest później wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej w wahadłowcach, a także wody i ciepła jako produkty uboczne reakcji.
Obecnie największe wysiłki skierowane są na promocję wodoru jako paliwa w motoryzacji.
Porównanie samochodów wodorowych i elektrycznych
Na powszechnym poziomie wodór nadal uważany jest za niebezpieczny pierwiastek chemiczny. Reputacja ta ugruntowała się po katastrofie sterowca Hindenburg w 1937 r. Jednak amerykańska Agencja Informacji o Energii (EIA) utrzymuje, że w przypadku niepożądanych eksplozji pierwiastek jest co najmniej tak samo bezpieczny jak benzyna.
W tej chwili jest oczywiste, że jeśli nie nastąpi kolejna rewolucja technologiczna, samochody najbliższej przyszłości będą w przeważającej mierze albo elektryczne, albo wodorowe, albo hybrydowe formy tych dwóch technologii i samochody benzynowe.
Każda z opcji rozwoju przemysłu samochodowego ma swoje zalety i wady. Stacje benzynowe na paliwo wodorowe są znacznie łatwiejsze do zbudowania w oparciu o istniejące stacje benzynowe, czego nie można powiedzieć o infrastrukturze do „ładowania” prądu pojazdy.
W pewnym sensie podział na samochody wodorowe i elektryczne jest sztuczny, gdyż w obu przypadkach samochód do poruszania się wykorzystuje energię elektryczną. Tylko w samochodach elektrycznych jest on magazynowany w bardziej znanej postaci bezpośrednio w akumulatorach, a w ogniwach paliwowych w dowolnym momencie można dodać substancję, która w wyniku reakcji zamieni energię chemiczną w energię elektryczną.
Uzupełnianie wodorem jest czasowo porównywalne z tankowaniem benzyny i zajmuje kilka minut, natomiast pełne naładowanie akumulatorów elektrycznych jest obecnie najlepszy scenariusz wyprodukowane w 20-40 minut. Z drugiej strony samochody elektryczne mają tę zaletę, że można je podłączyć do gniazdka bezpośrednio w domu, a jeśli zrobisz to w nocy, możesz zaoszczędzić na taryfach za prąd.
Przyjazność dla środowiska
Ponieważ ani prąd, ani wodór nie są naturalnymi źródłami energii, w przeciwieństwie do paliw kopalnych, do ich wytworzenia należy zużyć energię. Źródło tej energii staje się decydującym czynnikiem wpływającym na przyjazność dla środowiska zarówno samochodów wodorowych, jak i elektrycznych.
Do wytworzenia wodoru potrzebne jest ciepło lub prąd elektryczny, który w gorących i słonecznych regionach planety można uzyskać poprzez gromadzenie energii słonecznej. W zimnych krajach, takich jak Skandynawia, już teraz kładzie się nacisk na bardziej odpowiednie dla tego klimatu źródło zielonej energii, czyli farmy wiatrowe, które równie łatwo mogą brać udział w produkcji wodoru poprzez elektrolizę. Warto zauważyć, że wodór w tym przypadku można wykorzystać także do magazynowania niewykorzystanej energii, na przykład podczas wytwarzania w nocy.
Biorąc pod uwagę obowiązkowy etap produkcji wodoru i energii elektrycznej, zerowy poziom emisji takich samochodów zależy od sposobu pozyskania energii pierwotnej. Dlatego między obydwoma rodzajami pojazdów zachowana jest równość i żadnego z nich nie można uznać za bardziej przyjazny dla środowiska środek transportu.
Remis można ustalić porównując poziomy hałasu tych środków transportu. W odróżnieniu od tradycyjnych, nowe silniki są znacznie cichsze.
W związku z tym można przypomnieć dobrze znaną ustawę o czerwonej fladze regulującą pojawianie się pierwszych samochodów w XIX wieku. Według najbardziej rygorystycznych form tego prawa, pojazd bez koni nie mógł poruszać się po mieście z prędkością przekraczającą 3,2 km/h. Jednocześnie, uprzedzając ruch samochodu na kilka minut przed jego pojawieniem się, osoba z czerwoną flagą powinna była przejść drogą, ostrzegając o pojawieniu się transportu.
Ustawa o czerwonej fladze została uchwalona, ponieważ nowe pojazdy były stosunkowo ciche w porównaniu do wagonów i mogły powodować wypadki i obrażenia, przynajmniej według ówczesnych sędziów. Problem, choć wyolbrzymiony, to jednak po półtora wieku jesteśmy świadkami nowych, podobnych praw w związku z bezgłośnością nowych typów silników. Samochody elektryczne i samochody na ogniwa paliwowe raczej nie będą głośniejsze od pierwszych pojazdów, ale ich prędkość w obszarach miejskich jest obecnie wyraźnie wyższa niż 3 km, co czyni je potencjalnie niebezpiecznymi dla pieszych. W tej samej Formule 1 myślą teraz o wzmocnieniu dźwięku silników za pomocą sztucznego głosu. Jeśli jednak w wyścigach samochodowych ma to na celu zwiększenie rozrywki, wówczas w nowych samochodach pojawienie się sztucznego źródła hałasu może stać się wymogiem bezpieczeństwa.
Ujemne temperatury
Samochody napędzane ogniwami paliwowymi, podobnie jak zwykłe samochody benzynowe, na mrozie doświadczają pewnych problemów. Same baterie mogą zawierać niewielką ilość wody, która po ich zamarznięciu może zamarznąć ujemne temperatury i spowodować, że baterie nie będą działać. Po nagrzaniu akumulatory będą działać normalnie, jednak na początku bez zewnętrznego ogrzewania albo się nie uruchamiają, albo przez jakiś czas działają ze zmniejszoną mocą.
Zasięg podróży
Dystans, jaki pokonują nowoczesne samochody wodorowe, to około 500 km, czyli zauważalnie dłużej niż typowe samochody elektryczne, które często potrafią przejechać jedynie 150-200 km. Sytuacja uległa zmianie po pojawieniu się Model Tesli S jednak nawet ten samochód elektryczny jest w stanie przejechać bez ładowania dystans nie większy niż 430 km.
Liczby te są dość nieoczekiwane, biorąc pod uwagę wydajność odpowiednich typów silników. Dla zwykłego silniki benzynowe spalinowy Sprawność wynosi około 15%. Sprawność samochodów napędzanych ogniwami paliwowymi wynosi 50%. Sprawność pojazdów elektrycznych wynosi 80%. Obecnie General Electrics pracuje nad ogniwami paliwowymi o sprawności 65% i twierdzi, że można zwiększyć ich sprawność do 95%, co pozwoli na magazynowanie do 10 MW energii elektrycznej (po konwersji) w jednym elemencie.
Masa akumulatorów i paliwa
Jednakże bolączka samochody elektryczne to same akumulatory. Przykładowo w Tesli Model S waży ona 550 kg, a całkowita masa samochodu to 2100 kg, czyli o kilkaset kilogramów więcej niż masa podobnego pojazdu wodorowego. Masa tego akumulatora również nie zmniejsza się wraz z pokonywanym dystansem, natomiast wyczerpane paliwo w samochodach benzynowych i wodorowych stopniowo powoduje, że samochód staje się lżejszy.
Elementy wodorowe odnoszą również korzyści pod względem magazynowania energii na jednostkę masy. Pod względem gęstości energii na jednostkę objętości wodór nie jest tak dobry. W normalnych warunkach gaz ten w tej samej objętości zawiera tylko jedną trzecią energii metanu. Naturalnie wodór jest magazynowany podczas transportu i wewnątrz akumulatorów paliwowych w postaci płynnej lub sprężonej. Ale nawet w tym przypadku ilość energii (megadżule) w jednym litrze jest gorsza niż w przypadku benzyny.
Mocne strony wodoru ujawniają się po obliczeniu energii na jednostkę masy. W tym przypadku jest już trzykrotnie wyższa od benzyny (143 MJ/kg wobec 47 MJ/kg). W tym wskaźniku wodór wygrywa także z akumulatorami elektrycznymi. Przy tej samej wadze wodór ma dwukrotnie większą rezerwę energii niż akumulator elektryczny.
Przechowywanie i transport
Przy magazynowaniu wodoru pojawiają się pewne trudności. Najbardziej efektywną formą transportu i przechowywania tego pierwiastka chemicznego jest stan ciekły. Jednak przejście gazu w stan ciekły możliwe jest dopiero w temperaturze -253 stopni Celsjusza, co wymaga specjalnych pojemników, sprzętu i znacznych kosztów finansowych.
2015
Toyota, Hyundai, Honda i inni producenci samochodów od lat intensywnie inwestują w badania nad wodorowymi ogniwami paliwowymi, a w 2015 roku mają zamiar wprowadzić na rynek pierwsze pojazdy, których koszt i osiągi czynią je alternatywą dla innych środków transportu. Samochodem zasilanym ogniwami paliwowymi w 2015 roku powinien być średniej wielkości 4-drzwiowy sedan, który będzie w stanie pokonać bez tankowania co najmniej 500 km, co zajmie nie więcej niż pięć minut. Koszt takiego samochodu powinien mieścić się w przedziale od 50 do 100 tysięcy dolarów. Tym samym koszt samochodów wodorowych spadł w ciągu jednej dekady o rząd wielkości.
Jak powinno wynikać z listy producentów samochodów, Japonia stanie się jednym z ośrodków rozwoju samochodów wodorowych. Co ciekawe, jednym z głównych rynków zbytu dla tych samochodów będzie terytorium oddzielone od Japonii znacznie większymi odległościami niż pobliski rynek azjatycki.
Kalifornia od dawna cieszy się opinią jednego z najbardziej postępowych miejsc na Ziemi. W tym przypadku ustawodawstwo często daje zielone światło najnowsze technologie i wynalazki. Promocja samochodów na paliwa alternatywne nie była wyjątkiem.
Zgodnie z przyjętą ustawą o pojazdach zeroemisyjnych (ZEV – zero-emisyjność pojazdu) do 2025 roku 15% wszystkich sprzedawanych samochodów nie powinno produkować szkodliwe emisje do atmosfery. W połączeniu z dziesięcioma innymi stanami, które przyjęły podobne przepisy, do 2025 r. na amerykańskich drogach powinno znajdować się około 3,3 miliona pojazdów ZEV.
Pomimo tego, że przygotowania do uruchomienia nowych samochód przyjedzie trwa pełną parą, producenci już na wczesnych etapach będą musieli stawić czoła poważnym wyzwaniom infrastrukturalnym. Toyota przeznaczyła 200 milionów dolarów na budowę wodoru stacje benzynowe w Kalifornii, ale te środki wystarczą na utworzenie zaledwie dwudziestu stacji benzynowych w Kalifornii przyszły rok. Nawet bez uwzględnienia wysokich kosztów budowy liczba stacji benzynowych będzie rosła w dość umiarkowanym tempie. W 2016 roku ich liczba wyniesie 40, a w 2024 – 100.
Tak odmierzony czas budowy można łatwo wytłumaczyć faktem, że w ciągu jednego roku praktycznie nie da się przeprowadzić nawet małej rewolucji technologicznej. Rok 2015 zaznaczony jest w kalendarzu jako rok początków rozwoju branży samochodowej wodorowej, jednak samochody napędzane ogniwami paliwowymi będą najprawdopodobniej w stanie konkurować z konkurencją dopiero wraz z pojawieniem się drugiej generacji tańszych i niezawodnych modeli, które spodziewane są do 2020 roku i pojawią się na drogach o słabiej rozwiniętej sieci stacji paliw.
Pomimo obfitości japońskich nazw wśród producentów samochodów wodorowych, istnieje zainteresowanie tym rodzajem transportu na innych kontynentach. Wśród znani producenci plany wodorowe znajdują się w: General Electrics, Diamler, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Volkswagen.
Wyniki
Jak to często bywa, świat nie jest czarno-biały, a wodór nie będzie w przyszłości jedynym źródłem energii. Pierwiastek ten wraz z innymi alternatywnymi źródłami energii stanie się częścią rozwiązania problemu zanieczyszczenia środowiska i zanikania zasobów naturalnych. Perspektywy dla tego typu samochodów napędzanych paliwem i wodorem zaczną się klarować w 2015 roku wraz z pojawieniem się na drogach pierwszych samochodów produkowanych masowo. Na ile będą w stanie konkurować z pojazdami elektrycznymi dowiemy się zapewne już w 2020 roku dalszy rozwój technologii i pojawieniem się drugiej generacji samochodów napędzanych paliwem.
Historia silnika wodorowego. Jeśli ropę naftową można nazwać paliwem dnia dzisiejszego (paliwem stulecia), to wodór można nazwać paliwem przyszłości.
W normalnych warunkach wodór jest bezbarwnym, bezwonnym i pozbawionym smaku gazem, najlżejszą substancją (14,4 razy lżejszą od powietrza); Wyróżnia się bardzo niskimi temperaturami wrzenia i topnienia, odpowiednio -252,6 i -259,1 CC.
Ciekły wodór jest bezbarwną, bezwonną cieczą, w temperaturze -253°C ma masę 0,0708 g/cm 3 .
Wodór swoją nazwę zawdzięcza francuskiemu naukowcowi Antoine’owi Laurentowi Lavoisierowi, który w 1787 roku rozkładając i ponownie syntetyzując wodę, zaproponował nazwanie drugiego składnika (znano tlen) hydrofenem, co w tłumaczeniu oznacza „rodzić wodę” lub „wodór”. Wcześniej gaz uwalniający się podczas interakcji kwasów z metalami nazywano „łatwopalnym powietrzem”.
Pierwszy patent na silnik pracujący na mieszaninie wodoru i tlenu pojawił się w 1841 roku w Anglii, a 11 lat później nadworny zegarmistrz Christian Thaman zbudował w Monachium silnik, który przez kilka lat pracował na mieszaninie wodoru i powietrza.
Jednym z powodów, dla których silniki te nie rozpowszechniły się, był brak wolnego wodoru w przyrodzie.
W naszym stuleciu ponownie zwrócono się ku silnikowi wodorowemu - w latach 70. w Anglii naukowcy Ricardo i Brustall przeprowadzili poważne badania. Eksperymentalnie – zmieniając jedynie dopływ wodoru – odkryli, że silnik wodorowy może pracować w całym zakresie obciążeń, od prędkość biegu jałowego aż do pełnego obciążenia. Ponadto wyższe wartości sprawności wskaźnika uzyskano dla mieszanek ubogich niż dla benzyny.
W Niemczech w 1928 roku firma sterowiec Zeppelin użyła wodoru jako wzbogacacza paliwa podczas długodystansowego lotu próbnego przez Morze Śródziemne.
Przed II wojną światową w tych samych Niemczech używano wagonów napędzanych wodorem. Wodór do nich pozyskiwano w elektrolizerach wysokociśnieniowych, pracujących z sieci na stacjach benzynowych zlokalizowanych przy torach kolejowych.
Prace Rudolfa Errena odegrały ważną rolę w udoskonaleniu silnika wodorowego. Jako pierwszy zastosował wewnętrzne tworzenie mieszanki, co umożliwiło konwersję silników na paliwo ciekłe na wodór przy zachowaniu zasady układ paliwowy i tym samym zapewnić pracę silnika na paliwie węglowodorowym, wodorze i paliwo płynne z dodatkiem wodoru. Warto zauważyć, że możliwe było przełączenie z jednego rodzaju paliwa na inny bez zatrzymywania silnika.
Jednym z silników przerobionych przez Errena jest autobusowy diesel Leyland, którego eksperymentalna eksploatacja wykazała wysoką wydajność przy dodawaniu wodoru do oleju napędowego.
Erren opracował także silnik wodorowo-tlenowy, którego produktem spalania była para wodna wraz z tlenem, a część pary ulegała skropleniu. Możliwość pracy takiego silnika bez zewnętrznego układu wydechowego wykorzystano na przedwojennych niemieckich okrętach podwodnych. Na powierzchni silniki wysokoprężne napędzały łódź i zapewniały energię do rozkładu wody na wodór i tlen, a po zanurzeniu działały na mieszaninie pary i tlenu oraz wodoru. Jednocześnie łódź podwodna nie potrzebowała powietrza do silników Diesla i nie pozostawiała śladów na powierzchni wody w postaci pęcherzyków azotu, tlenu i innych produktów spalania.
W naszym kraju badania nad możliwościami wykorzystania wodoru w silnikach spalinowych rozpoczęły się już w latach 30-tych XX wieku.
Podczas oblężenia Leningradu do podnoszenia i opuszczania balonów zaporowych używano wciągarek z silnikami GAZ-AA, które zostały przerobione na napęd wodorowy. Od 1942 r. wodór był z powodzeniem stosowany w moskiewskiej służbie obrony powietrznej; napełniano nim balony.
W latach 50. statki rzeczne miały wykorzystywać wodór powstający w wyniku rozkładu wody w elektrowniach wodnych.
Aktualne wykorzystanie wodoru
W latach 70. przeprowadzono testy pod przewodnictwem akademika V.V. Strumińskiego silnik samochodu„GAZ-652” napędzany benzyną i wodorem oraz silnik „GAZ-24” napędzany ciekłym wodorem. Testy wykazały, że przy zasilaniu wodorem wydajność wzrasta, a nagrzewanie silnika spada.W Charkowskim Instytucie Problemów Inżynierii Mechanicznej Akademii Nauk Ukraińskiej SRR oraz Charkowskim Instytucie Samochodów i Autostrad pod kierunkiem profesora I. L. Varshavsky'ego przeprowadzono badania odporności na detonację wodoru-powietrza i benzyny-wodoru- mieszanin powietrza, a także prowadzono prace nad konwersją na wodór i dodawaniem wodoru do benzyny w silnikach samochodowych Moskvich-412, „VAZ-2101”, „GAZ-24” wykorzystujących substancje magazynujące energię i wodorki metali ciężkich do produkcji i magazynowania wodoru . Zmiany te osiągnęły etap próbnego działania w autobusach i taksówkach.
Pojawił się w astronautyce nowa klasa samoloty osiągające prędkość hipersoniczną w atmosferze ziemskiej. Aby osiągnąć takie prędkości, wymagane jest paliwo o wysokiej wartości opałowej i niskiej masie cząsteczkowej produktów spalania; ponadto musi mieć duże zasoby chłodnicze.
Wodór doskonale spełnia te wymagania. Może absorbować ciepło 30 razy więcej niż nafta. Po podgrzaniu od -253 do +900°C (temperatura wlotowa silnika) 1 kg wodoru może wchłonąć ponad 4000 kcal.
Myjąc wnętrze poszycia samolotu przed wejściem do komory spalania, ciekły wodór pochłania całe ciepło powstałe podczas przyspieszania samolotu do prędkości 10-12 razy większej niż prędkość dźwięku w powietrzu.
Ciekły wodór w połączeniu z ciekłym tlenem wykorzystano w ostatnich etapach superciężkich amerykańskich rakiet nośnych Saturn 5, co w pewnym stopniu przyczyniło się do sukcesu programów kosmicznych Apollo i Skylab.
Właściwości silnikowe paliwa
Podstawowe fizyko-chemiczne i właściwości motoryczne wodór w porównaniu z propanem i benzyną podano w tabeli. 1.
Wodór ma najwyższe wskaźniki masy energetycznej, przewyższając tradycyjne paliwa węglowodorowe 2,5-3 razy, a alkohole 5-6 razy. Jednak ze względu na małą gęstość jego objętościowa moc cieplna jest gorsza niż w przypadku większości paliw płynnych i gazowych. Ciepło spalania 1 m3 mieszaniny wodorowo-powietrznej jest o 15% mniejsze niż benzyny. Z powodu gorszego napełnienia cylindrów ze względu na małą gęstość, litrowa moc silników benzynowych po konwersji na wodór zmniejsza się o 20-25%.
Temperatura zapłonu mieszanin wodoru jest wyższa niż mieszanin węglowodorów, ale do zapalenia tej pierwszej potrzeba mniej energii. Mieszanki wodorowo-powietrzne różnią się duża prędkość spalanie w silniku, a spalanie zachodzi przy prawie stałej objętości, co prowadzi do gwałtownego wzrostu ciśnienia (3 razy wyższego niż odpowiednik benzyny). Natomiast na mieszankach ubogich, a nawet bardzo ubogich, stopień spalania wodoru zapewnia normalną pracę silnika.
Mieszanki wodorowo-powietrzne charakteryzują się wyjątkowo szerokim zakresem palności, co pozwala na wysoką jakość kontroli wszelkich zmian obciążenia. Dolna granica zapłonu zapewnia pracę silnika wodorowego na wszystkich trybach prędkości w szerokim zakresie składu mieszanki, w wyniku czego jego sprawność przy częściowych obciążeniach wzrasta o 25-50%.
Znane są następujące metody dostarczania wodoru do silników spalinowych: wtrysk do kolektora dolotowego; zastosowanie modyfikacji gaźnika na wzór systemów zasilania na gaz skroplony i gaz ziemny; indywidualne dozowanie wodoru w pobliżu zaworu dolotowego; wtrysk bezpośredni pod wysokim ciśnieniem do komory spalania.
Aby zapewnić stabilną pracę silnika, pierwszą i drugą metodę można stosować wyłącznie przy częściowej recyrkulacji spalin, dodając do paliwa dodatki wodne i benzynowe.
Najlepsze efekty uzyskuje się poprzez bezpośredni wtrysk wodoru do komory spalania, co całkowicie eliminuje płomienie w układzie dolotowym, a moc maksymalna nie tylko nie spada, ale może wzrosnąć o 10-15%.
Rezerwa paliwa
Charakterystyka objętościowo-masowa różne systemy Magazynowanie wodoru podano w tabeli. 2. Wszystkie mają gorszy rozmiar i wagę niż benzyna.
Ze względu na niewielką rezerwę energii oraz znaczny wzrost gabarytów i masy zbiornika paliwa, nie stosuje się wodoru w postaci gazowej. W pojazdach nie stosuje się również ciężkich cylindrów wysokociśnieniowych.
Ciekły wodór w pojemnikach kriogenicznych o podwójnych ściankach, których przestrzeń jest izolowana termicznie.
Bardzo interesujące z praktycznego punktu widzenia jest akumulacja wodoru za pomocą wodorków metali. Niektóre metale i stopy, takie jak wanad, niob, stop żelaza z tytanem (FeTi), stop manganu i niklu (Mg + 5% Ni) i inne, mogą w pewnych warunkach łączyć się z wodorem. W tym przypadku powstają wodorki zawierające dużą ilość wodoru. Jeśli do wodorku zostanie doprowadzone ciepło, ulegnie on rozkładowi, uwalniając wodór. Zredukowane metale i stopy można ponownie wykorzystać do połączenia z wodorem.
Układy wodorkowe zazwyczaj wykorzystują ciepło ze spalin silnika do produkcji wodoru. Rumak akumulator wodorkowy wodór produkowany jest pod niskim ciśnieniem przy jednoczesnym chłodzeniu bieżącą wodą z kranu. Ze względu na właściwości termodynamiczne i niski koszt najbardziej odpowiednim składnikiem jest stop FeTi.
Akumulator wodorkowy to pakiet rurek (wkładów wodorkowych) wykonanych ze stali nierdzewnej, wypełnionych sproszkowanym stopem FeTi i zamkniętych we wspólnej obudowie. Do przestrzeni pomiędzy rurami przepuszczane są spaliny silnika lub woda. Rury z jednej strony są połączone kolektorem, który służy do magazynowania niewielkiej ilości wodoru niezbędnego do uruchomienia silnika i pracy go w warunkach nieustalonych. Pod względem masy i objętości akumulatory wodorkowe są porównywalne z systemami magazynowania ciekłego wodoru. Pod względem energochłonności są gorsze od benzyny, ale lepsze od akumulatorów kwasowo-ołowiowych.
Metoda magazynowania wodorków jest dobrze kompatybilna z trybami pracy silnika poprzez automatyczną kontrolę przepływu spalin przez akumulator wodorkowy. Układ wodorkowy pozwala na najpełniejsze wykorzystanie strat ciepła poprzez spaliny i wodę chłodzącą. W Chevrolecie Monte Carlo zastosowano eksperymentalny układ wodorkowo-kriogeniczny. W tym układzie silnik uruchamiany jest na ciekłym wodorze, a po nagrzaniu silnika włączany jest akumulator wodorkowy, a do podgrzewania wodorku wykorzystywana jest woda z układu chłodzenia.
W przedwojennych Niemczech w eksperymentalnym układzie wodorkowym opracowanym przez firmę Daimler-Benz zastosowano dwa akumulatory wodorkowe, z których jeden – niskotemperaturowy – pobiera ciepło z otoczenia i pełni funkcję klimatyzatora, drugi ogrzewany jest chłodziwem z układu układ chłodzenia silnika. Czas potrzebny do naładowania akumulatora wodorkowego zależy od ilości czasu potrzebnego do rozproszenia ciepła. Po schłodzeniu wodą wodociągową czas całkowitego napełnienia akumulatora wodorkowego o pojemności 65 litrów, zawierającego 200 kg stopu FeTi i pochłaniającego 50 m3 wodoru, wynosi 45 minut, przy czym 75% napełnienia następuje w ciągu pierwszych 10 minut.
Korzyści z wodoru
Głównymi zaletami wodoru jako paliwa są obecnie nieograniczone dostawy surowców oraz brak lub niewielka ilość substancji szkodliwych w spalinach.Baza surowcowa do produkcji wodoru jest praktycznie nieograniczona. Dość powiedzieć, że jest to najpowszechniejszy pierwiastek we wszechświecie. W postaci plazmy stanowi prawie połowę masy Słońca i większości gwiazd. Gazy ośrodka międzygwiazdowego i mgławic gazowych również składają się głównie z wodoru.
W skorupie ziemskiej zawartość wodoru wynosi 1% masowy, a w wodzie, najpowszechniejszej substancji na Ziemi, wynosi 11,19% masowego. Jednak wolny wodór jest niezwykle rzadki i minimalne ilości w gazach wulkanicznych i innych gazach naturalnych.
Wodór to wyjątkowe paliwo, które ekstrahuje się z wody, a po spaleniu ponownie tworzy wodę. Jeśli jako środek utleniający zastosuje się tlen, wówczas jedynym produktem spalania będzie woda destylowana. Podczas korzystania z powietrza do wody dodawane są tlenki azotu, których zawartość zależy od stosunku nadmiaru powietrza.
Przy stosowaniu wodoru nie są wymagane toksyczne ołowiowe środki przeciwstukowe.
Pomimo braku węgla w paliwie wodorowym, spaliny mogą zawierać niewielkie ilości tlenku węgla i węglowodorów na skutek wypalania się smarów węglowodorowych dostających się do komory spalania.
W 1972 r. firma General Motors (USA) zorganizowała konkursy samochodowe na najczystszą emisję spalin. W konkursie wzięły udział pojazdy elektryczne akumulatorowe oraz 63 pojazdy napędzane różnymi paliwami, w tym gazem – amoniakiem i propanem. Pierwsze miejsce przypadło samochodowi marki Volkswagen przerobionemu na wodór, którego spaliny okazały się czystsze od otaczającego powietrza atmosferycznego zużywanego przez silnik.
W przypadku silników spalinowych zasilanych wodorem, ze względu na znacznie niższą emisję cząstek stałych oraz brak kwasów organicznych powstających podczas spalania paliw węglowodorowych, zwiększa się żywotność silnika i zmniejszają się koszty napraw.
O wadach
Wodór gazowy charakteryzuje się dużą dyfuzyjnością – jego współczynnik dyfuzji w powietrzu jest ponad 3 razy większy w porównaniu do tlenu, dwutlenku wodoru i metanu.Zdolność wodoru do penetracji w głąb metali, zwana uwodornieniem, wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia i temperatury. Wnikanie wodoru do sieci krystalicznej większości metali o 4-6 mm podczas obróbki na zimno zmniejsza się o 1,5-2 mm. Uwodornienie aluminium, sięgające 15-30 mm, podczas hartowania na zimno można zmniejszyć do 4-6 mm. Uwodornienie większości metali jest prawie całkowicie wyeliminowane przez dodanie stopu z chromem, molibdenem i wolframem.
Stale węglowe nie nadają się do produkcji części mających kontakt z ciekłym wodorem, ponieważ stają się kruche niskie temperatury Do tych celów stosuje się stale chromowo-niklowe Kh18N10T, OX18N12B, Kh14G14NZT, mosiądz L-62, LS 69-1, LV MTs 59-1-1, cyno-fosfor BR OF10-1, beryl BRB2 i brązy aluminiowe.
Zbiorniki kriogeniczne (na substancje niskotemperaturowe) do przechowywania ciekłego wodoru są zwykle wykonane ze stopów aluminium AMts, AMg, AMg-5V itp.
Mieszanina gazowego wodoru i tlenu ma szeroki zakres palności i wybuchowości. Dlatego pomieszczenia zamknięte muszą być wyposażone w czujniki monitorujące jego stężenie w powietrzu.
Wysoka temperatura zapłonu i zdolność szybkiego rozpraszania się w powietrzu sprawiają, że wodór w otwartych objętościach jest w przybliżeniu równoważny pod względem bezpieczeństwa gazowi ziemnemu.
Aby określić bezpieczeństwo wybuchu w wypadku drogowym, na ziemię rozlano ciekły wodór z pojemnika kriogenicznego, który natychmiast odparował i nie zapalił się przy próbie zapalenia.
W USA Cadillac Eldorado przerobiony na paliwo wodorowe został poddany następującym testom. Pociski przeciwpancerne wystrzeliwano z karabinu do całkowicie wypełnionego wodorkiem zbiornika z wodorem. W tym przypadku do eksplozji nie doszło, ale podczas podobnego testu eksplodował zbiornik z gazem.
Zatem, poważne niedociągnięcia wodór - wysoka dyfuzyjność oraz szeroki zakres palności i wybuchowości gazowej mieszaniny wodorowo-tlenowej nie są już przyczynami uniemożliwiającymi jej zastosowanie w transporcie.
Horyzont
Wodór jest już stosowany jako paliwo w technologii rakietowej. Możliwości jego zastosowania w lotnictwie i nie tylko transport drogowy. Wiadomo już, jaki powinien być optymalny silnik wodorowy. Musi posiadać: stopień sprężania 10-12, prędkość obrotową wału korbowego co najmniej 3000 obr/min, wewnętrzny układ tworzenia mieszanki i pracować przy współczynniku nadmiaru powietrza α≥1,5. Ale do wdrożenia. W przypadku takiego silnika należy poprawić tworzenie się mieszanki w cylindrze silnika i wydać wiarygodne zalecenia konstrukcyjne.Naukowcy przewidują początek powszechnego stosowania silników wodorowych w samochodach nie wcześniej niż w 2000 roku. Do tego czasu możliwe będzie stosowanie dodatków wodorowych do benzyny; Poprawi to efektywność i zmniejszy ilość szkodliwych emisji do środowiska.
Interesująca jest konwersja na wodór silnik tłokowy obrotowy, ponieważ nie ma skrzyni korbowej i dlatego nie jest wybuchowy.
Obecnie wodór produkowany jest z gazu ziemnego. Stosowanie wodoru jako paliwa jest nieopłacalne, taniej jest spalać gaz w silnikach. Wytwarzanie wodoru poprzez rozkład wody jest również nieopłacalne ekonomicznie ze względu na duże koszty energii potrzebnej do rozbicia cząsteczki wody. Jednakże prowadzone są również badania w tym kierunku. Istnieją już samochody eksperymentalne wyposażone we własną instalację elektrolizy, którą można podłączyć do ogólnej sieci energetycznej; Wytworzony wodór magazynowany jest w akumulatorze wodorkowym.
Obecnie koszt wodoru elektrolitycznego jest 2,5 razy wyższy niż ten wytwarzany z gazu ziemnego. Naukowcy tłumaczą to niedoskonałością techniczną elektrolizerów i uważają, że ich wydajność będzie można wkrótce zwiększyć do 70-80%, w szczególności dzięki zastosowaniu technologii wysokotemperaturowej. Przy wykorzystaniu istniejącej technologii ostateczna wydajność produkcji wodoru elektrolitycznego nie przekracza 30%.
Bezpośredni rozkład termiczny wody wymaga wysokiej temperatury około 5000 °C. Dlatego bezpośredni rozkład wody nie jest jeszcze możliwy nawet w reaktorze termojądrowym - trudno jest znaleźć materiały zdolne do pracy w takiej temperaturze. Japoński naukowiec T. Nakimura zaproponował dwustopniowy cykl rozkładu wody dla pieców słonecznych, który nie wymaga tak wysokich temperatur. Być może nadejdzie czas, gdy w dwuetapowym cyklu wodór będzie produkowany w stacjach helowo-wodorowych zlokalizowanych w oceanie oraz jądrowych stacjach wodorowych, które produkują więcej wodoru niż prądu.
Podobnie jak gaz ziemny, wodór można transportować rurociągami. Ze względu na niższą gęstość i lepkość tym samym rurociągiem pod tym samym ciśnieniem można przepompować 2,7 razy więcej wodoru niż gazu, ale koszty transportu będą wyższe. Zużycie energii na transport wodoru rurociągami wyniesie około 1% na 1000 kgf, co jest nieosiągalne dla linii energetycznych.
Wodór można magazynować w zbiornikach gazowych z uszczelnieniem cieczowym oraz w zbiornikach. Francja ma już doświadczenie w magazynowaniu pod ziemią gazu zawierającego 50% wodoru. Ciekły wodór można przechowywać w zbiornikach kriogenicznych, wodorkach metali i roztworach.
Wodorki mogą być niewrażliwe na zanieczyszczenia i mogą selektywnie absorbować wodór z mieszaniny gazów. Otwiera to możliwość nocnego tankowania z krajowej sieci gazowej, zasilanej produktami zgazowania węgla.
Literatura
- 1. Władimir A. Paliwo duże prędkości. - Chemia i życie. 1974, nr 12, s. 25. 47-50.
- 2. Woronow G. Reaktor termojądrowy – źródło paliwa wodorowego. - Chemia i życie, 1979, nr 8, s. 23-35. 17.
- 3. Wykorzystanie paliw alternatywnych w transporcie drogowym za granicą. Informacje ogólne. Seria 5. Ekonomika, zarządzanie i organizacja produkcji. CBNTI Ministerstwa Autotransportu RSFSR, 1S82, wydanie. 2.
- 4. Struminsky V.V. Wodór jako paliwo. - Za kierownicą, 1980, Ko 8, s. 10-11.
- 5. Chmyrow V.I., Ławrow B.E. Silnik wodorowy. Alma-Ata, Nauka, 1981.
Notatki
1. Redakcja kontynuuje publikowanie serii artykułów poświęconych obiecującym rodzajom paliw i problemom gospodarki paliwowej (patrz „KYA”).Żyjemy w XXI wieku, nadszedł czas, aby stworzyć paliwo przyszłości, które zastąpi tradycyjne paliwo i wyeliminuje naszą zależność od niego. Paliwa kopalne są dziś naszym głównym źródłem energii.
W ciągu ostatnich 150 lat ilość dwutlenku węgla w atmosferze wzrosła o 25%. Spalanie węglowodorów powoduje zanieczyszczenia takie jak smog, kwaśne deszcze i zanieczyszczenie powietrza.
Jakie będzie paliwo przyszłości?
Wodór to alternatywne paliwo przyszłości
Wodór to bezbarwny i bezwonny gaz, który stanowi 75% masy całego Wszechświata. Wodór na Ziemi istnieje tylko w połączeniu z innymi pierwiastkami, takimi jak tlen, węgiel i azot.
Aby wykorzystać czysty wodór, należy go oddzielić od pozostałych pierwiastków, aby można go było wykorzystać jako paliwo.
Przestawienie wszystkich samochodów i wszystkich stacji benzynowych na wodór nie jest zadaniem łatwym, ale w dłuższej perspektywie przejście na wodór jako paliwo alternatywne dla samochodów będzie bardzo opłacalne.
Zamiana wody w paliwo
Technologie paliw wodnych wykorzystują wodę, sól i bardzo niedrogi stop metali. Gaz powstający w tym procesie to czysty wodór, który spala się jako paliwo bez potrzeby stosowania zewnętrznego tlenu – i nie emituje żadnych substancji zanieczyszczających.
Wodę morską można wykorzystać bezpośrednio jako główne paliwo, eliminując w ten sposób potrzebę dodawania soli.
Istnieje inny sposób zamiany wody w paliwo. Nazywa się to elektrolizą. Jest to metoda zamiany wody w gaz Browna, który jest jednocześnie doskonałym paliwem do obecnych silników benzynowych.
Dlaczego gaz Browna jest lepszym paliwem niż czysty wodór?
Przyjrzyjmy się wszystkim trzem typom rozwiązań w zakresie paliwa wodorowego – ogniwom paliwowym, czystemu wodorowi i gazowi Browna – i zobaczmy, jak działają one w odniesieniu do tlenu i jego zużycia:
Ogniwa paliwowe: Metoda ta wykorzystuje tlen z atmosfery, jednocześnie całkowicie spalając wodór w ogniwach paliwowych. Co wychodzi rura wydechowa? Tlen i para wodna! Ale tlen pierwotnie pochodził z atmosfery, a nie z paliwa.
Dlatego zastosowanie ogniw paliwowych nie rozwiązuje problemu: środowisko obecnie doświadcza ogromnych problemów z zawartością tlenu w powietrzu; tracimy tlen.
Wodór: Paliwo to jest idealne, gdyby nie jedno „ale”. Magazynowanie i dystrybucja wodoru wymaga specjalnego sprzętu, oraz zbiorniki paliwa samochody muszą wytrzymać wysokie ciśnienie krwi skroplony gazowy wodór.
Brązowy gaz: Jest to najdoskonalsze paliwo do napędu wszystkich naszych pojazdów. Czysty wodór pochodzi bezpośrednio z wody, czyli pary wodór-tlen, ale dodatkowo spala się w silniku spalinowym, uwalniając tlen do atmosfery: tlen i para wodna dostają się do atmosfery z rury wydechowej.
Zatem spalając gaz Browna jako paliwo, można zwiększyć zawartość tlenu w powietrzu, a tym samym zwiększyć zawartość tlenu w naszej atmosferze. Pomaga to rozwiązać bardzo niebezpieczny problem środowiskowy.
Gaz Browna to idealne paliwo przyszłości
O wykorzystaniu wody jako alternatywnego paliwa do samochodów, o planach przystosowania silników benzynowych do pracy na zwykłej wodzie kranowej, postulat ten stanowi światową rewolucję w świadomości ludzi.
Teraz to tylko kwestia czasu, zanim wszyscy zorientują się, że jest to woda najlepsze paliwo dla naszego transportu. Osobę lub osoby, które przekazały nam tę wiedzę, musimy zapamiętać jako bohaterów.
Zostali zabici, ich patenty wykupiły osoby prywatne, aby ich wynalazki nie stały się publiczne; informacja o samochodach na wodzie była w internecie nie dłużej niż 1-2 godziny...
Ale teraz coś się zmieniło, najwyraźniej władze zdecydowały: „Niech rozpocznie się gra”!
Samochody jeżdżą na wodzie i to wiemy na pewno. Eksploatacja silników benzynowych na wodzie jest dla wielu jak odskocznią najlepsze technologie niż te, które już istnieją i które szybko zastąpią pomysł jazdy samochodami po wodzie.
Ale podczas gdy koncerny naftowe dławią pomysł samochodu na wodzie, opanowanie wyższych technologii nie będzie możliwe, a wykorzystanie ropy będzie kontynuowane. Taka jest ogólna opinia naukowców, tak mówią na całym świecie.
Czy wykorzystanie wody jako paliwa może zmienić życie na Ziemi?
Czy wiesz, że zasoby wody na Ziemi nie są statyczne? Ilość wody na Ziemi zwiększa się każdego dnia.
Odkryto, że w ciągu ostatnich kilku lat codziennie z kosmosu przybywają ogromne ilości wody w postaci asteroid wodnych!
Te ogromne asteroidy zawierają megatony wody, która gdy znajdzie się w górnych warstwach atmosfery, natychmiast wyparowuje i ostatecznie osiada na Ziemi.
Zdjęcia tych asteroid NASA można obejrzeć w pierwszej książce doktora Emoto, The Water Message «. Dlaczego te wodne asteroidy zbliżają się do Ziemi, a nie do innych planet, takich jak Mars, pozostaje tajemnicą.
I czy prawdą jest, że dzieje się to dopiero teraz, czy działo się to przez całą historię Ziemi. Inna sprawa, że nikt nie zna odpowiedzi.
Topniejące lodowce. Ponadto poziom mórz podnosi się z powodu topnienia lodowców. W wyniku ocieplenia klimatu na Ziemi zaczyna być za dużo wody.
Rozmawiałem z naukowcami, którzy uważają, że naprawdę pomogłoby, gdyby w tym czasie w jakiś sposób wykorzystano niewielką ilość wody – na przykład do uruchomienia maszyn.
Jazda samochodami po wodzie pomoże uzupełnić tlen w naszej atmosferze: główny powód przejście na wodę jako paliwo – nasze obecne problemy środowiskowe.
Są tak duże, że jeśli nie zrobimy czegoś, aby ograniczyć zużycie paliw kopalnych, nasza Ziemia zostanie zniszczona. I nie będzie już miało znaczenia, czy na planecie jest woda, czy nie.
Czasami osoba spożywa coś, co jest potencjalnie niebezpieczne, aby zachować zdrowie. Z tą koncepcją związane jest wodowanie samochodów na wodzie. Może to być potencjalnie niebezpieczne, jeśli będziemy nadal używać wody jako paliwa przez dłuższy czas.
Biorąc jednak wszystko pod uwagę, rozwiązanie to jest najlepszym, na jakie rządy mogą obecnie sobie pozwolić.
Nawet rządy przygotowują się do wprowadzenia na rynek samochodów z ogniwami paliwowymi, w których paliwem będzie wodór. A żeby wdrożyć tę technologię, nie będziemy musieli zmieniać silników – alternatywne źródło naszego paliwa może nie być jedyne.
Obecnie rozwiązano wiele kwestii technicznych związanych z wprowadzeniem energii wodorowej. Wszyscy prezenterzy firmy samochodowe Posiadać modele koncepcyjne samochody napędzane wodorem. Są stacje tankowania tych samochodów. Jednak koszt wodoru jest nadal znacznie wyższy niż benzyny czy gazu ziemnego. Aby nowy przemysł stał się opłacalny komercyjnie, konieczne jest osiągnięcie nowego poziomu produkcji wodoru i obniżenie jego ceny.
Obecnie istnieje kilkanaście metod wytwarzania wodoru z różnych źródeł materiały wyjściowe. Najbardziej znana jest hydroliza wody, jej rozkład poprzez przepuszczanie prądu elektrycznego, ale wymaga to dużo energii. Głównym kierunkiem ograniczania zużycia energii podczas elektrolizy wody jest poszukiwanie nowych materiałów na elektrody i elektrolity.
Trwają prace nad metodami wytwarzania wodoru z wody przy użyciu nieorganicznych środków redukujących – metali elektroujemnych i ich stopów z dodatkiem metali aktywatorów. Takie stopy nazywane są substancjami magazynującymi energię (EAS). Pozwalają uzyskać dowolną ilość wodoru z wody. Innym sposobem uwolnienia wodoru z wody może być jego fotoelektrochemiczny rozkład pod wpływem światła słonecznego.
Typowe metody obejmują obróbkę w fazie gazowej metanu (gazu ziemnego) oraz termiczną metodę rozkładu węgla i innych biomateriałów. Obiecujące są cykle termochemiczne do produkcji wodoru, parowe metody jego konwersji z węgla kamiennego i brunatnego oraz torfu, a także metody podziemnego zgazowania węgla w celu produkcji wodoru.
Osobnym tematem jest rozwój katalizatorów do produkcji wodoru z surowców organicznych – produktu przetwarzania biomasy. Ale jednocześnie wraz z wodorem tworzą się znaczne ilości tlenku węgla (CO), który należy usunąć.
Inną obiecującą metodą jest proces katalitycznej obróbki parowej etanolu. Wodór można pozyskać także z węgla (zarówno twardego, jak i brunatnego), a nawet z torfu. Coraz większym zainteresowaniem cieszy się także siarkowodór. Wynika to z niskich kosztów energii na elektrolityczne oddzielanie wodoru od siarkowodoru oraz dużych zasobów tego związku w przyrodzie – w wodach mórz i oceanów, w gazie ziemnym. Siarkowodór jest również wytwarzany jako produkt uboczny przemysłu rafinacji ropy naftowej, przemysłu chemicznego i metalurgicznego.
Wodór można wytwarzać przy użyciu technologii plazmowych. Za ich pomocą można zgazować nawet najniższej jakości surowce węglowe, jakimi są stałe odpady komunalne. Jako źródło plazmy termicznej wykorzystywane są plazmotrony, czyli urządzenia wytwarzające strumień plazmy.
Magazynowanie wodoru
Istnieją następujące metody magazynowania wodoru bezpośrednio w samochodzie: butla gazowa, kriogeniczna, wodorkowa.
W pierwszym przypadku wodór magazynowany jest w postaci sprężonej pod ciśnieniem około 700 atm. Jednocześnie masa wodoru stanowi tylko około 3% masy butli, a do przechowywania jakiejkolwiek zauważalnej ilości gazu potrzebne są bardzo ciężkie i obszerne butle. Nie wspominając o tym, że produkcja, ładowanie i obsługa takich butli wymagają specjalnych środków ostrożności ze względu na ryzyko wybuchu.
Metoda kriogeniczna polega na skraplaniu wodoru i przechowywaniu go w izolowanych cieplnie naczyniach w temperaturze -235 stopni. Jest to proces dość energochłonny – upłynnianie kosztuje 30-40% energii, która zostanie uzyskana dzięki wykorzystaniu powstałego wodoru. Ale niezależnie od tego, jak doskonała jest izolacja termiczna, wodór w zbiorniku nagrzewa się, ciśnienie wzrasta, a gaz jest uwalniany do atmosfery przez zawór bezpieczeństwa. Zaledwie kilka dni - i zbiorniki są puste!
Najbardziej obiecujące są urządzenia do magazynowania w postaci stałej, tzw. wodorki metali. Związki te są w stanie w pewnych warunkach absorbować wodór jak gąbka i uwalniać go w innych, np. po podgrzaniu. Aby było to opłacalne ekonomicznie, taki wodorek metalu musi „wchłonąć” co najmniej 6% wodoru. Cały świat poszukuje obecnie takich materiałów. Gdy tylko materiał zostanie znaleziony, technolodzy go odbiorą i rozpocznie się proces „uwodornienia”.
Na całym świecie jest około pięćdziesięciu milionów samochodów napędzanych benzyną lub olej napędowy. Ropa nie jest nieograniczona, co powoduje, że pojawia się pytanie: czym będą jeździć samochody za 30-40 lat?
Jakie paliwo jest dostępne
Zacznijmy od samochody hybrydowe. Łączą w sobie mały silnik spalinowy (ICE) i napęd elektryczny z akumulatorami. Energia z silnika i z układ hamulcowy Samochód służy do ładowania akumulatorów zasilających napęd elektryczny. Typowy silniki hybrydowe pozwalają na 20-30% bardziej efektywne wykorzystanie paliwa w porównaniu do tradycyjnych silników spalinowych i emitują do atmosfery znacznie mniej szkodliwych substancji.
Jak wiemy, hybrydy nie pojadą daleko bez benzyny, dlatego usuwamy tę opcję. Samochody elektryczne wciąż wydają się najlepsza opcja, ale jest niewiele normalnych samochodów elektrycznych. A ich zasięg jest niewielki, zwłaszcza jeśli podróżujesz na duże odległości. Koszt jest również wysoki. Ta opcja jest przyszłością, ale już teraz musimy szukać paliw alternatywnych.
Następne na liście są pojazdów napędzanych paliwami alternatywnymi według rodzaju paliwa alkoholowego, biodiesla lub etanolu. Ta opcja na pierwszy rzut oka wydaje się doskonała; poza tym powstają samochody na paliwa alternatywne i sprawdziły się znakomicie. Ale jeśli wszystkie samochody zostaną „przeszczepione” na biopaliwo, ceny żywności wzrosną, bo… Do produkcji tego rodzaju paliwa potrzebne są duże obszary upraw.
Kolejną rzeczą jest wodór do tankowania samochodów. Jest bardziej obiecujący z kilku powodów: masa akumulatora wodorowego jest mniejsza, ładowanie jest szybsze, produkcja akumulatorów jest droższa i wymaga większej liczby różnych egzotycznych elementów, sieć stacji benzynowych jest znacznie łatwiejsza do zorganizowania niż stacje ładowania, są inne zalety...
Energia elektryczna – paliwo przyszłości?
Firmy motoryzacyjne już inwestują ogromne pieniądze w rozwój paliw alternatywnych, powstają pojazdy elektryczne o dużym zasięgu. Jeśli na początku miały zasięg nie większy niż 100 kilometrów, teraz niektórzy mogą pochwalić się zasięgiem nawet 300-400 kilometrów bez ładowania. Nawet jeśli technologia się rozwinie i pojawią się nowe typy baterie w przypadku pojazdów elektrycznych rezerwę można zwiększyć do 500 km.
Na tym nie kończy się zastosowanie pojazdów elektrycznych o dużym zasięgu. Trzeba budować stacje benzynowe na całym świecie, powinno być ich dużo. Ponadto uzupełnienia muszą być szybkie, gdy maszynę można „zasilać” prądem nie dłużej niż 1 godzinę (najlepiej 10-20 minut). Teraz pełne naładowanie zajmuje od 16 do 24 godzin, w zależności od pojemności akumulatora.
Jak rozumiesz, sieć drogowa wymaga całkowitej zmiany i mogą to zrobić duże koncerny naftowe. Mają duża liczba stacje benzynowe. Wystarczy umieścić w pobliżu pompy, aby zatankować pojazdy elektryczne. Wtedy wzrośnie liczba samochodów elektrycznych, bo rozwiązany zostanie problem tankowania.
Na podstawie tego, co powiedziano: nie ma jeszcze normalnych akumulatorów do pojazdów elektrycznych, które wytrzymałyby każdą pogodę i ładowałyby się w co najmniej kilka minut. Ponadto dla większości entuzjastów samochodów samochody elektryczne są drogie. Jednak z biegiem czasu i rozwojem technologii ich koszt będzie się zmniejszał i staną się dostępne dla każdego.
