На данный момент водород является самым разрабатываемым "топливом будущего". На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть, что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.

Управляемый термоядерный синтез

Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50 годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 году исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 году самая крупная термоядерная установка - Европейский Токамак, JET, получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

Электроводородный генератор

В результате проведенных работ изобретено и патентуется по системе РСТ простое высокопроизводительное устройство для разложения воды и производства из нее беспрецедентно дешевого водорода методом гравитационного электролиза раствора электролита, получившее название "электроводородный генератор (ЭВГ)". Он приводится в действие механическим приводом и работает при обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок. В процессе разложения воды подведенная к приводу ЭВГ избыточная механическая энергия может быть на 80 % преобразована в электроэнергию, которая затем используется любым потребителем на нужды полезной внешней нагрузки. При этом на каждую единицу затраченный мощности привода генератором в зависимости от заданного режима работы поглощается от 20 до 88 энергетических единиц низкопотенциального тепла, что собственно и компенсирует отрицательный термический эффект химической реакции разложения воды. Один кубический метр условного рабочего объема генератора, работающего в оптимальном режиме с КПД 86-98 %, способен за секунду произвести 3,5 м3 водорода и одновременно около 2,2 МДж постоянного электрического тока. Единичная тепловая мощность ЭВГ в зависимости от решаемой технической задачи может варьироваться от нескольких десятков ватт до 1000 МВт.

"Водородный" автомобиль

Французский автомобильный концерн Renault совместно с компанией Nuvera Fuel Cells планирует разработать серийный автомобиль, использующий в качестве топлива водород, уже к 2010 году (рис.6)

Рис. 6

Nuvera - небольшая американская компания, с 1991 года занимающаяся разработкой двигателей, альтернативных доминирующим сейчас бензиновым и дизельным. В основе разработок Nuvera лежит так называемый "топливный элемент" (Fuel Cell). Топливный элемент - устройство, не имеющее движущихся частей, в котором происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является выделяемое тепло и некоторое количество воды.

Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах. Разработчики утверждают, что их продукция - это по сути дела "вечная батарейка", имеющая весьма значительный срок службы. Кроме того, в отличие от обычной батареи, "топливный элемент" не нуждается в подзарядке.

"Водородные батарейки"

Группа инженеров из технологического института штата Массачусетс (Massachusetts Institute of Technology) совместно со специалистами других университетов и компаний разрабатывает миниатюрный топливный двигатель, который в будущем сможет заменить батареи и аккумуляторы.

Журнал Popular Science, опубликовавший статью об исследованиях американских учёных, не удержался от восторга: "Вы только представьте себе жизнь без батареи! Когда топливо заканчивается в вашем ноутбуке, вы "заливаете полный бак" - и вперёд!"

Достоинства: Главным и неоспоримым преимуществом автомобилей на водородном топливе является высокая их экологичность. Так и запишем:
Экологичность водородного топлива. Продуктом горения водорода является вода, точнее водяной пар. Это, естественно, не означает, что при езде на таком автотранспорте не будет выделяться токсичных газов, ведь в ДВС помимо водорода сгорают ещё и различные масла. Однако количество выбросов их несравнимо с чадящими бензиновыми коллегами. Собственно, ухудшающееся состояние экологии – это проблема человечества, и если количество бензиновых «монстров» будет расти такими темпами, то водородное топливо, как когда-то, в войну, станет единственным спасением теперь уже не города, а всего человечества.
ДВС на водороде может использовать и классические виды топлива, такие как бензин. Для этого придётся устанавливать на автомобиль дополнительный топливный бак. Такой гибрид гораздо легче «продвинуть» на рынок, чем чистый водородный ДВС.
Бесшумность.
Простота конструкции и отсутствие дорогостоящих, ненадёжных и опасных систем топливоподачи, охлаждения и т.д.
Коэффициент полезного действия электродвигателя работающего на водородном топливе в несколько раз выше, чем у классического двигателя внутреннего сгорания.

Недостатки: Большой вес автомобиля. Для работы электродвигателя на водородном топливе необходимы мощные аккумуляторные батареи и водородные преобразователи тока, которые в общей конструкции весят не мало, да и габариты у них внушительные.

Дороговизна водородных топливных элементов.

При использовании водорода с традиционным топливом велика опасность взрыва и возгорания.
Несовершенные технологии хранения водородного топлива. То есть, ученые и разработчики до сих пор не решат, какой сплав использовать для баков хранения водорода.
Не разработаны необходимые стандарты хранения, транспортировки, применения водородного топлива.
Полное отсутствие водородной инфраструктуры заправок автомобилей.
Сложный и дорогой способ получений водорода в промышленных масштабах.
Прочитав о достоинствах и недостатках водородного топлива можно сделать вывод, что в свете ухудшающийся экологии, альтернативный источник энергии водород станет единственным продуктивным решением проблемы. Но, если обратится к недостаткам, то становится ясным, почему, до сих пор, серийный выпуск водородных автомобилей откладывается на неопределённый срок.

Методы получения H2:

1) Паровая конверсия метана – ПКМ. Осуществляется в мире в основном путём паровой конверсии метана при температурах 750-850 °С в химических паровых реформерах и каталитических поверхностях. На первом этапе метан и водяной пар превращаются в водород и монооксид углерода (синтез-газ). Вслед за этим «реакция сдвига» превращает монооксид углерода и воду в диоксид угле­рода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200-250 °С. Для осуществления эндотермического процесса ПКМ сжигается около поло­вины исходного газа. При использовании паровой конверсии метана в со­четании с высокотемпературным гелиевым реактором (ВТГР) требуемая тепловая мощность ВТГР составляет в расчёте на 5 млн т водорода около 6,5 ГВт.

2) Плазменная конверсия углеводородов. . В РКЦ «Курчатовский инсти­тут» выполнены исследования плазменной конверсии природного углево­дородного топлива (метан, керосин) в синтез-газ. Эта технология может быть применена на заправочных станциях или на борту водородных авто­мобилей при использовании обычного жидкого топлива. Разработаны так­же плазмохимические методы получения водорода с помощью ВЧ- и СВЧ-технологий с использованием в качестве сырья химических соединений, в Которых водород находится в слабосвязанном состоянии, например, серо­водорода.

3) Электролитическое разложение воды (электролиз). Электролитиче­ский водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. Для разложения чистой воды при нормальных условиях требуется напряжение 1,24 вольта. Величина напряжения зависит от температуры и давления, от свойств электролита и других параметров электролизера. В промышлен­ных и опытно-промышленных установках реализован к.п.д. электролизера ~70-80 %, в том числе для электролиза под давлением. Паровой электро­лиз - это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходи­мой для расщепления воды, в этом случае вкладывается в виде высокотем­пературного тепла в нагрев пара (до 900 °С), делая процесс более эффек­тивным. Стыковка ВТГР с высокотемпературными электролизерами по­зволит повысить суммарный кпд производства водорода из воды до 50 %.

Одним из существенных ограничений крупномасштабного электро­лизного производства водорода является потребность в драгоценных ме­таллах (платина, родий, палладий) для катализаторов, которая пропорцио­нальна мощности и, следовательно, поверхности электродов.

4) Расщепление воды. По-видимому, в ближайшем будущем методы по­лучения водорода с использованием углеродного сырья будут основными. Однако сырьевые и экологические ограничения процесса паровой конверсии метана стимулируют разработку процессов производства водорода из воды.

5) Термохимические и термоэлек­трохимические циклы. Воду можно термиче­ски разложить и при более низкой температуре, используя последователь­ность химических реакций, которые выполняют следующие функции: свя­зывание воды, отщепление водорода и кислорода, регенерация реагентов. термохимический процесс получения водорода с кпд до 50 % исполь­зует последовательность химических реакций (например, серно-кислотно-йодный процесс) и требует подвода тепла при температуре около 1000 °С. Источником тепла при термохимическом разложении воды также может служить высокотемпературный реактор. На отдельных стадиях процессов такого типа наряду с термическим воздействием для отщепления водорода может использоваться электричество (электролиз, плазма).

Современное автомобилестроение развивается с акцентом на производство более экологичных транспортных средств. Это обусловлено развернувшейся во всём мире борьбой за чистоту атмосферного воздуха путём снижения выбросов углекислого газа. Постоянный рост цен на бензин также заставляет производителей искать другие источники энергии. Многие ведущие автостроительные концерны постепенно переходят к серийному производству машин, работающих на альтернативном топливе, что уже в самом ближайшем будущем приведёт к появлению на автодорогах мира достаточного количества не только электрокаров, но также авто с двигателями, работающими от водородного топлива.

Принцип работы водородных автомобилей

Авто, работающее на водороде, призвано снизить атмосферные выбросы углекислого газа, а также других вредных примесей. Использование водорода для приведения в движение колёсного транспортного средства, возможно двумя различными способами:

• применением водородного двигателя внутреннего сгорания (ВДВС);
• установкой силового электрического агрегата, работающего от водородных элементов (ВЭ).

В то время, как мы привыкли заполнять бензином или дизельным топливом свой автомобиль, новое чудо – работает на наиболее распространенном элементе во вселенной - водороде

ВДВС представляет собой аналог широко используемых сегодня двигателей, топливом для которых является пропан. Именно эту модель движка проще всего перенастроить для работы от водорода. Принцип его действия тот же, что у бензинового двигателя, только в камеру сгорания вместо бензина поступает сжиженный водород. Авто с ВЭ – это, фактически, электрокар. Водород здесь выступает лишь сырьём для выработки электроэнергии, необходимой, чтобы привести в действие электрический мотор.

Водородный элемент состоит из следующих частей:

• корпуса;
• мембраны, пропускающей только протоны – она делит ёмкость на две части: анодную и катодную;
• анода, покрытого катализатором (палладием или платиной);
• катода с тем же катализатором.

Принцип действия ВЭ построен на физико-химической реакции, состоящей в следующем:

Таким образом, при движении автомобиля не выделяется углекислый газ, а лишь водяной пар, электричество и окись азота.

Основные характеристики водородных автомобилей

Главные игроки автомобилестроительного рынка уже имеют опытные образцы своей продукции, использующие водород в качестве топлива. Можно уже определённо выделить отдельные технические характеристики таких машин:

• максимально развиваемую скорость до 140 км/час;
• средний пробег от одной заправки 300 км (некоторые производители, например, Тойота или Хонда заявляют вдвое большую цифру – 650 или 700 км, соответственно, на одном лишь водороде);
• время разгона до 100 км/час с нуля – 9 секунд;
• мощность силовой установки до 153 лошадиных сил.

Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9.6 секунд и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км

Совсем неплохие параметры даже для бензиновых двигателей. Пока ещё не наметился крен в сторону ВДВС, использующего сжиженный Н2 или машин на ВЭ, и непонятно, какой из этих типов двигателей достигнет лучших технических характеристик и экономических показателей. Но сегодня больше выпущено моделей машин с электроприводом, работающих от ВЭ, которые дают больший КПД. Хотя расход водорода для получения 1 кВт энергии меньше в ВДВС.

К тому же переоснащение ДВС под водород для увеличения КПД требует изменения системы зажигания установки. Не решена пока проблема быстрого прогорания поршней и клапанов из-за более высокой температуры горения водорода. Здесь всё решит дальнейшее развитие обеих технологий, а также динамика цен при переходе к серийному производству.

Плюсы и минусы авто, работающих на водороде

Среди основных преимуществ водородомобилей можно отметить:

• высокую экологичность, заключающуюся в отсутствии большинства вредных веществ в выхлопах, характерных для работы бензинового двигателя, – углекислого и угарного газа, окиси и диоксидов серы, альдегидов, ароматических углеводородов;
• более высокий КПД, по сравнению с бензиновыми авто;

В целом авто имеет амбиции покорить весь мир

• меньший уровень шума от работы двигателя;
• отсутствие сложных, ненадёжных систем топливоподачи и охлаждения;
• возможность использования двух видов топлива.

Кроме того, машины, работающие на ВДВС, имеют меньший вес и больше полезного объёма, несмотря на необходимость установки баллонов для топлива.

К недостаткам водородомобилей можно отнести:

• громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
• высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
• несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для водородного топлива;
• отсутствие технологии хранения водорода;
• отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.

Однако, с переходом к массовому выпуску авто, оснащённых водородными силовыми установками, большая часть этих недостатков наверняка будет устранена.

Какие автомобили, использующие водород, уже выпускаются

Производством машин на водородном топливе занимаются такие ведущие мировые автомобилестроительные компании, как BMW, Mazda, Mercedes, Honda, MAN и Toyota, Daimler AG и General Motors. Среди опытных моделей, а у некоторых производителей уже и мелкосерийных, имеются автомобили, функционирующие только на водороде, или с возможностью использования двух видов топлива, так называемые гибриды.

Уже выпускаются такие модели водородомобилей, как:

• Ford Focus FCV;
• Mazda RX-8 hydrogen;
• Mercedes-Benz A-Class;
• Honda FCX;
• Toyota Mirai;
• Автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450;
• гибридный автомобиль на два вида топлива BMW Hydrogen 7.

Сегодня можно сказать определённо, что, несмотря на имеющиеся трудности (новое всегда с трудом пробивает себе дорогу), будущее принадлежит более экологичным автомобилям. Автокары, работающие на водородном топливе, составят достойную конкуренцию электромобилям.

По всему миру катаются около пятидесяти миллионов авто, которые ездят на бензине или дизельном топливе. Нефть не безгранична и значит возникает вопрос — на чем будут ездить автомобили через 30-40 лет?

Какое топливо доступно

Начнем с гибридных автомобилей. Они сочетают небольшой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электропривод с аккумуляторными батареями. Энергия от двигателя и от тормозной системы автомобиля используется для зарядки аккумуляторов, питающих электропривод. Типичные гибридные двигатели позволяют на 20−30% эффективнее использовать топливо по сравнению с традиционными ДВС и выбрасывают в атмосферу значительно меньше вредных веществ.

Как мы знаем, без бензина гибриды далеко не уедут , так что этот вариант убираем. Электромобили пока кажется оптимальным вариантом, но нормальных машин на электрической тяге мало. И запас хода у них маловат, особенно если путешествуете на дальние расстояния. Стоимость также велика. Этот вариант на будущее, а искать альтернативное топливо нужно сейчас.

Дальше по списку идут автомобили на альтернативном топливе , по типу спиртового топлива, биодизеля или этанола. Этот вариант, на первый взгляд, кажется отличным, к тому же создаются автомобили на альтернативном топливе и они отлично себя показали. Но если все машины «пересадить» на биотопливо, то подорожают продукты питания, т.к. для производства этого вида топлива нужны большие посевочные площади.

Другое дело — водород для заправки автомобилей. Он перспективнее по нескольким причинам: масса водородной батареи меньше, перезаправка быстрее, производство аккумуляторов дороже и требует больше разных экзотических элементов, сеть заправочных станций организовать гораздо проще чем зарядные, есть и другие плюсы…

Электричество — топливо будущего?

Авто компании уже вкладывают огромные деньги на разработку альтернативного топлива, создаются электромобили с большим запасом хода. Если в начале они имели запас хода не более 100 километров, то сейчас некоторые могут похвастаться запасом без подзарядки до 300-400 километров пробега. Если даже будут развиваться технологии и появятся новые типы аккумуляторных батарей для электромобилей, то запас можно увеличить до 500 км.

Применяемость электромобилей с большим запасом хода на этом не ограничивается. Нужно строить заправки по всему миру, их должно быть большое количество. Причем заправки должны быть быстрые , когда машина может «запитаться» электричеством по времени не более 1 часа (в идеале 10-20 минут). Сейчас на полную подзарядку уходит до 16-24 часов в зависимости от емкости батарей.

Как понимаете, нужно полностью менять дорожную сеть, и на это могут пойти крупные нефтяные компании. Они обладают большим количеством авто заправок. Нужно всего лишь рядом поставить колонки для заправки электромобилей. Тогда количество машин на электрической тяге возрастет, ведь проблема дозаправки будет решена.

Исходя из сказанного: для электромобилей пока нет нормальных батарей которые были бы всепогодны и принимали бы заряд хотя бы за минуты. К тому же электромобили дороги для большинства автолюбителей. Но со временем и развитием технологий, их стоимость снизится, они станут доступны для каждого.

Водород – это абсолютно чистое топливо , что дает при сгорании только Н 2 О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью – 143 кДж / г. Химический и электрохимический способы получения Н 2 неэкономические, так приятно использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие. Процесс протекает при участии гидрогеназы или нитрогеназы.

Гидрогеназа – фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию 2Н + + 2е = Н 2

Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных систем Н 2 -генерирующих. Сложной проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией. Иммобилизация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.

В зависимости от использования микроорганизмами источников энергии и доноров электронов, микробиологические процессы выделения водорода можно разделить на анаэробные в темноте, светозависимые без выделения кислорода и светозависимые с выделением кислорода (биофотолиз).

Анаэробный процесс выделения водорода в темноте

Микроорганизмы различных таксономических групп при брожении за недостающие в среде таких конечных акцепторов электронов как кислород, нитрат, нитрит, сульфат, восстанавливают протоны, избавляясь таким образом от избытка восстановителя. Скорость образования водорода бактериями при брожении достигает 400 мл / ч на грамм сухой биомассы. При всем разнообразии метаболических путей, в результате которых происходит выделение водорода в темновой фазе микроорганизмами, которые осуществляют различные типы брожения, конечные реакции связаны с разложением пирувата (1), формиата (2), ацетальдегида (3), пиридиннуклеотидов (НАД (Ф) Н) (4) и конверсией оксида углерода (II) (5):

СН 3 СОСООН + HS-КоА → СН 3 СО-SКоА + СО 2 + Н 2 (1)

НСООН → СО 2 + Н 2 (2)

СН 3 -СНО + Н 2 О → СН 3 СООН + Н 2 (3)

НАД (Ф) Н + Н + → НАД (Ф) + Н 2 (4)

СО + Н 2 О → Н 2 + СО 2 (5)

Эффективность образования водорода при брожении - 30%, потому что рядом с Н 2 образуются и другие вещества (этанол, ацетат, пропионат, бутанол и др.), которые обеспечивают бактериям энергию, которая необходима для их роста. Теоретические расчеты разложения глюкозы для оптимального выхода водорода дают следующую реакцию:

С 6 Н 12 О 6 + 4 Н 2 О → 2 СН 3 СООН + Н 2 СО 3 + 4 Н 2 , ΔН 0 = – 206 кДж / моль

В экспериментах с различными бактериями и их консорциумами обычно получают значения 0,5-4,0 моля Н 2 /моль глюкозы, при этом максимальные значения выхода получены при использовании термофильных анаэробных бактерий.

В реальных условиях происходит трансформация процесса получения водорода в метаногенезе или других типах брожения. Применяют различные способы селективного подавления роста метаногенных бактерий, основанные на их физиологических особенностях: неспособность к образованию спор, токсическое действие кислорода, более узкий диапазон рН, доступный для роста, наличие специфических ингибиторов (2-брометансульфоновая кислота, йодопропан и ацетилен). Наиболее перспективным в реальных условиях является выбор рН среды биореактора.

Скорость выделения водорода зависит от концентрации активной биомассы и характеристик массообмена самого ферментера. Выделение водорода происходит с большей скоростью за счет применения иммобилизованных или гранулированных микроорганизмов, чем в случае суспензии. При оптимальных условиях при концентрации биомассы 35г / л скорость выделения водорода достигает 15 л Н 2 /л час., а эффективность составляет 3,5 моль Н 2 /моль сахарозы. При использовании искусственных волокон при очистке бытовых стоков нами получена скорость выделения водорода 0,6 л / час. л раствора.

Выделение водорода в темновой стадии является перспективным для реализации на практике при переработке органических отходов производства (остатки древесины, пищевые отходы и т.д.). Для внедрения технологии получения водорода необходимо не только оптимизировать отдельные стадии процесса, но и интегрировать в единый технологический цепь процессы подготовки сырья, выделения водорода и удаления нежелательных побочных продуктов, прежде всего органических кислот.