Водород (H2) - это альтернативное топливо, которое получают из углеводородов, биомассы, мусора. Водород помещают в топливные элементы (что-то вроде бензобака для топлива) и автомобиль перемещается, используя энергию водорода.

Хотя водород пока рассматривается только как альтернативное топливо будущего, правительство и промышленность работают над чистым, экономичным и безопасным производством водорода для электрических автомобилей на топливных элементах (FCEV). FCEV уже поступают на рынок в регионах, где немного развита инфраструктура водородных заправок. Рынок также развивается для спецтехники: автобусов, погрузочно-разгрузочного оборудования (например, вилочных погрузчиков), наземного вспомогательного оборудования, средних и больших грузовиков.

Автомобили на водороде Toyota, GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz понемногу появляются в дилерских сетях. Стоят такие машины в районе 4-6 миллионов рублей (Toyota Mirai - 4 млн. руб., Honda FCX Clarity - 4 млн. руб.).

Ограниченными сериями выпускаются:

• BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen — двухтопливные (бензин/водород) легковые автомобили. Используют жидкий водород.
• Audi A7 h-tron quattro — электро-водородный гибридный легковой автомобиль.
• Hyundai Tucson FCEV
• Ford E-450. Автобус.
• Городские автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

• Ford Motor Company — Focus FCV;
• Honda — Honda FCX;
• Hyundai Nexo
• Nissan — X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);
• Toyota — Toyota Highlander FCHV
• Volkswagen — space up!;
• General Motors;
• Daimler AG — Mercedes-Benz A-Class;
• Daimler AG — Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);
• Toyota — FCHV-BUS;
• Thor Industries — (топливные элементы компании UTC Power);
• Irisbus — (топливные элементы компании UTC Power);

Водород обилен в окружающей среде. Он хранится в воде (H2O), углеводородах (метан, CH4) и других органических веществах. Проблема водорода как топлива в эффективности его извлечения из этих соединений.

При извлечении водорода, в зависимости от источника, в атмосферу попадают вредные для окружающей среды выбросы. При этом, автомобиль работающий на водороде, в качестве выхлопных газов выделяет только водяной пар и теплый воздух, у него нулевой уровень выбросов.

ВОДОРОД В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА

Интерес к водороду как альтернативному транспортному топливу обусловлен:

• способностью использовать топливные элементы в FCEV с нулевым уровнем выбросов;
• потенциалом для внутреннего производства;
• быстрой заправкой автомобилей (3-5 минут);
• по расходу и цене, топливные элементы до 80 процентов эффективнее обыкновенного бензина

В Европе стоимость заправки полного бака водорода емкостью в 4.7 килограмма обойдется в 3 369 рублей (717 рублей за килограмм). На полном баке Toyota Mirai в среднем проезжает 600 километров, итого 561 рубль на 100 километров. Для сравнения, цена 95-го бензина равна 101 рубль, т.е. 10л бензина обойдется в 1010 рублей или 6 060 рублей за 600 километров. Цены на 2018 год.

Данные розничных водородных заправочных станций, собранные и проанализированные Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, показывают, что среднее время на заправку FCEV, составляет менее 4 минут.

Топливный элемент, соединенный с электродвигателем, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. Водород используют и как топливо для двигателей внутреннего сгорания (BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen). Однако, в отличие от FCEV, такие двигатели выпускают вредные выхлопные газы, не такие мощные как водородные и быстрее подвержены износу.

В 1 килограмме газообразного водорода столько же энергии как в бензине объемом 1 галлон (6,2 фунта, 2,8 килограмма). Поскольку в водороде низкая объемная плотность энергии, он хранится на борту транспортного средства в виде сжатого газа. В машинах водород хранится в резервуарах высокого давления (топливных элементах), способных хранить водород на 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Например, FCEV, выпускаемые автопроизводителями и доступные в автосалонах, имеют емкость в 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Розничные диспенсеры, которые в основном расположены на автозаправочных станциях, заполняют такие резервуары за 5 минут. Разрабатываются и другие технологии хранения, включая химическое соединение водорода с металл гидридом или низкотемпературными сорбционными материалами.

Заправочных станций на водородные машины почти нет, следите за динамикой - в 2006 году в мире насчитывалось 140 заправок, а к 2008 году 175. Чувствуете, за 2 года построено 35 станций, 45% из которых находятся в США и Канаде. К 2018 году число станций равно приблизительно 300 единицам. Еще есть мобильные станции и домашние, точное число которых не известно.

КАК РАБОТАЕТ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Прокачивая кислород и водород через катоды и аноды, которые контактируют с платиновым катализатором, происходит химическая реакция, в результате которой получается вода и электрический ток. Набор из нескольких элементов (ячеек) необходим, чтобы увеличить заряд в 0,7 вольт в одной ячейке, что приводит к увеличению напряжения.

Ниже смотрите схему, как получается топливный элемент.

ГДЕ ЗАПРАВЛЯТЬ ВОДОРОДОМ АВТОМОБИЛИ

Революция водородных топливных элементов не начнется без достаточного потребителю количества водородных АЗС, поэтому отсутствие инфраструктуры водородных заправочных станций по-прежнему тормозит развитие водорода как . Американцы уже давно видят на своих улицах машины, передвигающиеся на топливных элементах, например, Honda FCX Clarity, которые каждый день перевозят людей на работу и с работы. Почему же до сих пор нет заправочных станций?

Хотим отметить, что в статье обсуждается американский рынок, ибо в России, о водородном топливе для автомобилей пока говорить нечего, его тут просто нет. И причина не в лобби нефтяных магнатов, просто в России не та экономика, чтобы АВТОВаз начал исследования в этой области. Япония и Америка, в отличие от России, уже давно исследуют этот альтернативный источник топлива и ушли далеко вперед (первый автомобиль на водороде в США появился в 1959 году)

Рядовому Американцу, в зависимости, где он живет, возможно, придется немного подождать появления водородных заправочных станций. Еще пять лет назад общественное мнение сходилось на том, что «водородные автомобильные дороги» будут стимулировать будущее. В США планировалась стройка станций вдоль Калифорнийского побережья, от Мэна до Майами.

ТЕНДЕНЦИЯ СОЗДАНИЯ ЗАПРАВОЧНЫХ ВОДОРОДНЫХ СТАНЦИЙ

Северная Америка, Канада

Пять станций построены в Британской Колумбии (западная провинция Канады) с 2005 года. Больше станций строить в Канаде не будут, проект завершился в марте 2011 года.

Соединенные Штаты

Аризона: прототип водородной заправочной станции построен по всем правилам безопасности для окружающей среды в Финиксе, чтобы доказать возможность строительства таких заправочных станций в городских районах.

Калифорния: В 2013 году губернатор Браун подписал законопроект о финансировании 20 миллионов в год в течение 10 лет на 100 станций. Комиссия по энергетике Калифорнии выделила 46,6 млн. долларов США на 28 станций, которые будут завершены в 2016 году, что наконец приблизит отметку в 100 станций в заправочной сети Калифорнии. По состоянию на август 2018 года в Калифорнии открыто 35 станций и еще 29 ожидается до 2020 года.

Гавайи открыли первую водородную станцию в Хикаме в 2009 году. В 2012 году компания Aloha Motor Company открыла водородную станцию в Гонолулу.

Массачусетс: французская компания Air Liquide завершила строительство новой водородной заправочной станции в Мэнсфилде в октябре 2018 года. Единственная водородная заправочная станция в штате Массачусетс расположенная г. Биллерика (40 243 жителей), в штаб-квартире компании Nuvera Fuel Cells, изготавливающей водородные топливные элементы.

Мичиган: В 2000 году Ford и Air Products открыли первую водородную станцию в Северной Америке в Дирборне, штат Мичиган.

Огайо: В 2007 году в кампусе Государственного университета штата Огайо в Центре автомобильных исследований открылась водородная заправочная станция. Единственная на все Огайо.

Вермонт: водородная станция построена в 2004 году в городе Берлингтон. Проект частично профинансирован через Программу водородного водоснабжения Министерства энергетики Соединенных Штатов.

Азия

Япония: В период с 2002 по 2010 год в Японии по проекту JHFC было введено несколько заправочных станций с водородом для тестирования технологий производства водорода. В конце 2012 года было установлено 17 водородных станций, в 2015 году установлено 19. Правительство рассчитывает создать до 100 водородных станций. В бюджете для этого выделено 460 млн. долларов США, что покрывает 50% расходов инвесторов. JX Energy установило 40 станций к 2015 году и еще 60 в период 2016-2018 годов. Toho Gas и Iwatani Corp установили 20 станций в 2015 году. Тойота и Air Liquide создали совместное предприятие для строительства 2 водородных станций, которые построили в 2015 году. Осака-газ построили 2 станции за 2014-2015 годы.

Южная Корея: В 2014 году, в Южной Корее введена в эксплуатацию одна водородная станция еще на 10 станций, запланированных на 2020 год.

Европа

По состоянию на 2016 год в Европе работают более 25 станций, способных заполнять 4-5 автомобилей в день.

Дания: В 2015 году в сети водородных сетей было 6 общественных станций. H2 Logic, входящая в NEL ASA, строит завод в Хернинге для выпуска 300 станций в год, каждая из которых может выдавать 200 кг водорода в день и 100 кг за 3 часа.

Финляндия: В 2016 году в Финляндии работают 2 + 1 (Voikoski, Vuosaari) общественные станции, одна из них подвижная. Станция заправляет автомобиль 5 килограммами водорода за три минуты. Завод по созданию водорода работает в г. Коккола, Финляндия.

Германия: По состоянию на сентябрь 2013 года работает 15 общедоступных водородных станций. Большинство, но не все из этих станций эксплуатируются партнерами Clean Energy Partnership (CEP). По инициативе H2 Mobility число станций в Германии должно возрасти до 400 станций в 2023 году. Цена проекта 350 миллионов евро.

Исландия: Первая коммерческая водородная станция открыта в 2003 году в рамках инициативы страны по движению в сторону "водородной экономики".

Италия: С 2015 года в Больцано открыта первая коммерческая водородная станция.

Нидерланды: Нидерланды открыли первую общественную автозаправочную станцию 3 сентября 2014 года в Роуне близ Роттердама. Станция использует водород из трубопровода из Роттердама в Бельгию.

Норвегия: В феврале 2007 года открыта первая в Норвегии водородная заправочная станция Hynor. Uno-X в партнерстве с NEL ASA планирует построить до 20 станций до 2020 года, включая станцию с производством водорода на месте из избыточной солнечной энергии.

Объединенное Королевство

В 2011 году открылась первая общественная станция в Суиндоне. В 2014 году HyTec открыл станцию London Hatton Cross. 11 марта 2015 года проект по расширению сети водородных сетей в Лондоне открыл первый супермаркет, расположенный на заправочной станции для водорода в Sensbury"s Hendon.

Калифорния впереди планеты всей в области финансирования и строительства водород -заправочных станций для FCEV. По состоянию на середину 2018 года в Калифорнии было открыто 35 розничных водородных станций, а еще 22 - на разных этапах строительства или планирования. Калифорния продолжает финансировать строительства инфраструктуры, а Энергетическая комиссия имеет право выделять до 20 млн. долларов США в год до 2024 года, пока не заработает 100 станций. Для северо-восточных штатов планируют построить 12 розничных станций. Первые откроются к концу 2018 года. Некоммерческие станции в Калифорнии и станции построенные в остальных штатах США обслуживают легковые FCEV, автобусы, а также используют для исследовательских и демонстрационных целей.

Расходы на содержание водородных станций

Водородным заправкам не так-то просто заменить обширную сеть бензозаправочных станций (в 2004 году 168 000 точек в Европе и США). Замена бензиновых станций на водородные стоит полтора триллиона долларов США. При этом цена обустройства водородной топливной сети в Европе может быть в пять раз ниже чем цена заправочной сети для электромобилей. Цена одной EV - станции от 200 000 до 1 500 000 рублей. Цена водородной станции - 3 миллиона долларов. При этом, водородная сеть будет все равно дешевле сети станций для электромобилей по окупаемости. Причина в быстрой заправке водородных автомобилей (от 3 до 5 минут). На миллион автомобилей на топливных водородных элементах требуется меньше водородных станций, чем зарядных станций на миллион аккумуляторных электромобилей.

В будущем вопрос заправки водородом будет решаться для человека в зависимости от его места жительства. АЗС будут заправлять автомобили водородом, доставленным на танкерах с крупных предприятий по реформингу топлива. Поставки с таких предприятий ничем не будут уступать поставкам бензина с нефтеперегонных заводов. В перспективе, местные водородные заводы научаться извлекать пользу из местных ресурсов и из возобновляемых источников энергии.

СПОСОБЫ ДОБЫЧИ ВОДОРОДА

• паровая конверсия метана и природного газа;
• электролиз воды;
• газификация угля;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии

Паровой риформинг метана

Способ отделения водорода путем парового метанового реформинга применим к ископаемому топливу, например, к природному газу - его нагревают и добавляют катализатор. Природный газ не возобновляемый источник энергии, но пока он есть и добывается из недр земли. Министерство энергетики утверждает, что выбросы автомобилей, работающих на реформированном водороде, вдвое меньше, чем у автомобилей, работающих на бензине. Производство реформированного водорода уже запущен на полную катушку и добывать водород таким способом дешевле, чем водород из других источников.

Газификация биомассы

Водород также добывают из биомассы - сельскохозяйственных отходов, отходов животноводства и сточных вод. Используя процесс, который называется газификация, биомассу помещают под воздействие температуры, пара и кислорода чтобы образовать газ, который после дальнейшей обработки дает чистый водород. «Существуют целые полигоны для сбора сельскохозяйственных отходов - готовые источники водорода, потенциал которых недооценен и тратится впустую», сетует директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов, Джеймс Варнер.

Электролиз

Электролиз - процесс отделение водорода из воды при помощи электрического тока. Этот способ звучит проще, чем возня с ископаемым топливом и отходами животноводства, но у него есть недостатки. Электролиз конкурентоспособен в тех районах, где электричество дешевое (в России этом могла бы быть Иркутская область - 8 электростанций на область, 1 рубль 6 копеек за киловатт-час).

Солнечные водородные станции компании Honda используют энергию солнца и электролизер, чтобы отделить «Н» от «О» в Н2О. После отделения водород хранится в баке под давлением в 34.47 МПа (мегапаскаль). Используя только солнечную энергию, станция создает 5 700 литров водорода в год (этого топлива достаточно для одного автомобиля со средним годовым пробегом). При подключении к электрической сети, станция выдает до 26 тысяч литров в год.

«Как только водород получит нишу на топливном рынке, и как только на него будет спрос, станет ясно, какой способ извлечения водорода выгоден», говорит директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов Джеймс Варнер. «Некоторые из способов производства водорода потребуют новых законов, регулирующих его добычу. Если водород будет пользоваться постоянным спросом, увидите, как начнут регулировать правила пользования сельскохозяйственными отходами и водой для электролиза».

Основную часть водорода, извлекаемого в Соединенных Штатах каждый год, применяют для переработки нефти, обработки металлов, производства удобрений и переработки пищевых продуктов.

УДЕШЕВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ВОДОРОДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ И ИХ РАЗВИТИЕ

Еще одно препятствие для производителей автомобилей на водородном топливе - цена водородных технологий. Например, набор топливных элементов для автомобилей до настоящего момента, опирается на платину в качестве катализатора. Если приходилось покупать колечко из платины для любимой, высокая цена на метал вам известна.

Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории доказали, что замена этого дорогого металла на более распространенные - железо или кобальт, в качестве катализатора возможна. А ученые из Case Western Reserve University разработали катализатор из углеродных нанотрубок, которые в 650 раз дешевле, чем платина. Замена платины как катализатора в топливных элементах, заметно снизит стоимость технологии водородных топливных элементов.

На этом исследования по совершенствованию водородного топливного элемента не заканчиваются. Mercedes разрабатывает технологию сжатия водорода до давления в 68.95 МПа (мегапаскаль), чтобы на борту автомобиля помещалось больше топлива, с передовым как дополнительным хранилищем энергии. "Если все получится, у автомобилей на водороде диапазон движения превысит 1000 км." считает доктор Герберт Колер, вице-президент Daimler AG.

Министерство энергетики США утверждает, что себестоимость сборки автомобилей с топливным элементом снижены на 30 процентов за последние три года и на 80 процентов за последнее десятилетие. Срок службы топливных элементов увеличился вдвое, но этого недостаточно. Для конкурентоспособности с электромобилями срок службы топливных элементов нужно увеличить в два раза. Нынешние автомобили с водородным топливным элементом, работают около 2 500 часов (или примерно 120 000 км), но этого мало. «Чтобы конкурировать с другими технологиями, нужно достичь результата в 5 000 часов, как минимум», говорит один из членов ученого совета министерской программы по топливным элементам.

Развитие технологий водородных топливных элементов снизит себестоимость производство автомобилей за счет упрощения механизмов и систем, но выгоду производители получат только при серийном выпуске. Препятствием на пути к массовому выпуску автомобилей на водороде, служит то, что нет оптовых поставок запчастей для автомобилей с водородным топливным элементом. Даже автомобиль FCX Clarity, который уже выпускается серией, не обеспечен дополнительными запчастями по оптовым ценам (просто они не пользовались поиском от ). Автопроизводители решают проблему по-своему, устанавливают топливные элементы водорода в дорогие модели для обкатки. Дорогие автомобили выпускаются в меньшем количестве, чем бюджетные, а значит и проблем с поставкой запчастей к ним нет. «Мы внедряем "водородную технологию" в люксовые автомобили и отслеживаем как она себя показывают на практике. Пока рынок принимает водородные автомобили, как лет 10 назад принимал технологию гибридов, автопроизводители в это время наращивают объемы водородных моделей, спускаясь по цепочке к бюджетным авто», говорит Стив Эллис, менеджер по продажам автомобилей с топливным элементом компании Honda.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДОРОДНЫМ ТОПЛИВОМ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Начиная с 2008 года, компания Honda начала ограниченную лизинговую программу для 200 седанов FCX Clarity, которые передвигаются на водородных топливных элементах. Как итог, только 24 клиента из Южной Калифорнии, США, платили в течение трех лет ежемесячный взнос в 600 долларов. В 2011 году срок аренды закончился, и компания Honda продлила договора с этими клиентами и подключила новых к исследовательской кампании. Вот то, что компания узнала нового за время исследований:

1. Водители FCX Clarity без проблем передвигались на короткие дистанции через город Лос-Анджелес и его округи (Honda утверждает, что диапазон движения FCX - 435 км).
2. Отсутствие необходимой инфраструктуры - основное неудобство для арендаторов, которые живут вдалеке от водородных заправочных станций в Калифорнии. Большинство станций расположено недалеко от Лос-Анджелеса, привязывая автомобили к 240-километровой зоне.
3. В среднем водители проезжали 19,5 тысяч км за год. Один из первых арендаторов только что пересек показатель в 60 тысяч км.
4. Продавцы, которые отпускают в лизинг автомобили FCX Clarity проходят специальную подготовку "Как обучать клиентов обращаться с водородным автомобилем". «Продавцам задают вопросы, каких они прежде не слышали», говорит менеджер по продажам и маркетингу автомобилей Honda с топливными элементами, Стив Эллис.

ПОЛУЧИТ ЛИ "ВОДОРОДНАЯ" ПРОГРАММА ПОДДЕРЖКУ ПРАВИТЕЛЬСТВА?

Производители автомобилей и строители заправочных сетей сходятся во мнении, что снизить затраты в краткосрочной перспективе без вмешательства со стороны государства не выйдет. Что в США, однако, представляется маловероятным, при всех описанных денежных вливаниях местной администрации Штатов и Министерств.

С министром энергетики Стивеном Чу, администрация Обамы неоднократно пыталась сократить финансирование программы развития водородных топливных элементов, но до сих пор все эти сокращения отменял конгресс.

Акцент на аккумуляторных технологиях сторонникам водорода кажется недальновидным. «Это взаимодополняющие технологии», говорит Стив Эллис, представитель компании Honda. Технология, разработанная для FCX, например, развернута и на электромобиль Fit. «Считаем, что водородные топливные элементы в сочетании с электромобилями переплюнут все альтернативные источники энергии возглавив этого десятилетия».

Недовольны и те, кто платит из своего кармана за возведение новых заправочных станций. Говорят, что не отказались бы от помощи государства до тех пор, пока не увеличится спрос на водородный вид топлива и не снизятся затраты на возобновляемые источники энергии.

Том Салливан верит в энергетическую независимость настолько сильно, что вложил все деньги, полученные от сети супермаркетов в компанию SunHydro, компанию, которая строит водородные заправочные станции на солнечных батареях. Том считает, что целевое снижение налогов могло бы стимулировать предпринимателей вкладывать деньги в строительство водородных станций, работающих от солнечной энергии. «Необходим стимул, чтобы люди вкладывались в такие предприятия», говорит Том. «Люди в трезвом уме, вероятно, не станут вкладывать деньги в строительство водородных заправочных станций».

Для Стива Эллиса из компании Honda этот вопрос как практический, так и политический. «Технология водородного топлива помогает обществу сэкономить на топливе и сберечь экологию", говорит Стив. «Если это так, то поможет ли общество самому себе перейти на альтернативный вид топлива?»

Минус альтернативных источников топлива уже применяемых в автомобилях, типа растительного масла (об этом подробней тут) или природного газа, в том, что они не возобновляемы, в отличие от водородного топлива.

ИТОГ

Минусы водородного топлива:

• добыча водорода пока не совершенна и загрязняет окружающую среду;
• обустройство сети водородных заправочных станций стоит дорого (полтора триллиона долларов США);
• владельцы машин привязаны к заправочным станциям (вы заложник штата Калифорния, дальше не уедешь).

Плюсы водородного топлива:

• у водородных автомобилей нулевой уровень выбросов, бережем природу;
• быстрая заправка (от 3 до 5 минут);
• экономически водород выигрывает у бензиновых автомобилей по цене расхода топлива (600 км за 3 369 рублей на водороде против 6 060 рублей за путешествие на бензине).

А теперь настало время научного видео!

Введение

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

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

Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной.

Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес.

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

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

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

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

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

Водород на Земле

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

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

Что такое водородная технология?

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

В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?

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

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

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

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

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

Как и из чего в настоящее время получают водород?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Известно, что в 30-е годы прошлого столетия в Советском Союзе в МВТУ им Н.Э Баумана Сороко-Новицкий В. И., (зав. кафедрой «Легкие двигатели» до 1937 г.) совместно с А. К. Курениным исследовал влияние добавок водорода к бензину на двигателе ЗИС-5. Известны также работы по использованию в качестве топлива водорода , которые проводильсь в нашей стране Ф. Б. Перельманом. Однако практическое применение водорода в качестве моторного топлива началось в 1941 году. В Великую Отечественную войну в блокадном Ленинграде техник-лейтенант Шелищ Б. И. предложил использовать водород , «отработавший» в аэростатах, как моторное топливо для двигателей автомобиля ГАЗ-АА.

Рисунок 1. Пост ПВО Лениградского фронта ВОВ, оборудованный водороднгой установкой

На рис. 1 на заднем плане виден спущенный на землю водородный аэростат, из которого водород перекачивается в газгольдер, расположенный на переднем плане. Из газгольдера с «отработашим» водородом газообразное топливо посредством гибкого шланга подается в двигатель внутреннего сгорания автомобиля ГАЗ-АА. Заградительные аэростаты поднимались на высоту до пяти километров и являлись надежным противовоздушным средством обороны города, не позволяя самолетам противника осуществлять прицельное бомбометание. Для опускания аэростатов, частично потерявших свою подъемную силу требовалось большое усилие. Эта операция осуществлялась с использованием механической лебедки, установленной на автомобиль ГАЗ-АА. ДВС вращал лебедку для опускания аэростатов. В условиях острого дефицита бензина были переоборудованы для работы на водороде несколько сотен постов ПВО, на которых использовались автомобили ГАЗ-АА, работающие на водороде.

После воины в семидесятые годы прошлого века Бриса Исааковича неоднократно приглашали на различные научные конферкнции, где в своих выступлениях он подробно рассказывал о тех далеких героических днях. Одно из таких мероприятий — I Всесоюзная школа молодых ученых и специалистов по проблемам водородной энергетики и технологии, организованная по инициативе ЦК ВЛКСМ, Комиссии АН СССР по водородной энергетике, Институтом атомной энергии им И. В. Курчатова и Донецким политехническим институтом, проводилась в сентябре 1979 года за полгода до его смерти. Борис Иссакович свой доклад «Водород вместо бензина» на секции «Технология использования Водорода» сделал 9 сентября.

В семидесятые годы в нескольких научно-исследовательских организациях СССР интенсивно проводились работы по использованию водорода в качестве топлива. Наиболее известны такие организации как Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ), Институт проблем машиностроения АН УССР (ИПМАШ АН УССР), Сектор механики неоднородных сред АН СССР (СМНС АН СССР), Завод-ВТУЗ при ЗИЛе и др. В частности, в НАМИ под руководством Шатрова Е. В. начиная с 1976 года были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию водородного микроавтобуса РАФ 22034. Была разработана система питания двигателя позволяющая работать на водороде. Она прошла полный комплекс стендовых и лабораторно-дорожных испытаний.

Рисунок 2. Слева направо Шатров Е. В., Кузнецов В. М., Раменский А. Ю.

На рис. 2 фотографии слева на право: Шатров Е.В - научный руководитель проекта; Кузнецов В. М. - руководителя группы водородных двигателей; Раменский А. Ю. — аспирант НАМИ, внесшие значительный клад в организацию и проведение НИОКР по созданию водородного автомобиля. Фотографии стендов для испытания двигателя, работающего на водороде и микроавтобуса РАФ 22034, работающего на водороде и бензоводородных топливных композициях (БВТК), представлены на рис. 3 и 4.

Рисунок 3. Моторный отсек Болкса № 20 для испытаний ДВС на водороде Отдела мотрорных лабораторий НАМИ

Рисунок 4. Водородный микроавтобус РАФ (НАМИ)

Первый опытный образец микроавтобуса был построен в НАМИ в период 1976-1979 году (рис. 4). Начиная с 1979 года в НАМИ осуществлялись его лабораторно-дорожные испытания и опытная эксплуатация.

Параллельно работы по созданию автомобилей работающих на водорода велись в ИПМАШ АН УССР и СМНС АН СССР и Заводе Втузе при ЗИЛе. Благодаря активной позиции академика Струминского В. В. (рис. 5), руководителя СМНС АН СССР несколько образцов микроавтобусов использовались на ХХII Олимпийских летних играх в Москве в 1980 году.

Рисунок 5. Слева направво Легасов В. А., Семененко К. Н. Струминский В. В.

Как головной институт Министерства автомобильной промышленности СССР НАМИ сотрудничал с указанными выше организациями. Примером такого сотрудничества были совместные исследования с ИПМаш АН УССР, директором которого в те времена работал член-корреспондент АН УССР Подгорный А. Н. В области применения водорода на автомобиле следует обратить внимание на работы руководителей ведущих подразделений института: Варшавского И. Л., Мищенко А. И., Соловья В. В. и многих других (Рис. 6).

Рисунок 6. Сотрудники ИПМАШ АН УССР, слева направо Подгорный А. Н., Варшавский И. Л., Мищенко А. И.

Широко известны разработки этого института по созданию автомобилей и автопогрузчиков, работающих на БВТК с металлогидридными системами хранения водорода на борту.

Другим примером сотрудничества НАМИ с ведущими НИИ страны была работа по созданию металлогидридных систем хранения водорода на автомобиле. В рамках консорциума по созданию металлогидридных систем хранения сотрудничали три ведущие организации: ИАЭ им И. В. Курчатова, НАМИ и МГУ им М. В. Ломоносова. Инициатива создания такого консорциума принадлежала академику Легасову В. А. Институт атомной энергии им И. В. Курчатова был головным разработчиком металлогидридной системы хранения водорода на борту автомобиля. Руководителем проекта был Чернилин Ю. Ф., активными участниками работ были Удовенко А. Н. и Столяревский А. Я.

Металлогидридные соединения разработал и изготовил в необходимом количестве МГУ им. М. В. Ломоносова. Эта работа велась под руководством Семененко К. Н., заведующего кафедрой химии и физики высоких давлений. 21 ноября 1979 года были зарегистрированы в Государственном реестре изобретений СССР заявки № № 263140 и 263141 с приоритетом изобретения 22 июня 1978 года. Авторские свидетельства на сплавы-аккумуляторы водорода А. С. № 722018 и № 722021 от 21 ноября 1979 г. были одними из первых изобретений в этой области в СССР и в мире.

В изобретениях предлагались новые составы, позволяющие существенно увеличить количество запасаемого водорода. Это достигалось путем модификации состава и количества компонентов в сплавах на основе титана или ванадия.Такие композиции позволили добиться концентрации от 2.5 до 4.0 массовых процентов водорода. Выделение водорода из интерметаллида осуществлялось в интервале температур 250-400°С. Этот результат и по сей день является практически максимальным достижением для сплавов такого типа. В разработке сплавов принимали участие ученые ведущих научных организаций СССР, связанных с разработкой материалов и устройств на базе гидридов интерметаллических сплавов — МГУ им. М. В. Ломоносова (Семененко К. Н., Вербецкий В. Н., Митрохин С. В., Зонтов В. С.); НАМИ (Шатров Е. В., Раменский А. Ю.); ИМаш АН СССР (Варшавский И. Л.); Завода-ВТУЗа при ЗИЛ (Гусаров В. В., Кабалкин В. Н.). В середине восьмидесятых годов испытания металлогидридной системы хранения водорода на борту микроавтобуса РАФ 22034, работающего на БВТК, проводились в Отделе двигателей на газовых и других видах альтернативных топлив НАМИ (зав. отделом Раменский А. Ю.) . Активное участие в работе принимали сотрудники отдела: Кузнецов В. М., Голубченко Н. И., Иванов А. И., Козлов Ю. А. Фотография металлогидридной системы хранения водорода для микроавтобуса представлена на рис. 7.

Рисунок 7. Водородный автомобильныйметаллогидридный аккумулятор водорода (1983 г.)

В начале восьмидесятых годов начало зарождаться новое направление в применении водорода в качестве топлива для автомобилей, которое в настоящее время рассматривается как основная тенденция. Это направление связано с созданием автомобилей работающих на топливных элементах. Создание такого автомобиля осуществлялось в НПП «Квант». Под руководством Н. С. Лидоренко. Автомобиль впервые был представлен на международной выставке «Электро-82» в 1982 г. в Москве (рис. 8).

Рисунок 8. Водородный микроавтобус РАФ на топливных элементад (НПП «КВАНТ»)

В 1982 микроавтобус РАФ, на борту которого были смонтированы электрохимические генераторы и был установлен электрический привод, демонстрировался заместителю министра автомобильной промышленности Е. А. Башинджагяну. Демонстрировал автомобиль сам Н. С. Лидоренко. Для опытного образца, автомобиль на топливных элементах, имел неплохие ездовые качества, о чем не без удовлетворения отметили все участники просмотра. Планировалось осуществлять эту работу совместно с предриятиями Минавтопрома СССР. Однако в 1984 году Н. С. Лидоренко оставил пост руководителя предприятия, может быть с этим связано то обстоятельство, что эта работа не получила своего продолжения. Создание первого российского водородного автомобиля на топливных элементах, построенного коллективом предприятия более 25 лет могла бы претендовать на историческое событие в нашей стране.

Особенности ДВС при работе на водороде

По отношению к бензину водород имеет в 3 раза большую теплотворную способность, в 13-14 раз меньшую энергию воспламенения, и, что существенно для ДВС, более широкие пределы воспламенения топливно-воздушной смеси. Такие свойства водорода делают его чрезвычайно эффективным для применения в ДВС, даже в качестве добавки. В то же время к недостаткам водорода как топлива можно отнести: падение мощности ДВС по сравнению с бензиновым аналогом; «жесткий» процесс сгорания водородовоздушных смесей в области стехиометрического состава, что приводит к детонации на режимах высоких нагрузок. Эта особенность водородного топлива требует изменений конструкции ДВС. Для существующих двигателей необходимо применять водород в композиции с углеводородными топливами, например с бензином. или природным газом.

Например, организацию топливоподачи бензоводородных топливных композиций (БВТК) для существующих автомобилей необходимо осуществлять таким образом, чтобы на режимах холостого хода и частичных нагрузок двигатель работал на топливных композициях с высоким содержанием водорода. По мере возрастания нагрузок концентрация водорода должна снижаться и на режиме полного дросселя подачу водорода необходимо прекратить. Это позволит сохранить мощностные характеристики двигателя на прежнем уровне. На рис. 9 представлены графики изменения экономических и токсических характеристик двигателя с рабочим объемом 2,45 л. и степенью сжатия 8,2 ед. от состава бензоводородовоздушной смеси и концентрации водорода в БВТК.

Рисунок 9. Экономические и токсические характеристики ДВС на водороде и БВТК

Регулировочные характеристики двигателя по составу смеси при постоянной мощности Ne=6,2 квт и частоте вращения коленчатого вала n=2400 об/мин дают возможность представить, как меняются показатели двигателя при работе на водороде, БВТК и бензине.

Мощностные и скоростные показатели двигателя для испытаний выбраны таким образом, чтобы они наиболее полно отражали условия эксплуатации автомобиля в городских условиях. Мощность двигателя Ne=6,2 квт и частота вращения коленчатого вала n=2400 об/мин соответствует движению автомобиля, например «ГАЗЕЛЬ» с постоянной скоростью 50-60 км/час по горизонтальной, ровной дороге. Как видно из графиков, по мере увеличения концентрации водорода в БВТК эффективный КПД двигателя возрастает. Максимальное значение КПД при мощности 6,2 квт и частоте вращения коленчатого вала 2400 об/мин достигает на водороде 18,5 процентов. Это в 1,32 раза выше, чем при работе двигателя на этой же нагрузке на бензине. Максимальное значение эффективного КПД двигателя на бензине составляет на этой нагрузке 14 процентов. При этом состав смеси соответствующий максимальному КПД двигателя (эффективный предел обеднения) смещается в сторону бедных смесей. Так при работе на бензине эффективный предел обеднения топливно-воздушной смеси соответствовал коэффициенту избытка воздуха (а) равному 1,1 единицы. При работе на водороде коэффициент избытка воздуха соответствующий эффективному пределу обеднения топливно-воздушной смеси а=2,5. Не менее важным показателем работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания на частичных нагрузках является токсичность отработавших газов (ОГ). Исследование регулировочных характеристик двигателя по составу смеси на БВТК с различными концентрациями водорода показали, что по мере обеднения смеси концентрация окиси углерода (СО) в отработавших газах снижалась практически до нуля не зависимо от вида топлива. Увеличение концентрации водорода в БВТК приводит к снижению выброса с отработавшими газами углеводородов СnHm. При работе на водороде концентрация этого компонента на отдельных режимах падала до нуля. При работе на этом виде топлива выброс углеводородов во многом определялся интенсивностью сгорания в камере сгорания ДВС. Образование окислов азота NxOy, как известно, не связано родом топлива. Их концентрация в ОГ определяется температурным режимом горения топливно-воздушной смеси. Возможность работы двигателя на водороде и БВТК в диапазоне бедных составов смесей позволяет снизить максимальную температуру цикла в камере сгорания ДВС. Это существенно уменьшает концентрацию окислов азота. При обеднении топливно-воздушной смеси свыше а=2, концентрация NxOy снижается до нуля. В 2005 году НАВЭ разработан микроавтобус ГАЗЕЛЬ, работающий на БВТК. В декабре 2005 года он был представлен на одном из мероприятий, проводимых в Президиуме Российской академии наук. Презентация микроавтобуса была приурочена к 60 летию президента НАВЭ П. Б. Шелища. Фотография бензоводородного микроавтобуса представлена на Рис.10.

Рисунок 10. Водородный микроавтобус «Газель»(2005 г.)

Для оценки надежности бензоводородной аппаратуры и пропаганды перспектив водородной экономики, прежде всего в сфере автомобильного транспорта, НАВЭ провела с 20 по 25 августа 2006 года автопробег водородных автомобилей. Пробег осуществлялся по по маршруту Москва - Н.Новгород - Казань - Нижнекамск - Чебоксары - Москва протяженностью 2300 км. Автопробег был приурочен к Первому всемирному конгрессу «Альтернативная энергетика и экология». В пробеге принимали участие два водородных автомобиля. Второй грузовой многотопливного автомобиля ГАЗ 3302, работал на водороде, сжатом природном газе, БВТК и бензине. Автомобиль был оснащен 4 облегченными стеклопластиковыми баллонами с рабочим давлением 20 мпа. Масса бортовой системы хранения водорода составляет 350 кг. Запас хода автомобиля на БВТК составлял 300 км.

При поддержке Федерального агентства по науке и инновациям НАВЭ при активном участии Московского энергетического института МЭИ (ТУ), Автокомбината № 41, Инженерно-технического центра «Водородные технологии и ООО «Славгаз» был создан опытный образец автомобиля ГАЗ 330232 «ГАЗЕЛЬ-ФЕРМЕР» грузоподъемностью 1,5 тонны, работающий на БВТК с электронной системой подачи водорода и бензина. Автомобиль оснащен трехкомпонентным нейтрализатором ОГ. На рис. 11 представлены фотографии автомобиля и коплект электронной аппаратуры для подачи водорода в ДВС.

Рисунок 11. Опытный образец автомобиля ГАЗ 330232 «ГАЗЕЛЬ-ФЕРМЕР»

Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте

Наиболее перспективным направлением в области использования водорода для автомобильной техники являются комбинированные энергоустановки на базе электрохимических генераторов с топливными элементами (ТЭ) . При этом, необходимым условием является получение водорода из возобновляемых, экологически чистых источников энергии, для производства которых, в свою очередь, должны использоваться экологически чистые материалы и технологии.

К сожалению, в ближайшей перспективе применение таких высокотехнологичных транспортных средств в широком масштабе проблематично. Это связано с несовершенством рядя технологий, применяемых при их производстве, недостаточной отработанностью конструкции электрохимических генераторов, ограниченностью и высокой стоимостью применяемых материалов. Например, удельная стоимость одного кВт мощности ЭХГ на топливных элементах достигает 150-300 тысяч рублей (при курсе российского рубля 30 руб/долл США). Другим важным элементом сдерживания продвижения на автомобильном рынке водородной техники с топливными элементами является недостаточная отработка конструкции таких АТС в целом. В частности, отсутствуют достоверные данные при испытании автомобиля на топливную экономичность в условиях реальной эксплуатации. Как правило, оценка эффективности работы энергоустановки установки осуществляется на основе вольт-амперной характеристики. Такая оценка эффективности не соответствует принятой в практике двигателестроения оценки эффективного КПД ДВС, при расчете которого учитываются также и все механические потери, связанные с приводом агрегетов двигателя. Нет достоверных данных по топливной экономичности автомобилей в реальных условиях эксплуатации, на величину которых оказывает влияние необходимость обслуживания дополнительных бортовых устройств и систем, устанавливаемых на автомобили как традиционно, так и вязанные с особенностями конcтракции автомобилей на топливных элементах. Нет достоверных данных и по оценке эффективности в условиях отрицательных температур, при которых необходимо осуществлять поддержание температурного режима, обеспечивающего работоспособность как самой энергоустановки и подаваемого топлива, так и подогрев кабины водителя или салона с пассажирами. Для современных автомобилей рабочий режим эксплуатации может достигать -40 оС, это особо надо учитывать в российских условиях эксплуатации.

Как известно, в топливных элементах вода является не только продуктом реакции взаимодействия водорода и кислорода, но и активно участвует в рабочем процессе генерации энергии, смачивая твердополимерные материалы, входящие в конструкцию топливных ячеек. В современной технической литературе отсутствуют данные о надежности и долговечности топливных элементов в условиях низких температур. Очень противоречивые данные публикуются в литературе и по долговечности работы ЭХГ на ТЭ.

В этой связи, вполне закономерным является продвижение рядом ведущих мировых автопроизводителей транспортных средств, работающих на водороде, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. В первую очередь, это такие известных компании как BMW и Mazda. Двигатели автомобилей BMW Hydrogen-7 и Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid (2008) успешно конвертированы на водород.

С точки зрения надежности конструкции, относительной низкой стоимости одного кВт установленной мощности энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания работающие на водороде значительно превосходят ЭХГ на ТЭ, однако ДВС имеют, как принято считать, меньший КПД. Кроме того, в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания может содержаться некоторое количество токсичные вещества. В качестве основного направления совершенствования автомобильной техники, оснащенной двигателем внутреннего сгорания в ближайшей перспективе следует рассматривать использование комбинированных (гибридных) энергоустановок. Наилучший результат до топливной экономичности и токсичности отработавших газов, по-видимому следует ожидать от применения гибридных установок с последовательной схемой преобразования химической энергии топлива в ДВС в механическую энергию движения автомобиля. При последовательной схеме ДВС автомобиля работает практически на постоянном режиме с максимальной топливной эффективностью, приводя в движение электрогенератор, который подает электрический ток на электромотор привода колес автомобиля и накопитель электроэнергии (аккумулятор). Основной задачей оптимизации при такой схеме является поиск компромисса между топливной экономичностью ДВС и токсичностью ее отработавших газов. Особенность решения задачи заключается в том, что максимальный КПД двигателя достигается на при работе на обедненной топливовоздушной смеси, а максимальное снижение токсичности отработавших газов достигается при стехиометрическом составе, при котором количество топлива, подаваемого в камеру сгорания подается строго в соответствии с количеством воздуха, необходимым для его полного сгорания. Образование окислов азота при этом ограничивается дефицитом свободного кислорода в камере сгорания, а неполнота сгорания топлива нейтрализатором отработавших газов. В современных ДВС датчик для замера концентрации свободного кислорода в ОГ ДВС подает сигнал на электронную систему подачи топлива, которая спроектирована таким образом, чтобы максимально поддерживать стехиометрический состав топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя на всех режимах ДВС. Для гибридных энергоустановок с последовательной схемой, возможно добиться наилучшей эффективности регулирования топливовоздушной смеси из-за отсутствия знакопеременных нагрузок на ДВС. Вместе с тем, с точки зрения топливной экономичности, ДВС стехиометрический состав топливовоздушной смеси не является оптимальным. Максимальный КПД двигателя всегда соответствует смеси обедненной на 10-15 процентов по сравнения с стехиометрической. При этом КПД ДВС при работе на обедненной смеси может быть на 10-15 выше чем при работе на смеси стехиометрического состава. Решение проблемы повышенного выброса вредных веществ, свойственного на этих режимах для ДВС с искровым зажиганием, возможно в результате перевода работы ДВС на водород, бензоводородные топливные композиции (БВТК) или метановодородные топливные композиции (МВТК). Применение водорода в качестве топлива или в качестве добавки к основному топливу может позволить существенно расширить пределы эффективного обеднения топливовоздушной смеси. Это обстоятельство позволяет существенно увеличить КПД ДВС и снизить токсичность отработавших газов.

В отработавших газах двигателей внутреннего сгорания содержится свыше 200 различных углеводородов. Теоретически, в случае сгорания гомогенных смесей (из условий равновесия) углеводородов в отработавших газах ДВС не должно содержаться, однако из-за негомогенности топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС возникают разные начальные условия протекания реакции окисления топлива. Температура в камере сгорания различается по ее объему, что также существенно влияет на полноту сгорания топливовоздушной смеси. В ряде исследований было установлено, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к ухудшению условий сгорания топливовоздушной смеси в пристеночном слое. В работе Daneshyar H и Watf M произвели фотографирование процесса сгорания бензовоздушной смеси в непосредственной близости от стенки цилиндра двигателя. Фотографирование осуществлялось через кварцевое окно в головке цилиндра двигателя. Это позволило определить толщину зоны гашения в пределах 0,05-0,38 мм. В непосредственной близости от стенок камеры сгорания СН в 2-3 раза возрастает. Авторы делают вывод, что зона гашения является одним из источников выделения углеводородов.

Другим важным источником образования углеводородов является моторное масло, которое попадает в цилиндр двигателя в результате не эффективного удаления со стенок маслосъемными кольцами или через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками. Исследования показывают, что расход масла через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками в автомобильных бензиновых ДВС достигает 75% общего расхода масла на угар.

При работе ДВС на водороде в топливе не содержится углеродосодержащих веществ. В этой связи подавляющее большинство публикаций содержит сведения о том, что в отработавших газах ДВС не может содержаться углеводородов. Однако это оказалось не так. Безусловно, с увеличение концентрации водорода в БВТК и МВТК концентрация углеводородов существенно снижается, но не исчезает полностью. Во много это может быть связано с несовершенством конструкцией топливной аппаратуры, дозирующей подачу углеводородного топлива. Даже небольшая утечка углеводородов при работе ДВС на сверхбедных смесях может привести к выбросу углеводородов. Такой выброс углеводородов может быть связан с износом цилиндропоршневой группы и как следствием повышенным угаром масла и др. В этой связи при организации процесса сгорания необходимо поддерживать температуру сгорания на таком уровне, при котором имеет место достаточно полно сгорание углеводородных соединений.

В процессе сгорания топлива окислы азота формируются за фронтом пламени в зоне повышенной температуры, вызванной реакцией сгорания топлива. Образование окислов азота, если это не азотосодержащие соединения образуются в результате взаимодействия кислорода и азота воздуха. Общепринятой теорией образования окислов азота является термическая теория. В соответствии с этой теорией выход окислов азота определяется максимальной температурой цикла, концентрацией азота и кислорода в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива рода топлива (при отсутствии в топливе азота). В отработавших газах ДВС с искровым зажиганием содержание окиси азота составляет 99% от количества всех окислов азота (NOx). После выхода в атмосферу происходит окисление NO до NO2.

При работе ДВС на водороде образование окиси азота имеет некоторые особенности по сравнению с работой двигателя на бензине. Это связано с физико-химическими свойствами водорода. Главными факторами в этом случае являются температура сгорания водородовоздушной и ее пределы воспламенения. Как известно пределы воспламенения водородовоздушной смеси находятся в диапазоне 75% — 4,1%, что соответствует коэффициенту избытка воздуха 0,14 - 9,85, в то время как у изооктана в диапазоне 6,0%-1,18%, что соответствует коэффициенту, избытка воздуха 0,29 - 1,18. Важной особенностью сгорания водорода является повышенная скорость сгорания стехиометрических смесей. На рис. 12 представлен график зависимостей, характеризующих протекание рабочих процессов ДВС при работе на водороде и бензине.

Рисунок 12. Изменение параметров рабочего процесса ДВС при работена водороде и бензине, мощность ДВС 6,2 кВт, частота вращенияколенчатого вала 2400 об/мин.

Как следует их графиков, перевод ДВС с бензина на водород приводит в области стехиометрических смесей к резкому возрастанию максимальной температуры цикла. На графике видно, что скорость тепловыделения при работе ДВС на водороде в верхней мертвой точке ДВС в 3-4 раза выше, чем при работе на бензине При этом на индикаторной диаграмме отчетливо видны следы колебания давления, появление которых в конце такта сжатия свойственно «жесткому» сгоранию топливовоздушной смеси. На рис.13 представлены индикаторные диаграммы, описывающие изменение давления в цилиндре ДВС (ЗМЗ-24Д, Vh=2,4 л. степ. сжатия -8,2). в зависимости от угла поворота коленчатого вала (мощность 6,2 кВт, ч. в. к 2400 об/мин) при работе на бензине и водороде.

Рисунок 13. Индикаторные диаграммы ДВС (ЗМЗ-24-Д, Vh=24 л., степеньсжатия 8,2) примощности 6,2 кВт и ч. в. к 2400 об/мин. при работе на бензине и водороде

При работе ДВС на бензине отчетливо видна неравноменость протекания индикаторных диаграмм от цикла к циклу. При работе на водороде, особенно при стехиометрическом составе, неравномерность отсутствует. При этом угол опережения зажигания был настолько мал, что практически можно считать его равным нулю. Обращает на себя очень резкое нарастание давления за ВМТ, свидетельствующее о повышенной жесткости процесса. На нижнем графике представлены индикакторные диаграммы при работе на водороде при коэффициенте избытка воздуха 1,27. Угол опережения зажигания составлял 10 градусов п. к. в. На некоторых индикакторых диаграммах явно видны следы «жесткой » работы ДВС. Такой характер протекания рабочего процесса ДВС при использовании в качестве топлива водорода способствует повышенному образованию окислов азота. Максимальное значение концентрации окислов азота в ОГ соответствует работе ДВС с коэффициентом избытка воздуха 1,27. Это вполне закономерно, т. к. в топливовоздушной смеси содержится большое количество свободного кислорода и в результате высоких скростей сгорания имеет место высокая температура сгорания топливовоздушного заряда. Вмеасте с тем, при переходе на более бедные смесях скорости тепловыделения снижаются. Снижаются и максимальная температура цикла, а следовательно и концентрация в ОГ окислов азота.

Рисунок 14. Регулировочные характеристики по составу смеси при работе ДВС на бензоводородных топливных композициях, мощность ДВС 6,2 кВт, частота вращения коленчатого вала 2400 об/мин. 1. Бензин, 2. Бензин +Н2 (20%), 3. Бензин +Н2 (50%), 4. Водород

На рис. 14 представлены зависимости изменения выброса токсичных веществ с ОГ ДВС при работе на бензине, бензоводородных композициях и водороде. Как следует из графика наибольшее значение выбросов NOx соответствует работе ДВС на водороде. Вместе с тем по мере обеднения топливовоздушной смеси концентрация NOx снижается достигая практически нулевого значения при коэффициенте избытка воздуха большего 2 единиц. Таким образом перевод автомобильного двигателя на водород позволяет кардинально решить проблему топливной экономичности, токсичности отработавших газов и снижения выброса двуокиси углерода.

Применение водорода в качестве добавки к основному топливу может способствовать решению задачи улучшения топливной экономичности ДВС, снижения выброса токсичных веществ и уменьшения выброса двуокиси углерода, требования по содержанию которой в ОГ ДВС постоянно ужесточаются. Добавка водорода по массе в диапазоне 10-20 процентов может стать для автомобилей с гибридными двигателями оптимальной в самое ближайшее время.

Применение водорода в качестве моторного толива может быть эффективно только лишь при создании специализированных конструкций. В настоящее время ведущие производители автомобильных двигателей работают над созданием таких моторов. В принципе, основные направления по которым необходимо двигатья при создании новой конструкции водородных ДВС известны. К ним относятся:

1. Применение внутреннего смесеобразования позволит улучшить на 20-30 процентов удельные массогабаритные показатели водородного двигателя.

2. Применение сверх бедных водородовоздушных смесей для гибридных энергоустановок даст возможность существенно снизить температуру сгорания в камере сгорания ДВС и создаст предпосылки для повышения степени сжатия ДВС, использования новых материалов, в том числе и для внутренней поверхности камеры сгорания, позволяющих снизить потери тепла в систему охлаждения двигателя.

Все это по мнению специалистов позволит довести эффективный КПД ДВС, работающего на водороде до 42-45 процентв, что вполне сопоставимо с КПД электрохимических генераторов, для которых в настоящее время нет данных по экономической эффективности в условиях реальной эксплуатации автомобилей с учетом привода вспомогательных агрегатов, отоплания салона и др.

Водородо-кислородную смесь, как самую энергетически емкую, предлагал использовать в двигателях К.Э. Циолковский еще в 1903 году. Водород уже применяют как топливо: для автомобилей (от полуторки до Тойоты "Мирай"), реактивных самолётов (от «Хейнкель» до Ту-155), торпед (от GT 1200A до "Шквала"), ракет (от "Сатурна" до "Бурана"). Новые аспекты открывает получение металлического водорода и практическое применение реактора Росси. В недалеком будущем развитие технологий получения дешевого водорода из сероводорода Чёрного моря и непосредственно из источников дегазации Земли. Не смотря на противодействие нефтяного лобби, мы неумолимо вступаем в водородную эру!

Изменяя своё потребление - мы вместе изменяем Мир!

«Плюсы» и «минусы» водородного топлива

Водородное топливо имеет ряд особенностей:

• Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси.
• После сжигания водородной смеси на выходе образуется только пар.
• Реакция воспламенения происходит быстрее, чем с другими видами топлива.
• Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
• Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется.
• Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы двигателя путем дозирования консистенции.
• КПД водородного двигателя достигает 90 процентов. Для сравнения, дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС - 35%.
• Водород - летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
• Возникает меньший уровень шума при работе двигателя.

Первый двигатель на водороде заработал в СССР в 1941 году!

Будете удивлены, но первый двигатель обычной «полуторки» заработал на водороде в блокадном Ленинграде в сентябре 1941 года! Молодому младшему техник-лейтенанту Борису Щелищу, руководившему подъемом аэростата заграждения, было приказано в отсутствии бензина и электричества наладить работу лебёдок. Поскольку аэростаты заполнялись водородом, ему пришла мысль использовать его как топливо.

Во время опасных опытов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, сам Борис Исаакович получил контузию. После этого для безопасной эксплуатации воздушно-водородной «гремучей» смеси он придумал специальный водяной затвор, исключавший воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя. Когда все наконец получилось, приехали военачальники, убедились, что система работает нормально, и приказали за 10 дней перевести все аэростатные лебедки на новый вид горючего. В виду ограниченности ресурсов и времени, Щелищ остроумно применил для изготовления гидрозатвора списанные огнетушители. И задача подъёма аэростатов заграждения была успешно решена!

Бориса Исааковича наградили орденом "Красной звезды" и командировали в Москву, его опыт использовали в частях ПВО столицы - 300 двигателей перевели на «грязный водород», было оформлено авторское свидетельство №64209 на изобретение. Таким образом был обеспечен приоритет СССР в развитии энергетики будущего. В 1942 году необычный автомобиль демонстрировался на выставке техники, приспособленной к условиям блокады. При этом его двигатель проработал 200 часов без остановки в закрытом помещении. Отработанные газы - обыкновенный пар - не загрязняли воздух.

В 1979 году под научным руководством Шатрова Е.В. творческим коллективом работников НАМИ в составе Кузнецова В.М. Раменского А.Ю., Козлова Ю.А. был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине.

Испытания РАФ 22031 (1979 г.)

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.

«Это была первая подводная лодка СССР, перешагнувшая 18-узловую величину подводной скорости: в течение 6 часов её подводная скорость составляла более 20 узлов! Корпус обеспечивал увеличение глубины погружения вдвое, то есть до глубины 200 метров. Но главным достоинством новой подводной лодки была её энергетическая установка, явившаяся удивительным по тем временам новшеством. И не случайно было посещение этой лодки академиками И. В. Курчатовым и А. П. Александровым - готовясь к созданию атомных подводных лодок, они не могли не познакомиться с первой в СССР подводной лодкой, имевшей турбинную установку. Впоследствии, многие конструктивные решения были заимствованы при разработке атомных энергетических установок…» - писал Александр Тыклин.

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).

Ту-155 на водороде установил 14 мировых рекордов!

Во время ВОВ Фирма «Хейнкель» создала под двигатель Вальтера Walter HWK-109-509 с тягой 2000 кгс., работавший на перекиси водорода, целую линейку реактивных самолетов.

Вполне успешный, но, к сожалению, не ставший серийным опыт создания «экологических» самолетов у России был уже в конце 80-х годов прошлого столетия. Миру был представлен Ту-155 (экспериментальная модель Ту-154), работающий на сжиженном водороде, а затем и на сжиженном природном газе. 15 апреля 1988 года самолет был впервые поднят в небо. Он установил 14 мировых рекордов и выполнил порядка ста рейсов. Однако затем проект ушел «на полку».

В конце 1990-х по заказу «Газпрома» был построен Ту-156 с двигателями на сжиженном газе и традиционном авиационном керосине. Этот самолет постигла та же участь, что и Ту-155. Представляете, насколько тяжело бороться с нефтяным лобби даже Газпрому!

Водородомобили

Автомобили с двигателями, работающими на водороде, делятся на несколько групп:

• Транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД до 90%.
• Машины с гибридным двигателем. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
• Автомобили со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства.

Главной особенностью водородомобилей является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения.

Уже выпускаются серийно 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.

Серийный водородомобиль Тойота "Мирай".

Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9,6 секунды и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км

Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen . Новая модель протестирована известными деятелями культуры, бизнесменами, политиками и другими популярными личностями. Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 - до 229 км/час.

Honda Clarity - автомобиль от концерна Хонда, который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.

Home Energy Station III - это компактный блок, включающий в себя топливные элементы, баллон для хранения водорода и риформер природного газа, извлекающий H2 из газовой трубы.

Метан из бытовой сети превращается этим аппаратом в водород. А он - в электричество для дома. Мощность топливных элементов в Home Energy Station составляет 5 киловатт. Кроме того, встроенные баллоны с газом служат своеобразными аккумуляторами энергии. Станция использует этот водород при пике нагрузки на домашнюю электросеть. Вырабатывает 5 кВт электроэнергии и до 2 м3 водорода в час.

К недостаткам водородомобилей можно отнести:

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

По мере серийного производства большинство этих конструктивных и технологических недостатков будут преодолены, а по мере развития добычи водорода, как полезного ископаемого, и сети заправок, существенно понизится его стоимость.

В 2016 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom. Планируется, что новый состав Coranda iLint начнет движение по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).

В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.

Во Франции выпустили оригинальную модель велосипеда на водороде. (Французский Pragma). Заливаешь всего 45 грамм водорода и в путь! Расход топлива - примерно 1 грамм на 3 километра.

Водород в космонавтике

Как горючее в паре с жидким кислородом (ЖК) жидкий водород (ЖВ) был предложен в 1903 г. К. Э. Циолковским. Он является горючим, с самым большим удельным импульсом (при любом окислителе), что позволяет при равной стартовой массе ракеты выводить в космос гораздо большую массу полезного груза. Однако на пути применения водородного топлива стояли объективные трудности.

Первая - сложность его сжижения (получение 1 кг ЖВ обходится в 20-100 раз дороже 1 кг керосина).

Вторая - неудовлетворительные физические параметры - чрезвычайно низкая температура кипения (-243°С) и очень малая плотность (ЖВ в 14 раз легче воды), что отрицательно сказывается на возможности хранения этого компонента.

В 1959 г. НАСА выдало крупный заказ на проектирование кислородно-водородного блока "Центавр". Он использовался в качестве верхних ступеней таких РН, как "Атлас", "Титан" и тяжелой ракеты "Сатурн".

Из-за крайне низкой плотности водорода, первые (самые большие) ступени ракет-носителей использовали другие (менее эффективные, но более плотные) виды горючего, например керосин, что позволяло уменьшить размеры до приемлемых. Пример такой «тактики» - ракета «Сатурн-5», в первой ступени которой применялись компоненты кислород/керосин, а во 2-й и 3-й ступени - кислородно-водородные двигатели J-2, тягой по 92104 т каждый.

Термический реактор Росси

Итальянский изобретатель Андреа Росси при поддержке научного консультанта физика Серджо Фокарди, провели эксперимент:

В герметичную трубку поместили насколько грамм никеля (Ni) добавили 10% алюмогидрида лития, катализатор и заполнили капсулу водородом (Н2). После нагрева до температуры порядка 1100-1300оС, парадоксально, но трубка оставалась в горячем состоянии на протяжении целого месяца, а выделенная тепловая энергия, в несколько раз превышала затраченную на нагрев!

На семинаре в Российском университете дружбы народов (РУДН) в декабре 2014 года, было доложено об успешном повторении этого процесса в России:

По аналогии выполнена трубка с топливом:

Выводы по эксперименту: выделение энергии в 2,58 раза больше затраченной электрической энергии.

В Советском Союзе работы по ХЯС велись с 1960 года в некоторых КБ и НИИ по заказу государства, но с "перестройкой" финансирование прекратилось. На сегодняшний день эксперименты успешно проводятся независимыми исследователями – энтузиастами. Финансирование осуществляется на личные средства коллективов граждан России. Одна из групп энтузиастов, под руководством Самсоненко Н.В., работает в здании «Инженерного корпуса» РУДН.

Ими был проведен ряд калибровочных тестов с электронагревательными приборами и реактором без топлива. В этом случае, как и следовало ожидать, выделяемая тепловая мощность равна подводимой электрической мощности.

Основная проблема – спекание порошка и локальный перегрев реактора, из-за чего нагревательная спираль перегорает и даже сам реактор может прогореть насквозь.

Но А.Г. Пархомову, удалось сделать длительно работающий реактор. Мощность нагревателя 300 Вт, КПД=300%.

Реакция синтеза 28Ni + 1H (ион) = 29Cu + Q согревает Землю изнутри!

Внутреннее ядро Земли содержит никель и водород, при температуре 5000К и давлении 1,36 Мбар, поэтому есть все условия для протекания реакции синтеза в недрах Земли, экспериментально воспроизведённой в реакторе Росси! В результате этой реакции получается медь, соединения которой находят в «черных курильщиках» зонах расширения Земли (срединно-океанических хребтах) в потоке богатом водородом.

Темный водород

В 2016 году учёные из США и Великобритании, создав при мгновенном сжатии давление 1,5 млн. атмосфер и температуру в несколько тысяч градусов, смогли получить третье промежуточное состояние водорода, при котором он одновременно имеет свойства и газа, и металла. Он получил название «тёмный водород», так как в этом состоянии он не пропускает видимый свет, в отличие от инфракрасного излучения. "Тёмный водород", в отличие от металлического, идеально вписывается в модель строения планет-гигантов. Он объясняет, почему их верхние слои атмосферы значительно теплее, чем должны быть, перенося энергию от ядра, а поскольку он обладает значительной электропроводностью, то играет ту же роль, что и внешнее ядро на Земле, формируя магнитное поле планеты!

Генерация водорода из глубин Черного моря

Бог одарил землю Крыма не только красивейшей и разнообразной природой, но и достаточными запасами различных ископаемых, в том числе и углеводородов. Но наш полуостров буквально "купается" в самом большом на планете водном хранилище природных газов, коим является Чёрное море.

Глубинные слои - ниже 150м, состоят из водородосодержащих соединений, основную часть которых составляет сероводород. По приблизительным оценкам, общее содержание сероводорода в Черном море может достигать 4.6 млрд. т, что, в свою очередь, служит потенциальным источником 270 млн. т водорода!

Запатентованы несколько способов разложения сероводорода с получением водорода и серы (H2S <=> H2 + S – Q), включающий контактирование сероводородсодержащего газа через слой твердого материала, способного разлагать его с выделением водорода и образованием серосодержащих соединений на поверхности материала, при давлении 15 атмосфер и температуре 400oС.

Наиболее перспективным, представляется разработка специальных гидрофобных мембран-фильтров, отделяющих водород от других газов прямо на глубине. Ведь мельчайшие из молекул легко просачиваются через металлы и даже в гранитных массивах живут колонии бактерий питающихся водородом!

Давайте помечтаем... Представим себе, что лет через десять на одном из мысов южного побережья Крыма, где морское дно резко понижается до глубин более 200 метров, будет построена небольшая станция. Из моря к ней протянутся рукава труб, на концах которых будут находиться сепараторы сероводорода. Водород после очистки поступит в сеть заправок автотранспорта и на когенераторную теплоэлектростанцию. Рядом с заводом разместиться ферма, где в водородной атмосфере будут выращивать анаэробные микроорганизмы, митоз которых происходит на порядок быстрее их обычных собратьев. Из их биомассы будут производить корм для скота и удобрения.

Мир неумолимо вступает в водородную эру!

Советник президента РФ академик РАН Сергей Глазьев подчеркивал: "Каждый из экономических циклов Кондратьева характеризуется своим энергоносителем: сначала дрова (органический углерод), уголь (углерод), потом нефть и мазут (тяжелые углеводороды), затем бензин и керосин (средние углеводороды), сейчас газ (легкие углеводороды), а основным энергоносителем следующего экономического цикла должен стать чистый водород!"

Применения водорода обширны, многогранны, энергетически выгодны, экологичны, и очень перспективны. Уже наши дети будут ездить на серийных автомобилях на водороде, использовать алмазные микропроцессоры, сделанные по водородной технологии, металлический водород совершит революцию в космонавтике, а развитие реакторов Росси - в энергетике!

Признание теории изначально гидридной Земли (В.Н.Ларина) приведёт к открытию ископаемых месторождений Н2, что сильно удешевит его получение. И не смотря на сопротивление "удушающих" Землю вредными выбросами нефтяных лоббистов, мы неизбежно вступаем в водородную эру!

Сывороткин В.Л., МГУ