Водневий двигун

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Ця стаття розповідає про технологію, та застосування водневого двигуна, для інформації про автомобілі дивіться статтю водневе авто.

Водне́вий двигун (мотор) — різновид двигуна, де використовується для отримання енергії водень як пальне. Двигун складається з двох основних частин — це паливний елемент, як первинний генератор енергії та електродвигун, який її використовує для зміни її типу.

Автомобілі на водневому паливі умовно можна розділити на три класи.

  • Перший — це машини зі звичайним двигуном внутрішнього згоряння, який працює на водні або водневій суміші. Такі моделі можуть працювати на чистому водні або 5—10 % водню додають до основного палива. В обох випадках ККД двигуна збільшується (у другому випадку приблизно на 20 %) і вихлоп стає набагато чистішим (вміст чадного газу (CO) і вуглеводнів (CnHm) зменшується в півтора рази, оксидів нітрогену (NnOm) — до п'яти разів). Такі двигуни й автомобілі були сконструйовані й пройшли всі випробування у нас і за кордоном приблизно ще у 1970—1980-х роках. Однак, з огляду на витрати і складності конструкторського плану, цей тип може розглядатися тільки проміжним, перехідним етапом на шляху до третього типу.
  • Другий — це машини з двома електроносіями, так звані гібридні, їх колеса рухає електропривод, енергію якому постачає акумулятор, що у свою чергу заряджається від високо-економічного двигуна внутрішнього згоряння, що працює на водні або суміші водню з бензином. Це дуже вигідно, адже ККД електродвигуна сягає 90—95 % на відміну від бензинового (35 %) або дизельного (50 %). Таким чином, загальний ККД підвищується до 30 %, відповідно знижується витрата палива. Навіть якщо для підзарядки акумулятора використовується бензин, об'єм шкідливих викидів дозволить вкластися в норми «Євро-4» із десятикратним запасом. Але другий тип не можна розглядати завжди як 100 відсотково водневим.
  • Третій — справжній водневий автомобіль — це машина з електродвигуном, який працює від паливного елемента, що знаходиться в автомобілі. Теоретично ККД паливного елемента, що працює на суміші водень—повітря, може перевищувати 85 %. Зараз вже вдалося одержати двигуни з ККД близько 75 % — це більш ніж удвічі вище відповідного покажчика найкращих двигунів внутрішнього згоряння. В умовах міста такі машини одержать п'яти-шестиразову перевагу над звичайними автомобілями.

Паливний елемент[ред. | ред. код]

Докладніше: Паливна комірка

Паливний елемент, що працює на водні, — по суті і є водневим двигуном. Паливний елемент (інакше — електрохімічний генератор) — це пристрій для перетворення хімічної енергії на електричну. Те ж відбувається й у звичайних електричних акумуляторах, але в паливних елементах є дві важливі відмінності: по-перше, вони працюють доти, поки надходить паливо; по-друге, паливний елемент не потрібно перезаряджати.

Паливний елемент складається з багатьох десятків комірок, кожна приблизно в сантиметр завтовшки. Кожна комірка складається з двох електродів, розділених електролітом. На один електрод (анод) підводиться паливо (водень), на інший (катод) — окисник (кисень повітря). Водень тут не згоряє, хімічна реакція окиснення відбувається при низькій температурі в присутності каталізатора. Мета роботи пристрою, використовуючи цю реакцію, розділити позитивний і негативний заряди в просторі й створити між ними напругу. Тому електроліт, який заповнює простір між електродами, повинен мати здатність пропускати крізь себе протони (тобто йони водню) і не пропускати електрони. На аноді водень розпадається на електрони і протони, далі протони проходять крізь шар електроліту, досягають катода і, з'єднуючись із киснем, утворюють воду. Однак у питаннях отримання якісного й недорогого електроліту наука поки що зазнає величезних труднощів. Полімерний електроліт американської фірми «Дюпон» коштує близько 700 євро за м², а на батарею для середнього автомобіля потрібно десятки квадратних метрів такого матеріалу. Зрозуміло, що при такій вартості електроліту неможливо налагодити серійний випуск водневих автомобілів. Ученими всього світу ведуться інтенсивні дослідження з метою здешевлення цього матеріалу й використання його при більш високих температурах (150—200°С).

Загалом, паливний елемент на водні цілком готовий до застосування. Бракує дрібниці: зробити його компактнішим і дешевшим.

Паливний бак[ред. | ред. код]

Проблема полягає в тому, що потрібен якийсь аналог паливного бака, але ж водень у паливний бак не наллєш. Це на сьогодні складає найбільші технічні труднощі. Учені розглядають досить багато варіантів. Наприклад, можна зберігати водень в акумуляторах на основі гідридів інтерметалічних сплавів (ТіУаРе, СиМі та ін.), із яких за потребою поступово вивільняється чиста речовина. Але за цим варіантом маса водню в загальній кількості речовини (так зване аспектне число) становить всього 5 %, до того ж виникає проблема зі швидкістю вивільнення водню. Можна зберігати водень у рідкому вигляді. Але, по-перше, це вимагає охолодження до температур, близьких до абсолютного нуля (відповідно, зростає вартість водню), а по-друге, заправлений у такий спосіб автомобіль повинен буде витрачати своє паливо якомога швидше. Дуже перспективний напрямок — зберігання водню в наноструктурах (вуглецевих нанотрубках), однак ці дослідження знаходяться поки що на початкових стадіях. Найперспективнішим учені вважають збереження водню в балонах високого тиску — більше 350 атм. (аспектне число до 18 % при тиску вище 500 атм.) або отримання його прямо на борті з іншого палива (метанолу чи рідких вуглеводнів: бензину, дизельного палива та ін.), у спеціальних каталітичних реакторах (аспектне число близько 10 %). Такі системи розроблені й російськими вченими і за розумних габаритів забезпечують запас водню для пробігу в кілька сотень кілометрів. Конструктори стикаються також і з іншими проблемами. Так, машина (насамперед кабіна) повинна мати систему водневої безпеки.

Виробництво водневого пального[ред. | ред. код]

Сучасні технології виробництва водню далекі від досконалості. Попри це, гіганти хімічної промисловості й сьогодні вже одержують по 500 млрд м³ водню на рік. Половина виробленої кількості йде на амонійні добрива, решта — на виробництво сталі, скла, маргарину та ін. В основному водень одержують за допомогою парового реформінгу природного газу: метан при високих температурах (900°С) у присутності нікелевого каталізатора реагує з парою. Поки що такий водень найдешевший. Є й інші технології отримання водню, наприклад електроліз, крекінг або переробка біомаси (деревини, соломи). Кожен із цих варіантів має свої недоліки. Наприклад, переробка біомаси: Її нагрівають на 500—600°С, після чого виходять спирти (етанол, метанол), які, у свою чергу, перетворюються на водень. Можна нагріти біомасу до більш високих температур (1000°С), тоді вона повністю перетвориться на газ і вийде суміш Н2 і СО. Проблема в тому, що сировини для такого процесу знадобиться дуже й дуже багато. Якщо, наприклад, усю родючу територію Франції пустити на вирощування біомаси, то водню, отриманого з неї, не вистачить навіть на те, щоб покрити потреби цієї країни в паливі навіть для нині існуючих автомобілів. Здавалося б, найпростіший спосіб отримання водню — електроліз (електричне розщеплення води). Результат — водень і кисень. Але загалом ефективність цього процесу не дуже висока: треба витратити 4 кВт електроенергії, щоб одержати 1 м³ водню, який, згоряючи, дасть лише 1,8 кВт енергії. Проте електроліз води досить перспективний і йому, напевно, знайдуть застосування, тим більше, що існують виходи з «енергетичної проблеми». По-перше, можна використовувати енергію атомної електростанції у години слабкого навантаження (коли вироблена там енергія виявляється незатребуваною) або, зрештою, поновлювані джерела енергії (сонячні батареї, енергію вітру, припливу й ін.). По-друге, ця технологія активно розвивається: електроліз для більшої ефективності можна проводити під підвищеним тиском або температурою, що намагаються зробити вчені. Зараз біологи активно розробляють ще один напрямок. Деякі бактерії й водорості в процесі фотосинтезу розкладають воду і виділяють водень. Проблема в тому, що вони роблять це тільки за відсутності кисню, отже, процес триває протягом дуже короткого часу, тому що при розкладанні води, природно, утворюється і кисень. Завдання вчених — за допомогою генної інженерії продовжити цей період, тоді сонячні райони нашої планети були б забезпечені воднем.
Напрям вироблення та споживання енергії людиною, який базується на використанні водню як засобу для акумулювання, транспортування та вживання енергії населенням називається воднева енергетика.

Демонстраційні водневі проекти[ред. | ред. код]

США[ред. | ред. код]

Автомобілі на паливних елементах, (2003)[ред. | ред. код]

Під час Вашингтонської зустрічі в грудні 2003 року, на якій після дев'яти місяців переговорів найвищого рівня представники 15 країн світу та Європейського Союзу підписали історичну угоду про кооперацію. Шість основних автомобільних компаній світу — Форд, Дженерал Моторс, Хундаї, Хонда та Ніссан продемонстрували свої автомобілі на паливних комірках. В дії водневі автомобілі були показані на паркувальному майданчику Вашингтонського аеропорту ім. Дж. Кеннеді для того, щоб довести учасникам зустрічі реальність ідеї водневої енергетики.

Найцікавішим був автомобіль Тойота Пріус 2002 року, в якому звичайний двигун був замінений на водневий. Цей автомобіль з металевим накопичувачем водню, може рухатися без дозаправляння 150 км й витрачає 1 кг водню на 44 км. Він також повністю відповідає вимогам адміністрації з контролю за шкідливими викидами штату Каліфорнія, де стандарти є найсуворішими із усіх штатів США[1].

Слід зазначити, що згідно з вищезгаданою угодою, на першому етапі розглядається 10-річний період, тоді як розробку подальших угод і координацію дій після закінчення першого етапу покладено на постійно діючий Організаційний Комітет. Передбачається, що розробки вимагатимуть колосальних інвестицій, тому необхідним є створення відповідної регуляторної бази і податкового клімату.

Водневий демо-проект компанії Форд[ред. | ред. код]

Авто на водні Ford Focus

У травні 2005 року компанії Ford Motor Company і BP America провели демонстрацію своїх водневих автомобілів і водневої заправної станції в Орландо, штат Флорида.

В межах спеціалізованого урядового проекту Форд передав адміністрації штату Флорида п'ять автомобілів Ford Focus Fuel Cell Vehicles.

Ці водневі автомобілі будуть слугувати парковим охоронцям в їх щоденних рейдах по парку Wekiwa Springs State Park, який відвідують близько 185,000 людей щорічно. Один з цих автомобілів буде використовуватись також радником адміністрації з питань енергозбереження в службових подорожах.

Пропаганда водневої економіки в школах[ред. | ред. код]

North Port — перша в США школа, де вивчатимуться питання, пов'язані з водневими технологіями і науковими аспектами цих технологій. Уряд забезпечив її повним набором лабораторного обладнання і програм навчання. Школу буде забезпечено діючою моделлю водневої паливної комірки. Модель вироблятиме 5 кВт енергії, що достатньо для одного класу. Вода, що є продуктом роботи комірки, використовуватиметься для догляду за газонами, а тепло — для підігріву води у шкільній кухні.

Перша заправна воднева станція у Вашингтоні, (2004)[ред. | ред. код]

10 листопада 2004 року було відкрито першу заправочну водневу станцію в столиці США, Вашингтоні. Проект був фінансований спільно компаніями Shell та General Motors.

Заправна станція, вперше в Північній Америці обладнана як для заправки бензином так і воднем, є практичним вкладом в вирішення питання зменшення залежності США від закордонних енергетичних ресурсів шляхом розвитку нових інноваційних технологій, таких як водневі паливні комірки.

Ця заправна станція компанії Shell є центральною частиною спільного з General Motors і Міністерством енергетики США демонстраційного проекту. Вона буде використовуватися для заправки автомобілів General Motors, і є першою з тих, що увійдуть у «Водневий коридор» від Вашингтону до Нью-Йорку.

Європейський демонстраційний проект[ред. | ред. код]

Проект було успішно виконано влітку 2004 року, коли автомобіль на водневому двигуні подолав відстань в 10 000 км від Хаммерфеста, Норвегія, найпівнічнішого міста Європи, до Лісабона, найзахіднішого міста континенту.

Цей символічний марафон через весь континент мав дві основні цілі: показати надійність і ресурс працездатності двигуна на паливній комірці а також продемонструвати глядачам, яких було багато під час зупинок у великих містах, і представникам державних установ, потенціал водневої економіки.[1].

Перший пасажирський автобус на водні у Лондоні, (2003)[ред. | ред. код]

Mercedes-Benz (DaimlerChrysler) Citaro Алдвих, Лондон, 19 жовтня 2005

На Різдво 2003 року Лондон отримав подарунок від мерії — пасажирський автобус на водневому двигуні. В січні 2004 року цей автобус розпочав виконувати регулярні рейси. Уряд Китаю у той час виголосив намір купити за кордоном 12 автобусів на паливних комірках і провести демонстраційні проекти в Шанхаї і Пекіні.

Перший пасажирський потяг «Coradia iLint» на водні у Німеччині, (2017)[ред. | ред. код]

У найближчому майбутньому між містами федеральної землі Нижня Саксонія почнуть курсувати потяги на водневих паливних елементах. Очікується, що з часом вони повністю замінять дизельні регіональні потяги.

9 листопада 2017 року на залізничному вокзалі міста Вольфсбурга відбулася презентація першого потяга на водневих паливних елементах «Coradia iLint». Він розроблений і виготовлений в німецькому місті Зальцгіттер французькою компанією «Alstom».

Вже навесні 2018 року заплановано, що перші два потяги-прототипу «Coradia iLint» розпочнуть рух за маршрутом Букстехуде — Куксгафен. Нижньосаксонське транспортне міністерство планує в найближчому майбутньому повністю замінити водневими потягами дизельні регіональні потяги. На ці цілі виділено 81,3 млн євро.

З 2021 року 14 таких потягів будуть здійснювати постійні пасажирські маршрути між чотирма німецькими містами федеральними землями Нижня Саксонія — Куксгафен, Бремергафен, Бремерферде та Букстехуде. Відповідний договір нижньосаксонське транспортне відомство підписало з фірмою-виробником «Alstom», а також компанією «Linde», яка буде відповідати за технічне обслуговування і постачання водневого палива[2].

Міжнародна виставка «Водень-2005»[ред. | ред. код]

Хонда FCX Міжнароде мото шоу в Куала Лумпур, (2006)

Більше, ніж 50 міжнародних учасників взяли участь у цій виставці, де було продемонстровано готові до комерціалізації водневі і паливо-комірчані технології.

Найбільш цікавим і видовищним була демонстрація автомобілів на водневих двигунах — «vehicle ride & drive» — у реальних умовах експлуатації.

Honda FCX є першим автомобілем на паливних комірках, що був офіційно сертифікований як придатний для щоденного використання. Максимальна потужність двигуна — 80 кінських сил (hp), швидкість — 260 км/год.

Компанія Honda надала у лізинг два своїх автомобіля на водневих паливних комірках місту Лас-Вегас, Техас, а також виконала тестовий автопробіг на дорогах штату Каліфорнія.

Інший учасник виставки — баварська компанія BMW продемонструвала автомобіль BMW 745h, який має водневий двигун внутрішнього згоряння. Цей двигун працює як на водні, так і бензині. Таким чином може бути подолано незручності завдяки відсутності водневих заправок. Цей автомобіль має власний запас водню на 240 км, а бензиновий бак забезпечує рух ще на 480 км.

Крім цього, готового до широкого використання автомобіля, компанія BMW продемонструвала унікальний H2R — гоночне авто, що долає всі рекорди швидкості. Автомобіль має 12-циліндровий, 6-літровий двигун потужністю 232 к.с. на рідкому водневому паливі. H2R досягає швидкості 60 миль/год за 6 секунд й максимальну швидкість 174 миль/год[3].

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]