Водень якальтернативний вид палива
Зміст
Введення
1 Водень на Землі
2 Що таке воднева технологія?
3 Як і з чого в даний час отримують водень?
4 Отримання водню — майбутня технологія
5 Багатоликий водень
6 Роль водню і водневої технології у кругообігу речовин у природі
7 Увага, водень!
8 Проблеми отримання енергії
9 Водневі двигуни
Висновок
Вступ
Дослідження Сонця, зірок, міжзоряного просторупоказують, що найпоширенішим елементом Всесвіту є водень (в космосі у виглядірозжареної плазми він становить 70% маси Сонця і зірок).
За деякими розрахунками, кожну секунду в глибинахСонця приблизно 564 млн. тонн водню в результаті термоядерного синтезуперетворюються в 560 млн. тонн гелію, а 4 млн. тонн водню перетворюються напотужне випромінювання, яке йде в космічний простір. Немає побоювань, що наСонці незабаром вичерпаються запаси водню. Воно існує мільярди років, а запасводню в ньому достатній для того, щоб забезпечити ще стільки ж років горіння.
Людина живе в воднево-гелієвої всесвіту.
Тому водень представляє для нас дуже великийінтерес.
Вплив і користь водню в наші дні дуже велика.Практично всі відомі зараз види палива, за винятком, зрозуміло, водню,забруднюють навколишнє середовище. У містах нашої країни щорічно проходитьозеленення, але цього, як видно, недостатньо. У мільйони нових моделейавтомобілів, які зараз випускаються, заливають таке паливо, яке випускає ватмосферу вуглекислий (СО2) і чадний (СВ) гази. Дихати таким повітрям іпостійно перебувати в такій атмосфері представляє дуже велику небезпеку дляздоров'я. Від цього відбуваються різні захворювання, багато з яких практично непіддаються лікуванню, а вже тим більше неможливо лікувати їх, продовжуючиперебувати в можна сказати «зараженої» вихлопними газами атмосфері. Ми хочемобути здоровими, і зрозуміло, хочемо, щоб покоління, які підуть за нами, теж нескаржилися і не страждали від постійно забруднюють повітря, а навпаки,пам'ятали і довіряли прислів'ї: «Сонце, повітря і вода — наші кращідрузі".
А поки я не можу сказати, що ці словавиправдовують себе. На воду нам вже взагалі доводиться закривати очі, оскількизараз, якщо навіть брати конкретно наше місто, відомі факти, що з кранів течезабруднена вода, і пити її в жодному разі не можна.
Що стосується повітря, то тут на порядку денномувже багато років стоїть не менш важлива проблема. І якщо уявити, хоча б насекунду, що всі сучасні двигуни будуть працювати на екологічно чистому паливі,яким, зрозуміло, є водень, то наша планета стане на шлях, що веде доекологічного раю. Але це все фантазії і подання, які, на превеликий наш жаль щене скоро стануть реальністю.
Незважаючи на те, що наш світ наближається доекологічної кризи, всі країни, навіть ті, які більшою мірою забруднюють своєїпромисловістю навколишнє середовище, (ФРН, Японія, США, і як це не сумно — Росія) не квапляться панікувати і починати екстрену політику за її очищення.
Скільки б ми не говорили про позитивний впливводню, на практиці це можна побачити досить таки не часто. Але все жрозробляється безліч проектів, і метою моєї роботи був не лише розповідь просам чудовому паливі, але і про його застосування. Ця тема дуже актуальна, оскількизараз жителів не тільки нашої країни, але і всього світу, хвилює проблемаекології та можливі шляхи вирішення цієї проблеми.
1 Водень на Землі
Водень — один з найбільш поширених елементів і наЗемлі. У земній корі з кожних 100 атомів 17 — атоми водню. Він становитьприблизно 0,88% від маси земної кулі (включаючи атмосферу, літосферу ігідросферу). Якщо згадати, що води на земній поверхні більше
1,5 ∙ 1018 м3 і що масова частка водню у воді становить 11,19%, то стає ясно, що сировини для одержанняводню на Землі — необмежена кількість. Водень входить до складу нафти (10,9 — 13,8%), деревини (6%), вугілля (буре вугілля — 5,5%), природного газу (25,13%).Водень входить до складу всіх тваринних і рослинних організмів. Він міститься іу вулканічних газах. Основна маса водню потрапляє в атмосферу в результатібіологічних процесів. При розкладанні в анаеробних умовах мільярдів тоннрослинних залишків у повітря виділяється значна кількість водню. Цей водень ватмосфері швидко розсіюється і дифундує у верхні шари атмосфери. Маючи малумасу, молекули водню володіють високою швидкістю дифузійного руху (вона близькадо другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можутьполетіти в космічний простір. Концентрація водню у верхніх шарах атмосферискладає 1 ∙ 10-4%.
2 Що таке водневатехнологія?
Під водневої технологією мається на увазісукупність промислових методів і засобів для отримання, транспортування тазберігання водню, а також засобів і методів його безпечного використання наоснові невичерпних джерел сировини та енергії.
У чому ж привабливість водню і водневоїтехнології?
Перехід транспорту, промисловості, побуту наспалювання водню — це шлях до радикального вирішення проблеми охорониповітряного басейну від забруднення оксидами вуглецю, азоту, сірки,вуглеводнями.
Перехід на водневу технологію та використанняводи в якості єдиного джерела сировини для отримання водню не може змінити нетільки водного балансу планети, але і водного балансу окремих її регіонів. Так,річна потреба енергетики такої високо індустріальної країни, як ФНР, може бутизабезпечена за рахунок водню, отриманого з такої кількості води, яка відповідає1,5% середнього стоку річки Рейн (2180 л води дають 1 тут у вигляді H2). Відзначимо попутно, що на наших очах стає реальною одна з геніальних здогадоквеликого фантаста Жуля Верна, який вустами героя рому «Таємничий острів» (гл.XVII) заявляє: «Вода — це вугілля майбутніх століть».
Водень, що отримується з води, — один з найбільшенергонасичених носіїв енергії. Адже теплота згоряння 1 кг H2 становить (за нижчого межі) 120 МДж / кг, у той час як теплота згоряння бензину або кращоговуглеводневої авіаційного палива — 46 — 50 МДж / кг, тобто в 2,5 рази менше 1 тводню відповідає за своїм енергетичного еквіваленту 4,1 тут, до того ж водень — легковідтворюєме паливо.
Щоб накопичити викопне пальне на нашій планеті,потрібні мільйони років, а щоб у циклі отримання та використання водню з водиотримати воду, потрібні дні, тижні, а іноді години та хвилини.
Але водень як паливо і хімічна сировина володіє ірядом інших найцінніших якостей. Універсальність водню полягає в тому, що вінможе замінити будь-який вид пального в самих різних областях енергетики,транспорту, промисловості, у побуті. Він замінює бензин а автомобільнихдвигунах, гас в реактивних авіаційних двигунах, ацетилен в процесах зварюваннята різання металів, природний газ для побутових та інших цілей, метан упаливних елементах, кокс у металургійних процесах (пряме відновлення руд),вуглеводні в ряді мікробіологічних процесів. Водень легко транспортується потрубах і розподіляється по дрібним споживачам, його можна отримувати ізберігати в будь-яких кількостях. У той же час водень — сировина для рядунайважливіших хімічних синтезів (аміаку, метанолу, гідразину), для одержаннясинтетичних вуглеводнів.
3 Як і з чого вданий час отримують водень?
У розпорядженні сучасних технологів є сотнітехнічних методів отримання водневого палива, вуглеводневих газів, рідкихвуглеводнів, води. Вибір того чи іншого методу диктується економічнимиміркуваннями, наявністю відповідних сировинних і енергетичних ресурсів. Урізних країнах можуть бути різні ситуації. Наприклад, в країнах, де є дешеванадлишкова електроенергія, що виробляється на гідроелектростанціях, можнаотримувати водень електролізом води (Норвегія); де багато твердого палива тадороги вуглеводні, можна отримувати водень газифікацією твердого палива(Китай); де дешева нафта, можна отримувати водень із рідких вуглеводнів(Близький Схід). Однак найбільше водню отримують в даний час з вуглеводневихгазів конверсією метану і його гомологів (США, Росія).
У процесі конверсії метану водяною парою,діоксидом вуглецю, киснем та оксиду вуглецю водяною парою протікають наступнікаталітичні реакції. Розглянемо процес отримання водню конверсією природногогазу (метану).
Отримання водню здійснюється в три стадії. Першастадія — конверсія метану в трубчастої печі:
CH4 + H2O = CO + 3H2 — 206,4 кДж / моль
або
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 — 248, 3 кДж / моль.
Друга стадія пов'язана з доконверсіею залишковогометану першій стадії киснем повітря і введенням в газову суміш азоту, якщоводень використовується для синтезу аміаку. (Якщо виходить чистий водень,другої стадії принципово може і не бути).
CH4 + 0,5 O2 = CO + 2H2 + 35,6 кДж / моль.
І, нарешті, третя стадія — конверсія оксидувуглецю водяною парою:
CO + H2O = СO2 + H2 + 41,0 кДж / моль.
Для всіх зазначених стадій потрібно водяна пара,а для першої стадії — багато тепла, тому процес в енерго — технологічному планіпроводиться таким чином, щоб трубчасті печі зовні обігрівалися спалюється впечах метаном, а залишкове тепло димових використовувалося для отриманняводяної пари.
Розглянемо, як це відбувається в промисловихумовах (схема 1). Природний газ, який містить в основному метан, попередньоочищають від сірки, яка є отрутою Щоб каталізатора конверсії, підігрівають дотемператури 350 — 370 C° і під тиском 4,15 — 4,2 МПа змішують з водяноюпарою в співвідношенні обсягів пар: газ = 3, 0: 4,0. Тиск газу передтрубчастою піччю, точне співвідношення пар: газ підтримуються автоматичнимирегуляторами.
Утворюється парогазова суміш при 350 — 370 C°надходить у підігрівник, де за рахунок димових газів нагрівається до 510 — 525С. Потім парогазову суміш направляють на першу сходинку конверсії метану — втрубчасту піч, в якій вона рівномірно розподіляється по вертикальнорозташованими реакційним труб (8). Температура конвертованого газу на виході зреакційних труб досягає 790 — 820 С°. Залишковий зміст метану після трубчастоїпечі 9 — 11% (об'емн.). Труби заповнені каталізатором.
Після реакційних труб конвертована парогазовасуміш проходить підйомні труби (9) і по колектору (10) потрапляє в шахтнийконвертор метану другого ступеня (11). Тут на нікелевому каталізаторівідбувається киснева конверсія залишкового метану. Температура конвертованогогазу на виході з реактора другого ступеня досягає 990 — 1000 C°, залишковевміст метану в конвертованій газі становить 0,35 — 0,55% (об'емн.).
Після двоступеневої конверсії метану, якщо воденьпризначається для синтезу аміаку, в конвертованій газі крім водню (57%) і азоту(22,4%) утримуються оксид вуглецю 13,4% і діоксид вуглецю 7,7% (об'емн.).
Оксид вуглецю далі перетворюється на водень тадіоксид вуглецю в системі парової конверсії. Парова конверсія оксиду вуглецю доводню проводиться в два ступені. Перший ступінь конверсії здійснюється притемпературі 330 — 400 С° на залізо-хромовому каталізаторі, при цьому на виходіз конвертора першого ступеня вміст оксиду вуглецю у конвертованій газі падає до3,3% (об'емн.), і з таким змістом оксиду вуглецю газ, пройшовши через випарник,набуває в другу, низькотемпературну ступінь конверсії. Тут нанизькотемпературному каталізаторі конверсії, що містить оксидні сполуки міді,цинку, алюмінію, хрому, при температурі 190-210 С° відбувається доконверсіязалишкового оксиду вуглецю до його змісту на виході з конвертора 0,4 — 0,5%.Далі газ надходить на очищення вуглецю різного роду поглиначами. Так у промисловихумовах отримують чистий водень і азот-водневу суміш.
4 Отримання водню- майбутня технологія
Сучасна технологія забезпечує щорічне отримання вусьому світі десятків мільйонів тонн молекулярного водню. Понад 90% йоговиходить каталітичної конверсією метану, рідких вуглеводнів, газифікацієютвердого палива. Абсолютно ясно, що у майбутньому при переході на водневутехнологію такі джерела отримання водню, крім твердого палива, будуть восновному виключені. В якості основного джерела сировини буде використовуватисявода. В якості джерела енергії для розкладання води — атомна енергія в різнихїї видах (тепло, електроенергія) та енергія води, вітру у вигляді електричноїенергії, енергія сонячного випромінювання. Загальна картина використанняпервинних джерел енергії для одержання водню представлена на схемі 3.
При уважному розгляді всього комплексу методівотримання водню видно, що якщо використання горючих копалин має прямий вихід доводню, то використання інших первинних джерел енергії в основному базується навикористанні електричної енергії для електролітичного розкладання води, енергіїСонця в фотосинтетичних системах для розкладання води й атомного тепла втермохімічних системах для розкладання води. Електроліз води проводиться впромисловій практиці давно і широко описаний в літературі. Зараз роблятьсязначні зусилля в науці промисловості, щоб використовувати невичерпну енергіюсонячного випромінювання для розкладання води. Це і застосування фотолізнихосередків для розкладання води, сонячних осередків для отримання електроенергіїз подальшим її використанням при електролізі води. Головне завдання, яке тутвирішується, полягає в тому, щоб провести під безпосереднім впливом сонячноїенергії ряд фотохімічних реакцій з цільовим призначенням розкладання води доводню кисню. Суть проблеми полягає в тому, щоб підібрати такі біологічнісистеми, які будуть використовувати сонячну енергію для розкладання води.
Але найбільш в технологічному плані є методитермохімічної розкладання води. Ці методи важливі тим, що для розкладання водивони можуть використовувати і тепло атомних реакторів, сонячне тепло, і теплогеотермальних вод, і будь-які інші види тепла, наприклад перепад температурверхніх і нижніх шарів тропічних морів. Розробляються та комбіновані термохімічніпроцеси, які поряд з теплом використовують електричну енергію –термоелектрохімічних процеси, сонячне випромінювання, фото-і термохімічніпроцеси. Термохімічні процеси розкладання води привабливі ще й тим, що врезультаті цілого ряду хімічних перетворень, що протікають у термохімічноїциклі (системі), з циклу в навколишній простір нічого, крім водню і кисню, невиділяється. Всі хімічні процеси, що супроводжують розкладання води,знаходяться в закритому циркуляційному контурі. У цей контур підводяться тількивода і тепло (високопотенціальні), від контуру відводяться водень, кисень ітепло (низькопотенційні).
5 Багатоликийводень
Ми підняли лише краєчок завіси сцен на якій дієодин з найцікавіших елементів нашого Всесвіту — багатоликий водень. Аж до XXст. Всі були переконані, що за «горючим повітрям» Кавендіш, гідрогеніумомЛавуазьє ховається елемент, що породжує при своєму з'єднанні з киснем звичайнуводу.
Але в XX ст. Водень придбав багатоликість. Уприроді були відкриті три різних водню, три його ізотопу, які були названівідповідно до складності своїх ядер. Найлегший — проти. Водень у звичайній водів основному складається з протію. Але у воді є і більш важкий водень — дейтерій. На кожні 6700 атомів протію доводиться один атом дейтерію.
Існує і надважкий водень — тритій. Тритійрадіоактивний. Він безперервно утворюється в стратосфері під дією космічноговипромінювання. Є припущення, що це не межа для існування нових, ще більшважких ізотопів водню, які повинні бути радіоактивні.
Дейтерій — вихідний елемент для енергіїмайбутнього. Вперше існування важкого водню — дейтерію було доведено в 1932році. Незважаючи на відносно малий вміст дейтерію в звичайній воді, загальнакількість дейтерію на Землі дуже велике. За підрахунками академіка І. В.Курчатова, 1 літр звичайної води по енергії, що міститься в ньому дейтеріюеквівалентний приблизно 400 л нафти, тому дейтерію кат палива майбутньоговистачить на сотні мільйонів років. (Згадайте ще раз героя Жуля Верна).
Кількість тритію на Землі зникає мало. Його менше 1 кг, але, незважаючи на це, його можна виявити в кожній краплі води. А йогозначення в майбутній енергетиці, можливо, ще більш велика, ніж дейтерію. Віннестійкий, період його напіврозпаду — 12, 262 року.
Водень (проти), дейтерій і тритій утворюютьдвохатомних молекул. Молекули з однаковими атомами Н2, D2, Т2 існують у двохядерно-ізомерних формах, орто- і пара-форми. Ця ізомерія є вихідною причиноювідмінності магнітних, спектральних та термічних властивостей обох модифікацій.
Моя розповідь про водні і водневої технології бувби неповним, якби ми не вказали на ще один лик водню — атомарний водень,переможний хід якого в техніці належить. Справа в тому, що атомарний воденьбільше перспективне пальне, ніж проти.
Р. Вуд в 1922 р. встановив, що при пропусканнітихих електричних розрядів через водень, що знаходиться під тиском в декількохдесятих часток міліметра ртутного стовпа, можна отримати атомарний водень.Скільки отримують водню і для яких цілей?
Водень отримують у газоподібному вигляді і, якщодля використання необхідний рідкий водень, його піддають глибокому охолодженнюі зрідження.
Виробництво молекулярного водню в 1985 роцідосягло приблизно 57 млн. тонн (без СРСР), а в 1990 році вже 95. Якщо згадати,що водень це газ, який в 14,5 рази легший за повітря, то стане ясно, який цевеличезний об'єм.
Де ж у цей час використовується така маса водню?По-перше, в азотній промисловості, для отримання синтетичного аміаку. По-друге,для отримання метанолу з СВ і Н2, Значна кількість водню використовується внафтохімічній промисловості для очищення нафти від сірчистих сполук, длягідрування важких нафтових фракцій і підвищення виходу легких фракцій, у рядінафтохімічних синтезів, для гідрування жирів, в металургії для відновлення рудчорних і кольорових металів, рідкий водень необхідний в авіації і космонавтиці,у ряді виробництв. У майбутньому споживання водню буде рости більш високимитемпами. Виникне промисловість синтетичного рідкого і газоподібного палива набазі твердих горючих копалин (гідрування і гідрогазифікація твердих палив).
Ми, тут не розкриваємо широке використання воднюв промисловості (воднева зварювання та різання металів, мікроелектроніка і т.д.), в сільському господарстві. Особливо стоїть питання про використанняізотопів водню в атомної і термоядерної енергетиці.
Ось приклад, який буде характеризувати одного змайбутніх споживачів водню.
Будинок на водні. Як це мислиться? В даний часдля забезпечення всіх міських зручностей до міському будинку повинні бутипідключені комунікації для побутового газу, джерела електроживлення, джерелапобутового теплопостачання. Все це дуже дорого і складно. Чи не можна спроститицю схему? Сучасна техніка дає на це однозначну відповідь — можна. Для цього добудинку повинна бути підведена лише одна траса — трубопровід для водню.
Використання водню для побутових цілей значноюмірою технічно підготовлено. Відомі й випробувані різні типи керамічнихпальників. Регулюючи подачу газу в пальник, в яку вмонтована каталітичнапластина, можна змінювати в широких межах температуру нагрівання приприготуванні їжі. Водень легко і повністю згорає при низьких температурах наповерхні каталізаторів. При цих температурах повністю виключається утворенняоксидів азоту. Єдиним продуктом згоряння на кухні буде водяну пару.
Низькотемпературне спалювання водню забезпечуєйого використання в низькотемпературних каталітичних калорифер для побутовогоопалення. Форма обігрівача конструюється в залежності від цілей обігріву.Наприклад, стіни квартири можуть використовуватися як поверхня нагріву.
Освітлення в будинку на водні можезабезпечуватися спеціальними світильниками, в яких на внутрішню сторону трубкинаноситься фосфор точно так само. Як в люмінесцентних лампах. Коли водень уприсутності регульованого кількості повітря вступає в контакт з фосфором,останній люмінесцентних, висвітлюючи квартиру, але сама лампа не нагрівається.Холодильники та кондиціонери в такому будинку можуть працювати за допомогоюадсорбційних рефрижераторів з використанням каталітичної водневої пальника вякості джерела енергії. До такого будинку не треба підводити електроенергію дляінших електропобутових приладів (пилососів, телевізорів, вентиляторів і т.д.),так як електроенергія може вироблятися в самому будинку на основі водневогопаливного елементу.
Дім на водні веде до селища на водні і місту наводні, де єдині енергоносієм стає водень, який використовується не тільки впобуті, але і для транспортних цілей (автомобілі на водневому паливі), упромисловості. Такий місто буде абсолютно чистим в екологічному відношенні, такяк єдиним викидом в атмосферу буде чистий водяний пар.
6 Роль водню іводневої технології у кругообігу речовин у природі
В даний час пов'язаний вуглець у виглядіприродного газу, нафти, твердого пального (деревини, торфу, кам'яного вугілля)активної людської діяльністю у промисловості, на транспорті і в побутіпереводиться в енергетичні тупики — поклади карбонатних порід. Загальнапромислово виділення СО2 в атмосферу з кожним роком зростає. Повернути цювеличезну масу пов'язаного вуглецю, яке обчислюється десятками мільярдів тонн,в кругообіг речовин в природі — одна з найважливіших задач водневої технології.Саме воднева технологія розробила ряд шляхів для досягнення цієї мети. В основіцієї технології лежать процеси гідрування СО2 до метану, метанолу, рідкихвуглеводнів. Наприклад,
СО2 + 3Н2 каталізатор = СН3ОН + Н2О.
Метанол необхідний промисловості в мільйонахтонн. Він може також стати основним джерелом для отримання бензину.
У довгостроковій перспективі діоксид вуглецю принаявності потужних джерел дешевого водню може стати головним, а можливо ієдиним джерелом сировини промислового органічного синтезу. При цьому, ймовірно,знайдуть застосування як звичайні хімічні, каталітичні процеси, так і фотохімічніта біохімічні методи. Тут неосяжний простір для творчості всіх ступенях науки.Основним компонентом нової системи органічної технології на база СО2 єнаявність потужної водневої технології. Перетворити СО2 атмосфери, а якщо будепотрібно і частина осадових карбонатів земної кори в джерело вуглеводнів — найбільша завдання хімії XXI століття.
7 Увага, водень!
Говорячи про водень, його широке використанні в побуті, промисловості, натранспорті, не можна забувати і про його вибухо-і вогненебезпечні властивості.Недостатня підготовленість і нестроге виконання правил при використанні воднюможе призвести до трагедій, загибелі людей.
При вивченні в школі водню як хімічного елементанеобхідно висвітлити і його велике майбутнє в нашого життя. На уроках хіміїслід готувати учнів до поводження з ним при його отриманні та використанні.Потрібно закликати їх до великої обережності і уваги при роботі з воднем. Коженучень повинен знати межі його займання і Вибухонебезпечна в повітрі, в кисні,енергію займання, правила зберігання і техніки безпеки при поводженні з воднемяк газоподібному, так і в рідкому стані.
8 Проблемиотримання енергії
Зараз на людство насувається енергетична криза, іпоки офіційна наука з скорботою повідомляє, що немає альтернативи традиційнимджерелам енергії — вугілля, нафта, газ.
Величезну частину енергії дають нам АЕС і ГЕС.Поговоримо про АЕС. На них використовується енергія, що отримується врезультаті розщеплення атомного ядра. Але рік тому Володимир Машков у своїхдослідженнях запропонував розщеплювати не важкі атоми, а легенькі елементарнічастинки.
9 Водневі двигуни
Водень — дуже перспективний енергоносій, щодозволяє одночасно вирішити складні екологічні проблеми. При його згорянні(швидко протікає екзотермічної реакції окислення киснем) виходять лише вода ітепло. Так, утворюються ще оксиди азоту, кількість яких залежить відтемператури згоряння суміші в циліндрі двигуна. І тут важливо, що у водневихдвигунах температура згоряння палива на режимах міський експлуатації істотно нижче,ніж у вуглеводневих (бензинових, спиртових, метанових, пропан-бутанові і т.д.).
Очевидно, що якщо під «водневимдвигуном» розуміти електричний, що отримує енергію від реакції з'єднанняводню і кисню в паливних елементах, то окислів азоту не буде зовсім. Авуглеводневе паливо «поставляє» при спалюванні цілий букет токсичнихсполук, серед яких сажа — далеко не найшкідливіша.
Мені видається, що перший етап становленняводневої енергетики — це застосування водню як моторного палива. Поки паливніелементи, при всій їх перспективності, задоволення дуже дороге. Не всітехнології відпрацьовані, і процес цей йде досить повільно, ще далеко не всіпитання вирішені. Очікують, що… ось-ось буде. Ще 25 років тому можна булобачити «Рафік» на паливних елементах. Втім, історії водню як паливатеж не один десяток років.
«Водневе майбутнє» автотранспортуексперти пов'язують, перш за все, з паливними елементами. Їх привабливістьвизнають всі.
Ніяких рухомих частин, ніяких вибухів. Водень ікисень тихо-мирно з'єднуються в «ящику з мембраною» (так спрощеноможна представити паливний елемент) і дають водяна пара плюс електрику.
Ford, General Motors, Toyota, Nissan і багатоінших компаній навперебій хизуються «топливоелементними» концепт каруі збираються от-от «завалити» всіх водневими модифікаціями деяких зсвоїх звичайних моделей.
Водневі заправки вже з'явилися в декількох місцяхв Німеччині, Японії, США. У Каліфорнії будують перші станції по електролізуводи, що використовують струм, вироблений сонячними батареями. Аналогічніексперименти проводять по всьому світу.
Між тим, є ще один шлях впровадження водню наавтотранспорті — спалювання його в ДВС. Такий підхід сповідають BMW і Mazda.Японські та німецькі інженери бачать в цьому свої переваги.
Збільшення у вазі машини дає лише воднева паливнасистема, в той час, як в авто на паливних елементах приріст (паливні елементи,паливна система, електромотори, перетворювачі струму, потужні акумулятори) — істотно перевищує «економію» від видалення ДВС і його механічної трансмісії.
Втрата в корисному просторі також менше у машиниз водневим ДВЗ (хоча водневий бак і в тому, і іншому випадку з'їдає частинубагажника).
Цю втрату можна було б взагалі звести до нуля,якщо зробити автомобіль (з ДВЗ), який споживає лише водень. Але тут-то і виявляєтьсяголовний козир японських і німецьких «розкольників».
BMW і Mazda пропонують зберегти в автомобіліможливість їздити на бензині (за аналогією з поширеними нині двухтопливнимимашинами «бензин / газ»).
Такий підхід, за задумом автобудівників, полегшитьпоступовий перехід автотранспорту тільки на водневе харчування.
Адже клієнт зможе з чистою совістю купити подібнумашину вже тоді, коли в регіоні, де він живе, з'явиться хоч одна водневазаправка. І йому не доведеться побоюватися застрягти віддалік від неї зпорожнім баком водневим. Між тим, серійний випуск та масові продажі машин напаливних елементах довгий час будуть сильно стримуватися малим числом такихзаправних станцій. Так, і вартість паливних елементів поки велика.
Крім того, переведення на водень звичайних ДВЗ(при відповідних настройках) не тільки робить їх чистими, але й підвищуєтермічний ККД і покращує гнучкість роботи.
Справа в тому, що водень має набагато більшшироким, в порівнянні з бензином, діапазоном пропорцій змішування його з повітрям,при яких ще можливий підпал суміші.
І згорає водень повніше, навіть поблизу стінокциліндра, де в бензинових двигунах зазвичай залишається незгорілих робочасуміш.
Отже, вирішено — «згодовуємо» воденьдвигуну внутрішнього згоряння. Фізичні властивості водню істотно відрізняютьсявід таких у бензину. Над системами харчування німцям і японцям довелосяполамати голову. Але результат того вартий.
Показання BMW і Mazda водневі автомобіліпоєднують звичну для власників звичайних авто високу динаміку з нульовимвихлопом.
А головне — вони куди краще пристосовані домасового виробництва, ніж «ультра інноваційні» машини на паливнихелементах.
Американські дослідники Університету штату Оклахома пристосували дляводню класичний бензиновий автомобільний двигун. Виявилося, що при прямомуупорскуванні водню в циліндри — як у дизельних двигунах — відпадає потреба ввипередженні запалювання. Як показав аналіз вихлопних газів, оксиди сірки тавуглецю в них взагалі відсутні, а оксиди азоту стримується лише в незначнихкількостях.
Однак широкому застосуванню водню якавтомобільного палива перешкоджає чимало проблем, і одна з них — паливні баки.На 10 кг водню автомобіль може проїхати стільки ж, скільки на 30 кг бензину, але таку кількість газоподібного водню займає обсяг 8000 л, а щоб зберігати його потрібно міцний резервуар масою 1500 кг. Це наштовхнуло конструкторів на думку використати зріджений водень; тоді ті ж 10 кг водню поміщаються в балоні масою 80 кг і ємністю 160 л. Але щоб мати водень в зрідженому стані,потрібно підтримувати в балоні температуру-2530 С°. Застосовувати сосуди Дьюарабуло б занадто дорого. Можливо, конструкрукторам вдасться використовувати якісьваріанти широко застосовуються в даний час резервуарів для зберігання рідкогопалива, у яких добові втрати на випаровування не перевищують 1,5%. Так, в експериментальномуавтомобілі «Волга» змонтований криогенний водневий бак загальною масою 140 кг. Фахівці знайшли і інше рішення: бак можна виготовити з гідридів металів сплавів магнію,марганцю, титану і заліза, які володіють тим перевагою, що поглинають частинуяка випаровується водню, а при нагріванні (хоча б вихлопними газами)зновувиділяють його. Маса водневого бака з гідридів металів перевищує 150 кг.
Нове паливо вже випробувано на практиці. Успішнопройшов випробування автомобіль «Жигулі» з комбінованим двигуном на бензині іводні. П.Д. двигуна зависочів на чверть, витрата бензину зменшився на третину,а вміст шкідливих речовин у вихлопних газах знизилося до мінімуму. Великі надіїпокладаються і на електромобілі, забезпечені воднево-кислотними топ зливнимисистемами.
На думку багатьох фахівців, водневий двигуннавряд чи знайде застосування в легкових автомобілях, з міркувань безпеки, алевін може стати в нагоді для громадського транспорту.
Великий інтерес до водневого палива виявляють іавіаконструктори. У США ще в 1957р. дослідна група Національного управлінняпроводить випробовування двомоторного літака на водневому паливі. У 1973р. НАСАдоручило фірмі «Локхід» пристосувати для водневого палива два серійних бойовихлітака (С-141 і «Старфайтер»). Фірма «Боїнг» розробила варіант найбільшоголітака «Джамбо-Джет» на водневому палеві.
Є ще одна важлива сполука водню — це перекисуводню, яка застосовується для двигунів підводних човнів, ракетних двигунів, утому числі і таких, які можуть поміститися в ранці за спиною чоло століття.
На минулій в Москві міжнародної конференції змоторного палива заступник директора науково — виробничої фірми «Фордігаз»Сергій Шипунов запевняв учасників конференції, що якщо встановити наавтомобілях їх паливні системи для двигунів внутрішнього згоряння, то вмістшкідливих речовин у вихлопних газах зменшиться в сотні разів. У всьому світівважається великим досягненням, якщо вдається зменшити на декілька відсотківкількість цих отрут. Навіть якщо перевести автомобілі з рідкого на газовепаливо, то шкідливих речовин в димі стане в 3-10 разів менше. А «Фордигаз»запевняє, що може знизити їх утримання ще на порядок для машин на газі і на двапорядки — на бензині. Це здається просто неймовірним.
Тим не менш «Фордигаз» переконався в цьому надосвіді. Паливна система була встановлена не на автомобілі, а на двигуні длямобільного електростанції потужністю 4 кіловата. 14 людей проходиливипробування в кімнаті площею 20 квадратних метрів. Вікна в ній були закриті, авихлопна труба виходила прямо в приміщення. І ось ми залили в бак бензин,включили двигун.
Двигун працював на повну потужність цілу годину,але присутні не відчували особливих незручностей. Тільки стало жарко, алеповітря було абсолютно чистим. А газоаналізатор «Інфоліт», зроблений уНімеччині, показав нульове вміст шкідливих речовин у вихлопних газах. Колизняли паливну систему і двигун став робить в звичайному режимі, дим швидконаповнив кімнату. Через 4 хвилини присутні ледь не задихнулися.
А диво пояснювалося просто. Паливна системазабезпечувати ідеальне перемішування повітря з бензином, в результаті він горівповністю — з вихлопної труби вилітали тільки пари води і вуглекислий газ.
Спочатку рідке паливо перетворюється потокомповітря в аерозоль. Він зволожує спеціальну тканину, а з неї повітря зриває вжене крапельки, а окремі молекули бензину. У результаті рідке паливоперетворюється в газоподібний, і в такому стані надходить у спеціальнийзмішувач. Там до пального додають суворо, певну порцію повітря і добре їхперемішують. Особливі пристрої підтримують оптимальне співвідношення молекулкисню і вуглеводів протягом всієї роботи двигуна — у результаті паливо згораєбез залишків.
Водії знають, що звичайний двигун дає 7-8% окисувуглецю у вихлопних газах, в кращому випадку (якщо добре відрегулювати) до 2%.Але випробування першого двигуна з паливною системою показали, що вміст окисувуглецю склала 8 сотих часток процента.
Це пристрій величиною трохи більше склянки.Повітря і пальне проходять в ньому по зігнутим каналах, які хвацько закручуютьі перемішують цю суміш, роблячи її максимально однорідною. І така хитраоперація дає дивовижний ефект.
Витрата пального знизився 20%. Але головне — кількість токсичних викидів в атмосферу зменшиться у 3 рази.
Висновок
У результаті написаної роботи я дуже багатодізналася про такий важливий, незамінного, і найцікавішому речовині на нашійпланеті, як водень. Скільки безцінної інформації вже змогли відкрити вчені,вивчаючи його, і зараз, залишається тільки гадати, що ще можна відкрити ідізнатися.
У минулому році я писала роботу з екологічноїхімії, що стосується адсорбції в процесах очищення природних і стічних вод. Яговорила про застосування нових технологій в чищенні водойм. У моїй теперішнійроботі я більше зачіпають не гідросферу, а атмосферу. Якщо в нашій, та й у всіхінших країнах, у всьому світі, частенько виникають питання, що ж робити іззабрудненою атмосферою, то чому нам не звернутися до такого аспекту, і незробити акцент на тому, щоб її просто не забруднювати.
Зрозуміло, це не можливо. Неможливо припинитироботу хімічної та інших видів промисловості та застосування сучаснихтехнологій у сільському господарстві, агітуючи та пояснюючи це тільки лише тим,що ми боремося за чистоту повітря. Але ми цього і не вимагаємо
Але подивіться, чим ми дихаємо, подивіться,скільки вихлопних газів, різноманітних шкідливих речовин існує в атмосферітільки лише завдяки тому, що в світі поширене таке явище як автомобілі. І якщоє можливість запобігти потраплянню цих найнебезпечніших речовин в атмосферу, точому ми цього до цих пір не зробили, чому це не зробили не ми, а ті, хто циммає займатися? Куди дивиться наша охорона здоров'я?
Написавши цю роботу, я дізналася, що у нашогосвіту ще є можливість хоч як то налагодити екологічну обстановку, але чизахочуть це зробити решта, і чи буде їм цікаві подальші розробки вчених цієїгалузі, які, оскільки теж є людьми цієї планети має пряму зацікавленість вцьому питанні.
Водень? Що таке водень? Простий елемент? Елемент,який має тільки лише ряд особливостей, який тільки лише трохи відрізняється відінших?
Ні, як ми бачимо з усіх доказів, наведених уроботі, по тому, що ми дізналися, ми тепер впевнені, що водень — це не простоелемент, водень — це диво, і зараз його не без підстав називають чудовимпаливом майбутнього.