ВОДОРОД КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ВИД ТОПЛИВА

HYDROGEN AS AN ALTERNATIVE FUEL

Vladislav Skorikov

Student, Polytechnic Institute, branch of DSTU, Russia, Taganrog

Аннотация. Наиболее актуальными становятся широкомасштабные научные исследования по использованию новых природных ресурсов для получения альтернативных видов топлива. Тема использования водорода занимает лидирующие позиции при обсуждении перспективных направлений развития мировой энергетики и достижения глобальных. В данной статье рассмотрен водородный вид топлива, показаны его преимущества и недостатки по сравнению с бензиновым и дизельным топливом. Представлена характеристика типов водородных двигателей. Рассмотрены способы получения водорода, обоснованы наиболее экологичные и эффективные методы его получения путем конверсии природного газа метана и комбинированными процессами из воды.

Abstract. Large-scale scientific research on the use of new natural resources to obtain alternative fuels is becoming the most relevant. The topic of the use of hydrogen takes a leading position in the discussion of promising directions for the development of world energy and the achievement of global ones. In this article, the hydrogen fuel type is considered, its advantages and disadvantages compared to gasoline and diesel fuel are shown. The characteristics of the types of hydrogen engines are presented. The methods of hydrogen production are considered, the most environmentally friendly and effective methods of its production by converting natural gas methane and combined processes from water are substantiated.

Ключевые слова: альтернативные виды топлива, водород, топливо для двигателей, экология, топливный элемент, электрический проводник.

Keywords: alternative fuels, hydrogen, engine fuel, ecology, fuel cell, electric conductor.

В современном мире очень остро стоит проблема альтернативных источников энергии, что связано как с и научно-техническим прогрессом, так и повышения качества жизни социума. Поэтому актуальны научные и исследования, направленные на решения проблем по разработке новых видов топлива, которые, будучи эффективными, они должны снизит   уровень риска для окружающей среды за счет внедрения научных открытий и разработок. Использование водорода в качестве энергоносителя позволит существенно сократить потребление ископаемых углеводородов и значительно продвинуться в решение не только экологических проблем, но и снижения загрязнение атмосферы особенно в крупных мегаполисах. Автомобильный транспорт, работающий на электричестве или водороде пока еще не получил широкого распространения, так как их модели находятся в стадии проектирования и экспериментальных моделей. В энергетической стратегии РФ большое внимание отводится созданию новых видов топлива включая водородный. Определен комплекс ключевых мер по производству, транспортировке и потреблению водорода. В статье «Электромобильный и гибридный транспорт: силовые схемы, оборудование, проблемы и перспективы развития» авторы указывают, что «…необходимо выделить проблему стимулирования спроса на внутреннем рынке на топливные элементы с использованием водорода для транспорта» [1]. Следовательно, проблемам, связанным с совершенствованием водородной энергетики должно быть уделено больше внимания, поскольку переход на неё будет способствовать повышению качества автомобильного транспорта и его экологичности.

Выпуск серийного автотранспорта пока еще невозможен из-за отсутствия инфраструктуры заправок такого типа автомобилей и невозможности в промышленных масштабах получать водород путем электролиза воды. Этот процесс довольно затратное дело и многие автокомпании не спешат на него переходить, потому, что ожидают от науки новых разработок более дешевых и простых способов получения водорода. Кроме того, работа электродвигателя на водородном топливе нуждается в преобразователе тока, что требует мощных аккумуляторных батарей, которые в настоящее время продолжают оставаться дорогостоящими.

Начиная с XIX века идут исследования по применение водорода в качестве топлива. Одним из первых изобретателей, который начал разработку этой темы, был французский изобретатель Франсуа Исаака де Риваз (1752-1828), который в 1806 году первым в мире создал двигатель, работающий на водородном топливе. В 1807 году он подал заявку на патент своего изобретения под названием «использование взрыва светильного газа или иных взрывающихся материалов как источника энергии в двигателе».  Кроме того, де Риваз проводил эксперименты с паромобилями. Его исследования позже были продолжены бельгийским изобретателем Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822-1900) с применением энергии водорода. Он считал, что водород будет служить человечеству в качестве основного топлива. А. Б. Шаяхметов пишет, что «появление автомобилей на водородном топливе призвано ускорить процесс развития необходимой для обслуживания таких транспортных средств инфраструктуры. Электромобили, работающие на аккумуляторах, - это действительно великолепная технология, но, как и факс-машины, это временное явление». [4] Следовательно, для расширения производства автомобилей необходимы разработки получения белее дешевого водорода. Но пока существует и другая проблема, связанная с малым запасом хода и длительным временем подзарядки, что оказывает влияние на потребительский спрос.

Потребление огромных количеств ископаемых ресурсов приводит к глобальному потеплению на планете Земля, что оказывает влияние на изменение климата, загрязнение атмосферы, разрушение озонового слоя и т.д. В таких условиях водород может стать наиболее многообещающим источником возобновляемой энергии. Водородные топливные элементы могут вырабатывать электроэнергию, используя химические газы и окислители в качестве реагентов. Вся технология является экологически чистой и производит воду в качестве побочного продукта.

Водородные двигатели подразделяются на два типа:

- тип агрегата с топливным элементом;

- ДВС, приспособленный для работы на водороде.

Таким образом, в топливном элементе, основанном на принципе батареи происходит электрохимический процесс, а отличие водородного аналога – это более высокий КПД (в некоторых случаях более 45 процентов).

Топливный элемент представляет собой единую камеру, в которой размещены два элемента: катод и анод. Оба электрода покрыты платиной или палладием. Между ними расположена мембрана. Она делит полость на две камеры. В полость с катодом подается кислород, а во вторую - водород. В результате происходит химическая реакция, итогом которой является соединение молекул кислорода и водорода с выделением электричества. Побочным эффектом процесса является выделение воды и азота. Электроды топливных элементов подключены к электрической цепи автомобиля, включая электродвигатель.

В случае водородного ДВС, хотя двигатель называется водородным, он имеет ту же структуру, что и обычный двигатель внутреннего сгорания. Разница состоит в том, что горит не бензин или пропан, а водород. Если баллон наполняется водородом, то возникает одна проблема - данный газ снижает эффективность обычного агрегата примерно на 60 процентов.

Двигатели на водородном топливе в сравнении с дизельными, бензиновыми и даже электродвигателями обладают рядом преимуществ, а именно:

- экологически чистым выбросом;

- бесшумной работой силового агрегата (электрическая тяга);

- использованием топливного элемента, не требующего частого технического обслуживания;

- быстрой заправкой;

- силовой установкой и источником энергии, работающими более стабильно даже при низких температурах по сравнению с электромобилями.

Таким образом, дальнейшее развитие концепции применения водородных технологий в автомобилестроении, должно быть основано на использовании водородного топлива.

Кроме выше указанных преимуществ у водородного топлива есть и недостатки:

- во-первых, чтобы водород воспламенился, он должен находиться в газообразном состоянии, что создает определенные трудности, а именно, для сжатия легких газов требуются специальные дорогостоящие компрессоры;

- во-вторых, существует проблема с правильным и безопасным хранением и транспортировкой топлива, из-за того, что оно легко воспламеняется и взрывоопасно.

Поскольку водород является горючим газом, то при его транспортировке и хранении необходимо строго соблюдать меры безопасности, для чего нужны высокочувствительные газоанализаторы, дающие сигнал в случае его утечки. Водород, будучи летучим газом, при попадании в атмосферу он быстро поднимается вверх, поэтому, если будет пробит бак, то газ очень быстро улетучится. Авария с участием такого автомобиля будет сопровождаться серьезным взрывом и последствиями экологического, техногенного и так далее характера. 

Учитывая безответственное отношение некоторых водителей к собственной безопасности и жизни других участников дорожного движения, такие транспортные средства пока нельзя выпускать на дороги без специального обучения, дополнительного обслуживания и соответствующего правового обеспечения.

Стоит принять во внимание еще такой фактор, что в настоящий момент водородные автомобили немного дороже обычных в плане эксплуатации. Так, при поездке протяженностью 480 км затраты на горючее для владельца обычной машины составят примерно 45 долларов, а вот владелец Toyota Mirai заплатит около 57 долларов. Стоимость 1 кг водорода составляет в среднем 11.45 долларов, но она может быть компенсирована в процессе его использования и научных разработок, исключающих технический риск и обеспечивающих безопасность окружающей среды. Водород, с точки зрения сохранения окружающей среды, это идеальное топливо.

Сгорая в чистом кислороде, он превращается в воду. Все химические процессы разложения воды протекают в замкнутом циркуляционном контуре, в этот контур вводят только воду и тепло высокого потенциала, из которых выделяются водород и кислород под действием тепла. Водород, обладая высокой температурой сгорания (120 МДж кг), выделяет в 2, 5 -3 раза больше тепла, чем бензин (42 МДж кг). Кроме того, когда водород используется в автомобильных двигателях, в составе горючих газов присутствуют только водяные пары.  Если его получать из воды путём электролиза, то процесс замыкается: вода-водород-вода. Ресурсы этого топлива колоссальные и постоянно возобновляются. Водород может стать универсальным топливом, вот почему его называют топливом будущего.

Для получения водородного топлива можно использовать природные ресурсы, которые широко распространённые в окружающей среде. К ним относятся жидкие углеводороды и их газы, твердое топливо, нефть, вода и другие источники энергии, необходимые для его производства. В настоящее время в практике получения водорода применяется преобразования природного газа метана.

Этот процесс в основном состоит из двух этапов получения чистого водорода, а затем, на втором этапе угарный газ превращается в водяной пар. Следовательно, если предположить, что большинство транспортных средств перешли бы на использование водорода, то экологические проблемы, связанные с загазованностью мегаполисов, были бы решены. Но для больших объёмов использования водорода транспортными средствами возможно применение и других видов тепловой энергии, такие как, геотермальное тепло воды, солнечное тепло, а также производство атомных реакторов, и т. д.

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что подавляющее большинство возможностей, связанных с водородной энергетикой, абсолютно не реализуются в современных условиях по соображениям безопасности. Поэтому проблему перехода на водородное топливо необходимо решать не только с обычными техническими и технологическими исследованиями, а с исследованиями, прежде всего, в области безопасности технологических процессов.