Перспективы использования водородного топлива в автомобилях

АННОТАЦИЯ

С конца XIX века в мире стала появляться энергетическая проблема. Это связано с тем, что запасы нефти истощаются, и в настоящее время проводятся широкомасштабные научные исследования в мировом масштабе по использованию природных ресурсов для получения альтернативных видов топлива, заменяющих нефть. Одним из таких источников энергии является водородное топливо. Благодаря легкости получения водородного топлива из энергоносителей и большим запасам его на земле, широко ведутся работы по его использованию в автомобилях.

ABSTRACT

Since the end of the XIX century, the energy problem began to appear in the world. This is due to the fact that oil reserves are being depleted, and large-scale scientific research is currently being conducted on a global scale on the use of natural resources to produce alternative fuels that replace oil. One such energy source is hydrogen fuel. Due to the ease of obtaining hydrogen fuel from energy carriers and the large reserves of it on earth, work is widely carried out on its use in cars.

Ключевые слова: автомобиль, водород, топливный элемент, анод, катод, электрод, электролиз, электрический проводник.

Keywords: automobile, hydrogen, fuel cell, anode, cathode, electrode, electrolysis, electric conductor.

К настоящему времени использование других источников энергии, заменяющих топливо, получаемого из нефтепродуктов, становится требованием времени. Одним из основных причин этого, является сокращение запасов нефти и, во-вторых, растущая потребность в энергетике в мире. В связи с этим целесообразно использование водорода, который имеет широкий  ресурсный запас в природе.

 Помимо того, что водородные запасы широко распространены на нашей планете, водород равного веса выделяет в 3-4 раза больше тепла, чем бензин, и может использоваться в качестве топлива во всех отраслях народного хозяйства.

Применение водородного топлива создает условия для поддержания чистоты окружающей среды, так как в результате сгорания водорода из него выделяются только пары дистиллированной воды. Также налаживаются работы по безопасной транспортировке и хранению водорода. На большие расстояния его можно передавать по трубами. Передача водорода по трубам во много раз дешевле, чем передача электроэнергии в огромных электрических сетях [1].

Энергетические ресурсы для получения водородного топлива, также широко распространены  природе. Например, жидкие углеводороды и их газы, твердое топливо, нефть, вода и другие источники энергии используются для производства водородного топлива. Процесс получения водорода путем преобразования природного газа метана осуществляется следующим образом. Этот процесс в основном состоит из двух этапов получения чистого водорода. На первом этапе газообразный метан пропускают через трубчатую печь.

CH + H O = CO + 3H  - 206 4   КДж мол    

или

CH + C O =  2CO + 2H   - 248 3 КДж мол

На втором этапе угарный газ превращается в водяной пар

CO + H O = CO  + H  + 41    КДж  мол

Но основной упор делается на извлечение водорода из обычной воды [2].

Одним из наиболее технологически удобных способов получения водородного топлива из воды является разложение воды термокислотными способами. Удобство использования этих методов заключается в том, что для разложения воды можно использовать различную тепловую энергию. Например, солнечное тепло,  атомных реакторов, геотермальное тепло воды и т. д. Кроме того, для получения чистого водорода из воды разрабатываются комбинированные термоэлектро-химические солнечные лучи и фото-термохимические процессы. Положительные стороны разложения воды этими методами заключаются еще и в том, что в результате протекающих сложных реакций в окружающую среду выделяются только вода и кислород. 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. Это означает, что если бы транспортные средства полностью перешли на использование водорода, экологические проблемы крупных городов были бы решены положительно, но перед массовым применением в транспорте необходимо будет найти решение следующих проблем:

•  Для получения водорода из воды электролизом требуется много энергии.
• необходимость создания сверхмощных резервуаров для транспортировки и хранения водорода, организацией системы автозаправочных станций и т. д.

Именно поэтому с начала 21-го века США, Китай и ряд европейских стран вложили значительные средства в налаживание производства водородного топлива. Только для одного проекта водородной электростанции “FutureGen” правительство США выделило $ 1,2 млрд. долларов, китайское государство вложило еще больше, чтобы построить аналогичную электростанцию. В настоящее время интенсивно работают над развитием водородной энергетики компании Sharp, Sanyo, Hitachi, Toyota, Panasonic.

В настоящее время огромное количество компаний-производителей легковых автомобилей в мире наладили производство автомобилей, работающих как на водородном топливе, так и на гибридном (бензин+водород) топливе. По мнению немецких ученых, к середине 21 века 75% населения мире будет иметь   водородные автомобили а остальные 25 %в своых автомобилях будут использовать другие виды топлива.

В этой сфере лидирующие позиции занимают компании Daimler и Honda из США, Shanghai из Китая и BMW из Германии. Например, автомобиль Honda FCX, работающий полностью на водородном топливе, способен развивать скорость до 160 км / ч и преодолевать 500 км с заполненным топливным баком. В его топливный бак помещается 5 кг сжатого водородного топлива. Двигатель может легко воспламениться даже при охлаждении температуры до - 30⁰ С. На рис. 1 показаны автомобили, работающие на водородном топливе.

Автомобиль Honda FCX приводится в движение 3 электродвигателями. Когда один из них поворачивает передние колеса, остальные 2 соединяются со следующими колесами. Мощность переднего электродвигателя равна 80 кВт/ч, тогда как мощность остальных электродвигателей равна 25 кВт / ч (рис.1, а).Проект концерна Mercedes-Benz Mercedes Citaro заключается в производстве общественного транспорта, работающего на водородном топливе, для крупных городов.

Рисунок 1. Легковой автомобиль Honda FCX, работающий на водородном топливе, и бензозаправочная станция (a), а также автобус Citaro (b)

В настоящее время в мире функционирует 40 таких автобусов. Мощность электродвигателей автобуса составляет 250 кВт/ч. Он способен передвигаться с пассажирами до 40 человек и их грузом со скоростью до 80 км/ч. На каждые 100 км расходуется 25 кг водородного топлива. В топливный бак автобуса помещается 42 кг водородного топлива, и этим топливом автобус проезжает 167 км (рис.1 б).

В настоящее время во всем мире производится 55÷60 млн т водорода .В производственных районах водород в основном используется для производства азотных удобрений, низкочастотного преобразования сырой нефти в моторное масло. Сжатый водород используется для получения очень низких (минусовых) температур, а также в качестве топлива для криогенных ракетных двигателей. Ведется широкомасштабная научно-исследовательская работа по более широкому использованию водородного топлива и его использованию вместо бензина.

Таким образом, использование водородного топлива на автомобильном транспорте является вопросом ближайшего будущего и может иметь большой технико-экономический и экологический эффект. Для этого потребуется найти решение ряда организационно-технических и технологических задач.

Список литературы:

1. Григорьев А.А. Синтетические углеводородные ракетные горючие (пути снижения стоимости синтина)// Катализ и нефтехимия, 2005, №13/ . с.44-52.
2. Носиров И.З., Умаров А.А. «Озонная смесь для двигателя внутреннего сгорания». Вестник АСТА Туринского политехнического университета в городе Ташкенте. № 4. с 55-59.
3. Reza R. Jazar. Vehicle dynamics. Theory and   application. London: Springer, 2008, 586 p.
4. Портнов Е.В. Способ и устройство для получения горючего газа, тепловой энергии, водорода и кислорода. Описание изобретения к евразийскому патенту. 015081 B1. 2011. 6 с.
5. Каримходжаев Н., Нумонов М.З. Сравнительный анализ токсичности выхлопных газов автомобилей и пути ее снижения // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. 11(80). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10963 (дата обращения: 25.11.2020).