Перспективы развития и использования водородного топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы развития и использования водородного топлива

Основным источником загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. На долю автотранспорта приходится 70-87% от общего объёма выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеродов. В результате от автотранспорта за год в атмосферу поступает: 27 тыс. т бензола, 17,5 тыс. т формальдегида, 1,5т бенз(а)пирена и 5 тыс. т свинца. Общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобилями, превышает 20 млн. т. Необходимо отметить, что относительно наносимого экологического ущерба автотранспорт лидирует во всех видах негативного воздействия: загрязнение воздуха - 95%, шум - 49,5%, воздействие на климат - 68%.

Одним из путей экологизации автомобильного транспорта является перевод его на альтернативные виды топлива. Под собирательным термином "альтернативные топлива" понимаются, в принципе, все вещества, способные гореть, которые с большим или меньшим успехом могут быть использованы вместо классических топлив из нефти и углей в двигателях внутреннего сгорания или в энергетических установках. Первоначально основным назначением альтернативных топлив считалась замена ими топлив из традиционного нефтяного сырья, ресурсы которого ограничены.

Об исчерпаемости запасов нефти и необходимости перехода на другие виды топлива ученые задумывались уже давно. Наиболее перспективными для применения в двигателях внутреннего сгорания были признаны продукты ожижения углей, горючие газы и жидкие продукты их переработки, спирты, а также растительные масла. Особое место в этом перечне заслуживает водород как наиболее энергоемкий и экологически чистый носитель энергии.

В современной "нефтяной" экономике производство водорода представляет собой отдельную самостоятельную индустрию. В настоящее время 48% водорода производится из природного газа, 30% из нефти, 18% из угля, 4% посредством электролиза, то есть разложения воды на водород и кислород под действием электрического тока. Множество современных технологий получения водорода, основанных на переработке углеводородных топлив, осуществляются при высоких температурах и весьма далеки от совершенства с точки зрения охраны окружающей среды. Альтернативным методом получения водорода, не связанным с использованием ископаемых топлив, является электролиз, для реализации которого необходима лишь вода и электроэнергия. Однако поскольку электричество намного дороже, чем природный газ, то такой процесс является неэкономичным для крупномасштабного производства. Существенно улучшить экономические показатели этого процесса и сделать его конкурентным с широко применяемыми ныне технологиями переработки органического топлива помогут дальнейшие исследования в области так называемого высокотемпературного электролиза. В качестве дешевого источника электроэнергии, которая требуется для химических процессов получения водорода или высокотемпературного электролиза, может быть использована солнечная энергия. Еще одна чистая технология связана с возможным использованием в производстве водорода ядерной энергии. Наконец, в долгосрочной перспективе наиболее многообещающей технологией может оказаться прямое получение водорода в процессе фотосинтеза. Но это напрямую связано с дальнейшим развитием нанотехнологий. транспорт топливо альтернативный водород

По сравнению с другими газами хранить водород или транспортировать его обычными методами очень дорого. Хранение газообразного водорода требует наличия больших емкостей. Повышение давления газа в емкости способствует росту плотности энергии, а, следовательно, сокращению размеров этой емкости, тогда как вес ее увеличивается. Сжатие газа требует дополнительной энергии на работу компрессора. Чем выше давление, тем больше затраты энергии на сжатие. В качестве альтернативы может быть использован жидкий водород, обладающий более высокой объемной энергией. Однако жидкий водород представляет собой криогенную жидкость, которая способна существовать только при очень низких, так называемых криогенных температурах. При более высокой температуре жидкий водород превращается в пар, то есть становится газообразным. Таким образом, сжижение газообразного водорода также требует огромных энергетических затрат на его охлаждение. Более того, емкости для жидкого водорода должны быть хорошо изолированы от возможного нагревания. Если произойдет нарушение изоляции, то емкость покроется снаружи толстым слоем инея и льда, что может вызвать коррозию материала, из которого она изготовлена. Поэтому изоляция для водородных емкостей требует дорогих материалов и бережного отношения. В связи с этим трубопроводы для перекачки жидкого водорода обойдутся значительно дороже, чем, скажем, высоковольтные линии электропередачи или нефте- и газопроводы. Вместо хранения и использования чистого водорода в качестве носителей водорода можно использовать металлогидриды. Разные гидриды в разной степени обладают способностью поглощать водород и отдавать его обратно. Одни гидриды представляют собой жидкости, существующие при температурах и давлениях окружающей среды, другие представляют собой твердые тела, из которых можно делать таблетки. Гидридное хранение водорода могло бы стать одной из наиболее перспективных технологий для использования водородного топлива в автомобилях.

Возможно, более дешевой и рациональной технологией, с которой можно было бы начать постепенный переход на водородное топливо и водородную экономику, является использование водорода непосредственно в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Основополагающим условием перехода на водородную экономику является замена двигателей внутреннего сгорания и турбин электрических станций на топливные элементы (ТЭ), представляющие собой инженерное воплощение новой технологии превращения химической энергии топлива в электрическую как для автомобильных, так и для энергетических нужд. Хотя топливные элементы пока еще очень дороги, активные исследования в этой области, проводимые практически во всех развитых странах, рано или поздно приведут к снижению их стоимости. Топливные элементы могут работать как на чистом водороде, так и на углеводородном топливе. Когда топливные элементы по своей стоимости станут конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания, они непременно придут им на смену. ТЭ являются более эффективными по сравнению с ДВС и не загрязняют окружающую среду. При снижении себестоимости топливные элементы могут успешно применяться в более совершенных гибридных автомобилях. Пока источником водорода служит метан (природный газ), топливные элементы в автомобилях могут работать непосредственно на запасенном в баках сжатом метане. Такая система работает более эффективно, выбрасывает в атмосферу меньше углекислого газа, и не требует особых изменений в инфраструктуре. Еще одно преимущество использования метана заключается в том, что по сравнению с водородом метан намного легче транспортировать и хранить. Поскольку технология применения метана в двигателях внутреннего сгорания уже достаточно хорошо разработана, связана с меньшим количеством выбросов и способствует увеличению срока действия двигателя, то, возможно, в самой краткосрочной перспективе в качестве автомобильного топлива будет использоваться именно сжатый метан.

Во-первых - для производства этого топлива необходимо затратить энергии больше, чем мы получим в результате его сгорания, и этот показатель тем выше, чем большее значение будет иметь электролиз и электроэнергия вообще. В итоге, суммарный выброс энергии при производстве и потреблении водорода будет выше, нежели сейчас, в расчете на тот же объем работы. Следовательно, тепловое загрязнение атмосферы, а возможно и гидросферы, заметно возрастет.

Вторая сторона - химическое загрязнение. В принципе, бензин - "экологически чистое" топливо: в результате его сгорания получаются вода и углекислый газ. Но вот технологически осуществимый и экономически приемлемый способ - совсем другое дело. Не получится ли то же с водородом? Быть может экономически оправданный способ производства горючего и его использования, так же будет отличаться от идеальней схемы, как и реальный процесс сгорания углеводородов в цилиндрах двигателей отличается от схемы. Правда, водород, вероятно, неисчерпаемое топливо, и над совершенствованием технологии здесь больше смысла трудиться, чем, например, над усовершенствованием ядерных реакторов. Но представляется трудноразрешимым еще один аспект проблемы: если в городах и в будущем будет применяться такое же множество двигателей и печей, как сегодня, их воздух станет поистине "мокрым". Априори мы не можем сказать, какие процессы будет стимулировать повышенная влажности, поэтому вряд ли уже сейчас следует возлагать на водород безоговорочно радужные надежды.

Частично избежать этих неприятностей можно, если производить водород прямо на автомобиле, заменив процесс сгорания процессом производства электроэнергии в топливных ячейках. Производство водорода для топливных ячеек непосредственно на борту машины из обычного бензина - одно из направлений внедрения водородной энергетики на транспорте. Такой цикл, в теории, позволяет добиться большего КПД, чем сжигание бензина в ДВС. Массовому внедрению новых силовых агрегатов мешают не только проблемы с топливными элементами, но и большая инерционность топливных реформеров, преобразующих бензин в водород. Для этого в числе прочих вариантов используют паровое преобразование, в котором углеводороды реагирует с паром при высоких температурах в присутствии катализатора. Ранее такие установки начинали выдавать водород через 15 минут после начала разогрева, что было неприемлемо для применения в автомобилях. Теперь создали экспериментальный паровой реформер, в сердцевине которого расположены десятки тончайших каналов. Он способен выдать поток водорода уже через 12 секунд после запуска.

Размещено на Allbest.ru