Двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе как одно из ведущих и перспективных направлений альтернативной энергетики будущего



В роли топлива для автомобилей применяется около половины добываемых в недрах земли нефтепродуктов. Согласно [1], нефть — это один из не возобновляемых природных ресурсов, именно поэтому поиск неограниченного источника энергии был и остается актуальным и в наше время.

С другой стороны, резервы водорода [2] на планете Земля неисчерпаемы, что дает повод рассматривать его как топливо для двигателей автомобилей. Реализация этих предположений осуществима, несмотря на определенные трудности в его хранении и транспортировке. Также, большим преимуществом является то, что при сжигании одинакового количества водорода (H₂) и бензина [3], в первом случае энергии выделяется порядка Q₁ = 120 МДж, во втором всего лишь около Q₂ = 44 МДж, где разница ΔQ = 76 МДж.

Реакция горения водорода (H₂) является довольно сильной экзотермической реакцией [4], в итоге которой образуется вода (Н₂О) и теплота сгорания (Q₁). Приведем химическую реакцию: 2H₂ + O₂ = 2H₂O + Q₁ (~120 МДж).

Бензин же, согласно [3], представляет собой смесь газов и жидкостей, к которой мы добавляем кислород (О₂) и в результате у нас образуется углекислый газ (СО₂), вода (Н₂О) и теплота сгорания (Q₂). Приведем химический вид реакции с указанием выделяемых компонентов: (Смесь газов и жидкостей) + О₂ = СО₂ + Н₂О + Q₂ (~44 МДж).

Как мы видим, энергия, выделяемая при сжигании водорода (Н₂) практически в три раза больше, чем при сжигании бензина.

Цель исследования. В связи с этим, целью данной работы является краткое знакомство с двигателем внутреннего сгорания на водородном топливе согласно истории развития и современным естественнонаучным представлениям ученых исследователей.

Исторические сведения. Через одиннадцать лет, после выдачи документа на двигатель, функционирующий на смеси водорода (H₂) и кислорода (О₂), в Германии в 1852 году был создан двигатель внутреннего сгорания [5]. Известно, что на один из дирижаблей компании Zeppelin-Гиденбург [6] были установлены ходовые двигатели, работавшие на смеси водорода (50 %) и различных газов (светильном газе) [7].

В семидесятые годы прошлого столетия внимание к водородным двигателям увеличилось в связи с появлением топливно-энергетического кризиса. По определению современных авторов [8], топливно-энергетический кризис — это кризис, появляющийся в связи с обнаружением исчерпаемости нефтяных ресурсов.

Это и произошло в 1873 году, когда арабские страны-члены ОАПЕК [9], Египет и Сирия объявили, что прекращают поставлять нефть странам, которые поддержали Израиль во время войны судного дня. Прежде всего, это относилось к США и их союзникам в Западной Европе. Цены на нефть поднялись в четыре раза (с 3 до 12 долларов за баррель). Этот нефтяной кризис до сих пор числится, как самый первый и крупнейший за всю историю человечества.

Интерес к другим источникам энергии, при завершении нефтяного кризиса, не пропал. Переработка нефти и нефтепродуктов очень вредна для окружающей среды, и экологи пытаются найти альтернативу ресурсу. Исследованиям, изучающим способы применения водорода (H₂) в машинах, содействуют многие факторы, например увеличение цен на энергоносители или стремление получить топливную независимость у немалого количества стран.

Такие известные современные компании двадцать первого века, как General Motors (Америка) [10], Honda (Япония) [11], Ford Motor Company (США) [12] и BMW AG (Германия) [13] с инициативой исследуют разработку водородных двигателей.

Создание первого водородного двигателя, работающего на водороде (H₂), относится к 1806 году, когда французско-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [14], создал двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном водороде. Водород (H₂) изобретатель получал следствием электролиза воды [15]. Однако, транспорт, работающий на водороде (H₂), пока только в исследованиях и стадиях разработки.

Как известно, нефть — ресурс невозобновимый, и формироваться он будет в течение длительного (геологического) времени. Некоторые считают, что будущее за биотопливом [16], получаемым из продуктов растительного или животного сырья. Такое биотопливо производят лишь в шести государствах ЕС (Европейский союз) [17].

Несмотря на то, что биотопливо производят в крупных промышленных масштабах, его доля в топливном балансе не превышает лишь 1 %.

В наши дни уже совершенно ясно, что двадцать первый век последним использует нефть, как топливо. Всё это отражается в увеличении цен на нефтепродукты, а также влияет на замедление развитий некоторых стран и общей экономике мира. Возникает простой, но немаловажный вопрос: «Чем же мы заправляться будем?".

Теория вопроса. Современные технические специалисты совместно с учеными считают, что в будущем мы сможем перейти на двигатели внутреннего сгорания, работающие на водородном топливе.

Водород (H₂) актуален тем, что он может оказаться единственным возобновляемым источником энергии. Также у него есть ряд неоспоримых плюсов: (1) Огромным преимуществом водородных двигателей, конечно же, является экологичность, ведь продуктом горения водорода (H₂) является водяной пар и, сравнительно с бензином, незначительное количество токсичных выбросов; (2) Простота конструкции; (3) Двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе имеет КПД [18] выше, чем на обычном топливе.

Для всеобщего перехода на водородное топливо существует также ряд проблем и препятствий: (1) В промышленных масштабах получать водородное топливо дорого и затруднительно; (2) Водород (H₂) имеет более высокую опасность возгорания, чем бензин.

Информация о плюсах и минусах водородного топлива дает нам понять, почему же откладывается серийный выпуск автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, где в качестве топлива используется водород (H₂). Однако из-за многочисленных экологических препятствий, это может стать единственным альтернативным решением проблемы.

Несомненно, понятие «водородное топливо» напрямую связано с понятием «водород». Согласно источнику [2], водород — это самый легкий бесцветный газ, который в соединении с кислородом (O₂) образует воду (H₂O) [19], а также является самым распространенным элементом во Вселенной.

Если говорить о способах его получения, то водород (H₂) чаще всего получают из реакций металла с каким-либо соединением водорода. В лабораторных условиях чаще всего используют реакцию между цинком (Zn) [20] и соляной кислотой (HCl) [21].

А в промышленности большое количество водорода (H₂) получают из метана (CH₄) [22], добавляя к нему перегретый водяной пар. Также есть промышленный способ получения более чистого водорода (H₂) электролизом [15] воды (H₂O), но этот способ требует больших энергетических затрат, поэтому менее распространен.

Способов получения водорода (H₂) существует огромное количество, так как его запасы на Земле огромны, но водород (Н₂) редко встречается в несвязанном состоянии, и быть непосредственным источником он не может, его необходимо вырабатывать. Из этого следует, что КПД этого процесса не может быть больше единицы. Это значит, что энергия, получаемая при сжигании водорода (H₂) должна быть больше энергии, которую надо затратить на его выделение.

Если рассматривать водород (H₂) как топливо, то непременно можно найти как плюсы, так и минусы, но водород (H₂) является единственным источником экологической энергии с перспективным будущим. Ученым надо лишь разработать инфраструктуру, обнаружить способ добычи водорода (H₂), привести в порядок инструкции по эксплуатации топлива и тогда весь мир сможет навсегда забыть о проблемах бензиновой зависимости.

Все автомобили, работающие на водородном топливе, делятся на три группы.

1) В первую группу можно отнести автомобили с обычным двигателем, который работает или на водородной основе или на чистом водороде. КПД у таких двигателей увеличивается, а выхлоп становятся намного чище.

2) Ко второму типу можно отнести автомобили, имеющие два электроносителя, другое название у которых гибридные. Колеса машины приводят в движение электропривод, энергию которому доставляет аккумулятор, заряжающийся от высокоэкономичного двигателя. Данный двигатель может работать как на чистом водороде (H₂), так и на смеси водорода (H₂) и бензина.

3) Третий тип — это настоящий водородный двигатель. В него встроен электродвигатель, питающийся от основного топливного элемента. Однако, в теории КПД у этого двигателя может достигать лишь 85 %.

На сегодняшний день создали двигатели с КПД, превышающие лишь 75 %, а это в два раза больше, чем в наилучших двигателях внутреннего сгорания. Такие двигатели получают большое преимущество над автомобилями, которые работают на бензине. Это означает, что каким бы важным элементом не являлся водород (H₂) на планете, важным аспектом остается методика его получения в промышленных масштабах.

Методы получения водорода в промышленности. Рассмотрим наиболее известные химические подходы и методы получения водорода (H₂) в огромных масштабах.

Паровая конверсия метана и природного газа. По определению [23], паровая конверсия — это получение чистого водорода из легких углеводородов путём парового риформинга (каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара) [24].

Рассмотрим взаимодействие легкого углеводорода (в нашем случае метана CH₄) с водяным паром при соответствующих катализаторах (Fe₂O₃) и температуре (t ≈ 1100 °С).

Химическая реакция: СН₄ + Н₂О (пар) + 204 кДж (при постоянном давлении).

Обязательное тепло для реакции следует доставлять, либо получать извне, или же используя «внутреннее сгорание», т. е. подмешивая воздух или кислород (О₂) так, чтобы часть метана (CH₄) прогорала до диоксида углерода (СО₂) [25].

Химическая реакция: СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О (пар) + 802 кДж (при постоянном давлении).

При этом компоненты выбираются с определенной пропорцией, чтобы реакция, в общей сложности, была экзотермической (химическая реакция, сопровождающаяся выделением теплоты) [4].

Химическая реакция: 12СН₄ + 5Н₂О (пар) + 5О₂ = 29Н₂ + 9СО + 3СО₂ + 85,3 кДж.

Газификация угля. Согласно источнику [26], газификация — это процесс преобразования органической части твёрдого или жидкого топлива в горючие газы при высокотемпературном (t ≈ 1000–2000 °C) нагреве с окислителем (кислород, воздух, водяной пар, CO₂ или, чаще, их смесь) [27].

Для получения водорода (H₂), нужно без доступа воздуха, как предполагается, при высокой температуре (t ≈ 800–1300 °C) нагреть уголь [28] с водяным паром. При этом из воды (H₂O) уголь вытесняет кислород (O₂). На выходе образуется углекислый газ (СО₂) и водород (Н₂).

Химическая реакция: С + 2Н₂О (пар) = СО₂ + 2Н₂.

Себестоимость процесса порядка $2-$2,5 за килограмм водорода (H₂). В перспективах будущего возможно снижение цены до $1,50 с учетом доставки и хранения.

Электролиз воды. Согласно источнику [29], наиболее простой способ получения водорода (H₂) — это электролиз воды. Электролиз, говоря простым языком, это распад молекулы под действием электрического тока. Для получения водорода (H₂) нужно взять емкость, содержащую раствор соды, и поместить два электрических элемента, один из которых катод (соответствует минусу), другой анод (соответствует плюсу). Через данный раствор проводится ток, который разлаживает воду (H₂O) на составляющие: водород (H₂), выделяется на катоде и кислород (O₂), выделяется на аноде.

Химическая реакция: 2Н₂О = 2Н₂ + О₂.

Пиролиз. Если в электролизе используют электрический ток, то в пиролизе [30] используют температуру. Процесс пиролиза — это термическое разложение органических и многих неорганических соединений. Под действием высокой температуры (выше 700 °C) без доступа воздуха, вода (H₂O) разлагается на водород (H₂) и кислород (O₂).

Химическая реакция: 2Н₂О = 2Н₂ + О₂.

Частичное окисление. В данном случае берутся сплав алюминия (Al) и галлия (Ga), которые формируются в специальные брикеты и помещаются в ёмкость с водой (H₂O). В результате реакции образуется водород (Н₂) и оксид алюминия (Аl₂O₃). Галлий (Ga) же используется в сплаве для предотвращения окисления алюминия (Al).

Химическая реакция: 2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 3H₂.

Биотехнологии. Водород (H₂) из биомассы можно получить двумя методами.

1) Термохимический метод. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода (O₂) до температуры t ≈ 500–800 °C (для отходов древесины). В результате процесса выделяется водород (H₂), угарный газ (CO) и метан (CH₄).

2) Биохимический метод. Биохимический способ предполагает нагревание различных бактерий при температуре t ≈ 30 °C при нормальном атмосферном давлении [31].

Также, уже в двадцатом веке было известно, что водоросли хламидомонады [32] бурно выделяют водород (H₂) при нехватке кислорода (O₂) и серы (S) в процессе жизнедеятельности (в таких случаях процессы фотосинтеза [33] у них резко ослабевают).

Выводы и заключение. Методов получения водорода (H₂) немало, но ученые не останавливаются на достигнутых результатах. Например, в университете Нового Южного Уэльса (Австралия) в настоящее время разрабатывается и готовится к испытаниям новый способ получения водорода (H₂). Он заключается в получении данного газа из солнечной энергии, т. е. по направлению альтернативной энергетики [34].

Солнечный свет преобразуется в электричество, которое в свою очередь распадается на воду (H₂O), водород (H₂) и кислород (O₂), и всё это будет происходить в присутствии катализатора диоксида титана (TiO₂).

Хотелось бы сказать о том, что выбор использования какого-либо метода для получения водорода (H₂) зависит от нескольких различных факторов: (1) экономические соображения, (2) наличие соответствующих сырьевых, (3) энергетических ресурсов.

В свете последних событий (ухудшающаяся экология, не лучшая экономическая ситуация), все вышесказанное наталкивает на мысли о том, что двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе, возможно, станет единственным продуктивным и качественным решением проблемы.

Но, учитывая некоторые недостатки водородного двигателя, и наличие другого топлива (на сегодняшний день, это нефть), на неопределенный срок откладывается серийный выпуск водородных автомобилей будущего.

Литература:

1. Леффлер У. Л. Переработка нефти. — М.: «Олимп-Бизнес», 2011. — 224 с.

2. Водород. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Водород (дата обращения 10.04.2016).

3. Бойко Е. В. Химия нефти и топлив. Учебное пособие. — Ульяновск: УлГТУ, 2007. — 60 с.

4. Экзотермические реакции. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Экзотермические_реакции (дата обращения 10.04.2016).

5. Двигатель внутреннего сгорания. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_внутреннего_сгорания (дата обращения 11.04.2016).

6. Dick H. G., Robinson D. H. The golden age of the great passenger airships Graf Zeppelin and Hindenburg. — Washington, D.C.; London: «Smithsonian Institution Press», 1985. — 226 p.

7. Светильный газ. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Светильный_газ (дата обращения 11.04.2016).

8. Долан С., Гарсия С.Управление на основе ценностей. — М.: «Претекст», 2008. — 308 с.

9. Организация арабских стран-экспортёров нефти. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Организация_арабских_стран-экспортёров_нефти (дата обращения 11.04.2016).

10. General Motors. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/General_Motors (дата обращения 11.04.2016).

11. Honda. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Honda (дата обращения 11.04.2016).

12. Ford. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ford (дата обращения 11.04.2016).

13. BMW. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/BMW (дата обращения 11.04.2016).

14. Федосеев C. Все танки Первой Мировой. Самая полная энциклопедия. — М.: «Litres», 2014. — С.18.

15. Электролиз. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электролиз (дата обращения 12.04.2016).

16. Биотопливо. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Биотопливо (дата обращения 12.04.2016).

17. Sari, Aurel. The Conclusion of International Agreements by the European Union in the Context of the ESDP. // International and Comparative Law Quarterly. — Social Science Electronic Publishing, 2008. — Vol.57. — P.53–86.

18. Зубарев Д. Н. Коэффициент полезного действия. // Физическая энциклопедия. — М.: «Советская энциклопедия», 1990. — Т.2. — С.484–485.

19. Маленков Г. Г. Вода. // Физическая энциклопедия. — М.: «Советская энциклопедия», 1988. — Т.I. — С.294–297.

20. Цинк. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Цинк (дата обращения 13.04.2016).

21. Соляная кислота. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Соляная_кислота (дата обращения 13.04.2016).

22. Метан. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Метан (дата обращения 13.04.2016).

23. Паровая конверсия. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Паровая_конверсия (дата обращения 14.04.2016).

24. Агабеков В. Е., Косяков В. К. Нефть и газ. Технологии и продукты переработки. — Ростов-на-Дону: «Феникс», 2014. — 458 с.

25. Диоксид углерода. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Диоксид_углерода (дата обращения 13.04.2016).

26. Газификация. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Газификация (дата обращения 13.04.2016).

27. Окислитель. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Окислитель (дата обращения 13.04.2016).

28. Ископаемый уголь. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ископаемый_уголь (дата обращения 13.04.2016).

29. Рифкин Дж. Если нефти больше нет... Кто возглавит мировую энергетическую революцию? — М.: «Секрет фирмы», 2006. — 416 с.

30. Мухина Т. Н. Пиролиз углеводородного сырья. — М.: «Химия», 1987. — 240 с.

31. Перышкин А. В. Измерение атмосферного давления. Опыт Отто Герике. // Физика. 7 класс. / Тихонова Е. Н. — 16-е изд. — М.: «Дрофа», 2013. — С.190.

32. Хламидомонада. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Хламидомонада (дата обращения 14.04.2016).

33. Любименко В. Влияние света на усвоение органических веществ зелёными растениями. // Известия Императорской Академии наук. — VI серия. — 1907. — № 12. — С.395–426.

34. Philip Wolfe Solar Photovoltaic Projects in the Mainstream Power Market. // Oxford: Routledge. — 2012. — С.240.