Толстенко А.В., Резчик Н.В., Козыркина С.В.
Водород является эффективным
аккумулятором энергии. Применение водорода в качестве топлива возможно в
разнообразных условиях, что может дать существенный вклад в мировую энергетику,
когда ресурсы ископаемого топлива будут близки к полному истощению. По
сравнению с бензином и дизельным топливом водород более эффективен
и меньше загрязняет окружающую среду. Взрывоопасность водорода резко
снижается с применением специальных присадок ( например,
добавка 1% пропилена делает Н2 безопасным).
Использование водорода в качестве
топлива для двигателей внутреннего сгорания начинается с 70-х годов прошлого
века. В 1974 году появились автомобили, работающие исключительно на водороде.
Пионерами в этой области были «Биллингз энеджи» (США) и «Даймлер-Бенц» (ФРГ). В
1979 году компания БМВ (ФРГ) в рамках программы «Чистая энергия» выпустила
седьмую модель, которая также в качестве топлива использовала чистый водород.
Длина пробега на одной заправке менялась от 120 км. (автобус «Биллингз» на базе «Доджа») до 300 км. (БМВ на базе
седьмой модели).
В конце века каждая автомобильная
компания имеет концепт-кар, который работает на водороде. Однако некоторые
фирмы предлагают комбинированные решения. Так, «Мазда» предлагает автомобиль ( модель
RX8HRE ), который имеет возможность
чередовать топливо ( водород и бензин). Другие
автопроизводители совмещают эти виды топлива. В США
выпускают седельные тягачи, в двигателях которых используется смесь дизельного
и водородного топлива. Это позволяет увеличить
мощность двигателя, экологическую чистоту и уменьшить расход топлива. Система осуществляет электролиз воды, собирает водород и направляет
его в камеру сгорания, обеспечивая более высокую эффективность сгорания
топлива.
Еще одно направление использования водорода – применение в
аккумуляторных батареях электромобилей. Лидерство в этой области
принадлежит японским фирмам, которые разработали эффективные водородные
электроды,
используемые в топливных элементах.
Однако во всех методах использования водородного топлива основная
проблема – хранение водорода. Известны три основных способа хранения:
-
сжатый газ;
-
сжиженный
газ;
-
металлогидридный способ.
Рассмотрим хранение водорода под
давлением. Так, в
модели “Мазда RX8HRE” давление сжатого водорода 350 атм. ( обычное давление в баллоне 140 атм.). Минимальная работа
А=RTlnP, необходимая для
изотермического сжатия от давления в 1 атм. до 350
атм., составляет при 298 К – 14,5 кДж ( от 1 до 140 атм. А ≈ 12,2 кДж). Так как к.п.д. компессора ограничен, эта работа составит
20 кДж. Тепловая энергия, по крайней мере, в 2,5 раза
больше механической, таким образом, получается почти 50кДж. Это
заметная доля потенциальной теплоты сгорания водорода.
Сжижение
водорода требует затраты энергии 29,2 кДж/моль.
Соответствующая тепловая энергия, по крайней мере, в 2,5
раза больше и составляет около 73 кДж/моль. Теплота полного
сгорания одного моля водорода составляет 290 кДж/моль, т.е. в четыре раза
больше затрачиваемой энергии. Использование в програме БМВ “Чистая
энергия” жидкого водорода ( - 253 ○С ) приводит к большим потерям. Так, 170 л. жидкого водорода стравливаются за три дня.
Использование жидкого водорода и водорода под давлением довольно
неэффективно. Третий способ хранения водорода –
металлогидридный, наиболее перспективный. Гидриды
металлов служат источником водорода, который получается за счет химической
реакции или термического разложения. Обратимое
гидрирование системы Pd-H было
исследовано Т. Грэмом более 100 лет назад. В
настоящее время исследовано большое количество систем Ме-Н, которые поглощают
большое количество водорода, а затем при изменении условий возвращают его
обратно [1]. Большая часть газа выделяется при постоянном давлении. Если
механизмом хранения было бы растворение газа в металле или сплаве, то давление
водорода менялось по закону Сивертса
(Р=к(Н/Ме)2 – частному случаю закона
Генри при диссоциации растворенного газа ). Подобная реакция имеет место на
начальном этапе, в дальнейшем процесс контролируется не явлением растворимости,
а химической реакцией.
Транспортные средства, использующие водород,
выигрывают по сравнению с бензиновым транспортом. При этом водородные прототипы
конкурентны с действующими электромобилями. Энергетическая плотность самых
примитивных батарей составляет около 25 Вт ч / кг. Энергетическая плотность
гидридов ( например, TiFe ) составляет 500Вт ч / кг (при сжигании водорода до водяного
пара). С учетом массы контейнера для хранения гидрида, к.п.д. сгорания
водорода в 2 раза превышает
энергетическую плотность батареи.
Водород может найти применение в
качестве автомобильного топлива в зависимости от многих экологических и
экономических факторов, в первую очередь от истощения природных ресурсов. Это
весьма актуально и для Украины в плане диверсификации источников энергии и
укрепления энергетической независимости
страны. Поэтому усовершенствование
автомобильных гидридных систем (как наиболее перспективных), без сомнения,
является важной научно-технической задачей.
Литература.
1. Водород в металлах. Под редакцией Г.Алефельда, И.Фелькля.-М:Мир,1981.- т.1,2.