Тенденции применения водородного двигателя на транспортных средствах

Май 27, 2014 / Ольга Шейдина, Редактор

Человеческая техногенная цивилизация, основанная на использовании природного углеводородного топлива, всё быстрее и неуклоннее приближается к логическому концу. В начале семидесятых годов двадцатого века западный мир поглотил энергетический кризис. Подорожание нефти, а соответственно и бензина, поставило научную интеллигенцию перед проблемой поиска альтернативных источников энергии. Выход из коллапса нашёлся в элементарной экономии. Технические новшества и изобретения оттянули ещё на пару-тройку десятилетий приближение энергетической катастрофы. Но в двадцать первом веке встали во весь рост следующие задачи - экология и отсутствие природного ресурса. Что самое интересное - заканчивающиеся уголь, нефть и газ сами могут помочь покончить не только с парниковым эффектом, но и с "высокоразвитой" земной расой. Чтобы не допустить наступления столь печального завершения нашего присутствия на Земле, учёные умы бьются за овладение альтернативными источниками столь вожделенной энергетической материи.

Тенденции применения водородного двигателя на транспортных средствах

Один из вариантов - это использование самого распространённого во Вселенной химического элемента под названием водород. Он прекрасно сгорает в термоядерных топках всех звёзд, в том числе и в чреве нашего Солнца. Он рождает неисчислимое количество воды и на нашей обитаемой планете. Проблема одна - заставить трудиться на благо человека. Ведь в атомарном состоянии водород не встречается, о только в связанном, в различных химических соединениях.

Интерес к водороду, как виду топлива, вызывает неоспоримый интерес у транспортников. Мечта экологов - двигатель, который выбрасывает в атмосферу вместо серы, азота и угарного газа - водяной пар. Как заставить вращаться колёса автомобилей, турбины реактивных двигателей и прочих транспортных средств с помощью самого летучего вещества в материальном мире давно мучает академиков. Способов применения может быть несколько. Нарпимер, давно известный двигатель внутреннего сгорания. Тут водород используется в качестве присадки к бензину или природному газу. Такая добавка улучшает воспламеняемость смеси. Правда, падает мощность двигателя, но если изменить конструктивно систему зажигания, то она может преодолеть стопроцентный барьер. Только снова дают о себе знать увеличивающиеся вредные выхлопы окислов азота, подгорают поршни и клапаны, увеличивается износ двигателя. А способность водорода проникать сквозь атомарную решётку металлов, в силу чрезвычайной летучести водорода, может произвести к воспламенению при высокой температуре нагретых поверхностей. Да и огромное количество водяного пара в пересчёте на единицу техники, выбрасываемого в воздух, совершенно не изучено. Последствия такого применения экологически чистого топлива могут оказаться не менее угрожающими, чем и привычных углеводородов. Хотя по версии других исследователей, эти, так называемые гибридные двигатели, уменьшают коррозию элементов, а вследствие более полного сгорания топливной смеси уменьшается вибрация и шумность. Ещё один плюс - это компактность. Газ вырабатывается только в процессе движения из дистиллированной воды, то есть дополнительных баков для самого водорода не требуется. Тем самым повышается и безопасность применения водородного двигателя. В случае аварийной ситуации автоматика отключает процесс выработки водорода.. Залил дистилят и можешь на одной заправке проехать расстояние на 30-40 % больше, чем на обычном бензине. Разработчики гибридных двигателей обещают, кроме всего прочего, и простоту обслуживания оборудования, которое сводится к своевременной замене воды или электролита зимой и проверки на герметичность водородной магистрали. Наружная температура воздуха, при которой возможно безопасное и надёжное использование водорода, составляет от -30°до +30°С.

Следующий вид водородных двигателей - это применение водородных топливных элементов. Сущность их заключается в том, что они сами являются производителями электрической энергии, расщепляя атомы водорода. В таких топливных элементах решена проблема сверхлетучести водорода. Специальные металлические мембраны встраивают в свою кристаллическую решётку атомы водорода, которые при прохождении через мембрану разделяются на электрон и протон. Направленное движение электронов выполняет необходимую работу. Но для получения таким образом водорода, как и при электролизе воды, требуется вначале выделить энергию, хотя при высоком КПД затраты её окупаются с лихвой лишь при больших объемах. Поэтому использование водородных топливных элементов приносит пользу, например, в подводных лодках или на шасси большегрузных автомобилей. Установив на колесо электромотор, появляется возможность избавиться от сложных механических устройств. Расход водорода на единицу пути меньше, чем расход бензина. В год автомобилю потребуется до двух сотен килограмм водорода. Ещё одно перспективное направление для развития водородных топливных элементов или водородных двигателей является железнодорожный транспорт. Ведущие страны мира, такие как США и Япония используют в экспериментальных целях локомотивы с водородными двигателями. Дания эксплуатирует такой поезд на участке небольшой протяжённости. Не обошлось без попыток создать водородный двигатель на топливных элементах и в авиации. Ещё в советский период на базе самолётов семейства Туполева, Ту-154, был испробован водородный двигатель. Но с развалом Советского Союза эта тема была закрыта. В настоящее время Россия, Китай и Европейский Союз разрабатывают гиперзвуковой пассажирский самолет с водородным прямоточным двигателем. Особенность его заключается в том, что такой двигатель начинает работать только при сверхзвуковом обтекании. Поэтому для разгона самолёта до сверхзвуковой скорости необходим второй двигатель. Топливом, использующимся в прямоточном двигателе, является жидкий водород. Недостаток жидкой фракции водорода - это невозможность длительного хранения. В случае отложенного старта топливо необходимо сливать, а это дополнительные экономические затраты. Нельзя упускать из виду и проблему используемых материалов для топливных баков. При полёте с гиперзвуковой скоростью число Маха достигает от 4-х до 8 единиц (5000-9000км/час), происходит разогрев отдельных элементов конструкции до 200-300°С. Таким образом, техническое исполнение резервуаров значительно усложняется.

Особое значение имеет использование водородных топливных элементов на водном транспорте. Морские суда являются наибольшими производителями парниковых газов и других вредных для экологии веществ. Поэтому задача переоснащения этого вида транспорта на экологически чистые виды топлива стоит на первом плане технического прогресса. Многие мировые корпорация включились в работу по исследованию возможного применения водорода, как возобновляемого источника энергии.

Альтернативные технологии

Мировые запасы нефти стремительно сокращаются. По подсчётам учёных их хватит, максимум, лет на 50. Природный газ также имеет ограниченный ресурс - допустим, лет на 100. Поэтому необходимо искать другие возможности. Одна из них - это биологическое топливо, на основе этанола и масел, производимых при переработке таких растений, как подсолнечник, рапс, тростник и других. Главный плюс такого вида топлива состоит в том, что оно возобновляемо. Недостаток же - это наличие экологических препятствий, впрочем, с последствиями от применения бензинов на основе нефтепродуктов, естественно, не сравнить. Биотопливо гораздо чище.

Ещё одна из возможностей производства топлива для транспорта - это каменный уголь. Запасы его пока достаточно велики, тем более появились технологии, позволяющие вырабатывать как жидкое, так и газообразное топливо. Многие страны мира рассматривают технические проекты по строительству таких углеперерабатывающих заводов.

В середине прошлого века инженеры удивили мир новым автомобилем, имеющим не только необычный вид, но и совершенно не нуждающимся в бензине. Это было устройство на солнечных батареях. Она напоминала скорее космический корабль, чем наземное средство передвижения, а скорость и километраж пробега оставлял желать лучшего. Даже в настоящее время электромобили на фотоэлементах не завоевали дорожные магистрали. Но технологии все время развиваются. Огромное количество транспортных средств, использующих солнечную энергию, применяются в различных сферах человеческой деятельности. Гоночные автомобили, самолёты, морские суда вплоть до космических кораблей - все эти машины работают на фотоэлектричестве. Проблема их заключается в необходимости установки больших по площади солнечных панелей. Низкая энергоэффективность не позволяет ещё выйти в массовое производство. Но высокая экологическая безопасность, бесшумность, относительная простота обслуживания не вызывает сомнений в большом будущем машин на фотоэлементах.

Это интересно ...

Последние новости и статьи:



Оставить комментарий