Введение
Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд).
По некоторым расчётам, каждую секунду в глубинах Солнца примерно 564 млн. тонн водорода в результате термоядерного синтеза превращаются в 560 млн. тонн гелия, а 4 млн. тонн водорода превращаются в мощное излучение, которое уходит в космическое пространство. Нет опасений, что на Солнце скоро иссякнут запасы водорода. Оно существует миллиарды лет, а запас водорода в нём достаточен для того, чтобы обеспечить ещё столько же лет горения.
Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной.
Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес.
Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением, разумеется, водорода, загрязняют окружающую среду. В городах нашей страны ежегодно проходит озеленение, но этого, как видно, недостаточно. В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО2
) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья. От этого происходят различные заболевания, многие из которых практически не поддаются лечению, а уж тем более невозможно лечить их, продолжая находиться в можно сказать «заражённой» выхлопными газами атмосфере. Мы хотим быть здоровыми, и разумеется, хотим, чтобы поколения, которые пойдут за нами, тоже не жаловались и не страдали от постоянного загрязняемого воздуха, а наоборот, помнили и доверяли пословице: «Солнце, воздух и вода – наши лучшие друзья».
А пока я не могу сказать, что эти слова оправдывают себя. На воду нам уже вообще приходится закрывать глаза, поскольку сейчас, если даже брать конкретно наш город, известны факты, что из кранов течёт загрязнённая вода, и пить её ни в коем случае нельзя.
Что касается воздуха, то здесь на повестке дня уже много лет стоит не менее важная проблема. И если представить, хотя бы на секунду, что все современные двигатели будут работать на экологически чистом топливе, коим, разумеется, является водород, то наша планета встанет на путь, ведущий к экологическому раю. Но это всё фантазии и представления, которые, к великому нашему сожалению ещё не скоро станут реальностью.
Несмотря на то, что наш мир приближается к экологическому кризису, все страны, даже те, которые в большей степени загрязняют своей промышленностью окружающую среду, (ФРГ, Япония, США, и как это не прискорбно – Россия) не торопятся паниковать и начинать экстренную политику по её очищению.
Сколько бы мы не говорили о положительном влиянии водорода, на практике это можно увидеть довольно таки не часто. Но всё же разрабатывается множество проектов, и целью моей работы явился не только рассказ о самом чудесном топливе, но и о его применении. Эта тема очень актуальна, поскольку сейчас жителей не только нашей страны, но и всего мира, волнует проблема экологии и возможные пути решения этой проблемы.
Водород на Земле
Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 – атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более
1,5∙1018
м3
и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1∙10-4
%.
Что такое водородная технология?
Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.
В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?
Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.
Переход на водородную технологию и использование воды в качестве единственного источника сырья для получения водорода не может изменить не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных её регионов. Так, годовая энергетическая потребность такой высокоиндустриальной страны, как ФРГ, может быть обеспечена за счёт водорода, полученного из такого количества воды, которое соответствует 1,5% среднего стока реки Рейн (2180 л воды дают 1 тут в виде H2
). Отметим попутно, что на наших глазах становится реальной одна из гениальных догадок великого фантаста Жюля Верна, который устами героя рома «Таинственный остров» (гл. XVII) заявляет: «Вода – это уголь будущих веков».
Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H2
составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива – 46 – 50 МДж/кг, т.е. в 2,5 раза меньше 1 т водорода соответствует по своему энергетическому эквиваленту 4,1 тут, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.
Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты.
Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин а автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.
Как и из чего в настоящее время получают водород?
В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. В разных странах могут быть различные ситуации. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).
В процессе конверсии метана водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и оксида углерода водяным паром протекают следующие каталитические реакции. Рассмотрим процесс получения водорода конверсией природного газа (метана).
Получение водорода осуществляется в три стадии. Первая стадия – конверсия метана в трубчатой печи:
CH4
+ H2
O = CO + 3H2
– 206,4 кДж/моль
или
CH4
+CO2
= 2CO + 2H2
– 248, 3 кДж/моль.
Вторая стадия связана с доконверсией остаточного метана первой стадии кислородом воздуха и введением в газовую смесь азота, если водород используется для синтеза аммиака. (Если получается чистый водород, второй стадии принципиально может и не быть).
CH4
+ 0,5O2
= CO + 2H2
+ 35,6 кДж/моль.
И, наконец, третья стадия – конверсия оксида углерода водяным паром:
CO + H2
O = СO2
+ H2
+ 41,0 кДж/моль.
Для всех указанных стадий требуется водяной пар, а для первой стадии – много тепла, поэтому процесс в энерготехнологическом плане проводится таким образом, чтобы трубчатые печи снаружи обогревались сжигаемым в печах метаном, а остаточное тепло дымовых использовалось для получения водяного пара.
Рассмотрим, как это происходит в промышленных условиях (схема 1). Природный газ, содержащий в основном метан, предварительно очищают от серы, которая является ядом ля катализатора конверсии, подогревают до температуры 350 – 370 o
С и под давлением 4,15 – 4,2 МПа смешивают с водяным паром в соотношении объёмов пар : газ = 3,0 : 4,0. Давление газа перед трубчатой печью, точное соотношение пар : газ поддерживаются автоматическими регуляторами.
Образующаяся парогазовая смесь при 350 – 370 o
C поступает в подогреватель, где за счёт дымовых газов нагревается до 510 – 525 o
С. Затем парогазовую смесь направляют на первую ступень конверсии метана – в трубчатую печь, в которой она равномерно распределяется по вертикально расположенными реакционным трубам (8). Температура конвертированного газа на выходе из реакционных труб достигает 790 – 820 o
С. Остаточное содержание метана после трубчатой печи 9 – 11 % (объёмн.). Трубы заполнены катализатором.[1]
После реакционных труб конвертированная парогазовая смесь проходит подъёмные трубы (9) и по коллектору (10) попадает в шахтный конвертор метана второй ступени (11). Здесь на никелевом катализаторе происходит кислородная конверсия остаточного метана. Температура конвертированного газа на выходе из реактора второй ступени достигает 990 – 1000 o
C, остаточное содержание метана в конвертированном газе составляет 0,35 – 0,55 % (объёмн.).
После двухступенчатой конверсии метана, если водород предназначается для синтеза аммиака, в конвертированном газе кроме водорода (57%) и азота (22,4%) содержатся оксид углерода 13,4% и диоксид углерода 7,7% (объёмн.).
Оксид углерода далее превращается в водород и диоксид углерода в системе паровой конверсии. Паровая конверсия оксида углерода до водорода проводится в две ступени (схема 2). Первая ступень конверсии осуществляется при температуре 330 – 400 o
С на железо-хромовом катализаторе, при этом на выходе из конвертора первой ступени (1) содержание оксида углерода в конвертированном газе падает до 3,3% (объёмн.), и с таким содержанием оксида углерода газ, пройдя через испаритель (2), вступает во вторую, низкотемпературную ступень конверсии. Здесь на низкотемпературном катализаторе конверсии, содержащем оксидные соединения меди, цинка, алюминия, хрома, при температуре 190-210 о
С происходит доконверсия остаточного оксида углерода до его содержания на выходе из конвертора (3) 0,4 – 0,5 %. Далее газ поступает на очистку углерода различного рода поглотителями. Так в промышленных условиях получают чистый водород и азото-водородную смесь.
Получение водорода – будущая технология
Современная технология обеспечивает ежегодное получение во всём мире десятков миллионов тонн молекулярного водорода. Более 90% его получается каталитической конверсией метана, жидких углеводородов, газификацией твёрдого топлива. Совершенно ясно, что в будущем при переходе на водородную технологию такие источники получения водорода, кроме твёрдого топлива, будут в основном исключены. В качестве основного источника сырья будет использоваться вода. В качестве источника энергии для разложения воды – атомная энергия в различных её видах (тепло, электроэнергия) и энергия воды, ветра в виде электрической энергии, энергия солнечного излучения. Общая картина использования первичных источников энергии для получения водорода представлена на схеме 3.
При внимательном рассмотрении всего комплекса методов получения водорода видно, что если использование горючих ископаемых имеет прямой выход к водороду, то использование других первичных источников энергии в основном базируется на использовании электрической энергии для электролитического разложения воды, энергии Солнца в фотосинтетических системах для разложения воды и атомного тепла в термохимических системах для разложения воды. Электролиз воды проводится в промышленной практике давно и широко описан в литературе. Сейчас делаются значительные усилия в науке промышленности, чтобы использовать неисчерпаемую энергию солнечного излучения для разложения воды. Это и применение фотолизных ячеек для разложения воды, солнечных ячеек для получения электроэнергии с последующим её использованием при электролизе воды. Главная задача, которая здесь решается, заключается в том, чтобы провести под непосредственным воздействием солнечной энергии ряд фотохимических реакций с целевым назначением разложения воды до водорода кислорода. Суть проблемы заключается в том, чтобы подобрать такие биологические системы, которые будут использовать солнечную энергию для разложения воды.
Но наиболее в технологическом плане являются методы термохимического разложения воды. Эти методы важны тем, что для разложения воды они могут использовать и тепло атомных реакторов, солнечное тепло, и тепло геотермальных вод, и любые другие виды тепла, например перепад температур верхних и нижних слоёв тропических морей. Разрабатываются и комбинированные термохимические процессы, которые наряду с теплом используют электрическую энергию – термоэлектрохимические процессы, солнечное излучение, фото- и термохимические процессы. Термохимические процессы разложения воды привлекательны ещё и тем, что в результате целого ряда химических превращений, протекающих в термохимическом цикле (системе), из цикла в окружающее пространство ничего, кроме водорода и кислорода, не выделяется. Все химические процессы, сопровождающие разложение воды, находятся в закрытом циркуляционном контуре. В этот контур подводятся только вода и тепло (высокопотенциальное), от контура отводятся водород, кислород и тепло (низкопотенциальное).
Многоликий водород
Мы подняли лишь краешек занавеса сцен на которой действует один из интереснейших элементов нашей Вселенной – многоликий водород. Вплоть до XX в. Все были убеждены, что за «горючим воздухом» Кавендиша, гидрогениумом Лавуазье скрывается элемент, рождающий при своём соединении с кислородом обычную воду.
Но в XX в. Водород приобрёл многоликость. В природе были открыты три различных водорода, три его изотопа, которые были названы в соответствии со сложностью своих ядер. Самый лёгкий – протий. Водород в обычной воде в основном состоит из протия. Но в воде есть и более тяжёлый водород – дейтерий. На каждые 6700 атомов протия приходится один атом дейтерия.
Существует и сверхтяжёлый водород – тритий. Тритий радиоактивен. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Есть предположения, что это не предел для существования новых, ещё более тяжёлых изотопов водорода, которые должны быть радиоактивны.
Дейтерий – исходный элемент для энергии будущего. Впервые существование тяжёлого водорода – дейтерия было доказано в 1932 году. Несмотря на относительно малое содержание дейтерия в обычной воде, общее количество дейтерия на Земле очень велико. По подсчётам академика И. В. Курчатова, 1 литр обычной воды по энергии содержащегося в нём дейтерия эквивалентен примерно 400 л нефти, поэтому дейтерия кат топлива будущего хватит на сотни миллионов лет. (Вспомните ещё раз героя Жуля Верна).
Количество трития на Земле исчезающее мало. Его меньше 1 кг, но, несмотря на это, его можно обнаружить в каждой капле воды. А его значение в будущей энергетике, возможно, ещё более велико, чем дейтерия. Он неустойчив, период его полураспада – 12, 262 года.
Водород (протий), дейтерий и тритий образуют двухатомные молекулы. Молекулы с одинаковыми атомами Н2
, D2
, Т2
существуют в двух ядерно-изомерных формах, орто- и пара-форме. Эта изомерия является исходной причиной различия магнитных, спектральных и термических свойств обеих модификаций.
Мой рассказ о водороде и водородной технологии был бы неполным, если бы мы не указали на ещё один лик водорода – атомарный водород, победное шествие которого в технике предстоит. Дело в том, что атомарный водород более перспективное горючее, чем протий.
Р. Вуд в 1922 г. установил, что при пропускании тихих электрических разрядов через водород, находящийся под давлением в нескольких десятых долей миллиметра ртутного столба, можно получить атомарный водород. При 1700о
С количество диссоциированного водорода (Н2
– 2Н) составляет доли процента, а при 4700о
С оно доходит до 95%. Атомарный водород уже при комнатной температуре восстанавливает оксиды металлов, соединяется с кислородом, серой. Но главное, в чём заключается его ценность и что обеспечивает его будущее, - это огромная энергия, которая выделяется при рекомбинации атомов водорода в молекулу. Эта теплота используется при автогенной сварке особо тугоплавких металлов, например тантала с вольфрамом. Температура при такой сварке достигает 4000о
С.
Высокая теплота рекомбинации атомов водорода в молекулу открывает возможность использовать атомарный водород в качестве особо высокого по калорийности топлива. Но атомарный водород очень неустойчив, он существует в течении десятых долей секунды, затем превращается в молекулярный водород. Создание условий, при которых можно было бы хранить атомарный водород, - задача ещё не решённая.
И наконец, ещё один лик водорода – протон (ядро атома водорода), широко используемый в современной науке для осуществления ядерных реакций.
Многолик водород, он широко и глубоко вторгается в современные энергетику транспорт, химическую технологию.
Сколько получают водорода и для каких целей?
Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению.
Производство молекулярного водорода в 1985 году достигло примерно 57 млн. тонн (без СССР), а в 1990 году уже 95. Если вспомнить, что водород это газ, который в 14,5 раза легче воздуха, то станет ясно, какой это громадный объем.
Где же в настоящее время используется такая масса водорода? Во-первых, в азотной промышленности, для получения синтетического аммиака. Во-вторых, для получения метанола из СО и Н2
, Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности для очистки нефти от сернистых соединений, для гидрирования тяже
Мы, здесь не раскрываем широкое использование водорода в промышленности (водородная сварка и резка металлов, микроэлектроника и т. д.), в сельском хозяйстве. Особо стоит вопрос об использовании изотопов водорода в атомной и термоядерной энергетике.
Вот пример, который будет характеризовать одного из будущих потребителей водорода.
Дом на водороде. Как это мыслится? В настоящее время для обеспечения всех городских удобств к городскому дому должны быть подключены коммуникации для бытового газа, источники электропитания, источники бытового теплоснабжения. Все это очень дорого и сложно. Нельзя ли упростить эту схему? Современная техника дает на это однозначный ответ – можно. Для этого к дому должна быть подведена лишь одна трасса – трубопровод для водорода.
Использование водорода для бытовых целей в значительной степени технически подготовлено. Известны и испытаны различные типы керамических горелок. Регулируя подачу газа в горелку, в которую вмонтирована каталитическая пластина, можно менять в широких пределах температуру нагрева при приготовлении пищи. Водород легко и полностью сгорает при низких температурах на поверхности катализаторов. При этих температурах полностью исключается образование оксидов азота. Единственным продуктом сгорания на кухне будет водяной пар.
Низкотемпературное сжигание водорода обеспечивает его использование в низкотемпературных каталитических калориферах для бытового отопления. Форма обогревателя конструируется в зависимости от целей обогрева. Например, стены квартиры могут использоваться как поверхность нагрева.
Освещение в доме на водороде может обеспечиваться специальными светильниками, в которых на внутреннюю сторону трубки наносится фосфор точно так же. Как в люминесцентных лампах. Когда водород в присутствии регулируемого количества воздуха вступает в контакт с фосфором, последний люминесцирует, освещая квартиру, но сама лампа не нагревается. Холодильники и кондиционеры в таком доме могут работать с помощью адсорбционных рефрижераторов с использованием каталитической водородной горелки в качестве источника энергии. К такому дому не надо подводить электроэнергию для других электробытовых приборов (пылесосов, телевизоров, вентиляторов и т.д.), так как электроэнергия может вырабатываться в самом доме на основе водородного топливного элемента.
Дом на водороде ведёт к посёлку на водороде и городу на водороде, где единственны энергоносителем становится водород, который используется не только в быту, но и для транспортных целей (автомобили на водородном топливе), в промышленности. Такой город будет совершенно чистым в экологическом отношении, так как единственным выбросом в атмосферу будет чистый водяной пар.
Роль водорода и водородной технологии в кругообороте веществ в природе
В настоящее время связанный углерод в виде природного газа, нефти, твёрдого горючего (древесины, торфа, каменного угля) активной человеческой деятельностью в промышленности, на транспорте и в быту переводится в энергетические тупики – залежи карбонатных пород. Общее промышленно выделение СО2
в атмосферу с каждым годом возрастает. Возвратить эту огромную массу связанного углерода, исчисляемую десятками миллиардов тонн, в кругооборот веществ в природе – одна из важнейших задач водородной технологии. Именно водородная технология разработала ряд путей для достижения этой цели. В основе этой технологии лежат процессы гидрирования СО2
до метана, метанола, жидких углеводородов. Например,
СО2
+ 3Н2
катализатор
= СН3
ОН + Н2
О.
Метанол необходим промышленности в миллионах тонн. Он может также стать основным источником для получения бензина.
В долгосрочной перспективе диоксид углерода при наличии мощных источников дешёвого водорода может стать главным, а возможно и единственным сырьевым источником промышленного органического синтеза. При этом, вероятно, найдут применение как обычные химические, каталитические процессы, так и фотохимические и биохимические методы. Здесь необъятный простор для творчества всех степенях науки. Основным компонентом новой системы органической технологии на база СО2
является наличие мощной водородной технологии. Превратить СО2
атмосферы, а если потребуется и часть осадочных карбонатов земной коры в источник углеводородов – крупнейшая задача химии XXI века.
Внимание, водород!
Говоря о водороде, его широком использовании в быту, промышленности, на транспорте, нельзя забывать и о его взрыво- и пожароопасных свойствах. Недостаточная подготовленность и нестрогое выполнение правил при использовании водорода может привести к трагедиям, гибели людей.
При изучении в школе водорода как химического элемента необходимо осветить и его большое будущее в нашей жизни. На уроках химии следует подготавливать учащихся к обращению с ним при его получении и использовании. Нужно призывать их к большой осторожности и вниманию при работе с водородом. Каждый учащийся должен знать пределы его воспламенения и взрываемости в воздухе, в кислороде, энергию воспламенения, правила хранения и техники безопасности при обращении с водородом как газообразном, так и в жидком состоянии.
Проблемы получения энергии
Сейчас на человечество надвигается энергетический кризис, и пока официальная наука с прискорбием сообщает, что нет альтернативы традиционным источникам энергии - уголь, нефть, газ.
Огромную часть энергии дают нам АЭС и ГЭС. Поговорим об АЭС. На них используется энергия, получающаяся в результате расщепления атомного ядра. Но год назад Владимир Машков в своих исследованиях предложил расщеплять не тяжелые атомы, а легчайшие элементарные частицы.
Водородные двигатели
Водород - очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании (быстро протекающей экзотермической реакции окисления кислородом) получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И здесь важно, что в водородных двигателях температура сгорания топлива на режимах городской эксплуатации существенно ниже, чем в углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых и т.д.).
Очевидно, что если под "водородным двигателем" понимать электрический, получающий энергию от реакции соединения водорода и кислорода в топливных элементах, то окислов азота не будет совсем. А углеводородное топливо "поставляет" при сжигании целый букет токсичных соединений, среди которых сажа - далеко не самая вредная.
Мне представляется, что первый этап становления водородной энергетики - это применение водорода в качестве моторного топлива. Пока топливные элементы, при всей их перспективности, удовольствие очень дорогое. Не все технологии отработаны, и процесс этот идет достаточно медленно, еще далеко не все вопросы решены. Ожидают, что … вот-вот будет. Еще двадцать пять лет назад можно было видеть "Рафик" на топливных элементах. Впрочем, истории водорода как топлива тоже не один десяток лет.
"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.
Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.
Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.
Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.
Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте — сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW
и Mazda
. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.
Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) — существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии.
Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника).
Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских "раскольников".
BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами "бензин/газ").
Такой подход, по замыслу автостроителей, облегчит постепенный переход автотранспорта только на водородное питание.
Ведь клиент сможет с чистой совестью купить подобную машину уже тогда, когда в регионе, где он живёт, появится хоть одна водородная заправка. И ему не придётся опасаться застрять поодаль от неё с пустым водородным баком.
Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций. Да, и стоимость топливных элементов пока велика.
Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы.
Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси.
И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.
Итак, решено — "скармливаем" водород двигателю внутреннего сгорания. Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина. Над системами питания немцам и японцам пришлось поломать голову. Но результат того стоил.
Показанные BMW и Mazda водородные автомобили сочетают привычную для владельцев обычных авто высокую динамику с нулевым выхлопом.
А главное — они куда лучше приспособлены к массовому производству, чем "ультраинновационные" машины на топливных элементах.
Американские исследователи Университета штата Оклахома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при прямом впрыскивании водорода в цилиндры - как в дизельных двигателях - отпадает надобность в опережении зажигания. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота содержится лишь в незначительных количествах.
Однако широкому применению водорода в качестве автомобильного топлива препятствует немало проблем, и самая трудная из них - топливные баки. На 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л, а чтобы хранить его требуется прочный резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло конструкторов на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг водорода помещаются в баллоне массой 80 кг и емкостью 160 л. Но чтобы иметь водород в сжиженном состоянии, нужно поддерживать в баллоне температуру -2530
С. Применять сосуды Дьюара было бы слишком дорого. Возможно, конструкторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери на испарение не превышают 1,5%. Так, в экспериментальном автомобиле «Волга» смонтирован криогенный водородный бак общей массой 140 кг. Специалисты нашли и другое решение: бак можно изготовить из гидридов металлов сплавов магния, марганца, титана и железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а при нагреве (хотя бы выхлопными газами) снова выделяют его. Масса водородного бака из гидридов металлов превышает 150 кг.
Новое топливо уже опробовано на практике. Успешно прошел испытания автомобиль «Жигули» с комбинированным двигателем на бензине и водороде. К.П.Д. двигателя повысился на четверть, расход бензина уменьшился на треть, а содержание вредных веществ в выхлопных газах снизилось до минимума. Большие надежды возлагаются и на электромобили, снабженные водородо-кислотными топливными системами.
По мнению многих специалистов, водородный двигатель вряд ли найдет применение в легковых автомобилях, по соображениям безопасности, но он может пригодиться для общественного транспорта.
Большой интерес к водородному топливу проявляют и авиаконструкторы. В США еще в 1957г. исследовательская группа Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства проводила испытания двухмоторного самолета на водородном топливе. В 1973г. НАСА поручило фирме «Локхид» приспособить для водородного топлива два серийных боевых самолета (С-141 и «Старфайтер»). Фирма «Боинг» разработала вариант крупнейшего самолета «Джамбо-Джет» на водородном топливе.
Есть еще одно важное соединение водорода - это перекись водорода, которая применяется для двигателей подводных лодок, ракетных двигателей, в том числе и таких, которые могут поместиться в ранце за спиной человека.
На прошедшей в Москве международной конференции по моторному топливу заместитель директора научно-производственной фирмы «Фордигаз» Сергей Шипунов уверял участников конференции, что если установить на автомобилях их топливные системы для двигателей внутреннего сгорания, то содержание вредных веществ в выхлопных газах уменьшится в сотни раз. Во всем мире считается большим достижением, если удается уменьшить на несколько процентов количество этих ядов. Даже если перевести автомобили с жидкого на газовое топливо, то вредных веществ в дыме станет в 3-10 раз меньше. А «Фордигаз» уверяет, что может понизить их содержание еще на порядок для машин на газе и на два порядка - на бензине. Это кажется просто невероятным.
Тем не менее «Фордигаз» убедился в этом на опыте. Топливная система была установлена не на автомобиле, а на двигателе для мобильной электростанции мощностью 4 киловатта. 14 человек проходили испытания в комнате площадью 20 квадратных метров. Окна в ней были закрыты, а выхлопная труба выходила прямо в помещение. И вот мы залили в бак бензин, включили двигатель.
Двигатель работал на полную мощность целый час, но присутствующие не испытывали особых неудобств. Только стало жарко, но воздух был совершенно чистым. А газоанализатор «Инфолит», сделанный в Германии, показал нулевое содержание вредных веществ в выхлопных газах. Когда сняли топливную систему и двигатель стал работать в обычном режиме, дым быстро наполнил комнату. Через 4 минуты присутствующие чуть не задохнулись.
А чудо объяснялось просто. Топливная система обеспечивала идеальное перемешивание воздуха с бензином, в результате он сгорал полностью - из выхлопной трубы вылетали только пары воды и углекислый газ.
Сначала жидкое топливо превращается потоком воздуха в аэрозоль. Он увлажняет специальную ткань, а с нее воздух срывает уже не капельки, а отдельные молекулы бензина. В результате жидкое топливо превращается в газообразное, и в таком состоянии поступает в специальный смеситель. Там к горючему добавляют строго определенную порцию воздуха и хорошо их перемешивают. Особые устройства поддерживают оптимальное соотношение молекул кислорода и углеводов на протяжении всей работы двигателя - в результате топливо сгорает без остатка.
Водители знают, что обычный двигатель дает 7-8% окиси углерода в выхлопных газах, в лучшем случае (если хорошо отрегулировать) до 2%. Но испытания первого двигателя с топливной системой показали, что содержание окиси углерода составило 8 сотых долей процента.
Это устройство величиной чуть больше стакана. Воздух и горючее проходят в нем по изогнутым каналам, которые лихо закручивают и перемешивают эту смесь, делая ее максимально однородной. И такая хитрая операция дает удивительный эффект.
Расход горючего снизился 20%. Но главное - количество токсичных выбросов в атмосферы уменьшилось в 3 раза.
Заключение
В результате написанной работы я очень много узнала о таком важном, незаменимом, и интереснейшем веществе на нашей планете, как водород. Сколько бесценной информации уже смогли открыть учёные, изучая его, и сейчас, остаётся только гадать, что ещё можно открыть и узнать.
В прошлом году я писала работу по экологической химии, касающейся адсорбции в процессах очистки природных и сточных вод. Я говорила о применении новых технологий в чистке водоёмов. В моей теперешней работе я больше затрагиваю не гидросферу, а атмосферу. Если в нашей, да и во всех других странах, во всём мире, частенько возникают вопросы, что же делать с загрязнённой атмосферой, то почему нам не обратиться к такому аспекту, и не сделать акцент на том, чтобы её попросту не загрязнять.
Разумеется, это не возможно. Невозможно прекратить работу химической и других видов промышленности и применения современных технологий в сельском хозяйстве, агитируя и объясняя это только лишь тем
, что мы боремся за чистоту воздуха. Но мы этого и не требуем
Но посмотрите, чем мы дышим, посмотрите, сколько выхлопных газов, разнообразных вредных веществ существует в атмосфере только лишь благодаря тому, что в мире распространено такое явление как автомобили. И если есть возможность предотвратить попадание этих опаснейших веществ в атмосферу, то почему мы этого до сих пор не сделали, почему это не сделали не мы, а те, кто этим должен заниматься? Куда смотрит наше здравоохранение? Написав эту работу, я узнала, что у нашего мира ещё есть возможность хоть как то наладить экологическую обстановку, но захотят ли это сделать остальные, и будет ли им интересны дальнейшие разработки учёных этой отрасли, которые, поскольку тоже являются людьми этой планеты имеет прямую заинтересованность в этом вопросе.
Водород? Что такое водород? Простой элемент? Элемент, который имеет только лишь ряд особенностей, который только лишь немногим отличается от других?
Нет, как мы видим из всех доказательств, приведённых в работе, по тому, что мы узнали, мы теперь уверены, что водород – это не просто элемент, водород – это чудо, и сейчас его не без оснований называют чудесным топливом будущего.
[1]
Типичным катализатором трубчатой конверсии является катализатор, полученный смешением а определённых пропорциях оксидов алюминия, бария, кальций-алюминатного цемента с раствором солей никеля. Полученную шихту таблетируют, таблетки после твердения прокаливают при 380 o
C.