Перспективи використання водневого двигуна на транспорті.

перспективи використання

водневого двигуна на транспорті

Доповідь на СНО в СПбГУКіТ, май 2006.

Керівник: доцент каф. фізики і оптики Штейн Б.М.

Доповідачі: студентки 532гр. Павличенко Д., Лю Є.

Енергія майбутнього?

Останнім часом і в пресі і в бізнесі і в науці і в політиці активізувалися розмови і розробки двигунів що працюють на водні (не плутати з термоядерної водневої енергетикою!). Водневими двигунами активно займаються найбільші німецькі, японські, американські та ін. Автомобільні компанії. Водневий двигун представив і АвтоВАЗ. Подібні двигуни знаходять підтримку в урядів: США виділяє на розробку мільярд доларів, Путін робить гучну заяву про підтримку водневої енергетики, «Єдина Росія» домагається виділення з бюджету мільярди рублів ... Водневий двигун розглядається як панацея, вирішальна енергетичну (нафтову) і екологічну проблему.

Розберемося, чи так це насправді, чи водневий двигун - безперспективний міф.

енергетична проблема

Основна проблема водневого двигуна полягає в тому, що добувати водень в природі неможливо - його доводиться отримувати електролізом води, або переробкою природних вуглеводнів, все одно, спалюючи при цьому нафта, газ, вугілля або уран. Таким чином, водень є не паливом, а лише акумулятором енергії.

Отже, при розрахунку ККД водневого двигуна треба вважати ККД всього ланцюжка: виробництво електроенергії на електростанції - передача електроенергії - отримання водню - транспортування водню - водневий двигун, а такий ККД водневого двигуна значно нижче, ніж у бензинових двигунів. Отже, він неекономічний, витрачає більше палива і дає більше екологічно шкідливих викидів.

Крім того, за різними оцінками, на сьогоднішній день сумарна потужність всіх автомобілів в десятки разів перевершує сумарну потужність всіх електростанцій, а електростанції і так не завжди справляються зі зростаючою навантаженням (згадаємо недавні відключення в Москві, Владивостоку, США ...). Якщо врахувати, що на введення в лад тільки однієї електростанції потрібно (при повному фінансуванні) 3-5 років, то стає очевидно, що масовий перехід транспорту на водень в доступній для огляду перспективі неможливий в принципі.

Типи водневих двигунів

Існує два принципово різних типи водневих двигунів.

Паливні елементи - по суті, гальванічні елементи в яких реакція водню з киснем відбувається безпосередньо з отриманням електрики. Мають високий ККД, не мають рухомих частин, не гріють вулицю ... Але на сьогоднішній день мають два серйозні недоліки: низька питома потужність (навіть при невеликій потужності мають велику вагу) і висока ціна (вони містять платину і паладій). Тому вони використовуються в основному в космічних апаратах і на підводних човнах, проте, якщо їх поставити на автомобіль, то він за ціною зрівняється з космічним кораблем. Рано чи пізно ці технічні проблеми будуть вирішені, але «енергетичну проблему» вони все одно не вирішують. Тому надалі йтиметься про двигуни другого типу.

Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) на водні - принципово не відрізняється від аналогічного ДВС на пропані, на якому зараз їздить половина вантажівок. Дешева, надійна, відпрацьована конструкція. Швидше за все, перевести пропановий двигун на водень можна навіть не переробкою, а перенастроюванням - експериментальні зразки давно існують - мільярд для цього не потрібен. «Енергетичну проблему» вони також не вирішують.

Екологічні проблеми ДВС на водні

По-перше, як вже було доведено вище, водневий двигун (з урахуванням виробництва водню і електроенергії) дає більше екологічно-шкідливих викидів, правда там де розташована електростанція - де-небудь в тайзі, а не в містах, де ця проблема найбільш актуальна.

В ідеалі сам ДВС на водні викидає в атмосферу тільки водяну пару. В реальних умовах домогтися настільки ідеального згоряння практично неможливо-в залежності від умов горіння, можуть утворюватися гідроксиди OH (які взаємодіючи з металом, будуть викликати його корозію і утворювати досить небезпечну для екології луг), перекис водню (фарбовані блондинки знають, наскільки це їдке і небезпечна речовина), сполуки азоту і ін. Сам водень, витоку якого неминучі, руйнує озоновий шар.

Водяна пара, при масових викидах, так само представляє серйозну небезпеку - він може привести до важко прогнозованим кліматичним змінам; також як і CO 2, є «парниковим газом»; підсилює корозію матеріалів, що може привести до передчасних обвалень конструкцій і серйозним техногенним катастрофам; погіршує самопочуття людей; створює сприятливі умови для розмноження хвороботворних бактерій; збільшує «слизькість» дорожнього покриття і кількість туманів, що веде до підвищення кількості ДТП.

проблема безпеки

Водень, також як пропан або пари бензину в суміші з повітрям утворює «гримучу суміш». Однак, на відміну від пропану, водень неможливо утримати в балоні - молекули водню настільки малі, що легко дифундують крізь метал.

Існує й інший спосіб зберігання водню - метал-гідриди - ємності зі спеціальними сплавами, які вбирають водень в свою кристалічну решітку і віддають його при нагріванні. Такий спосіб зберігання має високу щільність упаковки палива, але загрожує тим, що ця е мкость може нагрітися і віддати водень не тільки від нагрівача, а й, наприклад, від сонця або працюючого двигуна, що може викликати витік водню і вибух.

Звичайно, все можна передбачити - створити спеціальні покриття, термостати, датчики витоку, систему вентиляції тощо, але тоді автомобіль за вартістю знову зрівняється з космічним кораблем.

висновок

Водневий двигун має певні перспективи там, де потрібні максимальні потужності, швидкості і т.д., причому будь-яку ціну, без оглядки на вартість і екологію (космічні апарати, бойова техніка, гонки ...), але масове використання його на транспорті, абсолютно безперспективно, тому він неекономічний, неекологічен, небезпечний і не може бути забезпечений воднем в необхідній кількості.

Альтернативні перспективні технології

На сьогоднішній день існують кілька дійсно перспективних технологій, які повністю не вирішують енергетичні, економічні та екологічні проблеми, але можуть дещо поліпшити ситуацію.

Біопаливо (метан, етанол, рапсове масло і ін.) - мабуть, найперспективніша на сьогоднішній день альтернатива бензину. Роботи по його впровадженню повністю або в суміші з бензином дуже активно ведуться в усьому світі. Екологічно воно не панацея, але краще бензину. Є поновлюваним джерелом. Найчастіше - дармовий: наприклад, вся Куба їздить на етанолі з відходів переробки цукрової тростини, в Гонконзі метан отримують прямо при гнитті відходів на звалищах ... Крім того, успіхи біології та генної інженерії дозволяють сподіватися на значний прорив в цьому питанні найближчим часом.

Перевага вугілля в тому, що його багато. Якщо нафти, за різними прогнозами, вистачить на 20-50 років, то вугілля на 500-1000 років. Вугілля - не найзручніше для автомобіля паливо. Але ще в СРСР і деяких інших країнах була розроблена технологія скраплення і газифікації вугілля, що дозволяє переробити кам'яне вугілля в чисте, що не уступає нафти по калорійності, рідке або газоподібне паливо. Однак, в нашій «багатою нафтою» країні, ця технологія, на жаль, не була затребувана. Зараз лідером по застосуванню цієї технології є Китай, який будує завод, який вироблятиме 5 мільйонів тонн «світлих нафтопродуктів» в рік, витрачаючи на це 15 мільйонів тонн звичайного вугілля.

Акумулятори - мають ті ж переваги і недоліки, що і паливні елементи. Тому вони перспективні в досить вузьких специфічних областях.

Гібриди - вже не завтрашній, а сьогоднішній день - Toyota Prius, Honda і ін. Активно завойовують японський і американський ринок і підбираються до європейського. У гібридах бензиновий двигун обертається не колеса, а генератор, він дає електроенергію, яка накопичується в акумуляторах і в міру необхідності передається електродвигунів, що обертає колеса. Така схема має дві основні переваги: ​​двигун, навіть при їзді «по міському циклу», працює в найбільш економічному режимі; при гальмуванні кінетична енергія автомобіля не переходить в тепло в гальмівних колодках, а повертається в акумулятор, тому що електродвигун в цьому випадку працює в режимі генератора. Тому гібриди мають більш високий ККД, отже, менше споживають бензину і дають менше шкідливих викидів. Однак, гібриди не панацея, що вирішує всі проблеми, а лише вдосконалення, трохи підвищує ККД бензинових двигунів.

Н.В.Гуліа в науково-популярній книзі «У пошуках« енергетичної капсули »(можна безкоштовно прочитати на сайті http://www.nt.org/ri/gl/ek.htm ), А так само в сотнях наукових праць і патентів дуже переконливо доводить, що кращим акумулятором енергії є маховики. Однак, промисловість чомусь не поспішає взяти на озброєння його розробки. Та й, як і будь-який інший акумулятор, він не вирішує головну - «енергетичну проблему».

FAQ (часто задаються)

питання:

Ви що, типу, найрозумніші? У всьому світі займаються воднем, а ви - проти? Може, ви відстоюєте інтереси нафтових олігархів? Ви - гальмо для прогресу.

відповідь:

Давайте розберемося, хто і навіщо насправді, займається воднем.

Великі західні компанії (перш за все німецькі і японські) ставлять водневі двигуни не на серійні моделі, а виключно на «концепт-кари», які їздять в основному по виставковим салонам. Тобто, для них водневий двигун є відносно недорогий, але дуже ефектною і ефективною рекламою.

Наш президент Путін В.В. зробив гучну заяву про підтримку водневого двигуна всього один раз перед якимось самітом по кіотського протоколу. Цим він, очевидно, хотів показати світовій громадськості, що Росія бореться за екологію. Більше він ні разу про це не заїкався, мабуть, розуміючи всю безперспективність водневого двигуна.

Як доведено вище, водневий двигун безперспективний, але його розробка вельми не дорога. Оскільки у мене немає доказів для суду, то на питання про те, куди піде левова частка мільярда, виділеного «Єдиною Росією» з бюджету, висновки робіть самі!

Серйозні російські вчені, які займаються цією проблемою, або сподіваються на застосування водневого двигуна в «оборонці», де він має певні перспективи, або просто відпрацьовують гранти.

питання:

Критикувати легко, а ти запропонуй щось натомість.

відповідь:

Див. Другу частину доповіді «Альтернативні перспективні технології».

питання:

Можливо, водневий двигун буде затребуваний, коли у людства буде достатньо електроенергії, одержуваної, наприклад, за допомогою термояда?

відповідь:

Згідно найсміливішими прогнозами вчених, перша працездатна промислова термоядерна електростанція буде створена не раніше, ніж через 30-50 років, а забезпечити все людство з надлишком електроенергією вони навряд чи зможуть раніше, ніж через 100 років при ідеальних умовах для розвитку термоядерної енергетики.

Втім, на той час напевно будуть створені набагато більш потужні, енергоємні, легкі і дешеві акумулятори, тим більше, що ця сфера зараз розвивається дуже динамічно. Тому водневий двигун все одно буде не актуальний.

Див. також

С.Южний. На користь негідних технологій і концепцій.

http://altinfoyg.narod.ru/vpntk.html

Галина РЕЗНИК, за матеріалами FT. Воднева енергетика (Незнання законів фізики не звільняє від наслідків).

http://www.tek-ua.com/article0$t!1$pa!242$a!24301.htm

Анастасія Герасимова, Юлія Говорун. Подвиг в ім'я паладію. (Про те кому і чому це вигідно)

http://www.smoney.ru/article.shtml?2006/04/17/349

Дмитро верхотуру, Ілля Кирилівський. Брудне обличчя чистої енергетики.

http://www.apn.ru/publications/comments17132.htm

Водневий міф.

http://www.goldformula.ru/index.php?issue_id=95

Сергій Строганов. Водневі двигуни визнали безперспективними.

http://autoworld.mail.am/index.php?category=319&id=797