Водневий двигун

ВОДНЕВИЙ ДВИГУН

План

1. Трохи техніки.

2. Водень як паливо.

3. Замість паливного бака.

4. Паливний елемент.

ТРОХИ ТЕХНІКИ

Америка визначила собі завдання: у найближчі 10—15 років позбутися нафтової залежності. Єдиний вихід — якомога шви­дше запустити в серійне виробництво водневий автомобіль. Європа боїться відстати, крім того, європейцям доводиться виконувати прийняті в них норми на викид шкідливих речо­вин автотранспортом, які постійно стають більш жорсткими. У 1993 році були запроваджені норми «Євро-1», у 1996 році — «Євро-2», у 1999 році — «Євро-3», а з 2005 року в Європі планується ввести в дію ще більш жорсткі норми «Євро-4». У перспективі — повна заборона на викиди шкідливих речовин автомобілями, і тоді не можна буде обійтися без машини, яка працює на водні.

Головна перешкода для впровадження водневого авто­мобіля — відсутність системи промислового отримання водню в потрібних обсягах, систем його збереження, транспортуван­ня й заправлення автомобілів. На думку американських фахі­вців, таку систему вдасться створити не раніше 2020—2030 рр. На перехідний період провідні автовиробники можуть запро­понувати так звані «гібридні автомобілі»: у них економічний двигун внутрішнього згоряння заряджає акумуляторну бата­рею, яка живить електричний двигун. Такі автомобілі розроб­ляються практично всіма провідними автомобільними компа­ніями і вже серійно випускаються в Японії.

Класична схема: двигун внутрішнього згоряння рухає колеса з допомогою механічного приводу. Нас оточують тися­чі автомобілів, але мало кому спадає на думку, що їхня ефек­тивність катастрофічне мала. Якщо взяти так звані «умови міського циклу руху», то загальний коефіцієнт корисної дії (ККД) автомобіля — 10—12% (за містом, де менше світлофо­рів, 15—17%). Отже, дев'ять літрів бензину з десяти просто летять в атмосферу.

Автомобілі на водневому паливі умовно можна розділити на три класи.

Перший — це машини зі звичайним двигуном внутріш­нього згоряння, який працює на водні або водневій суміші. Такі моделі можуть працювати на чистому водні або 5—10% водню додають до основного палива. В обох випадках ККД двигуна збільшується (у другому випадку приблизно на 20%) і вихлоп стає набагато чистішим (вміст чадного газу (СО) і вуглеводнів (С_п Н_т ) зменшується в півтора рази, оксидів ніт­рогену (КО_Х ) — до п'яти разів). Такі двигуни й автомобілі були сконструйовані й пройшли всі випробування в нас і за кордоном приблизно в 70—80-х роках. Однак, з огляду на витрати і й конструкційні складності, це може бути тільки про­міжним, перехідним етапом на шляху до третього типу.

Другий — це машини з двома електроносіями, так звані гібридні, їх колеса рухає електропривод, енергію якому по­стачає акумулятор, що у свою чергу заряджається від високо-економічного двигуна внутрішнього згоряння, що працює на водні або суміші водню з бензином. Це дуже вигідно, адже ККД електродвигуна сягає 90—95% на відміну від бензиново­го (35%) або дизельного (50%). Таким чином, загальний ККД підвищується до 30%, відповідно знижується витрата палива. Навіть якщо для підзарядки акумулятора використовується бензин, об'єм шкідливих викидів дозволить вкластися в нор­ми «Євро-4» із десятикратним запассґм. І все-таки отримати абсолютно чистий вихлоп можна тільки від автомобілів тре­тього типу.

Третій — справжній водневий автомобіль — це машина з електродвигуном, який працює від паливного елемента, що знаходиться в автомобіли. Теоретично ККД паливного елемен­та, що працює на суміші водень—повітря, може перевищувати 85%. Зараз вже вдалося одержати двигуни з ККД близько 75% — це більш ніж удвічі вище відповідного покажчика най­кращих двигунів внутрішнього згоряння. В умовах міста такі машини одержать п'яти-шестиразову перевагу над звичайни­ми автомобілями.

ВОДЕНЬ ЯК ПАЛИВО

Сучасні технології виробництва водню далекі від доско­налості.

Незважаючи на це, гіганти хімічної промисловості й сьо­годні вже одержують по 500 млрд м³ водню на рік. Половина виробленої кількості йде на амонійні добрива, решта — на ви­робництво сталі, скла, маргарину та ін. В основному водень одержують за допомогою парового риформінгу природного

газу: метан при високих температурах (900° С) у присутності нікелевого каталізатора реагує з парою. Поки що такий во­день найдешевший.

Є й інші технології отримання водню, наприклад електро­ліз, крекінг або переробка біомаси (деревини, соломи). Кожен із цих варіантів має свої недоліки. Наприклад, переробка біо­маси: ЇЇ нагрівають на 500—600°С, після чого виходять спирти (етанол, метанол), які, у свою чергу, перетворюються на во­день. Можна нагріти біомасу до більш високих температур (1000°С), тоді вона повністю перетвориться на газ і вийде суміш Н₂ і СО. Проблема в тому, що сировини для такого процесу знадобиться дуже й дуже багато. Якщо, наприклад, усю родючу територію Франції пустити на вирощування біо­маси, то водню, отриманого з неї, не вистачить навіть на те, щоб покрити потреби цієї-країни в паливі навіть для нині існу­ючих автомобілів.

Здавалося б, найпростіший спосіб отримання водню — електроліз (електричне розщеплення води). Результат — во­день і кисень. Але загалом ефективність цього процесу не дуже висока: треба витратити 4 кВт електроенергії, щоб одержати 1 м³ водню, який, зг