Двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе как одно из ведущих и перспективных направлений альтернативной энергетики будущего | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 31 августа, печатный экземпляр отправим 4 сентября.

Опубликовать статью в журнале

Рубрика: Химия

Опубликовано в Юный учёный №3 (6) май 2016 г.

Дата публикации: 20.04.2016

Статья просмотрена: < 10 раз

Библиографическое описание:

Пятышина А. В., Хаматова Э. А., Миниахметов А. А. Двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе как одно из ведущих и перспективных направлений альтернативной энергетики будущего // Юный ученый. — 2016. — №3. — С. 152-156. — URL https://moluch.ru/young/archive/6/400/ (дата обращения: 21.08.2019).



В роли топлива для автомобилей применяется около половины добываемых в недрах земли нефтепродуктов. Согласно [1], нефть — это один из не возобновляемых природных ресурсов, именно поэтому поиск неограниченного источника энергии был и остается актуальным и в наше время.

С другой стороны, резервы водорода [2] на планете Земля неисчерпаемы, что дает повод рассматривать его как топливо для двигателей автомобилей. Реализация этих предположений осуществима, несмотря на определенные трудности в его хранении и транспортировке. Также, большим преимуществом является то, что при сжигании одинакового количества водорода (H2) и бензина [3], в первом случае энергии выделяется порядка Q1 = 120 МДж, во втором всего лишь около Q2 = 44 МДж, где разница ΔQ = 76 МДж.

Реакция горения водорода (H2) является довольно сильной экзотермической реакцией [4], в итоге которой образуется вода 2О) и теплота сгорания (Q1). Приведем химическую реакцию: 2H2 + O2 = 2H2O + Q1 (~120 МДж).

Бензин же, согласно [3], представляет собой смесь газов и жидкостей, к которой мы добавляем кислород 2) и в результате у нас образуется углекислый газ (СО2), вода 2О) и теплота сгорания (Q2). Приведем химический вид реакции с указанием выделяемых компонентов: (Смесь газов и жидкостей) + О2 = СО2 + Н2О + Q2 (~44 МДж).

Как мы видим, энергия, выделяемая при сжигании водорода 2) практически в три раза больше, чем при сжигании бензина.

Цель исследования. В связи с этим, целью данной работы является краткое знакомство с двигателем внутреннего сгорания на водородном топливе согласно истории развития и современным естественнонаучным представлениям ученых исследователей.

Исторические сведения. Через одиннадцать лет, после выдачи документа на двигатель, функционирующий на смеси водорода (H2) и кислорода 2), в Германии в 1852 году был создан двигатель внутреннего сгорания [5]. Известно, что на один из дирижаблей компании Zeppelin-Гиденбург [6] были установлены ходовые двигатели, работавшие на смеси водорода (50 %) и различных газов (светильном газе) [7].

В семидесятые годы прошлого столетия внимание к водородным двигателям увеличилось в связи с появлением топливно-энергетического кризиса. По определению современных авторов [8], топливно-энергетический кризис — это кризис, появляющийся в связи с обнаружением исчерпаемости нефтяных ресурсов.

Это и произошло в 1873 году, когда арабские страны-члены ОАПЕК [9], Египет и Сирия объявили, что прекращают поставлять нефть странам, которые поддержали Израиль во время войны судного дня. Прежде всего, это относилось к США и их союзникам в Западной Европе. Цены на нефть поднялись в четыре раза (с 3 до 12 долларов за баррель). Этот нефтяной кризис до сих пор числится, как самый первый и крупнейший за всю историю человечества.

Интерес к другим источникам энергии, при завершении нефтяного кризиса, не пропал. Переработка нефти и нефтепродуктов очень вредна для окружающей среды, и экологи пытаются найти альтернативу ресурсу. Исследованиям, изучающим способы применения водорода (H2) в машинах, содействуют многие факторы, например увеличение цен на энергоносители или стремление получить топливную независимость у немалого количества стран.

Такие известные современные компании двадцать первого века, как General Motors (Америка) [10], Honda (Япония) [11], Ford Motor Company (США) [12] и BMW AG (Германия) [13] с инициативой исследуют разработку водородных двигателей.

Создание первого водородного двигателя, работающего на водороде (H2), относится к 1806 году, когда французско-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [14], создал двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном водороде. Водород (H2) изобретатель получал следствием электролиза воды [15]. Однако, транспорт, работающий на водороде (H2), пока только в исследованиях и стадиях разработки.

Как известно, нефть — ресурс невозобновимый, и формироваться он будет в течение длительного (геологического) времени. Некоторые считают, что будущее за биотопливом [16], получаемым из продуктов растительного или животного сырья. Такое биотопливо производят лишь в шести государствах ЕС (Европейский союз) [17].

Несмотря на то, что биотопливо производят в крупных промышленных масштабах, его доля в топливном балансе не превышает лишь 1 %.

В наши дни уже совершенно ясно, что двадцать первый век последним использует нефть, как топливо. Всё это отражается в увеличении цен на нефтепродукты, а также влияет на замедление развитий некоторых стран и общей экономике мира. Возникает простой, но немаловажный вопрос: «Чем же мы заправляться будем?".

Теория вопроса. Современные технические специалисты совместно с учеными считают, что в будущем мы сможем перейти на двигатели внутреннего сгорания, работающие на водородном топливе.

Водород (H2) актуален тем, что он может оказаться единственным возобновляемым источником энергии. Также у него есть ряд неоспоримых плюсов: (1) Огромным преимуществом водородных двигателей, конечно же, является экологичность, ведь продуктом горения водорода (H2) является водяной пар и, сравнительно с бензином, незначительное количество токсичных выбросов; (2) Простота конструкции; (3) Двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе имеет КПД [18] выше, чем на обычном топливе.

Для всеобщего перехода на водородное топливо существует также ряд проблем и препятствий: (1) В промышленных масштабах получать водородное топливо дорого и затруднительно; (2) Водород (H2) имеет более высокую опасность возгорания, чем бензин.

Информация о плюсах и минусах водородного топлива дает нам понять, почему же откладывается серийный выпуск автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, где в качестве топлива используется водород (H2). Однако из-за многочисленных экологических препятствий, это может стать единственным альтернативным решением проблемы.

Несомненно, понятие «водородное топливо» напрямую связано с понятием «водород». Согласно источнику [2], водород — это самый легкий бесцветный газ, который в соединении с кислородом (O2) образует воду (H2O) [19], а также является самым распространенным элементом во Вселенной.

Если говорить о способах его получения, то водород (H2) чаще всего получают из реакций металла с каким-либо соединением водорода. В лабораторных условиях чаще всего используют реакцию между цинком (Zn) [20] и соляной кислотой (HCl) [21].

А в промышленности большое количество водорода (H2) получают из метана (CH4) [22], добавляя к нему перегретый водяной пар. Также есть промышленный способ получения более чистого водорода (H2) электролизом [15] воды (H2O), но этот способ требует больших энергетических затрат, поэтому менее распространен.

Способов получения водорода (H2) существует огромное количество, так как его запасы на Земле огромны, но водород 2) редко встречается в несвязанном состоянии, и быть непосредственным источником он не может, его необходимо вырабатывать. Из этого следует, что КПД этого процесса не может быть больше единицы. Это значит, что энергия, получаемая при сжигании водорода (H2) должна быть больше энергии, которую надо затратить на его выделение.

Если рассматривать водород (H2) как топливо, то непременно можно найти как плюсы, так и минусы, но водород (H2) является единственным источником экологической энергии с перспективным будущим. Ученым надо лишь разработать инфраструктуру, обнаружить способ добычи водорода (H2), привести в порядок инструкции по эксплуатации топлива и тогда весь мир сможет навсегда забыть о проблемах бензиновой зависимости.

Все автомобили, работающие на водородном топливе, делятся на три группы.

1) В первую группу можно отнести автомобили с обычным двигателем, который работает или на водородной основе или на чистом водороде. КПД у таких двигателей увеличивается, а выхлоп становятся намного чище.

2) Ко второму типу можно отнести автомобили, имеющие два электроносителя, другое название у которых гибридные. Колеса машины приводят в движение электропривод, энергию которому доставляет аккумулятор, заряжающийся от высокоэкономичного двигателя. Данный двигатель может работать как на чистом водороде (H2), так и на смеси водорода (H2) и бензина.

3) Третий тип — это настоящий водородный двигатель. В него встроен электродвигатель, питающийся от основного топливного элемента. Однако, в теории КПД у этого двигателя может достигать лишь 85 %.

На сегодняшний день создали двигатели с КПД, превышающие лишь 75 %, а это в два раза больше, чем в наилучших двигателях внутреннего сгорания. Такие двигатели получают большое преимущество над автомобилями, которые работают на бензине. Это означает, что каким бы важным элементом не являлся водород (H2) на планете, важным аспектом остается методика его получения в промышленных масштабах.

Методы получения водорода в промышленности. Рассмотрим наиболее известные химические подходы и методы получения водорода (H2) в огромных масштабах.

Паровая конверсия метана и природного газа. По определению [23], паровая конверсия — это получение чистого водорода из легких углеводородов путём парового риформинга (каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара) [24].

Рассмотрим взаимодействие легкого углеводорода (в нашем случае метана CH4) с водяным паром при соответствующих катализаторах (Fe2O3) и температуре (t ≈ 1100 °С).

Химическая реакция: СН4 + Н2О (пар) + 204 кДж (при постоянном давлении).

Обязательное тепло для реакции следует доставлять, либо получать извне, или же используя «внутреннее сгорание», т. е. подмешивая воздух или кислород (О2) так, чтобы часть метана (CH4) прогорала до диоксида углерода (СО2) [25].

Химическая реакция: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О (пар) + 802 кДж (при постоянном давлении).

При этом компоненты выбираются с определенной пропорцией, чтобы реакция, в общей сложности, была экзотермической (химическая реакция, сопровождающаяся выделением теплоты) [4].

Химическая реакция: 12СН4 + 5Н2О (пар) + 5О2 = 29Н2 + 9СО + 3СО2 + 85,3 кДж.

Газификация угля. Согласно источнику [26], газификация — это процесс преобразования органической части твёрдого или жидкого топлива в горючие газы при высокотемпературном (t ≈ 1000–2000 °C) нагреве с окислителем (кислород, воздух, водяной пар, CO2 или, чаще, их смесь) [27].

Для получения водорода (H2), нужно без доступа воздуха, как предполагается, при высокой температуре (t ≈ 800–1300 °C) нагреть уголь [28] с водяным паром. При этом из воды (H2O) уголь вытесняет кислород (O2). На выходе образуется углекислый газ (СО2) и водород 2).

Химическая реакция: С + 2Н2О (пар) = СО2 + 2Н2.

Себестоимость процесса порядка $2-$2,5 за килограмм водорода (H2). В перспективах будущего возможно снижение цены до $1,50 с учетом доставки и хранения.

Электролиз воды. Согласно источнику [29], наиболее простой способ получения водорода (H2) — это электролиз воды. Электролиз, говоря простым языком, это распад молекулы под действием электрического тока. Для получения водорода (H2) нужно взять емкость, содержащую раствор соды, и поместить два электрических элемента, один из которых катод (соответствует минусу), другой анод (соответствует плюсу). Через данный раствор проводится ток, который разлаживает воду (H2O) на составляющие: водород (H2), выделяется на катоде и кислород (O2), выделяется на аноде.

Химическая реакция: 2О = 2Н2 + О2.

Пиролиз. Если в электролизе используют электрический ток, то в пиролизе [30] используют температуру. Процесс пиролиза — это термическое разложение органических и многих неорганических соединений. Под действием высокой температуры (выше 700 °C) без доступа воздуха, вода (H2O) разлагается на водород (H2) и кислород (O2).

Химическая реакция: 2О = 2Н2 + О2.

Частичное окисление. В данном случае берутся сплав алюминия (Al) и галлия (Ga), которые формируются в специальные брикеты и помещаются в ёмкость с водой (H2O). В результате реакции образуется водород 2) и оксид алюминия (Аl2O3). Галлий (Ga) же используется в сплаве для предотвращения окисления алюминия (Al).

Химическая реакция: 2Al + 3H2O = Al2O3 + 3H2.

Биотехнологии. Водород (H2) из биомассы можно получить двумя методами.

1) Термохимический метод. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода (O2) до температуры t ≈ 500–800 °C (для отходов древесины). В результате процесса выделяется водород (H2), угарный газ (CO) и метан (CH4).

2) Биохимический метод. Биохимический способ предполагает нагревание различных бактерий при температуре t ≈ 30 °C при нормальном атмосферном давлении [31].

Также, уже в двадцатом веке было известно, что водоросли хламидомонады [32] бурно выделяют водород (H2) при нехватке кислорода (O2) и серы (S) в процессе жизнедеятельности (в таких случаях процессы фотосинтеза [33] у них резко ослабевают).

Выводы и заключение. Методов получения водорода (H2) немало, но ученые не останавливаются на достигнутых результатах. Например, в университете Нового Южного Уэльса (Австралия) в настоящее время разрабатывается и готовится к испытаниям новый способ получения водорода (H2). Он заключается в получении данного газа из солнечной энергии, т. е. по направлению альтернативной энергетики [34].

Солнечный свет преобразуется в электричество, которое в свою очередь распадается на воду (H2O), водород (H2) и кислород (O2), и всё это будет происходить в присутствии катализатора диоксида титана (TiO2).

Хотелось бы сказать о том, что выбор использования какого-либо метода для получения водорода (H2) зависит от нескольких различных факторов: (1) экономические соображения, (2) наличие соответствующих сырьевых, (3) энергетических ресурсов.

В свете последних событий (ухудшающаяся экология, не лучшая экономическая ситуация), все вышесказанное наталкивает на мысли о том, что двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе, возможно, станет единственным продуктивным и качественным решением проблемы.

Но, учитывая некоторые недостатки водородного двигателя, и наличие другого топлива (на сегодняшний день, это нефть), на неопределенный срок откладывается серийный выпуск водородных автомобилей будущего.

Литература:

1. Леффлер У. Л. Переработка нефти. — М.: «Олимп-Бизнес», 2011. — 224 с.

2. Водород. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Водород (дата обращения 10.04.2016).

3. Бойко Е. В. Химия нефти и топлив. Учебное пособие. — Ульяновск: УлГТУ, 2007. — 60 с.

4. Экзотермические реакции. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Экзотермические_реакции (дата обращения 10.04.2016).

5. Двигатель внутреннего сгорания. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_внутреннего_сгорания (дата обращения 11.04.2016).

6. Dick H. G., Robinson D. H. The golden age of the great passenger airships Graf Zeppelin and Hindenburg. — Washington, D.C.; London: «Smithsonian Institution Press», 1985. — 226 p.

7. Светильный газ. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Светильный_газ (дата обращения 11.04.2016).

8. Долан С., Гарсия С.Управление на основе ценностей. — М.: «Претекст», 2008. — 308 с.

9. Организация арабских стран-экспортёров нефти. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Организация_арабских_стран-экспортёров_нефти (дата обращения 11.04.2016).

10. General Motors. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/General_Motors (дата обращения 11.04.2016).

11. Honda. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Honda (дата обращения 11.04.2016).

12. Ford. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ford (дата обращения 11.04.2016).

13. BMW. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/BMW (дата обращения 11.04.2016).

14. Федосеев C. Все танки Первой Мировой. Самая полная энциклопедия. — М.: «Litres», 2014. — С.18.

15. Электролиз. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электролиз (дата обращения 12.04.2016).

16. Биотопливо. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Биотопливо (дата обращения 12.04.2016).

17. Sari, Aurel. The Conclusion of International Agreements by the European Union in the Context of the ESDP. // International and Comparative Law Quarterly. — Social Science Electronic Publishing, 2008. — Vol.57. — P.53–86.

18. Зубарев Д. Н. Коэффициент полезного действия. // Физическая энциклопедия. — М.: «Советская энциклопедия», 1990. — Т.2. — С.484–485.

19. Маленков Г. Г. Вода. // Физическая энциклопедия. — М.: «Советская энциклопедия», 1988. — Т.I. — С.294–297.

20. Цинк. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Цинк (дата обращения 13.04.2016).

21. Соляная кислота. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Соляная_кислота (дата обращения 13.04.2016).

22. Метан. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Метан (дата обращения 13.04.2016).

23. Паровая конверсия. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Паровая_конверсия (дата обращения 14.04.2016).

24. Агабеков В. Е., Косяков В. К. Нефть и газ. Технологии и продукты переработки. — Ростов-на-Дону: «Феникс», 2014. — 458 с.

25. Диоксид углерода. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Диоксид_углерода (дата обращения 13.04.2016).

26. Газификация. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Газификация (дата обращения 13.04.2016).

27. Окислитель. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Окислитель (дата обращения 13.04.2016).

28. Ископаемый уголь. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ископаемый_уголь (дата обращения 13.04.2016).

29. Рифкин Дж. Если нефти больше нет... Кто возглавит мировую энергетическую революцию? — М.: «Секрет фирмы», 2006. — 416 с.

30. Мухина Т. Н. Пиролиз углеводородного сырья. — М.: «Химия», 1987. — 240 с.

31. Перышкин А. В. Измерение атмосферного давления. Опыт Отто Герике. // Физика. 7 класс. / Тихонова Е. Н. — 16-е изд. — М.: «Дрофа», 2013. — С.190.

32. Хламидомонада. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Хламидомонада (дата обращения 14.04.2016).

33. Любименко В. Влияние света на усвоение органических веществ зелёными растениями. // Известия Императорской Академии наук. — VI серия. — 1907. — № 12. — С.395–426.

34. Philip Wolfe Solar Photovoltaic Projects in the Mainstream Power Market. // Oxford: Routledge. — 2012. — С.240.



Задать вопрос