Водород (H2) - это альтернативное топливо, которое получают из углеводородов, биомассы, мусора. Водород помещают в топливные элементы (что-то вроде бензобака для топлива) и автомобиль перемещается, используя энергию водорода.

Хотя водород пока рассматривается только как альтернативное топливо будущего, правительство и промышленность работают над чистым, экономичным и безопасным производством водорода для электрических автомобилей на топливных элементах (FCEV). FCEV уже поступают на рынок в регионах, где немного развита инфраструктура водородных заправок. Рынок также развивается для спецтехники: автобусов, погрузочно-разгрузочного оборудования (например, вилочных погрузчиков), наземного вспомогательного оборудования, средних и больших грузовиков.

Автомобили на водороде Toyota, GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz понемногу появляются в дилерских сетях. Стоят такие машины в районе 4-6 миллионов рублей (Toyota Mirai - 4 млн. руб., Honda FCX Clarity - 4 млн. руб.).

Ограниченными сериями выпускаются:

• BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen — двухтопливные (бензин/водород) легковые автомобили. Используют жидкий водород.
• Audi A7 h-tron quattro — электро-водородный гибридный легковой автомобиль.
• Hyundai Tucson FCEV
• Ford E-450. Автобус.
• Городские автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

• Ford Motor Company — Focus FCV;
• Honda — Honda FCX;
• Hyundai Nexo
• Nissan — X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);
• Toyota — Toyota Highlander FCHV
• Volkswagen — space up!;
• General Motors;
• Daimler AG — Mercedes-Benz A-Class;
• Daimler AG — Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);
• Toyota — FCHV-BUS;
• Thor Industries — (топливные элементы компании UTC Power);
• Irisbus — (топливные элементы компании UTC Power);

Водород обилен в окружающей среде. Он хранится в воде (H2O), углеводородах (метан, CH4) и других органических веществах. Проблема водорода как топлива в эффективности его извлечения из этих соединений.

При извлечении водорода, в зависимости от источника, в атмосферу попадают вредные для окружающей среды выбросы. При этом, автомобиль работающий на водороде, в качестве выхлопных газов выделяет только водяной пар и теплый воздух, у него нулевой уровень выбросов.

ВОДОРОД В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА

Интерес к водороду как альтернативному транспортному топливу обусловлен:

• способностью использовать топливные элементы в FCEV с нулевым уровнем выбросов;
• потенциалом для внутреннего производства;
• быстрой заправкой автомобилей (3-5 минут);
• по расходу и цене, топливные элементы до 80 процентов эффективнее обыкновенного бензина

В Европе стоимость заправки полного бака водорода емкостью в 4.7 килограмма обойдется в 3 369 рублей (717 рублей за килограмм). На полном баке Toyota Mirai в среднем проезжает 600 километров, итого 561 рубль на 100 километров. Для сравнения, цена 95-го бензина равна 101 рубль, т.е. 10л бензина обойдется в 1010 рублей или 6 060 рублей за 600 километров. Цены на 2018 год.

Данные розничных водородных заправочных станций, собранные и проанализированные Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, показывают, что среднее время на заправку FCEV, составляет менее 4 минут.

Топливный элемент, соединенный с электродвигателем, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. Водород используют и как топливо для двигателей внутреннего сгорания (BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen). Однако, в отличие от FCEV, такие двигатели выпускают вредные выхлопные газы, не такие мощные как водородные и быстрее подвержены износу.

В 1 килограмме газообразного водорода столько же энергии как в бензине объемом 1 галлон (6,2 фунта, 2,8 килограмма). Поскольку в водороде низкая объемная плотность энергии, он хранится на борту транспортного средства в виде сжатого газа. В машинах водород хранится в резервуарах высокого давления (топливных элементах), способных хранить водород на 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Например, FCEV, выпускаемые автопроизводителями и доступные в автосалонах, имеют емкость в 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Розничные диспенсеры, которые в основном расположены на автозаправочных станциях, заполняют такие резервуары за 5 минут. Разрабатываются и другие технологии хранения, включая химическое соединение водорода с металл гидридом или низкотемпературными сорбционными материалами.

Заправочных станций на водородные машины почти нет, следите за динамикой - в 2006 году в мире насчитывалось 140 заправок, а к 2008 году 175. Чувствуете, за 2 года построено 35 станций, 45% из которых находятся в США и Канаде. К 2018 году число станций равно приблизительно 300 единицам. Еще есть мобильные станции и домашние, точное число которых не известно.

КАК РАБОТАЕТ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Прокачивая кислород и водород через катоды и аноды, которые контактируют с платиновым катализатором, происходит химическая реакция, в результате которой получается вода и электрический ток. Набор из нескольких элементов (ячеек) необходим, чтобы увеличить заряд в 0,7 вольт в одной ячейке, что приводит к увеличению напряжения.

Ниже смотрите схему, как получается топливный элемент.

ГДЕ ЗАПРАВЛЯТЬ ВОДОРОДОМ АВТОМОБИЛИ

Революция водородных топливных элементов не начнется без достаточного потребителю количества водородных АЗС, поэтому отсутствие инфраструктуры водородных заправочных станций по-прежнему тормозит развитие водорода как . Американцы уже давно видят на своих улицах машины, передвигающиеся на топливных элементах, например, Honda FCX Clarity, которые каждый день перевозят людей на работу и с работы. Почему же до сих пор нет заправочных станций?

Хотим отметить, что в статье обсуждается американский рынок, ибо в России, о водородном топливе для автомобилей пока говорить нечего, его тут просто нет. И причина не в лобби нефтяных магнатов, просто в России не та экономика, чтобы АВТОВаз начал исследования в этой области. Япония и Америка, в отличие от России, уже давно исследуют этот альтернативный источник топлива и ушли далеко вперед (первый автомобиль на водороде в США появился в 1959 году)

Рядовому Американцу, в зависимости, где он живет, возможно, придется немного подождать появления водородных заправочных станций. Еще пять лет назад общественное мнение сходилось на том, что «водородные автомобильные дороги» будут стимулировать будущее. В США планировалась стройка станций вдоль Калифорнийского побережья, от Мэна до Майами.

ТЕНДЕНЦИЯ СОЗДАНИЯ ЗАПРАВОЧНЫХ ВОДОРОДНЫХ СТАНЦИЙ

Северная Америка, Канада

Пять станций построены в Британской Колумбии (западная провинция Канады) с 2005 года. Больше станций строить в Канаде не будут, проект завершился в марте 2011 года.

Соединенные Штаты

Аризона: прототип водородной заправочной станции построен по всем правилам безопасности для окружающей среды в Финиксе, чтобы доказать возможность строительства таких заправочных станций в городских районах.

Калифорния: В 2013 году губернатор Браун подписал законопроект о финансировании 20 миллионов в год в течение 10 лет на 100 станций. Комиссия по энергетике Калифорнии выделила 46,6 млн. долларов США на 28 станций, которые будут завершены в 2016 году, что наконец приблизит отметку в 100 станций в заправочной сети Калифорнии. По состоянию на август 2018 года в Калифорнии открыто 35 станций и еще 29 ожидается до 2020 года.

Гавайи открыли первую водородную станцию в Хикаме в 2009 году. В 2012 году компания Aloha Motor Company открыла водородную станцию в Гонолулу.

Массачусетс: французская компания Air Liquide завершила строительство новой водородной заправочной станции в Мэнсфилде в октябре 2018 года. Единственная водородная заправочная станция в штате Массачусетс расположенная г. Биллерика (40 243 жителей), в штаб-квартире компании Nuvera Fuel Cells, изготавливающей водородные топливные элементы.

Мичиган: В 2000 году Ford и Air Products открыли первую водородную станцию в Северной Америке в Дирборне, штат Мичиган.

Огайо: В 2007 году в кампусе Государственного университета штата Огайо в Центре автомобильных исследований открылась водородная заправочная станция. Единственная на все Огайо.

Вермонт: водородная станция построена в 2004 году в городе Берлингтон. Проект частично профинансирован через Программу водородного водоснабжения Министерства энергетики Соединенных Штатов.

Азия

Япония: В период с 2002 по 2010 год в Японии по проекту JHFC было введено несколько заправочных станций с водородом для тестирования технологий производства водорода. В конце 2012 года было установлено 17 водородных станций, в 2015 году установлено 19. Правительство рассчитывает создать до 100 водородных станций. В бюджете для этого выделено 460 млн. долларов США, что покрывает 50% расходов инвесторов. JX Energy установило 40 станций к 2015 году и еще 60 в период 2016-2018 годов. Toho Gas и Iwatani Corp установили 20 станций в 2015 году. Тойота и Air Liquide создали совместное предприятие для строительства 2 водородных станций, которые построили в 2015 году. Осака-газ построили 2 станции за 2014-2015 годы.

Южная Корея: В 2014 году, в Южной Корее введена в эксплуатацию одна водородная станция еще на 10 станций, запланированных на 2020 год.

Европа

По состоянию на 2016 год в Европе работают более 25 станций, способных заполнять 4-5 автомобилей в день.

Дания: В 2015 году в сети водородных сетей было 6 общественных станций. H2 Logic, входящая в NEL ASA, строит завод в Хернинге для выпуска 300 станций в год, каждая из которых может выдавать 200 кг водорода в день и 100 кг за 3 часа.

Финляндия: В 2016 году в Финляндии работают 2 + 1 (Voikoski, Vuosaari) общественные станции, одна из них подвижная. Станция заправляет автомобиль 5 килограммами водорода за три минуты. Завод по созданию водорода работает в г. Коккола, Финляндия.

Германия: По состоянию на сентябрь 2013 года работает 15 общедоступных водородных станций. Большинство, но не все из этих станций эксплуатируются партнерами Clean Energy Partnership (CEP). По инициативе H2 Mobility число станций в Германии должно возрасти до 400 станций в 2023 году. Цена проекта 350 миллионов евро.

Исландия: Первая коммерческая водородная станция открыта в 2003 году в рамках инициативы страны по движению в сторону "водородной экономики".

Италия: С 2015 года в Больцано открыта первая коммерческая водородная станция.

Нидерланды: Нидерланды открыли первую общественную автозаправочную станцию 3 сентября 2014 года в Роуне близ Роттердама. Станция использует водород из трубопровода из Роттердама в Бельгию.

Норвегия: В феврале 2007 года открыта первая в Норвегии водородная заправочная станция Hynor. Uno-X в партнерстве с NEL ASA планирует построить до 20 станций до 2020 года, включая станцию с производством водорода на месте из избыточной солнечной энергии.

Объединенное Королевство

В 2011 году открылась первая общественная станция в Суиндоне. В 2014 году HyTec открыл станцию London Hatton Cross. 11 марта 2015 года проект по расширению сети водородных сетей в Лондоне открыл первый супермаркет, расположенный на заправочной станции для водорода в Sensbury"s Hendon.

Калифорния впереди планеты всей в области финансирования и строительства водород -заправочных станций для FCEV. По состоянию на середину 2018 года в Калифорнии было открыто 35 розничных водородных станций, а еще 22 - на разных этапах строительства или планирования. Калифорния продолжает финансировать строительства инфраструктуры, а Энергетическая комиссия имеет право выделять до 20 млн. долларов США в год до 2024 года, пока не заработает 100 станций. Для северо-восточных штатов планируют построить 12 розничных станций. Первые откроются к концу 2018 года. Некоммерческие станции в Калифорнии и станции построенные в остальных штатах США обслуживают легковые FCEV, автобусы, а также используют для исследовательских и демонстрационных целей.

Расходы на содержание водородных станций

Водородным заправкам не так-то просто заменить обширную сеть бензозаправочных станций (в 2004 году 168 000 точек в Европе и США). Замена бензиновых станций на водородные стоит полтора триллиона долларов США. При этом цена обустройства водородной топливной сети в Европе может быть в пять раз ниже чем цена заправочной сети для электромобилей. Цена одной EV - станции от 200 000 до 1 500 000 рублей. Цена водородной станции - 3 миллиона долларов. При этом, водородная сеть будет все равно дешевле сети станций для электромобилей по окупаемости. Причина в быстрой заправке водородных автомобилей (от 3 до 5 минут). На миллион автомобилей на топливных водородных элементах требуется меньше водородных станций, чем зарядных станций на миллион аккумуляторных электромобилей.

В будущем вопрос заправки водородом будет решаться для человека в зависимости от его места жительства. АЗС будут заправлять автомобили водородом, доставленным на танкерах с крупных предприятий по реформингу топлива. Поставки с таких предприятий ничем не будут уступать поставкам бензина с нефтеперегонных заводов. В перспективе, местные водородные заводы научаться извлекать пользу из местных ресурсов и из возобновляемых источников энергии.

СПОСОБЫ ДОБЫЧИ ВОДОРОДА

• паровая конверсия метана и природного газа;
• электролиз воды;
• газификация угля;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии

Паровой риформинг метана

Способ отделения водорода путем парового метанового реформинга применим к ископаемому топливу, например, к природному газу - его нагревают и добавляют катализатор. Природный газ не возобновляемый источник энергии, но пока он есть и добывается из недр земли. Министерство энергетики утверждает, что выбросы автомобилей, работающих на реформированном водороде, вдвое меньше, чем у автомобилей, работающих на бензине. Производство реформированного водорода уже запущен на полную катушку и добывать водород таким способом дешевле, чем водород из других источников.

Газификация биомассы

Водород также добывают из биомассы - сельскохозяйственных отходов, отходов животноводства и сточных вод. Используя процесс, который называется газификация, биомассу помещают под воздействие температуры, пара и кислорода чтобы образовать газ, который после дальнейшей обработки дает чистый водород. «Существуют целые полигоны для сбора сельскохозяйственных отходов - готовые источники водорода, потенциал которых недооценен и тратится впустую», сетует директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов, Джеймс Варнер.

Электролиз

Электролиз - процесс отделение водорода из воды при помощи электрического тока. Этот способ звучит проще, чем возня с ископаемым топливом и отходами животноводства, но у него есть недостатки. Электролиз конкурентоспособен в тех районах, где электричество дешевое (в России этом могла бы быть Иркутская область - 8 электростанций на область, 1 рубль 6 копеек за киловатт-час).

Солнечные водородные станции компании Honda используют энергию солнца и электролизер, чтобы отделить «Н» от «О» в Н2О. После отделения водород хранится в баке под давлением в 34.47 МПа (мегапаскаль). Используя только солнечную энергию, станция создает 5 700 литров водорода в год (этого топлива достаточно для одного автомобиля со средним годовым пробегом). При подключении к электрической сети, станция выдает до 26 тысяч литров в год.

«Как только водород получит нишу на топливном рынке, и как только на него будет спрос, станет ясно, какой способ извлечения водорода выгоден», говорит директор по политике Ассоциации по исследованию водородной энергетики и топливных элементов Джеймс Варнер. «Некоторые из способов производства водорода потребуют новых законов, регулирующих его добычу. Если водород будет пользоваться постоянным спросом, увидите, как начнут регулировать правила пользования сельскохозяйственными отходами и водой для электролиза».

Основную часть водорода, извлекаемого в Соединенных Штатах каждый год, применяют для переработки нефти, обработки металлов, производства удобрений и переработки пищевых продуктов.

УДЕШЕВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ВОДОРОДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ И ИХ РАЗВИТИЕ

Еще одно препятствие для производителей автомобилей на водородном топливе - цена водородных технологий. Например, набор топливных элементов для автомобилей до настоящего момента, опирается на платину в качестве катализатора. Если приходилось покупать колечко из платины для любимой, высокая цена на метал вам известна.

Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории доказали, что замена этого дорогого металла на более распространенные - железо или кобальт, в качестве катализатора возможна. А ученые из Case Western Reserve University разработали катализатор из углеродных нанотрубок, которые в 650 раз дешевле, чем платина. Замена платины как катализатора в топливных элементах, заметно снизит стоимость технологии водородных топливных элементов.

На этом исследования по совершенствованию водородного топливного элемента не заканчиваются. Mercedes разрабатывает технологию сжатия водорода до давления в 68.95 МПа (мегапаскаль), чтобы на борту автомобиля помещалось больше топлива, с передовым как дополнительным хранилищем энергии. "Если все получится, у автомобилей на водороде диапазон движения превысит 1000 км." считает доктор Герберт Колер, вице-президент Daimler AG.

Министерство энергетики США утверждает, что себестоимость сборки автомобилей с топливным элементом снижены на 30 процентов за последние три года и на 80 процентов за последнее десятилетие. Срок службы топливных элементов увеличился вдвое, но этого недостаточно. Для конкурентоспособности с электромобилями срок службы топливных элементов нужно увеличить в два раза. Нынешние автомобили с водородным топливным элементом, работают около 2 500 часов (или примерно 120 000 км), но этого мало. «Чтобы конкурировать с другими технологиями, нужно достичь результата в 5 000 часов, как минимум», говорит один из членов ученого совета министерской программы по топливным элементам.

Развитие технологий водородных топливных элементов снизит себестоимость производство автомобилей за счет упрощения механизмов и систем, но выгоду производители получат только при серийном выпуске. Препятствием на пути к массовому выпуску автомобилей на водороде, служит то, что нет оптовых поставок запчастей для автомобилей с водородным топливным элементом. Даже автомобиль FCX Clarity, который уже выпускается серией, не обеспечен дополнительными запчастями по оптовым ценам (просто они не пользовались поиском от ). Автопроизводители решают проблему по-своему, устанавливают топливные элементы водорода в дорогие модели для обкатки. Дорогие автомобили выпускаются в меньшем количестве, чем бюджетные, а значит и проблем с поставкой запчастей к ним нет. «Мы внедряем "водородную технологию" в люксовые автомобили и отслеживаем как она себя показывают на практике. Пока рынок принимает водородные автомобили, как лет 10 назад принимал технологию гибридов, автопроизводители в это время наращивают объемы водородных моделей, спускаясь по цепочке к бюджетным авто», говорит Стив Эллис, менеджер по продажам автомобилей с топливным элементом компании Honda.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДОРОДНЫМ ТОПЛИВОМ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Начиная с 2008 года, компания Honda начала ограниченную лизинговую программу для 200 седанов FCX Clarity, которые передвигаются на водородных топливных элементах. Как итог, только 24 клиента из Южной Калифорнии, США, платили в течение трех лет ежемесячный взнос в 600 долларов. В 2011 году срок аренды закончился, и компания Honda продлила договора с этими клиентами и подключила новых к исследовательской кампании. Вот то, что компания узнала нового за время исследований:

1. Водители FCX Clarity без проблем передвигались на короткие дистанции через город Лос-Анджелес и его округи (Honda утверждает, что диапазон движения FCX - 435 км).
2. Отсутствие необходимой инфраструктуры - основное неудобство для арендаторов, которые живут вдалеке от водородных заправочных станций в Калифорнии. Большинство станций расположено недалеко от Лос-Анджелеса, привязывая автомобили к 240-километровой зоне.
3. В среднем водители проезжали 19,5 тысяч км за год. Один из первых арендаторов только что пересек показатель в 60 тысяч км.
4. Продавцы, которые отпускают в лизинг автомобили FCX Clarity проходят специальную подготовку "Как обучать клиентов обращаться с водородным автомобилем". «Продавцам задают вопросы, каких они прежде не слышали», говорит менеджер по продажам и маркетингу автомобилей Honda с топливными элементами, Стив Эллис.

ПОЛУЧИТ ЛИ "ВОДОРОДНАЯ" ПРОГРАММА ПОДДЕРЖКУ ПРАВИТЕЛЬСТВА?

Производители автомобилей и строители заправочных сетей сходятся во мнении, что снизить затраты в краткосрочной перспективе без вмешательства со стороны государства не выйдет. Что в США, однако, представляется маловероятным, при всех описанных денежных вливаниях местной администрации Штатов и Министерств.

С министром энергетики Стивеном Чу, администрация Обамы неоднократно пыталась сократить финансирование программы развития водородных топливных элементов, но до сих пор все эти сокращения отменял конгресс.

Акцент на аккумуляторных технологиях сторонникам водорода кажется недальновидным. «Это взаимодополняющие технологии», говорит Стив Эллис, представитель компании Honda. Технология, разработанная для FCX, например, развернута и на электромобиль Fit. «Считаем, что водородные топливные элементы в сочетании с электромобилями переплюнут все альтернативные источники энергии возглавив этого десятилетия».

Недовольны и те, кто платит из своего кармана за возведение новых заправочных станций. Говорят, что не отказались бы от помощи государства до тех пор, пока не увеличится спрос на водородный вид топлива и не снизятся затраты на возобновляемые источники энергии.

Том Салливан верит в энергетическую независимость настолько сильно, что вложил все деньги, полученные от сети супермаркетов в компанию SunHydro, компанию, которая строит водородные заправочные станции на солнечных батареях. Том считает, что целевое снижение налогов могло бы стимулировать предпринимателей вкладывать деньги в строительство водородных станций, работающих от солнечной энергии. «Необходим стимул, чтобы люди вкладывались в такие предприятия», говорит Том. «Люди в трезвом уме, вероятно, не станут вкладывать деньги в строительство водородных заправочных станций».

Для Стива Эллиса из компании Honda этот вопрос как практический, так и политический. «Технология водородного топлива помогает обществу сэкономить на топливе и сберечь экологию", говорит Стив. «Если это так, то поможет ли общество самому себе перейти на альтернативный вид топлива?»

Минус альтернативных источников топлива уже применяемых в автомобилях, типа растительного масла (об этом подробней тут) или природного газа, в том, что они не возобновляемы, в отличие от водородного топлива.

ИТОГ

Минусы водородного топлива:

• добыча водорода пока не совершенна и загрязняет окружающую среду;
• обустройство сети водородных заправочных станций стоит дорого (полтора триллиона долларов США);
• владельцы машин привязаны к заправочным станциям (вы заложник штата Калифорния, дальше не уедешь).

Плюсы водородного топлива:

• у водородных автомобилей нулевой уровень выбросов, бережем природу;
• быстрая заправка (от 3 до 5 минут);
• экономически водород выигрывает у бензиновых автомобилей по цене расхода топлива (600 км за 3 369 рублей на водороде против 6 060 рублей за путешествие на бензине).

А теперь настало время научного видео!

История водородного двигателя. Если нефть называют топливом сегодняшнего дня (топливом века), то водород можно назвать топливом будущего .

При нормальных условиях водород - это газ без цвета, запаха и вкуса, самое легкое вещество (в 14,4 раза легче воздуха); отличается очень низкими температурами кипения и плавления, соответственно, -252,6 и -259,1 СС.

Жидкий водород - бесцветная жидкость, без запаха, при -253 °С имеет массу 0,0708 г/см 3 .

Своим названием водород обязан французскому ученому Антуану Лорану Лавуазье, который в 1787 г., разлагая и вновь синтезируя воду, предложил назвать второе составляющее (кислород был известен) - гидрофеном, что в переводе означает «рождающий воду», или «водород». До этого выделяющийся при взаимодействии кислот с металлами газ назывался «горючим воздухом».

Первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода с кислородом, появился в 1841 г. в Англии, а спустя 11 лет придворный часовщик Христиан Тейман построил в Мюнхене двигатель, который проработал на смеси водорода с воздухом в течение нескольких лет.

Одной из причин того, что эти двигатели не получили распространения, послужило отсутствие в природе свободного водорода.

Вновь к водородному двигателю обратились уже в нашем веке - в 70-е годы в Англии учеными Рикардо и Брусталлом были проведены серьезные исследования. Экспериментально - путем изменения только подачи водорода - они установили, что двигатель на водороде может работать во всем диапазоне нагрузок, от холостого хода до полной нагрузки. Причем на бедных смесях были получены более высокие значения индикаторного КПД, чем на бензине.

В Германии в 1928 г. дирижаблестроительная фирма «Цеппелин» использовала водород в качестве обогатителя топлива, чтобы осуществить дальний испытательный перелет через Средиземное море.

Перед второй мировой войной в той же Германии применялись автодрезины, работавшие на водороде. Водород для них получали в электролизерах высокого давления, работавших от электросети на заправочных станциях, расположенных близ железной дороги.

Большую роль в совершенствовании водородного двигателя сыграли работы Рудольфа Эррена. Он впервые применил внутреннее смесеобразование, что позволило осуществить конвертирование жидкотопливных двигателей на водород при сохранении основной топливной системы и тем самым обеспечить работу двигателя на углеводородном топливе, водороде и жидком топливе с присадкой водорода. Интересно отметить, что переходить с одного вида топлива на другой можно было без остановки двигателя.

Одним из двигателей, конвертированных Эрреном, является дизель автобуса «Лейланд», опытная эксплуатация которого выявила высокую экономичность при добавке водорода к дизельному топливу.

Эррен разработал также водородокислородный двигатель, продуктом сгорания которого был водяной пар Некоторая часть пара возвращалась в цилиндр вместе с кислородом а ос тальная конденсировалась. Возможность работы такого двигателя без наружного выхлопа была использована на германских подводных лодках довоенной постройки. В надводном положении дизели обеспечивали ход лодки и давали энергию для разложения воды на водород и кислород, в подводном положении - работали на парокислородной смеси и водороде. При этом подводная лодка не нуждалась в воздухе для дизелей и не оставляла на поверхности воды следов в виде пузырьков азота, кислорода и других продуктов сгорания.

В нашей стране исследование возможностей использовать водород в двигателях внутреннего сгорания началось в 30-е годы.

В период блокады Ленинграда для подъема и спуска аэростатов воздушного заграждения использовались автомобили-лебедки с двигателями «ГАЗ-АА», которые были переведены на водородное питание. С 1942 г. водород успешно использовался в московской службе ПВО, им надували аэростаты.

В 50-е годы на речных судах предполагалось использовать водород, получаемый разложением воды током гидроэлектростанций.

Использование водорода в настоящее время

В 70-е годы под руководством академика В. В. Струминского были проведены испытания автомобильного двигателя «ГАЗ-652», работавшего на бензине и водороде, и двигателя «ГАЗ-24», работавшего на жидком водороде. Испытания показали, что при работе на водороде повышается КПД и уменьшается нагрев двигателя.

В Харьковском институте проблем машиностроения АН УССР и Харьковском автодорожном институте под руководством профессора И. Л. Варшавского были проведены исследования детонационной стойкости водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, а также выполнены разработки по конвертированию на водород и добавке водорода к бензину двигателей автомобилей «Москвич-412», «ВАЗ-2101», «ГАЗ-24» с использованием для получения и хранения водорода энергоаккумулирующих веществ и гидридов тяжелых металлов. Эти разработки достигли стадии опытной эксплуатации на автобусах и такси.

В космонавтике появился новый класс летательных аппаратов, имеющих в земной атмосфере гиперзвуковые скорости. Для достижения таких скоростей необходимо топливо с высокой теплотворной способностью и низким молекулярным весом продуктов сгорания; кроме того, оно должно обладать большим хладоресурсом.

Этим требованиям как нельзя лучше отвечает водород. Он способен поглощать тепло в 30 раз больше, чем керосин. При нагревании от -253 по +900 °С (температура на входе в двигатель) 1 кг водорода может поглотить более 4000 ккал.

Омывая изнутри обшивку летательного аппарата перед поступлением, в камеру сгорания, жидкий водород поглощает все тепло, выделяющееся при разгоне аппарата до скорости, в 10-12 раз превосходящей скорость звука в воздухе.

Жидкий водород в паре с жидким кислородом был применен в последних ступенях сверхтяжелых американских ракет - носителей «Сатурн-5», что в определенной степени способствовало успеху космических программ «Аполлон» и «Скайлэб».

Моторные свойства топлива

Основные физико-химические и моторные свойства водорода в сравнении с пропаном и бензином приведены в табл. 1.

Водород обладает наиболее высокими энергомассовыми показателями, превосходящими традиционные углеводородные топлива в 2,5-3 раза, а спирты - в 5-6 раз. Однако из-за низкой плотности по объемной тепло-производительности он уступает большинству жидких и газообразных топлив. Теплота сгорания 1 м 3 водородовоздушной смеси на 15% меньше, чем у бензина. Вследствие худшего наполнения цилиндра из-за низкой плотности литровая мощность бензиновых двигателей при переводе на водород снижается на 20-25%.

Температура воспламенения водородных смесей выше, чем углеводородных, но для воспламенения первых требуется меньшее количество энергии. Водородовоздушные смеси отличаются высокой скоростью сгорания в двигателе, причем сгорание протекает практически при постоянном объеме, что ведет к резкому возрастанию давления (в 3 раза выше по сравнению с бензиновым эквивалентом). Однако на бедных и даже очень бедных смесях скорость горения водорода обеспечивает нормальную работу двигателя.

Водородовоздушные смеси обладают исключительно широким диапазоном горючести, что позволяет при любых изменениях нагрузки применять качественное регулирование. Низкий предел воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне состава смеси, вследствие чего его КПД на частичных нагрузках увеличивается на 25-50%.

Для подачи водорода в двигатели внутреннего сгорания известны следующие способы: впрыск во впускной трубопровод; при помощи модификации карбюратора, аналогичной системам питания сжиженным и природным газами; индивидуальное дозирование водорода около впускного клапана; непосредственный впрыск под высоким давлением в камеру сгорания.

Для обеспечения устойчивой работы двигателя первый и второй способы могут применяться только при частичной рециркуляции отработавших газов, при помощи присадки к топливному заряду воды и добавки бензина.

Наилучшие результаты дает непосредственный впрыск водорода в камеру сгорания, при котором полностью исключаются обратные вспышки во впускном тракте, максимальная же мощность не только не уменьшается, но может быть повышена на 10-15%.

Запас топлива

Объемно-массовые характеристики различных систем хранения водорода приведены в табл. 2. Все они по габаритам и массе уступают бензину.

Из-за малого энергозапаса и значительного увеличения размеров и массы топливного бака газообразный водород не применяется. Не применяются на транспортных средствах и тяжелые баллоны высокого давления.

Жидкого водорода в криогенных емкостях, имеющих двойные стенки, пространство между которыми теплоизолировано.

Большой практический интерес представляет аккумулирование водорода при помощи металлогидридов. Некоторые металлы и сплавы, например ванадий, ниобий, железотитановый сплав (FeTi), марганцевоникелевый (Mg + 5% Ni) и другие, при определенных условиях могут соединяться с водородом. При этом образуются гидриды, содержащие большое количество водорода. Если к гидриду подводить тепло, он будет разлагаться, освобождая водорот. Восстановленные металлы и сплавы можно многократно использовать для соединения с водородом.

В гидридных системах для выделения водорода обычно используется тепло отработавших газов двигателя. Зарядка гидридного аккумулятора водородом производится под небольшим давлением с одновременным охлаждением проточной водой из водопровода. По термодинамическим свойствам и низкой стоимости наиболее подходящим компонентом является сплав FeTi.

Гидридный аккумулятор представляет собой пакет трубок (гидридных патронов) из нержавеющей стали, заполненных порошкообразным сплавом FeTi и заключенных в общую оболочку. В пространство между трубками пропускаются отработавшие газы двигателя или вода. Трубки с одной стороны объединены коллектором, который служит для хранения небольшого запаса водорода, необходимого для запуска двигателя и его работы на переходных режимах. По массе и объему гидридные аккумуляторы соизмеримы с системами хранения жидкого водорода. По энергоемкости они уступают бензину, но превосходят свинцовые электроаккумуляторы.

Гидридный способ хранения хорошо согласуется с режимами работы двигателя посредством автоматического регулирования расхода отработавших газов через гидридный аккумулятор. Гидридная система позволяет наиболее полно утилизовать тепловые потери с отработавшими газами и охлаждающей водой. На автомобиле «Шевроле Монте-Карло» применена опытная гидридно-криогенная система. В этой системе запуск двигателя производится на жидком водороде, а гидридный аккумулятор включается после прогрева двигателя, причем для подогрева гидрида используется вода из системы охлаждения.

В довоенной Германии в опытной гидридной системе, разработанной фирмой «Даймлер-Бенц», были применены два гидридных аккумулятора, один из которых - низкотемпературный - поглощает тепло из окружающей среды и работает как кондиционер, другой - нагревается охлаждающей жидкостью из системы охлаждения двигателя. Время, необходимое для зарядки гидридного аккумулятора, зависит от количества времени, необходимого для отвода тепла. При охлаждении водопроводной водой время полной заправки гидридного аккумулятора емкостью 65 л, содержащего 200 кг сплава FeTi и поглощающего 50 м3 водорода, составляет 45 мин, причем за первые 10 мин происходит 75%-ная заправка.

Преимущества водорода

Главными преимуществами водорода как топлива в настоящее время являются неограниченные запасы сырья и отсутствие или малое количество вредных веществ в отработавших газах.

Сырьевая база для получения водорода практически неограничена. Достаточно сказать, что во вселенной это самый распространенный элемент. В виде плазмы он составляет почти половину массы Солнца и большинства звезд. Газы межзвездной среды и газовые туманности также в основном состоят из водорода.

В земной коре содержание водорода составляет 1% по массе, а в воде - самом распространенном на Земле веществе - 11,19% по массе. Однако свободный водород встречается крайне редко и в минимальных количествах в вулканических и других природных газах.

Водород является уникальным топливом, которое добывается из воды и после сгорания вновь образует воду. Если в качестве окислителя применять кислород, то единственным продуктом сгорания будет дистиллированная вода. При использовании воздуха к воде добавляются окислы азота содержание которых зависит от коэффициента избытка воздуха.

При использовании водорода не требуются ядовитые свинцовые антидетонаторы.

Несмотря на отсутствие в водородном топливе углерода, в отработавших газах из-за выгорания углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, может содержаться незначительное количество окиси углерода и углеводородов.

Фирмой «Дженерал Моторс» (США) в 1972 г. были проведены соревнования автомобилей на наиболее чистый выхлоп. В соревнованиях приняли участие аккумуляторные электромобили и 63 автомобиля, работавших на различных топливах, в том числе на газе - аммиаке, пропане. Первое место было присуждено конвертированному на водород автомобилю «Фольксваген », отработавшие газы которого оказались чище окружающего атмосферного воздуха, потребляемого двигателем.

При работе двигателей внутреннего сгорания на водороде вследствие значительно меньшего выделения твердых частиц и отсутствия органических кислот, образующихся при сгорании углеводородных топлив, увеличивается срок службы двигателя и сокращаются ремонтные расходы.

О недостатках

Газообразный водород обладает высокой диффузионной способностью - его коэффициент диффузии в воздухе более чем в 3 раза выше по сравнению с кислородом, двуокисью водорода и метаном.

Способность водорода проникать в толщу металлов, получившая название наводораживание, возрастает с повышением давления и температуры. Проникновение водорода в кристаллическую решетку большинства металлов на 4-6 мм при нагартовке снижается на 1,5-2 мм. Наводораживание алюминия, достигающее 15-30 мм, при нагартовке может быть снижено до 4-6 мм. Наводораживание большинства металлов практически полностью устраняется легированием хромом, молибденом, вольфрамом.

Углеродистые стали не пригодны для изготовления деталей, контактирующих с жидким водородом, так как становятся хрупкими при низких температурах, Для этих целей применяются хромоникелевые стали Х18Н10Т, ОХ18Н12Б, Х14Г14НЗТ, латуни Л-62, ЛС 69-1, ЛЖ МЦ 59-1-1, оловянофосфористая БР ОФ10-1, берилиевая БРБ2 и алюминиевые бронзы.

Криогенные (для низкотемпературных веществ) емкости для хранения жидкого водорода изготавливаются обычно из алюминиевых сплавов АМц, АМг, АМг-5В и др.

Смесь газообразного водорода с кислородом в широких пределах отличается склонностью к воспламеняемости и взрываемости. Поэтому закрытые помещения должны быть оборудованы детекторами, контролирующими его концентрацию в воздухе.

Высокая температура воспламенения и способность к быстрому рассеиванию в воздухе делают водород в открытых объемах по безопасности примерно равноценным природному газу.

Для определения взрывобезопасности при дорожно-транспортном происшествии жидкий водород из криогенной емкости проливали на землю, однако он мгновенно испарялся и не воспламенялся при попытках поджечь.

В США автомобиль «Кадиллак Эльдорадо», переоборудованный на водородное топливо, подвергался следующим испытаниям. В полностью заправленную гидридную емкость с водородом стреляли из винтовки бронебойными пулями. При этом взрыва не происходило, а бензобак при аналогичном испытании взрывался.

Таким образом, серьезные недостатки водорода - высокая диффузионная способность и широкая область воспламеняемости и взрываемости водородокислородной газовой смеси уже не являются причинами, препятствующими его применению на транспорте.

Перспективы

Как топливо водород уже применяется в ракетной технике. В настоящее время исследуются возможности его применения в авиации и на автомобильном транспорте. Уже известно, каким должен быть оптимальный водородный двигатель. Он должен иметь: степень сжатия 10-12, частоту вращения коленвала - не менее 3000 об/мин внутреннюю систему смесеобразования и работать при коэффициенте избытка воздуха α≥1,5. Но для реализации. такого двигателя нужно улучшить смесеобразование в цилиндре двигателя и выдать надежные рекомендации по конструированию.

Ученые прогнозируют начало широкого применения водородных двигателей на автомобилях не раньше 2000 г. До этого времени возможно применение добавок водорода к бензину; это позволит улучшить экономичность и снизить количество вредных выбросов в окружающую среду.

Представляет интерес перевод на водород роторно-поршневого двигателя, так как он не имеет картера и, следовательно, не взрывоопасен.

В настоящее время водород производят из природного газа. Использовать такой водород в качестве топлива невыгодно, дешевле сжигать в двигателях газ. Получение водорода разложением воды также экономически невыгодно из-за больших затрат энергии на расщепление молекулы воды Однако проводятся исследования и в этом направлении. Уже есть экспериментальные автомобили, снабженные собственной электролизной установкой, которая может подключаться к общей электросети; вырабатываемый водород накапливается в гидридном аккумуляторе.

На сегодняшний день стоимость электролитического водорода в 2,5 раза выше, чем получаемого из природного газа. Ученые объясняют это техническим несовершенством электролизеров и считают, что их КПД может быть увеличен в скором времени до 70-80%, в частности, за счет применения высокотемпературной технологии. По существующей технологии итоговый КПД электролитического производства водорода не превышает 30%.

Для прямого термического разложения воды требуется высокая температура порядка 5000 °С. Поэтому прямое разложение воды пока не осуществимо даже в термоядерном реакторе - трудно найти материалы, способные работать при такой температуре. Японским ученым Т. Накимурой для солнечных печей предложен двухступенчатый цикл разложения воды, не требующий столь высоких температур. Может быть, придет время, когда по двухступенчатому циклу водород будет вырабатываться гелиоводородными станциями, расположенными в океане, и ядерно-водородными станциями, вырабатывающими водорода больше, чем электроэнергии.

Как и природный газ, водород можно транспортировать по трубопроводам. Вследствие меньшей плотности и вязкости по одному и тому же трубопроводу при одинаковом давлении водорода можно перекачать в 2,7 раза больше, чем газа, однако затраты на транспортировку будут выше. Расходы энергии на транспортировку водорода по трубопроводам составят приблизительно 1% на 1000 кгс, что недостижимо для линий электропередач.

Водород можно хранить в газгольдерах с жидким затвором и в резервуарах. Во Франции уже есть опыт хранения под землей газа, содержащего 50% водорода. Жидкий водород можно хранить в криогенных емкостях, в гидридах металлов и в растворах.

Гидриды могут быть нечувствительны к загрязняющим примесям и способны селективно поглощать водород из газовой смеси. Это открывает возможность заправляться в ночное время от бытовой газовой сети, питаемой продуктами газификации угля.

Литература

• 1. Владимиров А. Топливо больших скоростей. - Химия и жизнь. 1974, №12, с. 47-50.
• 2. Воронов Г. Термоядерный реактор - источник водородного топлива. - Химия и жизнь, 1979, № 8, с. 17.
• 3. Использование альтернативных топлив на автомобильном транспорте за рубежом. Обзорная информация. Серия 5. Экономика, управление и организация производства. ЦБНТИ Минавтотранса РСФСР, 1S82, вып. 2.
• 4. Струминский В. В. Водород как топливо. - За рулем, 1980, Ко 8, с. 10-11.
• 5. Xмыров В. И., Лавров Б. Е. Водородный двигатель. Алма-Ата, Наука, 1981.

Примечания

1. Редакция продолжает публикацию серии статей, посвященных перспективным видам топлива и проблемам экономии горючего (см. «КЯ» , ).

Мы живём в 21 веке, человечество развивается, строит заводы, ведёт активный образ жизни. Однако для полноценного развития и существования нам нужна энергия! Сейчас такой энергией является нефть. Из неё делается топливо для всех отраслей. Мы используем ее буквально повсюду: от маленьких авто, до огромных заводов.

Однако нефть не является бесконечным ресурсом, с каждым годом мы движемся к полному её уничтожению. Учёные говорят, что мы находимся на той стадии, когда нам нужно искать эффективную замену бензину, ведь уже сейчас цена на него очень высокая, а с каждым годом нефти будет всё меньше, а цены всё выше, и в скором времени, когда нефть закончится (а с существуюшем образом жизни человечества это произойдёт через 60 лет), наше развитие и полноценное существование попросту закончится.

Всем понятно, что нужно искать альтернативные виды топлива. Но какая замена самая эффективная? Ответ прост: водород! Вот, что заменит привычный всем бензин.

Кто придумал водородный двигатель?

Как и многие высокие технологии, данная идея пришла к нам с запада. Первый водородный двигатель разработал и создал американский инженер и учёный Браун. Первая компания, которая использовала данный двигатель, была японская «Honda». Но этой автомобильной компании пришлось на многое пойти ради воплощения в жизнь «автомобиля будущего». Во время создания авто были задействованы на несколько лет все лучшие инженеры и умы компании! Им всем пришлось приостановить производство некоторых автомобилей. И что самое главное, они отказались от участия в Формуле 1, так как все работники, которые были задействованы в создании болидов, стали разрабатывать автомобиль на водороде.

Плюсы водорода как топлива

• Водород является самым распространенным элементом во вселенной, абсолютно всё в нашей жизни состоит из него, все окружающие нас предметы имеют хоть маленькую, но частицу водорода. Именно этот факт очень приятный для человечества, ведь в отличие от нефти, водород не закончится никогда, и нам не придётся экономить на топливе.
• Он является абсолютно экологически чистым! В отличие от бензинового, водородный двигатель не выделяет вредных газов, которые негативно влияли бы на экологию. Выхлопами, которые выделяет такой силовой агрегат, является обычная пара.
• Водород, который используется в двигателях, очень воспламеняем, и автомобиль будет хорошо заводиться и передвигаться, независимо от погоды. То есть нам больше не потребуется зимой прогревать автомобиль перед поездкой.
• На водороде даже маленькие двигатели будут очень мощными и чтобы создать самый быстрый автомобиль, больше не потребуется строить агрегат размером с танк.

Конечно есть и минусы в этом топливе:

• Дело в том, что вопреки тому, что это безграничный материал, и он имеется повсюду, его очень тяжело добывать. Хотя для человечества это не проблема. Научились добывать нефть среди океана, пробурив его дно, научимся и водород брать с земли.
• Вторым минусом является недовольство нефтяных магнатов. Зразу после начала прогрессивного развития данной технологии, большинство проектов были закрыты. По слухам, всё это связано с тем, что если заменить бензин водородом, то самые богатые люди планеты останутся без дохода, а они этого позволить не могут.

Способы добычи водорода в качестве использования в виде энергии

Водород не является чистым ископаемым вроде нефти и угля, нельзя так просто взять выкопать и использовать его. Для того, чтобы он стал энергией, его нужно раздобыть и испоьлзовать некоторую энергию для его переработки, после чего этот самый распространенный химический элемент станет топливом.

Практикуемым на данный день способом добычи водородного топлива является так называемый «паровой риформинг». Чтобы переработать обычный водород в топливо, используются углеводы, которые состоят из водорода и углерода. При химических реакциях, при определенной температуре выделяется огромное количество водорода, который и можно использовать в качестве топлива. Данное топливо не будет выделять вредных веществ в атмосферу во время эксплуатации, однако во время его добычи выделяется огромное количество углекислого газа, который плохо влияет на экологию. Поэтому данный метод хоть и является эффективным, он не должен браться в основу по добыче альтернативного топлива.

Есть двигатели, для которых подойдёт и чистый водород, они сами перерабатывают данный элемент в топливо, однако, как и при предыдущем способе, здесь также наблюдается огромное количество выбросов углекислого газа в атмосферу.

Очень эффективным способом добычи альтернативного топлива в виде водорода является электролиз. Электрический ток пускают в воду, вследствии чего она распадается на водород и кислород. Данный метод является дорогим и хлопотным, однако экологически чистым. Единственным отходом от получения и эксплуатации топлива является кислород, который лишь позитивно повлияет на атмосферу нашей планеты.

А самым перспективным и дешёвым способом получения водородного топлива является переработка аммиака. При необходимой химической реакции аммиак распадается на азот и водород, при чём водорода получается в трижды больше, ежели азота. Данный метод лучше тем, что он немного дешевле и менее затратный. Кроме того, аммиак легче и безопаснее транспортировать, а по прибытию к месту доставки, следует запустить химическую реакцию, выделить азот и топливо готово.

Искусственный шум

Двигатели на водородном топливе практически бесшумны, поэтому на автомобилях, которые эксплуатируются или будут входить в эксплуатацию, устанавливается так называемый «искусственный шум автомобиля», - для предотвращения аварий на дорогах.

Ну что же, друзья, мы с вами стоим на пороге грандиозного перехода от бензина, который уничтожает всю нашу экосистему, до водорода, который наоборот её восстанавливает!

С ейчас автопроизводители только и говорят о водородных разработках. Что же такое водород? Рассмотрим его немного подробнее.

Водород – первый элемент химической таблицы, его атомные вес равен 1. Это одно из самых распространенных веществ во вселенной, например из 100 атомов из которых состоит наша планета 17 – водород.

Водород — топливо будущего. Он имеет массу преимуществ по сравнению с другими видами топлива и имеет огромные перспективы его заменить. Он может быть использован абсолютно во всех отраслях современного производства и транспорта, даже газ, на котором готовиться пища, можно запросто, без каких либо переделок, заменить на водород.

Почему же водород не получил до сих пор широкого внедрения? Одна из проблем заключается в технологиях его получения. Пожалуй, единственным эффективным на данный момент способом его получения является электролитический способ – получение из вещества воздействием сильного электрического тока. Но на данный момент, большая часть электричества получается на теплоэлектростанциях, и поэтому возникает вопрос «А стоит ли игра свеч?». Но внедрение в производство электричества атомной энергии, энергии ветра и солнца, наверное, исправит эти проблемы.

Это вещество содержится практически во всех веществах, но больше всего его в воде. Как сказал писатель-фантаст Жюль Верн: «Вода – это уголь будущих веков». Это высказывание можно отнести к разряду предсказаний. Этого «угля» на поверхности больше чем чего либо еще, так что водородом мы будем обеспечены на долгие годы.

Об экологической чистоте водорода можно сказать только одно: при его сгорании и реакциях в топливных элементах образуется вода и ничего кроме воды.

Топливный элемент – пожалуй, самый эффективный способ получения энергии из водорода. Он работает по принципу батарейки: в топливном элементе имеется два электрода, между ними движется водород, происходит химическая реакция, на электродах появляется электрический ток, а вещество превращается в воду.

Поговорим о применении водорода в автомобилях. Идея замены обычного шумного и дымного бензина на абсолютно чистый газ возникла много лет назад, причем как в Европе так и в СССР. Но разработки в этой сфере велись с переменным успехом. А сейчас наступил апогей желания автопроизводителей получить независимость от нефти. Каждая, уважающая себя, компания имеет разработки в этой сфере.

Hydrogen в автомобиле может быть использован двумя способами: или сжигаться в двигателе внутреннего сгорания, или использоваться в топливных элементах. Основное количество новых концепткаров используют технологии топливных элементов. Но такие компании как Mazda и BMW пошли по второму пути и на это есть веские причины.

Автомобиль на топливных элементах – простая и чрезвычайно надежная система, но ее широкому распространению мешает инфраструктура. Например, если купить автомобиль на топливных элементах и использовать его в нашей стране, то на заправку придется ездить в Германию. А инженеры BMW пошли другим путем. Они построили автомобиль, использующий водород как горючее топливо, причем этот автомобиль может использовать как бензин, так и водород, как многие современные автомобили, оснащенные системой питания газ-бензин. Таким образом, если в вашем городе появилась хотя бы одна заправка, торгующая таким топливом – вы смело можете покупать водородный BMW Hydrogen 7.

Еще одной проблемой внедрения водорода — является его способ хранения. Вся сложность заключается в том, что атом водорода – самый маленький по размерам в химической таблице, а это значит, что он может проникать практически сквозь любое вещество. Это значит, что даже самые толстые стальные стенки будут медленно, но верно его пропускать. Эта проблема сейчас решается химиками.

Еще одна загвоздка – сам бак. 10 кг водорода могут заменить 40 кг бензина, но дело в том, 10 кг вещества занимают объем 8000 л.! А это целый олимпийский бассейн! Для уменьшения объема газа его нужно сжижать, а сжиженный водород надо безопасно и удобно хранить. Баки современных водородных автомобилей весят около 120 кг, что почти в два раза больше стандартных баков. Но и эта проблема скоро будет решена.

Преимуществ у водородного топлива намного больше чем недостатков. Водород сгорает намного эффективнее, не имеет вредных веществ выхлопе, не производит сажи, а это значительно увеличивает ресурс автомобилей. Водород – легко возобновляемое топливо, поэтому природа не получит практически никакого вреда.

Основным препятствием водородных технологий является инфраструктура. Очень немногие в мире заправки на данный момент готовы заправить автомобиль водородом, хотя серийные автомобили на водороде уже производит Honda и готовиться к производству BMW. В странах бывшего советского союза о водородном автомобиле вообще можно пока и не мечтать. До появления водородных заправок пройдет еще не один год, а может и десяток лет. Остается ждать, когда же и мы вместе со всем миром начнем спасать планету от экологической катастрофы.

Русские учёные придумали новое топливо, которое в 100 раз дешевле солярки, эффективней и проще в производстве… Вы думаете, кто-то этому обрадовался? Ничуть не бывало! Московские министры уже 3 года гоняют воздух по кабинетам – видимо ещё думают, как же лучше воплотить в жизнь прямой приказ о внедрении, поступивший им для исполнения. А те, кто отдал этот приказ, тоже получается не заинтересован в его скорейшей реализации, т.к. не мешают министрам безнаказанно саботировать решение жизненно важных для России и всего остального мира задач. Вот и думайте теперь: на кого в действительности работают эти министры?.. Юрий Иванович Краснов и Евгений Гурьевич Антонов из НПО им. Лавочкина придумали принципиально новый вид топлива на основе структурированной воды. Но, получается, их изобретение сегодняшним царькам не нужно! Оно даже мешает им гнать нас бегом к полному истощению углеводородных видов топлива и экологической катастрофе на некогда прекрасной планете Земля…

Известно, что в 30-е годы прошлого столетия в Советском Союзе в МВТУ им Н.Э Баумана Сороко-Новицкий В. И., (зав. кафедрой «Легкие двигатели» до 1937 г.) совместно с А. К. Курениным исследовал влияние добавок водорода к бензину на двигателе ЗИС-5. Известны также работы по использованию в качестве топлива водорода , которые проводильсь в нашей стране Ф. Б. Перельманом. Однако практическое применение водорода в качестве моторного топлива началось в 1941 году. В Великую Отечественную войну в блокадном Ленинграде техник-лейтенант Шелищ Б. И. предложил использовать водород , «отработавший» в аэростатах, как моторное топливо для двигателей автомобиля ГАЗ-АА.

Рисунок 1. Пост ПВО Лениградского фронта ВОВ, оборудованный водороднгой установкой

На рис. 1 на заднем плане виден спущенный на землю водородный аэростат, из которого водород перекачивается в газгольдер, расположенный на переднем плане. Из газгольдера с «отработашим» водородом газообразное топливо посредством гибкого шланга подается в двигатель внутреннего сгорания автомобиля ГАЗ-АА. Заградительные аэростаты поднимались на высоту до пяти километров и являлись надежным противовоздушным средством обороны города, не позволяя самолетам противника осуществлять прицельное бомбометание. Для опускания аэростатов, частично потерявших свою подъемную силу требовалось большое усилие. Эта операция осуществлялась с использованием механической лебедки, установленной на автомобиль ГАЗ-АА. ДВС вращал лебедку для опускания аэростатов. В условиях острого дефицита бензина были переоборудованы для работы на водороде несколько сотен постов ПВО, на которых использовались автомобили ГАЗ-АА, работающие на водороде.

После воины в семидесятые годы прошлого века Бриса Исааковича неоднократно приглашали на различные научные конферкнции, где в своих выступлениях он подробно рассказывал о тех далеких героических днях. Одно из таких мероприятий — I Всесоюзная школа молодых ученых и специалистов по проблемам водородной энергетики и технологии, организованная по инициативе ЦК ВЛКСМ, Комиссии АН СССР по водородной энергетике, Институтом атомной энергии им И. В. Курчатова и Донецким политехническим институтом, проводилась в сентябре 1979 года за полгода до его смерти. Борис Иссакович свой доклад «Водород вместо бензина» на секции «Технология использования Водорода» сделал 9 сентября.

В семидесятые годы в нескольких научно-исследовательских организациях СССР интенсивно проводились работы по использованию водорода в качестве топлива. Наиболее известны такие организации как Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ), Институт проблем машиностроения АН УССР (ИПМАШ АН УССР), Сектор механики неоднородных сред АН СССР (СМНС АН СССР), Завод-ВТУЗ при ЗИЛе и др. В частности, в НАМИ под руководством Шатрова Е. В. начиная с 1976 года были проведены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию водородного микроавтобуса РАФ 22034. Была разработана система питания двигателя позволяющая работать на водороде. Она прошла полный комплекс стендовых и лабораторно-дорожных испытаний.

Рисунок 2. Слева направо Шатров Е. В., Кузнецов В. М., Раменский А. Ю.

На рис. 2 фотографии слева на право: Шатров Е.В - научный руководитель проекта; Кузнецов В. М. - руководителя группы водородных двигателей; Раменский А. Ю. — аспирант НАМИ, внесшие значительный клад в организацию и проведение НИОКР по созданию водородного автомобиля. Фотографии стендов для испытания двигателя, работающего на водороде и микроавтобуса РАФ 22034, работающего на водороде и бензоводородных топливных композициях (БВТК), представлены на рис. 3 и 4.

Рисунок 3. Моторный отсек Болкса № 20 для испытаний ДВС на водороде Отдела мотрорных лабораторий НАМИ

Рисунок 4. Водородный микроавтобус РАФ (НАМИ)

Первый опытный образец микроавтобуса был построен в НАМИ в период 1976-1979 году (рис. 4). Начиная с 1979 года в НАМИ осуществлялись его лабораторно-дорожные испытания и опытная эксплуатация.

Параллельно работы по созданию автомобилей работающих на водорода велись в ИПМАШ АН УССР и СМНС АН СССР и Заводе Втузе при ЗИЛе. Благодаря активной позиции академика Струминского В. В. (рис. 5), руководителя СМНС АН СССР несколько образцов микроавтобусов использовались на ХХII Олимпийских летних играх в Москве в 1980 году.

Рисунок 5. Слева направво Легасов В. А., Семененко К. Н. Струминский В. В.

Как головной институт Министерства автомобильной промышленности СССР НАМИ сотрудничал с указанными выше организациями. Примером такого сотрудничества были совместные исследования с ИПМаш АН УССР, директором которого в те времена работал член-корреспондент АН УССР Подгорный А. Н. В области применения водорода на автомобиле следует обратить внимание на работы руководителей ведущих подразделений института: Варшавского И. Л., Мищенко А. И., Соловья В. В. и многих других (Рис. 6).

Рисунок 6. Сотрудники ИПМАШ АН УССР, слева направо Подгорный А. Н., Варшавский И. Л., Мищенко А. И.

Широко известны разработки этого института по созданию автомобилей и автопогрузчиков, работающих на БВТК с металлогидридными системами хранения водорода на борту.

Другим примером сотрудничества НАМИ с ведущими НИИ страны была работа по созданию металлогидридных систем хранения водорода на автомобиле. В рамках консорциума по созданию металлогидридных систем хранения сотрудничали три ведущие организации: ИАЭ им И. В. Курчатова, НАМИ и МГУ им М. В. Ломоносова. Инициатива создания такого консорциума принадлежала академику Легасову В. А. Институт атомной энергии им И. В. Курчатова был головным разработчиком металлогидридной системы хранения водорода на борту автомобиля. Руководителем проекта был Чернилин Ю. Ф., активными участниками работ были Удовенко А. Н. и Столяревский А. Я.

Металлогидридные соединения разработал и изготовил в необходимом количестве МГУ им. М. В. Ломоносова. Эта работа велась под руководством Семененко К. Н., заведующего кафедрой химии и физики высоких давлений. 21 ноября 1979 года были зарегистрированы в Государственном реестре изобретений СССР заявки № № 263140 и 263141 с приоритетом изобретения 22 июня 1978 года. Авторские свидетельства на сплавы-аккумуляторы водорода А. С. № 722018 и № 722021 от 21 ноября 1979 г. были одними из первых изобретений в этой области в СССР и в мире.

В изобретениях предлагались новые составы, позволяющие существенно увеличить количество запасаемого водорода. Это достигалось путем модификации состава и количества компонентов в сплавах на основе титана или ванадия.Такие композиции позволили добиться концентрации от 2.5 до 4.0 массовых процентов водорода. Выделение водорода из интерметаллида осуществлялось в интервале температур 250-400°С. Этот результат и по сей день является практически максимальным достижением для сплавов такого типа. В разработке сплавов принимали участие ученые ведущих научных организаций СССР, связанных с разработкой материалов и устройств на базе гидридов интерметаллических сплавов — МГУ им. М. В. Ломоносова (Семененко К. Н., Вербецкий В. Н., Митрохин С. В., Зонтов В. С.); НАМИ (Шатров Е. В., Раменский А. Ю.); ИМаш АН СССР (Варшавский И. Л.); Завода-ВТУЗа при ЗИЛ (Гусаров В. В., Кабалкин В. Н.). В середине восьмидесятых годов испытания металлогидридной системы хранения водорода на борту микроавтобуса РАФ 22034, работающего на БВТК, проводились в Отделе двигателей на газовых и других видах альтернативных топлив НАМИ (зав. отделом Раменский А. Ю.) . Активное участие в работе принимали сотрудники отдела: Кузнецов В. М., Голубченко Н. И., Иванов А. И., Козлов Ю. А. Фотография металлогидридной системы хранения водорода для микроавтобуса представлена на рис. 7.

Рисунок 7. Водородный автомобильныйметаллогидридный аккумулятор водорода (1983 г.)

В начале восьмидесятых годов начало зарождаться новое направление в применении водорода в качестве топлива для автомобилей, которое в настоящее время рассматривается как основная тенденция. Это направление связано с созданием автомобилей работающих на топливных элементах. Создание такого автомобиля осуществлялось в НПП «Квант». Под руководством Н. С. Лидоренко. Автомобиль впервые был представлен на международной выставке «Электро-82» в 1982 г. в Москве (рис. 8).

Рисунок 8. Водородный микроавтобус РАФ на топливных элементад (НПП «КВАНТ»)

В 1982 микроавтобус РАФ, на борту которого были смонтированы электрохимические генераторы и был установлен электрический привод, демонстрировался заместителю министра автомобильной промышленности Е. А. Башинджагяну. Демонстрировал автомобиль сам Н. С. Лидоренко. Для опытного образца, автомобиль на топливных элементах, имел неплохие ездовые качества, о чем не без удовлетворения отметили все участники просмотра. Планировалось осуществлять эту работу совместно с предриятиями Минавтопрома СССР. Однако в 1984 году Н. С. Лидоренко оставил пост руководителя предприятия, может быть с этим связано то обстоятельство, что эта работа не получила своего продолжения. Создание первого российского водородного автомобиля на топливных элементах, построенного коллективом предприятия более 25 лет могла бы претендовать на историческое событие в нашей стране.

Особенности ДВС при работе на водороде

По отношению к бензину водород имеет в 3 раза большую теплотворную способность, в 13-14 раз меньшую энергию воспламенения, и, что существенно для ДВС, более широкие пределы воспламенения топливно-воздушной смеси. Такие свойства водорода делают его чрезвычайно эффективным для применения в ДВС, даже в качестве добавки. В то же время к недостаткам водорода как топлива можно отнести: падение мощности ДВС по сравнению с бензиновым аналогом; «жесткий» процесс сгорания водородовоздушных смесей в области стехиометрического состава, что приводит к детонации на режимах высоких нагрузок. Эта особенность водородного топлива требует изменений конструкции ДВС. Для существующих двигателей необходимо применять водород в композиции с углеводородными топливами, например с бензином. или природным газом.

Например, организацию топливоподачи бензоводородных топливных композиций (БВТК) для существующих автомобилей необходимо осуществлять таким образом, чтобы на режимах холостого хода и частичных нагрузок двигатель работал на топливных композициях с высоким содержанием водорода. По мере возрастания нагрузок концентрация водорода должна снижаться и на режиме полного дросселя подачу водорода необходимо прекратить. Это позволит сохранить мощностные характеристики двигателя на прежнем уровне. На рис. 9 представлены графики изменения экономических и токсических характеристик двигателя с рабочим объемом 2,45 л. и степенью сжатия 8,2 ед. от состава бензоводородовоздушной смеси и концентрации водорода в БВТК.

Рисунок 9. Экономические и токсические характеристики ДВС на водороде и БВТК

Регулировочные характеристики двигателя по составу смеси при постоянной мощности Ne=6,2 квт и частоте вращения коленчатого вала n=2400 об/мин дают возможность представить, как меняются показатели двигателя при работе на водороде, БВТК и бензине.

Мощностные и скоростные показатели двигателя для испытаний выбраны таким образом, чтобы они наиболее полно отражали условия эксплуатации автомобиля в городских условиях. Мощность двигателя Ne=6,2 квт и частота вращения коленчатого вала n=2400 об/мин соответствует движению автомобиля, например «ГАЗЕЛЬ» с постоянной скоростью 50-60 км/час по горизонтальной, ровной дороге. Как видно из графиков, по мере увеличения концентрации водорода в БВТК эффективный КПД двигателя возрастает. Максимальное значение КПД при мощности 6,2 квт и частоте вращения коленчатого вала 2400 об/мин достигает на водороде 18,5 процентов. Это в 1,32 раза выше, чем при работе двигателя на этой же нагрузке на бензине. Максимальное значение эффективного КПД двигателя на бензине составляет на этой нагрузке 14 процентов. При этом состав смеси соответствующий максимальному КПД двигателя (эффективный предел обеднения) смещается в сторону бедных смесей. Так при работе на бензине эффективный предел обеднения топливно-воздушной смеси соответствовал коэффициенту избытка воздуха (а) равному 1,1 единицы. При работе на водороде коэффициент избытка воздуха соответствующий эффективному пределу обеднения топливно-воздушной смеси а=2,5. Не менее важным показателем работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания на частичных нагрузках является токсичность отработавших газов (ОГ). Исследование регулировочных характеристик двигателя по составу смеси на БВТК с различными концентрациями водорода показали, что по мере обеднения смеси концентрация окиси углерода (СО) в отработавших газах снижалась практически до нуля не зависимо от вида топлива. Увеличение концентрации водорода в БВТК приводит к снижению выброса с отработавшими газами углеводородов СnHm. При работе на водороде концентрация этого компонента на отдельных режимах падала до нуля. При работе на этом виде топлива выброс углеводородов во многом определялся интенсивностью сгорания в камере сгорания ДВС. Образование окислов азота NxOy, как известно, не связано родом топлива. Их концентрация в ОГ определяется температурным режимом горения топливно-воздушной смеси. Возможность работы двигателя на водороде и БВТК в диапазоне бедных составов смесей позволяет снизить максимальную температуру цикла в камере сгорания ДВС. Это существенно уменьшает концентрацию окислов азота. При обеднении топливно-воздушной смеси свыше а=2, концентрация NxOy снижается до нуля. В 2005 году НАВЭ разработан микроавтобус ГАЗЕЛЬ, работающий на БВТК. В декабре 2005 года он был представлен на одном из мероприятий, проводимых в Президиуме Российской академии наук. Презентация микроавтобуса была приурочена к 60 летию президента НАВЭ П. Б. Шелища. Фотография бензоводородного микроавтобуса представлена на Рис.10.

Рисунок 10. Водородный микроавтобус «Газель»(2005 г.)

Для оценки надежности бензоводородной аппаратуры и пропаганды перспектив водородной экономики, прежде всего в сфере автомобильного транспорта, НАВЭ провела с 20 по 25 августа 2006 года автопробег водородных автомобилей. Пробег осуществлялся по по маршруту Москва - Н.Новгород - Казань - Нижнекамск - Чебоксары - Москва протяженностью 2300 км. Автопробег был приурочен к Первому всемирному конгрессу «Альтернативная энергетика и экология». В пробеге принимали участие два водородных автомобиля. Второй грузовой многотопливного автомобиля ГАЗ 3302, работал на водороде, сжатом природном газе, БВТК и бензине. Автомобиль был оснащен 4 облегченными стеклопластиковыми баллонами с рабочим давлением 20 мпа. Масса бортовой системы хранения водорода составляет 350 кг. Запас хода автомобиля на БВТК составлял 300 км.

При поддержке Федерального агентства по науке и инновациям НАВЭ при активном участии Московского энергетического института МЭИ (ТУ), Автокомбината № 41, Инженерно-технического центра «Водородные технологии и ООО «Славгаз» был создан опытный образец автомобиля ГАЗ 330232 «ГАЗЕЛЬ-ФЕРМЕР» грузоподъемностью 1,5 тонны, работающий на БВТК с электронной системой подачи водорода и бензина. Автомобиль оснащен трехкомпонентным нейтрализатором ОГ. На рис. 11 представлены фотографии автомобиля и коплект электронной аппаратуры для подачи водорода в ДВС.

Рисунок 11. Опытный образец автомобиля ГАЗ 330232 «ГАЗЕЛЬ-ФЕРМЕР»

Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте

Наиболее перспективным направлением в области использования водорода для автомобильной техники являются комбинированные энергоустановки на базе электрохимических генераторов с топливными элементами (ТЭ) . При этом, необходимым условием является получение водорода из возобновляемых, экологически чистых источников энергии, для производства которых, в свою очередь, должны использоваться экологически чистые материалы и технологии.

К сожалению, в ближайшей перспективе применение таких высокотехнологичных транспортных средств в широком масштабе проблематично. Это связано с несовершенством рядя технологий, применяемых при их производстве, недостаточной отработанностью конструкции электрохимических генераторов, ограниченностью и высокой стоимостью применяемых материалов. Например, удельная стоимость одного кВт мощности ЭХГ на топливных элементах достигает 150-300 тысяч рублей (при курсе российского рубля 30 руб/долл США). Другим важным элементом сдерживания продвижения на автомобильном рынке водородной техники с топливными элементами является недостаточная отработка конструкции таких АТС в целом. В частности, отсутствуют достоверные данные при испытании автомобиля на топливную экономичность в условиях реальной эксплуатации. Как правило, оценка эффективности работы энергоустановки установки осуществляется на основе вольт-амперной характеристики. Такая оценка эффективности не соответствует принятой в практике двигателестроения оценки эффективного КПД ДВС, при расчете которого учитываются также и все механические потери, связанные с приводом агрегетов двигателя. Нет достоверных данных по топливной экономичности автомобилей в реальных условиях эксплуатации, на величину которых оказывает влияние необходимость обслуживания дополнительных бортовых устройств и систем, устанавливаемых на автомобили как традиционно, так и вязанные с особенностями конcтракции автомобилей на топливных элементах. Нет достоверных данных и по оценке эффективности в условиях отрицательных температур, при которых необходимо осуществлять поддержание температурного режима, обеспечивающего работоспособность как самой энергоустановки и подаваемого топлива, так и подогрев кабины водителя или салона с пассажирами. Для современных автомобилей рабочий режим эксплуатации может достигать -40 оС, это особо надо учитывать в российских условиях эксплуатации.

Как известно, в топливных элементах вода является не только продуктом реакции взаимодействия водорода и кислорода, но и активно участвует в рабочем процессе генерации энергии, смачивая твердополимерные материалы, входящие в конструкцию топливных ячеек. В современной технической литературе отсутствуют данные о надежности и долговечности топливных элементов в условиях низких температур. Очень противоречивые данные публикуются в литературе и по долговечности работы ЭХГ на ТЭ.

В этой связи, вполне закономерным является продвижение рядом ведущих мировых автопроизводителей транспортных средств, работающих на водороде, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. В первую очередь, это такие известных компании как BMW и Mazda. Двигатели автомобилей BMW Hydrogen-7 и Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid (2008) успешно конвертированы на водород.

С точки зрения надежности конструкции, относительной низкой стоимости одного кВт установленной мощности энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания работающие на водороде значительно превосходят ЭХГ на ТЭ, однако ДВС имеют, как принято считать, меньший КПД. Кроме того, в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания может содержаться некоторое количество токсичные вещества. В качестве основного направления совершенствования автомобильной техники, оснащенной двигателем внутреннего сгорания в ближайшей перспективе следует рассматривать использование комбинированных (гибридных) энергоустановок. Наилучший результат до топливной экономичности и токсичности отработавших газов, по-видимому следует ожидать от применения гибридных установок с последовательной схемой преобразования химической энергии топлива в ДВС в механическую энергию движения автомобиля. При последовательной схеме ДВС автомобиля работает практически на постоянном режиме с максимальной топливной эффективностью, приводя в движение электрогенератор, который подает электрический ток на электромотор привода колес автомобиля и накопитель электроэнергии (аккумулятор). Основной задачей оптимизации при такой схеме является поиск компромисса между топливной экономичностью ДВС и токсичностью ее отработавших газов. Особенность решения задачи заключается в том, что максимальный КПД двигателя достигается на при работе на обедненной топливовоздушной смеси, а максимальное снижение токсичности отработавших газов достигается при стехиометрическом составе, при котором количество топлива, подаваемого в камеру сгорания подается строго в соответствии с количеством воздуха, необходимым для его полного сгорания. Образование окислов азота при этом ограничивается дефицитом свободного кислорода в камере сгорания, а неполнота сгорания топлива нейтрализатором отработавших газов. В современных ДВС датчик для замера концентрации свободного кислорода в ОГ ДВС подает сигнал на электронную систему подачи топлива, которая спроектирована таким образом, чтобы максимально поддерживать стехиометрический состав топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя на всех режимах ДВС. Для гибридных энергоустановок с последовательной схемой, возможно добиться наилучшей эффективности регулирования топливовоздушной смеси из-за отсутствия знакопеременных нагрузок на ДВС. Вместе с тем, с точки зрения топливной экономичности, ДВС стехиометрический состав топливовоздушной смеси не является оптимальным. Максимальный КПД двигателя всегда соответствует смеси обедненной на 10-15 процентов по сравнения с стехиометрической. При этом КПД ДВС при работе на обедненной смеси может быть на 10-15 выше чем при работе на смеси стехиометрического состава. Решение проблемы повышенного выброса вредных веществ, свойственного на этих режимах для ДВС с искровым зажиганием, возможно в результате перевода работы ДВС на водород, бензоводородные топливные композиции (БВТК) или метановодородные топливные композиции (МВТК). Применение водорода в качестве топлива или в качестве добавки к основному топливу может позволить существенно расширить пределы эффективного обеднения топливовоздушной смеси. Это обстоятельство позволяет существенно увеличить КПД ДВС и снизить токсичность отработавших газов.

В отработавших газах двигателей внутреннего сгорания содержится свыше 200 различных углеводородов. Теоретически, в случае сгорания гомогенных смесей (из условий равновесия) углеводородов в отработавших газах ДВС не должно содержаться, однако из-за негомогенности топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС возникают разные начальные условия протекания реакции окисления топлива. Температура в камере сгорания различается по ее объему, что также существенно влияет на полноту сгорания топливовоздушной смеси. В ряде исследований было установлено, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к ухудшению условий сгорания топливовоздушной смеси в пристеночном слое. В работе Daneshyar H и Watf M произвели фотографирование процесса сгорания бензовоздушной смеси в непосредственной близости от стенки цилиндра двигателя. Фотографирование осуществлялось через кварцевое окно в головке цилиндра двигателя. Это позволило определить толщину зоны гашения в пределах 0,05-0,38 мм. В непосредственной близости от стенок камеры сгорания СН в 2-3 раза возрастает. Авторы делают вывод, что зона гашения является одним из источников выделения углеводородов.

Другим важным источником образования углеводородов является моторное масло, которое попадает в цилиндр двигателя в результате не эффективного удаления со стенок маслосъемными кольцами или через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками. Исследования показывают, что расход масла через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками в автомобильных бензиновых ДВС достигает 75% общего расхода масла на угар.

При работе ДВС на водороде в топливе не содержится углеродосодержащих веществ. В этой связи подавляющее большинство публикаций содержит сведения о том, что в отработавших газах ДВС не может содержаться углеводородов. Однако это оказалось не так. Безусловно, с увеличение концентрации водорода в БВТК и МВТК концентрация углеводородов существенно снижается, но не исчезает полностью. Во много это может быть связано с несовершенством конструкцией топливной аппаратуры, дозирующей подачу углеводородного топлива. Даже небольшая утечка углеводородов при работе ДВС на сверхбедных смесях может привести к выбросу углеводородов. Такой выброс углеводородов может быть связан с износом цилиндропоршневой группы и как следствием повышенным угаром масла и др. В этой связи при организации процесса сгорания необходимо поддерживать температуру сгорания на таком уровне, при котором имеет место достаточно полно сгорание углеводородных соединений.

В процессе сгорания топлива окислы азота формируются за фронтом пламени в зоне повышенной температуры, вызванной реакцией сгорания топлива. Образование окислов азота, если это не азотосодержащие соединения образуются в результате взаимодействия кислорода и азота воздуха. Общепринятой теорией образования окислов азота является термическая теория. В соответствии с этой теорией выход окислов азота определяется максимальной температурой цикла, концентрацией азота и кислорода в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива рода топлива (при отсутствии в топливе азота). В отработавших газах ДВС с искровым зажиганием содержание окиси азота составляет 99% от количества всех окислов азота (NOx). После выхода в атмосферу происходит окисление NO до NO2.

При работе ДВС на водороде образование окиси азота имеет некоторые особенности по сравнению с работой двигателя на бензине. Это связано с физико-химическими свойствами водорода. Главными факторами в этом случае являются температура сгорания водородовоздушной и ее пределы воспламенения. Как известно пределы воспламенения водородовоздушной смеси находятся в диапазоне 75% — 4,1%, что соответствует коэффициенту избытка воздуха 0,14 - 9,85, в то время как у изооктана в диапазоне 6,0%-1,18%, что соответствует коэффициенту, избытка воздуха 0,29 - 1,18. Важной особенностью сгорания водорода является повышенная скорость сгорания стехиометрических смесей. На рис. 12 представлен график зависимостей, характеризующих протекание рабочих процессов ДВС при работе на водороде и бензине.

Рисунок 12. Изменение параметров рабочего процесса ДВС при работена водороде и бензине, мощность ДВС 6,2 кВт, частота вращенияколенчатого вала 2400 об/мин.

Как следует их графиков, перевод ДВС с бензина на водород приводит в области стехиометрических смесей к резкому возрастанию максимальной температуры цикла. На графике видно, что скорость тепловыделения при работе ДВС на водороде в верхней мертвой точке ДВС в 3-4 раза выше, чем при работе на бензине При этом на индикаторной диаграмме отчетливо видны следы колебания давления, появление которых в конце такта сжатия свойственно «жесткому» сгоранию топливовоздушной смеси. На рис.13 представлены индикаторные диаграммы, описывающие изменение давления в цилиндре ДВС (ЗМЗ-24Д, Vh=2,4 л. степ. сжатия -8,2). в зависимости от угла поворота коленчатого вала (мощность 6,2 кВт, ч. в. к 2400 об/мин) при работе на бензине и водороде.

Рисунок 13. Индикаторные диаграммы ДВС (ЗМЗ-24-Д, Vh=24 л., степеньсжатия 8,2) примощности 6,2 кВт и ч. в. к 2400 об/мин. при работе на бензине и водороде

При работе ДВС на бензине отчетливо видна неравноменость протекания индикаторных диаграмм от цикла к циклу. При работе на водороде, особенно при стехиометрическом составе, неравномерность отсутствует. При этом угол опережения зажигания был настолько мал, что практически можно считать его равным нулю. Обращает на себя очень резкое нарастание давления за ВМТ, свидетельствующее о повышенной жесткости процесса. На нижнем графике представлены индикакторные диаграммы при работе на водороде при коэффициенте избытка воздуха 1,27. Угол опережения зажигания составлял 10 градусов п. к. в. На некоторых индикакторых диаграммах явно видны следы «жесткой » работы ДВС. Такой характер протекания рабочего процесса ДВС при использовании в качестве топлива водорода способствует повышенному образованию окислов азота. Максимальное значение концентрации окислов азота в ОГ соответствует работе ДВС с коэффициентом избытка воздуха 1,27. Это вполне закономерно, т. к. в топливовоздушной смеси содержится большое количество свободного кислорода и в результате высоких скростей сгорания имеет место высокая температура сгорания топливовоздушного заряда. Вмеасте с тем, при переходе на более бедные смесях скорости тепловыделения снижаются. Снижаются и максимальная температура цикла, а следовательно и концентрация в ОГ окислов азота.

Рисунок 14. Регулировочные характеристики по составу смеси при работе ДВС на бензоводородных топливных композициях, мощность ДВС 6,2 кВт, частота вращения коленчатого вала 2400 об/мин. 1. Бензин, 2. Бензин +Н2 (20%), 3. Бензин +Н2 (50%), 4. Водород

На рис. 14 представлены зависимости изменения выброса токсичных веществ с ОГ ДВС при работе на бензине, бензоводородных композициях и водороде. Как следует из графика наибольшее значение выбросов NOx соответствует работе ДВС на водороде. Вместе с тем по мере обеднения топливовоздушной смеси концентрация NOx снижается достигая практически нулевого значения при коэффициенте избытка воздуха большего 2 единиц. Таким образом перевод автомобильного двигателя на водород позволяет кардинально решить проблему топливной экономичности, токсичности отработавших газов и снижения выброса двуокиси углерода.

Применение водорода в качестве добавки к основному топливу может способствовать решению задачи улучшения топливной экономичности ДВС, снижения выброса токсичных веществ и уменьшения выброса двуокиси углерода, требования по содержанию которой в ОГ ДВС постоянно ужесточаются. Добавка водорода по массе в диапазоне 10-20 процентов может стать для автомобилей с гибридными двигателями оптимальной в самое ближайшее время.

Применение водорода в качестве моторного толива может быть эффективно только лишь при создании специализированных конструкций. В настоящее время ведущие производители автомобильных двигателей работают над созданием таких моторов. В принципе, основные направления по которым необходимо двигатья при создании новой конструкции водородных ДВС известны. К ним относятся:

1. Применение внутреннего смесеобразования позволит улучшить на 20-30 процентов удельные массогабаритные показатели водородного двигателя.

2. Применение сверх бедных водородовоздушных смесей для гибридных энергоустановок даст возможность существенно снизить температуру сгорания в камере сгорания ДВС и создаст предпосылки для повышения степени сжатия ДВС, использования новых материалов, в том числе и для внутренней поверхности камеры сгорания, позволяющих снизить потери тепла в систему охлаждения двигателя.

Все это по мнению специалистов позволит довести эффективный КПД ДВС, работающего на водороде до 42-45 процентв, что вполне сопоставимо с КПД электрохимических генераторов, для которых в настоящее время нет данных по экономической эффективности в условиях реальной эксплуатации автомобилей с учетом привода вспомогательных агрегатов, отоплания салона и др.