Водород как топливо реферат

Обновлено: 21.07.2024

Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд).

По некоторым расчётам, каждую секунду в глубинах Солнца примерно 564 млн. тонн водорода в результате термоядерного синтеза превращаются в 560 млн. тонн гелия, а 4 млн. тонн водорода превращаются в мощное излучение, которое уходит в космическое пространство. Нет опасений, что на Солнце скоро иссякнут запасы водорода. Оно существует миллиарды лет, а запас водорода в нём достаточен для того, чтобы обеспечить ещё столько же лет горения.

Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной.

Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес.

А пока я не могу сказать, что эти слова оправдывают себя. На воду нам уже вообще приходится закрывать глаза, поскольку сейчас, если даже брать конкретно наш город, известны факты, что из кранов течёт загрязнённая вода, и пить её ни в коем случае нельзя.

Что касается воздуха, то здесь на повестке дня уже много лет стоит не менее важная проблема. И если представить, хотя бы на секунду, что все современные двигатели будут работать на экологически чистом топливе, коим, разумеется, является водород, то наша планета встанет на путь, ведущий к экологическому раю. Но это всё фантазии и представления, которые, к великому нашему сожалению ещё не скоро станут реальностью.

Несмотря на то, что наш мир приближается к экологическому кризису, все страны, даже те, которые в большей степени загрязняют своей промышленностью окружающую среду, (ФРГ, Япония, США, и как это не прискорбно – Россия) не торопятся паниковать и начинать экстренную политику по её очищению.

Сколько бы мы не говорили о положительном влиянии водорода, на практике это можно увидеть довольно таки не часто. Но всё же разрабатывается множество проектов, и целью моей работы явился не только рассказ о самом чудесном топливе, но и о его применении. Эта тема очень актуальна, поскольку сейчас жителей не только нашей страны, но и всего мира, волнует проблема экологии и возможные пути решения этой проблемы.

Водород на Земле

Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 – атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более

1,5∙10 18 м 3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1∙10 -4 %.

Что такое водородная технология?

Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.

В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H2 составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива – 46 – 50 МДж/кг, т.е. в 2,5 раза меньше 1 т водорода соответствует по своему энергетическому эквиваленту 4,1 тут, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.

Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты.

Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин а автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.

Как и из чего в настоящее время получают водород?

В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. В разных странах могут быть различные ситуации. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).

В процессе конверсии метана водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и оксида углерода водяным паром протекают следующие каталитические реакции. Рассмотрим процесс получения водорода конверсией природного газа (метана).

Получение водорода осуществляется в три стадии. Первая стадия – конверсия метана в трубчатой печи:

Вторая стадия связана с доконверсией остаточного метана первой стадии кислородом воздуха и введением в газовую смесь азота, если водород используется для синтеза аммиака. (Если получается чистый водород, второй стадии принципиально может и не быть).

И, наконец, третья стадия – конверсия оксида углерода водяным паром:

Для всех указанных стадий требуется водяной пар, а для первой стадии – много тепла, поэтому процесс в энерготехнологическом плане проводится таким образом, чтобы трубчатые печи снаружи обогревались сжигаемым в печах метаном, а остаточное тепло дымовых использовалось для получения водяного пара.

  • Для учеников 1-11 классов и дошкольников
  • Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Работу выполнил: ученик 9-А класса

Руководитель проекта: учитель химии

Скрипник Лариса Ивановна

ГЛАВА 1. ВОДОРОД. …………………..4

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДА КАК ТОПЛИВА. ….…………4

Водородная технология. ……………………….……. 4

Водородные двигатели. ………………………………………5

ГЛАВА 3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ………………………………6

Литературные источники……………………. 8

Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород. В космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд. Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной, поэтому водород представляет для нас очень большой интерес.

Цель исследования – выявить эффективность использования водорода как топлива.

Объект исследования – процесс использования водорода как топлива.

Предмет исследования – водород как топливо.

Гипотеза исследования : если использовать водород как топливо, то выбросы вредных веществ в атмосферу значительно уменьшатся.

Положительное влияние водорода велико, но на практике это можно увидеть не часто. Но всё же разрабатывается множество проектов по его применению. Здоровье нашей планеты должно волновать каждого жителя нашего города, страны и всего мира.

Поиск и изучение информации о водороде

Проанализировать основные характеристики водорода, обладающего уникальными свойствами.

Подтвердить гипотезу о водороде как альтернативном виде топлива, как топливо будущего.

Глава I . Водород

1.1 Водород на Земле

Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 – атомы водорода. Если вспомнить, что воды на земной поверхности более чем достаточно, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти, древесины, угля, природного газа. Водород входит в состав всех животных и растительных организмов . Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и перемещаются в верхние слои атмосферы.

Глава II Использование водорода как топлива

2.1 Водородная технология

Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.

В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы получить водород нужны дни, недели, а иногда часы и минуты.

Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах . В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов. (1)

Водородные двигатели

Преимущества водородных двигателей внутреннего сгорания

Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар.

Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны.

КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.

Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:

Дорогой и сложный способ получения топлива в промышленных объемах.

Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.

Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.

Несовершенство технологий хранения такого топлива.

Дорогие водородные элементы.

Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требует водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.

Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.

Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы. (2,3)

Мировые производители все же проводят испытание в этой сфере и даже выпускают автотранспорт на водородном топливе:

Toyota — модель Toyota Highlander

Ford Motor Company проводит испытания с концептом Focus

Honda со своей моделью Honda FCX;

Hyundai выпускает Tucson;

DaimlerAG отвечает за модель Mercedes - BenzA - Class ;

General Motors . (4)

Глава 3 . Практическая часть

Водители знают, что обычный двигатель дает 7-8% окиси углерода в выхлопных газах, в лучшем случае (если хорошо отрегулировать) до 2%. Но испытания первого двигателя с топливной системой показали, что содержание окиси углерода составило 8 сотых долей процента.. Но главное - количество токсичных выбросов в атмосферe уменьшилось в 3 раза.

Исходя из этого опыта я попробую выяснить насколько снизится содержание вредных веществ в воздухе, если применить водородное топливо на автомобилях.

Один двигатель выбрасывает в атмосферу 7-8% угарного газа (СО), а 1 топливный двигатель – 0,08%. Разница колоссальна и составляет 87,5 раз. Общие выбросы автотранспорта составляют 21,5-22,7%. Можем посчитать сколько процентов составит выброс от 100 тысяч автомобилей, если использовать водородное топливо.

Это значит, что при использовании водородного двигателя количество выбросов вредных веществ снизится в 88 раз.

Нажмите, чтобы узнать подробности

Доклад, сопровождаемый презентацией по теме "Водород как альтернативный вид топлива" включает в себя практическую часть получения водорода в лабораторных условия с представлением возможного оборудования, а именно аппарата Киппа и Кирюшкина.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Коркинский муниципальный район

Водород как альтернативный вид топлива

Тип проекта: исследовательский

Выполнил

Ученик 9 Д класса

Грознецкий Павел Сергеевич

Проверил наставник:

Воробьёва Ирина Ивановна

Допускается к защите Дата сдачи:______________________

Наставник ____________________ Дата защиты:____________________

2018 год

II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Теоретическая часть 4

2.1.1 Водородная технология 4

2.1.2 Получение водорода 5

2.1.3 Получение водорода – будущая технология 6

2.1.4 Водородные двигатели 7

2.2 Практическая часть 8

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 10

В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО2) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья.

Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением водорода, загрязняют окружающую среду.

Цели: Изучить самое экологически чистое топливо, и его применение.

Задачи: Предложить замену загрязняющим видам топлива.

Объект исследования: Свойства водорода, как топлива.

Предмет исследования: Водородная технология.

Гипотеза: Водород можно использовать как самый экологически чистый вид топлива.

II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Теоретическая часть

Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара. Если вспомнить, что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы.

2.1.1 Водородная технология

Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств, для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Переход на водородную технологию и использование воды в качестве единственного источника сырья для получения водорода не может изменить не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных её регионов.

Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H2 составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива в 2,5 раза меньше, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.

Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.

Вобщем, переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна.

2.1.2 Получение водорода

В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).

В процессе конверсии метана водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и водяным паром протекают следующие каталитические реакции. Рассмотрим процесс получения водорода конверсией природного газа (метана).

Получение водорода осуществляется в три стадии. Первая стадия – конверсия метана в трубчатой печи:

Вторая стадия связана с доконверсией остаточного метана первой стадии кислородом воздуха и введением в газовую смесь азота, если водород используется для синтеза аммиака. (Если получается чистый водород, второй стадии принципиально может и не быть).

CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2↑ + 35,6 кДж/моль.

И, наконец, третья стадия – конверсия оксида углерода водяным паром:

Для всех указанных стадий требуется водяной пар, а для первой стадии – много тепла, поэтому процесс в энерготехнологическом плане проводится таким образом, чтобы трубчатые печи снаружи обогревались сжигаемым в печах метаном, а остаточное тепло дымовых использовалось для получения водяного пара.

Таким образом, водород получают из метана, электролизом воды и газификацией твёрдого топлива.

2.1.3 Получение водорода – будущая технология

Современная технология обеспечивает ежегодное получение во всём мире десятков миллионов тонн молекулярного водорода. Более 90% его получается каталитической конверсией метана, жидких углеводородов, газификацией твёрдого топлива. Совершенно ясно, что в будущем при переходе на водородную технологию такие источники получения водорода, кроме твёрдого топлива, будут в основном исключены. В качестве основного источника сырья будет использоваться вода. В качестве источника энергии для разложения воды – атомная энергия в различных её видах (тепло, электроэнергия) и энергия воды, ветра в виде электрической энергии, энергия солнечного излучения.

Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению.

Производство молекулярного водорода в 1985 году достигло примерно 57 млн. тонн, а в 1990 году уже 95.

Во-первых, в азотной промышленности, для получения синтетического аммиака.

Во-вторых, для получения метанола из СО и Н2, Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности, для гидрирования тяжелых нефтяных фракций и повышения выхода легких фракций, в ряде нефтехимических синтезов, для гидрирования жиров, для восстановления руд черных и цветных металлов, для бытовых целей, жидкий водород необходим в авиации и космонавтике.

Мы, здесь не раскрываем широкое использование водорода в промышленности (водородная сварка и резка металлов, микроэлектроника и т. д.), в сельском хозяйстве. Особо стоит вопрос об использовании изотопов водорода в атомной и термоядерной энергетике.

В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых.

2.1.4 Водородные двигатели

Водород - очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании (быстро протекающей экзотермической реакции окисления кислородом) получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И, здесь важно, что в водородных двигателях, температура сгорания топлива, на режимах городской эксплуатации, существенно ниже, чем в углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых и т.д.).

"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте — сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) — существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии.

Итак, мы убедились, что водород - очень перспективный вид топлива, который уже используется в автотранспорте.

2.2 Практическая часть

2.2.1.Получение водорода в лабораторных условиях

В лабораториях водород получают большей частью электролизом водных растворов гидроксидов натрия и калия (NaOH, KOH)

или же выделяют из растворов серной или соляной кислот действием на них цинка. Например:

В последние годы активно обсуждается возможность замены ископаемых источников энергии на водородное топливо. На протяжении нескольких столетий источником энергии служило углеводородное ископаемое сырье. Станции на угле, газе и жидком топливе в мировом масштабе производят 2/3 электричества. Эти же виды топлива преобладают на транспорте.

Оглавление

1)Введение
2)Водородное топливо - энергетика будущего?
3)Водородное топливо угрожает климату планеты.
4)Водородные топливные элементы.
5)Водородное топливо для автомобиля.
6)Список литературы

Файлы: 1 файл

реферат.docx

2)Водородное топливо - энергетика будущего?

3)Водородное топливо угрожает климату планеты.

4)Водородные топливные элементы.

5)Водородное топливо для автомобиля.

Водородное топливо - энергетика будущего?

В последние годы активно обсуждается возможность замены ископаемых источников энергии на водородное топливо. На протяжении нескольких столетий источником энергии служило углеводородное ископаемое сырье. Станции на угле, газе и жидком топливе в мировом масштабе производят 2/3 электричества. Эти же виды топлива преобладают на транспорте.

Первые промышленные гидроэлектростанции появились в Германии и в Англии в 1876-81 годах, в то время какатомные электростанции начали строиться только в 1950-е годы. В настоящее время в 31 стране действуют 440 АЭС, на долю которых приходится 16% мирового производства электроэнергии; вклад гидростанций в мировую энергетику составляет 19%. В ряде стран действуют приливные, ветровые, солнечные и геотермальные электростанции; кроме того, наблюдается заметный рост темпов использования биомассы растительного происхождения для производства моторного топлива, а также строительство электростанций на биомассе. Тем не менее, в общемировом балансе энергоснабжения доля всех этих возобновляемых источников энергии пока что незначительна.

Однако ориентация на ископаемые источники углеводородов не имеет долговременной перспективы. К 2050 году мировая потребность в энергии, как минимум, удвоится по сравнению с современным уровнем. Ресурсы невозобновляемых источников по определению ограничены; ожидается, что мировое производство нефти в следующем десятилетии достигнет пиковых показателей, а затем начнет снижаться. Кроме того, нефтяные и газовые поля (и в меньшей степени угольные месторождения) сосредоточены лишь в отдельных регионах земного шара, в силу чего бесперебойное поступление этих видов топлива в другие районы само по себе требует значительных усилий и затрат даже в условиях политической и военной стабильности, которая отнюдь не гарантирована.
При утилизации всех видов топлива, кроме природного или синтетического горючего газа, в воздушный бассейн попадают твердые минеральные частицы, многие из которых токсичны для человека, животных и растений. Уже сейчас в атмосферу ежегодно выбрасывается 25 млрд. тонн двуокиси углерода (углекислого газа), который служит основной причиной парникового эффекта, вызывающего глобальное потепление. Все это означает, что поиск реальных альтернатив углеводородным топливам является исключительно актуальной проблемой.

В настоящее время многие специалисты в области энергетики, политики, журналисты и активисты общественных движений в защиту среды обитания отдают предпочтение водородному топливу.

По состоянию на 2005 год объем мирового производства водорода составлял 50 млн. тонн. К настоящему времени он равен 55-60 млн. тонн. Водород в основном применяют для производства азотных удобрений и для превращения низкокачественных видов сырой нефти в моторное топливо. Сжиженный водород используют для получения сверхнизких температур и в качестве горючего для криогенных ракетных двигателей. Постоянно ведутся исследования, призванные более широко внедрить использование водородное топливо в качестве замены бензину.

Так например, в конце 2007 года Университет Пенсильвании объявил, что разработал технологию по производству водородного топлива из пищевых отходов. Новая технология производства водородного топлива теоретически может привести к массовому переходу автомобилей на водородное топливо.

У водорода есть множество очевидных достоинств. Водород полностью сгорает в кислороде, выделяя большое количество энергии и оставляя после себя только водяной пар. Его легко транспортировать по трубопроводам практически на любые расстояния, тем более, что он не ядовит (хотя и взрывоопасен) и не обладает коррозирующим действием. Запасы водорода (как компонента воды) практически неограниченны и более или менее равномерно распределены по всем континентам. Водород представляется идеальным горючим для относительно маломощных и в то же время многочисленных силовых установок, размещенных на подвижных платформах - прежде всего для автомобильных и авиационных двигателей.

Однако при всех этих несомненных преимуществах водорода его массовое использование в качестве топлива будет сопряжено со множеством сложнейших проблем. Их решение потребует очень крупных средств, которые придется затратить как на разработку высокоэффективных технологий получения и утилизации водорода, так и на создание инфраструктуры для его промышленного производства, доставки, хранения и распределения. Эти средства неизбежно придется отбирать у других насущно важных проектов, что потребует немалой политической воли и готовности принимать рискованные решения.
Водородное топливо угрожает климату планеты.

Опираясь на результаты компьютерного моделирования, исследователи Калифорнийского технологического института в Пасадене, США, утверждают, что массовый переход на водород в качестве топлива для автомобильных и других двигателей может способствовать деградации озонового слоя, особенно над полюсами, а также некоторому охлаждению атмосферы.

На фоне очевидных недостатков традиционных видов топлива, добываемых из горючих ископаемых, водород длительное время представлялся как уникальный экологически чистый ("зелёный") энергоноситель. Уголь, газ, бензин и т.д. при сгорании приводят к образованию довольно длинного списка различных неорганических и органических продуктов, в том числе углекислого газа, являющегося одним из основных парниковых газов (любопытно, что в своё время его выделение считалось вполне безопасным и не вызывало особых опасений). С другой стороны, двигатели на водороде (которые на английском звучат как fuel cells, "топливные ячейки"), при работе выделяют единственный побочный продукт – воду.

Учитывая сказанное, не удивительно, что многие видят в водороде экологически чистую альтернативу современным видам топлива во всех возможных сферах – от автомобилей и бытовых устройств до электростанций и промышленности. Американский Конгресс уже в ближайшие 5 лет намерен вложить в разработку технологий добычи и использования водорода более 3 млрд. долларов, и надеется на массовое использование автомобилей на водородном топливе уже к 2020 году. Крупнейшие автомобилестроительные компании уже сейчас инвестируют значительные суммы в разработку двигателей на Н2. И хотя на пути масштабного использования водорода в качестве топлива ещё большое количество проблем самого различного характера (в том числе и чисто технологических), мировые лидеры настроены оптимистически. Настроение весьма мажорное.

Однако, вот на днях на страницах журнала Science группа американских учёных опубликовала результаты своих исследований, в которых утверждает, что быстрое расширение "водородной" индустрии может обернуться весьма ощутимыми климатическими изменениями и ростом озоновых дыр.

Исследователи утверждают, что в случае полной замены водородом всех других используемых ныне видов топлива значительные его количества будут попадать в атмосферу из-за утечки из труб, топливных терминалов, заводов и различных двигателей. По словам Юка Юна (Yuk Yung), одного из калифорнийских исследователей, ежегодно таким образом может теряться от 10 до 20 % производимого водорода или, по крайней мере, 60 миллионов тонн. Выделение такого количества газа может привести к утроению количества водорода, поступающего в атмосферу (кроме искусственных, существуют также природные источники водорода).

Благодаря своей лёгкости, водород быстро поднимается в верхние слои атмосферы, и, достигнув стратосферы, взаимодействует с кислородом, образуя воду. Современное содержание водорода в стратосфере составляет 0,5 объёма на 1 млн. объёмов воздуха, и увеличение его количества приведет к образованию большего количества водяного пара. Как сообщает Трейси Тромп (Tracey Tromp), согласно результатам компьютерного моделирования, предполагаемое увлажнение стратосферы повлечет снижение её температуры приблизительно на 0,5 градуса Цельсия. Понижение температуры будет особенно заметно в области полюсов, где образуется большинство водяного пара, и проявится, в частности, в более позднем приходе весны (как видим, в будущем нам может грозить не только глобальное потепление).

Описанное явление, по утверждению авторов, будет способствовать нарушению процессов образования озона и увеличению озоновых дыр над полюсами – на 8 % над Северным и на 7 % - над Южным (Nature). По предыдущим оценкам, сокращение выбросов хлорфторуглеводородов большинством развитых стран должно обеспечить некоторое восстановление озонового слоя приблизительно за 50 лет.

Исходя из сказанного, представляется важным, насколько скоро водородная промышленность приобретёт значительные масштабы – уже через 20 лет, когда атмосферная концентрация ХФУ будет ещё достаточно высокой, или к средине столетия, когда их содержание будет значительно ниже.

Тем не менее, и это отмечают сами исследователи, прогнозы относительно опасности выбросов водорода в атмосферу весьма и весьма относительны. Цикл водорода остаётся исследованным не до конца, а поскольку мы не располагаем полной схемой процессов круговорота водорода в природе, утверждать что-либо было бы опрометчиво. Так, в частности, не исключено, что большие количества водорода могут поглощаться грунтом, и в таком случае эффект утечки Н2 в атмосферу будет значительно ослаблен.

Поэтому учёные отмечают, что результаты их работы не следует расценивать как призыв отказаться от развития водородной промышленности, а скорее как способ подчеркнуть большое значение понимания водородного цикла. В любом случае, если уж "выбирать из двух зол меньшее", то пока преимущества водородного топлива для окружающей среды превышают все известные недостатки, в том числе вышеуказанные.

Водородные топливные элементы.

Водородные топливные элементы могут производить электрическую энергию для электродвигателя на борту транспортного средства, заменив тем самым двигатель внутреннего сгорания, или применяться для бортового питания.

ИсторияПервое транспортное средство на топливных элементах создала в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company (США). Щелочные топливные элементы (AFC) были установлены на трактор В 1962 году — на автомобиль для гольфа. В 1967 году компания Union Carbide (США) установила топливные элементы на мотоцикл.

Hyundai Tucson FCEV на водородных топливных элементах

Основное преимущество внедрения топливных элементов в транспортные средства: высокий КПД. Например, паравоз за 150 лет своей эволюции смог достичь 5 % КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента — 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД 57 %.

КПД классического свинцового аккумулятора 70-90 %. Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей— дороговизна и несовершенство аккумуляторов. Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают низкой ёмкостью и большой массой. Никель-металл- гидридные аккумуляторы обладают недостаточной емкостью и неспособностью держать высокие токи разряда. В настоящее время актуальны литий –ионные акккумуляторы , но они тоже имеют проблему с обеспечением высокого тока нагрузки. Но наиболее перспективными на сегодняшний день являются литий-воздушные аккумуляторы. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов . На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.

В 2002 году Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель — снизить к 2010 году стоимость топливных элементов до $45 за 1 кВт установленной мощности и до $30 к 2015 году (в долларах 2002 года, без учёта инфляции). Это означает, что источник электричества для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л. с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорании .

Совершенствование PEM топливных элементов продолжается. Они становятся легче, компактнее, дешевле. Теперь могут запускаться при температуре минус 30 °С.

Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

Ford Motor Company — Focus FCV;

Honda — Honda FCX;

Hyundai — Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power);

Nissan — X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);

Toyota — Toyota Highlander FCHV;

Volkswagen — space up!;

Daimler AG — Mercedes-Benz A-Class;

Daimler AG — Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);

Thor Industries — (топливные элементы компании UTC Power);

Irisbus — (топливные элементы компании UTC Power);

и другие единичные экземпляры в Бразилии, Китае, Чехии и т. д.

С 2003 года по 2006 год 36 автобусов по программе Clean Urban Transport for Europe проехали более 2 млн км. и перевезли 6 млн пассажиров.

Экономичность топливных элементов

Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт. в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на пробег 100 миль (160 км.), то есть 4,3 литра бензинового эквивалента. Водород на заправочной станции Вашингтона продавался по цене $4,75 за кг (данные на 2005 год).

Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л. мощностью 85 кВт. потребляет 5,8 л. бензина на 100 км в условиях трассы.

National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использует среднюю дальность пробега легкового автомобиля 12000 миль в год (19200 км.), потребление водорода — 1 кг на пробег 60 миль (96 км.). То есть одному легковому автомобилю на водородных топливных элементах в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день. Один килограмм водорода считают равным по энергетической ценности одному галлону бензина (3,78 л).

Железнодорожные двигательные установки должны развивать довольно большую мощность, тогда как размеры железнодорожных двигательных установок имеют малое значение. Железнодорожный транспорт представляет собой огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. В настоящее время около 60% грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы. Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., дальность пробега на одной заправке — 300—400 км. Прототип был испытан 18 февраля 2004 года.В США эксплуатация локомо тива на водородных топливных элементах мощностью 2 тысячи л. с. должна была начаться в 2009 году. Локомотив создавался с 2003 года при участииМинистерства обороны США (DoD) для нетактических военных целей и коммерческих приложений.

Читайте также: