Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте

Содержание

Введение            2

1. История развития водородных автомобилей в Советском Союзе  5
2. Экологическая целесообразность      9
3. Экономическая целесообразность      12
4. Особенности ДВС при работе на водороде    17
5. Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте  20

Заключение          29

Список литературы         31

Введение

Где можно взять водород было известно давно, еще пару веков назад. Способ получения водорода был достаточно подробно описан в издании: О. Д. Хвольсон, Курс физики, Берлин, 1923, тт. 3 и.

Оказывается, не нарушая никаких законов физики можно построить машину, которая будет производить тепло за счет положительной разности энергии сжигания водорода, и энергии затрачиваемой на получение его в процессе электролиза воды.

Конкретно, 2 гр. водорода при сгорании выделяют 67,54 больших калорий тепла, а при электролизе раствора серной кислоты, при напряжении 0,1 вольта, на получение такого же количества водорода будет затрачено менее 5 больших калорий тепла. Суть состоит в том, что при электролизе не расходуется энергия разъединения молекулы воды на кислород и водород. Эта работа совершается без нашего участия межмолекулярными силами при диссоциации воды ионами серной кислоты. Мы расходуем энергию только на то, чтобы нейтрализовать заряды уже имеющихся ионов водорода и остатка SO- Количество выделившегося водорода зависит не от энергии, а только от количества электричества, равного произведению силы тока на время его прохождения.

При сжигании водорода выделяется именно та энергия, которую надо было бы совершить для того, чтобы оторвать молекулу водорода от кислорода в воздухе. А это и есть 67.54 больших калорий. Полученный избыток энергии может быть использован по разному.

Можно получать водород прямо на заправочных станциях и заправлять им автомобили.

В условиях дома, взяв из сети один киловатт час энергии, сможем получить 10 квт часов тепловой энергии для бытовых нужд. Это своеобразный усилитель энергии. Отпадет надобность в проводке газовых труб, теплотрассах и котельных. Энергия будет приготовлена прямо в квартире из воды, а отходами будет снова только вода.

В крупных промышленных установках, даже при 33% кпд, как и в атомных станциях сегодня, сжигая водород, получим электрической энергии в несколько раз больше, чем было затрачено ее на получение этого водорода.

Привлекательно использование водорода, как топлива для автомобилей, ввиду его нескольких особых преимуществ:

• при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода, что делает двигатель на водородном топливе наиболее экологически чистым;

• высокие энергетические свойства водорода (1 кг водорода эквивалентен почти 4,5 кг бензина;

• неограниченная сырьевая база при получения водорода из воды.

Использовать водород в качестве топлива для автомобилей можно несколькими разными способами:

• можно использовать только сам водород;

• можно использовать водород вместе с традиционными топливами;

• можно применять водород в топливных элементах.

Конечно, возникают определенные технические трудности, которые необходимо решить.

На сегодняшний день, практически весь вырабатываемый водород используется в различных нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах.

С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на всех скоростных режимах.

В отработавших газах практически отсутствуют оксиды углерода (СО и СО2) и несгоревшие углеводороды (СН), но выброс оксидов азота вдвое превышает выброс оксидов азота бензинового двигателя.

Из-за высокой реакционной способности водорода есть возможность проскока пламени во впускной трубопровод и преждевременного воспламенения смеси. Из всех вариантов устранения этого явления самым оптимальным является впрыск водорода непосредственно в камеру сгорания. 
Проблемой использования водорода в качестве моторного топлива является его хранение на автомобиле.

Система хранения сжатого водорода позволяет уменьшить объем бака, но не его массу из-за увеличения толщины стенки. Хранение жидкого водорода – сложная задача, учитывая его низкую температуру кипения. Жидкий водород хранят в емкостях с двойными стенками.

При хранении водорода в виде гидридов металлов, водород находится в химически связанном состоянии. Если в качестве гидрида металла использовать гидрид магния, соотношение между водородом и металлом-носителем составляет около 168 кг магния и 13 кг водорода.

Высокая температура самовоспламенения водородо-воздушных смесей затрудняет использование водорода в дизелях. Устойчивое воспламенение может быть обеспечено принудительным поджогом от свечи.

Трудности при использовании водорода и высокая его цена привели к тому, что разрабатывается комбинированное топливо бензин-водород. Использование бензино-водородных смесей позволяет на 50% снизить расход бензина при скорости 90 – 120 км/ч и на 28% при езде в городе.

1. История развития водородных автомобилей в Советском Союзе

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 1937г.) 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 проводились 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.

Пост ПВО Ленинградского фронта ВОВ, был оборудован водородной установкой. Из водородного аэростата водород перекачивается в газгольдер. Из газгольдера с «отработавшим» 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 войны, в семидесятые годы прошлого века, Бориса Исааковича неоднократно приглашали на различные научные конференции, 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 Исаакович 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.

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 водороде велись в ИПМАШ АН УССР и СМНС АН СССР и Заводе Втузе при ЗИЛе. Благодаря активной позиции академика Струминского В.В, руководителя СМНС АН СССР несколько образцов микроавтобусов использовались на ХХII Олимпийских летних играх в Москве в 1980 году.

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.

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 1979г. 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.

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 1982г. в Москве.

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.