Водень і способи його отримання.
Водень - перший елемент періодичної системи елементів. Він є найпоширенішим газом у Всесвіті. Це проста речовина при звичайних для нього умовах, є легким безбарвним газом, яке в суміші з повітрям або киснем може бути вибухонебезпечним і легко займистим. На Землі водень зустрічається переважно в зв'язаному стані. Саме тому способи його отримання грунтуються на реакціях металів з одним із з'єднань водню, наприклад:
Для видобутку водню також можуть бути використані реакції розкладання складних речовин на більш прості. Одним з таких способів є реакція розкладання води електричним струмом (електроліз).
Водень як паливо.
Ще в 1806 році була розроблена конструкція двигуна внутрішнього згоряння, що працює на водні. На жаль, в той час ці експерименти не мали практичного значення і незабаром були забуті.
Про водні згадали під час Другої Світової війни: через нестачу бензину, - на водневе паливо було переведено близько шестисот автомобілів Вермахту. Після цього дослідження в галузі використання водневого палива в ДВС почали проводити багато компаній. У водню є незаперечні плюси: екологічність. високі енергетичні показники, унікальні кінетичні характеристики і практично необмежена сировинна база. Але якщо переробити стандартний двигун внутрішнього згоряння на роботу з воднем, досить легко, і самого водню можна виробляти необмежену кількість, - то чому ж зараз ця технологія не набула широкого поширення?
Справа в тому, що для отримання водню використовуються досить складні і дорогі технології. Причому, - мало отримати це пальне, його потрібно навчитися зберігати без втрат на випаровування. Ще одним серйозним перешкодою для широкого використання водню на транспорті, є відсутність мережі водневих заправних станцій. Все вищеописані проблеми в сукупності і є гальмом повсюдного застосування водню.
Тому, автомобілів на водні: з паливними комірками і модифікованими двигунами внутрішнього згоряння, в світовому автопарку поки набираються тільки соті частки відсотка.
Водневі двигуни.
Звичайний двигун для використання водню в якості палива не підходить, так як цей газ легко запалюється від високої температури всередині механізму, навіть без утворення іскри на свічках запалювання, а значить виникає неконтрольоване горіння або краплинне запалювання, яке ніяк не узгоджується з робочим циклом двигуна. Однак, якщо внести зміни в систему запалювання, для роботи на водні, то з бензинового двигуна можна знімати навіть більшу потужність, ніж при використанні штатного палива. При цьому, через повищенной робочої температури двигуна на жаль, збільшується вихід окислів азоту, що погіршує деякі параметра вихлопу.
При протіканні робочих процесів в водневих двигунах внутрішнього згоряння, можливість неконтрольованого займання суміші повітря і водню, створює додаткові проблеми з перекладом ДВС на водень, проте, швидко знайшлося і протиотруту: додатковий впорскування у впускний колектор «холодного» водню дозволяє одночасно вирішити два завдання: підвищити безпеку і ефективність роботи двигуна, а також розігріти водень перед його спалюванням до газоподібного стану.
При створюваних в двигуні температурах і тиску, водень вступає в реакцію з мастилом і матеріалами двигуна, що призводить до швидкого зносу вузлів пристрою, тому для модифікації двигунів під водневе паливо, застосовують особливі матеріали, свічки без платинових електродів і видозмінений повітропровід.
Крім змін в системі запалювання, при переробці двигуна під водневе паливо виробляється заміна деталей циліндро-поршневої групи і клапанного механізму на більш міцні і термостійкі. Зате, після всіх переробок, в залежності від типу двигуна (інжекторний або карбюраторний), - потужність двигуна виростає в середньому від 20 до 40 відсотків.
Саморобні генератори водню
Описуючи двигуни внутрішнього згоряння, що працюють на водні, не можна не згадати використання деякими автолюбителями саморобних установок для отримання водню прямо під капотом автомобіля під час його руху. В якості вихідної сировини для отримання водню використовується звичайна вода, налита в яку-небудь ємність для проведення електролізу. Енергія для виділення водню з води береться від автомобільного генератора струму. Отриманий в невеликих кількостях газ, направляється у впускний колектор двигуна через повітропровід, де змішується з бензином і згорає разом з ним.
Прихильники «водневого» тюнінгу «Жигулів» стверджують, що таким способом зменшують витрата бензину. Але це не так, тому що витрата енергії на виробництво газу перевершує кількість енергії одержуваної від спалювання водню в двигуні. Щоб довести це, не потрібно навіть проведення лабораторних вимірів - все давно вже виміряно автомобільними науково-дослідними інститутами і автомобільними корпораціями. А вже хто-хто, а автомобільні концерни, як тільки вишукують спосіб хоча б на кілька відсотків збільшити економічність випускаються ними моделей, впроваджують нововведення ще раніше, ніж ми про них почуємо.
Автомобіль на паливних елементах.
Плюси і мінуси використання водню.
Технічний водень - це екологічно чисте паливо для автотранспорту, його використання скоротить викид в атмосферу шкідливих речовин від вихлопних газів автомобілів і зменшить витрату невідновлюваної вуглеводневого палива в масштабах планети. Водень володіє широкими межами займання, високою швидкістю згоряння, і кращої дифузійної здатністю в порівнянні з бензином. Робочий цикл відрізняється кращими показниками економічності, більш високим ККД і повною відсутністю токсичності. Ці властивості визначають хороші параметри розрахованих на застосування водню двигуни. До того ж, енергія, необхідна для займання водню набагато менше, ніж для вуглеводневих палив.
Великим мінусом водневих двигунів є те, що немає можливості швидко дозаправить машину в шляху, наприклад, з каністри або на заправці. Для дозаправки воднем потрібно побудувати мережу заправних станцій, а це набагато (приблизно в 10 разів) дорожче, ніж будівництво бензинових заправок. Серед всіх газів, - у водню найвища летючість. Саме через це його дуже важко зберегти в рідкої консистенції, що, в свою чергу, ускладнює зберігання, транспортування та використання водню в баку. За досить короткий час з такого резервуара може повністю випаруватися паливо. Якщо заправленої воднем машиною не користуватися дві-три тижні, то водень за цей час встигає повністю зникнути.
Головний недолік використання - це відсутність на сьогоднішній день недорогих способів отримання водню. Основні способи отримання водню сьогодні, - це електроліз води (або водних розчинів), доступний навіть в домашніх умовах або ж проведення хімічних реакцій. Проблема полягає в тому, що сумарні витрати на отримання водню рівняються або навіть перевищують вартість отриманої енергії в результаті його подальшого згоряння.
Але це економічне протиріччя можна легко обійти, якщо видобутий водень не спалювати в двигунах внутрішнього згоряння, коефіцієнт корисної дії яких становить 25-30%, а використовувати в якості вихідної сировини для вироблення електрики в паливних елементів і постачання їм мотор коліс електромобілів. Така схема вже дає ККД на рівні 70-80%, що безсумнівно зробить водневу технологію рентабельною вже в найближчому майбутньому.
Схема роботи паливного елемента.
Схема енергоустановки на паливних елементах.
Машини на водневих ДВС: перспективи розвитку.
Автомобіль, що працює на водневому ДВС.
Використання водню як палива для електромобілів дозволить вирішити екологічні проблеми, особливо в великих містах. Сподіваємося, в майбутньому людство оцінить водень по достоїнству і знайде шляхи вирішення проблем, що перешкоджають його активного використання в найближчому майбутньому.
ТМ «Volta bikes»