Новая энергетика

ЭАВ и водородная энергетика

Новая энергетика - Водородная энергетика

Отметим преимущества водорода как топлива по сравнению с бензином.

Неисчерпаемость. В Мировом океане водорода содержится 1,2 x 1013 т., дейтерия — 2 x 1013 т. Суммарная масса водорода составляет 1% общей массы Земли, а число атомов — 16%. Особенно важен здесь тот фактор, что при сгорании водород превращается в воду и полностью возвращается в круговорот природы.

Весовая теплотворная способность водорода (28630 ккал/кг) в 2,8 раза выше по сравнению с бензином. Энергия воспламенения в 15 раз меньше, чем для углеводородного топлива. Максимальная скорость распространения фронта пламени в 8 раз больше по сравнению с углеводородами.

Излучение пламени в 10 раз меньше по сравнению с пламенем углеводородов.

Экологичность. При использовании водорода как топлива исключается возможность усиления парникового эффекта, не выделяются вредные вещества (автомобильный двигатель выбрасывает 45 токсичных веществ, в том числе и канцерогены), нет опасности образования застойных зон водорода: он легко улетучивается.

Отметим и отрицательные качества водорода. Это низкие плотность и объемная теплотворная способность, более широкие пределы взрываемости и более высокая температура воспламенения по сравнению с углеводородами. Применение концепции энергоаккумулирующих веществ позволит снизить негативное влияние этих недостатков водорода как топлива, которые заметно перекрываются его достоинствами.

Водород вообще можно считать универсальным топливом, поскольку он обладает абсолютной экологической чистотой, может заменить бензин, дизельное топливо и мазут в тепловых двигателях (автомобильных, тракторных, комбайновых, локомотивных, судовых, вспомогательных и др.), пригоден для всех видов тепловых двигателей: поршневых с воспламенением от искры и сжатия, поршнетурбинных, во всех типах турбоустановок, двигателя Стирлинга, двигателей прямой реакции, для бытовых целей.

Работы по развитию водородной энергетики особенно активно развивались в СССР и США.

Так, в 1972 году в США на испытательном полигоне фирмы Дженерал моторс проводились соревнования городских транспортных средств, в которых участвовало 63 автомобиля с различными системами двигателей, в том числе на аккумуляторных батареях, аммиаке-пропане и два автомобиля на водороде. Последние заняли первое и второе места. Лучшие результаты показал конвертируемый на водород автомобиль фирмы Фольксваген , в котором отработавшие газы были чище засасываемого в двигатель городского воздуха.

При использовании водорода для бытовых нужд в значительных масштабах энергетические затраты будут меньше стоимости используемого для этих целей электричества. Известно, что доля энергозатрат на бытовые нужды составляет около 20%. При этом необходимо учитывать, что бытовые котельные, камины, печи и плиты, использующие органические топлива, являются одним из основных источников загрязнения воздуха в жилых районах. Перевод их на водород позволит исключить это загрязнение. Поэтому, учитывая также возможность истощения источников природного газа, газовые компании США в большом объёме ведут исследования по его замене водородом. В Институте газовой технологии США разрабатывается дом на водороде . Обогрев его осуществляется холоднопламенным каталитическим сжиганием водорода на декоративных панелях, а приготовление пищи - водородом на газовых плитах.

***

В СССР исследования в области применения ЭАВ и водородной энергетики, как и почти все серьёзные исследования, проводились в рамках военных программ. В самом деле: в случае конфликта с США СССР был весьма уязвим в плане энергоснабжения: все источники энергии далеко на востоке, почти вся армия, большая часть промышленности и административный аппарат - европейский и уральский регионы. Источники и потребители энергии связывали длинные, тонкие и немногочисленные нити нефтепроводов, перерезать которые для ВВС США удручающе легко.

Бог миловал: угроза военного конфликта с США потеряла реальные очертания. Но энергетические проблемы, подчас весьма жестокие (Приморье), возникли и без участия внешнего врага (увы!). Так что эти исследования как никогда актуальны для современной России.

У истоков этих исследований стоял профессор Илья Львович Варшавский (учеником которого автор имел честь быть в 1994-1997 гг.), известный в первую очередь благодаря циклу Варшавского-Чудакова. И именно он и предложил концепцию энергоаккмулирующих веществ.

При этом его идеи воплощались не только в статьях и отчётах. Так, в конце семидесятых годов коллективом отдела тепловых двигателей Института проблем машиностроения АН УССР под руководством И.Л. Варшавского совместно с В.А.Байковым и В.П. Журманом проведена конвертация автомобиля Москвич-412 для работы на бензине, водороде и бензоводородной смеси. Водородное топливо вырабатывалось в реакторах периодического действия с порционной загрузкой ЭАВ на основе кремния или алюминия и регулируемой подачей воды. Были проведены дорожные испытания автомобиля, определены динамические качества автомобиля, максимальная скорость, топливная экономичность, эксплуатационные характеристики и токсичность отработанных газов.

В это же время был конвертирован для работы с добавками водорода, хранимого в гидридах, автомобиль ВАЗ-2101. Испытания показали, что применение водорода в качестве дополнительного горючего решает проблему снижения токсичности ОГ автомобиля (окись углерода отсутствует полностью, количество углеводородов и окислов азота не превышают перспективные допустимые нормы). Наряду со снижением токсичности добавки водорода снижают расход бензина примерно на 40% и повышают топливную экономичность двигателя на 10-15%. Добавки водорода расширяют концентрационные пределы воспламенения, повышают скорость горения бедных смесей.

***

Завершением работы над автомобилями, использующими бензоводородные смеси стала эксплуатация в Харькове серийных таксомоторов Волга , снабжённых гидридными баками для хранения водорода.

Как уже отмечалось, перспективным и опробованным ЭАВ является кремний. Использование его в этом качестве упрощённо можно описать следующими тремя реакциями:

Восстановление кремния углеродом: Q + C + SiO2 → Si + CO2 ↑

Разложение окисла: Q + SiO2 → Si + О2 ↑

Осуществление второй реакции требует особых катализаторов и особых режимов (сочетания температуры и давления). Поэтому эта реакция протекает в специальном реакторе.

Рассмотрим, как может работать эта схема, в чём её преимущество перед использованием нефти.

SiO2 - это песок. Производство кремния (первая реакция) можно вести везде, где есть песок и некий источник энергии. Идеальным случаем является пустыня - песка и солнца там хватает, при этом пустыни практически не используются в хозяйственной деятельности, никому не помешаем. Работать станция по восстановлению кремния из песка может в автоматическом режиме.

Обратите также внимание на реакцию восстановления кремния углеродом: она может применяться для использования низкокачественных углей, сжигание которых нецелесообразно (например, углей московского угольного бассейна).