Водород

В настоящее время ведутся работы по применению в качестве топлива для автомобилей водорода, а также его смеси с бензином. Водород самый легкий элемент, даже в жидком состоянии он при­мерно в 14 раз легче воды.

Водородовоздушная смесь воспламеняется при содержании во­дорода от 4 до 74 %. В то же время из-за низкой теплотворной спо­собности водородовоздушной смеси мощность работающего на ней двигателя на 15...20% ниже, чем при работе на бензине. При по­ступлении водорода непосредственно в цилиндр двигателя в такте всасывания или в начале такта сжатия падения мощности можно избежать. Однако в этом случае необходимо значительное измене­ние конструкции системы подачи питания и самого двигателя.

При использовании водорода в качестве добавки к бензиновоз­душной смеси не требуется изменения конструкции двигателя. Если же бензин добавлять на режиме холостого хода при малых и сред­них нагрузках, то обеспечиваются оптимальные мощностные и ди­намические показатели автомобиля. Причем, если обычный рас­ход бензина составляет 12,2 кг на 100 км, то в данном случае он снизится до 5,5 кг, а расход водорода составит всего 1,8 кг. Следо­вательно, 6,7 кг бензина заменяются 1,8 кг водорода, т.е. эконо­мится 50... 55 % бензина. При этом концентрация оксида углерода в отработавших газах снижается в 13 раз, оксидов азота — в 5 раз, углеводородов — на 30 %.

По предложениям ученых при городском режиме работы ос­новным топливом для автомобиля должен быть водород, а бензин должен использоваться как добавка для стабилизации горения воз­духа на режиме холостого хода, малых и средних нагрузках. При эксплуатации же автомобиля на трассе (при средних и полных на­грузках) двигатель должен работать на бензине с минимальной добавкой водорода.

Использование в качестве топлива для автомобилей бензиноводо­родных смесей в условиях интенсивного городского движения позво­ляет экономить топливо нефтяного происхождения и при этом сни­жать загрязнение окружающей среды токсичными продуктами отра­ботавших газов. Следует также иметь в виду, что стоимость водород­ного топлива не выше, чем стоимость других синтетических топлив.

Известно, что жидкий водород занимает в 3,5 раза больший объем, чем эквивалентное по выделяемой энергии количество бен­зина, что усложняет его хранение и распределение. Необходима

также надежная теплоизоляция баков, так как температура жид­кого водорода —253 °С. Поэтому в качестве емкостей для транспор­тирования и хранения водорода приходится использовать крио­генные баки с двойными стенками, пространство между которы­ми заполнено изолирующими материалами.

Получают водород электролизом, термической диссоциацией и фотолизом воды, термохимическим способом из гидрида маг­ния с добавкой 5% никелевого катализатора при нагревании до 257 °С (порошкообразный гидрид магния занимает в 4,6 раза боль­ший объем, чем эквивалентное количество бензина), что доволь­но сложно.

Учитывая, что смесь газообразного водорода с кислородом воз­духа в широком диапазоне концентраций образует гремучий газ, который в закрытых емкостях или помещениях горит очень быстро при значительном повышении давления, создавая возможность взрыва и разрушений, необходима полная герметизация топливо­подающей системы автомобиля и организация сброса избыточно­го давления водорода в баке с его последующей нейтрализацией на каталитических дожигателях. Специальная система, исключаю­щая утечки жидких и газообразных фаз топлива, требуется и для заправки автомобиля жидким водородом.

Для комбинированного питания двигателя бензиноводородной смесью при невысоком содержании водорода (в пределах 20%), возможно его использование в сжатом виде. Включение и отсечка подачи водорода в этом случае не вызывают затруднений и обыч­но производятся с помощью электромагнитного клапана.

В качестве наиболее перспективной формы использования водо­рода рассматриваются вторичные энергоносители, например водо­род, аккумулированный в составе металлогидридов. В этом случае успешно решается проблема безопасности эксплуатации водород­ного топлива и обеспечивается возможность создания приемлемого энергозапаса без высоких давлений или криогенных температур.

Выделение водорода происходит при подогреве гидридов горя­чей жидкостью из системы охлаждения или непосредственно от­работавшими газами. Для зарядки гидридного аккумулятора через восстановленный металлический компонент пропускается водо­род под небольшим давлением и одновременно отводится образу­ющееся тепло. Процесс зарядки может повторяться несколько ты­сяч циклов без ухудшения энергоемкости аккумулятора. В случае аварии и разрушения наружной оболочки емкости для хранения часть водорода быстро улетучивается, вызывая понижение темпе­ратуры гидрида и прекращение выделения водорода. Благодаря это­му гидридный аккумулятор водорода во многих отношениях безо­паснее бака с бензином.

Объемная энергоемкость лучших гидридов приближается к уров­ню энергоемкости жидкого водорода, т.е. объем гидридного бака может быть меньше объема криогенного бака для жидкого водорода. Масса же самого гидридного блока примерно на порядок выше массы необходимого жидкого водорода из-за значительной плотности ме­таллического носителя. Тем не менее суммарные массы гидридной и жидководородной топливных систем соизмеримы вследствие боль­шой массы криогенных баков.

Гидридный аккумулятор не требует особого ухода, быстро заря­жается, его себестоимость ниже, а срок службы больше, чем у ак­кумуляторных батарей.

Автомобили с гидридными аккумуляторами наиболее целесо­образно использовать в городских условиях, где они могут ус­пешно конкурировать с обычными автомобилями и электромо­билями.

Контрольные вопросы

1. Какие топлива ненефтяного происхождения могут заменить тради­ционные автомобильные топлива?

2. Какими свойствами обладают синтетические спирты, используемые в качестве топлива для автомобильных двигателей?

3. Каковы преимущества МТБЭ по сравнению с этиловой жидкостью для повышения октанового числа автомобильных бензинов?

4. Какие топлива для автомобильных двигателей получают из газовых конденсатов на крупнейших газоконденсатных месторождениях Западной Сибири?

ГЛАВА 6