CC BY
16Статья поступила в редакцию 20.02.09. Ред. рег. № 414 The article has entered in publishing office 20.02.09. Ed. reg. No. 414
УДК 620.91
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ВОДОРОДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ И ЭКОЛОГИЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА АВТОТРАНСПОРТА
А. С. Байбиков
Москва, 123060, ул. Расплетина, 19, корп. 2, кв. 91 Тел. (499) 1962452, e-mail: baibikov@inbox.ru
Заключение совета рецензентов: 15.03.09 Заключение совета экспертов: 25.03.09 Принято к публикации: 5.04.09
Атмосферные облака могут использоваться в качестве мощного возобновляемого источника энергии и водорода. Перспективно стационарное хранение водорода в виде желеобразной жидкости с микросферами, содержащими водород высокого давления, или гидридных и углеродных гранул. Заправка автомобильных баков сохраняющими водород материалами возможна с помощью не повреждающих жидкость насосов, пневмотранспорта или перегрузкой унифицированных кассет с водородосодержащими материалами. Использование топливных элементов в электромобилях исключает выброс парниковых газов, минимизирует потери в глобальной энергетической цепочке, кардинально улучшает экологию городов.
Ключевые слова: электромобиль, водород, аккумулятор, микросфера, гель, кассета, дирижабль.
PERSPECTIVE HYDROGEN ACCUMULATORS AND ECOLOGIC ENERGETICS OF TRANSPORT
A.S. Baibikov
19/2 Raspletin str., Moscow Tel. (499) 1962452, e-mail: baibikov@inbox.ru
Referred: 15.03.09 Expertise: 25.03.09 Accepted: 5.04.09
Atmospheric clouds can be used as a powerful renewed energy source and hydrogen. Stationary storage of hydrogen as gelatinous liquids with the microspheres containing hydrogen of a high pressure, or hydride and carbon granules is perspective. Refuelling of automobile tanks by materials keeping hydrogen is possible with the help of pumps not damaging a liquid, pneumotransport or an overload of the unified cartridges with containing hydrogen materials. Use of fuel cell in electromobiles excludes emission of greenhouse gases, minimizes losses in a global energy chain, cardinally improves ecology of cities.
ХРАНЕНИЕ ВОДОРОДА
HYDROGEN STORAGE
В настоящее время разнообразный транспорт несет ответственность за 23% выбросов парниковых газов. Использование биотоплива в автомобилях не нарушает общий углеродный баланс атмосферы. Однако для его производства нужно использовать большие площади орошаемых плодородных земель, необходимых для выращивания продуктов питания растущего населения. Кроме того, повышенный выброс сажи и локальное увеличение выброса углекислого газа существенно ухудшает экологическую обстановку в городах. Переход на электромобили, требующие повышения производства энергии от наиболее распространенных тепловых электростан-
ций и соответствующего увеличения количества выбрасываемого углекислого газа, только повысит общее загрязнение атмосферы.
В моей статье «Современная техническая реализация предложенного Н.Тесла возобновляемого источника энергии» рассматривается получение электроэнергии от самого мощного возобновляемого источника энергии - круговорота воды в природе. Современная реализация предложения гениального Н.Тесла с помощью энергокораблей, собирающих воду на уровне облаков, позволяет сконцентрировать на земле гидравлическую энергию (3 км водяного столба или 30 МПа!) до уровня современных тепло-
А.С. Байбиков. Перспективные водородные аккумуляторы и экологичная энергетика автотранспорта
вых двигателей. Это позволяет использовать малогабаритные высокооборотные гидротурбины, непосредственно связанные с униполярными или вентильными генераторами. Полученный постоянный ток передается по разматывающемуся кабелю на землю. Однако кабель привязывает судно к определенному району, что весьма неудобно.
С помощью современных статических преобразователей постоянный ток можно преобразовать в высокочастотный многофазный и, согласно другому предложению Н.Тесла, организовать беспроводную передачу через землю или через ретрансляторы и проводящую ионосферу. Однако такая технология сейчас не доведена до промышленного применения.
Освоенным способом является аккумулирование энергии в виде водорода, получающегося электролизом чистой атмосферной воды, и накопление его под давлением 35-70 МПа в тяжелых толстостенных металлических баллонах. Уже сейчас танкер Hydrogen Challanger (Германия) производит водород на борту из энергии ветра. Это удобный, но опасный способ хранения с учетом того, что со временем большинство металлов наводороживается и теряет прочность. Упрочнение емкостей путем намотки углеродными шнурами и использования композитных материалов (как сопел ракетных двигателей) в некоторой степени улучшает массовые характеристики. Перспективным безопасным способом является хранение водорода под давлением 35-65 МПа в стеклянных микросферах диаметром 5-500 мкм с толщиной стенки около 1 мкм [1]. При температуре 200-400° С стекло становится проницаемым для водорода, что позволяет заправлять эти микросферы. По массовой эффективности этот способ примерно эквивалентен предыдущему, так как не требует тяжелых баллонов высокого давления. Недостатком его, по мнению авторов, является возможность повреждения микросфер при транспортировке. Этот недостаток можно исключить путем помещения микросфер в желеобразную или тиксотропную жидкость с уменьшающейся вязкостью при повышении температуры. Фактически это газожидкостная смесь, в которой пузырьки окружены прочной оболочкой. Такие смеси также могут храниться в унифицированных кассетах.
Ожижение водорода и длительное хранение в емкостях с вакуумной изоляцией весьма энергоемко и поэтому вряд ли целесообразно.
В порту приписки водород высокого давления из баллонов судна передавливается в стационарные емкости. В случае хранения его в микросферах желеобразная смесь может перекачиваться в существенно более дешевые и безопасные стационарные емкости низкого давления с помощью не повреждающих жидкость насосов (например, дисковых), применяющихся в пищевой и медицинской промышленности. Возможно исключение перекачки: просто перегрузка контейнеров с унифицированными заряженными водородом кассетами в стационарные хранилища.
Из стационарных емкостей высокого давления водород может направляться для заправки автомобильных перевозимых баллонов или существенно более безопасных водородных аккумуляторов. Перспективные гидридные водородные аккумуляторы накапливают до 7% водорода (по массе), а углеродные на нанотрубках - до 13%. Надо отметить, что запас энергии в этих аккумуляторах при тех же объеме и массе более чем на 40% превышает запас энергии перспективных электрических автомобильных аккумуляторов. Еще более энергоемка и также безопасна заправка автомобилей желеобразной смесью с микрокапсулами. Безопасно и экономично также хранение такой смеси на автозаправочных станциях. Заправка баков смесью с помощью не повреждающих жидкость насосов может не очень отличаться от современной, хотя и несколько медленнее. При этом надо предварительно из бака выгрузить в хранилище отработавшую смесь. Регенерация отработавшей смеси возможна на специальных установках заправочных станций или централизованно. При кассетной конструкции автомобильных баков на заправочных станциях возможна такая же быстрая, как сегодня, замена унифицированных разряженных кассет на предварительно заправленные, поступившие непосредственно из портового хранилища. При этом количество заменяемых кассет может изменяться в зависимости от типа автомобиля. Надо отметить, при разрушении или нагреве водород из микросфер быстро улетучивается, если нет верхних карманов для накопления. Фактически автомобиль при разрушениях быстро освобождается от топлива, что существенно снижает его пожароопасность.
Подобная технология заправки возможна также с использованием водородных аккумуляторов, включающих помещенные в жидкость покрытые специальной пленкой микрогранулы из гидридов или углеродных наноматериалов. Такой аккумулятор менее энергоемок. Однако вообще исключается высокое давление, снижаются требования к прочности гранул и несущей жидкости. В качестве несущей жидкости можно также использовать газ и применить для перемещения микрогранул пневмотранспорт. Хотя это и менее эффективно, но для домашней заправки такого аккумулятора можно использовать воду и мобильный электролизер, запитываемый от домашней электрической розетки.
Такое специфическое энергоемкое топливо, как водород, наиболее эффективно не сжигать в двигателях внутреннего сгорания, а использовать в топливных элементах. Следует отметить, что в отличие от топливных элементов при сжигании водорода в двигателях внутреннего сгорания вследствие высокой температуры все же образуется некоторое количество парниковых газов (окиси азота и др.). По сравнению с другими топливами водород наиболее приспособлен к использованию в топливных элементах, которые имеют вдвое больший КПД, чем современные тепловые двигатели, а выхлопным газом являет-
м
•и: -
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (78) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
31
Водородная экономика. Хранение водорода
ся чистый водяной пар, не нарушающий экологию. Вырабатываемый топливными элементами электрический ток может использоваться в приводных электродвигателях колес, осуществляя бесступенчатое регулирование без сложных механических передач. Вообще исключается большинство тяжелых механических узлов, существенно упрощается управление, повышаются возможности автоматизации. К тому же момент электродвигателя при трогании существенно выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, что улучшит динамику автомобиля и снизит потребную избыточную мощность привода. Использование электродвигателей сделает автомобиль практически бесшумным.
Таким образом, использование таких водородных автомобилей кардинально улучшит экологию города, снизит шумовую нагрузку и исключит загрязнение среды парниковыми газами. Кассетная технология минимизирует преобразование и сложности транспортировки водорода, а также суммарные потери энергии от борта энергокорабля до преобразования в механическую энергию передвижения транспортного средства.
Перспективные области использования
водородной технологии и экономии энергии
Безусловно, такие водородные технологии могут использоваться в железнодорожном и водном транспорте, где ограничения по весу и объему существенно меньше, чем для автомобилей. Примером является современная немецкая подводная лодка и-212 с водородными топливными элементами. Эта лодка выбрасывает только воду и практически не шумит.
Фактически на основном режиме она является наиболее экологичным судном с самой экономичной промышленной двигательной установкой в мире.
Перспективно применение водородных технологий в дирижаблестроении, в особенности в грузовом, где водород, помимо использования в двигателях, как самый легкий газ может дополнительно использоваться для вспомогательного изменения подъемной силы. Для этой же цели могут использоваться выхлопные пары воды, которые сами по себе легче воздуха и могут нагревать газ в оболочке.
При электролизе воды также отделяется чистый кислород, который необходим в ряде химических производств. Этот кислород может накапливаться в баллонах или аккумуляторах, что может быть выполнено существенно проще и с меньшими энергетическими затратами, чем для водорода. Такие производства можно также разместить непосредственно на энергокорабле.
Так как газ хранится при высоком давлении, а потребляется при низком, то большую часть этой дополнительной энергии сжатия, увеличивающей энергоемкость топлива, можно использовать путем предварительного расширения газа в детандере, к тому же снижая общие энергетические потери.
Список литературы
1. Тарасов Б.П., Потоцкий М.В., Яртыев В.У. Проблемы хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода // Российский химический журнал. 2006. Т. Ь, № 6. С. 34-39.
