CC BY
392
7. К.Т. Акопян, Л.Г. Киракосян, А.М. Момджин - Анализ эффективности и прогноз эксплуатации массивной системы MIMO
8. Л.К. Хаджиева, Х.Э. Таймасханова, М.Ш. Элиханова - Технология MIMO как предпосылка развития сетей 5G
9. М.Г. Бакулин, В.Б. Крейнделин - Проблема повышения спектральной эффективности и емкости в перспективных системах связи 6G
10. Jerry R. Hampton. (2014). Introduction to MIMO Communications, UK, Cambridge University Press. 288p.
11. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д.Кловского. М.: Радио и связь, 2000. 797с.
УДК 62-622
Телекова Линара Растямовна Дияковская Анастасия Владимировна Telekova Linara Rastyamovna Diyakovskaya Anastasia Vladimirovna
Магистранты Master students
Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
National University of Oil and Gas «Gubkin University»
ВОДОРОД КАК ТОПЛИВО БУДУЩЕГО
HYDROGEN AS FUEL OF THE FUTURE
Аннотация. Поиск альтернативных источников энергии, в том числе топлив, на сегодняшний день является очень актуальной задачей. Альтернативное традиционным видам топливо должно быть экологичным (не связанным напрямую со значительными выбросами в атмосферу двуокиси углерода, серосодержащих соединений и других вредных газов как при применении этого вида топлива, так и при его получении в промышленности), универсальным (применимым к различным видам двигателей), экономичным (как во время использования, так и при генерации), недефицитным и простым в получении, обеспечивающим высокий КПД и быструю заправку. Всем этим критериям удовлетворяет водородное топливо. Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. В статье рассматривается история применения водородного топлива, его достоинства и недостатки, а также дальнейшие перспективы по использованию водорода в топливных элементах.
Abstract. The search for alternative energy sources, including fuels, is a very urgent task today. An alternative to traditional types of fuel should be environmentally friendly (not directly related to significant emissions of carbon dioxide, sulfur-containing compounds and other harmful gases into the atmosphere, both when using this type of fuel and when it is obtained in industry), universal (applicable to various types of engines), economical (both during use and during generation), non-scarce and easy to obtain, providing high efficiency and quick refueling. Hydrogen fuel meets all these criteria. Hydrogen energy is our "reserve for the future", when fossil fuels will
have to be completely abandoned, and renewable energy sources will not be able to meet the needs of humanity. The article discusses the history of the use of hydrogen fuel, its advantages and disadvantages, as well as further prospects for the use of hydrogen in fuel cells.
Ключевые слова, водород, топливо, топливные элементы, альтернативная энергетика, водородные элементы.
Key words: hydrogen, fuel, fuel cells, alternative energy, hydrogen cells.
Создать альтернативу традиционным видам автомобильного топлива ученые пытались не одно десятилетие, но скорее из спортивного интереса — речи о масштабном выводе разработки на рынок не шло, т.к. запасов бензина и нефти было достаточно, причем по приемлемым ценам, если не считать периодические скачки. Всерьез о необходимости нового топлива эксперты заговорили в начале 2000-х, когда заметно выросли цены на нефть. Параллельно стали ужесточаться экологические нормы и требования к выхлопам автотранспорта.
Оптимальным ответом на вызовы времени стало предложение гибридных двигателей, которые, кроме бензина, могли бы использовать электричество. Появились и газовые системы. Однако тренд последнего времени — разработка двигателей, которые работают за счет трех источников энергии: аккумуляторных батарей, суперконденсаторов и водородных элементов. Водородные элементы позволяют химически (без пламени) генерировать электричество, а аккумуляторы и конденсаторы его сохраняют. В итоге машина движется за счет накопленной электроэнергии, которую создает газовое топливо.
Водород становится все привлекательнее для инвесторов, поскольку он не просто отвечает современным экологическим требованиям, но вообще является источником энергии с нулевой эмиссией. Многие экспертные организации, компании и целые страны начинают всерьез рассматривать его в качестве долгосрочной альтернативы ископаемым топливам. Сфера применения водорода очень широка: от генерации электричества до транспорта, отопления и промышленных процессов. Международное энергетическое агентство считает, что доля водородного топлива в транспортном секторе достигнет 25 % к концу XXI века.
Водородо-кислородную смесь, как самую энергетически емкую, предлагал использовать в двигателях К.Э. Циолковский еще в 1903 году. Водород уже применяют как топливо для автомобилей, реактивных самолётов, торпед, ракет. Новые аспекты открывает получение металлического водорода и практическое применение реактора Росси. В недалеком будущем развитие технологий получения дешевого водорода из сероводорода Чёрного моря и непосредственно из источников дегазации Земли. Несмотря на противодействие нефтяного лобби, человечество неумолимо вступает в водородную эру.
Водород - один из наиболее распространённых элементов на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 - атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более 1,5-1018 м3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле - неограниченное количество. Водород входит
в состав нефти (10,9 - 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь - 5,5%), природного газа (25,13 %) [1]. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1-10-4 % [1].
Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха. Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от -252,76 до -259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при -253 °C 0,0708 г/см3) и текучая (вязкость при -253 °C 13,8 сП). Критические параметры водорода очень низкие: температура -240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при сжижении водорода.
В 1935 году ученые Уингер и Хунтингтон высказали предположение о том, что при давлении свыше 250 тысяч атм водород может перейти в металлическое состояние [2]. Получение этого вещества в устойчивом состоянии открывало очень заманчивые перспективы его применения — ведь это был бы сверхлёгкий металл, компонент лёгкого и энергоёмкого ракетного топлива. В 2014 году было установлено, что при давлении порядка 1,5—2,0 млн атм водород начинает поглощать инфракрасное излучение, а это означает, что электронные оболочки молекул водорода поляризуются [2]. Ученые пришли к выводу, что возможно, при ещё более высоких давлениях водород превратится в металл.
5 октября 2016 года в физической лаборатории Harvard University получили металлический водород. Для этого потребовалось давление 495 ГПа. Если решить вопрос стабильности и охлаждения камеры сгорания (6000 К), то металлический водород станет самым перспективным ракетным топливом. Ученые предполагают, что металлический водород позволит получить в двигателях импульс 1000-1700 секунд (в современных ЖРД пока достигнут импульс 460 секунд). Плюс для хранения металлического водорода понадобятся маленькие баки, что позволит делать одноступенчатые ракеты для вывода полезной нагрузки в космос, это откроет новую эру освоения космического пространства [2].
В 2016 году учёные из США и Великобритании, создав при мгновенном сжатии давление 1,5 млн. атмосфер и температуру в несколько тысяч градусов, смогли получить третье промежуточное состояние водорода, при котором он одновременно имеет свойства и газа, и металла. Он получил название «тёмный водород», так как в этом состоянии он не пропускает видимый свет, в отличие от инфракрасного излучения [2]. Тёмный водород в отличие от металлического идеально вписывается в модель строения планет-гигантов. Он объясняет, почему их верхние слои атмосферы значительно теплее, чем должны быть, перенося энергию от ядра, а поскольку он обладает значительной электропроводностью, то играет ту же роль, что и внешнее ядро на Земле, формируя магнитное поле планеты. Потенциал использования темного водорода, в том числе в энергетической отрасли, велик [2].
Первый двигатель обычного ГАЗ-АА («полуторки») заработал на водороде в блокадном Ленинграде в сентябре 1941 года [3]. Молодому младшему техник-лейтенанту Борису Щелищу, руководившему подъемом аэростата заграждения, было приказано в отсутствии бензина и электричества наладить работу лебёдок. Поскольку аэростаты заполнялись водородом, ему пришла мысль использовать его как топливо [3] (рис. 1).
Рис. 1. Идея создания первого водородного двигателя
Во время опасных опытов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, сам Борис Исаакович получил контузию. После этого для безопасной эксплуатации воздушно-водородной «гремучей» смеси он придумал специальный водяной затвор, исключавший воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя. Когда всё наконец получилось, приехали военачальники, убедились, что система работает нормально, и приказали за 10 дней перевести все аэростатные лебедки на новый вид горючего. В виду ограниченности ресурсов и времени, Щелищ остроумно применил для изготовления гидрозатвора списанные огнетушители. И задача подъёма аэростатов заграждения была успешно решена [3].
Бориса Исааковича наградили орденом "Красной звезды" и командировали в Москву, его опыт использовали в частях ПВО столицы — 300 двигателей перевели на «грязный водород», было оформлено авторское свидетельство №64209 на изобретение. Таким образом был обеспечен приоритет СССР в развитии энергетики будущего. В 1942 году необычный автомобиль демонстрировался на выставке техники, приспособленной к условиям блокады. При этом его двигатель проработал 200 часов без остановки в закрытом помещении. Отработанные газы — обыкновенный пар — не загрязняли воздух
[4].
В 1979 году под научным руководством Шатрова Е.В. творческим коллективом работников НАМИ в составе Кузнецова В.М. Раменского А.Ю.,
Козлова Ю.А. был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине [5] (рис. 2).
Рис. 2. Микроавтобус РАФ на водородном топливе
Успехи атомной энергетики позволили удачно решить проблему мощных подводных двигателей. И эти идеи успешно применили в торпедных двигателях Walter HWK 573 [5] (работающий под водой двигатель первой в мире управляемой противокорабельной ракеты «воздух-поверхность» GT 1200A для поражения корабля ниже ватерлинии). Планирующая торпеда (УАБ) GT 1200A имела подводную скорость 230 км/ч, являясь прототипом высокоскоростной торпеды СССР «Шквал» (рис. 3). Торпеда ДБТ принята на вооружение в декабре 1957 года, работала на перекиси водорода и развивала скорость 45 узлов при дальности хода до 18 км.
Рис. 3. Знаменитая подводная ракето-торпеда ВА-111 «Шквал»
Газогенератором через кавитационную головку создается воздушный пузырь вокруг корпуса объекта (парогазовый пузырь) и, вследствие падения гидродинамического сопротивления (сопротивления воды) и применения реактивных двигателей, достигается требуемая подводная скорость движения (100 м/с), превышающая в разы скорость самой быстрой обычной торпеды [6]. Для работы используется гидрореагирующее топливо (щелочные металлы при взаимодействии с водой выделяют водород).
Во время Великой Отечественной войны Фирма «Хейнкель» создала под двигатель Вальтера Walter HWK-109-509 с тягой 2000 кгс., работавший на перекиси водорода, целую линейку реактивных самолетов. Вполне успешный, но, к сожалению, не ставший серийным опыт создания «экологических» самолетов у России был уже в конце 80-х годов прошлого столетия [6]. Миру был представлен Ту-155 (экспериментальная модель Ту-154) (рис. 4), работающий на сжиженном водороде, а затем и на сжиженном природном газе. 15 апреля 1988 года самолет был впервые поднят в небо. Он установил 14 мировых рекордов и выполнил порядка ста рейсов. Однако затем проект ушел «на полку».
Рис. 4. Экспериментальный самолет Ту-155
В конце 1990-х по заказу «Газпрома» был построен Ту-156 с двигателями на сжиженном газе и традиционном авиационном керосине. Этот самолет постигла та же участь, что и Ту-155 [7].
Как горючее в паре с жидким кислородом (ЖК) жидкий водород (ЖВ) был предложен в 1903 г. К. Э. Циолковским [6]. Он является горючим, с самым большим удельным импульсом (при любом окислителе), что позволяет при равной стартовой массе ракеты выводить в космос гораздо большую массу полезного груза. Однако на пути применения водородного топлива стояли объективные трудности. Первая - сложность его сжижения (получение 1 кг ЖВ обходится в 20-100 раз дороже 1 кг керосина). Вторая - неудовлетворительные физические параметры - чрезвычайно низкая температура кипения (-243°С) и очень малая плотность (ЖВ в 14 раз легче воды), что отрицательно сказывается на возможности хранения этого компонента [3].
Из-за крайне низкой плотности водорода, первые (самые большие) ступени ракет-носителей (рис. 5) использовали другие (менее эффективные, но более плотные) виды горючего, например, керосин, что позволяло уменьшить размеры до приемлемых.
Рис. 5. Проект водородной ракеты-носителя
Пример такой «тактики» - ракета «Сатурн-5», в первой ступени которой применялись компоненты кислород/керосин, а во 2-й и 3-й ступени -кислородно-водородные двигатели J-2, тягой по 92104 т каждый [7]. В системе «Спейс-шаттл», 2я ступень тоже работала паре кислород/водород. В эпоху бурного развития космонавтики в нашей стране также широко применялись ЖРД с водородным топливом.
Автомобили с двигателями, работающими на водороде, делятся на несколько групп [4]:
Транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД до 90%.
Машины с гибридным двигателем. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
Автомобили со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства.
Главной особенностью водородомобилей является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения. Уже выпускаются серийно такие модели водородомобилей, как:
Ford Focus FCV;
Mazda RX-8 hydrogen;
Mercedes-Benz A-Class;
Honda FCX;
Toyota Mirai (рис. 6);
Рис. 6. Серийный водородомобиль Тойота "Мирай" Автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450; гибридный автомобиль на два
вида топлива BMW Hydrogen 7.
Рис. 7. Принцип работы водородомобиля от «Тойоты»
Автомобиль на водородном топливе Toyota Mirai может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9,6 секунды, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км (рис. 7).
Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen (рис. 8). Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/ч.
Рис. 8. Водородомобиль от BMW
Honda Clarity (рис. 9) — автомобиль от концерна «Hyundai», который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
Рис. 9. Автомобиль на водороде от «Hyundai»
К недостаткам водородомобилей можно отнести:
громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
пока высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для топлива не позволяющих долго хранить водород;
отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.
По мере серийного производства большинство этих конструктивных и технологических недостатков будут преодолены.
В 2016 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom (рис. 10). Планируется, что новый состав Согапёа 1ЬШ начнет движение по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).
Рис. 10. Поезд на водородном топливе
В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.
Во Франции выпустили оригинальную модель велосипеда на водороде (рис. 11). Заливаешь всего 45 грамм водорода и в путь! Расход топлива -примерно 1 грамм на 3 километра.
Рис. 11. Велосипед на водороде
Водородное топливо имеет ряд особенностей. Положительные аспекты использования водорода в качестве топлива заключаются в следующем:
Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси. После сжигания водородной смеси на выходе образуется только пар. Реакция воспламенения происходит быстрее, чем с другими видами топлива.
Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
Экономия состоит в том, что водород выигрывает у бензиновых двигателей по цене расхода топлива.
Быстрая заправка водородомобилей (3-5 минут).
Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы двигателя путем дозирования консистенции.
КПД водородного двигателя достигает 90 процентов. Для сравнения, дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%.
Возникает меньший уровень шума при работе двигателя.
Отрицательные аспекты в основном связаны с взрывоопасностью этого вида топлива и издержками при наладке сетей и включают:
Водород — летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется, возможны утечки и взрывы.
Дороговизна обустройства сети водородных заправочных станций (ориентировочная стоимость проекта - полтора триллиона долларов США).
Привязанность владельцев машин на водородном топливе к заправочным станциям.
Российский экономист и политик, академик РАН Сергей Глазьев подчеркивал: "Каждый из экономических циклов Кондратьева характеризуется своим энергоносителем: сначала дрова (органический углерод), уголь (углерод), потом нефть и мазут (тяжелые углеводороды), затем бензин и керосин (средние углеводороды), сейчас газ (легкие углеводороды), а основным энергоносителем следующего экономического цикла должен стать чистый водород!"
Водород - топливо будущего, так как его применения обширны, многогранны, энергетически выгодны, экологичны, и очень перспективны. В мире водородной энергетики, по улицам станут ездить бесшумные автомобили, которые будут станут выбрасывать в окружающую среду водяной пар и ничего больше. Линии электропередачи и теплосети исчезнут - их заменят газопроводы. В каждом доме будет стоять свой топливный элемент, напрямую преобразующий природный газ в электричество, выделяя все тот же пар и углекислый газ и одновременно снабжая дом теплом и горячей водой.
Библиографический список:
1. Водород // Химическая энциклопедия: в 5 т / Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Абл—Дар. — С. 400—402. — 623с.
2. Дигонский С. В. Неизвестный водород. — СПб: Наука, 2017.
3. Клямкин С. Н. Водородная энергетика: достижения и проблемы / С. Н. Клямкин, Б. П. Тарасов // Возобновляемые источники энергии. Вып. 5 : 6 Всерос. науч. - молодежная школа, Москва, 26-27 нояб. 2008 г. - М., 2008. - С. 147-157.
4. Канило П. М., Костенко К. В. Перспективы становления водородной энергетики и транспорта // Автомобильный транспорт (Харьков). - 2008. - № 23. - С. 107-113.
5. Козлов С. И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. - 520 с. -ISBN 5-89754-062-4; Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Учебное пособие для вузов. — М.: Издательство «Экзамен», 2005.
6. Кузык Б. Н., Яковец, Ю. В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. - М.: Институт экономических стратегий, 2007. - 400 с.
7. Кузык Б. Партнерство государства и бизнеса: перспективы в сфере возобновляемых источников энергии // Проблемы теории и практики управления. - 2008. - № 7. - С. 8-19.
©Л.Р. Телекова, А.В. Дияковская, 2021
