Водневий двигун

ВОДЕНЬ ЯК ПАЛИВО

Сучасні технології виробництва водню далекі від досконалості

Незважаючи на це гіганти хімічної промисловості й сьогодні вже одержують по 500 млрд м5 водню на рік. Половина виробленої кількості йде на амонійні добрива, решта — на виробництво сталі, скла, маргарину та ін. В основному водень одержують за допомогою парового риформінгу природного газу: метан при високих температурах (900 °С) у присутності нікелевого каталізатора реагує з парою. Поки що такий водень найдешевший.

Є й інші технології отримання водню, наприклад електроліз, крекінг або переробка біомаси (деревини, соломи). Кожен із цих варіантів має свої недоліки. Наприклад, переробка біомаси: її нагрівають на 500—600 °С, після чого вихо¬дять спирти (етанол, метанол), які, у свою чергу, перетворюються на водень. Можна нагріти біомасу до більш високих температур (1000 °С), тоді вона по¬вністю перетвориться на газ і вийде суміш Н2 і CO. Проблема в тому, що сирови¬ни для такого процесу знадобиться дуже й дуже багато. Якщо, наприклад, усю родючу територію Франції пустити на вирощування біомаси, то водню, отрима¬ного з неї, не вистачить на те, щоб покрити потреби цієї країни в паливі навіть для нині існуючих автомобілів.Здавалося б, найпростіший спосіб отримання водню — електроліз (елект¬ричне розщеплення води). Результат — водень і кисень. Але загалом ефек¬тивність цього процесу не дуже висока: треба витратити 4 кВт електроенергії, щоб одержати 1 м' водню, який, згоряючи, дасть лише 1,8 кВт енергії. Проте електроліз води досить перспективний і йому, напевно, знайдуть застосування, тим більше, що існують виходи з «енергетичної проблеми» По-перше, можна використовувати енергію атомної електростанції у години слабкого наванта¬ження (коли вироблена там енергія виявляється незатребуваною) або, зреш¬тою, поновлювані джерела енергії (сонячні батареї, енергію вітру, приливу й ін.). По-друге, ця технологія активно розвивається: електроліз для більшої ефек¬тивності можна проводити під підвищеним тиском або температурою, що нама¬гаються зробити вчені.

Зараз біологи активно розробляють ще один напрямок. Деякі бактерії й водорості в процесі фотосинтезу розкладають воду і виділяють водень. Пробле¬ма в тому, що вони роблять це тільки за відсутністю кисню, отже, процес триває протягом дуже короткого часу, тому що при розкладанні води, природно, утворюється і кисень. Завдання вчених — за допомогою генної інженерії продовжи¬ти цей період, тоді сонячні райони нашої планети були б забезпечені воднем.

ЗАМІСТЬ ПАЛИВНОГО БАКА

Загальна схема водневого двигуна зрозуміла: електродвигун, паливний еле¬мент, водень для його роботи. Проблема полягає в тому, шо потрібен якийсь аналог паливного бака, але ж водень у паливний бак не наллєш. Це на сьогодні складає найбільші технічні труднощі.

Учені розглядають досить багато варіантів. Наприклад, можна зберігати во¬день в акумуляторах на основі гідридів інтерметалічних сплавів (TiVaFe, CuNi та ін.), із яких за потребою поступово вивільняється чиста речовина. Але за цим варіантом маса водню в загальному обсязі речовини (так зване аспектне число) складає всього 5 %, до того ж виникає проблема зі швидкістю вивільнення вод¬ню. Можна зберігати водень у рідкому вигляді. Але, по-перше, це вимагає охо¬лодження до температур, близьких до абсолютного нуля (відповідно, зростає вартість водню), а по-друге, заправлений у такий спосіб автомобіль повинен буде витрачати своє паливо якомога швидше. Дуже перспективний напрямок — зберігання водню в наноструктурах (карбонових нанотрубках), однак ці дослі¬дження знаходяться поки що на початкових стадіях.

Найбільш перспективним учені вважають збереження водню в балонах ви¬сокого тиску — більше 350 атм. (аспектне число до 18 % при тиску вище 500 атм.) або отримання його прямо на борту з іншого палива (метанолу або рідких вугле¬воднів: бензину, дизельного палива та ін.), у спеціальних каталітичних реакто¬рах (аспектне число близько 10 %). Такі системи розроблені й російськими вчени¬ми і за розумних габаритів забезпечують запас водню для пробігу в кілька сотень кілометрів.

Конструктори стикаються також і з іншими проблемами. Так, машина (на¬самперед кабіна) повинна мати систему водневої безпеки.

ПАЛИВНИЙ ЕЛЕМЕНТ

Паливний елемент, працюючий на водні, — одна з ключових деталей у ново¬му автомобілі. Паливний елемент (інакше — електрохімічний генератор) — це пристрій для перетворення хімічної енергії на електричну. Те ж відбувається й у звичайних електричних акумуляторах, але в паливних елементах є дві важливі відмінності: по-перше, вони працюють доти, поки надходить паливо; по-друге, паливний елемент не потрібно перезаряджати.