by admin_irinaБудущее без бензина. Это вообще возможно?
Широко известно, что развитие транспорта и поддержание транспортной инфраструктуры увеличивает вредные нагрузки на окружающую среду и человека, в основном посредством шума и загрязнения воздуха.
Отработанные газы двигателей внутреннего сгорания содержат более 200 наименований вредных веществ и соединений, в том числе и канцерогенных. Автомобильные газы представляют собой смесь, состоящую из 1000-1200 индивидуальных компонентов, среди которых нетоксичны: N; O2 ; пары воды; СО; токсичные: окиси С, углеводороды; оксиды N;альдегиды; сажа; бензапирен; соединения свинца; формальдегид; бензол, а также многие другие компоненты [2]. Главные компоненты выхлопов двигателей внутреннего сгорания (кроме шума) – окись углерода (угарный газ), оксиды азота, углеводороды, свинец накапливаются по соседству с источниками загрязнения, т.е. вдоль дорог, улиц, в тоннелях на перекрестках. Двуокись углерода и другие газы, обладающие парниковым эффектом, распространяются на всю атмосферу, вызывая глобальные геоэкологические воздействия.
Легковому автомобилю для сгорания 1 кг бензина требуется 2,5 кг кислорода. В среднем автолюбитель проезжает 10000 км в год и сжигает 10 т бензина, расходуя 35 т кислорода и выбрасывая в атмосферу 160 т выхлопных газов, в которых обнаружено около 200 различных веществ, в том числе 800 кг оксида углерода, 40 кг оксидов азота, 200 кг углеводородов. Если бензин этилированный, то еще и 3,5 кг ядовитого свинца[1].
При строительстве и реконструкции городов проектировщики стремятся ограничить количество автомобилей, въезжающих в городские центры, разрабатывают более совершенные системы регулирования уличного движения, сводящие к минимуму возможность образования транспортных пробок. Это важно, потому что останавливаясь и потом снова набирая скорость, автомобиль выбрасывает в воздух в несколько раз больше вредных веществ, чем при равномерном движении.
Краткая историческая справка.
История автомобильного транспорта началась в конце XVIII века, когда появились первые паровые установки. В начале 1770-х годов французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо разработал и продемонстрировал публике свой паровой тягач для артиллерийских орудий. Это была громоздкая тележка с массивным паровым котлом. Тягач мог передвигаться чуть быстрее пешехода и был крайне неповоротлив. Своим проектом Кюньо не смог заинтересовать военных, и вскоре работы над тягачом были прекращены.
В начале XIX века начали появляться первые машины с двигателями внутреннего сгорания. Это были экспериментальные образцы с двигателями, работающими на газовой смеси. Например, двигатель швейцарского инженера Франсуа Исаака де Рива функционировал на смеси водорода и кислорода. Долгое время двигатели внутреннего сгорания оставались лишь плодом экспериментов: они имели небольшую мощность, были ненадежны, потребляли много топлива и нуждались в регулярной замене деталей.
Параллельно в Европе активно развивался новый тип автомобилей, использующих для передвижения электрическую тягу. Эти машины выгодным образом отличались от коптящих, «чихающих» и «хлопающих» собратьев с газовыми двигателями. Электромоторы развивали хороший крутящий момент, могли разгонять самоходные повозки до впечатляющих 15–17 километров в час. Электрические автомобили по дальности хода не уступали, а то и превосходили своих газовых собратьев, были существенно тише и проще в эксплуатации. А еще они реже требовали ремонта.
Все изменилось в 1870-х годах, когда был изобретен и испытан двигатель на жидком бензиновом топливе. Первый такой образец не имел впечатляющих характеристик, но был компактнее паровых установок и имел более простую конструкцию, чем газовые двигатели. Спустя 15 лет после этого изобретения немецкий инженер Карл Бенц развернул серийное производство первых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания на жидком топливе. После этого конструкция бензиновых (а чуть позже и дизельных) двигателей начала совершенствоваться бешеными темпами. Очень быстро автомобили с такими силовыми установками стали легкими и скоростными, их дальность хода уже исчислялась сотнями километров. Электромобили конкуренцию бензину проиграли.
Результаты экспертных оценок показывают, что основными источниками загрязнения воздушного бассейна являются автомобильный, воздушный, морской, речной и железнодорожный транспорт (на него приходится в среднем более 50 процентов вредных газовых выбросов); энергетические и промышленные объекты (выбрасывают в атмосферу в среднем около 40 процентов загрязнителей) и другие источники (до 10 процентов выбросов).
Учитывая постоянное увеличение суммарного количества транспортных средств, объектов энергетики и промышленности, их негативное влияние на экологическое состояние городов и промышленных регионов в целом становится все более ощутимымым и неуклонно возрастает.[3].
Где же выход из создавшейся и неуклонно возрастающей экологической угрозе?
Как один из вариантов в этом направлении, можно рассматривать инициативу Германии.
Недавно бундесрат Германии принял резолюцию о запрете на производство автомобилей с двигателями внутреннего сгорания с 2030 года. Это не первая подобная инициатива в Европе — запрет двигателей обсуждают Норвегия и Нидерланды, но именно Германия может изменить отношение мира к вредным выбросам в атмосферу. И дело тут не только в том, что Германия — экономический лидер ЕС, но и в том, что именно в Германии производятся основные европейские автомобили.
Что же может предлагаться взамен? Не отказ же использования транспортных средств вообще?
В этом случае можно рассматривать электротранспорт и автомобили с водородными двигателями. Причем современный электротранспорт весьма условный показатель экологической «чистоты», так как использует электроэнергию, выработанную, в том числе, на тепловых электростанциях, сжигающих газообразное, жидкое и твердое углеводородное ископаемое топливо.
Для работы современных двигателей используются самые разные виды топлива, производимого из нефти и газа. При сгорании такое топливо в лучшем случае образует воду и углекислый газ, а в худшем — угарный газ, опасные соединения серы и свинца, углеводород и сажу. На долю автомобильного транспорта в выбросе антропогенных парниковых газов приходятся 14 процентов, и это самый высокий показатель среди всех существующих гражданских видов транспорта. Для сравнения: на долю авиации приходятся только 4–5 процентов. Все эти выбросы, вкупе с вредными выбросами заводов и масштабным производством сельскохозяйственной продукции, по мнению экологов, сильно вредят окружающей среде, и их объемы необходимо срочно сокращать. Например, с помощью электромобилей, которые в XXI веке снова стали конкурировать с машинами, работающими на бензине. Чем отличается водородный автомобиль от электроавтомобиля? Принципиальное отличие состоит в том, что электроэнергия для привода водородного автомобиля вырабатывается на борту транспортного средства с помощью водородной ячейки. Электромобиль заправляется аккумуляторами и время запрвки может составлять до 1,5 часа, в зависимости от ее мощности. Заправка же водородом составляет по времени, примерно, как заправка газом.
В последние десятилетия в мире наблюдается резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю, что определяется следующими его основными особенностями:
• запасы водорода практически неограниченны;
• водород — универсальный вид энергоресурса, так как может использоваться в качестве горючего для производства электричества в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях;
• при помощи водорода возможна аккумуляция энергии;
• среди прочих видов органического топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим воздействием на окружающую среду.
Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию 2,8 г бензина при расчете по низшей теплоте сгорания. Если же в расчете принять для водорода высшую теплоту сгорания, а для бензина — низшую, как это имеет место в действительности, то эта величина составит 3,3. При использовании водорода в топливных элементах вследствие большого КПД топливного элемента (в 1,5—3 раза большего, чем у двигателя внутреннего сгорания) эффективность водорода как топлива оказывается еще выше.
Перспектива применения водорода как энергоносителя обуславливают его преимущества и исключительные свойства, а именно:
• сравнительно простое управление;
• исключительная экологическая безопасность. На выходе, при использованни водорода в качестве топлива, получается чистая вода и кислород;
• постоянно растущие стоимости бензина и отсутствие финансовых механизмов, учитывающих вредное влияние выбросов при его использовании в качестве топлива на окружающую среду;
• высокие динамические показатели;
• сравнительно простая система удаления продуктов реакции.
Для работы современных двигателей используются самые разные виды топлива, производимого из нефти и газа. При сгорании такое топливо в лучшем случае образует воду и углекислый газ, а в худшем — угарный газ, опасные соединения серы и свинца, углеводород и сажу. На долю автомобильного транспорта в выбросе антропогенных парниковых газов приходятся 14 процентов, и это самый высокий показатель среди всех существующих гражданских видов транспорта. Для сравнения: на долю авиации приходятся только 4–5 процентов. Все эти выбросы, вкупе с вредными выбросами заводов и масштабным производством сельскохозяйственной продукции, по мнению экологов, сильно вредят окружающей среде, и их объемы необходимо срочно сокращать. Например, с помощью электромобилей, которые в XXI веке снова стали конкурировать с машинами, работающими на бензине, или автомобилями, где топливом есть водород.
Однако, мне могут возразить. Ведь самый распространенный на сегодняшний день способ получения водорода — это с помощью электролизеров, которые используют электроэнергию тех же тепловых электростанций. Но если использовать электроэнергию, которая вырабатывается солнечными, ветровыми станциями геотермальными источниками энергии, а их мощности с каждым годом возрастают, т. е. получать, так назывемый, «зеленый» водород, то с экологией у нас становится все в порядке.
Кстати, компании Ways2H и Japan Blue Energy ввели в эксплуатацию объект в Токио, который сможет превратить ил сточных вод в восстанавливаемый вдород. Такое техническое решение предназначено не только для преобразования ила сточных вод в водород, но и для переработки пластмасс, бумаги и твердых бытовых отходов. Кроме того, установка поможет уменьшитьдругие загрязнители в этой местности. Это уже экология вдвойне.
Важно, что специалисты представляют производственную установку в условияях стремительного спроса на водород.
Восстанавливаемый водород является важным топливом лля чистой энергии как для Токио, так и для мира – отметил президент компании Japan Blue Energy Наоки Доваки. Компания планирует наращивать операции к середине 2021 г.
Использование водорода для автономных электрохимических энергетических установок получило наибольшее развитие в космической технике, где накоплен определенный опыт эксплуатации. В последнее время резко возрос интерес к использованию таких установок в наземном, речном и морском транспорте.
Ключевым звеном в энергоустановках на водородном топливе является топливный элемент. Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они не подчиняются закону Карно и осуществляют прямое превращение энергии топлива в электрическую энергию, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями обычные процессы горения.
Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличается от него тем, что вещества для электрохимичеэской реакции подаются в него извне, в отличие от ограниченного количества вещества, помещённого в реакционную зону во время изготовления гальванического элемента или аккумулятора.
Водородные топливные элементы, электрохимические генераторы, осуществляют превращение химической энергии топлива (от окисления водорода) в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.
Более подробную информацию о водородных топливных элементах мы разместим на нашем сайте в ближайшее время.
Стало быть, водород есть энергоноситель будущего.
Как работает водородный двигатель?
На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника. Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяютс я с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество. По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.
FCEV – fuel cell electric vehicles – это электромобиль на топливных ячейках (элементах). В таком автомобиле используется топливный элемент вместо батареи или в сочетании с батареей или суперконденсатором для питания его бортового электродвигателя.
В Европе запустят 1000 автобусов на водороде
Консорциум H2Bus начинает развертывание 1000 электрических автобусов на водородных топливных элементах в европейских городах по конкурентоспособным ценам, пишет h2-view.
Для этого компания подписала соглашение с североирландским производителем автобусов Wrightbus на поставку автомобилей с водородным двигателем.
Предполагается, что это предложение является наиболее рентабельным и доступным вариантом в производстве транспорта с нулевым уровнем выбросов. Одноэтажный автобус буде стоить от 375 000 евро. Цена водорода — от 5 до 7 евро за килограмм, а стоимость обслуживания — от 0,25 до 0,35 евро за километр, в зависимости от оператора и требований маршрута.
По мнению разработчиков проекта, запуск автобусов позволят эксплуатировать на европейских улицах общественный транспорт с действительно нулевым уровнем выбросов.
В рамках первой фазы проекта из фонда Connecting Europe Facility будет выделено 40 млн евро. Финансирование позволит к 2023 году развернуть по 200 водородных автобусов (а также вспомогательную инфраструктуру) в Дании, Великобритании и Латвии.
Консорциум H2Bus образован ведущими игроками в цепочке создания стоимости водородных топливных элементов Everfuel, Wrightbus, Ballard Power Systems, Hexagon Composites, Nel Hydrogen и Ryse Hydrogen. Цель консорциума — предоставить европейскому сектору общественного транспорта наиболее доступное по цене решение с нулевым уровнем выбросов.
Первый поезд с пассажирами вышел на маршрут, который соединяет города Бремерферд, Куксхафен, Бремерхафен и Букстехуде в земле Нижняя Саксония. Накануне компания провела тестовую поездку, за которой лично наблюдал министр экономики и транспорта федеральной земли Бернд Альтхусман.Поезд способен развивать скорость до 140 км/ч и преодолевать практически бесшумно на одной заправке порядка 1 тыс. км. На крыше установлены цистерна с водородным топливом и топливный элемент, который преобразует энергию водорода в электрический ток, обеспечивающий движение состава. Образующиеся в процессе излишки энергии передаются в литий-ионные батареи, расположенные под полом. Они включаются и используются для питания, когда поезд замедляется.В Alstom подчеркивают, что у их разработки нулевой уровень выброса вредных веществ в атмосферу, выхлопными газами у Coradia iLint являются лишь пар и конденсированная вода. С 2021 года по маршруту Букстехуде — Куксхафен будут курсировать 14 таких поездов. Министерство транспорта Нижней Саксонии планирует уже в ближайшем будущем заменить дизельные региональные поезда инновационными водородными. На эти цели, как уточняет Deutsche Welle, было выделено €81,3 млн. Проблема пока в том, что в Германии слабо развита сеть заправочных водородных станций и это делает поезд дорогим в эксплуатации.
Канадская компания Bombardier и правительство Германии одобрили опытную эксплуатацию и другого экологически чистого поезда с нулевым уровнем выброса вредных веществ в атмосферу. Он будет приводиться в движение с применением аккумуляторных батарей, оснащенных внешними источниками сбора электроэнергии.