Двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает по классическому четырехтактному циклу. Газообразная смесь воздуха и топлива всасывается в цилиндр двигателя, сжимается поршнем, воспламеняется искрой, давит на поршень и двигает шатунный механизм, а затем выбрасывается из цилиндра.
Чем сильнее можно сжать топливо без возникновения детонации (детонация [лат. detonare прогреметь] -распространение пламени в веществе со скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе), тем больше мощность двигателя. Антидетонационную способность топлива определяют октановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднее октановое число природного газа -- 105 -- недостижимо для любых марок бензина.
Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и распыленного топлива, Для воспламенения смеси нужна определенная концентрация топлива. Газ, в сравнении с бензином, горит при меньших концентрациях, т.е. при более "бедных" смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, наоборот, можно понизить мощность. Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно "послушнее" бензина.
Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы -- в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях -- ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозию металла,
Несмотря на многочисленные достоинства природного газа, закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистры еще рано.
Метан
В переходе на газовое топливо есть свои сложности. Так, например, плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20...25 МПа (200...250 атмосфер (1ат = 9,81х104 Па)). Для хранения в таком состоянии используются специальные баллоны.
Пропан-бутан
Пропан-бутан -- синтетическое топливо. Его получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер). Газобаллонная аппаратура для сжиженного пропан-бутана несколько проще. Процесс заправки машин на газонаполнительных станциях несложен и очень похож на заправку бензином.
По своим свойствам сжиженный пропан-бутан почти не отличается от сжатого природного газа. То же высокое октановое число, те же неплохие экологические и эксплуатационные показатели. Есть у сжиженного пропан-бутана и преимущество перед метаном -- 225 литров этого горючего хватает на пробег около 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах -- на вдвое меньший. Сейчас на сжиженном газе работает вдвое меньше машин, чем на сжатом и вот почему. Пропан-бутана получают в 20...25 раз меньше, чем добывают природного газа.
Водородная энергетика сегодня
Возможность повсеместного использования водорода как топлива сегодня выглядит менее обнадеживающе, чем, скажем, 30 лет назад. Это направление энергетики предполагает получение водорода в крупных масштабах путем разложения воды, транспортировку "горючего" к пунктам потребления и использование его практически во всех случаях, где сейчас сжигают ископаемое топливо. Находятся горячие головы, которые предлагают уже сегодня полностью отказаться от централизованного энергоснабжения, чтобы производить электроэнергию с помощью водорода в топливных элементах у самих потребителей [5].
О водородной энергетике мечтают давно:
удельная теплота сгорания водорода в три раза выше, чем у нефти или бензина;
продуктом сгорания водорода является водяной пар;
ресурсы сырья для получения водорода безграничны.
Но водород как горючее имеет ряд недостатков:
он более взрывоопасен, чем метан;
объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем у природного газа.
Путь к безвредной энергетике труден и многоэтапен. Здесь возможны разные решения. Тем не менее, в некоторых случаях применение водорода как топлива не только полезно с экологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано.
К примеру, загрязнение атмосферы автомобильными выхлопными газами. Замена всех бензиновых двигателей на водородные нереальна, т.к. она связана с огромными материальными затратами. Однако, почти без всяких изменений в двигателе, можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой. Даже этот небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановку в крупных городах.
Водород -- аккумулятор энергии
Очевидным становится и то, что водород может ослабить некоторые напряженные проблемы атомной энергетики. Разрушительные аварии АЭС (Чернобыль, Тримайл-Айпенд) показали, что наиболее опасны "маневры" мощностью реактора, то есть изменение интенсивности ядерной реакции [3]. Следовательно, для обеспечения безопасности желательно ограничиваться стационарным режимом работы АЭС.
Эта стабильность ограничивает возможности энергосистем в части выравнивания нагрузок, когда, например, в рабочее время потребление энергии резко возрастает, а по ночам и в выходные дни падает. Пока не существует удовлетворительного способа аккумулировать электроэнергию, но на помощь может прийти водород. Расчеты показывают, что с помощью аккумулирования водорода затраты на производство электроэнергии могут быть снижены примерно на 15% по сравнению с традиционным способом -АЭС плюс пиковая теплоэлектростанция на водороде.
Аккумулировать водород можно не только в сжатом и жидком виде, а и в специально разработанных аккумуляторах водорода. Принцип работы таких аккумуляторов основан на свойстве полиметаллических композиций поглощать водород. Один из видов такого аккумулятора представляет собой емкость из нержавеющей стали заполненную сплавом титана, ванадия и железа. Сплав обладает свойством выделять чистый водород, даже если он аккумулировался с примесью кислорода и влаги.
На АЭС за счет излишков электроэнергии можно производить водород и для нужд промышленности. Химическая промышленность -самый крупный потребитель водорода. Его используют в качестве сырья, например, для производства аммиака. Такой энерготехнологический комплекс может снизить на 10...17% расходы топлива по сравнению с существующей раздельной системой производства электроэнергии, водорода и аммиака.
Но в целом эффективность таких систем не очень высока из-за сравнительно низкого коэффициента полезного действия АЭС. КПД современных АЭС не превышает 33%, в то время как у теплоэлектростанций -- 39%.
Невысокий коэффициент полезного действия АЭС обусловлен сравнительно низкой температурой водяного пара (около 300oС), нагреваемого теплом атомного реактора. Условия безопасности не позволяют увеличить эту температуру, а она определяет КПД паровой турбины и, следовательно, всей АЭС.
Промышленные методы получения водорода
Есть два направления промышленного получения водорода -электролиз и плазмохимия. Электролиз очень прост: в электролит, то есть в токопроводящую среду (классический вариант -- вода с небольшим количеством щелочи), помещают два электрода и подводят к ним напряжение. Однако, в установках, работающих по этому принципу, для получения одного кубометра водорода требуется 4...5 киловатт-часов электроэнергии, что довольно дорого -- производство эквивалентного по теплотворной способности количества бензина обходится втрое дешевле.
При электролизе большая часть электроэнергии теряется в виде тепла при протекании тока через электролит. Кроме того, удельная производительность современных установок -- не более 0,5 литра водорода в час с одного см2. Это количество определяется самим характером электрохимических реакций, протекающих только на поверхности электродов. Если электролиз будет широко использоваться, недостатки этого метода, по-видимому, останутся.
Гораздо производительнее метод плазмохимии, использующий химическую активность ионизованного газа -- плазмы. В специальные установки -- плазмотроны подводят газы или пары различных веществ. Интенсивным электромагнитным полем в этих газах или парах создают электрические разряды, образуется плазма. Энергия электрического поля передается ее электронам, а от них -- нейтральным молекулам. Последние переходят в возбужденное, химически активное состояние.
Перспективны неравновесные плазмохимические системы, где электроны, разогретые электромагнитным полем до температур 10...15 тысяч градусов, избирательно передают энергию молекулам, а последние, распадаясь, образуют нужные химические продукты. При этом газ в целом остается практически холодным (его температура 300...1000oС). Важное преимущество этих систем -- объемный характер протекающих в них процессов. Большие скорости химических реакций в газовой фазе позволяют добиваться гигантской удельной производительности плазмотронов.
Прямое плазмохимическое разложение паров воды на кислород и водород в настоящее время малоэффективно. А вот углекислый газ оказался идеальным плазмохимическим объектом. Неравновесное возбуждение его молекулярных колебаний до 4...6 тысяч градусов приводит к тому, что богатые энергией молекулы отбирают ее у более бедных. Это влечет за собой резкое повышение скорости химических реакций и энергетической эффективности процесса. Коэффициент полезного действия при разложении углекислого газа на окись углерода и кислород превышает 80 процентов. Практически всю вкладываемую в разряд энергию удается направить на осуществление полезной химической реакции.
С учетом этого можно организовать двухстадийный цикл производства водорода:
на первой стадии осуществить плазмохимическое разложение углекислого газа;
на второй -- выполнить давно освоенную промышленностью реакцию взаимодействия окиси углерода с водяным паром.
В результате образуется водород и исходное вещество -углекислый газ. Таким образом, углекислый газ будет выполнять роль физического катализатора для получения водорода из воды и, не расходуясь, разрешит трудности, возникающие при разложении водяного пара. В итоге формируется плазмохимический цикл, в котором тратится только вода, а углекислый газ постоянно возвращается в процесс.
Производительность такой плазмохимической системы в десятки тысяч раз превзойдет эффективность электролизеров, стоимость же водорода окажется примерно такой же, как и при электролизе. Это, конечно, еще дорого. Сегодня практически весь водород, потребляемый промышленностью, производится за счет переработки природного газа.
В таких установках вместо одного энергоносителя получаем другой и используем его не для нужд энергетики, а для технологии. Такая схема выглядит ущербно. Поэтому исследовали такой обнадеживающий источник водорода, как сероводород, сопутствующий, в частности, обычным, прежде всего, глубинным месторождениям природного газа.
Многие беды в районах газоносных месторождений связаны с выбросами сероводорода или продуктов его переработки в атмосферу. Сейчас в промышленности в лучшем случае сероводород окисляют кислородом воздуха по методу Клаусса, разработанному еще в прошлом веке, и получают при этом серу, а водород связывается с кислородом. Недостаток этого, кстати, весьма дорогостоящего процесса очевиден: из сероводорода извлекают только серу, а водород переходит в воду.
Поэтому проводились эксперименты по диссоциации сероводорода в плазме, чтобы на одной стадии получать два продукта: водород и конденсированную серу.
Для этого сероводородную плазму заставляют вращаться с околозвуковой скоростью. Образующиеся в плазмотроне частицы серы выносятся при этом из объема реакции за время, недостаточное для осуществления обратной реакции. Центробежный эффект позволяет добиться значительного отклонения плазмохимической системы от термодинамического равновесия и снизить энергозатраты на получение кубометра водорода до десятков ватт. Такой водород оказывается дешевле электролизного примерно в 15 раз, и его уже можно широко использовать в энергетике и в промышленности.
Мы давно находимся на переломном рубеже. Всем ясно, что назрели изменения традиционной энергетической структуры в которой главенствовали нефть и уголь. Сегодня наиболее перспективным является природный газ, но его широкое использование связано с проблемами экологии. В обозримом будущем водород может придать энергетике безопасность и экологическую чистоту.
Глава 2
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОчНИКИ ТОКА
Первым источником тока, после изобретения электрофорной машины, был элемент Вольта названный в честь своего создателя. Итальянский физик А. Вольта объяснил причину гальванического эффекта, открытого его соотечественником Л. Гальвани. В марте 1800 г. он сообщил о создании устройства, названного в последствии "вольтов столб". Так началась эра электричества подарившая миру свет, тепло и опасность поражения электрическим током.
Именно гальванические (первичные) элементы позволили начать изучение электричества. В первой половине ХIХ века они являлись единственными источниками электрической энергии. До их появления были известны только законы электростатики, не существовало понятия электрического тока и его проявлений.
Уже в мае 1800 г. А. Карлейль и У. Николсон осуществили электролиз воды. В 1803 г. были открыты процессы электроосаждения металлов. В 1807 г. -- электролиз расплавов солей.