Реферат

Реферат Водневий двигун

Работа добавлена на сайт bumli.ru: 2015-10-28

ВОДНЕВИЙ ДВИГУН

План

  1. Трохи техніки.

  2. Водень як паливо.

  3. Замість паливного бака.

  4. Паливний елемент.

ТРОХИ ТЕХНІКИ

Америка визначила собі завдання: у найближчі 10—15 років позбутися нафтової залежності. Єдиний вихід — якомога шви­дше запустити в серійне виробництво водневий автомобіль. Європа боїться відстати, крім того, європейцям доводиться виконувати прийняті в них норми на викид шкідливих речо­вин автотранспортом, які постійно стають більш жорсткими. У 1993 році були запроваджені норми «Євро-1», у 1996 році — «Євро-2», у 1999 році — «Євро-3», а з 2005 року в Європі планується ввести в дію ще більш жорсткі норми «Євро-4». У перспективі — повна заборона на викиди шкідливих речовин автомобілями, і тоді не можна буде обійтися без машини, яка працює на водні.

Головна перешкода для впровадження водневого авто­мобіля — відсутність системи промислового отримання водню в потрібних обсягах, систем його збереження, транспортуван­ня й заправлення автомобілів. На думку американських фахі­вців, таку систему вдасться створити не раніше 2020—2030 рр. На перехідний період провідні автовиробники можуть запро­понувати так звані «гібридні автомобілі»: у них економічний двигун внутрішнього згоряння заряджає акумуляторну бата­рею, яка живить електричний двигун. Такі автомобілі розроб­ляються практично всіма провідними автомобільними компа­ніями і вже серійно випускаються в Японії.

Класична схема: двигун внутрішнього згоряння рухає колеса з допомогою механічного приводу. Нас оточують тися­чі автомобілів, але мало кому спадає на думку, що їхня ефек­тивність катастрофічне мала. Якщо взяти так звані «умови міського циклу руху», то загальний коефіцієнт корисної дії (ККД) автомобіля — 10—12% (за містом, де менше світлофо­рів, 15—17%). Отже, дев'ять літрів бензину з десяти просто летять в атмосферу.

Автомобілі на водневому паливі умовно можна розділити на три класи.

Перший — це машини зі звичайним двигуном внутріш­нього згоряння, який працює на водні або водневій суміші. Такі моделі можуть працювати на чистому водні або 5—10% водню додають до основного палива. В обох випадках ККД двигуна збільшується (у другому випадку приблизно на 20%) і вихлоп стає набагато чистішим (вміст чадного газу (СО) і вуглеводнів (СпНт) зменшується в півтора рази, оксидів ніт­рогену (КОХ) — до п'яти разів). Такі двигуни й автомобілі були сконструйовані й пройшли всі випробування в нас і за кордоном приблизно в 70—80-х роках. Однак, з огляду на витрати і й конструкційні складності, це може бути тільки про­міжним, перехідним етапом на шляху до третього типу.

Другий — це машини з двома електроносіями, так звані гібридні, їх колеса рухає електропривод, енергію якому по­стачає акумулятор, що у свою чергу заряджається від високо-економічного двигуна внутрішнього згоряння, що працює на водні або суміші водню з бензином. Це дуже вигідно, адже ККД електродвигуна сягає 90—95% на відміну від бензиново­го (35%) або дизельного (50%). Таким чином, загальний ККД підвищується до 30%, відповідно знижується витрата палива. Навіть якщо для підзарядки акумулятора використовується бензин, об'єм шкідливих викидів дозволить вкластися в нор­ми «Євро-4» із десятикратним запассґм. І все-таки отримати абсолютно чистий вихлоп можна тільки від автомобілів тре­тього типу.

Третій — справжній водневий автомобіль — це машина з електродвигуном, який працює від паливного елемента, що знаходиться в автомобіли. Теоретично ККД паливного елемен­та, що працює на суміші водень—повітря, може перевищувати 85%. Зараз вже вдалося одержати двигуни з ККД близько 75% — це більш ніж удвічі вище відповідного покажчика най­кращих двигунів внутрішнього згоряння. В умовах міста такі машини одержать п'яти-шестиразову перевагу над звичайни­ми автомобілями.

ВОДЕНЬ ЯК ПАЛИВО

Сучасні технології виробництва водню далекі від доско­налості.

Незважаючи на це, гіганти хімічної промисловості й сьо­годні вже одержують по 500 млрд м3 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 виходять спирти (етанол, метанол), які, у свою чергу, перетворюються на во­день. Можна нагріти біомасу до більш високих температур (1000°С), тоді вона повністю перетвориться на газ і вийде суміш Н2 і СО. Проблема в тому, що сировини для такого процесу знадобиться дуже й дуже багато. Якщо, наприклад, усю родючу територію Франції пустити на вирощування біо­маси, то водню, отриманого з неї, не вистачить навіть на те, щоб покрити потреби цієї-країни в паливі навіть для нині існу­ючих автомобілів.

Здавалося б, найпростіший спосіб отримання водню — електроліз (електричне розщеплення води). Результат — во­день і кисень. Але загалом ефективність цього процесу не дуже висока: треба витратити 4 кВт електроенергії, щоб одержати 1 м3 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 навантаження (коли вироблена там енергія виявляється незатребуваною) або, зрештою, поновлювані джерела енергії (сонячні батареї, енергію вітру, приливу й ін.). По-друге, ця технологія активно розвивається: електроліз для більшої ефективності можна проводити під підвищеним тиском або температурою, що на­магаються зробити вчені.

Зараз біологи активно розробляють ще один напрямок. Деякі бактерії й водорості в процесі фотосинтезу розкладають воду І виділяють водень. Проблема 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 продовжити цей період, тоді сонячні райони нашої планети були б забезпечені воднем.

ЗАМІСТЬ ПАЛИВНОГО БАКА

Загальна схема водневого двигуна зрозуміла: електро­двигун, паливний елемент, водень для його роботи. Проблема полягає в тому, що 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 водень в акумуляторах на основі гідридів інтерметалічних сплавів (ТіУаРе, СиМі 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 водню. Можна зберігати во­день у рідкому вигляді. Але, по-перше, це вимагає охолоджен- ня 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 дослі­дження знаходяться поки що на початкових стадіях.

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

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

ПАЛИВНИЙ ЕЛЕМЕНТ

Паливний елемент, врацюючий на водні, — одна з ключо­вих деталей у новому 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.

Паливний елемент складається з багатьох десятків комі­рок, кожна приблизно в сантиметр завтовшки. Кожна комірка складається з двох електродів, розділених електролітом. На один електрод (анод) підводиться паливо (водень), на інший (катод) — окисник (кисень повітря). Водень тут не згоряє, хімічна реакція окиснення відбувається при низькій темпера­турі в присутності каталізатора. Смисл пристрою в тому, щоб, використовуючи цю реакцію, розділити позитивний і негатив­ний заряди в просторі й створити між ними напругу. Тому електроліт, який заповнює простір між електродами, повинен мати.здатність пропускати крізь себе протони (тобто іони гід­рогену) і це пропускати електрони. На аноді водень розпада­ється на електрони і протони, далі протони проходять крізь шар електроліту, досягають катода і, з'єднуючись із киснем, утворюють воду. Однак у питаннях отримання якісного й не­дорогого електроліту наука поки що зазнає величезних труд­нощів. Полімерний електроліт американської фірми «Дюпон» коштує близько 700 євро за м2, а на батарею для середнього автомобіля потрібно десятки квадратних метрів такого мате­ріалу. Зрозуміло, що при такій вартості електроліту неможли­во налагодити серійний випуск водневих автомобілів. Учени-їми всього світу ведуться інтенсивні дослідження з метою зде­шевлення цього матеріалу й використання його при більш високих температурах (150—200"С).

Загалом, паливний елемент на водні цілком готовий до застосування. Бракує дрібниці: зробити його компактнішим і дешевшим.




1. Реферат на тему George Lewis Richard Essay Research Paper The
2. Реферат Теория машин и механизмов 2
3. Реферат на тему Оборонно-промышленный комплекс на Алтае
4. Реферат на тему Stone Boy Essay Research Paper Creative Task
5. Сочинение Они лучшие из дворян - и именно потому выбраны мною, чтобы доказать их несостоятельность
6. Реферат Национально-государственное строительство в России в 1917-1924 гг.
7. Реферат на тему People Who Go To The Gym Essay
8. Реферат на тему UnH1d Essay Research Paper Ernest Miller Hemingway
9. Реферат на тему Contrasting Views Of Adultery Essay Research Paper
10. Курсовая Страхование предпринимательских рисков 2