Исследовательская работа Водородные автомобили: реальность или будущее. Исламов Р. НИР Водородный автомобиль. Водородные автомобили реальность или будущее
 Скачать 120.84 Kb.
|
|
Бардымский филиал государственного автономного профессионального образовательного учреждения «КРАЕВОЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ» Учебно-исследовательская конференция «Студенческие инициативы в науке, практике и творчестве» Секция: «Естественно-научные дисциплины» ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА Тема: Водородные автомобили: реальность или будущее Выполнил: Исламов Руслан Фирдавизович студент группы ТОб-34 Руководитель: Кучукбаев Х.Г., преподаватель химии и экологии Барда 2016 СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время транспорт, работающий на углеводородном топливе, выбрасывает 23% парниковых газов в атмосферу. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди. По оценкам экологов через двадцать лет количество выбросов выхлопных газов удвоится по мере увеличения числа автомобилей. В странах Европы уже введены жесткие нормы на выброс вредных веществ автомобильным транспортом. В 1993 году введены такие нормы бензина, как «Евро-1», в 1996 году уже ввели «Евро-2», с 1999 года вводился стандарт «Евро-3», с 2005 - «Евро-4». В 2015 году Европейские страны перешли на более жесткий экологический стандарт «Евро-5». В недалеком будущем автомобилям будет запрещено выбрасывать вредные вещества в атмосферу, и тогда автомобильным предприятиям придется перейти на другие источники энергии. На конференции ООН по климату в Париже, прошедшем в декабре 2015 года, страны, входящие в альянс производителей транспортных средств с нулевыми выбросами (ZEV), выступили о запрете автомобилей с традиционным видом топлива. Это — Германия, Нидерланды, Норвегия, Великобритания, а также канадская провинция Квебек. Кроме того, через 35 лет запрет на продажу бензиновых и дизельных автомобилей может быть введен в восьми штатах США — Калифорнии, Род-Айленде, Нью-Йорке, Коннектикуте, Мэриленде, Массачусетсе, Орегоне и Вермонте. Целью подобных радикальных мер является снижение вредных выбросов и улучшение экологии. С другой стороны, страны с развитой автомобильной промышленностью хотят избавиться от нефтяной зависимости. Это такие страны, как Япония, Германия, Швеция, Франция. Одним из альтернативных источников энергии для автомобилей предлагается водородное топливо. Утверждается, что неоспоримым преимуществом автомобилей на водородном топливе является то, что продуктом горения водорода в двигателях является вода. Все крупные автомобилестроительные компании в мире работают над созданием автомобилей, работающих на водородном топливе. «Водород – топливо ближайшего будущего» - под таким девизом проходит внедрение двигателей на водороде. В странах ЕС принята программа перехода к водородной энергетике, которая рассчитана на 50 лет (2000-2050). Согласно этой программе количество работающих на водороде автомобилей к 2020 г. должно составить 2 млн. шт. В США к 2040 г. собираются полностью сформировать рынок и инфраструктуру водородных автомобилей. Над созданием водородных автомобилей активно работает Япония. В данной стране произведены сотни единиц автотранспорта на водородном топливе, созданы водородные заправочные станции. Несмотря на уникальные свойства водорода как топлива, в настоящее время серийное производства водородного автотранспорта не налажено. Изучение проблем массового производства автомобилей на водороде и посвящена данная исследовательская работа. Цель исследования: изучить перспективы использования водорода в качестве альтернативного источника энергии для автомобилей. Задачи: 1. Изучить современное состояние производства водородного автотранспорта. 2. Изучить способы получения, хранения водорода. 3. Оценить экологические аспекты производства, хранения водорода и его сжигания в автомобильных двигателях. 4. Рассмотреть эффективность использования водорода в качестве топлива в автомобилях. Объект исследования: водородные автомобили. Предмет исследования: водород как источник автомобильного топлива. Гипотеза: переход автомобильного транспорта на водород в обозримой перспективе невозможен. Методы исследования: анализ, систематизация и обобщение литературных данных. 1 Теоретическая часть 1.1 История водородных автомобилей Около 45% добываемых в мире нефтепродуктов используется в качестве топлива для автомобилей. Запасы нефти ограничены и не возобновляются, поэтому поиск универсального источника энергии, которую можно получать в условно неограниченных количествах, задача, безусловно, актуальная. Водород как топливо для двигателей рассматривается в числе наиболее перспективных веществ. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, так как его можно выделить из обыкновенной воды. Хранение и транспортировка этого газа хотя и связано с определенными сложностями, но осуществимо. И, что самое важное, при равных массах, при сжигании водорода выделяется в 3 раза больше энергии, чем при сжигании бензина. Использование водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) началось ещё в 19 веке. Французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз разработал первый в мире двигатель внутреннего сгорания в 1806 году потребляющий водородное топливо. Естественно, об использовании бензина тогда не могло быть и речи. Необходимую электрическую энергию для работы ДВС Франсуа Исаак де Риваз получал методом электролиза воды. При этом процессе выделялась энергия и выхлопные газы в виде водяного пара и некоторого количества азота. Трудно сказать насколько востребованным было изобретение француза в начале 19 века, однако именно ему приписывают первенство в использовании водорода, как топлива. Но заставить с помощью энергии водорода двигаться самоходный экипаж (прототип автомобиля) смог в 1959 году бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар. Возможно, водород так бы и прижился в качестве основного топлива для автотранспорта, но в 1870 году стали использовать бензин в ДВС. Постепенно первые эксперименты с водородным топливом были забыты. Человечество стало привыкать к бензиновым выхлопам. Вспомнить о водороде, как топливе для ДВС пришлось только в конце 1941 года, в блокадном Ленинграде. Военный техник Б.И.Шелищ обратился к командованию с предложением использовать для заправки автомобилей блокадного города отработанный водородный газ. Командование посчитало предложение Б.И.Шелища ценной разработкой, и разрешило начать опыты. Совершенно ясно, что в блокадном Ленинграде не хватало бензина для работы автопарка грузовиков. Необходим был альтернативный источник топлива. Водород? Но где взять его в таком количестве, чтобы заправить 400-600 автомобилей? Блокадный Ленинград защищался от налетов вражеской авиации не только зенитными орудиями, но и заградительными аэростатами, которые парили в небе, наполненные водородом, мешая вести прицельную бомбардировку города. Эти воздушные защитники управлялись с земли с помощью аэростатных лебёдок установленных на грузовиках ГАЗ. Естественно, работали лебёдки от ДВС автомобиля. Водородные шары постепенно теряли высоту и спускались на землю. Именно они стали источником необходимого городу и транспорту топлива. За короткое время (на переоборудование ДВС 200 машин небольшой группе техников потребовалось около недели) были переоборудованы 600 грузовиков ГАЗ на водородное топливо. Интерес к водородной энергетики появилось в середине 70-х годов во время мирового энергетического кризиса. В 1974 г. была создана Международная ассоциация по водородной энергетике (МАВЭ) со штаб-квартирой в Институте чистой энергетики (Корэл Гэйблс, США). МАВЭ стала издавать международный журнал "The International Journal of Hydrogen Energy" и проводить один раз в два года Всемирные конференции по водородной энергетике. СССР вошел в МАВЭ. Координацию работ в стране стала осуществлять Комиссия АН СССР по водородной энергетике и Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова (ИАЭ). Лидером и руководителем водородного движения в СССР стал академик Валерий Алексеевич Легасов (вплоть до его безвременной кончины в 1988 г.). В СССР с 1978 г. "Атомиздатом" стал издаваться периодический сборник "Атомно-водородная энергетика и технология" и стали проводиться на базе ИАЭ Всесоюзные семинары по атомно-водородной энергетике. Весьма быстро, менее чем за 10 лет, идея водородной энергетики захватила умы человечества, и стало интенсивно формироваться всемирное водородное движение. В 80-х годах концепция водородной энергетики (ВЭ) была полностью разработана и детализирована, разработана ее структура. Она включает: 1. Производство водорода из воды с использованием не возобновляемых источников энергии (уголь, атомная энергия, термоядерная энергия) и возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, энергия морских приливов, биомасса и т.д.); 2. Транспортировка и хранение водорода; 3. Использование водорода в промышленности, на транспорте (наземном, воздушном, водном и подводном), в быту; 4. Проблемы надежности материалов и безопасности водородных энергетических систем. Преимуществом водорода перед прочими энергоносителями считаются неограниченные возможности его получения, практическая неисчерпаемость запасов и экологическая безопасность при его использовании. 1.2 Основные причины разработки водородных автомобилей 1.2.1 Энергетическая безопасность Ограниченность запасов нефти и газа (по разным оценкам, они будут исчерпаны в ближайшие 50 – 100 лет), заставляет вести активные поиски альтернативных энергоносителей, в частности, на основе водорода. 1.2.2 Загрязнение окружающей среды Сжигание углеводородных топлив ведет в масштабах Земли к сильному увеличению содержания диоксида углерода СО2 в атмосфере. Увеличение содержания СО2 (а также NО2, СН4 и некоторых других газов) в атмосфере ведет к парниковому эффекту. За последние десятилетия парниковый эффект и его возможные последствия изучаются во всем мире многими специализированными научными учреждениями и анализируются крупными специалистами. Прогнозы не утешительны. Уже общее среднее потепление на 1-2 К, ожидаемое в ближайшие десятилетия, вызовет совершенно катастрофические планетарные последствия: таяние ледников Арктики и Антарктики, резкое изменение климата на Земле в целом с особо опасными последствиями для отдельных регионов – затопления, нарушения условий для сельскохозяйственной деятельности и т.д. Проблема вышла на уровень международных организаций (ООН и ее структуры). Стали проводиться международные конференции и переговоры. Для "зеленых" и их партий парниковый эффект и возможная экологическая катастрофа стали важными атрибутами их движений. Определились и страны - ведущие "вкладчики" в надвигающуюся катастрофу. По процентному вкладу в общемировой объем вредных выбросов они разделились следующим образом: США – 24%, Китай – 14%, Россия – 6%, Англия – 2%. Новая энергетика особенно необходима крупным городам. В России более 75% населения проживает в крупных городах, где и сосредоточены основные производственные мощности, где экологическая обстановка не соответствует нормативам, определяющими уровень безопасности для здоровья и жизни людей, поскольку значительно превышены предельно допустимые концентрации вредных веществ. Серьезную лепту здесь вносит «грязная» энергетика и резко увеличившийся в количестве автотранспорт. В крупных городах автотранспорт дает до 90% от общего объема выбросов. Прогноз показывает, что к 2030 г. на планете количество автомобилей достигнет 1.6 млрд. Принятые европейские стандарты по ограничению выбросов диоксида углерода для транспорта в 2015 г. устанавливает предел в 90 г/км. Последние модели АвтоВаза имеют выбросы СО2 на уровне 180 г/км. Россия присоединилась к Женевскому соглашению и обязана выполнять Европейские нормы на выброс вредных веществ. 1.3 Виды двигателей на водородном топливе Современные водородные двигатели подразделяются по принципу работы на два типа: электромоторы с питанием от водородных топливных элементов и двигатели внутреннего сгорания на водороде. 1.3.1. Водородные топливные элементы Топливный элемент – это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции. Топливный элемент подобен батарее в том, что он вырабатывает постоянный ток путем химической реакции. Топливный элемент включает анод, катод и электролит. Однако, в отличие от батарей, топливные элементы не могут накапливать электрическую энергию, не разряжаются и не требуют электричества для повторной зарядки. Топливные элементы могут постоянно вырабатывать электроэнергию, пока они имеют запас топлива и воздуха. В отличие от других генераторов электроэнергии, таких как двигатели внутреннего сгорания или турбины, работающие на газе, угле, мазуте и пр.,топливные элементы не сжигают топливо. Это означает отсутствие шумных роторов высокого давления, громкого шума при выхлопе, вибраций. Топливные элементы вырабатывают электричество путем бесшумной электрохимической реакции. Другой особенностью топливных элементов является то, что они преобразуют химическую энергию топлива напрямую в электричество, тепло и воду. Топливные элементы высокоэффективны и не производят большого количества парниковых газов, таких как углекислый газ, метан и оксид азота. Единственным продуктом выброса при работе топливных элементов являются вода в виде пара и небольшое количество углекислого газа, который вообще не выделяется, если в качестве топлива используется чистый водород. Топливные элементы собираются в сборки, а затем в отдельные функциональные модули. В корпусе водородно-кислородного топливного элемента установлена мембрана, проводящая только протоны. Она разделяет две камеры с электродами - анодом и катодом. В камеру анода подведен водород, а в камеру катода кислород. Каждый электрод покрыт слоем катализатора, к примеру, платиной. Молекулярный водород под воздействием катализатора, нанесенного на анод, теряет электроны. Протоны проводятся через мембрану к катоду, и под воздействием катализатора соединяется с электронами (поток электронов подводится извне), в результате чего образуется вода. Электроны из камеры анода уходят в электрическую цепь, подсоединенную к двигателю, то есть, на бытовом языке, образуется электрический ток, питающий электромотор. Реакции, протекающие на топливном элементе: Реакция на аноде: 2H2 = 4H+ + 4e- Реакция на катоде: O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O Общая реакция элемента: 2H2 + O2 = 2H2O На рисунке 1 приведена схема топливного элемента.  Рисунок 1 - Схема топливного элемента 1.3.2 Водородные двигатели внутреннего сгорания При использовании водорода в обычном двигателе внутреннего сгорания возникает ряд проблем. Во-первых, при высокой температуре и сжатии водород вступает в реакцию с металлом, из которого сделан двигатель, и даже с моторным маслом. Кроме того, в случае даже небольшой утечки при контакте с раскаленным выпускным коллектором он неизбежно загорится. Поэтому, кстати, для работы на водороде используют роторные двигатели, конструкция которых подразумевает удаленность впускного коллектора от выпускного, что позволяет ументьшить риск возгорания. Однако все эти проблемы, включая необходимость изменения системы зажигания, так или иначе удается обойти, что позволяет инженерам считать водород перспективным топливом. ДВС на водороде имеет КПД ниже, чем у двигателей на топливных элементах, однако тот факт, что для получения 1 кВт энергии водорода нужно меньше, чем бензина, позволяет смириться с пониженным коэффициентом полезного действия. Отличным примером автомобиля с водородным двигателем может служить экспериментальный седан BMW 750hL, выпускающийся ограниченной серией и доступный покупателям. В нем установлен 12-ти цилиндровый двигатель, работающий на ракетном топливе (водород + кислород), позволяющий разогнаться до 140 км/ч. Сжиженный водород хранится в специальном баке при низкой температуре. Запаса водорода хватает примерно на 300 километров. В случае если он израсходован, двигатель автоматически переключается на питание от дополнительного бака с бензином. Цена BMW Hydrogen 7 сопоставима со стоимостью обычной «семерки» и составляет около 93 тысяч долларов. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||