21.2. Водородный аккумулятор

Как уже отмечалось, водород - отличный аккумулятор энергии с широким диапазоном областей применения, причем плотность энергии в единице массы у водорода в 3 раза больше, чем у бензина. Водород весьма пригоден как аккумулятор электроэнергии, вырабатываемой ночью на электростанциях. Его можно транспортировать на большие расстояния как в газообразном, так и в жидком состоянии. При транспортировке водорода в жидком состоянии его низкую температуру используют для снижения сопротивления электрических проводников, размещенных в том же трубопроводе. В космонавтике водород применяют в качестве ракетного топлива. Применение водорода как топлива в автомобилях требует минимальных изменений конструкции двигателя.

Жидкий водород существует при температуре - 253 °С, поэтому емкость для его хранения должна иметь очень хорошую теплоизоляцию. В качестве такой изоляции обычно используют вакуумированную полость (сосуд Дьюара). Низкая температура поддерживается также вследствие постоянного испарения водорода.

В Лос-Аламосской исследовательской лаборатории, США, был создан бак для хранения жидкого водорода MVE-50 емкостью 190 дм³ водорода. Масса заправленного водорода составляет 13,6 кг, что энергетически эквивалентно 75 л бензина. Масса бака в заправленном состоянии равна 59 кг. Испарение водорода, достигающее 0,8-3,3 % в сутки, снижает имеющееся небольшое избыточное давление в емкости. Нормальное избыточное давление в водородной емкости при движении автомобиля составляет 41-48 кПа, а максимально допустимое давление в ней - 200 кПа.

Бак для жидкого водорода имеет сферическую форму и поэтому неудобен для размещения в автомобиле. Кроме того, обращение с жидким водородом связано с риском его взрыва, поэтому такой способ хранения водорода в автомобиле непригоден.

Хранение водорода в гидридах уже было рассмотрено в гл. 19. Большой объем исследовательских работ по использованию водорода в автомобилях проводит Управление исследований в области энергетики, США. Такие работы ведутся в лабораториях многих научно-исследовательских организаций и высших школ. Подробный обзор исследований применения водорода в 49 двигателях и автомобилях был опубликован в [17].

В отчете рассмотрен весь период развитая водородных двигателей, начиная от первого стационарного одноцилиндрового двигателя воздушного охлаждения, созданного в 1964 г. фирмой "Биллингс", США. В этом двигателе водород подводился по специальному каналу во впускной трубопровод. Мощность регулировалась только количеством вводимого водорода, поступающий воздух не дросселировался, т. е. осуществлялось качественное регулирование. Использованный фирмой "Биллингс" четырехтактный одноцилиндровый двигатель фирмы "Бриггс энд Страттон" рабочим объемом 98 см³ имел степень сжатия ε = 6 и служил примером простоты конвертирования бензинового двигателя для работы на водороде. За этим двигателем последовали 18 различных водородных двигателей, выполненных на базе серийных. Последним из них был шестицилиндровый двигатель на базе дизеля "Камминс" рабочим объемом 5766 см³.

Большинство созданных водородных двигателей после испытаний были вновь конвертированы в исходное состояние. Испытания проводились, в основном, на сжатом водороде, при этом небольшой запас хода не принимался во внимание. Довольно часто использовался и серийный карбюратор, служивший для подачи воды в целях уменьшения жесткой работы двигателя и вспышек в трубопроводах.

Студенты университета г. Бирмингема, США, в 1966-1969 гг. проводили испытания различных водородных двигателей в лаборатории фирмы "Биллингс". Исследования финансировала фирма "Форд", которая интересовалась вопросами уменьшения воспламенения ("хлопков") в трубопроводах двигателя и снижения жесткости его работы при использовании рабочей смеси, близкой к стехиометрическому составу α = 1. С этой целью применяли подачу воды и рециркуляцию отработавших газов, что ограничивало также и содержание NОх в отработавших газах.

Были также проведены испытания на водороде роторно-поршневого двигателя на автомобиле "Мазда" фирмы "Тойо Когё" и четырехцилиндрового двигателя воздушного охлаждения - на автомобиле "Фольксваген". В двигателе Ванкеля возникли неисправности в системе смазки, поэтому испытания были непродолжительными. На обоих автомобилях применялась подача воды, что способствовало значительному снижению вредных веществ в отработавших газах, особенно в двигателе "Фольксваген". Для получения подаваемой в двигатель воды использовалась конденсация отработавших газов.

Все испытания показали, что мощность двигателя при работе на водороде ниже, чем при использовании в качестве топлива бензина. При стехиометрическом составе смеси водорода с воздухом водород занимает 29,5 % объема смеси. Кроме того, целесообразно также применять очень бедные смеси водорода с воздухом, что ведет к снижению расхода топлива. Смесь получается более бедной также при использовании рециркуляции отработавших газов и подаче воды. Все это вместе взятое способствует снижению удельной мощности на 20-25 % по сравнению с работой на бензине. Это явление устраняется подачей водорода после закрытия впускного клапана. Устройство для такого способа питания водородом было показано на рис. 132 (см. гл. 19). Водород начинает подаваться в цилиндр под давлением 15 МПа в положении поршня, соответствующем примерно 6° до ВМТ.

Горение водорода при высокой степени сжатия еще не было подробно исследовано. Следует, однако, отметить, что самовоспламенения водорода не происходит даже при степени сжатия ε = 29. В то же время достигнутый коэффициент полезного действия ниже, чем предполагалось. Расстояние между электродами на свече зажигания при этом необходимо было уменьшить до 0,075 мм. Требуются тщательные исследования превращения NО в NО₂ и поглощение NО₂ конденсирующимися парами воды. Влияние обеднения смеси на величину коэффициента полезного действия уже было рассмотрено в гл. 8.

Целесообразность использования бедных водородо-воздушных смесей подтверждается снижением расхода топлива при испытании автомобиля "Форд" модели "Монте-Карло" с двигателем, работающем на водороде, хранимом в криогенном баке в жидком состоянии. КПД двигателя возрос на 86 % по сравнению с КПД бензинового двигателя, соответственно, снизился и расход топлива.

Стоимость единицы энергии, полученной в виде водорода электролизом воды, почти в 2 раза дороже единицы энергии, содержащейся в бензине. Так, в США в 1981 г. стоимость энергии водорода составляла 5,12-8,5 долл/100 кВт. ч, а бензина - 2,04-2,73 долл/100 кВт⋅ч. Таким образом, имеется потребность в разработке новых дешевых способов получения водорода и в совершенство вании существующих.

В настоящее время испытывается новый метод электролиза - фотоэлектролиз. В отличие от обычного электролиза в нем в качестве анода используется чувствительный к свету полупроводник, полученный из окисла железа. От коррозии в растворе электролита (в данном случае - поташа К₂СО₃) анод защищен тонкой пленкой диоксида титана. Если на такой элемент падает солнечный свет, то возникает электрический ток и происходит процесс электролиза с выделением водорода и кислорода. Следовательно, отпадает необходимость подвода электрического тока извне. Разработки фотоэлектролиза не находятся еще в стадии промышленного освоения и в настоящее время изучаются возможности повышения эффективности использования солнечного излучения для производства водорода [25, 26].

Ведутся также исследования по снижению расхода электрической энергии при электролизе путем применения новых комбинаций материалов электрода и электролита. В результате уменьшения потребления электроэнергии должна снизиться стоимость водорода и при этом не должно происходить загрязнения окружающей среды.

Совершенствуются также и способы термохимического разложения воды, для чего делаются попытки использовать ядерную энергию. Разложение (диссоциация) воды на водород и кислород происходит при ее нагревании свыше 2000 °С. Трудности состоят в том, чтобы найти методы создания требуемых температур и материалы, способные выдержать такие температуры в течение всего процесса разложения.

Введение в воду некоторых добавок может снизить температуру ее разложения до 760 °С. В настоящее время в эксплуатации находятся два ядерных реактора с системой газового охлаждения, на которых можно получить такую температуру. Кроме того, требуемую для диссоциации воды температуру можно получить также и с помощью солнечных коллекторов, но их коэффициент полезного действия пока еще низок.

Ранее уже говорилось о биологических путях производства углеводородных компонентов в результате синтеза воды и углекислого газа. Хлорофил в растениях под воздействием солнечного света производит углеводороды, "отходом" при этом является кислород, необходимый для дыхания живых существ. В лабораторных условиях удалось с помощью этого способа получить водород с коэффициентом полезного действия, равным 37 %. Фотобиологическое производство водорода возможно найдет применение, когда ископаемые виды топлив будут очень дороги или они полностью исчезнут.

По мнению большинства ученых, водород является наиболее вероятным топливом будущего. Вопрос заключается в том, когда и каким способом оно будет производиться в необходимых промышленных масштабах. Осуществить производство значительного количества водорода можно уже в течение ближайших десяти лет, путем использования для этой цели угля, имеющегося в достаточном количестве. Однако постепенно должен произойти переход на использование экологически чистых источников энергии.