Перспективы использования
водородного двигателя на транспорте
Доклад на СНО в СПбГУКиТ, май 2006.
Руководитель: доцент каф. физики и оптики Штейн Б.М.
Докладчики: студентки 532гр. Павличенко Д., Лю Е.
Энергия будущего?
В последнее время и в прессе и в бизнесе и в науке и в политике активизировались разговоры и разработки двигателей работающих на водороде (не путать с термоядерной водородной энергетикой!). Водородными двигателями активно занимаются крупнейшие немецкие, японские, американские и др. автомобильные компании. Водородный двигатель представил и АвтоВАЗ. Подобные двигатели находят поддержку у правительств: США выделяет на разработку миллиард долларов, Путин делает громкое заявление о поддержке водородной энергетики, «Единая Россия» добивается выделения из бюджета миллиарда рублей… Водородный двигатель рассматривается как панацея, решающая энергетическую (нефтяную) и экологическую проблему.
Разберемся, так ли это на самом деле, или водородный двигатель – бесперспективный миф.
Энергетическая проблема
Основная проблема водородного двигателя состоит в том, что добывать водород в природе невозможно – его приходится получать электролизом воды, или переработкой природных углеводородов, все равно, сжигая при этом нефть, газ, уголь или уран. Таким образом, водород является не топливом, а лишь аккумулятором энергии.
Следовательно, при расчете КПД водородного двигателя надо считать КПД всей цепочки: производство электроэнергии на электростанции – передача электроэнергии – получение водорода – транспортировка водорода – водородный двигатель, а такой КПД водородного двигателя значительно ниже, чем у бензиновых двигателей. Следовательно, он неэкономичен, тратит больше топлива и дает больше экологически вредных выбросов.
Кроме того, по различным оценкам, на сегодняшний день суммарная мощность всех автомобилей в десятки раз превосходит суммарную мощность всех электростанций, а электростанции и так не всегда справляются с возрастающей нагрузкой (вспомним недавние отключения в Москве, Владивостоке, США…). Если учесть, что на ввод в строй только одной электростанции нужно (при полном финансировании) 3-5 лет, то становится очевидно, что массовый переход транспорта на водород в обозримой перспективе невозможен в принципе.
Типы водородных двигателей
Существует два принципиально различных типа водородных двигателей.
Топливные элементы – по сути, гальванические элементы в которых реакция водорода с кислородом происходит непосредственно с получением электричества. Имеют высокий КПД, не имеют движущихся частей, не греют улицу… Но на сегодняшний день имеют два серьезных недостатка: низкая удельная мощность (даже при небольшой мощности имеют большой вес) и высокая цена (они содержат платину и палладий). Поэтому они используются в основном в космических аппаратах и на подводных лодках, однако, если их поставить на автомобиль, то он по цене сравняется с космическим кораблем. Рано или поздно эти технические проблемы будут решены, но «энергетическую проблему» они все равно не решают. Поэтому в дальнейшем речь пойдет о двигателях второго типа.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) на водороде – принципиально не отличается от аналогичного ДВС на пропане, на котором сейчас ездит половина грузовиков. Дешёвая, надёжная, отработанная конструкция. Скорее всего, перевести пропановый двигатель на водород можно даже не переделкой, а перенастройкой – экспериментальные образцы давно существуют – миллиард для этого не нужен. «Энергетическую проблему» они также не решают.
Экологические проблемы ДВС на водороде
Во-первых, как уже было доказано выше, водородный двигатель (с учетом производства водорода и электроэнергии) дает больше экологически-вредных выбросов, правда там где расположена электростанция – где-нибудь в тайге, а не в городах, где эта проблема наиболее актуальна.
В идеале сам ДВС на водороде выбрасывает в атмосферу только водяной пар. В реальных условиях добиться столь идеального сгорания практически невозможно – в зависимости от условий горения, могут образовываться гидроксиды OH (которые взаимодействуя с металлом, будут вызывать его коррозию и образовывать весьма опасную для экологии щелочь), перекись водорода (крашенные блондинки знают, насколько это едкое и опасное вещество), соединения азота и др. Сам водород, утечки которого неизбежны, разрушает озоновый слой.
Водяной пар, при массовых выбросах, так же представляет серьёзную опасность – он может привести к трудно прогнозируемым климатическим изменениям; также как и CO2, является «парниковым газом»; усиливает коррозию материалов, что может привести к преждевременным обрушениям конструкций и серьёзным техногенным катастрофам; ухудшает самочувствие людей; создает благоприятные условия для размножения болезнетворных бактерий; увеличивает «скользкость» дорожного покрытия и количество туманов, что ведет к повышению количества ДТП.
Проблема безопасности
Водород, также как пропан или пары бензина в смеси с воздухом образует «гремучую смесь». Однако, в отличие от пропана, водород невозможно удержать в баллоне – молекулы водорода настолько малы, что легко диффундируют сквозь металл.
Существует и другой способ хранения водорода - металл-гидриды — ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Такой способ хранения имеет высокую плотность упаковки топлива, но чреват тем, что эта ёмкость может нагреться и отдать водород не только от нагревателя, но и, например, от солнца или работающего двигателя, что может вызвать утечку водорода и взрыв.
Конечно, все можно предусмотреть – создать специальные покрытия, термостаты, датчики утечки, систему вентиляции и т.д., но тогда автомобиль по стоимости опять сравняется с космическим кораблем.
Вывод
Водородный двигатель имеет определенные перспективы там, где нужны максимальные мощности, скорости и т.д., причем любой ценой, без оглядки на стоимость и экологию (космические аппараты, боевая техника, гонки…), но массовое использование его на транспорте, абсолютно бесперспективно, т.к. он неэкономичен, неэкологичен, небезопасен и не может быть обеспечен водородом в необходимом количестве.
Альтернативные перспективные технологии
На сегодняшний день существуют несколько действительно перспективных технологий, которые полностью не решают энергетические, экономические и экологические проблемы, но могут несколько улучшить ситуацию.
Биотопливо (метан, этанол, рапсовое масло и др.) – пожалуй, самая перспективная на сегодняшний день альтернатива бензину. Работы по его внедрению полностью или в смеси с бензином очень активно ведутся во всем мире. Экологически оно не панацея, но лучше бензина. Является возобновляемым источником. Зачастую – даровое: например, вся Куба ездит на этаноле из отходов переработки сахарного тростника, в Гонконге метан получают прямо при гниении отходов на свалках… Кроме того, успехи биологии и генной инженерии позволяют надеяться на значительный прорыв в этом вопросе в ближайшее время.
Преимущество угля в том, что его много. Если нефти, по различным прогнозам, хватит на 20-50 лет, то угля на 500-1000 лет. Уголь – не самое удобное для автомобиля топливо. Но еще в СССР и некоторых других странах была разработана технология сжижения и газификации угля, позволяющая переработать каменный уголь в чистое, не уступающее нефти по калорийности, жидкое или газообразное топливо. Однако, в нашей «богатой нефтью» стране, эта технология, к сожалению, не была востребована. Сейчас лидером по применению этой технологии является Китай, строящий завод, который будет производить 5 миллионов тонн «светлых нефтепродуктов» в год, расходуя на это 15 миллионов тонн обычного угля.
Аккумуляторы – имеют те же преимущества и недостатки, что и топливные элементы. Поэтому они перспективны в весьма узких специфических областях.
Гибриды – уже не завтрашний, а сегодняшний день – Toyota Prius, Honda и др. активно завоевывают японский и американский рынок и подбираются к европейскому. В гибридах бензиновый двигатель вращает не колёса, а генератор, он дает электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторах и по мере необходимости передается электродвигателям, вращающим колёса. Такая схема имеет два основных преимущества: двигатель, даже при езде «по городскому циклу», работает в наиболее экономичном режиме; при торможении кинетическая энергия автомобиля не переходит в тепло в тормозных колодках, а возвращается в аккумулятор, т.к. электродвигатель в этом случае работает в режиме генератора. Поэтому гибриды имеют более высокий КПД, следовательно, меньше потребляют бензина и дают меньше вредных выбросов. Однако, гибриды не панацея, решающая все проблемы, а лишь усовершенствование, немного повышающее КПД бензиновых двигателей.
Н.В.Гулиа в научно-популярной книге «В поисках «энергетической капсулы» (можно бесплатно прочесть на сайте http://www.n-t.org/ri/gl/ek.htm), а так же в сотнях научных трудов и патентов очень убедительно доказывает, что лучшим аккумулятором энергии являются маховики. Однако, промышленность почему-то не спешит взять на вооружение его разработки. Да и, как и любой другой аккумулятор, он не решает главную - «энергетическую проблему».
FAQ (часто задаваемые вопросы)
Вопрос:
Вы чё, типа, самые умные? Во всем мире занимаются водородом, а вы - против? Может, вы отстаиваете интересы нефтяных олигархов? Вы – тормоз для прогресса.
Ответ:
Давайте разберемся, кто и зачем на самом деле, занимается водородом.
Крупные западные компании (прежде всего немецкие и японские) ставят водородные двигатели не на серийные модели, а исключительно на «концепт-кары», которые ездят в основном по выставочным салонам. То есть, для них водородный двигатель является относительно недорогой, но очень эффектной и эффективной рекламой.
Наш президент Путин В.В. сделал громкое заявление о поддержке водородного двигателя всего один раз перед каким-то саммитом по киотскому протоколу. Этим он, очевидно, хотел показать мировой общественности, что Россия борется за экологию. Больше он ни разу об этом не заикался, видимо, понимая всю бесперспективность водородного двигателя.
Как доказано выше, водородный двигатель бесперспективен, но его разработка весьма не дорога. Т.к. у меня нет доказательств для суда, то на вопрос о том, куда пойдет львиная доля миллиарда, выделенного «Единой Россией» из бюджета, выводы делайте сами!
Серьёзные российские ученые, занимающиеся этой проблемой, либо надеются на применение водородного двигателя в «оборонке», где он имеет определенные перспективы, либо просто отрабатывают гранты.
Вопрос:
Критиковать легко, а ты предложи что-либо взамен.
Ответ:
См. вторую часть доклада «Альтернативные перспективные технологии».
Вопрос:
Возможно, водородный двигатель будет востребован, когда у человечества будет достаточно электроэнергии, получаемой, например, при помощи термояда?
Ответ:
Согласно самым смелым прогнозам ученых, первая работоспособная промышленная термоядерная электростанция будет создана не раньше, чем через 30-50 лет, а обеспечить все человечество с избытком электроэнергией они вряд ли смогут раньше, чем через 100 лет при идеальных условиях для развития термоядерной энергетики.
Впрочем, к тому времени наверняка будут созданы гораздо более мощные, энергоёмкие, легкие и дешёвые аккумуляторы, тем более, что эта сфера сейчас развивается очень динамично. Поэтому водородный двигатель всё равно будет не актуален.
См. также
С.Южный. В пользу негодных технологий и концепций.
http://altinfoyg.narod.ru/vpntk.html
Галина РЕЗНИК, по материалам FT. Водородная энергетика (Незнание законов физики не освобождает от последствий).
http://www.tek-ua.com/article0$t!1$pa!242$a!24301.htm
Анастасия Герасимова, Юлия Говорун. Подвиг во имя палладия. (О том кому и почему это выгодно)
http://www.smoney.ru/article.shtml?2006/04/17/349
Дмитрий Верхотуров, Илья Кирилловский. Грязное лицо чистой энергетики.
http://www.apn.ru/publications/comments17132.htm
Водородный миф.
http://www.goldformula.ru/index.php?issue_id=95
Сергей Строганов. Водородные двигатели признали бесперспективными.
http://autoworld.mail.am/index.php?category=319&id=797