Водородное топливо

Многие научные организации в нашей стране и за рубежом активизируют рабо­ты по использованию водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей. Первые отечественные исследования в этом направлении были проведены еще в 1968 году в Новосибирске под руководством академика В. В. Струминского. Уже рассказывалось об экспериментах в Институте проблем машинострое­ния АН УССР, проводимых на автомобилях ВАЗ—2101, «Москвич—412» и «Волга». Харьковские ученые применили для питания двигателя водородом энергоаккуму­лирующие вещества — гидриды.

В Москве опыты с водородом ведутся в Секторе механики неоднородных сред АН СССР. Некоторым из полученных в процессе их результатам посвящена предла­гаемая здесь статья.

Водород в качестве топлива в неко­торых областях техники сегодня уже перешагнул порог экспериментов. Речь идет прежде всего о его применении в ракетной технике. А на повестке дня уже применение водорода в авиации, в ча­стности пассажирской и транспортной.

В ряде стран мира, в том числе и в СССР, успешно испытаны автомобиль­ные двигатели, работающие на чистом водороде и небольших добавках водоро­да к основному топливу. В настоящее время проходят ходовые испытания на водородном топливе специально по­строенные автомобили и оборудованные под него серийные* машины. Причем водород применен как в жидком, так и в связанном состоянии, в виде гидри­дов.

Что же представляет собой водород как топливо, каковы его достоинства и в чем его недостатки?

Прежде всего, в единице веса водо­род содержит почти в три раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Но для размеще­ния его требуются довольно большие объемы. Водород самый легкий элемент, с него начинается периодическая систе­ма Менделеева. Даже в жидком состоя­нии он примерно в 14 раз легче воды.

Другая важная особенность водорода проявляется при его горении. Он чрез­вычайно быстро смешивается с другими газами, и в частности с воздухом атмос­феры. Прекрасно горит в ней, и при этом процессе образуются пары дистиллиро­ванной воды. Когда человечество начнет широко использовать водород в качест­ве топлива, а это целесообразно на транспорте, в промышленности, в комму­нальном хозяйстве, полностью будет ре­шена важнейшая проблема современно­сти — защита окружающей среды от за­грязнения.

Существуют вполне реальные условия превращения водорода в универсальное топливо для всей многогранной деятель­ности человека на земле и в космосе. В самом деле:

запасы водорода на земле практи­чески безграничны;

водород чрезвычайно удобно хранить, и в частности в гигантских емкостях естественного происхождения (на быв­ших газовых месторождениях);

в газообразном виде водород чрезвы­чайно удобен для транспортировки по обычным газопроводам на огромные расстояния; в этом случае потребуется лишь несколько модернизировать суще­ствующие компрессорные станции; очень важно подчеркнуть, что уже се­годня стоимость транспортировки водо­рода по трубопроводам в несколько раз ниже, чем передачи электрической энер­гии по мощным ЛЭП.

dhdhudhndhnydhdhndh

Багажное отделение автомобиля с двумя криогенными сосудами, содержащими 5,6 кг жидкого водорода.

Конечно, для получения водорода мо­жет быть использована и энергия атом­ных станций с применением электролиза. Большое количество водорода может быть получено из каменного угля, запа­сов которого на земле хватит на несколь­ко сот лет. При этом оказывается весьма перспективным МГД- генератор в соче­тании с электролизом. Также перспектив­ны прямые одностадийные методы полу­чения водорода из воды, например по­средством окисления железных опилок в паровой струе с последующим восста­новлением их в потоке угольной пыли.

Что же сегодня сдерживает примене­ние водородного топлива и что нуж­но сделать, чтобы новый энергоноситель нашел широкое применение в народном хозяйстве? Прежде всего необходимо преодолеть предубеждение по поводу опасности применения водорода в каче­стве топлива. Многим это предубежде­ние было внушено еще со школьной ска­мьи в виде взрыва гремучего газа. Что ж, при всей стремительности, с которой развивается наука и техника, в ее исто­рии есть повторяющиеся ситуации. В свое время нашлись люди, которые предупреждали об опасности путешест­вия по железной дороге из Петербурга в Москву: на первый рейс из-за отсут­ствия желающих оказалось необходимым привлечь гвардейское подразделение. Позднее нашлись специалисты, посчитав­шие взрыв бензина в автомобильном ба­ке настолько реальным и опасным, что они настояли на том, чтобы впереди дви­жущегося автомобиля шел человек и размахивал красным флагом, Чем-то подобным нам представляются сегод­няшние разговоры об опасности водо­рода.

Смесь газообразного водорода с кис­лородом воздуха в широком диапазоне концентраций образует гремучий газ. В закрытых емкостях или помещениях эта смесь, действительно, горит очень быстро и вызывает значительное повы­шение давления и может привести к взрыву и разрушениям. В открытых объ­емах или на открытой территории про­цесс горения гремучей смеси происходит также очень интенсивно, но при количе­ствах водорода, используемых на автомобилях, оно не будет связано с повы­шением давления и не станет сопровож­даться никакими взрывами или разруше­ниями. В открытых «объемах даже струя газообразного водорода горит 'спокой­но бесцветным пламенем и образует очень мало лучистой энергии, примерно в сотни раз меньше, чем соответствую­щая струя паров бензина. Поэтому при горении водорода на открытых площад­ках даже расположенные вблизи пред­меты оказываются неповрежденными. Особо отметим, что в жидком и твердом состоянии водород не горит. Он горит только в газообразном состоянии при температуре выше 500°С. По многим свойствам водород как топливо не бо­лее опасен, чем бензин и даже керо­син.

Наибольшее значение для транспорта имеет жидкий или твердый водород. В жидком состоянии он находится при тем­пературах ниже минус 253°, а твердом — ниже минус 258°. Чтобы предотвра­тить испарение водорода в этих состоя­ниях, требуется специальная тепловая защита. Нужен подобный обычному тер­мосу сосуд, стенки которого разделены вакуумом, где располагается некоторое число отражающих тепловые лучи экра­нов. Криогенные (то есть связанные с использованием низких температур) ем­кости для хранения жидкого, гелия, во­дорода, азота прошли многолетнюю про­верку и выпускаются серийно. Они и бы­ли применены в Секторе механики неоднородных сред АН СССР для раз­мещения жидкого водорода на авто­мобиле.

Эксперимент идет на серийном ми­кроавтобусе РАФ—2203. В его багажнике размещены также серийно выпускаемые в нашей стране криогенные емкости с жидким водородом. На фото вы видите этот автомобиль. Как показали его ходо­вые испытания, применение 5—10-про­центных добавок водорода к бензину приводит к значительному повышению полноты сгорания топлива и увеличению КПД двигателя на 40—45%. Кроме того,

более чем в 100 раз снижается токсич­ность выхлопных газов (уменьшается со­держание в них окиси углерода). Налицо два наиболее актуальных выигрыша, ко­торых ждет общество от современного автомобиля, — экономичность и без­вредность.

Два криогенных сосуда, которые вы видите на фотографии багажника авто­мобиля, имеют общую емкость 80 лит­ров. Масса жидкого водорода в них со­ставляет 5,6 кг. Из сосудов он перека­чивается под давлением 1,5 кгс/см2 в спе­циальную емкость, где превращается в газообразный водород, и по трубе пода­ется в карбюратор. С целью определить последствия возможных повреждений криогенных емкостей во время дорож­ной аварии, жидкий водород из криоген­ного бака под давлением 3 кгс/см2 про­ливали на землю. При этом он мгновен­но испарялся, а пары его с большой скоростью устремлялись вверх и на­столько быстро рассеивались в атмосфе­ре, что даже на небольшом расстоянии от струи их не удавалось зажечь. Эта струя была отчасти подобна струе воды, вытекающей на раскаленную плиту, только пары воды в 14 раз тяжелее. Та­ким образом, даже в аварийных ситуа­циях при повреждении водородных ба­ков никаких условий для образования обгара или взрыва не возникает. В то же время известно, что при поврежде­нии бензиновых баков пролитый на зем­лю бензин может вспыхнуть и охватить пламенем довольно много места.

Водородная технология, водородная энергетика — о них говорят все настой­чивее и конкретнее, Специалисты мо­торостроения связывают с водородом большие надежды, так как проблема чистого двигателя сегодня перерастает в проблему источника энергии, эколо­гически безвредного топлива. Такого, как водород.