В последние несколько лет для всего человечества стало очевидно, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта приведет планету к глобальному экологическому кризису. Запасы ископаемого топлива стремительно сокращаются, поэтому в скором времени многие страны будут строить на своей территории новые атомные электростанции. Проблема утилизации радиоактивных отходов займет одно из важнейших мест.
Многие ученые и инженеры уже давно понимают эти тенденции, поэтому высказываются в пользу укоренного поиска и развития альтернативных источников энергии. По всему миру проходят испытания мини-электростанции, работающие на энергии ветра, фруктов и овощей, на солнечной энергии и т.п. Интерес ученых вызывает и водород, запасы которого в водах Мирового океана неисчерпаемы. Водород привлекателен в качестве топлива прежде всего потому, что является относительно экологически безопасным. Его можно долговременно хранить, он не токсичен, может транспортироваться с помощью имеющейся инфраструктуры и, кроме того, он может использоваться в тепловых двигателях без существенного изменения их конструкции.
Целью данной работы является изучение возможности получения водорода и применения водородного топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
- Изучить литературу по данному вопросу.
- Изучить достигнутый уровень проработки вопроса, имеющиеся изобретения.
- Разобрать возможные способы усовершенствования современных двигателей.
- Рассмотреть возможные способы получения водорода и водородно-кислородной смеси.
- Проверить на практике один из способов.
По данному вопросу были найдены некоторые изобретения. Самый широко известный двигатель, разлагающий воду на водород и кислород, основан на электролизе. Он сконструирован американским изобретателем Стенли Мейром и запатентован в США в 1992 г. (Патент США №5149507).
Кроме этого, имеется гидродвигатель внутреннего сгорания, запатентованный в России (Патент Россия 2330166 С1). В наше время уже разработаны концепткары, работающие на альтернативных традиционному виду топливах.
Для улучшения состояния окружающей среды разработанных в настоящее время экологически более чистых видов топлива недостаточно. Широкое внедрение водородного топлива сдерживается более высокой ценой водорода по сравнению с привычными топливами (так как для его хранения требуется низкая температура и высокие давления, специальные дорогостоящие материалы, такие как титановые сплавы, диэлектрические материалы), отсутствием необходимой инфраструктуры (специальных заправок, сервисов для ремонта таких двигателей, механиков, разбирающих в водородных двигателях).
Один из возможных вариантов альтернативного топлива – смесь газов водорода и кислорода, которую можно легко получить из воды. После сгорания данная смесь вновь превращается в воду. Первой проблемой в создании двигателя, использующего эту смесь, является сам способ ее получения. Для этого необходимо, например, провести гидролиз воды, во время которого будут выделяться водород (Н2) и кислород (О2) в газообразной форме.
Простейшая установка для гидролиза состоит из стеклянной двухлитровой банки, обычной пластиковой крышки с двумя проделанными в ней отверстиями, трубкой для вывода газов из сосуда, анода и катода, двух проводов и аккумулятора на 12 вольт. Анод и катод собираются из десяти лезвий от канцелярского ножа, двух болтов с гайками и девяти резиновых прокладок. Основным элементом генератора в собранном виде являются анод и катод, подключенные к аккумулятору.
Испытание установки проводится следующим образом. Сначала в сосуд заливается вода, затем подается питание от аккумулятора на анод. В процессе электролиза происходит выделение газов, смесь которых выводится через трубку в баллон.
Водородно-кислородную смесь можно использовать в обычном двигателе внутреннего сгорания, в котором изменен вывод отходов, то есть перенесен клапан для вывода газа на баковую стенку цилиндра.
Предполагается, что процесс работы двигателя мало отличается от имеющегося. В течение первого такта смесь газов будет подаваться в рабочий цилиндр двигателя из баллона. Во время второго такта будет происходить сжатие смеси газов, как и в обычном двигателе внутреннего сгорания. В третьем такте газ начнет гореть, расширяться, а в качестве отходов при горении будет образовываться вода. В течение четвертого такта вода выводится из двигателя. Поскольку вода не является вредным для окружающего мира веществом, измененный двигатель не будет ухудшать экологию.
Однако на данный момент имеются несколько существенных проблем, мешающих значительному прогрессу в области водородной энергетики и использовании водорода в качестве топлива. Во-первых, затраты энергии на получение водорода пока превышают энергию, образующуюся при его сгорании. Значит, использование водорода в качестве топлива пока не является рентабельным. Во-вторых, водородно-кислородная смесь взрывоопасна и требуются особые условия по ее хранению и транспортировке. Дальнейшие исследования должны быть направлены на решение указанных проблем.
Библиографический список
- Мейер С. Патент США №5149507 (1992) – “Электролизная ячейка для генерации водорода”.
- Патент РФ №2330166 С1* – “Гидродвигатель внутреннего сгорания”.
- Вейник А.И. Водород: энергетика будущего. – М.: Наука, 2020. – 320 с.
- Григорьев С.А., Меньшиков В.В. Водородная экономика: проблемы и перспективы. – СПб.: Энергоатомиздат, 2019. – 256 с.
- Иванов-Омский В.И. Альтернативная энергетика: от теории к практике. – М.: Техносфера, 2021. – 180 с.
- Кузин А.А. Экология и энергетика: поиск баланса. – М.: Академия, 2018. – 210 с.
- Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. – М.: Мир, 1978. – 592 с.
- Орлов В.А., Федотов И.Б. Водород в энергетике XXI века. – М.: Изд-во МЭИ, 2017. – 144 с.
- Рыжкин В.Я. Тепловые двигатели на альтернативных топливах. – М.: Машиностроение, 2020. – 200 с.
- Харитонов В.В. Электролиз воды: технологии и перспективы. – Новосибирск: Наука, 2019. – 175 с.