Популярность электромобилей в последнее время несколько задвинула на второй план авто на топливных элементах. Тем не менее водород готовится дать бой электричеству, и сегодня мы посмотрим на перспективы этого элемента в энергетическом будущем планеты. Водород — это самый простой и распространенный химический элемент во вселенной, на долю которого приходится 74% всей известной нам материи. Именно водород используется звездами, в том числе и Солнцем, для высвобождения огромного количества энергии в результате термоядерных реакций.
Несмотря на свою простоту и распространенность, на Земле водород в свободной форме не встречается. За счет своего легкого веса он либо поднимается в верхние слоя атмосферы, либо вступает в связь с другими химическими элементами, например с кислородом, образуя воду.
Интерес к водороду, как к альтернативному источнику энергии, в последние десятилетия вызван двумя факторами. Во-первых, загрязнением окружающей среды ископаемым топливом, являющимся основным источником энергии на данном этапе развития цивилизации. И, во-вторых, тем фактом что запасы ископаемого топлива ограничены и по оценкам экспертов будут истощены приблизительно через шестьдесят лет.
Водород, как впрочем и некоторые другие альтернативы, является решением вышеперечисленных проблем. Использование водорода приводит к нулевым загрязнениям, поскольку в результате выделения энергии побочными продуктами являются лишь тепло и вода, которые могут быть использованы повторно для других целей. Запасы водорода также очень сложно истощить, учитывая что он составляет 74% вещества во Вселенной, а на Земле входит в состав воды, которой покрыто две трети поверхности планеты.
Получение водорода
В отличие от ископаемых источников энергии (нефти, угля, природных газов), водород не является готовым к использованию источником энергии, а считается ее носителем. То есть взять водород в чистом виде как уголь и использовать для получения энергии невозможно, необходимо сначала потратить некоторую энергию для того чтобы получить чистый водород пригодный для использования в топливных элементах.
Поэтому водород нельзя сравнивать с ископаемыми источниками энергии и более коректна аналогия с батареями, которые предварительно необходимо зарядить. Правда батареи перестают работать после разряда, а водородные элементы могут производить энергию до тех пор пока будут снабжаться топливом (водородом).
Наиболее распространенным и недорогим методом получения водорода считается паровой риформинг, в котором используются углеводороды (вещества состоящие исключительно из углерода и водорода). Во время реакции воды и метана (CH4) при высоких температурах выделяется большое количество водорода. Недостатком метода является то, что побочным продуктом реакции является углекислый газ, поступающий в атмосферу точно так же как и при сжигании ископаемого топлива, что соответственно не снижает выбросы парниковых газов несмотря на использование альтернативного источника энергии..
Возможно и прямое применение некоторых природных газов непосредственно в водородных топливных элементах в качестве альтернативы. Это позволяет не затрачивать энергию на получение водорода из газа. Стоимость таких топливных элементов будет ниже, однако при работе на природном газе в атмосферу также будут попадать парниковые газы и другие токсические элементы, что не делает такие газы полноценной заменой водороду.
Получить водород можно и в процессе электролиза. При пропускании электрического тока через воду, происходит ее разделение на составляющие химические элементы в результате чего получают водород и кислород.
Помимо привычных способов сейчас тщательно исследуются альтернативные пути получения водорода. Например, при наличии солнечного освещения продуктом жизнедеятельности некоторых водорослей и бактерий также может быть водород. Некоторые из этих бактерий могут производить водород прямо из обычных бытовых отходов. Несмотря на относительно низкую эффективность этого метода, возможность перерабатывать отходы делает его достаточно перспективным, особенно с учетом того что эффективность процесса постоянно повышается в результате создания новых видов бактерий.
Совсем недавно на горизонте появился еще один перспективный способ получения водорода с применением аммиака (NH3). При разделении этого химического вещества на составляющие получается одна часть азота и три части водорода. Наилучшими катализаторами таких реакций являются дорогостоящие редкие металы. Новый способ вместо одного редкого катализатора использует два доступных и недорогих вещества, соду и амиды. При этом эффективность процесса сопоставима с наиболее результативными дорогими катализаторами.
Помимо низкой стоимости данный метод примечателен и тем что аммиак проще хранить и транспортировать по сравнению с водородом. А в необходимый момент водород можно получить из аммиака просто запустив химическую реакцию. По неподтвержденным пока прогнозам использование аммиака позволит создать реактор объемом не более 2-литровой бутылки, достаточный для производства водорода из аммиака в количествах достаточных для использования автомобилем обычных размеров.
Аммиак на данный момент транспортируется в огромных количествах и широко применяется в качестве удобрения. Именно это химическое вещество делает возможным выращивание практически половины еды на Земле, и возможно в будущем станет одним из важнейших источников энергии для человечества.
Сферы применения
Водородные топливные элементы могут применяться практически в любом виде транспорта, в стационарных источниках энергии для домов, а также в небольших портативных, иногда карманных устройствах, для генерирования электричества, используемого другими мобильными устройствами.
Еще в 70-х годах прошлого столетия водород начали применять в NASA для вывода ракет и космических шатлов на орбиту Земли. Водород используется и позже для получения электричества на шатлах, а также воды и тепла в качестве побочных продуктов реакции.
На текущий момент наибольшие усилия направлены на продвижение водорода как топлива в автомобильной индустрии.
Сравнение водородных и электрических автомобилей
Водород на обывательском уровне по-прежнему принято считать опасным химическим элементом. Эта репутация закрепилась за ним после крушения дирижабля Гинденбург в 1937. Тем не менее Администрация по энергетической информации США (EIA) утверждает что в аспектах использования водорода касающихся нежелательных взрывов, этот элемент как минимум так же безопасен как и бензин.
На текущий момент очевидно, что если не произойдет очередной технологической революции, то машины ближайшего будущего будут преимущественно либо электрическими, либо водородными, либо гибридными формами этих двух технологий и бензиновых авто.
У каждого из вариантов развития автоиндустрии есть свои преимущества и недостатки. Заправочные станции под водородное топливо гораздо проще сделать на базе текущих бензиновых заправок, чего не можно сказать об инфраструктуре для электического «заряда» транспортных средств.
В определенном смысле разделение на водородные и электрические автомобили является искусственным, поскольку в обоих случаях машина использует электричество для движения. Только в электрокарах оно запасено в более привычной для нас форме непосредственно в аккумуляторах, а в топливных элементах вещество, которое в результате реакции будет переводить химическую энергию в электрическую, можно добавить в любой момент.
Заправка водородом по времени сравнима с заправкой бензином, и занимает несколько минут, а вот полный заряд электрических аккумуляторов на текущий момент в лучшем случае производится за 20-40 минут. С другой стороны электромобили обладают тем преимуществом что их можно подключать к розетке непосредственно дома, и если делать это ночью то можно экономить на электро-тарифах.
Экологичность
Поскольку ни электричество, ни водород не являются природными источниками энергии, в отличие от ископаемого топлива, то на их получение необходимо затратить энергию. Источник этой энергии и становится решающим фактором в экологичности как водородных, так и электрических автомобилях.
Для получения водорода требуется либо тепло, либо электрический ток, которые в жарких и солнечных регионах планеты могут быть получены сбором солнечной энергии. В холодных странах, например Скандинавии, уже сейчас упор делается на более подходящем для этого климата источнике зеленой энергии, на ветряных станциях, которые с таким же успехом могут принимать участие в производстве водорода с помощью электролиза. Примечательно что водород в таком случае может использоваться и для хранения неиспользуемой энергии, например при выработке ночью.
Учитывая обязательную стадию получения водорода и электричества, нулевой уровень выбросов таких автомобилей зависит от того каким способом была получена первичная энергия. Именно поэтому между обоими типами транспортных средств соблюдается паритет и ни один нельзя причислить к более экологическому средству передвижения.
Ничью можно констатировать и сравнив шумность этих видов транспорта. В отличие от традиционных, новые двигатели работают гораздо тише.
По этому поводу можно вспомнить известный закон красного флага регулирующий появление первых автомобилей в 19 веке. Согласно самым жестким формам этого закона транспортное средство без лошадей не могло перемещаться в черте города со скоростью превышающей 3.2 км/ч. При этом предвосхищяя движение автомобиля за несколько минут до его появления по дороге должен был идти человек с красным флагом, предупреждающий о появлении транспорта.
Закон красного флага был принят в связи с тем что новые транспортные средства перемещались относительно бесшумно по сравнению с каретами и могли стать причиной аварий и травм, по крайней мере по мнению судей того времени. Проблема, хоть и была преувеличена, но все же спустя полтора века мы можем стать свидетелями новых подобных законов в связи с бесшумностью новых типов двигателей. Электрокары и авто на топливных элементах вряд ли работают громче первых транспортных средств, а вот скорость их перемещения в городской черте сейчас явно выше 3 км, что делает их потенциально опасными для пешеходов. В той же Формула 1 сейчас задумываются об усилении звука моторов с помощью искусственной озвучки. Но если в автогонках это делается для повышения зрелищности, то в новых автомобилях появление искусственного источника шума может стать требованием безопасности.
Отрицательные температуры
Автомобили на топливных элементах, как и обычные бензиновые авто, испытывают определенные проблемы на морозе. Внутри самых батарей может содержаться небольшое количество воды, замерзающее при отрицательных температурах и приводящее батареи в неработоспособное состояние. После прогрева батареи будут работать нормально, однако вначале без внешнего обогрева, они либо не заводятся, либо работают некоторое время на пониженной мощности.
Дальность перемещения
Дистанция перемещения современных водородных авто составляет приблизительно 500 км, что заметно больше чем в типичных электрокарах, которые нередко могут перемещаться лишь на 150-200 км. Ситуация изменилась после появления Tesla Model S, однако даже этот электрокар способен перемещаться без дозарядки на расстояние не более 430 км.
Такие цифры достаточно неожиданны если учесть КПД соответствующих типов двигателей. Для обычных бензиновых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет приблизительно 15%. КПД авто на топливных элементах — 50%. КПД электромобилей — 80%. На данный момент концерн General Electrics работает над топливными элементами с 65% эффективностью и утверждает что их КПД может быть повышен до 95%, что позволят запасать до 10 МВт электрической энергии (после преобразования) в одном элементе.
Вес батарей и топлива
Однако слабым местом электрокаров являются сами батареи. Например в Tesla Model S она весит 550 кг, а полный вес авто составляет 2100 кг, что на пару сотен килограм больше веса аналогичного водородного транспортного средства. Вес этой батареи к тому же не уменьшается по мере преодоления дистанции, в то время как выработанное топливо в бензиновых и водородных автомобилях постепенно делает машину легче.
Выигрывают водородные элементы и в плане хранения энергии в пересчете на единицу массы. В плане плотности энергии на единицу объема водород не так хорош. При обычных условиях этот газ содержит лишь треть энергии метана в одинаковом объеме. Естественно водород хранится при транспортировке и внутри топливных батарей в жидком или сжатом виде. Но даже в этом случае количество энергии (Мегаджоулей) в одном литре проигрывает показателям бензина.
Сильные стороны водорода проявляются при пересчете энергии на единицу веса. В этом случае он уже в три раза превосходит бензин (143 МДж/кг против 47 МДж/кг). Выигрывает водород по этому показателю и у электрических батарей. При одинаковом весе водород имеет вдвое больший запас энергии чем электрическая батарея.
Хранение и транспортировка
Определенные сложности возникают и при хранении водорода. Наиболее эффективная форма для транспортировки и хранения этого химического элемента — жидкое состояние. Однако добиться перехода газа в жидкую форму можно лишь при температуре в -253 градуса Цельсия, что требует специальных контейнеров, оборудования и немалых финансовых затрат.
2015 год
Toyota, Hyundai, Honda и другие производители авто в течение многих лет вкладывали большие средства в исследование водородных топливных элементов и в 2015 году собираются представить первые автомобили стоимость и характеристики которых позволят рассматривать их как альтернативу другим видам транспорта. Машина на топливных элементах в 2015 году должна быть среднеразмерным 4-дверным седаном с возможностью преодоления как минимум 500 км без дозаправок, которые будут длиться не более пяти минут. Стоимость такого авто должна находиться в диапазоне от $50 тыс до $100 тыс. Таким образом стоимость водородных авто снизилась на порядок в течение одного десятилетия.
Как должно быть очевидно из списка автопроизводителей, Япония станет одним из центров развития водородных автомобилей. Интересно что одним из главных рынков для этих авто станет территория отделенная от Японии гораздо большими расстояними чем близлежащий азиатский рынок.
Калифорния уже давно имеет репутацию одного из самых прогрессивных мест на планете Земля. Именно здесь законодательство часто дает зеленый свет новейшим технологиям и изобретениям. Не стало исключением и продвижение автомобилей на альтернативном топливе.
Согласно принятому закону о транспортных средствах с нулевым выбросом (ZEV — zero-emission vehicle) к 2025 15% от всех проданных автомобилей не должны производить вредных выбросов в атмосферу. Совместно с десятью другими штатами, принявшими аналогичные законы, к 2025 году на дорогах США должно находиться около 3.3 млн ZEV.
Несмотря на то что подготовка к запуску новых автомобилей идет полным ходом, на первых этапах производителям придется столкнуться с серьезными инфраструктурными проблемами. Toyota выделила $200 млн на постройку водородных заправочных станций на территории Калифорнии, однако этих средств будет достаточно для создания лишь двадцати заправочных точек в следующем году. Даже без учета большой стоимости постройки, количество заправок будет увеличиваться достаточно скромными темпами. В 2016 году их число составит 40 штук, а в 2024 — 100 штук.
Такие размеренные сроки постройки можно легко объяснить тем что провести даже небольшую технологическую революцию за один год практически невозможно. 2015 год обозначен в календаре как год начала развития водородной автоиндустрии, однако настоящую конкуренцию машины на топливных элементах смогут составить своим конкурентам скорее всего лишь с появлением второго поколения более недорогих и надежных моделей, которые ожидаются к 2020 году, и появятся на дорогах с уже более-менее развитой сетью дозаправочных станций.
Несмотря на обилие японских имен среди производителей водородных авто, интересуются этим видом транспорта на других континентах. Среди известных производителей водородные планы есть у: General Electrics, Diamler, General Motors, Mercedes-Benz, Nissan, Volkswagen.
Итоги
Как это часто бывает, мир не делится на белое и черное, и водород не станет единственным источником энергии в будущем. Этот элемент совместно с другими альтеранитвными источниками энергии станет частью решения проблемы загрязнения окружающей среды и исчезновения природных ископаемых ресурсов. Перспектива данного вида топлива и водородных автомобилей начнет проясняться в 2015 году с появлением первых массовых авто на дорогах. Насколько они смогут конкурировать с электромобилями мы скорее всего узнаем в 2020 году по мере дальнейшего развития технологий и появления второго поколения топливных авто.
Где можно взять водород было известно давно, еще пару веков назад. Способ получения водорода был достаточно подробно описан в издании:
О. Д. Хвольсон, Курс физики, Берлин, 1923, тт. 3 и.
Оказывается, не нарушая никаких законов физики можно построить машину, которая будет производить тепло за счет положительной разности энергии сжигания водорода, и энергии затрачиваемой на получение его в процессе электролиза воды.
Конкретно, 2 гр водорода при сгорании выделяют 67.54 больших калорий тепла, а при электролизе раствора серной кислоты, при напряжении 0.1 вольта, на получение такого же количества водорода будет затрачено менее 5 больших калорий тепла. Суть состоит в том, что при электролизе не расходуется энергия разъединения молекулы воды на кислород и водород. Эта работа совершается без нашего участия межмолекулярными силами при диссоциации воды ионами серной кислоты. Мы расходуем энергию только на то, чтобы нейтрализовать заряды уже имеющихся ионов водорода и остатка SO- Количество выделившегося водорода зависит не от энергии, а только от количества электричества, равного произведению силы тока на время его прохождения.
При сжигании водорода выделяется именно та энергия, которую надо было бы совершить для того, чтобы оторвать молекулу водорода от кислорода в воздухе. А это и есть 67.54 больших калорий. Полученный избыток энергии может быть использован по разному.
Можно получать водород прямо на заправочных станциях и заправлять им автомобили.
В условиях дома, взяв из сети один киловатт час энергии, сможем получить 10 квт часов тепловой энергии для бытовых нужд. Это своеобразный усилитель энергии. Отпадет надобность в проводке газовых труб, теплотрассах и котельных. Энергия будет приготовлена прямо в квартире из воды, а отходами будет снова только вода.
В крупных промышленных установках, даже при 33% кпд, как и в атомных станциях сегодня, сжигая водород получим электрической энергии в несколько раз больше, чем было затрачено ее на получение этого водорода.
Привлекательно использование водорода, как топлива для автомобилей, ввиду его нескольких особых преимуществ:
- при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода, что делает двигатель на водородном топливе наиболее экологически чистым;
- высокие энергетические свойства водорода (1 кг водорода эквивалентен почти 4,5 кг бензина);
- неограниченная сырьевая база при получения водорода из воды.
Использовать водород в качестве топлива для автомобилей можно несколькими разными способами:
- можно использовать только сам водород;
- можно использовать водород вместе с традиционными топливами;
- можно применять водород в топливных элементах.
Конечно, возникают определенные технические трудности, которые необходимо решить. Лет 30 назад, академик А. П. Александров, вел семинар по водородной энергетике. На нем обсуждались уже технические проекты. Предполагалось, что атомная энергия будет использоваться для получения водорода, а он уже будет использоваться как топливо. Но очевидно скоро поняли, что атомная энергетика здесь вообще не нужна. Тогда и похерили все водородные проекты, потому что нужно было не водородное топливо, а плутоний.
Писательница Л. Улицкая, генетик по образованию, писала в «Общей газете» 16-22 мая 2002 г. «Романтический период в истории науки закончился. Я совершенно уверена, что дешевые источники электроэнергии давно уже разработаны и разработки эти лежат в сейфах нефтяных королей. Убеждена, сегодня наука так работает, что этого не могут не сделать. Но до тех пор, пока последнюю каплю нефти не сожгут, такие разработки не выпустят из сейфа, им не нужен передел денег, мира, власти, влияния».
До сих пор сторонники развития атомной энергетики ставят коронный вопрос: А где альтернатива атому? Следует ожидать яростного противодействия не только сторонников ядерной энергетики, но всего топливно- энергетического комплекса. Они не пожалеют сил и средств, чтобы закопать проблему водородного топлива вместе с ее энтузиастами.
Более 90% водорода получают в нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах. Также водород вырабатывается при превращении природного газа в синтез-газ. Процесс получение водорода электролизом воды – чрезвычайно дорогой, по затратам энергии он практически равен количеству энергии, получаемой при сгорании водорода в двигателе.
На сегодняшний день, практически весь вырабатываемый водород используется в различных нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах.
С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на всех скоростных режимах.
В отработавших газах практически отсутствуют оксиды углерода (СО и СО2) и несгоревшие углеводороды (СН), но выброс оксидов азота вдвое превышает выброс оксидов азота бензинового двигателя.
Из-за высокой реакционной способности водорода есть возможность проскока пламени во впускной трубопровод и преждевременного воспламенения смеси. Из всех вариантов устранения этого явления самым оптимальным является впрыск водорода непосредственно в камеру сгорания.
Проблемой использования водорода в качестве моторного топлива является его хранение на автомобиле.
Система хранения сжатого водорода позволяет уменьшить объем бака, но не его массу из-за увеличения толщины стенки. Хранение жидкого водорода – сложная задача, учитывая его низкую температуру кипения. Жидкий водород хранят в емкостях с двойными стенками.
При хранении водорода в виде гидридов металлов, водород находится в химически связанном состоянии. Если в качестве гидрида металла использовать гидрид магния, соотношение между водородом и металлом-носителем составляет около 168 кг магния и 13 кг водорода.
Высокая температура самовоспламенения водородо-воздушных смесей затрудняет использование водорода в дизелях. Устойчивое воспламенение может быть обеспечено принудительным поджогом от свечи.
Трудности при использовании водорода и высокая его цена привели к тому, что разрабатывается комбинированное топливо бензин-водород. Использование бензино-водородных смесей позволяет на 50% снизить расход бензина при скорости 90 – 120 км/ч и на 28% при езде в городе.
— сайт —Комментарии:
Я за комбинированное топливо бензин-водород
А я за то, что бы использовать мобильный реактор водорода, как описывается выше. И не надо боков и безопасно. В качестве безопасности как уже извесно, можно использовать гидрозатвор.
Никто и никогда не сможет эапустить водород как топлво пока есть нефть….как можно получить или посмотреть чертежи об устаноке дпя печного отопления……….
В начале статьи говорится о серной кислоте, потом невзначай упоминается вода. Так с какой жидкостью будем иметь дело и соответсвующие экологические неоднозначности?
Я не химик, прошу ногами не пинать, если что-то упустил.
Если использовать серную кислоту некой средней концентрации, то после получения электролизом из нее водорода надо концентрацию кислоты как-то удерживать. Можно просто доливать воды и по ареометру следить, но вода из водопровода далека от дистиллировки и испарение оксида серы-6 в негерметичной системе тоже наверняка будет происходить, все же газ. Сжигать же водород в получаемом параллельно кислороде, чтобы обеспечить герметичность, надо малыми порциями, но и это взрывонебезопасно. Идея хорошая, надо попробовать – электролит аккумуляторный доступен, как и электросеть.
в вов на дерижаблях в лененграде использовали водород а позже из них же питали движки машин с лебёдками
Забудьте, это все теория, на самом деле все правильно, только вот Водород по калорийности в 3 раза меньше скажем природного газа сответствено КПД такого двигетеля ниже в 3 раза чем скажем на природном газе,тоесть он будет гудеть на холостом, но не ехать.Так что о применении самодостаточного водородного топлива забудьте это утопия,а вот молекулярная интенсивикация топлива бензин,газ, солярав двигателях внутренего сгорания и вгазотурбинных установках это перспективно экономически оправдано так как КПД двигателей растет 2-3 разы,при сокращению расхода топлива на 38-50% скажем на 100 км реально.Все эти раскозни про газ Брауна,Майера и других ничто так каз законы физики пока работают тесть получить методом электролиза газ и на нм ездить не реально так как мощность борт сети авто не достаточно генератор типового авто выдает максимум ток в 7.5А, дляустойчивой работы электролизера необходимая сила тока хотябы в 2 разы больше,значить мы посадим акамулятор достаточно быстро и еще и уграем как минимум реле регулятор авто.Все приплыли. Но решение все же есть.Так как октановое число водорода 1000то соответствено его в двигатель подавать надо очень мало, тоесть довести силу тока в электролизере до 3-4 ампер и готовит бензиновую или топливною смесь не посредственно перед впрыском в камеру сгорания обогащая ее полученым гремучим газом.Как показала практика на автомобилях испытуемых Шкода Октавия,БМВ-520.,Опель Аскона и других на протяжении порядка5-7 лет экономия составляла до 50% в зависимости от вида топлива двигателя,Увеличелся моторесурс в 2 разы,мощность двигателя возросла как минимум на 50%,соответствено увеличелся крутящий момент.Интересное явление наблюдается расход по топливу практически одинаков что в городском что в загородном цыкле.Машина становится резвая и очеь шустрая, скорость при базовом двигателе Шкоды Октавия обемом 1.6 литра набирает скорость до ста км за 12 сек, с молекулярным интенсификатором за 7 сек…крейсерская максимальная скорость Октавии составила 195 км в час при заводских настройках лиш 120-130 с горки,на бензиновых двигателях убитых большим пробегом оказалось что свечи зажигания смеси становятся вечними,прошли без замены по 250 тыс пробега…
Н- на ~75% даёт больше дж чем бензин и ~50%больше чем метан(могу ошибаться).
Интересно, какое давления создает в цилиндре Н?
HHO
.prom.ua
Там собирают электр.лизеры на продажу
автомобиль на водородном топливе уже в эксплуатации. в мире более 100 тысяч автомобилей ездит на водороде.
Интересно, кто автор этого шедевра? Сначала он пишет: «В условиях дома, взяв из сети один киловатт час энергии, сможем получить 10 квт часов тепловой энергии для бытовых нужд». Просто и со вкусом автор предлагает обыкновенный вечный двигатель. Немного ниже: «Процесс получение водорода электролизом воды – чрезвычайно дорогой, по затратам энергии он практически равен количеству энергии, получаемой при сгорании водорода в двигателе». По-видимому автор это писал разными руками, а правая рука не ведает, что пишет левая и наоборот….
Юрий.
Автор имел ввиду что для власть и имущество имущих генерация водорода наиболее выгодна при синтезе с другими веществами. Но опять же это целые цепочки технологических мероприятий не говоря уже об дорогих оборудованиях. Способов масса но вот рентабельность нужно считать. Я считаю что наиболее рентабелен именно электролиз ибо ветряная энергия очень дешевая. А все другие способы добычи газ.об-водорода могут быть не рентабельными из за износа оборудований и слож. Технолог. Проццесов..
История водородного двигателя. Если нефть называют топливом сегодняшнего дня (топливом века), то водород можно назвать топливом будущего .
При нормальных условиях водород - это газ без цвета, запаха и вкуса, самое легкое вещество (в 14,4 раза легче воздуха); отличается очень низкими температурами кипения и плавления, соответственно, -252,6 и -259,1 СС.
Жидкий водород - бесцветная жидкость, без запаха, при -253 °С имеет массу 0,0708 г/см 3 .
Своим названием водород обязан французскому ученому Антуану Лорану Лавуазье, который в 1787 г., разлагая и вновь синтезируя воду, предложил назвать второе составляющее (кислород был известен) - гидрофеном, что в переводе означает «рождающий воду», или «водород». До этого выделяющийся при взаимодействии кислот с металлами газ назывался «горючим воздухом».
Первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода с кислородом, появился в 1841 г. в Англии, а спустя 11 лет придворный часовщик Христиан Тейман построил в Мюнхене двигатель, который проработал на смеси водорода с воздухом в течение нескольких лет.
Одной из причин того, что эти двигатели не получили распространения, послужило отсутствие в природе свободного водорода.
Вновь к водородному двигателю обратились уже в нашем веке - в 70-е годы в Англии учеными Рикардо и Брусталлом были проведены серьезные исследования. Экспериментально - путем изменения только подачи водорода - они установили, что двигатель на водороде может работать во всем диапазоне нагрузок, от холостого хода до полной нагрузки. Причем на бедных смесях были получены более высокие значения индикаторного КПД, чем на бензине.
В Германии в 1928 г. дирижаблестроительная фирма «Цеппелин» использовала водород в качестве обогатителя топлива, чтобы осуществить дальний испытательный перелет через Средиземное море.
Перед второй мировой войной в той же Германии применялись автодрезины, работавшие на водороде. Водород для них получали в электролизерах высокого давления, работавших от электросети на заправочных станциях, расположенных близ железной дороги.
Большую роль в совершенствовании водородного двигателя сыграли работы Рудольфа Эррена. Он впервые применил внутреннее смесеобразование, что позволило осуществить конвертирование жидкотопливных двигателей на водород при сохранении основной топливной системы и тем самым обеспечить работу двигателя на углеводородном топливе, водороде и жидком топливе с присадкой водорода. Интересно отметить, что переходить с одного вида топлива на другой можно было без остановки двигателя.
Одним из двигателей, конвертированных Эрреном, является дизель автобуса «Лейланд», опытная эксплуатация которого выявила высокую экономичность при добавке водорода к дизельному топливу.
Эррен разработал также водородокислородный двигатель, продуктом сгорания которого был водяной пар Некоторая часть пара возвращалась в цилиндр вместе с кислородом а ос тальная конденсировалась. Возможность работы такого двигателя без наружного выхлопа была использована на германских подводных лодках довоенной постройки. В надводном положении дизели обеспечивали ход лодки и давали энергию для разложения воды на водород и кислород, в подводном положении - работали на парокислородной смеси и водороде. При этом подводная лодка не нуждалась в воздухе для дизелей и не оставляла на поверхности воды следов в виде пузырьков азота, кислорода и других продуктов сгорания.
В нашей стране исследование возможностей использовать водород в двигателях внутреннего сгорания началось в 30-е годы.
В период блокады Ленинграда для подъема и спуска аэростатов воздушного заграждения использовались автомобили-лебедки с двигателями «ГАЗ-АА», которые были переведены на водородное питание. С 1942 г. водород успешно использовался в московской службе ПВО, им надували аэростаты.
В 50-е годы на речных судах предполагалось использовать водород, получаемый разложением воды током гидроэлектростанций.
Использование водорода в настоящее время
В 70-е годы под руководством академика В. В. Струминского были проведены испытания автомобильного двигателя «ГАЗ-652», работавшего на бензине и водороде, и двигателя «ГАЗ-24», работавшего на жидком водороде. Испытания показали, что при работе на водороде повышается КПД и уменьшается нагрев двигателя.В Харьковском институте проблем машиностроения АН УССР и Харьковском автодорожном институте под руководством профессора И. Л. Варшавского были проведены исследования детонационной стойкости водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, а также выполнены разработки по конвертированию на водород и добавке водорода к бензину двигателей автомобилей «Москвич-412», «ВАЗ-2101», «ГАЗ-24» с использованием для получения и хранения водорода энергоаккумулирующих веществ и гидридов тяжелых металлов. Эти разработки достигли стадии опытной эксплуатации на автобусах и такси.
В космонавтике появился новый класс летательных аппаратов, имеющих в земной атмосфере гиперзвуковые скорости. Для достижения таких скоростей необходимо топливо с высокой теплотворной способностью и низким молекулярным весом продуктов сгорания; кроме того, оно должно обладать большим хладоресурсом.
Этим требованиям как нельзя лучше отвечает водород. Он способен поглощать тепло в 30 раз больше, чем керосин. При нагревании от -253 по +900 °С (температура на входе в двигатель) 1 кг водорода может поглотить более 4000 ккал.
Омывая изнутри обшивку летательного аппарата перед поступлением, в камеру сгорания, жидкий водород поглощает все тепло, выделяющееся при разгоне аппарата до скорости, в 10-12 раз превосходящей скорость звука в воздухе.
Жидкий водород в паре с жидким кислородом был применен в последних ступенях сверхтяжелых американских ракет - носителей «Сатурн-5», что в определенной степени способствовало успеху космических программ «Аполлон» и «Скайлэб».
Моторные свойства топлива
Основные физико-химические и моторные свойства водорода в сравнении с пропаном и бензином приведены в табл. 1.
Водород обладает наиболее высокими энергомассовыми показателями, превосходящими традиционные углеводородные топлива в 2,5-3 раза, а спирты - в 5-6 раз. Однако из-за низкой плотности по объемной тепло-производительности он уступает большинству жидких и газообразных топлив. Теплота сгорания 1 м 3 водородовоздушной смеси на 15% меньше, чем у бензина. Вследствие худшего наполнения цилиндра из-за низкой плотности литровая мощность бензиновых двигателей при переводе на водород снижается на 20-25%.
Температура воспламенения водородных смесей выше, чем углеводородных, но для воспламенения первых требуется меньшее количество энергии. Водородовоздушные смеси отличаются высокой скоростью сгорания в двигателе, причем сгорание протекает практически при постоянном объеме, что ведет к резкому возрастанию давления (в 3 раза выше по сравнению с бензиновым эквивалентом). Однако на бедных и даже очень бедных смесях скорость горения водорода обеспечивает нормальную работу двигателя.
Водородовоздушные смеси обладают исключительно широким диапазоном горючести, что позволяет при любых изменениях нагрузки применять качественное регулирование. Низкий предел воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне состава смеси, вследствие чего его КПД на частичных нагрузках увеличивается на 25-50%.
Для подачи водорода в двигатели внутреннего сгорания известны следующие способы: впрыск во впускной трубопровод; при помощи модификации карбюратора, аналогичной системам питания сжиженным и природным газами; индивидуальное дозирование водорода около впускного клапана; непосредственный впрыск под высоким давлением в камеру сгорания.
Для обеспечения устойчивой работы двигателя первый и второй способы могут применяться только при частичной рециркуляции отработавших газов, при помощи присадки к топливному заряду воды и добавки бензина.
Наилучшие результаты дает непосредственный впрыск водорода в камеру сгорания, при котором полностью исключаются обратные вспышки во впускном тракте, максимальная же мощность не только не уменьшается, но может быть повышена на 10-15%.
Запас топлива
Объемно-массовые характеристики различных систем хранения водорода приведены в табл. 2. Все они по габаритам и массе уступают бензину.
Из-за малого энергозапаса и значительного увеличения размеров и массы топливного бака газообразный водород не применяется. Не применяются на транспортных средствах и тяжелые баллоны высокого давления.
Жидкого водорода в криогенных емкостях, имеющих двойные стенки, пространство между которыми теплоизолировано.
Большой практический интерес представляет аккумулирование водорода при помощи металлогидридов. Некоторые металлы и сплавы, например ванадий, ниобий, железотитановый сплав (FeTi), марганцевоникелевый (Mg + 5% Ni) и другие, при определенных условиях могут соединяться с водородом. При этом образуются гидриды, содержащие большое количество водорода. Если к гидриду подводить тепло, он будет разлагаться, освобождая водорот. Восстановленные металлы и сплавы можно многократно использовать для соединения с водородом.
В гидридных системах для выделения водорода обычно используется тепло отработавших газов двигателя. Зарядка гидридного аккумулятора водородом производится под небольшим давлением с одновременным охлаждением проточной водой из водопровода. По термодинамическим свойствам и низкой стоимости наиболее подходящим компонентом является сплав FeTi.
Гидридный аккумулятор представляет собой пакет трубок (гидридных патронов) из нержавеющей стали, заполненных порошкообразным сплавом FeTi и заключенных в общую оболочку. В пространство между трубками пропускаются отработавшие газы двигателя или вода. Трубки с одной стороны объединены коллектором, который служит для хранения небольшого запаса водорода, необходимого для запуска двигателя и его работы на переходных режимах. По массе и объему гидридные аккумуляторы соизмеримы с системами хранения жидкого водорода. По энергоемкости они уступают бензину, но превосходят свинцовые электроаккумуляторы.
Гидридный способ хранения хорошо согласуется с режимами работы двигателя посредством автоматического регулирования расхода отработавших газов через гидридный аккумулятор. Гидридная система позволяет наиболее полно утилизовать тепловые потери с отработавшими газами и охлаждающей водой. На автомобиле «Шевроле Монте-Карло» применена опытная гидридно-криогенная система. В этой системе запуск двигателя производится на жидком водороде, а гидридный аккумулятор включается после прогрева двигателя, причем для подогрева гидрида используется вода из системы охлаждения.
В довоенной Германии в опытной гидридной системе, разработанной фирмой «Даймлер-Бенц», были применены два гидридных аккумулятора, один из которых - низкотемпературный - поглощает тепло из окружающей среды и работает как кондиционер, другой - нагревается охлаждающей жидкостью из системы охлаждения двигателя. Время, необходимое для зарядки гидридного аккумулятора, зависит от количества времени, необходимого для отвода тепла. При охлаждении водопроводной водой время полной заправки гидридного аккумулятора емкостью 65 л, содержащего 200 кг сплава FeTi и поглощающего 50 м3 водорода, составляет 45 мин, причем за первые 10 мин происходит 75%-ная заправка.
Преимущества водорода
Главными преимуществами водорода как топлива в настоящее время являются неограниченные запасы сырья и отсутствие или малое количество вредных веществ в отработавших газах.Сырьевая база для получения водорода практически неограничена. Достаточно сказать, что во вселенной это самый распространенный элемент. В виде плазмы он составляет почти половину массы Солнца и большинства звезд. Газы межзвездной среды и газовые туманности также в основном состоят из водорода.
В земной коре содержание водорода составляет 1% по массе, а в воде - самом распространенном на Земле веществе - 11,19% по массе. Однако свободный водород встречается крайне редко и в минимальных количествах в вулканических и других природных газах.
Водород является уникальным топливом, которое добывается из воды и после сгорания вновь образует воду. Если в качестве окислителя применять кислород, то единственным продуктом сгорания будет дистиллированная вода. При использовании воздуха к воде добавляются окислы азота содержание которых зависит от коэффициента избытка воздуха.
При использовании водорода не требуются ядовитые свинцовые антидетонаторы.
Несмотря на отсутствие в водородном топливе углерода, в отработавших газах из-за выгорания углеводородных смазок, попадающих в камеру сгорания, может содержаться незначительное количество окиси углерода и углеводородов.
Фирмой «Дженерал Моторс» (США) в 1972 г. были проведены соревнования автомобилей на наиболее чистый выхлоп. В соревнованиях приняли участие аккумуляторные электромобили и 63 автомобиля, работавших на различных топливах, в том числе на газе - аммиаке, пропане. Первое место было присуждено конвертированному на водород автомобилю «Фольксваген », отработавшие газы которого оказались чище окружающего атмосферного воздуха, потребляемого двигателем.
При работе двигателей внутреннего сгорания на водороде вследствие значительно меньшего выделения твердых частиц и отсутствия органических кислот, образующихся при сгорании углеводородных топлив, увеличивается срок службы двигателя и сокращаются ремонтные расходы.
О недостатках
Газообразный водород обладает высокой диффузионной способностью - его коэффициент диффузии в воздухе более чем в 3 раза выше по сравнению с кислородом, двуокисью водорода и метаном.Способность водорода проникать в толщу металлов, получившая название наводораживание, возрастает с повышением давления и температуры. Проникновение водорода в кристаллическую решетку большинства металлов на 4-6 мм при нагартовке снижается на 1,5-2 мм. Наводораживание алюминия, достигающее 15-30 мм, при нагартовке может быть снижено до 4-6 мм. Наводораживание большинства металлов практически полностью устраняется легированием хромом, молибденом, вольфрамом.
Углеродистые стали не пригодны для изготовления деталей, контактирующих с жидким водородом, так как становятся хрупкими при низких температурах, Для этих целей применяются хромоникелевые стали Х18Н10Т, ОХ18Н12Б, Х14Г14НЗТ, латуни Л-62, ЛС 69-1, ЛЖ МЦ 59-1-1, оловянофосфористая БР ОФ10-1, берилиевая БРБ2 и алюминиевые бронзы.
Криогенные (для низкотемпературных веществ) емкости для хранения жидкого водорода изготавливаются обычно из алюминиевых сплавов АМц, АМг, АМг-5В и др.
Смесь газообразного водорода с кислородом в широких пределах отличается склонностью к воспламеняемости и взрываемости. Поэтому закрытые помещения должны быть оборудованы детекторами, контролирующими его концентрацию в воздухе.
Высокая температура воспламенения и способность к быстрому рассеиванию в воздухе делают водород в открытых объемах по безопасности примерно равноценным природному газу.
Для определения взрывобезопасности при дорожно-транспортном происшествии жидкий водород из криогенной емкости проливали на землю, однако он мгновенно испарялся и не воспламенялся при попытках поджечь.
В США автомобиль «Кадиллак Эльдорадо», переоборудованный на водородное топливо, подвергался следующим испытаниям. В полностью заправленную гидридную емкость с водородом стреляли из винтовки бронебойными пулями. При этом взрыва не происходило, а бензобак при аналогичном испытании взрывался.
Таким образом, серьезные недостатки водорода - высокая диффузионная способность и широкая область воспламеняемости и взрываемости водородокислородной газовой смеси уже не являются причинами, препятствующими его применению на транспорте.
Перспективы
Как топливо водород уже применяется в ракетной технике. В настоящее время исследуются возможности его применения в авиации и на автомобильном транспорте. Уже известно, каким должен быть оптимальный водородный двигатель. Он должен иметь: степень сжатия 10-12, частоту вращения коленвала - не менее 3000 об/мин внутреннюю систему смесеобразования и работать при коэффициенте избытка воздуха α≥1,5. Но для реализации. такого двигателя нужно улучшить смесеобразование в цилиндре двигателя и выдать надежные рекомендации по конструированию.Ученые прогнозируют начало широкого применения водородных двигателей на автомобилях не раньше 2000 г. До этого времени возможно применение добавок водорода к бензину; это позволит улучшить экономичность и снизить количество вредных выбросов в окружающую среду.
Представляет интерес перевод на водород роторно-поршневого двигателя, так как он не имеет картера и, следовательно, не взрывоопасен.
В настоящее время водород производят из природного газа. Использовать такой водород в качестве топлива невыгодно, дешевле сжигать в двигателях газ. Получение водорода разложением воды также экономически невыгодно из-за больших затрат энергии на расщепление молекулы воды Однако проводятся исследования и в этом направлении. Уже есть экспериментальные автомобили, снабженные собственной электролизной установкой, которая может подключаться к общей электросети; вырабатываемый водород накапливается в гидридном аккумуляторе.
На сегодняшний день стоимость электролитического водорода в 2,5 раза выше, чем получаемого из природного газа. Ученые объясняют это техническим несовершенством электролизеров и считают, что их КПД может быть увеличен в скором времени до 70-80%, в частности, за счет применения высокотемпературной технологии. По существующей технологии итоговый КПД электролитического производства водорода не превышает 30%.
Для прямого термического разложения воды требуется высокая температура порядка 5000 °С. Поэтому прямое разложение воды пока не осуществимо даже в термоядерном реакторе - трудно найти материалы, способные работать при такой температуре. Японским ученым Т. Накимурой для солнечных печей предложен двухступенчатый цикл разложения воды, не требующий столь высоких температур. Может быть, придет время, когда по двухступенчатому циклу водород будет вырабатываться гелиоводородными станциями, расположенными в океане, и ядерно-водородными станциями, вырабатывающими водорода больше, чем электроэнергии.
Как и природный газ, водород можно транспортировать по трубопроводам. Вследствие меньшей плотности и вязкости по одному и тому же трубопроводу при одинаковом давлении водорода можно перекачать в 2,7 раза больше, чем газа, однако затраты на транспортировку будут выше. Расходы энергии на транспортировку водорода по трубопроводам составят приблизительно 1% на 1000 кгс, что недостижимо для линий электропередач.
Водород можно хранить в газгольдерах с жидким затвором и в резервуарах. Во Франции уже есть опыт хранения под землей газа, содержащего 50% водорода. Жидкий водород можно хранить в криогенных емкостях, в гидридах металлов и в растворах.
Гидриды могут быть нечувствительны к загрязняющим примесям и способны селективно поглощать водород из газовой смеси. Это открывает возможность заправляться в ночное время от бытовой газовой сети, питаемой продуктами газификации угля.
Литература
- 1. Владимиров А. Топливо больших скоростей. - Химия и жизнь. 1974, №12, с. 47-50.
- 2. Воронов Г. Термоядерный реактор - источник водородного топлива. - Химия и жизнь, 1979, № 8, с. 17.
- 3. Использование альтернативных топлив на автомобильном транспорте за рубежом. Обзорная информация. Серия 5. Экономика, управление и организация производства. ЦБНТИ Минавтотранса РСФСР, 1S82, вып. 2.
- 4. Струминский В. В. Водород как топливо. - За рулем, 1980, Ко 8, с. 10-11.
- 5. Xмыров В. И., Лавров Б. Е. Водородный двигатель. Алма-Ата, Наука, 1981.
Примечания
1. Редакция продолжает публикацию серии статей, посвященных перспективным видам топлива и проблемам экономии горючего (см. «КЯ» , ).Современное автомобилестроение развивается с акцентом на производство более экологичных транспортных средств. Это обусловлено развернувшейся во всём мире борьбой за чистоту атмосферного воздуха путём снижения выбросов углекислого газа. Постоянный рост цен на бензин также заставляет производителей искать другие источники энергии. Многие ведущие автостроительные концерны постепенно переходят к серийному производству машин, работающих на альтернативном топливе, что уже в самом ближайшем будущем приведёт к появлению на автодорогах мира достаточного количества не только электрокаров, но также авто с двигателями, работающими от водородного топлива.
Принцип работы водородных автомобилей
Авто, работающее на водороде, призвано снизить атмосферные выбросы углекислого газа, а также других вредных примесей. Использование водорода для приведения в движение колёсного транспортного средства, возможно двумя различными способами:
- применением водородного двигателя внутреннего сгорания (ВДВС);
- установкой силового электрического агрегата, работающего от водородных элементов (ВЭ).
ВДВС представляет собой аналог широко используемых сегодня двигателей, топливом для которых является пропан. Именно эту модель движка проще всего перенастроить для работы от водорода. Принцип его действия тот же, что у бензинового двигателя, только в камеру сгорания вместо бензина поступает сжиженный водород. Авто с ВЭ – это, фактически, электрокар. Водород здесь выступает лишь сырьём для выработки электроэнергии, необходимой, чтобы привести в действие электрический мотор.
Водородный элемент состоит из следующих частей:
- корпуса;
- мембраны, пропускающей только протоны – она делит ёмкость на две части: анодную и катодную;
- анода, покрытого катализатором (палладием или платиной);
- катода с тем же катализатором.
Принцип действия ВЭ построен на физико-химической реакции, состоящей в следующем:
Таким образом, при движении автомобиля не выделяется углекислый газ, а лишь водяной пар, электричество и окись азота.
Основные характеристики водородных автомобилей
Главные игроки автомобилестроительного рынка уже имеют опытные образцы своей продукции, использующие водород в качестве топлива. Можно уже определённо выделить отдельные технические характеристики таких машин:
- максимально развиваемую скорость до 140 км/час;
- средний пробег от одной заправки 300 км (некоторые производители, например, Тойота или Хонда заявляют вдвое большую цифру – 650 или 700 км, соответственно, на одном лишь водороде);
- время разгона до 100 км/час с нуля – 9 секунд;
- мощность силовой установки до 153 лошадиных сил.
Этот автомобиль может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9.6 секунд и, самое главное, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км
Совсем неплохие параметры даже для бензиновых двигателей. Пока ещё не наметился крен в сторону ВДВС, использующего сжиженный Н2 или машин на ВЭ, и непонятно, какой из этих типов двигателей достигнет лучших технических характеристик и экономических показателей. Но сегодня больше выпущено моделей машин с электроприводом, работающих от ВЭ, которые дают больший КПД. Хотя расход водорода для получения 1 кВт энергии меньше в ВДВС.
К тому же переоснащение ДВС под водород для увеличения КПД требует изменения системы зажигания установки. Не решена пока проблема быстрого прогорания поршней и клапанов из-за более высокой температуры горения водорода. Здесь всё решит дальнейшее развитие обеих технологий, а также динамика цен при переходе к серийному производству.
Плюсы и минусы авто, работающих на водороде
Среди основных преимуществ водородомобилей можно отметить:
- высокую экологичность, заключающуюся в отсутствии большинства вредных веществ в выхлопах, характерных для работы бензинового двигателя, – углекислого и угарного газа, окиси и диоксидов серы, альдегидов, ароматических углеводородов;
- более высокий КПД, по сравнению с бензиновыми авто;
В целом авто имеет амбиции покорить весь мир
- меньший уровень шума от работы двигателя;
- отсутствие сложных, ненадёжных систем топливоподачи и охлаждения;
- возможность использования двух видов топлива.
Кроме того, машины, работающие на ВДВС, имеют меньший вес и больше полезного объёма, несмотря на необходимость установки баллонов для топлива.
К недостаткам водородомобилей можно отнести:
- громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
- высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
- несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для водородного топлива;
- отсутствие технологии хранения водорода;
- отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.
Однако, с переходом к массовому выпуску авто, оснащённых водородными силовыми установками, большая часть этих недостатков наверняка будет устранена.
Какие автомобили, использующие водород, уже выпускаются
Производством машин на водородном топливе занимаются такие ведущие мировые автомобилестроительные компании, как BMW, Mazda, Mercedes, Honda, MAN и Toyota, Daimler AG и General Motors. Среди опытных моделей, а у некоторых производителей уже и мелкосерийных, имеются автомобили, функционирующие только на водороде, или с возможностью использования двух видов топлива, так называемые гибриды.
Уже выпускаются такие модели водородомобилей, как:
- Ford Focus FCV;
- Mazda RX-8 hydrogen;
- Mercedes-Benz A-Class;
- Honda FCX;
- Toyota Mirai;
- Автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450;
- гибридный автомобиль на два вида топлива BMW Hydrogen 7.
Сегодня можно сказать определённо, что, несмотря на имеющиеся трудности (новое всегда с трудом пробивает себе дорогу), будущее принадлежит более экологичным автомобилям. Автокары, работающие на водородном топливе, составят достойную конкуренцию электромобилям.
Водород – это абсолютно чистое топливо , что дает при сгорании только Н 2 О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью – 143 кДж / г. Химический и электрохимический способы получения Н 2 неэкономические, так приятно использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие. Процесс протекает при участии гидрогеназы или нитрогеназы.
Гидрогеназа – фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию 2Н + + 2е = Н 2
Одна из технологических возможностей основана на включении изолированной гидрогеназы в состав искусственных систем Н 2 -генерирующих. Сложной проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией. Иммобилизация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.
В зависимости от использования микроорганизмами источников энергии и доноров электронов, микробиологические процессы выделения водорода можно разделить на анаэробные в темноте, светозависимые без выделения кислорода и светозависимые с выделением кислорода (биофотолиз).
Анаэробный процесс выделения водорода в темноте
Микроорганизмы различных таксономических групп при брожении за недостающие в среде таких конечных акцепторов электронов как кислород, нитрат, нитрит, сульфат, восстанавливают протоны, избавляясь таким образом от избытка восстановителя. Скорость образования водорода бактериями при брожении достигает 400 мл / ч на грамм сухой биомассы. При всем разнообразии метаболических путей, в результате которых происходит выделение водорода в темновой фазе микроорганизмами, которые осуществляют различные типы брожения, конечные реакции связаны с разложением пирувата (1), формиата (2), ацетальдегида (3), пиридиннуклеотидов (НАД (Ф) Н) (4) и конверсией оксида углерода (II) (5):
СН 3 СОСООН + HS-КоА → СН 3 СО-SКоА + СО 2 + Н 2 (1)
НСООН → СО 2 + Н 2 (2)
СН 3 -СНО + Н 2 О → СН 3 СООН + Н 2 (3)
НАД (Ф) Н + Н + → НАД (Ф) + Н 2 (4)
СО + Н 2 О → Н 2 + СО 2 (5)
Эффективность образования водорода при брожении - 30%, потому что рядом с Н 2 образуются и другие вещества (этанол, ацетат, пропионат, бутанол и др.), которые обеспечивают бактериям энергию, которая необходима для их роста. Теоретические расчеты разложения глюкозы для оптимального выхода водорода дают следующую реакцию:
С 6 Н 12 О 6 + 4 Н 2 О → 2 СН 3 СООН + Н 2 СО 3 + 4 Н 2 , ΔН 0 = – 206 кДж / моль
В экспериментах с различными бактериями и их консорциумами обычно получают значения 0,5-4,0 моля Н 2 /моль глюкозы, при этом максимальные значения выхода получены при использовании термофильных анаэробных бактерий.
В реальных условиях происходит трансформация процесса получения водорода в метаногенезе или других типах брожения. Применяют различные способы селективного подавления роста метаногенных бактерий, основанные на их физиологических особенностях: неспособность к образованию спор, токсическое действие кислорода, более узкий диапазон рН, доступный для роста, наличие специфических ингибиторов (2-брометансульфоновая кислота, йодопропан и ацетилен). Наиболее перспективным в реальных условиях является выбор рН среды биореактора.
Скорость выделения водорода зависит от концентрации активной биомассы и характеристик массообмена самого ферментера. Выделение водорода происходит с большей скоростью за счет применения иммобилизованных или гранулированных микроорганизмов, чем в случае суспензии. При оптимальных условиях при концентрации биомассы 35г / л скорость выделения водорода достигает 15 л Н 2 /л час., а эффективность составляет 3,5 моль Н 2 /моль сахарозы. При использовании искусственных волокон при очистке бытовых стоков нами получена скорость выделения водорода 0,6 л / час. л раствора.
Выделение водорода в темновой стадии является перспективным для реализации на практике при переработке органических отходов производства (остатки древесины, пищевые отходы и т.д.). Для внедрения технологии получения водорода необходимо не только оптимизировать отдельные стадии процесса, но и интегрировать в единый технологический цепь процессы подготовки сырья, выделения водорода и удаления нежелательных побочных продуктов, прежде всего органических кислот.