Наукова робота. Проблеми і перспективи створення водяного двигуна

Роботу виконав:
Рижих Микола Юрійович,
учень 9 класу
Малобудищанської загальноосвітньої
школи І-ІІІ ступенів
Зіньківської районної ради
Полтавської області

Науковий керівник:
Кльокта Михайло Олексійович,
учитель біології та хімії
Малобудищанської загальноосвітньої
школи І-ІІІ ступенів
Зіньківської районної ради
Полтавської області,
лауреат IV Всеукраїнського Інтернет-конкурсу
„УЧИТЕЛЬ РОКУ–2019” за версією
науково-популярного природничого журналу
„КОЛОСОК” у номінації „Хімія”

ВСТУП

Постійний вміст газів у атмосфері забезпечує існування стабільних природних умов на Землі. Але через негативний вплив господарської діяльності людини на навколишнє середовище газовий склад повітря почав змінюватися, що призводить до поступового наростання негативних явищ. Частка вуглекислого газу у повітрі збільшується, а кисню стає менше через те, що нині людина спалює багато нафтопродуктів, природного газу, вугілля. Все це необхідно для роботи транспорту та виробництва. Питома вага різних галузей промисловості й транспорту в загальному обсязі забруднення атмосфери становить (у відсотках): теплова енергетика – 25,7; чорна металургія – 23,4; нафтовидобувна і нафтохімічна – 13,7; транспорт – 11,6.

Загострення проблеми охорони довкілля на фоні зростаючого попиту на паливо та енергію спонукає світову спільноту до ефективного пошуку нових енергетичних технологій, які б забезпечували прийнятний рівень забруднення і одночасно не уповільнювали економічного зростання. Ключове місце в розв’язанні цієї проблеми, на думку багатьох фахівців, займе воднева енергетика – виробництво та використання водню на основі паливних елементів (ПЕ) в промисловості, будівництві, енергетиці, на транспорті, в житлово-комунальному господарстві й інших сферах економіки [1, 2, 3].

В Україні поки що дослідження в області водневих технологій знаходяться у початковому стані, не зважаючи на те, що вони проводяться впродовж тривалого часу. Немає державної програми та законодавчої бази в цьому напрямку, окремі дослідження вчених-ентузіастів часто не користуються підтримкою держави і бізнесових кіл.

Отже, актуальність і доцільність цього дослідження полягає в тому вуглеводнева сировина якою зараз користується людство для виробництва енергії має вичерпні запаси і є основним забруднювачем довкілля. Використання водню замість вуглеводнів зможе вирішити обидві ці проблеми.

Довести доцільність використання води для двигунів автомобілів як джерела водню мета цієї роботи. Головне завдання для досягнення мети – вивчення напрацювань в галузі водневої енергетики, аналіз проблем при використанні води як джерела водню та формулювання основних напрямків втілення цієї ідеї в життя.

Стан вивченості проблеми у науці. Сучасна воднева енергетика розвивається на основі паливних елементів, які перетворюють енергію молекул водню в електричну (потік електронів). Ведуться пошуки дешевих каталізаторів, та менш агресивних електролітів. Використання ж води як джерела водню наштовхується на безліч проблем.

Об’єкт дослідження: воднева енергетика. Предметом дослідження є оцінка перспектив використання води як джерела водню у двигунах автомобілів.

Методи дослідження. Опрацювання матеріалів по впровадженню водневої енергетики та їх аналіз. Теоретичні обґрунтування проблем та перспектив використання води для добування водню.

Наукова новизна проекту полягає в тому, обґрунтовано перспективи створення водяного двигуна для автомобілів. Діючою речовиною тут буде водень, але добутий він буде з води. Цей напрямок водневої енергетики може стати найбільш дешевим і екологічно чистим.

Практичне значення роботи полягає у аналізі напрацювань у галузі водневої енергетики та оцінці можливості створення водяного двигуна. Концентрація зусиль науковців на переведенні транспорту на водень, для України, яка потерпає від нестачі вуглеводнів власного видобутку, може стати дешевим вирішенням сировинно-енергетичної проблеми та істотно поліпшити екологічну ситуацію в містах. Об’єднавши зусилля науковців і державних інституцій цей проект можна реалізувати. Нами створено авторський сайт «Паливо майбутнього» для популяризації водневої енергетики в Україні.

Особистий внесок автора. Протягом двох років дослідник вивчав напрацювання та реалізовані проекти в галузі водневої енергетики. Особливу увагу звернуто на проблеми та перспективи використання води в двигунах автомобілів. Проведено авторський дослід електролізу води, який доводить що великої різниці потенціалів, для цього процесу непотрібно. Намічено шляхи реалізації проекту.

РОЗДІЛ 1. СТАНОВЛЕНННЯ ВОДНЕВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

1.1. Історія виникнення водневої енергетики

«Водень — паливо майбутнього», — так стверджують науковці. У багатьох країнах світу дослідження з водневої енергетики є пріоритетними напрямами розвитку науки. Вони забезпечуються фінансовою підтримкою і держави, і бізнесу. Основна мета розвитку водневих технологій — зниження залежності від традиційних енергоносіїв — нафти, газу та вугілля. Світовий бум у сфері водневої енергетики привернув увагу і фахівців НАН України. Адже чимало академічних інститутів у 60–80х роках минулого століття успішно працювали в цій галузі науки і техніки. Ключова умова переходу до водневої енергетики — пошук та створення надійних й економічно доцільних паливних елементів на основі водню. Паливний елемент (ПЕ) — електрохімічний генератор, який забезпечує пряме перетворення хімічної енергії на електричну. Відзначимо, що такі перетворення відбуваються і в звичних нам електричних акумуляторах.

Однак паливні елементи мають дві важливі відмінності: по-перше, вони функціонують доти, доки паливо (відновник) та окиснювач надходять із зовнішнього джерела; по-друге, хімічний склад електроліту в процесі роботи не змінюється, тобто паливний елемент не треба перезаряджати. Уперше про можливість створення ПЕ повідомив у 1839 р. англійський аматор у галузі фізикохімії, товариш знаменитого Майкла Фарадея Вільям Гроув (до речі, суддя за фахом) (W.R. Grove. Philos. Mag.— 1839. – 14. – Р. 127—129). Спостерігаючи процес електролізу води в розчинах сірчаної кислоти, він виявив, що після відключення зовнішнього струму в електролітичній комірці генерується постійний струм. Однак ці висновки В. Гроува тоді не знайшли обґрунтування у подальших дослідженнях. Свій електрохімічний пристрій він, за пропозицією М. Фарадея, назвав «газовою батареєю». Назву «паливний елемент» цей пристрій одержав лише через 50 років, з легкої руки Людвіга Монде (також хіміка-аматора, бізнесмена, співзасновника відомої фірми «Imperial Chem. Industries»). Не вдалося реалізувати ідею знаного фізико-хіміка Вільгельма Оствальда (1894 р.) щодо генерації електричної енергії у ПЕ з вугілля, а також винайдений російським ученим Павлом Яблочковим (1887 р.) воднево-кисневий ПЕ, результати інших досліджень і численних винаходів. Інтерес до ПЕ знову відродився на початку 50х років ХХ століття після публікації 1947 р. монографії російського вченого, співробітника Московського нафтового інституту ім. І.М. Губкіна О.К. Давтяна (Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в энергетическую. — М.: Издво АН СССР, 1947. — 237 с.). Тож

У 60-ті роки минулого століття були створені паливні елементи потужністю до 1 кВт для американських програм «Джеміні» та «Аполлон», у

80-ті — 10 кіловатні для «Шаттла» та радянського «Бурану», та побудовано електростанції потужністю 100 кВт на фосфорнокислотних ПЕ. В Японії та США є дослідні 10-мегаватні електростанції. Від 90х років і донині триває розробка паливних елементів потужністю від 1 кВт до 10 МВт для стаціонарної автономної енергетики. Крім того, тепер розробляються портативні джерела електроенергії (потужність менше 100 Вт) для комп’ютерів, стільникових телефонів, фотоапаратів тощо. Як паливо у них використовується спирт — метанол, з якого одержують водень.

1.2. Паливні елементи – основа водневої енергетики

Паливний елемент складається з двох електродів, розділених електролітом, і систем підведення палива на один електрод та окиснювача — на другий, а також системи для видалення продуктів реакції. У переважній більшості випадків з метою її прискорення використовують каталізатори. Зовнішнім електричним колом паливний елемент з’єднаний із навантаженням, що й споживає електроенергію. У паливному елементі з кислим електролітом водень подається високопористим анодом і надходить в електроліт через мікропори у матеріалі електрода. При цьому відбувається розкладання молекул водню на атоми, які в результаті хемосорбції, віддаючи кожен по одному електрону, перетворюються на позитивно заряджені іони. Іони водню Н⁺ дифундують через електроліт до позитивного боку елементу. Кисень, що надходить на катод, переходить в електроліт і також реагує на поверхні електрода за участю каталізатора. При взаємодії його з іонами водню та електронами, які надходять із зовнішнього ланцюга, утворюється вода. Подібні хімічні реакції відбуваються у паливних елементах із лужним електролітом (як правило, це концентровані гідроксиди натрію або калію). Водень проходить через пористий анод і реагує за наявності каталізатора з існуючими в електроліті іонами гідроксилу з утворенням води та електрона. На катоді кисень вступає в реакцію з водою, що містить електроліт, й електронами із зовнішнього ланцюга. У паливних елементах хімічна енергія палива й окиснювача безпосередньо перетворюється на електричну, тоді як у теплових машинах процес перетворення хімічної енергії охоплює кілька проміжних стадій, зокрема стадію утворення теплоти. Вибір палива відновника та окиснювача, що подаються до ПЕ, визначається передусім їхньою електрохімічною активністю (тобто швидкістю реакцій на електродах), вартістю, можливістю легкого підведення реагенту до ПЕ і відведення продуктів реакції. Як паливо у ПЕ використовуються водень, рідше – CH₃OH, СН₄. Окиснювачем зазвичай є кисень повітря. Принцип дії двигуна з паливним елементом показано в додатку А.

Основні проблеми ПЕ. Як і будь-яке хімічне джерело струму, ПЕ характеризується напругою, потужністю і терміном служби. Для прискорення реакцій до пористих електродів додають дорогі каталізатори. Найширше використовуються каталізатори на основі платини, паладію, нікелю, золота та деяких металовмісних напівпровідникових матеріалів. Відповідно до рівняння напруга ПЕ знижується зі збільшенням струму. Від напруги залежить і потужність паливного елементу (Р = IU). У процесі роботи характеристики паливного елементу поступово погіршуються, що зумовлено дезактивацією та зношуванням каталізаторів, корозією основ електродів, зміною їхньої структури тощо. У відділі гомогенного каталізу та присадок до нафтопродуктів Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України розроблено стабільно діючий лабораторний зразок ПЕ (Вісн. НАН України, 2006, № 3, ст. 81) з використанням як: палива — сірководню, окисника — кисню повітря, електроліту — морської води та каталізатора — кластерів металів (патент України № 67065, міжнародний патент WO 2004/144430 A2). У паливних елементах цього типу можна буде використовувати сірководень, який міститься у відходах хімічної та нафтохімічної промисловості. Також є величезні його запаси в Чорному морі.

Для збільшення струму та напруги ПЕ з’єднують у батареї. Останні можуть працювати, якщо до них безупинно подаються реагенти, виділяються продукти реакції і тепло. Пристрій, що складається з батарей ПЕ, систем підведення реагентів, автоматики, відведення продуктів реакції і тепла, одержав назву електрохімічного генератора (ЕХГ). ЕХГ входить до електрохімічної енергоустановки (ЕЕУ), що, крім ЕХГ, містить блок підготовки палива, перетворювач постійного струму на змінний (інвертор) і блок використання тепла. Оскільки ККД для ПЕ становить 50– 70%, то коли паливні елементи працюють, виділяється тепло, що може використовувати ся або для теплофікації, або ж для генерації додаткової електричної енергії за допомогою парових чи газових турбін. Основні типи ПЕ та енергоустановок. Сьогодні розроблено п’ять головних типів ПЕ і велику кількість ЕЕУ на їхній базі. За типом електроліту ПЕ класифікують на лужні, твердополімерні, фосфорнокислі, розплавнокарбонатні та твердооксидні. За робочою температурою — на низько, середньо і високотемпературні. До найбільш розроблених належать ПЕ з лужним електролітом (розчин їдкого калію). Як матеріал електродів найчастіше застосовують нікель, стійкий у лужних розчинах. Однак для ПЕ з лужним електролітом слід брати лише чисті водень та кисень, оскільки через наявність CО₂ у повітрі і технічному водні відбувається карбонізація лугу. Крім того, ці установки досить дорогі. Для цивільного застосування розроблено ПЕ з фосфорнокислим електролітом (98% розчину Н₃ РО4 ). Паливні елементи такого типу працюють за температури близько 200 °С. Матеріалом електродів, стійким за цієї температури в агресивному середовищі, слугує графіт, а каталізаторами — платина та її сплави. Основне призначення таких ПЕ — електромобілі. Вартість паливних елементів досить висока: 1 кВт встановленої потужності в кращих зразках — це 1–3 тис. дол. США. Потрібно знизити вартість 1 кВт до 100 дол., щоб зробити їх конкурентоспроможними на транспорті. Розробки ЕЕУ на основі ПЕ із твердополімерним електролітом активно здійснюють у США, Німеччині, Росії, Японії, Канаді та багатьох інших країнах.

РОЗДІЛ 2. РОЗВИТОК ВОДНЕВОЇ ЕНЕРГЕТИКИ В ХХІ СТОЛІТТІ

Воднева енергетика має значні труднощі із добуванням і зберіганням великих об’ємів водню. Тому нові розробки в цій галузі спочатку застосовуються у водневих енергетичних установках для транспорту.

Під час Вашингтонської зустрічі в грудні 2003 року, на якій після дев’яти місяців переговорів найвищого рівня представники 15 країн світу та Європейського Союзу підписали історичну угоду про кооперацію. Шість основних автомобільних компаній світу — Форд, Дженерал Моторс, Хундаї, Хонда та Ніссан продемонстрували свої автомобілі на паливних комірках. В дії водневі автомобілі були показані на паркувальному майданчику Вашингтонського аеропорту ім. Дж. Кеннеді для того, щоб довести учасникам зустрічі реальність ідеї водневої енергетики. Найцікавішим був автомобіль Тойота Пріус 2002 року, в якому звичайний двигун був замінений на водневий. Цей автомобіль з металевим накопичувачем водню, може рухатися без дозаправляння 150 км й витрачає 1 кг водню на 44 км. Він також повністю відповідає вимогам адміністрації з контролю за шкідливими викидами штату Каліфорнія, де стандарти єнайсуворішими із усіх штатів США[18].

Слід зазначити, що згідно з вищезгаданою угодою, на першому етапі розглядається 10-річний період, тоді як розробку подальших угод і координацію дій після закінчення першого етапу покладено на постійно діючий Організаційний Комітет. Розробки вимагатимуть колосальних інвестицій, тому необхідним є створення відповідної регуляторної бази і податкового клімату.

На Різдво 2003 року Лондон отримав подарунок від мерії — пасажирський автобус на водневому двигуні. В січні 2004 року цей автобус розпочав виконувати регулярні рейси. Уряд Китаю у той же час виголосив намір купити за кордоном 12 автобусів на паливних комірках і провести демонстраційні проекти в Шанхаї і Пекіні.

10 листопада 2004 року було відкрито першу заправну водневу станцію в столиці США, Вашингтоні. Проект був фінансований спільно компаніями Shell та General Motors. Ця заправна станція компанії Shell є центральною частиною спільного з General Motors і Міністерством енергетики США демонстраційного проекту. Буде використовуватися для заправки автомобілів General Motors, і увійде у «Водневий коридор» від Вашингтону до Нью-Йорку.

Європейський демонстраційний проект було успішно виконано влітку 2004 року, коли автомобіль на водневому двигуні подолав відстань в 10 000 км від

Хаммерфеста, Норвегія до Лісабона, найзахіднішого міста континенту. Цей символічний марафон через весь континент мав дві основні цілі: показати надійність і ресурс працездатності двигуна на паливній комірці а також продемонструвати глядачам, яких було багато під час зупинок у великих містах, і представникамдержавних установ, потенціал водневої економіки.[18].

У травні 2005 року компанії Ford Motor Company і BP America провели демонстрацію своїх водневих автомобілів і водневої заправної станції в Орландо, штат Флорида. В межах спеціалізованого урядового проекту Форд передав адміністрації штату Флорида п’ять автомобілів Ford Focus Fuel Cell Vehicles. Ці водневі автомобілі будуть слугувати парковим охоронцям в їх щоденних рейдах по парку Wekiwa Springs State Park, який відвідують близько 185,000 людей щорічно. Один з цих автомобілів буде використовуватись також радником адміністрації з питань енергозбереження в службових подорожах.

Фірма «Даймлер Крайслер» провела успішні дорожні випробовування автомобіля NECAR–5 (www.daimlerchrysler.com), що має такі якості, як тривалість дії двигуна внутрішнього згоряння з низькою витратою палива, низький рівень шуму та безпечний для навколишнього середовища вихлоп. У цій моделі використано ПЕ, принцип дії якого ґрунтується на реакції окиснення водню на мембранному каталізаторі з утворенням води і генеруванням електричного струму. До анода паливного елементу підводиться водень, а до катода — кисень із повітря. Роль електроліту між ними виконує мембрана, виготовлена з протонопровідного полімеру, покритого тонким шаром благородного металу. Подача газів здійснюється під тиском 0,15–0,27 МПа. Міжнародна виставка «Водень-2005». Більше, ніж 50 міжнародних учасників взяли участь у цій виставці, де було продемонстровано готові до комерціалізації водневі і паливо-комірчані технології.

Найбільш цікавим і видовищним була демонстрація автомобілів на водневих двигунах — «vehicle ride & drive» — у реальних умовах експлуатації.

Honda FCX є першим автомобілем на паливних комірках, що був офіційно сертифікований як придатний для щоденного використання. Максимальна потужність двигуна — 80 кінських сил (hp), швидкість — 260 км/год. Компанія Honda надала у лізинг два своїх автомобіля на водневих паливних комірках місту Лас-Вегас, а також виконала тестовий автопробіг на дорогахштату Каліфорнія.

Інший учасник виставки — баварська компанія BMW продемонструвала

автомобіль BMW 745h, який має водневий двигун внутрішнього згоряння. Цей

двигун працює як на водні, так і бензині. Таким чином може бути подолано

незручності завдяки відсутності водневих заправок. Цей автомобіль має власний

запас водню на 240 км, а бензиновий бак забезпечує рух ще на 480 км. Крім цього, готового до широкого використання автомобіля, компанія BMW

продемонструвала унікальний H2R — гоночне авто, що долає всі рекорди швидкості. Автомобіль має 12-циліндровий, 6-літровий двигун потужністю 232 к.с. на рідкому водневому паливі. H2R досягає швидкості 60 миль/год за 6 секунд й максимальну швидкість 174 миль/год [18].

Перший пасажирський потяг «Coradia iLint» на водні запрацював у Німеччині . У найближчому майбутньому між містами федеральної землі Нижня Саксонія почнуть курсувати потяги на водневих паливних елементах. Очікується, що з часом вони повністю замінять дизельні регіональні потяги. 9 листопада 2017 року на залізничному вокзалі міста Вольфсбурга відбулася презентація першого потяга на водневих паливних елементах «Coradia iLint». Він розроблений і виготовлений в німецькому місті Зальцгіттер французькою компанією «Alstom». Вже навесні 2018 року заплановано, що перші два потяги-прототипу «Coradia iLint» розпочнуть рух за маршрутом Букстехуде — Куксгафен. Нижньосаксонське транспортне міністерство планує в найближчому майбутньому повністю замінити водневими потягами дизельні регіональні потяги. На ці цілі виділено 81,3 млн євро.

Отже, початок ХХІ століття відзначається бурхливим розвитком водневих технологій для всіх видів транспорту.

РОЗДІЛ 3. ПЕРСЕКТИВИ СТВОРЕННЯ ВОДЯНОГО ДВИГУНА

3.1. Проблеми та перспективи використання води як джерела водню

Зі шкільного курсу хімії відома реакція розкладу води за допомогою електричного струму. Маючи джерело постійного струму навіть в лабораторних умовах можна з води отримати горючий газ водень та кисень, який підтримує горіння. Електроліз води — окисно-відновний процес розкладу води з утворенням водню і кисню.

На катоді відбувається відновлення води з утворенням іонів ОН^– і молекул Н₂:

На аноді здійснюється окиснення води з утворенням молекул О₂ і іонів Н⁺:

Дія електричного струму призводить до окисно-відновної реакції

Електроліз води — один із промислових способів добування водню і кисню.

Однак такий процес має низький коефіцієнт корисної дії. У виробничих витратах на отримання водню вартість електричної енергії становить приблизно 85%. Це істотний недолік, що перешкоджає масовому виробництву водню з води. В промислових масштабах з води водень добувають в тих регіонах де дешева електроенергія, наприклад там де є потужна гідроелектростанція, існують проекти застосування для цих цілей електроенергії атомних електростанцій.

Вважається, що доцільніше використати електричний струм безпосередньо для руху ходової частини автомобіля (реалізовано в електромобілях). Однак збільшення виробництва електромобілів призведе до збільшення шкідливих викидів у атмосферу. Зокрема тепловими електростанціями. Транспорт хоч і займає серед забруднювачів 4 місце однак може зробити неможливим проживання людей у великих мегалополісах. Впровадження електромобілів зробить повітря в містах чистішим, однак не вирішить екологічних проблем планети в цілому, адже кожен використаний кіловат електроенергії має частку умовного палива що використалось на теплових електростанціях для його утворення. Отже, все більшу екологічну перспективу до використання мають водневі двигуни. Якщо знайти ефективні і дешеві способи розкладу води хоча б в локальних масштабах (наприклад, двигунах внутрішнього згоряння) то це призвело до енергетичної та екологічної революції на планеті.

Електрохімічний метод отримання водню з води володіє такими позитивними якостями:

1) висока чистота одержуваного водню – до 99.9%;

2) простота технологічного процесу, його безперервність, можливість найбільш повної автоматизації, відсутність рухомих частин в електроліті;

3) отримання цінних побічних продуктів – важкої води та кисню;

4) загальнодоступна сировина – вода;

5) гнучкість процесу і можливість отримання водню під тиском;

6) фізичний поділ водню і кисню в самому процесі електролізу.

Крім відкриття дешевого способу розкладу води, вдосконалення потребує і сам водневий двигун незалежно від того яким способом добуто водень, адже експлуатація водневого двигуна має безліч проблем.

Головний недолік водневого автомобіля – висока собівартість. Крім електрохімічного генератора, який при масовому виробництві може коштувати дешевше батарей для електромобілів (хоча до цього часу у паливних елементах використовують дорогі каталізатори), потрібні ще міцні і легкі баки. Для цього використовують дорогий вуглепластик.

Серйозним недоліком є і летючість водню та його. Заправити автомобіль з ДВЗ на водні можливо тільки на заправці. Дозаправитися від іншого автомобіля або з каністри по дорозі не вийде. Крім того водневий двигун займає великий обсяг. У вантажівках і автобусах це не створює ніяких незручностей, але в легкових автомобілях зменшується об’єм багажного відділення.

Вибухонебезпечність і пожежонебезпеку водню можна усунути якщо добувати водень безпосередньо в автомобілі з води, наприклад, за допомогою сонячної енергії.

Незважаючи на всі недоліки, водень – це єдиний поновлюваний і необмежений ресурс на планеті.

3.2. Дослід по отриманню водню з води в лабораторних умовах

У кислому чи лужному середовищі електроліз води проходить швидше і із значно меншими енергозатратами. Отже, якщо замість води використовувати розчин електроліту, то виділення водню з води шляхом електролізу стає рентабельним. Перші дослідження проводили в розчинах кислот. В наш час застосовують розчини лугів. Однак такі середовища агресивні, сприяють корозії деталей. На нашу думку використання менш агресивних і водночас достатньо ефективних електролітів як середовища для електролізу води могли б значно здешевити цей процес. До менш агресивних електролітів порівняно з лугами і кислотами можна віднести кислі і середні солі. Так нами проведено електроліз води в лабораторних умовах з використанням як електроліту натрію гідроген карбонату або соди харчової – NaHCO₃. Ця кисла сіль є амфотерною сполукою (реагує як з кислотами так і з основами). Водні розчини цієї речовини мають слабколужні властивості у зв’язку з утворенням вуглекислоти та гідроксид-іона. Як джерело струму було використано батарейку напругою 9 вольт. В якості електродів використано дві тонкі пластини з нержавіючої сталі (леза для гоління). Ємністю для процесу електролізу слугувала скляна банка з металевою кришкою. У кришці було зроблено отвори для газовідвідної трубки та для двох ізольованих проводів під’єднаних до полюсів батарейки. Отвори було загерметизовано м’яким пластиліном. Як ізолятор між двома електродами (лезами) було використано зріз корка товщиною 5 мм. Як тільки електроди було опущено у насичений розчин натрію гідроген карбонату – на них стали помітні дрібні бульбашки газу діаметром близько 1 мм. Газовідвідна трубка була опущена у спінений розчин рідкого мила. Як тільки водню накопичилось достатньо – від розчину рідкого мила почали відриватися бульбашки наповнені воднем. При піднесенні до бульбашок вогню із запальнички – бульбашки вибухали. Фотозвіт про цей дослід можна побачити в додатку Б.

Отже, добування водню шляхом електролізу води може виявитися не настільки енергозатратним як видавалося спочатку. Подальші дослідження можна проводити у пошуку ефективних електролітів (наприклад серед кислих і основних солей). Одним із напрямків пошуку може стати відкриття дешевих каталізаторів електролізу. Якщо водень, чи то для двигуна внутрішнього згорання, чи то для автомобіля з паливним елементом видобувати безпосередньо в автомобілях з води то можна обійти багато проблем водневої енергетики. Наприклад, не потрібні будуть заправні станції для збереження леткого і пожежонебезпечного газу. Для електролізу води на поверхнях автомобілів можна розмістити фотоелементи які використовують енергію Сонця.

3.3. Перспективи створення водяного двигуна

В цьому підрозділі ми ознайомимо з окремими напрацюваннями вчених. які на нашу думку допоможуть вирішити проблему створення економічних, екологічних двигунів внутрішнього згоряння. У паливні баки таких двигунів заливалась би вода. Що допомогло б вирішити безліч проблем водневої енергетики.

Так у серпні 2014 року вчені зі Стенфордського університету продемонстрували недорогий спосіб водного електролізу, тобто поділ H₂O на кисень і водень. Щоб ініціювати хімічний процес досить простої AA батарейки. Звичайно, замість батарейки, можна скористатися малою сонячною панеллю, що забезпечує різницю потенціалів щонайменше 1,5 Вольта.

Секрет розробки в структурі каталізатора NiFeOx. Хоча це здавалося б, прості матеріали, але структура матеріалу є дуже специфічною. Він якось вирощений на нановолокнах Карбону (з наукової роботи це не зовсім ясно, як це зробити). Вчені кажуть, що цей чудовий каталізатора в майбутньому може бути адаптований для інших хімічних реакцій, на додаток до електролізу води.

Дослідники Інституту технології в Хайфі, Ізраїль, опублікували статтю про ефективності досягнуту в одній з двох напівреакцій розкладу води у одному з випусків Nano Letters за 2016 рік.

Друга напфвреакція відновлення проходить з 100% ефективністю у потоці видимої (сонячної) світлової енергії, значно, перевищивши попередній рекорд близько — 58,5%.

Настільки висока продуктивність була досягнута завдяки тому, що процес використовує тільки енергію світла. Каталізаторамии (fotokatalizatorami) виступають нанотрубки 50 нм довжиною. Вони поглинають фотони від джерела світла — і виробляють електрони.

Ефективность100 % означає, що всі фотонів, які прибувають в системі, беруть участь у генерації електронів.

На такій ефективності кожна нанотрубка генерує близько 100 молекул H₂ щосекунди.

Коли молекула H₂O розкладається, три атоми не просто відділені один від одного. Для повної реакции необхідні дві молекули H₂O, Реакція проходить двома окремими напівреакциями. В половині реакції окиснення утворюються чотири окремих атоми Гідрогену разом з молекулою O₂ (яка видаляється). У відновній напівреакції чотири атоми Гідрогену з’єднуються в дві молекули H₂ шляхом приєднання електронів.

Тепер вчені працюють над оптимізацією процесу, який вимагає сильно лужного середовище з неймовірно високим рН. Цей рівень жодним чином не є прийнятним для реальних умов. А нанотрубки тут піддаються швидкісному процесу корозії.

Інший приклад. Трохи знань з механіки та ентузіазму потрібно було держслужбовцю із Бразилії, щоб у вільний від роботи час створити в своєму гаражі в Сан-Пауло екологічний мотоцикл “Moto Power H₂O”.

Рікардо Азеведо встановив на свою Honda 1993 автомобільну батарею, яка виробляє електрику, і завдяки процесу електролізу виділяє водень із молекул води. Цей процес закінчується спалюванням, яке утворює енергію, необхідну для живлення мотоцикла. Шість місяців пройшло з того дня, коли «водневий» мотоцикл вперше виїхав на дорогу. Азеведо вірить, що його проект може зменшити забруднення оточуючого середовища. Адже із вихлопної труби мотоцикла виходить водяна пара. І хоча автомобільний акумулятор не зовсім придатний для тривалої, постійної дії однак в цьому напрямку можна проводити серйозні наукові пошуки.

3.4. Шляхи реалізації проекту в Україні

Людство приречене віддати перевагу технологіям, що зберігають довкілля. В нашій молодій державі слід сконцентрувати зусилля вчених, державних інституцій і бізнесових кіл на впровадженні енергоефективних екологічно чистих технологій. Як один із таких проектів пропонуємо створення водяного (водневого) двигуна для транспорту. Економічно вигідно добувати водень з води безпосередньо в автомобілі. Тоді непотрібно буде будувати мережу водневих заправних станцій та приділяти увагу зберіганню цього газу. Джерелом енергії для електролізу води могли б стати сонячні панелі закріплені на автомобілі. Можливо ефективним може виявитись використання частини добутого водню для невеликих паливних елементів як джерела електронів для електролізу. Кафедрам хімії слід попрацювати на випробуванням різного типу електролітів для цього процесу, щоб відшукати найбільш ефективний і найменш агресивний. Також потрібно відшукати недорогі, ефективні каталізатори.

Добутий шляхом електролізу води водень далі б подавався, або на двигун з паливними елементами, або на двигун внутрішнього згорання, адаптований під спалювання водню. Варто розробляти обидва типи. Щоб потім зупинитися на кращому варіанті.

Отже для реалізації цього проекту в Україні потрібно:

• створення під егідою НАНУ національної програми з розробки і виробництва водневих двигунів на основі електролізу води;
• створення відповідної законодавчої бази для впровадження водяних (водневих) двигунів для транспорту;
• цільове державне фінансування фундаментальних і прикладних досліджень та розробок водневих двигунів на основі електролізу води;
• створення державою умов для приватного бізнесу до субсидування фундаментальних і прикладних наукових досліджень. На початковому етапі розвитку водневої енергетики в Україні забезпечити пільгове оподаткування та іншу підтримку наукових досліджень та промислових виробництв.

ВИСНОВКИ

1. Частка вуглекислого газу у повітрі збільшується, а кисню стає менше через те, що нині людина спалює багато нафтопродуктів, природного газу, вугілля. Все це необхідно для роботи транспорту та виробництва. Ключове місце в роз в’язанні цієї проблеми, на думку багатьох фахівців, займе воднева енергетика – виробництво та використання водню на основі паливних елементів (ПЕ) в промисловості, будівництві, енергетиці, на транспорті, в житлово-комунальному господарстві й інших сферах економіки.
2. Паливний елемент складається з двох електродів, розділених електролітом, і систем підведення палива на один електрод та окиснювача — на другий, а також системи для видалення продуктів реакції. У паливних елементах хімічна енергія палива й окиснювача безпосередньо перетворюється на електричну, тоді як у теплових машинах процес перетворення хімічної енергії охоплює кілька проміжних стадій, зокрема стадію утворення теплоти. Вибір палива відновника та окиснювача, що подаються до ПЕ, визначається передусім їхньою електрохімічною активністю (тобто швидкістю реакцій на електродах), вартістю, можливістю легкого підведення реагенту до ПЕ і відведення продуктів реакції. Як паливо у ПЕ використовуються водень, рідше – CH₃OH, СН₄ та інші гідрогеновмісні сполуки. Окиснювачем зазвичай є кисень повітря.
3. Основні проблеми ПЕ. Як і будь-яке хімічне джерело струму, ПЕ характеризується напругою, потужністю і терміном служби. Для прискорення реакцій до пористих електродів додають дорогі каталізатори. Найширше використовуються каталізатори на основі платини, паладію, нікелю, золота та деяких металовмісних напівпровідникових матеріалів.
4. Воднева енергетика має значні труднощі із добуванням і зберіганням великих об’ємів водню. Тому нові розробки в цій галузі спочатку застосовуються у водневих енергетичних установках для транспорту. Початок ХХІ століття відзначається бурхливим розвитком водневих технологій для всіх видів транспорту. Вже існують водневі легкові автомобілі, автобуси, потяги. 5.Головний недолік водневого автомобіля – висока собівартість. Крім електрохімічного генератора, який при масовому виробництві може коштувати дешевше батарей для електромобілів (хоча до цього часу у паливних елементах використовують дорогі каталізатори), потрібні ще міцні і легкі баки. Для цього використовують дорогий вуглепластик.
5. Електроліз води — один із промислових способів добування водню і кисню.
6. Однак такий процес має низький коефіцієнт корисної дії. У виробничих витратах на отримання водню вартість електричної енергії становить приблизно 85%. Це істотний недолік, що перешкоджає масовому виробництву водню з води.

7. Електрохімічний метод отримання водню з води володіє такими позитивними якостями:

1) висока чистота одержуваного водню – до 99.9%;

2) простота технологічного процесу, його безперервність, можливість найбільш повної автоматизації, відсутність рухомих частин в електролітичної осередку;

3) отримання цінних побічних продуктів – важкої води та кисню;

4) загальнодоступна сировина – вода;

5) гнучкість процесу і можливість отримання водню безпосередньо під тиском;

6) фізичний поділ водню і кисню в самому процесі електролізу

8. Кілька новітніх розробок вчених за останнє десятиліття в галузі дослідження електролізу води. Дають змогу сподіватися на використання цього процесу в автомобілях. В паливних баках таких автомобілів перебуватиме вода.
9. Існує багато напрямків удосконалення і здешевлення процесу електролізу води: пошук дешевих і ефективних каталізаторів, удосконалення сонячних панелей, які б можна було розміщувати на поверхні автомобілів, тощо. Також, на нашу думку, слід серед кислих чи основних солей відшукати дешеві, неагресивні електроліти
10. Впровадження водяного напрямку розвитку водневої енергетики може стати початком технології та екологічної революції на нашій планеті.
11. Практичне значення роботи полягає у аналізі напрацювань у галузі водневої енергетики та оцінці можливості створення водяного двигуна. Створено авторський сайт «Паливо майбутнього» для популяризації водневої енергетики в Україні.

Додаток А

Схема дії водневого двигуна з паливним елементом

Фото 1. Перед початком досліду добування водню шляхом електролізу води

Фото 2. Виготовлення електродів

Фото 3. Закріплення газовідвідної трубки.

Фото 4. Приготування насиченого розчину натрій гідрогенкарбонату

Фото 5. Приготування розчину рідкого мила.

Фото 6. Відразу на електродах почали з’являтися дрібні бульбашки газу

Фото 7. Водень добуто!

Фото 8. Дослід завершено!

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Кузык Б. Н., Кушлин В.И., Яковец Ю. В. На пути к водородной энергетике / РАН. – Москва. – 2005.
2. Водородная энергетика и топливные элементы. Взгляд в будущее / Европейская комиссия, – 2003.
3. Тьерри Алло. Водородная энергетика в Западной Европе / Энергия. – 2002. – № 12.

4. Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Атомно-водородная энергетика. Пути развития. / ,Энергия, – 2004, – №1, с.3-9.
5. С.Лиговский. Газификация негорючих углеродистых материалов -неисчерпаемый источник водорода (синтез-газа)
6. Г.С.Асланин. Проблематичность водорода в плане замещения нефти./ Энергетическая политика, вып.2, -2006, с. 42-51.
7. Воднева економіка та паливні комірки. //Громадська Рада України, – 2005.
8. https://phys.org/news/2016-02-scientists-efficiency-water-splitting-half-reaction.html
9. https://ecotechnica.com.ua/technology/936-uglerodnye-soty-ukrainskie-uchenye-otkryli-novuyu-formu-ugleroda.html
10. http://mashintop.ru/articles.php?id=2213
11. https://stud.com.ua/35537/tovaroznavstvo/povnota_zgoryannya_paliv
12. https://habr.com/post/365717/
13. https://pubs.acs.org/journal/nalefd
14. http://www.usea.org
15. Нydrogenexpo (http://www.hydrogenexpo.com)
16. http://avtocentr.sumy.ua/vodnevyj-dvygun-yak-pratsyuye-ta-osnovni-nedoliky/
17. https://uk.wikipedia.org/wiki/Водневий_двигун
18. http://poradum.com.ua/the-hands/11237-vodnevij-dvigun-perspektivi-vikoristannya.html
19. https://ru.depositphotos.com/2544804/stock-photo
20. ftp://ftp.nas.gov.ua/akademperiodyka/Downloads/Visnyk_NANU/downloads/2006/

Редакція може не поділяти думку авторів і не несе відповідальність за достовірність інформації. Будь-який передрук матеріалів з сайту може здійснюватись лише при наявності активного гіперпосилання на e-kolosok.org, а також на сам матеріал!