Созданный в Германии водородный двигатель замкнутого цикла работает практически без каких-либо вредных выбросов, достигает КПД более 60% и обладает производительностью обычных дизельных двигателей. Двигатель планируется использовать в тяжёлых коммерческих автомобилях, для судовых силовых установок и генераторов электроэнергии. Если Россия никак не отреагирует на очередную технологическую разработку водородного типа, страна рискует остаться только поставщиком сырья.
В отличие от обычного двигателя внутреннего сгорания, который непрерывно всасывает воздух и отводит отработанные газы, в немецком двигателе с водородным циклом большая часть газовой смеси после каждого рабочего цикла остается в системе, охлаждается, обрабатывается и используется повторно.
Двигатель разработала группа учёных из Магдебургского университета имени Отто фон Герике. Согласно проведённым тестам, этот двигатель обладает КПД около 60%.
Для сравнения, у обычного бензинового двигателя КПД редко превышает 25–30% - грубо говоря, 70–75% энергии "улетает" в виде тепла и выхлопа. У лучших дизельных двигателей КПД может достигать 40–45%. У современных водородных двигателей внутреннего сгорания (не топливных элементов!) КПД обычно около 35–40%.
Из всего этого получается, что двигатель, созданный немецкими учёными - это технологический прорыв, сопоставимый с лучшими промышленными газовыми турбинами, но в компактном поршневом виде. Важный аспект изобретения - у двигателя нет вредных выбросов: ни углекислого газа, ни сажи, ни окислов азота.
Принцип работы.
С тем, что немецкие механики знают толк в двигателях, спорить бессмысленно - взгляните на их автопром, а стремление перейти на водородные двигатели вполне объяснимо. Газ и нефть слишком дороги и с каждым годом будут только дороже из-за исчерпания легкодоступных месторождений. Опять же, стремление к использованию "зелёного" топлива совсем не означает переход на электромобили с дорогими литиевыми аккумуляторами, которые рано или поздно надо утилизировать. Поэтому двигатель на дешевеющим с каждым днём водородном топливе - отличное решение.
Однако интерес вызывает именно двигатель замкнутого цикла с высоким КПД, который совсем не похож на тот, что использует наш "водоробус" - "Русак-К10" (обзор).
Так как же работает двигатель немецких инженеров?
Немецкий двигатель работает иначе, чем обычный внутреннего сгорания, - по замкнутому циклу.
В цилиндр подаётся смесь из трёх газов: водорода, кислорода и аргона.
- Водород (H₂) — это горючее, источник энергии.
- Кислород (O₂) — нужен для "горения" водорода.
- Аргон (Ar) - это инертный газ, который вообще не участвует в химических реакциях. Его задача — быть "наполнителем", принимающим тепло от химической реакции водорода с кислородом. Аргон, разогреваясь, расширяется и толкая поршень. Если сравнивать с классическим двигателем, то аргон здесь работает также, как азот из воздуха. Немцы использовали аргон не случайно. Он обладает более лучшими термодинамическими свойствами и не образует вредных окислов, как азот при высоких температурах.
Горение, как химическая реакция, происходит только между водородом и кислородом. Продукт этой реакции — водяной пар. Никакого углекислого газа, никакой сажи.
После того как аргон расширился и поршень совершил рабочий ход, выхлоп не выбрасывается наружу. Вместо этого образовавшуюся газовую смесь: аргон + водяной пар + возможно остатки водорода охлаждают. Водяной пар конденсируется и удаляется автоматикой, излишки водорода отделяют и сжимают для повторного впрыска, а оставшийся аргон опять возвращается обратно в цилиндр для следующего цикла.
На новом цикле добавляются лишь небольшие порции водорода и кислорода, чтобы компенсировать израсходованные.
Таким образом получается замкнутая система, где основной рабочий газ аргон используется столько раз, сколько потребуется, а в атмосферу ничего не выбрасывается.
Откуда высокий КПД?
Всё дело в аргоне, который не улетучивается как азот в обычном двигателе, унося с собой тепло. То есть, в новом двигателе нет потерь из-за нагрева азота, который потом выбрасывается. К тому же замкнутый цикл позволяет возвращать тепло отходящих газов обратно в систему.
В итоге более 60% химической энергии водорода превращается в механическую работу. Для сравнения: хороший дизель обладает КПД 45%, а водородный ДВС открытого типа — 40%.
По мнению учёных-разработчиков, такой двигатель хорошо подойдёт для большегрузного транспорта и уж точно окажется хорошей альтернативой не только бензиновому и дизельному двигателям, но и литиевым батареям в электрокарах. Сюда же можно отнести сельхозтехнику - Китай как раз придумал как дёшево "гнать" водород из сельхозотходов (обзор). Список тяжёлой техники можно продолжить экскаваторами, бульдозерами и кораблями с водородными судовыми двигателями (обзор) - Япония как раз успешно испытала такой.
Плюсы и минусы.
Каким бы хорошим не казался водородный двигатель замкнутого цикла, у него должны быть не только плюсы, но и минусы.
С плюсами мы разобрались выше:
- нет вредных выбросов, а значит не нужны фильтры, катализаторы и т.п.;
- высокий КПД, а значит снижаются эксплуатационные расходы;
- долговечность, потому что внутри системы нет агрессивных продуктов сгорания, а значит меньше коррозии и износа.
Наиболее явным минусом или проблемой, которая буквально лежит на поверхности, я бы назвал выхлоп углекислого газа, который точно будет от сгоревшего смазочного масла. Хочешь-не хочешь, а систему придётся смазывать. Следовательно, нужны специальные масла, а значит и фильтры. Так что про абсолютно чистый двигатель немцы немного лукавят.
Но самая главная проблема - это цена такого двигателя. В отличие от обычного, здесь понадобятся: компрессор, теплообменник, сепаратор воды, система разделения газов и может быть что-то ещё. То есть в производстве такой двигатель будет явно дороже того же дизеля.
Касаемо последнего аспекта: в публикации о своей разработке профессор Роттенгрубер утверждает, что за период реального срока службы - тысячи часов - замкнутая система окажется дешевле открытого водородного ДВС. Учёный подводит к экономии на топливе и на очистке выхлопа, которая по сути не нужна.
Первыми, кто заинтересовался новинкой, стали ведущие производители морских двигателей. Интерес возник не случайно. К 2050 году всё мировое судоходство должно стать климатически нейтральным, поэтому водородный двигатель с аргоном замкнутого цикла подходит для таких целей как нельзя лучше.
Чем это обернётся для России?
В нашей стране экономика сильно зависит от экспорта нефти и газа. Водородные технологии у нас почему-то не рассматриваются также внимательно, как в других странах.
Казалось бы, у нас есть дешёвый природный газ, из которого можно получать "голубой" водород. то есть водород с улавливанием углекислого газа. С другой стороны, оставшиеся со времён СССР мощные ГЭС и самая лучшая в мире атомная отрасль своей избыточной выработкой энергии позволили бы производить водород по старинке - электролизом воды, или, как его ещё называют, - "зелёный" водород.
Возможно, через десяток лет этот немецкий двигатель создаст новый крупный рынок на котором Россия могла бы стать главным поставщиком водорода.
А ещё лучше бы было, чтобы наши "КамАЗ" и "Автоваз" вместо перехода на 4-х дневную рабочую неделю, бросили все силы на создание собственного подобного двигателя. Глядишь, за этим потребовалось бы повысить уровень образования, чтобы готовить нужных уже сейчас инженеров. Кстати, для своих нужд эти компании могли бы обеспечить БЕСПЛАТНОЕ образование своих же будущих специалистов. И детям на уроках о важном начать рассказывать про важные водородные двигатели, чтобы заинтересовать подрастающее поколение будущих Королёвых, Курчатовых, Капиц, Столетовых, Лебедевых, Ландау и Сахаровых.
Но пока немецкие исследователи создают действующие прототипы, в России подобные разработки находятся в зачаточном состоянии. Если не инвестировать сейчас в образование, науку и интерес школьников, можно опоздать к новому энергетическому укладу и остаться только поставщиком сырья, а не производителем высокотехнологичных двигателей. А это значит, что основные прибыли уйдут к немцам, японцам или китайцам, а завтрашние "аргоновые" двигатели мы будем импортировать, а не производить.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.
Чтобы не пропустить новые интересные публикации рекомендую Вам подписаться на телеграм-канал, указанный в профиле Дзен-канала.