В наше время все активнее обсуждается переход на водородную энергетику, и поэтому вариант использования смеси водорода с другими горючими газами сейчас выглядит как новейшая технология. Тем не менее эта идея не нова, и имеет аналоги в прошлом.
Первый ДВС — водородный!
Общеизвестный факт что первый автомобиль изобрел Карл Бенц и… это не совсем правда.
Причина в том что он изобрел первый массовый автомобиль! А по настоящему первый автомобиль создал Франсуа Исаак де Риваз, а практически годный к стабильному движению аппарат сделал Этьен Ленуар.
Если подробнее, то история тут такая.
Конструкция первого двигателя была простой — один цилиндр работающий на смеси водорода и кислорода (50/50), поступающего из шара.
В 1808 году Де Риваз установил этот ДВС на упрощенную карету, которую и провел первый заезд-испытание. Позднее была разработана модель работавшая на угольном газе (светильный газ).
В 1813 году изобретатель построил второй автомобиль длиной шесть метров,
оснащенный колесами диаметром два метра. Он называет его «Grand char mecanique» и проводит испытания в Веве (Во). Длина цилиндра составляет 1,5 метра, а поршень перемещается на 97 сантиметров при каждом сгорании.
С каждым ходом поршня машина продвигалась на расстояние от четырех до шести метров. Испытания проводятся на наклонной дорожке, по которой Grand char mecanique ехал на расстояние в 26 метров, имея на борту 4 человека и груз 700 кг. Автомобиль двигался со скоростью 3 км / ч.
Интересный факт — зажигание смеси происходило не автоматически, а вручную!
Т.е. каждый ход поршня, опережение зажигания и момент взрыва контролировал «водитель» смотря на движение поршня машины.
Неудивительно что в академии наук в то время утверждали, что двигатель внутреннего сгорания никогда не будет конкурировать с паровым двигателем, но прошло меньше полвека и появилась машина более успешная в плане движения.
После тестов на водороде Риваз перевел двигатель на питание угольным газом (светильным), но процент содержания водорода не поменялся (те же 50%)!
В 1860 году Этьен Ленуар из Франции изобрел 1-цилиндровый двухтактный Hippomobile. Lenoir Hippomobile был назван так потому, что он получал топливо путем электролиза воды и использовал водород для питания небольшого горизонтального двигателя.
Двигатель Hippomobile работал на «естественных циклах» с поглощением топливной смеси и ходом вниз, сжигающим отработавшее топливо. Позднее Ленуар адаптировал двигатель для сжигания «угольного» газа.
В 1863 году Гиппомобиль совершил тест-драйв из Парижа в Жоинвили-ле-Пон: максимальная скорость около 9 км за ~ 3 часа.
Зажигание смеси у машины Ленуара было уже автоматическое — за счет катушек Румкорфа.
Перевозить помимо водителя машина могла и пассажиров. Можно сказать с этого момента это уже была заявка на успех, и несмотря на то что впоследствии его машина не получила развития — его конкурент Отто смог обеспечить основу автомобильных ДВС именно за счет частичного копирования мотора Ленуара.
Двигатели Отто в дальнейшем могли тоже работать на водороде, но, как и ранее другие моторы пережили адаптацию под угольный газ (светильный). Источник этого газа — уголь, был намного доступнее и проще в использовании чем процесс добычи и использования водорода.
Если провести немного аналогий с современными водородными моторами, то лучший из существующих водородных ДВС сейчас использует принцип слоистого разделения заряда впрыска водорода. Упрощенно его можно описать так " Идея заключается в том, что газ и воздух должны располагаться слоями в цилиндре так, чтобы в точке вспышки в поршне смесь содержала как можно меньше легкого газа" (это предложение взято с описания мотора Отто-Лангрена, который обошел на выставке двигатель Ленуара).
Чем похож 19 век и 21-й?
Светильный газ ( от 36 до 54 % водорода) использовали для газовых сетей с 20-х годов 19 века, а в ЕС в 2020 году планируют начать добавлять водород в городские бытовые сети на постоянной основе начиная от 20% и до 100% (скорее всего из-за необходимости переделки газовых сетей реально будет не больше 50%).
Сейчас имеет все шансы вернутся технология домашних одноцилиндровых ДВС, которая позволит производить тепло и энергию дома.
Газ HCNG может стать основой для внедрения по причине большей отдачи тепла и возможности использования энергии в V2G сетях. Водород в газе при таком использовании позволит удерживать нормы производства вредных выбросов на низком уровне.
Остается вопрос будут ли использовать выхлоп в качестве источника воды или нет при переходе на процентное содержание Н2 в смешанном газе к значениям близким к 100%?
Раньше конечно таких возможностей использования micro-CHP не было.
В начале 19 века одноцилиндровые газовые моторы были основой электроснабжения, и работали на светильном газе (до 55% водорода). Использование тепла не было целью.
Таким образом спустя век может получить окончательное развитие «завещание Карно» где он предсказывал использование тепла ДВС для повышения КПД. Пока такое использование тепла получается только у судовых ДВС. на судах японских фирм «Мицуи» и «Мицубиси», а также ряда других судостроительных фирм паровой цикл используется для получения электроэнергии. При этом если на судах «Мицуи» полученная таким образом электроэнергия обеспечивает только вспомогательные нужды судов (освещение, отопление, кондиционирование воздуха, силовые агрегаты и т. п.), то на судах «Мицубиси» — и как дополнительная к энергии дизельного электропривода силового вала судна. Аналогичный подход реализован и на английском судне «Куин Элизабет», в результате чего КПД использования энергии топлива достиг 73 %, а удельный расход топлива снизился до ПО г/(кВт-ч). (Напомним: идеальный цикл Карно при реальных параметрах рабочего тела допускает термический КПД не выше 70 %.)
Сейчас имеет все шансы вернутся технология домашних одноцилиндровых ДВС, которая позволит производить тепло и энергию дома.
Газ HCNG может стать основой для внедрения по причине большей отдачи тепла и возможности использования энергии в V2G сетях. Водород в газе при таком использовании позволит удерживать нормы производства вредных выбросов на низком уровне.
Остается вопрос будут ли использовать выхлоп в качестве источника воды или нет при переходе на процентное содержание Н2 в смешанном газе к значениям близким к 100%?
Раньше конечно таких возможностей использования micro-CHP не было.
В начале 19 века одноцилиндровые газовые моторы были основой электроснабжения, и работали на светильном газе (до 55% водорода). Использование тепла не было целью.
Таким образом спустя век может получить окончательное развитие «завещание Карно» где он предсказывал использование тепла ДВС для повышения КПД. Пока такое использование тепла получается только у судовых ДВС. на судах японских фирм «Мицуи» и «Мицубиси», а также ряда других судостроительных фирм паровой цикл используется для получения электроэнергии. При этом если на судах «Мицуи» полученная таким образом электроэнергия обеспечивает только вспомогательные нужды судов (освещение, отопление, кондиционирование воздуха, силовые агрегаты и т. п.), то на судах «Мицубиси» — и как дополнительная к энергии дизельного электропривода силового вала судна. Аналогичный подход реализован и на английском судне «Куин Элизабет», в результате чего КПД использования энергии топлива достиг 73 %, а удельный расход топлива снизился до ПО г/(кВт-ч). (Напомним: идеальный цикл Карно при реальных параметрах рабочего тела допускает термический КПД не выше 70 %.)
Автомобили, похожие на аэростаты.
Начало 20 века можно считать временем зарождения дирижаблей, но «газовые мешки» массово использовали не только в небе!
Газовые баллоны можно было видеть на автобусах в годы первой и второй мировой войны.
Такие же мешки были в те годы на грузовиках.
И легковой частный транспорт не был исключением. Основное различие было лишь в том что для мешков пытались делать твердый каркас для лучшей аэродинамики.
Даже мотоциклы и легкие катера имели сигарообразные баллоны!
Это не попытка подражать аэростатам, а всего лишь повторение технологии Риваза на новом технологическом уровне.
Весь этот транспорт использовал не водород, а все тот же угольный-светильный газ!
Характеристики таких машин были скромные из-за малого объема топлива, которое удавалось хранить в пузырях, а энергоэффективность системы была низкой: три кубометра газа выдавали столько же энергии, сколько один литр бензина. Что в итоге давало возможность проехать не более 80км на одной «заправке» газом баллона.
Тем не менее простота и надежность конструкции позволяла использовать эту экзотическую топливную систему массово на автобусах и грузовиках.
Как видно процесс заправки был даже проще чем сейчас, но частота проведения этой операции не идет не в какое сравнение с нашим временем.
«Несжатый газ» использовали не только в США и Европе. В Китае такие газовые автобусы эксплуатировались вплоть до 90-х годов! Газ в это время был уже не водородосодержащая смесь, а метан (что, впрочем, не мешало бы применять подмешивание H2 или тот же угольный газ при необходимости).
Кроме гражданских задач, мешки использовали и для военной техники.
Так особый пример использования несжатого газа это водородные автомобили времен блокады Ленинграда.
Обычно после просмотра такого видео остается легкий осадок красивой сказки (а сказка ложь, да в ней намек!).
Поэтому можно уточнить некоторые моменты...
«водород в качестве автомобильного топлива был впервые применен в 1941 году в блокадном Ленинграде»
В реальности как уже было описано ранее автомобили использующие водород для сгорания и даже движения были построены уже в 19 веке.
А в 20 веке машины с шарами на крыше использовались массово, и были иногда поводом для таких шуток.
В 33-м году энергетическая компания Norsk Hydro переоборудовала один из своих небольших грузовиков для работы на водородном газе. Грузовик Norsk Hydro содержал бортовой аммиачный риформер для извлечения водорода, и запуска его через двигатель внутреннего сгорания.
Поэтому указывать первенство СССР в водородных технологиях мягко говоря некорректно… но если учитывать время и место зарождения этой легенды то можно сделать скидку на «попытку поднятия боевого духа во время осады».
Следующий момент — возможная опасность применения.
«Конечно были опасения относительно безопасности эксперимента… больше всего лейтенант боялся полного провала своей затеи, ведь она не что иное, как попытка реализовать плод воображения писателя фантаста»
Факт в том, что считалось, что аэростаты заграждения при потере 20% газа нуждались в заправке на земле, и поэтому получается что используемый отработанный водород содержит меньше 100% водорода. Можно подумать что в итоге мы имеем 80% водорода? Но это не так.
В случае использования отработанного газа для питания моторов утечки газа на земле разумеется продолжались, а значит процент водорода в шаре был тем меньше — чем дольше его использовали!
Факт №2 — несовершенство технологии производства водорода означало наличие примесей в газе около 4 — 5 % (это примерно гарантированный уровень даже после очистки газа). Это значит что изначально газ был с примесями других газов!
Факт №3. Сам газ поступавший в двигатель проходя барботажный фильтр (так правильнее называть то что назвали гидрозатвор) дополнительно насыщался парами воды, к чему при работе зимой в Ленинграде надо добавить еще поступающий влажный воздух с воздушного смесителя (влажность зимой в городе до 83-88 %). Это снижало риск взрыва газа делая горение более равномерным процессом, по аналогии с впрыском воды в самолетах АН 2 оснащенных двигателем АШ-62 1938 года выпуска (с водяным впрыском).
Учитывая все это можно считать процент чистого водорода поступающего в цилиндры мог конечно превышать 50% (уровень светильного газа), но это длилось не очень долго, а условия эксплуатации позволяли даже при повышенном содержании водорода не перегревать мотор. Конечно если в этом случае мы говорим о зиме, так как летом процесс шел по словам Шелища гораздо хуже.
«Гидрозатвор»
В видео раскрыто главное достоинство этого приспособления, но было и другое, не менее важное. Двигатель работающий на водороде, пускай даже в облеченных условиях зимы, питерской влажности воздуха, необходимо было хорошо охлаждать. Причина раскрытая ранее дает опасное заблуждение, что эта инновация была придумана в СССР, но это не так.
На само деле, это заимствование идеи из перевода работ одного английского изобретателя.
Решение проблемы охлаждения Шелищ мог найти в статье инженера А. Л. Дмитреева, которая являлась переводом работ Рудольфа Эррана (Англия) вышедшей в 1938 году.
Ссылка видео где упоминается статья А. Л. Дмитреева. И еще тут.
Тут на рисунке был ясно виден «подвод пара». Несмотря на плохой перевод текста в статье в целом было ясна цель «стимпанка». Водород таким образом при сгорании не только передавал часть тепловой энергии пару, но и сам пар способствовал более плавной работе двигателя. (напомню что Шелищ отмечал невероятную плавность хода при работе на водороде).
Сама идея гидрозатвора могла быть взята из примера работы водяных (барботажных) очистителей, которые применялись в газогенераторных автомобилях того времени.
Именно газогенераторы были вариантом решения проблемы нехватки топлива когда появился дефицит бензина. Причем фильтр-гидрозатвор Шелища был значительно упрощен, так как не требовалось осуществлять движение машины.
В реальности как уже было описано ранее автомобили использующие водород для сгорания и даже движения были построены уже в 19 веке.
А в 20 веке машины с шарами на крыше использовались массово, и были иногда поводом для таких шуток.
В 33-м году энергетическая компания Norsk Hydro переоборудовала один из своих небольших грузовиков для работы на водородном газе. Грузовик Norsk Hydro содержал бортовой аммиачный риформер для извлечения водорода, и запуска его через двигатель внутреннего сгорания.
Поэтому указывать первенство СССР в водородных технологиях мягко говоря некорректно… но если учитывать время и место зарождения этой легенды то можно сделать скидку на «попытку поднятия боевого духа во время осады».
Следующий момент — возможная опасность применения.
«Конечно были опасения относительно безопасности эксперимента… больше всего лейтенант боялся полного провала своей затеи, ведь она не что иное, как попытка реализовать плод воображения писателя фантаста»
Факт в том, что считалось, что аэростаты заграждения при потере 20% газа нуждались в заправке на земле, и поэтому получается что используемый отработанный водород содержит меньше 100% водорода. Можно подумать что в итоге мы имеем 80% водорода? Но это не так.
В случае использования отработанного газа для питания моторов утечки газа на земле разумеется продолжались, а значит процент водорода в шаре был тем меньше — чем дольше его использовали!
Факт №2 — несовершенство технологии производства водорода означало наличие примесей в газе около 4 — 5 % (это примерно гарантированный уровень даже после очистки газа). Это значит что изначально газ был с примесями других газов!
Факт №3. Сам газ поступавший в двигатель проходя барботажный фильтр (так правильнее называть то что назвали гидрозатвор) дополнительно насыщался парами воды, к чему при работе зимой в Ленинграде надо добавить еще поступающий влажный воздух с воздушного смесителя (влажность зимой в городе до 83-88 %). Это снижало риск взрыва газа делая горение более равномерным процессом, по аналогии с впрыском воды в самолетах АН 2 оснащенных двигателем АШ-62 1938 года выпуска (с водяным впрыском).
Учитывая все это можно считать процент чистого водорода поступающего в цилиндры мог конечно превышать 50% (уровень светильного газа), но это длилось не очень долго, а условия эксплуатации позволяли даже при повышенном содержании водорода не перегревать мотор. Конечно если в этом случае мы говорим о зиме, так как летом процесс шел по словам Шелища гораздо хуже.
«Гидрозатвор»
В видео раскрыто главное достоинство этого приспособления, но было и другое, не менее важное. Двигатель работающий на водороде, пускай даже в облеченных условиях зимы, питерской влажности воздуха, необходимо было хорошо охлаждать. Причина раскрытая ранее дает опасное заблуждение, что эта инновация была придумана в СССР, но это не так.
На само деле, это заимствование идеи из перевода работ одного английского изобретателя.
Решение проблемы охлаждения Шелищ мог найти в статье инженера А. Л. Дмитреева, которая являлась переводом работ Рудольфа Эррана (Англия) вышедшей в 1938 году.
Ссылка видео где упоминается статья А. Л. Дмитреева. И еще тут.
Тут на рисунке был ясно виден «подвод пара». Несмотря на плохой перевод текста в статье в целом было ясна цель «стимпанка». Водород таким образом при сгорании не только передавал часть тепловой энергии пару, но и сам пар способствовал более плавной работе двигателя. (напомню что Шелищ отмечал невероятную плавность хода при работе на водороде).
Сама идея гидрозатвора могла быть взята из примера работы водяных (барботажных) очистителей, которые применялись в газогенераторных автомобилях того времени.
Именно газогенераторы были вариантом решения проблемы нехватки топлива когда появился дефицит бензина. Причем фильтр-гидрозатвор Шелища был значительно упрощен, так как не требовалось осуществлять движение машины.
Очистка смеси водорода может показаться излишеством, но учитывая метод получения газа в Ленинграде (железо-паровой) это было оправдано даже для водорода из аэростатов.
В наше время есть предложения возродить мешки несжатого газа
Так на форуме сайта ecomodder было предложение использовать незанятое пространство «хвоста»!
Звучало это так: «хвост «будет достаточным для хранения 0,7 куб. газа с помощью визуальных расчетов. Или до одного литра бензинового эквивалента. Должен ли кто-нибудь проверить это на реальном примере? Если хвост пригоден для 60 ++ миль на галлон, хранение метана в этом мешке должно дать до 10-20 „свободных“ миль.
Для скептиков — если добавить батареи для Toyota Prius, чтобы получить 10-20 миль, то это будет дороже, а этот мод может быть дешевле и эффективнее.»
И это речь шла только о метане, а не о смеси метана и водорода или чистом H2!
А представляете какой объем можно хранить в кузове пикапа или бортовой газели если накрыть ее колпаком-хвостом?
Так на форуме сайта ecomodder было предложение использовать незанятое пространство «хвоста»!
подробнее о хвостах тут
Звучало это так: «хвост «будет достаточным для хранения 0,7 куб. газа с помощью визуальных расчетов. Или до одного литра бензинового эквивалента. Должен ли кто-нибудь проверить это на реальном примере? Если хвост пригоден для 60 ++ миль на галлон, хранение метана в этом мешке должно дать до 10-20 „свободных“ миль.
Для скептиков — если добавить батареи для Toyota Prius, чтобы получить 10-20 миль, то это будет дороже, а этот мод может быть дешевле и эффективнее.»
И это речь шла только о метане, а не о смеси метана и водорода или чистом H2!
А представляете какой объем можно хранить в кузове пикапа или бортовой газели если накрыть ее колпаком-хвостом?
Но пока еще только научились копировать древнюю технологию для развлекательных целей.
Кроме автомобилей несжатый газ применяют и для бытовых нужд в наше время. Сейчас таким образом используют только метан.
В Африке для питания горелок (Мешок с газом весит 4 кг и обеспечивает около 4 часов работы газовой горелки). Этот мешок с биогазом (B)pack часть проекта немецкого стартапа (B)energy.
В Китае для той же цели используют баллоны объемнее, и транспортируют на велосипедах. Этого баллона хватает на неделю работы горелки.
А если вспомнить о газе из коровы… подробнее тут.
В Африке для питания горелок (Мешок с газом весит 4 кг и обеспечивает около 4 часов работы газовой горелки). Этот мешок с биогазом (B)pack часть проекта немецкого стартапа (B)energy.
В Китае для той же цели используют баллоны объемнее, и транспортируют на велосипедах. Этого баллона хватает на неделю работы горелки.
А если вспомнить о газе из коровы… подробнее тут.
HCNG? HLPG?
Водород как топливо будущего в 21 веке снова может стать актуальным, и в отличие от предыдущих двух периодов в которых с трудом можно найти роль водорода на этот раз все однозначно.
Что будет если получать смесь горючих газов с водородом не в результате хим. Реакции, а за счет подмешивания Н2 к газам?
Эта идея начала свой путь в качестве исследований еще в 1983 году (Nagalim et al., 1983) где совместно с AVL были проведены эксперименты с двигателями на смесях водорода и природного газа от 100/0, 80/20, 50/50 до 0/100.
В 1989 году HCI (Hydrogen components Inc.) начались тесты смесей газов в Государственном университете Колорадо, после чего запатентовали смесь водорода и метана под названием Hythane = Hydrogen + Methane (H2 от 15% до 20% водорода от общего объема газа).
Выбросы смеси Hythane соответствуют самым высоким экологическим требованиям.
Испытания Hythane проводили на автобусах в разные годы в США, но это не единственный испытанный вариант добавки водорода к газу в Штатах.
В период с 2003 по 2004 год аризонской государственной службой при помощи дочерней компании Pinnacle West Capital Corporation, в сотрудничестве с организацией по испытаниям транспортных средств Министерства энергетики США, проводились испытания четырех транспортных средств работающих на обогащенном водородом газообразном топливе.
Испытательный парк включал два Ford F-150 и один Dodge Ram Wagon Van. В этом отчете два F-150 различаются по названиям F-150 с низким процентным содержанием и F-150 с высоким процентным содержанием. Смесь F-150 с низким процентным содержанием была первоначально оснащена заводским двигателем КПГ. Он был модифицирован компанией NRG Technologies, Inc. в Рено, штат Невада, для сжигания смешанного топлива. APS эксплуатировал этот автомобиль на 30% смеси водорода (по объему). Смесь F-150 с высоким процентным содержанием изначально оснащалась заводским бензиновым двигателем. NRG Technologies модифицировала его для сжигания до 50% смеси водорода и 50% СПГ (по объему). APS проверил автомобиль на 30% водороде в течение нескольких месяцев. Затем носитель был переведен на 50% водорода (по объему). Dodge Ram Wagon Van — это специализированный заводской автомобиль для перевозки СПГ. APS эксплуатировал этот автомобиль преимущественно на КПГ. Тем не менее, некоторые операции и испытания проводились с использованием 15% смеси водорода и КПГ. Четвертый автомобиль (Mercedes Sprinter Van), который работал на 100% водороде, также был испытан. Все четыре автомобиля работали на экспериментальной установке APS по альтернативному топливу, которая была разработана для подачи газообразного топлива, включая КПГ, смеси КПГ и водорода, а также чистого водорода с чистотой до 99,9999%.
Испытательный автомобиль HCNG с высоким процентным содержанием смеси — это Ford F-150 модельного года, первоначально оснащенный заводским бензиновым двигателем. Он был модифицирован для работы на смеси СПГ и водорода NRG Technologies, Inc. Транспортное средство прибыло на испытания в Государственную службу штата Аризона (APS) 6 января 2002 года. Впоследствии они эксплуатировали автомобиль на 30% смеси водорода (по объему) в течение 5 месяцев. 1 июня 2002 года NRG Technologies вернула двигатель для работы с 50% -ной водородной смесью (по объему). APS проверил автомобиль на 50% -ной смеси для баланса испытательного периода.
Вывод по итогам испытаний один — никаких проблем безопасности не возникало при заправке или эксплуатации F-150 с использованием 30 или 50% топлива с водородной смесью.
В Индии испытаниями обогащенного водородом сжатого природного газа (HCNG) занималась Indian Oil Corporation Ltd (IOCL).
Испытанный процент содержания водорода — 18%. Планируется использовать компактный газовый риформер, разработанный IOCL для создания смеси HCNG, что бы в дальнейшем использовать газ для заправки автобусов. Использование этого газа в общественном транспорте позволит решить проблему загрязненности воздуха, так как это смесь снижает выбросы CO до 70%, и обеспечивает экономию топлива до 5%.
Конкурент HCNG это смесь пропана и водорода.
Исследованиями в этой области занимаются в Японии.
В России и республике Беларусь исследования влияния добавки водорода проводили при определенных условиях на моторных стендах.
Результаты и выводы похожи.
Положительное влияние Н2 лучше всего без переоборудования двигателя проявляется уже при 2 -4 % добавки газа по общему объему. Это незначительное количество снижает общее время горения топлива и повышает максимальное давление в камере сгорания на 17 -23 %.
Главной проблемой с точки зрения экологии при добавке к смеси H2 в пропан является происхождение газа. Пропан производная от нефти.
Общей проблемой добавки водорода к метану или пропану является происхождение самого водорода, ведь в отличие от светильного газа его надо получить отдельно от второго газа.
И тут можно опять обратиться к истории…
В 20 веке Р. Эррен предлагал добывать водород за счет дешевой ночной электроэнергии… в 21 веке предлагают делать так же, за исключением того момента что эта энергия будет браться от зеленых источников энергии, и теоретически при перепроизводстве может быть доступна даже днем.
P.S. — Как видим у «грязного» водорода есть все шансы на чистое будущее… на земле. А вот в воздухе… об этом будет уже следующая статья.
