С появлением идеи об использовании водорода как топливного элемента перед исследователями водородной энергетики открылись широкие возможности. Большинство развитых стран сделали приоритетным направлением развитие водородной энергетики для широкого использования в повседневной жизни и производственных технологиях. Таким образом, все исследователи и разработчики новых возможностей водорода пришли к единому результату – разработке водородного топлива.
Сейчас использование водородного топлива относят к возобновляемым источникам энергии, которые становятся развитым направлением мировой экономики. Существует множество видов водородного топлива. В основном это использование различных видов спирта, природного газа, продуктов переработки сточных вод и газификации угля. Но лучшим выступает водород. Основным принципом действия водородного топлива является преобразование непосредственно самого топливного элемента вместе с кислородом, выступающего в форме своеобразного окислителя.
Первые этапы развития водорода как энергетического топлива
Первые идеи использования топлива в энергетике появились еще в конце 19 века. А уже в тридцатые годы 20 века появились первые теоретические формулировки и лабораторные образцы топливного элемента. Он был разработан немецким исследователем Брауэром и содержал твердый электролит с непосредственно прямым анодным окислением угля. А вот мировую известность получили исследования ученого советского союза Оганеса Давтяна. Результаты своих исследований он опубликовал в сороковых годах 20 века в научной работе, ознакомиться с которой получили возможность многие страны.
Низкотемпературные кислородно-водородные топливные элементы были разработаны в США. Первая кислородно-водная установка была создана в Англии в 1958 году. Начиная с этого времени, разработки водородного топлива велись во многих развитых странах. Достигалось много успехов, но лидером разработок и исследований оставался Советский Союз. Но не отставали Соединенные Штаты, Япония, Германия, Канада.
В семидесятые годы 20 века интерес к данному вопросу пропал и начал восстанавливаться только в девяностых годах. В это время активно занимаются разработками различных проектов электрических станций, работающих на топливных элементах. Таким образом, активно исследуются двигатели, работающие на основе топливных элементов и имеющие большую мощность. Соответственно большое внимание уделялось и разработке водородных двигателей, в которых могли использоваться как стационарные топливные элементы, так и передвижные и портативные.
Типы двигателей с водородными топливными элементами
Водородные двигатели в зависимости от принципа действия подразделяются на два вида: двигатель с топливными элементами и двигатель внутреннего сгорания на водороде. Двигатели второго вида очень похожи на широко используемые сейчас двигатели внутреннего сгорания на пропане. Их принцип действия одинаков, и если будет желание перейти с использования пропана на водород, то для этого необходимо будет просто перенастроить двигатель. Это подтверждает наличие уже существующего большого количества научных образцов двигателя внутреннего сгорания на водороде.
Двигатели первого типа в свою очередь имеют очень высокую цену и при этом низкую удельную мощность. Высокая цена обеспечивается за счет содержания в конструкции палладия и платины, а низкая удельная мощность обеспечивается тем фактором, что даже при незначительной мощности они имеют большой вес. Из-за высокой стоимости данные двигатели используются только на космических кораблях и подводных лодках. Если их использовать в обычных автомобилях, то цена этих автомобилей будет приравниваться к цене того космического корабля. Данная проблема еще не решена современной наукой, но уже делаются успешные шаги к снижению в будущем стоимости двигателей с топливными элементами.
Современное развитие и применение водородного топлива
В конце 20 века в США был принят закон о национальной энергетической стратегии. В этом законно министерством энергетики определялась приоритетность развития и технологий водородной энергетики. Также был принят план, в котором указывались направления и рекомендации по разработке новых видов топливных элементов, благодаря которым и будет развиваться сама водородная энергетика. На основе этих рекомендация были созданы и уже используются следующие виды топливных элементов:
– AFC (щелочной);
– DAFC (прямой алкогольный или прямой метанольный);
– PAFC (фосфорнокислый);
– PEFC (твердополимерный);
– MCFC (расплавкарбонатный);
– SOFC (твердооксидный).
Кроме соответствия основной принятой программе, Соединенные Штаты разрабатывает и принимают участие в целом ряде различных проектов, связанных с водородной энергетикой. Например, активно проходит реализация проекта Vision XXI, которая отвечает за создание новых ультрачистых электростанций уже 21 века и всех необходимых технологий. Кроме этого, на все новые программы и исследования США тратит огромное количество финансовых ресурсов.
Также данному вопросу большое внимание уделяется и другими странами. Например, Китай активно внедряет новые топливные установки на основе водорода в собственные электроэнергетические системы. В свою очередь Япония решает вопрос внедрения новых энергетических технологий со стороны создания дополнительных рабочих мест. До 2010 года было создано около 180 тысяч. А такие европейские страны как Норвегия, Великобритания, Франция, Германия, Италия и др. кроме введения новых электростанций на топливных элементах стремятся выпускать новые автомобили на топливных элементах. Так в 2010 году на дорогах Великобритании появилось около 10% всех автомобилей новых автомобилей, принцип работы которых основывается на топливных элементах.