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APPARECCHI

IDROGENO

COMBUSTIBILE PER IL FUTURO

Il peso specifico dell'idrogeno è piccolo, ma le sue prospettive

nell'industria automobilistica sono considerati molto rispettabili.

Arkady ALEKSEEV

La crisi del carburante degli anni '70 ha fatto sì che molte case automobilistiche dessero uno sguardo nuovo ai tipi alternativi di carburante. Fu allora che si notò il primo aumento di interesse per l'idrogeno. E cosa, questo "candidato" sembrava abbastanza promettente. L'idrogeno sulla Terra è il mare. Nel senso letterale della parola, perché può essere ottenuta dall'acqua …

Tuttavia, la crisi si placò presto, i oleodotti iniziarono a funzionare a pieno regime e, a prima vista, i problemi di idrogeno furono spinti verso gli angoli più remoti dei laboratori accademici. Tuttavia, sono passati venti anni e ora questi studi sembrano aver trovato un secondo vento: si sono rivelati in sintonia con i moderni umori "ambientali". Anzi: bruciamo idrogeno - otteniamo acqua. Non importa come lo guardi, è un prodotto completamente neutro e innocuo.

DOVE PRENDERLO?

Come sempre, ci sono molte opzioni in un business nuovo e promettente. L'uniformità arriverà più tardi, ma per ora la scelta è piuttosto ampia. La cosa più semplice è posizionare bombole di idrogeno compresse sull'auto anziché sul serbatoio del gas. Esistono già attrezzature adeguate - dopo tutto, molte auto nel mondo funzionano a gas compresso. Vero, naturale, ma per adattare questi dispositivi è relativamente facile. Naturalmente, il motore stesso dovrà essere rifatto, ma ne parleremo più avanti. Tale percorso, sebbene sembri semplice, è ancora improbabile. È difficile immaginare un conducente che accetta volontariamente di trasportare contenitori con idrogeno compresso fino a 200 kgf / cm2, che è anche in grado di penetrare in modo insidioso le perdite più piccole nelle apparecchiature a combustibile. Ciò che è molto superiore al gas naturale, costituito da molecole più "pesanti e lente" e quindi meno soggetto a perdite. E tutti, ovviamente, ricorderanno il "gas esplosivo", una miscela esplosiva di idrogeno e ossigeno in un rapporto di volume di 2: 1.

L'idrogeno liquefatto non è più promettente. Chi vuole trattare con carburante che deve essere immagazzinato a -253 ° C? E quali trucchi tecnici dovranno fare i progettisti per mantenere un tale freddo per un certo periodo di tempo? Quindi, questa opzione scompare anche finora.

Fortunatamente, c'è un'altra possibilità: gli idruri. Ricordiamo che gli atomi di metallo sono disposti in un certo ordine, la loro "costruzione" è chiamata reticolo cristallino. Quindi, alcuni metalli e leghe sono in grado di "posizionarsi" tra i loro atomi e gli atomi di idrogeno. Tali "comunità" sono chiamate idruri.

Senza entrare nei dettagli, notiamo che la capacità di un tale "stoccaggio" (con un volume uguale del dispositivo) è cinque volte superiore a quella di un cilindro con gas compresso e quasi il doppio di un dewar con gas liquefatto. I ricercatori sono costantemente alla ricerca delle leghe più adatte, ma è già noto che il titanio è la base migliore per loro. Lo stoccaggio dell'idruro è una cosa piuttosto complicata e, naturalmente, non consistono in un singolo pezzo di metallo, ma più come una spugna con molti canali - per il più rapido assorbimento e rilascio di idrogeno. Quest'ultimo si verifica quando gli idruri vengono riscaldati e non è necessario cercare una fonte di calore nell'auto per lungo tempo: ad esempio, a tale scopo, i gas di scarico caldi sono abbastanza adatti. Un'altra caratteristica importante degli idruri è che sono cento volte più sicuri di altri metodi di conservazione dell'idrogeno. È vero, per il trasporto automobilistico, la loro capacità è anche piccola e il peso e la complessità del dispositivo, al contrario, sono grandi.

È ragionevole porre una domanda: se lo stoccaggio causa tali difficoltà, è possibile ottenere idrogeno direttamente su un'auto? Si scopre che puoi. Il modo più promettente è considerato il metodo in cui il metanolo è la materia prima o, secondo la vecchia classificazione russa, l'alcool metilico è il "fratellino" dell'alcool etilico noto a tutti. Un parente, sebbene con un personaggio, è velenoso, ma se lo bevi, ma in realtà è usato abbastanza ampiamente, fa persino parte della maggior parte dei liquidi per il lavaggio dei vetri delle automobili.

Quindi, il serbatoio dell'auto - in effetti, abbastanza ordinario - è riempito con un liquido leggero con un pungente odore di alcool. Da qui entra nel reattore (non allarmarti, non nucleare, ma chimico), evapora e in presenza di un catalizzatore reagisce con il vapore acqueo, liberando idrogeno e anidride carbonica.

Carburante ricevuto, lasciato per usarlo. A proposito, è possibile eseguire la reazione in un altro modo, quindi il secondo dei prodotti non sarà CO2, ma CO (quello con cui gli ecologi lottano); una miscela di quest'ultimo con idrogeno era chiamata gas di sintesi. Poiché H2 e CO sono combustibili, possono essere bruciati direttamente insieme nei cilindri di un motore a combustione interna. Esperimenti simili sono stati condotti in molti laboratori, anche nei nostri Stati Uniti.

SORNATO O NON BRUCIATO?

Più di una tradizione secolare di veicoli con motori a combustione interna risolve quasi in modo univoco questo problema a favore della prima opzione. Tale percorso promette alcuni vantaggi: l'efficienza del motore aumenta, l'unico prodotto di reazione diretta è il vapore acqueo e persino gli ossidi di azoto (che si formano ad alta temperatura da ossigeno e azoto) vengono emessi nell'atmosfera 4-5 volte in meno (dati USA) di quando si guida la benzina.

Un certo pericolo è rappresentato dalle esplosioni di "gas esplosivo" nel collettore al momento dell'apertura della valvola di aspirazione. Per evitare ciò, gli ingegneri degli anni '70 proposero di fornire idrogeno direttamente nella camera di combustione. Nei disegni di quegli anni, è facile notare un canale aggiuntivo nella testata e una piccola valvola che controlla il flusso di idrogeno. Successivamente si è scoperto che il problema può essere risolto in un altro modo - diciamo, per iniettare acqua nella miscela di lavoro o per fornire un ricircolo dei gas di scarico (anche, in effetti, vapore acqueo). I vantaggi dell'idrogeno come carburante per motori includono la sua elevata resistenza alla detonazione, che può aumentare significativamente il rapporto di compressione e aumentare la pressione. Queste misure aumenteranno la potenza effettiva del motore (con rapporti di compressione "benzina", a causa del fattore di riempimento inferiore, la potenza del motore a idrogeno è inferiore). Sono stati condotti esperimenti anche sull'uso dell'idrogeno nel … diesel. È vero, nel ciclo gas-diesel, una piccola porzione del combustibile liquido è stata immessa nel cilindro per avviare l'inizio della combustione. L'idrogeno gioverebbe anche a un motore diesel: con esso le emissioni di fuliggine e particolato si riducono quasi a zero.

A prima vista, non c'è nulla da aggiungere a ciò che viene detto, se non ti immergi nell'argomento che è meglio bruciare: idrogeno puro, gas di sintesi o tutti i tipi di miscele con benzina, metanolo, gasolio … Ma si scopre non tutti gli esperti la pensano così direttamente. Alcuni, avendo intrapreso il percorso di ricerca nel campo della chimica dell'idrogeno, non vogliono già conoscere i motori a combustione interna. E ora, grazie all'impegno dei progettisti, sul palco appare un nuovo fantastico dispositivo che consente la produzione di energia elettrica direttamente dalla reazione dell'idrogeno con l'ossigeno!

Molti probabilmente ricordano gli esperimenti scolastici sull'elettrolisi: due elettrodi vengono abbassati in acqua, viene applicata una certa tensione e l'idrogeno inizia a essere rilasciato su uno di essi e l'ossigeno sull'altro. Qui tutto accade esattamente il contrario. L'idrogeno è in qualche modo simile ai metalli e il suo atomo perde facilmente il suo unico elettrone. In un dispositivo chiamato cella a combustibile a idrogeno, la reazione dell'idrogeno con l'ossigeno avviene in più fasi. Innanzitutto, l'idrogeno è costretto a passare attraverso una membrana a scambio ionico, che passa liberamente solo protoni: atomi di idrogeno (H +), che sono privati ​​di un elettrone e non la sua molecola H2. In questo caso, gli elettroni rimangono sull'elettrodo negativo (è anche un catalizzatore di platino). Dopo aver attraversato la membrana, l'idrogeno riceve nuovamente il suo elettrone - al momento della reazione con l'ossigeno nell'aria, sull'elettrodo positivo (e anche platino). Gli elettroni, d'altra parte, sono costretti a seguire un "percorso circolare" attraverso un circuito elettrico, mentre fanno un lavoro utile.

Bene, resta da collegare il motore elettrico, l'unità di controllo e … la batteria delle batterie. Quest'ultimo, ovviamente, è più piccolo rispetto ai veicoli elettrici e serve a portare l'intero dispositivo in condizioni di lavoro, leviga anche i picchi di carico sulla cella a combustibile e risparmia energia durante la frenata.

Prototipi di veicoli con una tale mostruosa centrale elettrica stanno già correndo nei siti di molte preoccupazioni automobilistiche straniere e Toyota ha persino presentato il suo modello FCEV (auto elettrica con celle a combustibile) al Tokyo Motor Show alla fine dello scorso anno. Mercedes e americani sono coinvolti in questo argomento, ma i più attivi sono i giapponesi. In verità, mentre la complessità e il costo di tali auto sono molte volte superiori alla loro efficacia, ma, come sapete, la situazione potrebbe cambiare in futuro.

Dicono che il Giappone organizza regolarmente concorsi per il veicolo con le conversioni energetiche più complesse. Qualche anno fa un certo appassionato ha vinto in tale competizione, avendo inventato … una bicicletta. La rotazione dei pedali di questo intricato dispositivo ha portato all'attrito di due barre, che, quando riscaldate, bollivano l'acqua. Un piccolo motore a vapore ruotava il generatore e le ruote erano azionate da un motore elettrico. La cosa più sorprendente, questa bici è stata in grado di muoversi (anche se molto lentamente)! La giuria sembrava proprio così. Ma poi, non hanno ancora costruito la Toyota FCEV! ..

Posizione delle unità Toyota FCEV:

1 - motore; 2 - centralina elettronica; 3 - celle a combustibile; 4 - reattore per la conversione di metanolo in idrogeno; 5 - un serbatoio del carburante; 6 - batterie.

Struttura della cella a combustibile.