Химики решили кормить автомобили водородными таблетками
Учёные наметили ещё один вариант обеспечения машин энергией, что благоприятен с экологической точки зрения и конкурентоспособен в плане экономики. И пускай перед нами только лабораторные испытания, нельзя исключать, что они предсказывают переход транспорта на горючее нового формата. Свежее изучение ложится в целую обойму альтернатив, родственных по сути.
В случае если сказать о топливной эффективности и чистоте выброса, то, думается, тяжело придумать что-то лучше комбинации «водород – топливные элементы» (ТЭ). Последние владеют КПД, намного громадным, чем у ДВС. А спокойная реакция на их электродах даёт на выходе пар.
И так как, что приятно, на горизонте уже показывается удешевление ТЭ, пока ещё заметно проигрывающих ДВС в стоимости. Так, сравнительно не так давно Дженерал моторс выстроила водородные ячейки нового поколения — более компактные, лёгкие и недорогие, чем прошлые образцы, а в Британии создали относительно простое водородное авто, также на топливных элементах. Оно демонстрирует, как экономичным возможно таковой транспорт.
Но остаётся открытым вопрос наилучшего метода хранения водорода на борту. H2 возможно держать в сжатом виде, но таковой баллон многие именуют не в противном случае как бомбой. В случае если перейти на жидкий водород, то так же не обойтись без неприятностей: он неимеетвозможности плескаться в баке через чур продолжительно — неизбежны утраты на испарение.
Honda FCX Clarity – один из самых современных водородных машин. Водород тут хранится в баллоне под большим давлением (иллюстрации Honda).
До тех пор пока нет броских удач в «набивании» водорода в какую-нибудь полимерную пену, приходится искать новые пути надёжной и плотной упаковки столь желанного горючего.
Из-за чего бы не применять соединения легчайшего элемента, но не привычные углеводороды, дающие парниковый CO2 на выходе? учёные и Инженеры уже продемонстрировали на практике, что ездить возможно на аммиаке, очевидно сжигаемом в ДВС. Учитывая, но, что аммиак ядовит, — это не наилучший вариант.
С горя эксперты пускаются на самые экзотические поиски. К примеру, японцы создали недорогие ТЭ на гидразине (вот уж отрава чистой воды), и способ надёжного хранения его в машине в виде жёсткого полимера. Другие варианты снабжения авто «чистой» энергией включают топливную ячейку на базе борида ванадия и использование в качестве транспортного энергоносителя обычного крахмала.
Боразан похож по строению на этан, но в обычных условиях есть не газом, а жёстким веществом, похожим на бесцветный воск (иллюстрация Ben Mills).
Но имеется ещё целая несколько родных видов горючего. Химические гидриды — твёрдые вещества или жидкости, каковые хранят в собственном составе водород при плотности, куда более высокой, чем у водорода, сжатого до 500-700 воздухов, либо кроме того у жидкого.
Химические гидриды легко производят водород «по требованию», скажем, при маленьком нагреве (до температур порядка 70-150 градусов, в некоторых случаях — выше). А такие температуры смогут в виде бросового тепла предоставлять сами топливные элементы.
Одним из перспективных гидридов считается боран аммиака (ammonia borane) либо боразан (borazane). Его формула: H3NBH3. При комнатной температуре и атмосферном давлении – это жёсткое соединение с плотностью 0,78 грамма на кубический сантиметр, которое содержит по весу аж 20% водорода.
Учёные из Тихоокеанской Северо-западной Национальной Лаборатории (PNNL) как-то установили, что боран аммиака производит водород многократно стремительнее, будучи нанесённым на наноструктурированные «леса» из кварца. Возможности боразана не первый раз завлекают внимание исследователей (иллюстрация Pacific Northwest National Laboratory).
Это довольно высокий показатель, разрешающий, в теории, создать водородные авто с пробегом не меньшим, чем у бензиновых, и с боразановым «баком», малым по размеру, чем классический бензобак.
Но главной загвоздкой для данного вида энергоносителя (и это относится ко всем химическим гидридам) есть восстановление дегидрированного (отработанного) горючего. Оно должно быть несложным, а ещё — экономически и энергетически оправданным. В противном случае вся выдумка с новым хранилищем H2 теряет суть.
Сейчас учёные из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (Los Alamos National Laboratory), университета Алабамы (University of Alabama) и центра разработки химических средств хранения водорода министерства энергетики США (DOE Hydrogen Program — Chemical Hydrogen Storage Center of Excellence) нашли занимательное ответ.
Они открыли, что одна из форм отработанного боразана — полимер полиборазилен (polyborazylene) — может быть обращён обратно в боран аммиака при помощи последовательности недорогих скромной порции и реагентов энергии. Причём целый комплект реакций может всецело проходить в одной ёмкости.
Так возможно записать превращение полиборазилена в боразан, отлаженное авторами нового изучения(иллюстрация Benjamin L. Davis et al./Angewandte Chemie).
И это открывает возможность для широкомасштабной промышленной переработки полиборазилена, разрешающей замкнуть круг. (Подробности изучения изложены в статье в Angewandte Chemie.)
Рециклинг отработанного боразана должен быть налажен на особых фирмах. Учитывая, что само это вещество в далеком прошлом используется в химической индустрии, неприятностей с этим быть не должно (иллюстрация Benjamin L. Davis et al./Angewandte Chemie).
Сходный подход к решению проблемы хранения водорода используют и создатели аммиачных пилюль — эксперты датской компании Amminex. Материал, из которых состоят эти пилюли, назван AdAmmine.
Аммиакаты – база «Адаммина» – изобретения Йенса Норскова (Jens K. Norskov), основателя компании Amminex (фото Jens K. Norskov/Technical University of Denmark).
AdAmmine получается путём экспозиции аммиака в присутствии солей типа MCl2 (где M — магний, кальций и другие металлы). Аммиак реагирует с солями, образуя сложный комплекс наподобие Mg(NH3)6Cl2.
Это совсем надёжный в обращении (возможно брать в руки), достаточно стабильный жёсткий материал, что содержит много водорода на единицу количества (порядка 110 граммов на литр) и веса (более 9%) и производит его при нагреве.
Время, прошедшее с момента изобретения AdAmmine, бесплатно не прошло. Компания наладила выпуск разных по составу и размеру его вариаций (Hydrammine), проработала вопросы применения собственных пилюль в качестве источника горючего для ТЭ различных типов (высокотемпературных твёрдооксидных, к примеру, либо, скажем, ТЭ, потребляющих напрямую аммиак, производимый такими «зарядами»).
Hydrammine, содержащий 4 килограмма водорода (красная канистра), и для сравнения количество горючего той же массы при жидкого водорода (в центре) и газообразного, сжатого в 500 раз. Такое количество водорода при отправке его в топливные элементы свидетельствует пробег легковушки приблизительно в 300-450 километров (иллюстрация Amminex).
Кроме этого Amminex создала разработку очистки выброса простых моторов от оксидов азота при помощи добавки в него толики аммиака из картриджа с «Адаммином» (он вступает в реакцию с оксидами, преобразуя их в воду и азот).
В общем, как и боразан, солевые пилюли со «запрятанным» в них водородом могут быть увлекательным вариантом для питания транспорта будущего. Не напрасно технологическая ассоциация European Tech Tour этим летом включила Amminex в перечень «Топ-24» европейских компаний, разрабатывающих самые многообещающие «зелёные» разработки.
Совокупность очистки выброса от компании Amminex содержит блок управления, ёмкость со сменными блоками «Адаммина», маленькое стартовое устройство (электрический подогреватель) и комплект трубок, производящих чистейший аммиак в маленьких дозах в выхлопной тракт, где он вступает в реакцию с оксидами азота (иллюстрации Amminex).
На этом поиски не заканчиваются. Разные группы учёных экспериментируют с упаковкой водорода в комплексы и соединения, основанные на литии, магнии и боре. Всё идёт к тому, что кто-то первым решится продемонстрировать в работе автомобиль, что заряжается картриджами с жёстким горючим, «дышащим» водородом.
Ещё пара примеров изделий с применением разработки датских аммиачно-солевых пилюль. Слева: блок «жёсткого аммиака» весом 100 граммов. Содержит 74 литра (либо 52 грамма) чистого аммиака (полагая при обычных условиях).
Если бы данный аммиак был газом, с целью достижения подобной плотности упаковки его потребовалось бы сжать до давления в 900 воздухов.Справа: блок выпуска и хранения аммиака, содержащий 400 граммов этого соединения. При КПД энергетической установки (ТЭ, в частности) в 50% это эквивалентно одному киловатт-часу электричества (фотографии Amminex).
В случае если разделять оптимизм учёных из Лос-Аламоса, вторичная переработка таких картриджей со временем окажется в полной мере конкурентоспособной отраслью, соответственно — бензоколонки смогут уступить место станциям по продаже брикетов с «Адаммином» либо всё тем же бораном аммиака.
