Hidrogenul, combustibilul viitorului
1. Oportunitatea alternativei hidrogenului
1.1 Perspectiva energetica
Evenimentele politico-economice de la inceputul celui de-al 8-lea deceniu al secolului nostru, carora multi au fost tentati sa le atribuie doar un caracter de cojunctura pasagera au arata ca, din pacate criza combustibililor fosili constitue un fenomen cronic. Dezechilibrul creat intre cresterea demografica si explozia industriala pe de o parte si cant 636h73g itatile limitate de petrol, gaze naturale si carbune pe de alta, pune acut la ordinea zilei problema gasirii unor solutii alternative pentru subsistenta transportului aerian si rutier. Facand un bilant al disponibilatilor, aceste alternative sunt: energia nucleara, energia electrica, alcoolii si hidrogenul. Referitor la sursele neconventionale citate, energia nucleara si cea electrica nu pot fi luate in considerare deocamdata, pentru traficul rutier si aerian. Prima dintre acestea reclama instalatii pentru producerea, protectia si conversia energiei al caror volum si masa nu pot interesa decat domeniul naval de foarte mare tonaj si raza de actiune fiind incompatibile cu gabaritele mijloacelor de transport aerian si rutier.
Alcoolii pot constitui doar o sursa de acoperire partiala a consumului de produsi petrolieri si aceasta in tarile care dispun de mari resurse teritoriale pentru productia de biomasa.
Rezulta, ca singura cale disponibila in procesul cercetarii privind acoperirea necesitatilor energetice de viitor in domeniul transporturilor ramane hidrogenul.
1.2 Analiza comparativa a proprietarilor fizico-chimice ale hidrogenului
Hidrogenul se distinge prin compozitia elementara, densitate, proprietari de difuzie in aer, temperaturile de fierbere, congelare si ardere, cantitatea de aer stoichiometrica, domeniul de inflamabilitate, energia de aprindere, puterea calorica si viteza de ardere.
Compozitia elementara. Spre deosebire de combustibilii hidrocabonati, hidrogenul nu are in compozitia moleculara alte substante, astfel incat printr-o ardere corecta el nu produce decat apa. Hidrogenul arde, in general, complet si doar in domeniul amestecurilor foarte bogate pot fi gasite in gazele de evacuare urme de hidrogen complet inofensiv. Singurul poluant la evacuare il constitue oxizii de azot al caror nivel poate fi redus prin masuri adecvate.
Densitatea. Hidrogenul prezinta cele mai mici densitati atat sub forma gazoasa, cat si lichefiat. Puterea sa calorica superioara diminueaza intr-o oarecare masura acest dezavantaj, fara a-l elimina. Este si aceasta o motivare a tentatiei de a utiliza hidrogenul sub forma lichida.
Viteza de difuzie. Hidrogenul este net superior oricarui alt combustibil, chiar si gazelor naturale. Valoarea ridicata a coeficientului de difuzie in aer garanteaza o foarte rapida amestecare a sa cu combustibilul, deci formarea a unui amestec omogen. Gradul de periclitare datorita difuziei poate fi neglijat, data fiind experienta acumulata deja in domeniul sistemelor de alimentare cu gaze naturale si de petrol; tehnica realizarii acestora a aratat o perfecta securitate, scaparile de gaze in timpul exploatarii fiind complet excluse.
Temperaturile de fierbere si congelare. Valorile foarte coborate ale temperaturilor de fierbere si congelare garanteaza completa vaporizare a combustibililor in procesul de formare a amestecului si corecta functionare a motorului la temperaturi coborate. Fata de benzina, temperatura de ardere a hidrogenului este mai mare; aceasta avantajeaza randamentul termic dar nu constituie o circumstanta favorabila pentru formarea oxizilor de azot, care, la amestecul stoichiometric apar in concentratii mai mari in gazele de evacuare.
Domeniul de inflamabilitate. Dozajul stoichiometric se realizeaza in cazul hidrogenului pentru o valoare a cantitatii de aer de peste doua ori mai mare decat in cazul combustibililor hidrocarbonati. Aceasta impune, evident o reconsiderare dimensionala a elementelor sistemului de alimentare cu combustibil si aer.
Energia de aprindere si viteza de ardere. Energia de aprindere este o particularitate a combustibililor care influenteaza hotarator initierea arderii. Hidrogenul are nevoie de o foarte mica energie de excitatei, fapt care determina si o intarziere la aprindere inferioara combustibililor hidrocarbonati.
Aprinderea lesnicioasa si arderea rapida pot provoca initieri ale arderii in momente nedorite (la motoarele cu piston in timpul compresiei) sau gradienti de presiune care sa provoace solicitari mecanice nepermis de mari.
Particularitatile fizico-chimice ale hidrogenului, relevate mai sus pot ridica unele semne de intrebare in legatura cu organizarea generala a proceselor de ardere si arhitectura incintelor de reactie atat pentru motoarele cu ardere interna cu piston, cat si pentru cele cu reactie, turbina sau turboreactoare.
2. Utilizarea hidrogenului in transportul aerian
2.1 Cerintele combustibililor pentru motorul turboreactor
Dezvoltarea motoarelor pentru aviatie a pus in evidenta necesitatea realizarii de combustibil care sa tina seama de urmatoarele aspecte de baza
a) degajarea puternica de caldura intr-un volum redus, pentru mentinerea in limite rezonabile a greutatii si dimensiunilor motorului.
b) Calitati de antipompaj, astfel incat debitul de combustibil sa asigure o ardere stabila si la temperaturile foarte scazute, intalnite la inaltime.
c) Pornire foarte rapida si sigura la sol la temperaturi scazute. In cazul unei opriri accidentale la inaltime, repornirea trebuie sa fie usoara si sigura.
d) Puterea calorica a combustibilului cat mai ridicata avand in vedere consumurile mari ale turbinelor cu gaze.
e) Reziduurile combustiei sa nu aiba un efect daunator asupra elementelor motorului si asupra mediului.
f)Combustibilul sa aiba caracteristici care sa asigure o stabilitate cat mai mare in functionare.
g) Combustibilul sa fie disponibil in cantitati suficiente. Acest aspect are o importanta speciala si explica evolutia ultimilor 10 ani pentru combustibilii destinati aviatiei militare.
h) Pretul combustibilului, care intervine considerabil si direct in rentabilitatea de exploatare a companiilor aeriene, sa fie scazut.
2.2 Principalele cai si particularitatile utilizarii hidrogenului in motoare turboreactoare
Perspectiva utilizarii hidrogenului in motoarele aparatelor de zbor se poate studia in urmatoarele ipoteze:
-hidrogen folosit suplimentar la combustibilul petrolier principal;
-hidrogen folosit drept combustibil de baza;
-hidrogen atomic in calitatea de combustibil;
-hidrogen ca fluid de lucru.
Utilizarea hidrogenului ca aditiv. Adaugarea hidrogenului la hidrocarburi se foloseste pentru ameliorarea caracteristicilor de exploatare ale motoarelor prin:
-reducerea emisiei de substante poluante si cancerigene;
-extinderea zonei de functionare stabila a camerelor de ardere in situatia saracirii amestecului combustibil-aer;
-cresterea economicitatii si durabilitatii motorului;
-reducerea consumului de hidrocarburi traditionale.
Pentru calculul compozitiei de echilibru a produselor de ardere disociate, de obicei se folosesc urmatoarele ipoteze:
-produsele de ardere reprezinta un fluid de ardere ideal ce se supune ecuatiei de stare a gazului ideal si se afla in echilibru energetic, chimic si de faza;
-entalpiile componentelor amestecului disociat, caldura lor specifica si constantele de echilibru nu depind de presiune;
-arderea are loc adiabatic si stationar, caracterizandu-se prin omogenitatea parametrilor in sectiunea transversala a camerei de ardere si degajare totala a caldurii. Ipotezele prezentate permit sa se simplifice considerabil calculul si o descriere acceptabila a proceselor ce au loc la temperaturi inalte.
Utilizarea hidrogenului pur. Utilizarea hidrogenului drept combustibil in motoare turboreactoare permite sa se realizeze camere de ardere compacte cu camp termic mai uniform la iesire. La o putere data a motorului functionarea cu hidrogen se caracterizeaza prin valori mult mai reduse ale temperaturii gazelor in turbina, ca urmare a unei mult mai ridicate calduri specifice a gazelor, in comparatie cu functionarea cu hidrocarburi clasice. Utilizarea hidrogenului lichid in sistemele de racire a partilor cele mai solicitate termic poate permite cresterea substantiala a temperaturii maxim admisibile a gazelor in fata turbinii si reducerea consumului de combustibil. Arderea hidrogenului se caracterizeaza printr-o capacitate redusa de radiatie si absenta formarii de funingine, adica in conditii de exploatare caracteristicile motorului nu se deterioreaza in timp, iar durata de viata, fata de functionarea cu hidrocarburi, creste. Problema utilizarii hidrogenului in calitate de combustibil de baza si suplimentat la motoarele turboreactoare si la alte motoare cu ardere interna, merita o atentie deosebita.
Utilizarea hidrogenului atomic. Cea mai mare tractiune a motorului, mai mare decat in alte combinatii efective de carburanti si comburanti in principiu, se poate obtine pe seama energiei chimice a radicalilor liberi a substantelor ce se afla in stare chimica instabila. Disocierea moleculelor in radicali liberi conduce la absorbtia de energie. Hidrogenul atomic este un accelerator al reactiilor chimice in particular al reactiilor de oxidare a combustibililor cu oxigen. In prezent obtinerea si mentinerea hidrogenului atomic cu concentratie inalta si in cantitati mari la bordul mijloacelor de transport, reprezinta o problema tehnica extrem de dificila.
Utilizarea hidrogenului ca agent termic. De perspectiva ar putea fi utilizare hidrogenului in calitate de agent termic in flux energetic inchis cu compresia termochimica a hidrogenului intr-un schimbator de caldura hibrid, pe seama caldurii produselor de ardere ale motoarelor termice. Calculele au arata ca utilizarea unei astfel de modalitati de folosire a caldurii produselor de ardere ale motoarelor turboreactoare poate asigura cresterea puterii si a economicitatii intregii instalatii cu 20%.
2.3 Caracteristicile de poluare ale motorului turboreactor cu hidrogen
La finele lui decembrie 1978 au inceput cercetari asupra caracteristicilor tehnico-economice si de toxicitate ale motoarelor turboreactoare atunci cand functioneaza cu hidrogen si amestec de hidrocarburi-hidrogen-aer. A fost creata in U.R.S.S o instalatie experimentala pe baza unui motor turboreactor cu camera de ardere inelara si injectia combustibilului in contracurent, echipata cu 8 injectoare mixte ce asigura injectarea simultana si separata a hidrocarburii si hidrogenului. Injectarea hidrogenului in camera de ardere se poate realiza prin 4 tuburi ceramice dispuse sub injectoarele de combustibil, uniform distribuite pe circumferinta. La temperaturi egale ale gazelor in fata turbinei, puterea motorului functionand cu hidrogen, a fost mai mare cu 8-10%, iar consumul specific de hidrogen mai mic de 3,5-4 ori fata de cazul functionarii cu motorina. In afara de aceasta, s-au facut cercetari ale caracteristicilor de toxicitate ale camerei de ardere cu injectia combustibilului in echicurent la utilizarea in calitate de combustibil a petrolului, motorinei, hidrogenului si a amestecurilor acestora. Adaosuri nesemnificative de hidrogen in aerul primar al camerei de ardere reduc apreciabil indicele emisiei de oxizi de carbon.
2.4 Realizari si perspective
Pentru aviatie, principalele probleme care preocupa specialistii in legatura cu utilizarea hidrogenului sunt adaptarea motorului si asigurarea serviciului. Prima dintre acestea evidentiaza urmatoarele aspecte:
Nu exista suficienta experienta de manipulare a hidrogenului lichid pe aeroporturi sau de incarcare repetata a aparatelor, aspecte ce vor fi de o evidenta necesitate. Dupa parerea personalului NASA, obisnuit cu astfel de operatii de la rachetele Saturn si Centaur, dificultatile vor fi destul de mari si este cert ca, un program de incercari al unui aparat functionand cu hidrogen va trebui sa rezolve corelat problema manipularii fara pericol a acestui produs, la temperaturi sub 220 C pentru a avea o valoare semnificativa;
La volume egale hidrogenul cantareste de 10 ori mai putin decat petrolul dar este din punct de vedere energetic de 4 ori mai slab ca acesta, fapt ce va impune marirea cantitatilor necesare in zbor si deci vor aparea greutati in proiectarea avioanelor;
pentru proiectantii si constructorii de motoare turboreactoare, hidrogenul este un combustibil ideal, care nu cere decat modificari minore la motoarele existente. Dupa parerea unor specialisti, asemenea motoare vor avea durata de viata cu 25% mai mare ca cea a motoarelor actuale, necesitand cu 25%mai putin timp de intretinere;
hidrogenul are o temperatura de ardere mai mare ca a petrolului obisnuit si deci posibilitatea obtinerii unor puteri mari;
prezinta avantajul ca poate fi folosit si ca agent de racire a motorului si a partilor incalzite ale avionului;
elimina aproape complet poluarea atmosferei, in comparatie cu poluarea pe care o produc combustibilii petrolieri;
o problema importanta ce trebuie avuta in vedere se refera la faptul ca, la motoarele care functioneaza cu hidrogen, trebuie luate masuri speciale de pompare intre rezervoare si motoare. Acestea utilizeaza hidrogenul in stare gazoasa in timp ce in rezervoare este stocat in stare lichida. Este necesara o foarte mare cantitate de caldura pentru transformarea din stare lichida in stare gazoasa. Cum pe avioanele existente nu sunt surse de caldura disponibile la bord, este foarte posibil ca o parte din hidrogenul existent la bordul avioanelor sa fie folosit pentru aceasta transformare.
2.5 Obtinerea si utilizarea hidrogenului in spatiul cosmic
Specialistii de la NASA au analizat posibilitatea utilizarii hidrogenului pentru motoarele viitoarelor aparate de zbor extraterestre. Din acest punct de vedere s-a ajuns la concluzia ca utilizarea acestuia prezinta mari avantaje dar si dezavantaje. Hidrogenul poate fi utilizat sub forma lichida, inmagazinat de pe Pamant in rezervoare. In acest caz apare dezavantajul faptului ca pentru zboruri pe durate mai lungi conservarea hidrogenului devine o problema dificila. In plus, rezervoarele ar trebui sa aiba dimensiuni mari ceea ce ar pune probleme constructive.
O alta solutie care pare a fi mai viabila este utilizarea hidrogenului extraterestru. Acest lucru poate fi obtinut direct din spatiul cosmic sau utilizand materiale aduse de pe pamant in mod special.
Pentru obtinerea hidrogenului din spatiul cosmic in cazul orbitelor joase, ar fi necesar un captator de 30 m in diametru. Desi densitatea acestui gaz la altitudini de 300 km este redusa, totusi datorita volumului mare acoperit se pot obtine rezultate imbucuratoare cu atat mai mult cu cat odata cu hidrogenul se obtine si oxigenul necesar realizarii combustiei de tip O2/H2. Studiile efectuate au demonstrat superioritatea acestui tip de combustii.
Acest mod de producere a hidrogenului armane valabil totusi pentru paturile joase ale atmosferei, relativ 300 km, unde acest element mai este inc prezent.
Pentru inceput, desi combustibilul O2/H2 este o optiune, avand in vedere dificultatile ce apar pentru depozitarea si lichefierea H2, cel putin in primele misiuni extraterestre de anvergura, acesta nu va fi utilizat.
Desi din punct de vedere al energiei degajate reprezinta un combustibil deosebit de valoros, totusi O2/H2 nu poate fi utilizat decat pentru zboruri pe orbite joase ale Pamantului, unde poate fi obtinut din mediul inconjurator, sau poate fi folosit direct adus de pe Pamant. Pentru zboruri pe alte Planete problema ramane deschisa, ridicandu-se probleme nu atat legate de producerea O2/H2 cat mai ales probleme legate de depozitarea si lichefierea H2.
Aceste probleme au fost solutionate, data fiind larga utilizare in domeniul rachetelor a asa-numitelor trepte de energie inalta care folosesc combinatia de combustibil hidrogen/oxigen (Ex.: Sistemul SATURN, sistemul CENTAUR).
3. Utilizarea hidrogenului in transportul rutier
3.1 Probleme generale
Problemele care se ridica la utilizarea hidrogenului in transportul rutier deservit de motoarele cu ardere interna sunt: capacitatea motoarelor termice de a functiona cu hidrogen, efectele noului combustibil asupra performantelor motoarelor si modul de stocare la bordul vehiculului.
In ceea ce priveste motorul cu aprindere prin comprimare, se poate spune ca perspectiva functionarii sale cu hidrogen este nesigura. Afirmatia se sprijina pe faptul ca in stadiul actul de dezvoltare a instalatiilor de alimentare, hidrogenul se preteaza mai putin la formarea interioara a amestecului. Injectia sa in cilindru in faza lichida este foarte dificila din cauza temperaturii de fierbere extrem de coborate.
La valorile ridicate ale rapoartelor de comprimare specifice motoarelor diesel si la regimul termic ridicat al acestor motoare, alimentarea prin formarea exterioara a amestecului este legata de riscul unei aprinderi prea timpurii, necorespunzatoare dezvoltarii normale a ciclului motor.
3.2 Influenta utilizarii hidrogenului asupra caracteristicilor motorului cu aprindere prin scanteie
Motorul cu hidrogen pur. Incercarile de adaptare a motorului cu aprindere prin scanteie la functionarea cu hidrogen, incepute inca din deceniul al 3-lea al secolului nostru de Ricardo, Broustell si Erren, nu au capatat extindere decat dupa 1970. Materialul documentar acumulat in acest domeniu dispune de date suficiente pentru clarificarea aproape integrala a tuturor aspectelor problemei, cu unele rezerve privitoare la stocaj si distributie. Pornind de la premisa ca hidrogenul va constitui combustibilul exclusiv al viitorului, primele incercari au fost organizate pentru a se studia comportamentul motoarelor termice care folosesc hidrogen pur. Abia in al 8-lea au fost dezvoltate lucrari ample in care hidrogenul a fost privit ca un aditiv menit a prelungi existenta actualelor resurse petroliere si pentru a imbunatati caracteristicile de poluare. Ulterior s-a constatat ca interventia acestui combustibil in combinatie cu benzina poate aduce si ameliorarea randamentului termic la sarcini partiale.
Datorita domeniului de inflamabilitate relativ larg care a permis adoptarea calitativa a reglajului de sarcina, majoritatea studiilor au fost intreprinse pe motoare fara laminarea admisiunii, alimentarea cu combustibil in cantitati variabile facandu-se, de regula, in afara cilindrilor fie prin injectie, fie folosind carburatoare.
Randamentul efectiv al motorului cu aprindere prin scanteie functionand cu hidrogen este superior cu circa 35% celui obtinut la functionarea cu benzina si se obtine pentru amestecuri mult mai sarace, fata de 1,1 la functionarea cu benzina; cresterea eficientei ciclului motor odata cu saracirea amestecului se explica, pe de o parte prin reducerea caldurii specifice a amestecului de gaze, pe de alta parte, coeficientul de variatie molara m l l
la arderea hidrogenului in aer creste cu saracirea amestecului.
Dupa unele informatii, la motorul cu hidrogen puterea si presiunea medie sunt cu 20-25% mai mici decat cele intalnite la functionarea cu benzina, dar probabil ca scaderea este ceva mai mica (18-20%) tinand seama si de imbunatatirea arderii.
Motorul cu aprindere prin scanteie se comporta diferit la functionarea cu hidrogen si in ceea ce priveste solicitarile mecanice, exprimate prin presiunea maxima de ardere si gradientul de presiune.
Experimentarile efectuate pa un motor standard pentru determinarea cifrei octanice IT-9/2 au relevat ca, modificand coeficientul de dozaj intre limitele 1,0-3,4 gradientul de presiune a scazut de la 0,45 Mpa/ RAC la 0,05 Mpa / RAC atingandu-se astfel valori mult inferioare celor atinse uzual in motorul cu aprindere prin scanteie si mai ales in motorul diesel. Franarea arderii se poate realiza prin injectia de apa in amestecul aer-hidrogen, asa cum a relevat experimentul Daimler-Benz in 1984; deasemenea, la prototipurile "Pontiac Grande Ville" si "Dodge", in 1976, hidrogenul era amestecat cu aerul intr-un dispozitiv separat, iar carburatorul motorului era folosit pentru pulverizarea de apa in galeria de admisie.
Un ultim aspect care se cere analizat este rezistenta la detonatie a motorului cu aprindere prin scanteie care utilizeaza hidrogen. In unele lucrari mai timpurii se releva slaba rezistenta la detonatia motorului cu aprindere prin scanteie la functionarea cu hidrogen.
O alta observatie in privinta motorului cu hidrogen vizeaza lubrificatia. Cercetarile efectuate in Japonia au aratat ca hidrogenul nu influenteaza negativ lubrificatia. In lucrarea mentionata se releva ca, consumul de ulei este echivalent cu cel al motorului cu benzina, daca regimul termic si presiunile inferioare din cilindru sunt aceleasi.
Consumul de ulei creste cand creste sarcina si depresiunea din colectorul de admisie precum si odata cu marirea vascozitatii. O cantitate de circa 10% din uleiul consumat se regaseste sub forma de hidrocarburi in gazele de evacuare. La motoarele uzate, scaparile de hidrogen in carter nu deterioreaza caracteristicile lubrifiantilor.
Putem formula urmatoarele concluzii privitoare la utilizarea hidrogenului pur in motorul cu aprindere prin scanteie:
a) Procesele termodinamice din motorul cu hidrogen sunt stabile intr-o plaja larga de variatie a coeficientului de dozaj l in cazul in care alimentarea se face pulsatoriu in galeria de admisie;
b) La amestecuri apropiate de dozajul stoichiometric functionarea motorului cu hidrogen este mai dura decat a celui cu benzina;
c) Puterea motorului este inferioara celui cu benzina cu 18-20%dar prin formarea interioara amestecului puterea poate fi marita;
d) Din punct de vedere al randamentului indicat, al consumului specific si al emisiei de NOx, valoarea optima a coeficientului de dozaj se situeaza intre limitele l
e) Functionarea motorului cu hidrogen la sarcini reduse si relantii este mai economica decat cea a motorului cu benzina.
Motorul cu amestec hidrogen-benzina. Fata de motorul cu benzina cel cu hidrogen functioneaza mai economic la sarcini inferioare dar creeaza o diminuare a puterii maxime. Aceasta a dus la ideea folosirii hidrogenului in amestec cu benzina; prin modificarea corespunzatoare a raportului hidrogen-benzina si a coeficientului de dozaj, se pot imbina avantajele economicitatii oferite de hidrogen la sarcini partiale cu obtinerea celor mai inalte densitati de energie de care este capabila benzina.
Formarea amestecului in acest caz s-a realizat atat prin injectie cat si prin carburatie, reglajul se poate efectua dupa 3 metode : pastrarea constanta a cantitatii de hidrogen la toate regimurile functionale ale motorului; mentinerea neschimbata a cantitatii procentuale de H2 raportata la cantitatea de benzina; variatia permanenta a cantitatii procentuale de hidrogen in raport invers proportional cu sarcina in limitele 0-100%.
Primul procedeu este mai simplu si nu necesita dispozitive de reglare complicate schimbarea sarcinii facandu-se ca la sistemele clasice numai prin variatia debitului de benzina.
Deoarece cantitatile de hidrogen si benzina se modifica permanent, sistemul de alimentare devine mai complicat iar controlul sau exact impune interventia electronicii care favorizeaza astfel folosirea sistemelor de injectie.
Incercarile pe standul cu role dupa ciclul urban au relevat ca, consumul de combustibil este inferior cu 30-35% fata de cel realizat cand se utilizeaza numai benzina. Aceasta inseamna ca in cazul folosirii amestecului hidrogen-benzina, se realizeaza o economie de combustibil hidrocarbonat de 70-75% in raport cu motorul cu benzina.
3.3 Motorul cu aprindere prin comprimare
Datele privitoare la rezultatele experimentelor aplicarii hidrogenului la alimentarea motoarelor diesel, desi dateaza mai demult, sunt mai sarace. Se stie ca firma "National" a prezentat la o expozitie londoneza un motor diesel de 8 Kw la care puterea era mai mare cu 25% fata de varianta standard, iar mersul mai putin zgomotos. Firma "Leyland" a fost si ea preocupata de dezvoltarea unui motor diesel care sa functioneze cu hidrogen pur sau in adaos. Motorul "Beadmor" cu care a fost echipat un autobuz, a aratat ca prin diluarea motorinei consumul acesteia se reduce cu 30%.
3.4 Stocarea la bordul vehiculelor
Sunt cunoscute trei metode, riguros studiate, de inmagazinare a hidrogenului la bordul autovehiculelor rutiere: in rezervoare de presiune, in rezervoare criogenie si in recipiente cu hidruri metalice. In ultimii ani sunt cercetate fara rezultate finale, procedee de stocare a hidrogenului in acumulatoare cu microsfere de sticla sau in medii poroase metalice precum si folosirea unor purtatori organici lichizi.
Rezervoarele criogenie au cel mai favorabil raport masic, cu exceptia rezervoarelor de combustibil de provenienta petroliera; un astfel de rezervor este insa complicat si scump, necesita un mare consum de energie pentru lichefiere, prezinta un oarecare grad de insecuritate, mai ales la umplere, iar sistemul de umplere se scumpeste si se complica; in plus, apar pierderi importante la transport, alimentare si in timpul depozitarii.
Hidrurile prezinta avantajul celor mai mici consumuri energetice primare, accepta sisteme de aprovizionare simple si ieftine, au un mare grad de securitate pasiva dar au un raport masic ridicat ceea ce reduce raza de actiune a vehicolului.
Spre deosebire de rezervoarele criogenie, stocarea hidrogenului in stare gazoasa in butelii sau in hidruri necesita cheltuieli primare mai mici, iar valoarea specifica a acestora scade cu presiunea de inmagazinare.
In cazul particular al folosirii microsferelor de sticla sau a mediilor poroase metalice se mai adauga si energia de incalzire pana la 770-870 K, necesara depasirii pragului de difuzie care se ridica la cca. 1,8 kWh/kg. Tinanad seama de toate acestea se poate calcula un coeficient de eficienta relativa h
h=(Eb-Eh)/Eb=DE/Eb
in care Eb si Eh reprezinta totalul consumurilor energetice raportate la un Km de rulaj in cazul benzinei si respectiv, al utilizarii hidrogenului ci un procedeu de inmagazinare oarecare.
Procedeul cel mai economic din cele disponibile il constituie hidrurile metalice combinate. In cazul autobuzelor cuplul Ti-MgNi permite sa se reduca costul specific de rulaj cu 5-12% la functionarea cu hidrogen pur si cu 15-22% cand se utilizeaza amestecuri.
Hidrurile metalice. Exista numeroase cupluri metalice care au proprietari de retinere a hidrogenului in diverse densitati variind intre 1-10% din masa materialului absorbant. Pentru a selecta materialul cel mai potrivit stocarii hidrogenului la bordul unui autovehicol trebuie sa se tina seama ca hidrura respectiva trebuie sa aiba o masa specifica cat mai mica, sa asigure o capacitate de absorbtie cat mai inalta, sa fie densa, sa nu ceara un consum energetic de desorbtie ridicat, sa prezinte un grad redus de insecuritate prin aprindere si explozie, sa aiba o caracteristica favorabila de modificare a presiunii in gama de temperaturi 20-200 C si sa fie cat mai putin costisitoare.
Utilizarea cuplului de hidruri pentru stocarea hidrogenului la bordul vehicolelor ar aduce urmatoarele avantaje:
a) Eficienta ridicata datorita consumurilor energetice primare reduse.
b) Sisteme de alimentare a rezervoarelor simple, ieftine si fara pericol, dat fiind ca presiunea de alimentare este de 0,2-1,0Mpa .
c) Raport masic rezervor combustibil la valori care nu afecteaza obiectionabil masa vehicolului si permit atingerea unor raze de actiune acceptabile, mai ales in traficul urban.
d) Fiabilitate teoretic nelimitata, deoarece cercetarile de pana acum nu au aratat o dependenta notabila a capacitatii de absorbtie a hidrurilor de numarul de cicluri incarcare-descarcare.
e) Deoarece hidrurile au caracter de absorbtie selectiv ar putea folosi in perspectiva reteaua existenta de aprovizionare cu gaze, in care s-ar introduce si hidrogenul necesar transportului rutier.
3.5 Producerea hidrogenului la bordul autovehiculelor
Solutia care prezinta interes neindoielnic pentru transportul rutier este oferita de reactia de substitutie a hidrogenului din molecula de apa cu ajutorul unei substante care se poate regenera ulterior; dintre acestea se disting aluminiu si unii compusi ai carbonului si siliciului.
Daca se noteaza cu M substanta care mijloceste procesul chimic, atunci reactia generala se poate scrie sub forma:
aM+bH2OàcM O H +gH2+DQ
in care marimile c,d,e,f si g se determina din bilantul de masa
g+f/2=b, c=a/d, e=ab/d, DQ=efectul termic al reactiei.
Amestecul de vapori de apa si hidrogen poate fi utilizat ca atare dar in acest caz puterea motorului se reduce cu pana la 60% in comparatie cu folosirea benzinei. De aceea se prefera separarea prealabila a vaporilor de apa si alimentarea motorului numai cu hidrogen. Pentru aceasta, dupa iesirea din reactor, amestecul vapori de apa-hidrogen cu o mare energie potentiala se destinde pe peretele unei turbine apoi intra intr-un separator unde, prin racire, apa se condenseaza si este condusa din nou spre reactor iar hidrogenul este trimis in motorul cu ardere interna. O astfel de instalatie are o putere majorata cu 50-60% fata de motorul cu ardere interna care foloseste benzina.
3.6 Formarea amestecului
Formarea amestecului combustibil-aer poate fi efectuata in interiorul sau exteriorul cilindrului. In toate cazurile dispozitivele de formare a amestecului trebuie sa raspunda cerintelor motorului precizate de caracteristica de dozare pentru regimurile stabilizate si de respectarea normelor de consum si poluare la regimurile tranzitorii.
In cazul formarii exterioare a amestecului-fie ca este vorba de hidrogen pur, fie de combinatia hidrogen-benzina este folosit un dispozitiv numit frecvent amestecator-dozator, de fapt tot un carburator conceput pentru a folosi combustibil gazos. Procedeul se distinge prin simplitate constructiva, modalitati de reglare usoara si pret de cost redus.
Dimensionarea elementelor de dozare cu benzina si hidrogen in functie de presiune poate fi facuta tinandu-se seama de normele de poluare sau de cerintele consumului de combustibil; cercetarile experimentale au relevat ca, dat fiind domeniul de inflamabilitate foarte larg al hidrogenului, cele doua conditii pot fi indeplinite simultan.
Principalul neajuns al echipamentelor care asigura formarea exterioara a amestecului la alimentarea cu hidrogen il constitue arderile in colectorul de admisiune si chiar in dispozitivul de amestecare si dozare.
Procesul se poate produce pe timpul admisiunii sau imediat la inceputul ei, in perioada de suprapunere a deschiderii supapelor; flacara astfel aparuta se propaga cu viteze mari, caractestice arderii hidrogenului, in colectorul de admisiune spre dispozitivul de amestec care. Pe langa pericolul de incendii, fenomenul atrage dupa sine scaderea puterii majorarea consumului de combustibil.
Factorii care influenteaza aprinderea timpurie a amestecului hidrogen-aer si insinuarea flacarii in galeria de admisiune sunt: regimul termic al motorului, viteza de aprindere si ardere a amestecului, dozajul, sarcina si turatia. Intensificarea solicitarii termice a motorului mareste probabilitatea aparitiei fenomenului, deoarece amestecul proaspat ajunge mai rapid la temperatura de aprindere spontana.
Prin saracirea amestecului si injectie de apa, masuri care conduc la micsorarea temperaturii de ardere, probabilitatea producerii aprinderii timpurii se micsoreaza.
Metoda cea mai eficienta de combatere a procesului de ardere in galerie consta in a forma astfel amestecul, incat galeria de admisiune sa nu contina decat aer. Pentru aceasta combustibilul trebuie adus imediat in amontele supapei de admisiune sau sa se recurga la formarea interioara a amestecului-in acest ultim caz intoarcerea flacarii fiind complet exclusa.
CONCLUZII
Experienta acumulata pana in prezent certifica posibilitatea utilizarii hidrogenului in transporturile aeriene si rutiere, cu utilizarea actualelor mijloace termice in structura carora nu se impun modificari de esenta. Principalul obstacol ramane numai producerea hidrogenului in cantitatile necesare consumului la un cost rezonabil.
Mai raman totusi de cercetat unele aspecte tehnice care lasa sa se intrevada posibilitatea unor imbunatatiri suplimentare in procesul de folosire a hidrogenului.
In ceea ce priveste solutia motorului cu amestec hidrogen-benzina sau hidrogen-motorina, cele mai multe probleme restante sunt legate totusi de poluare. Desi, concentratiile noxelor la evacuare sunt foarte mici exprimate insa in emisii specifice unele din ele pot intrece la sarcini partiale nivelul motorului cu benzina, mai ales in ceea ce priveste hidrocarburile nearse. Aceasta particularitate se datoreaza admisiunii libere care face ca debitul de gaze de ardere sa nu se modifice, practic, cu sarcina.
Exista si parerea ca utilizarea TiFe ar putea fi dezvoltata pentru conditionarea aerului in autobuze sau pentru racirea vehiculelor frigorifice. Proiectul se bazeaza pe faptul ca chiar la -20 C hidrogenul este eliberat de recipient la presiuni utile.
In incheiere se poate afirma ca alternativa hidrogenului reprezinta solutia energetica in care omenirea isi pune deocamdata cele mai mari sperante in ceea ce priveste traficul aerian si rutier. Afirmatia este sustinuta de vastele programe de cercetari si dezvoltare in care sunt angajate numeroase organisme internationale si majoritatea statelor cu tehnologie avansata care sustin material si organizatoric eforturile ce se intreprind, ceea ce justifica pe deplin sustinerea studiilor si cercetarilor proprii, in acest domeniu de perspectiva.
BIBLIOGRAFIE
"HIDROGENUL-COMBUSTIBILUL VIITORULUI"
Mihail Stratulat; Stefan Ispas
|
