Энергия көзі ретінде сутегі элементін пайдалану

Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 4
1. Сутегі энергетикасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.1. Таза сутегіні алудың жаңа технологиясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...8
1.2. Сутегіні судан электролизсіз алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .9
2. Сутегі элементі отынымен жүретін экологиялық таза автомобиль ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .10
2.1. Автомобиль. байлықтың көзі емес, қозғалыс құралдары ... ... ... .12
2.2. Сутегіні сақтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 15
2.3. Autonomy концепциясы бойынша инфрақұрылымды
қайта құру ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...16
3. Жел тербелісіне тәуелсіз орнықты режимде жұмыс істей.
тін жел жылулық электр станцияның (ЖЖЭС) жобасы ... ... ... ... 20
4 Сутекті авиация ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...24
4.1. Жер бетіндегі қондырғылар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..27
5. Шет елдердегі «сутегі энергетикасының» мәселелері ... ... ... ... ..29
5.1 Ресейдегі сутегі энергетикасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...30
Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..34
Қолданылған әдебиеттер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 35

Қазіргі кезде энергетика отыны мен экологиялық мәселелердің өзектілігі мен масштабының маңызы зор. Жақын арадағы он жылдықта энергия өндірісін органикалық отындар (көмір, мұнай, газ) арқылы дамыту мүмкін емес. Бұл оның қорының шектеулігі мен өндірістің басқа саласына қажеттілігі және қоршаған ортаны ластауына байланысты туындап отыр.
Энергия көзінің ең перспективті, алдыңғы қатарлы түрі сұйық және газ тәрізді күйдегі сутегіні отын ретінде пайдалану. Отындарға қойылатын талаптардың барлығын сутегі қанағаттандырады.
Жел жылу электр станциясының жобасы - жел электр станциясынан алынған электр энергияны электролиз арқылы судан сутегі мен оттегіге айырып, осы элементтерді терең мұздату арқылы арнайы резервуарларда жинақтау мақсатында, яғни электр энергияны ұзақ уақыт бойы тұрақты өндіруге жеткілікті түрде сақтау мақсатында қолдануға негізделеді. Бұдан соң сутегі және оттегі арнайы камера-туннелді жанарғыға сутегіні оттегімен қосып жағу үшін беріледі. Жану өнімдері асқын қызған су буы болып табылады. Осы жағдайда сутегіден жылу бөлінеді.
Адамзат дүние жүзілік экономиканы дамыту барысында орны үнемі толтырылып тұратын ресурстарды пайдалануға бірте-бірте көшуде.
Қазіргі уақытта өнеркәсіп автокөліктің отынын мұнайдан сутегіге ауыстыратын жаңа революцияны бастауда. Сутекті отындық элементтермен жүретін автомобильдердің пайда болуы энергетиканы өзгертетіндігі және қоршаған ортаның жағдайын адамдардың жеке қозғалғыштығына кедергі келтірмей жақсартатындығы анықталған.
Табиғи газбен жабдықталатын тұрғын үйлерді және бірлестіктерді енді сутегімен жабдықтау жоспарлануда. Әйткенмен сутегіні таратудың қажетті жүйесін қалай жасау керектігі жөніндегі пікірталастар жалғасқанымен, кейбір жерлерде сутегіні тарату желілері бар екендігі қарастырылған.

1. Домашенко А.М., Горбатский Ю.В. Жидкий водород в проблеме «Водородная энергетика». //Энергия: экономика, техника, экология. №7. 2006. С.13-19.//
2. Лоуренс Бернс (Lawrence D.Burns) Аккумулятор Новостей.
// News.Battery.Ru.//
3. Жарков С.В. С водородной энергетикой по пути. // Энергия: экономика,
техника, экология. №3. 2006. С.35-38.//
4. Кондратьев К.Я., Крапивин Ф.В. Современные состояние и перспективы
развития мировой энергетики. // Энергия: экономика, техника, экология.
№2. 2006. С. 17-23.//
5 Иейндлин А.И. Некоторые проблемы энергетики. // Энергия: экономика,
техника, экология. №8. 2005. С. 2-11.//

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 34 бет
Таңдаулыға:

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ
ҚАЗАҚ МЕМЛЕКЕТТІК ҚЫЗДАР ПЕДАГОГИКА ИНСТИТУТЫ

ФИЗИКА КАФЕДРАСЫ

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

Энергия көзі ретінде сутегі элементін пайдалану

Орындаған: Физика – информатика
мамандығының 4-курс студенті ___________________ Дуаева Д.Е.

(қолы)
Ғылыми жетекшісі:
Ф.м.-ғ.д., проф.______________________________ ______Ершина А.Қ.
( қолы, күні)

Қорғауға жіберілді:
Физика каф. меңг.
Т.ғ.д., проф. ___________________________________ ___Жамалов А.Ж.
( қолы, күні)

Алматы 2007

Мазмұны

Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... .4
1. Сутегі
энергетикасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ...5
1.1. Таза сутегіні алудың жаңа
технологиясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 8
1.2. Сутегіні судан электролизсіз
алу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .9
2. Сутегі элементі отынымен жүретін экологиялық таза

автомобиль ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ..10
2.1. Автомобиль- байлықтың көзі емес, қозғалыс құралдары ... ... ... .12
2.2. Сутегіні
сақтау ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... 15
2.3. Autonomy концепциясы бойынша инфрақұрылымды
қайта
құру ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... .16
3. Жел тербелісіне тәуелсіз орнықты режимде жұмыс істей-
тін жел жылулық электр станцияның (ЖЖЭС) жобасы ... ... ... ... 20

4 Сутекті
авиация ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... 24
4.1. Жер бетіндегі
қондырғылар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...2
7
5. Шет елдердегі сутегі энергетикасының
мәселелері ... ... ... ... ..29
5.1 Ресейдегі сутегі
энергетикасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .30

Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... .34
Қолданылған
әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... 35

Реферат

Дипломдық жұмыс 5 бөлімнен, 4 суреттен тұрады және 5 әдебиет
пайдаланылды.
Дипломдық жұмыстың мақсаты: Энергия көзі ретінде сутегі элементін
пайдалану. Бірінші тарауда сутегіні алудың жаңа технологиясы, екінші
тарауда автомобильдердің сутегі элементін отын ретінде қолданудың пайдасы
қарастырылған. Үшінші тарауда жел жылу электр станциясының жобасы
келтірілген. Төртінші тарауда авиацияның криогендік отынға біртіндеп
ауысуы және бесінші тарауда шет елдердегі соның ішіндегі Ресейдегі
сутегі энергетикасының мәселелері анықталған.
Қайнар сөздер: электролиз, резервуар, авиация, криоген, сутегі
элементі, сутегі энергетикасы, жел жылулық электр станциясы, сутекті
авиация.

Кіріспе

Қазіргі кезде энергетика отыны мен экологиялық мәселелердің
өзектілігі мен масштабының маңызы зор. Жақын арадағы он жылдықта энергия
өндірісін органикалық отындар (көмір, мұнай, газ) арқылы дамыту мүмкін
емес. Бұл оның қорының шектеулігі мен өндірістің басқа саласына қажеттілігі
және қоршаған ортаны ластауына байланысты туындап отыр.
Энергия көзінің ең перспективті, алдыңғы қатарлы түрі сұйық және газ
тәрізді күйдегі сутегіні отын ретінде пайдалану. Отындарға қойылатын
талаптардың барлығын сутегі қанағаттандырады.
Жел жылу электр станциясының жобасы - жел электр станциясынан алынған
электр энергияны электролиз арқылы судан сутегі мен оттегіге айырып, осы
элементтерді терең мұздату арқылы арнайы резервуарларда жинақтау
мақсатында, яғни электр энергияны ұзақ уақыт бойы тұрақты өндіруге
жеткілікті түрде сақтау мақсатында қолдануға негізделеді. Бұдан соң сутегі
және оттегі арнайы камера-туннелді жанарғыға сутегіні оттегімен қосып жағу
үшін беріледі. Жану өнімдері асқын қызған су буы болып табылады. Осы
жағдайда сутегіден жылу бөлінеді.
Адамзат дүние жүзілік экономиканы дамыту барысында орны үнемі
толтырылып тұратын ресурстарды пайдалануға бірте-бірте көшуде.
Қазіргі уақытта өнеркәсіп автокөліктің отынын мұнайдан сутегіге
ауыстыратын жаңа революцияны бастауда. Сутекті отындық элементтермен
жүретін автомобильдердің пайда болуы энергетиканы өзгертетіндігі және
қоршаған ортаның жағдайын адамдардың жеке қозғалғыштығына кедергі келтірмей
жақсартатындығы анықталған.
Табиғи газбен жабдықталатын тұрғын үйлерді және бірлестіктерді енді
сутегімен жабдықтау жоспарлануда. Әйткенмен сутегіні таратудың қажетті
жүйесін қалай жасау керектігі жөніндегі пікірталастар жалғасқанымен, кейбір
жерлерде сутегіні тарату желілері бар екендігі қарастырылған.

Сутегі энергетикасы
1. Құрамы.
Сутегі энергетикасы келесідей негізгі бағыттардан тұрады:
Метан (NH4) мен күкіртті (SH) сутектен тұратын табиғи газдардан және
судың ыдырауы негізінде арзан сутегін алудың ірі ауқымды процесін және
олардың тиімді әдістерін жасау;
Энергетикада, өндірісте, көлік коммуникацияларында сутегіні
қолдану, тасымалдау және сақтау технологиялары;
2. Қызметі, негізгі функционалдық көрсеткіштері.
Сутекті технология тропосфераға оның ішінде атмосфераның жерге жақын
қабаттарында улы агенттерінің эмиссиясын азайтып, қоршаған ортаның
ластануының қарқынды өсуін тоқтатуға мүмкіндік береді. Метан мен күкіртті
сутекті табиғи газдардан үлкен көлемді сутегін алғанда, дәстүрлі
әдістермен салыстырғанда меншікті өнімділігі 100 есе артық
плазмалық–мембраналық (жарғақшалық) технология қолданылуы мүмкін. 1м3
сутегіні алуға қажетті меншікті энергия шығындары дәстүрлі технологиямен
іске асырылғандағыдан 2-3 есе (жуықтап 1кВтсағ) кем болады. Сутегіні
судан өндіру Ресейде шығарылатын МФ-4СК катионда өткізгіш мембрана базалы
электролизерлердің жаңа типінде сутегіні жоғары тазалықпен өндірудің
меншікті энергия шығындары дәстүрлі жүйелермен салыстырғанда 1,5- ке кем.
Аппараттардың меншікті өнімділігі алдыңғы аппараттармен салыстырғанда 10
есе жоғары.
3. Қолдану аясы.
Сутекті технология жердегі көліктің әртүрін, авиациялық сұйық
сутекті күштік қондырғыларын, сутекті энергияны аккумуляциялаудың
стационарлық энергия жүйелерін (жел, күн және басқа энергия қондырғылардың
түрлері) отынмен автономды қамтамасыз ету үшін қолданылады. Сутегіні
химияда, газ және мұнай химиясында, минерал тыңайтқыштарды өндіруде,
биотехнологияда, металлургия мен т.б. қолдану процестерді дәстүрлі
ұйымдастырудан бас тартуға, оның сапасын арттыруға және атмосфераны
ластайтын негізгі зат қалдықтарын толықтай жоюдағы үнемділікті арттыруға
мүмкіндік береді.
4. Сутегі энергетикасын таңдауға себеп не?
Сутегі технологиясы тыңайтқыш, метанол, сонымен бірге мұнай өңдеу
процестерінде құнды реагент және шикізат есебінде ірі ауқымды, арзан
сутегіні алуға мүмкіндік береді. Шикізаттың ресурсы шексіз. Сутегі
экологиялық таза энергия тасымалдаушы болып саналады, оны энергетикада,
өнеркәсіпте және көлікте қолдану қоршаған ортаның күйіне әсері мол, себебі
экологиялық таза энергия болып табылады.
5. Даму тенденциясы және күйі.
Қазіргі уақытта Ресейде плазмалы-мембраналық технологияның
көмегімен табиғи күкіртті-сутекті газдан, метаннан сутегіні алудың және
қолданудың жаңа жоғары тиімді технологияларын іске асыратын
демонстрациялық қондырғылардың бірқатары жасалды. Бұл жағдайда
катализаторлар мен газ таратудың дәстүрлі сұйық жүйелері қатыспайды. Ол
мембраналық аппараттардың қатысуымен іске асады. Әлемдегі жүйелерде осы
стадияның орнына экологиялық тұрғыдан дұрыс емес, энергия шығыны (2-3 рет)
неғұрлым жоғары энергия шығынды және төменгі меншікті өнімді үлкен
термокатализдік процесс жүреді.
Қазіргі уақытта Курчатов институты ГНЦ ауданында қуаты
200 киловатт деңгейінде зерттеулер аяқталуда және 1мегаватт
қуат деңгейінде өнімділігі 10м3сағ тәжірибелік-өнеркәсіптік стадияға
өту талап етілуде. Ұсынылатын технологияның әлемдік аналогтары жоқ,
сондықтан оған бірқатар шетелдік жетекші фирмалар қызығушылық танытуда. МФ-
4СК катион өткізгіш мембрананың негізіндегі тиімділігі жоғары
электролизерлер үшін НИОКР-дің циклі аяқталды және ресейлік технологиямен
жоғары жетілдірілген электролизерлерді жасау қолға алынды. Шетелдік жақсы
үлгілердің деңгейі Nafion мембранасы базасында 50м3сағ және бұл
меншікті сипаттамалары бойынша жоғарыда көрсетілген негізгі параметрлерге
жақын.
Сол отандық мембрананы қолданып Ресейде сутегі-ауалы қоспаны
қолданатын және пайдалы әсер коэффициенті η=75%, 10-20 киловаттық
электрохимиялық генераторлар жасалған, бұл жағдайда жүйелер тек таза суды
эмитациялайды, қалдықтың токсинді компоненттері толығымен болмайды.
Көп нәрсе, әрине мемлекет басшыларының жүргізіп отырған саясатына
тәуелді. Ресейдің энергетикалық жүйесін дамыту стратегиясының мәселелері
шешілетін жағдайда негізгі күшті–энергетиканы көмір өндіретін салаға
қатысты құру керек пе, әлде энергоресурстарды үнемдеуге назар аударуымыз
керек пе деген қызу пікірталастар туады. Ресей ғылым академиясында
Болашақтың энергиясы атты форум өтті, шараны – Ресей ғылым академиясы,
Ресей ЕЭС-і РАҚ, ААБ Газпром, Ресейдің кәсіпкерлері мен
өнеркәсіпкерлерінің одағы, Жаһандық энергия қоры және басқа ірі ғылыми-
өндірістік компаниялар мен институттар ұйымдастырды. Форум – қатысушылардың
жоғары деңгейін және талқылаудың жоғары деңгейін, қойылған мақсатқа
жетудегі логикалықты-экономиканың орнықты дамуына ықпал етуді (ұсынылған
баяндамаларға сай) көрсетті. Сутегі энергетикасының даму перспективалары
жайында академик Геннадий Месяц баяндады. Бізді Мюнхенде есігінде Н2О
деп жазылған автобуспен алып жүргенде, бізге сутегі энергетикасы–қол
жетерлік перспектива екендігі түсінікті болады. Академик Г.Месяц сутегі
энергетикасын дамыту жөніндегі бағдарламаға басшылық етеді. Бұл салада
Ресей ғалымдарында өте салиқалы еңбектер бар, онда электрохимия мен
катализдің онсыз сутегі энергетикасын ойластыру ойға сыйымсыз болатын
мектеп бар немесе тіптен фантастикалық жоба–гелий-3 отынын Айдағы
термоядролық энергетикалық қондырғылар үшін отын алу қиял-ғажайып жоба.
Академик Владимир Фортов сөзсіз оқымыстылардың тағы да осы саланың
жақын және алыс перспективаларын талдағаны өте керемет, бірақ бәрінен бұрын
академиктер осы айтылған жақсы идеялардың жүзеге асырылғаны тіптен жақсы
болар еді,- деді. Әріптестерім осы мәселелердің мемлекет басшыларының
саяси еркіне байланысты екендігімен келіседі, - деп баса айтты
академик В.Фортов. Әрине форумның барлық маңызды тақырыптары бос
қалмайтындығына сенімдіміз, себебі талқылауға Ресей ЕЭС-і РАО, Газпром
және РСПП секілді басқада компаниялардың өкілдері қатысты. Форум қоғамға
физика, химия, энергетикадағы жаңа идеяларды демонстрациялады. Және,
бүгінгі таңда, форумда төрағалық еткен академик В.Фортовтың сөзі бойынша
ЕЭС Ресей РАО экономикамен тығыз байланысты ғылымдарда 6 бағыт бойынша
зерттеу жұмыстарын қаржыландыру туралы келісім бар. Біз қазіргі кезеңде
керекті жұмыстармен айланысқандарға және ғылыммен айналысуға қызығушылық
білдіретін ғалымдарға материалдық қолдау көрсетуіміз қажет,- деп ЕЭС
Ресей РАО басшылығының төрағасының орынбасары іргелі зерттеулерді қолдау
компаниясына қатысу жайында Леонид Гозман баса айтты. Сондықтан іргелі
зерттеулерге сыйлық беріп және перспективалы ұзақ мерзімді зерттеу
жобаларына грант тағайындаймыз,-деді.Форум аясында ұйымдастырушысы
Ресей ЕЭС-і РАО-сы болған, Жаңа генерация сыйлығымен жас ғалымдарды 1-
ші марапаттау салтанаты өтті.
Академик Владимир Фортов айтып өткендей, келесі жылы сыйлықтың
өлшемі артады деген үміт бар. Форумда Ресей федерациясының энергетикалық
саясаты заңының негіздерін де талқылады. Бұларды академик В.Фортовтың
пікірі бойынша біздің нормативті-құқықтық базамыздың мәселелері
болатындықтан тез арада шешуіміз керек. Біздің заңнамамыз қарапайым. Бұл
бірінші мәселе болғандықтан әрине мемлекетімізге ұят,- деп академик
В.Фортов сөзін аяқтады.

1.1 Таза сутегіні алудың жаңа технологиясы
Айдахо штатының (АҚШ) инженерия және қоршаған ортаны зерттейтін
Мемлекеттік зертханасы Ceramatec американдық компаниясымен бірлесіп, судан
жоғары температуралы электролиз арқылы сутегіні алудың жаңа технологиясын
жасауда. Осы жұмыстарды жүргізу үшін 2,6 миллион доллар бөлінді, ал
құрылғының коммерциялық пайдалы варианты 2017 жылы пайда болады деп
күтілуде. Суды электролиздің көмегімен сутегі мен оттегіне жіктеу тәсілі
бұрыннан белгілі. Алайда, бұл әдісті қолдану іс жүзінде сутегіні алуға
қажетті электр энергиясының шығындары оны отын ретінде қолданудың
пайдасынан артық болатындықтан тиімді емес. Американдық ғалымдар жобалап
жатқан құрылғыға жоғары температуралы гелийлі реакторларды қолданбақ.
Мұндай реакторлар газотурбиналы циклда пайдалы әсер коэффициенті жоғары
электр энергияны өндіреді, сонымен қатар көп мөлшердегі жылу энергиясын
өндірудің мүмкіндігін қамтамасыз етеді.
Болашақ комплекстің жұмыс істеу принципі мынадай. Электр тогын
өткізгенде су молекулаларының сутегі және оттегіне бөлінуі іске асады.
Температураны бұдан ары 1000 градус цельсиге дейін арттырғанда оттегі
мембрана арқылы өтеді, ал резервуарда таза сутегі қалады. Зерттеушілер
ұсынған негізгі жаңалық, мембрананың материалымен байланысты. Оны әзірлеу
үшін оттегі мен сутегінің қайта рекомбинациясын болдырмайтын жұқа
керамикалық пластикаларды қолдану жобалануда. Жаңа технология бұдан ары
энергетикалық қолданыс үшін өнім ретіндегі салыстырмалы қымбат емес
сутегіні алуға мүмкіндік береді.

1.2 Сутегіні судан электролизсіз алу
Әдеттегі электролизді инженерлер сутекті көлікті қоректендіруге
қажетті сутегінің өнеркәсіптік көлемдерін алудың тәсілі ретінде қарастырса,
британдық компания Hydrogen Solar фотоэлектрохимиялық әдіс неғұрлым
пайдалы деп санайды. Tandem Cell компаниясы сутегіні өндіруге арнайы күн
панельдерінің пакеті қолданылатын технологияны ойлап тапты. Олардың
біріншісі – жартылай мөлдір, ол ультракүлгін және көгілдір сәулелерді
жұтып, сонымен қатар метал оксидінің нанокристалдық қабатын қолданып,
электрон-кемтік жұбын туғызады. Басқа сәулелер (жасыл, қызыл) одан ары
екінші панельге өтеді. Екі панель де айрықша тәсілмен өткізгіштермен
қосылған және сонымен бірге суды құраушыларға жіктейтін потенциалды
туғызады. Бұл жағдайда жіктелу процесі екі панельдің арасына құйылған судың
жұқа қабатында өтеді.
Процестің пайдалы әсер коэффициентін авторлар 8% деп бағалайды.
Ауданы жобамен 65 шаршы сантиметр Hydrogen Solar зертханасында жұмыс
жасайтын тәжірибелік құрылғы күніне сутегінің бірнеше килограмын өңдейді.
Ғалымдардың бағалауы бойынша жүйенің пайдалы әсер коэффициентін 10%-ке
жеткізсек және гараж шатырын осындай панельдермен жапсақ, онда
автомобильдің отын элементінде 17 мың километрлік жылдық жүрісіне
жеткілікті сутегін өндіруге болады, авторлардың есептеуі бойынша, судың
дәстүрлі электролизі біраз қымбаттау, себебі оған энергияны өңдеудің екі
стадиясы (екі түрлі жүйе) керек, (қымбат күн панельдері, жел диірмендері,
толқындық станция немесе атом энергиясы) сәйкесінше электролизге қажетті
аппараттар өте үлкен көлемді және онда катализатор ретінде қолданылатын
платина мен палладий қымбат метал болып келеді.
Tandem Cell неғұрлым бәсекеге қабілетті техника болуы керек, әзірше
шындығында, технологиялық зерттеу мен жетілдіруді қажет етеді.

2. Сутегі элементі отынымен жүретін экологиялық таза автомобиль
1886 жылы Карл Бенц сарайдан өзі жасаған моторлы экипажын шығарып,
өзгеріс дөңгелегін айналдырып жіберді. Автомобильдің пайда болуы өмір сүру
үрдісінің түбірлі өзгеруіне және сол кезде күтпеген өзгерістерге әлемдік
экономиканың түрленуіне әкелді. Жеке көліктерге қол жеткізушілік әлемді
неғұрлым анық жасады және сол қоғамның келбетін қалыптастырған
өнеркәсіптік күрделі инфрақұрылымдарды туғызды.
Қазіргі уақытта өнеркәсіп автокөліктің отынын мұнайдан сутегіге
ауыстыратын жаңа революцияны бастауға дайын. Сутегі атомын протондар мен
электрондарға ажыратып және электр двигателі әрекетке келтіретін отындық
элементтер атмосфераға су буынан басқа ештеңе бөлмейді. Автомобильдер тек
таза болып қана қоймай, қауіпсіз, жайлы, мүмкін арзан да болады. Бұдан
басқа жылу элементтеріндегі көлік сутегі элементі негізінде жасыл
энергетикаға өтуді тездетеді. Бұл жағдайда энергияны қолдану, өндіру
түбірлі өзгереді.
• Отын элементтерінде сутегінің химиялық энергиясының электр
энергиясына түрленуі зиянды қалдықсыз іске асады. Сондықтан
электромобильдер қоршаған ортаны ластамайды. Рульді басқару,
тежелудің жинақы жүйелерінен үйлесе отырып жылулық элементтердің
газдық технологиясы инженерлерге қоршаған ортаның күйін кең кузовтан
(мүмкін алмалы- салмалы) шассиді бөлуге мүмкіндік береді.
• Сутекті отындық элементтермен жүретін автомобильдердің пайда болуы
энергетиканы өзгертеді және қоршаған ортаның жағдайын адамдардың жеке
қозғалғыштығына кедергі келтірмей жақсартады.
• Тұйықталған шеңбер: отындық элементтері бар автомобильдер кеңінен
таралу үшін оңай жеткізілетін сутегі керек. Инфрақұрылымға қажетті
жағдайды жасау үшін, жолдарда мұндай автомобильдер
пайдаланатынсутегілі элементтері жеткілікті мөлшерде болуы қажет.
Қазіргі уақытта үлкен өзгерістерге қолайлы жағдай жасалған.
Біріншіден, көміртекті іштен жану двигательдері қаншалықты жеткілікті,
сенімді және үнемді болғанымен мүмкін шегіне дейін жетті. Конструкцияны
үздіксіз жетілдіруге қарамастан, пайдалы әсер коэффициенті, яғни отындағы
энергияны дөңгелектердің айналу жұмысына түрлендіру тиімділігі, қазіргі
уақыттағы іштен жану двигательді автомобильдерінде 20-25%-тен аспайды. АҚШ-
тың автомобильдік өнеркәсібі 1960 жылмен салыстырғанда жану түтіндеріндегі
зиянды заттардың концентрациясын: көміртектерін 99%-ке, көміртегі оксидін
(СО) 96%-ке, азот оксидін 95%-ке кемітті. Бәрібір (СО2) көміртегі газының
қалдықтары Жер шарының климатының өзгерісіне әкелетіндіктен қауіп туғызады.

Жаңа технологияларды қолданғанымызға қарамастан іштен жану
двигательдерінің пайдалы әсер коэффициентінің 30% -тен асу ықтималдығы аз,
бәрібір көміртегі газының қалдықтарынан құтылу қиын. Отындық элементтері
бар автомобильдерде пайдалы әсер коэффициенті екі есе жоғары, яғни ол
екі есе аз энергия тұтынады. Жылу элементтерінің атмосфераға су буымен
бірге жылу бөлетіндігі маңызды. Соңында газтекті сутегіні табиғи газдан,
этил спиртінен, судан (оны электролиздеу арқылы) уақыт өте келе –
энергияның жаңартылатын көздерін қолдану арқылы алуға болады. Сондықтан,
Daimler Chrysler, Ford, General Motors, Honda, PSA Peugeot-Citroen,
Renault-Nissan және Toyota автомобиль құрушы компаниялардың зор тобы
сутегі элементімен жүретін автомобильдерді жасауда жүйелі жұмыстарды
бастады.

2.1 Автомобиль – байлықтың көзі емес, қозғалыс құралдары
1960 жылы автомобиль иелері Жер тұрғындарының 4%-тен астамын құрады,
20 жылдан кейін планета тұрғындарының 9%-ін, ал қазір 12%-ін құрайды. Егер
өсу қарқыны осылай сақталса 2020 жылға қарай машиналар планетаның 15%
тұрғындарында болады. Тұрғындардың саны 20 жыл ішінде қазіргі 6 миллиардтан
7,7 миллиардқа дейін өссе, автомобильдердің әлемдегі жалпы саны 700
миллионнан 1,1 миллиардқа өседі. Бұл өсу дамушы елдердегі орташа кластың
қарқынды дамуымен және жеке автомобильді алуға тікелей тәуелді, жан басына
шаққандағы орташа кірістің артуына да байланысты.
Бүгінде әлемдік автопарктің төрттен үш бөлігі АҚШ-та, Еуропада және
Жапонияда шоғырланған. Әйткенмен жуық арадағы 10 жылға келетін сатудың 60%-
тен астамы болжамдарға қарағанда жаңа нарықтар: Қытай, Бразилия, Үндістан,
Корея, Ресей, Мексика, Польша және Тайландқа келеді. Бұл қауіпсіз, үнемді
және экологиялық жағынан таза болатын қымбат емес автомобильдерді жасауды
қажет етеді.

Отындық элементтері бар автомобильдер электрлік жүктемелі
автомобильдер болып табылады. Әйткенмен двигатель энергияны аккумуляторлық
батареядан (электрохимиялық) емес, жылулық элементтер батареяларынан
алады. (1-сурет).

1-сурет. Жылулық элементтер батареялары.

Электр тогы сутегі атомдарынан жылу элементінің мембранасы арқылы
өткен электрондардың үзілуінен өндіріледі. Пайда болған электр тогы
дөңгелекті айналдыратын электрлік двигательдерді әрекетке келтіреді.
Сутегі атомының протондары бұдан соң оттегі және электрондармен қосылып,
нәтижесінде су (бу ретінде) пайда болады. Таза сутегіні қолданғанда отындық
элементтері бар автомобильдер тіптен зиянды қалдықтарды бермейді.
Көміртегі молекулаларын реформингтау немесе суды электролиздеу арқылы
сутегіні алу энергияны қажет етеді. Және жылу элементтерінің үлкен пайдалы
әсер коэффициенті есебінен энергетикалық шығындар артығымен өтелсе де,
бастапқыда әйтуір бір энергия қажет. Табиғи газды, мұнайлы немесе көмірлі
электр станциялар көміртегі газы мен басқа да парникті газдарды бөліп
шығарады. Атомдық электр станцияларда (АЭС) бұл кемшіліктер кездеспейді.
Бәрінен бұрын электр энергиясын сарқылмайтын энергия көздерінен-
биомасса, гидроэлектростанциялар, күн, жел және геотермалды қондырғыларды
қолданып өндірген дұрыс. Сутегіні көліктің отыны ретінде қабылдап
мұнайға деген тәуелділіктен құтылып, энергияның әртүрлі басқа көздерін
қолдануға көшу қажет.
Нақты төңкерістік моторлы экипаждың жасалуы рульді басқару, тежеу
механикасын және газды алмастыратын электронды құрылғылармен жылу
элементтерін интеграциялауды білдіреді. Бұл кеңістікті үнемдеуге мүмкіндік
береді, себебі электрлік жүйелер, механикалық жүйелерге қарағанда жинақы
және олардың жұмысын программалауға болады. Бұдан басқа дәстүрлі
трансмиссияның болмауы автомобиль жасаушыларға жаңа конструкцияларды
таңдауда үлкен еркіндік береді. General Motors компаниясы AUTOnomy
концепциясын жасады және оны 2002 жылдың басында іске асырды. Hy-wire
(hydrogen by-wire, яғни электрлік жүйемен басқарылатын сутекті)
эксперименттік модель 2002 жылы қыркүйекте Париж автосалонында көрмеге
ұсынылды. Электромобильдің негізі скейтбордты еске түсіретін және онда
жылу элементтері, сутегісі бар баллон, жылу алмастырғыштар, электр
двигательдердің жүріс механизмдері және электроникасы бар, сонымен қатар
тежеу және басқару жүйелері орналасқан аласа шасси еді.(2-сурет).

2-сурет. AUTOnomy концепциясы бойынша аласа шасси.

Шассиді кузовпен қосу үшін электрлік ажыратқыш және бірнеше механикалық
бекіткіштер қолданылады. Алмалы-салмалы кузовтардың көмегімен машинаны өте
жайлы, жанұялық седан автомобиліне немесе минивэнге айналдыруға болады.
Сутекті отынды элементтердегі автомобильдер екі есе аз энергия
пайдаланады, себебі олардың пайдалы әсер коэффициенті іштен жану
двигательді автомобильдерге қарағанда екі есе жоғары.
Басқару мотоциклінің рулін еске түсіретін, X-Drive консолінің
көмегімен іске асады. Оны оң немесе сол руль күйіне орналастырып
автомобильге көлденең орнатуға болады. Сапасы өте жақсы жүру механизмінің
бөліктері, Hywire моделінің басқарушылығы және орнықтылығы массалар
центрінің төменде орналасуы есебінен іске асады.
Автомобиль конструкциясын жеңілдету (Autonomy концепциясы қамтамасыз
етеді) автомобиль жасау өндірісіне үлкен ықпал етеді. Детальдар типінің
мөлшерін азайту және оларды үйлестіру өнеркәсіптің үлкен көлемі есебінен
шығындарды айтарлықтай төмендетуге әкеледі. Осылайша, кузовтардың
әрқилылығына қарамастан шассидің үш түрі болады: жинақы, орташа және
үлкен. Отындық батарея полимерлі электролиттен жасалған мембраналармен
бөлінген жазық анод және катодтың бірдей элементтерінен құралады.
Автомобильден қажет ететін қуатқа сай, көп немесе аз осындай элементтерден
тұратын батареяны құрастыруға болады. Қазір әйткенмен бүгінгі отынды
элементтерде қымбат полимер мембраналар қолданылғанымен, катализаторлар
ретінде асыл металдар алынғанымен, катализаторларды арзандату мен
мембраналарды арзандатуда белгілі бір жетістіктер бар.

2.2 Сутегіні сақтау
Жылу элементтеріндегі практикалық көлік коммуникацияларын жасаудың
техникалық қиыншылықтары шешілген жоқ. Маңызды мәселелердің бірі – бір рет
құйғандағы 500 километрге жететіндей сутегінің мөлшерін сақтаудың
эффективті және қауіпсіз тәсілін жасау болып табылады. Жылу жүйесі -400С-
тан +450С температуралар аралығында жұмыс істеп және 250000 километрден
кем емес ресурсқа ие болуы қажет, бұл жағдайда отынды құю бірнеше минутқа
ғана созылуы керек. Сутегіні сақтаудың бірнеше тәсілі бар. Ол үш түрде
болуы ықтимал: сығылған газ күйінде, сиретілген күйде және қатты дене
түрінде. Барлық тәсілдер перспективалы, бірақ әрқайсысының өзінің
техникалық қиындықтары бар. Бәрінен бұрын, бастапқыда сығылған газды
баллондар қолданылады, бірақ жоғары қысым әрине, қауіп туғызады. Бүгінде
сығылған сутегі жүйелері 350 барға дейінгі қысымды қолдануға мүмкіндік
береді, бірақ автомобильдің бір рет сутегіні құйғаннан кейін жүретін
жолын арттыру үшін, жұмыстық қысымды 700 барға дейін жеткізу керек.
Қауіпсіздікті қамтамасыз ету үшін баллон кем дегенде екі есе артық соққы
қысымға төтеп беруі қажет. Қазіргі таңда баллондар көмірлі пластик сияқты
өте қымбат материалдардан немесе өте ауыр материалдардан жасалады. Сонымен
қатар баллондар өте үлкен болғандықтан, бұл олардың автомобильде
орналастыруын қиындатады.
Сутегіні сонымен қатар сығылған түрде сақтауға болады, бірақ оны
сығу температурасына дейін (-2530С) суыту үшін үлкен энергия шығындары
қажет. Бұнымен қоса, әр тәулік сайын сұйықтың 3-4%-і қайнайды.
Неғұрлым сәтті шешім–сутегіні қатты күйдегі жүйелерде тасымалдау.
Метал гидридтерін қолдану перспективалы болып табылады, онда сутегі
губкадағы су сияқты метал құйманың престелген ұнтағының қуыстарында
ұсталынды. Артықшылығы – жүйе конструкциясының қарапайымдығы,
қауіпсіздіктің үлкен деңгейі және үлкен сыйымдылық. Әйткенмен, сутегіні
гидридтен алу үшін 1500С-тан 3000С аралығындағы температура қажет.
Энергияның пайдасыз шығындарын болдырмау үшін 800С–қа жуық
температурада сутегіні босатып алуды игеруіміз керек. Әйткенмен осы
саладағы зерттеу жаңадан басталып жатса да, қатты түрдегі жүйеде
сутегіні сақтау әдісі өте тартымды болып табылады.

2.3 Autonomy концепциясы бойынша инфрақұрылымды қайта құру
General Motors компаниясының Autonomy негізгі концепциясы бойынша
автомобильдің функциональды жүйелерін скейтборд секілді аласа шассиға
жинақтау болып табылады. Басқарудың жинақы электрондық жүйесі
конструкторларға салонды компановкалау еркіндігін береді. Алмалы–салмалы
кузовты қолдану қиындықсыз жанұялық седанды минивэнге немесе өте жайлы
автомобильге айналдырады.
Электромобиль әлемдік энергетикаға зор ықпал көрсетуге қабілетті.
Сутегімен қамтамасыз етудің жеткілікті дамыған жүйесі болмайынша, отындық
элементтері бар автомобильдердің үлкен мөлшерін эксплуатациялау мүмкін
емес, бірақ ешкім жолдарда отындық элементтері бар автомобильдердің көп
мөлшері пайда болмайынша қажетті инфрақұрылымды жасамайды. Отындық
элементтері бар автомобильдердің кеңінен таралуының маңызды шарты жеке
және мемлекеттік секторлардағы жергілікті және жалпы ұлттық лидерлердің
қолдауы. Қаржыландыру, сутегіні құю станцияларын жасауды белсенді ету,
бірегей стандарттарды жасау секілді сұрақтарды шешу керек. Осындай
инфрақұрылымды жасау жөніндегі ғылыми-зерттеу және тәжірибелік-
конструкторлық жұмыстарға мемлекеттік қолдау қажет.
Сонымен қатар өндіріс те сутекті экономикаға өтуге ықпал етуі
керек. Істі алға жылжыта алатын стратегияны General Mоtors компаниясы
жасауда. Идея сутекті отын элементтері негізіндегі аралық қондырғыларды
енгізуге негізделеді. Бұл нақты жағдайларда оларды практикалық
эксплуатациялаудың тәжірибесін жинақтауға және оларды жасауға бөлінген
жүздеген миллион долларларды компенсациялауға мүмкіндік береді.
Жуық арадағы жылдарда General Mоtors энергияның негізгі көздері
ретінде немесе үздіксіз қоректендірудің жоғары сенімді авариялық көздері
ретінде қолдану үшін стационар отындық элементтері бар генераторлар
сериясын ұсынбақшы. Жылдық айналымы 10 миллиард долларға жобаланған бұл
бизнес энергиямен қамтамасыз етуді тоқтатуға жол берілмейтін, атап айтқанда
мәліметтерді өңдеу орталықтары, ауруханалар, үздіксіз циклді кәсіпорындар
және телекоммуникация компаниялары сияқты жүйелердің тұтынушыларына
бағытталған.
Сутекті генераторлар қарбалас (час пик) уақыттарда энергияны
тұтынуды азайтып шығындарды кемітуге, энергияны қайтара желіге сату
есебімен кіріс табуға мүмкіндік береді. General Mоtors-тың осындай
алғашқы өнімдерінің бірі – сутекті табиғи газдан, метаннан немесе бензиннен
алуды қамтамасыз ететін өзінің реформинг-қондырғысы бар қуаты 75 киловатт
генератор. Мұндай стационар энергетикалық құрылғыларды жасау үшін ешқандай
түбірлі техникалық жаңашылдық қажет емес.
Сутекті сақтаудың қауіпсіз және сенімді әдістері қол жетерліктей
болғанда, отынды қайта өңдеу және автомобильдерді сутекпен жабдықтау
орындары пайда болады. Қазіргі АҚС- ды сутекті сол жерде алуға мүмкіндік
беретін реформинг-қондырғымен немесе электролизерлермен толықтыруға
болады. Отынды қайта өңдеудің артықшылығы, осы бағдарламаны іске асыруға
қажетті инфрақұрылымның әлі жоқ екендігіне негізделеді. Бұл үшін жаңа
ұзаққа созылған трубаларды салудың және АҚС-лардың бар жүйесін жоюдың
қажеті жоқ. Мұнайдан сутекке көшуді бастау бұл ең оңтайлы тәсіл болып
табылуы мүмкін.
Неғұрлым төңкерісті схема – қазіргі уақытта тұрғын үйлер және
бірлестіктерді, таратушы желіні қолдану арқылы газбен жабдықталатын үйді
немесе жұмысты енді сутекпен жабдықтау болып табылады. Табиғи газдан
сутекті алып және оны тікелей көлік жабдықтарының бортында сақтауға болады.
Сутекті алу үшін әдеттегі электр желісін, әсіресе тынышталған уақытта,
мысалы түнде автомобиль гаражда тұрған кезде қолдансақ болады.
Автомобильдерді энергиямен қамтамасыз ету инфроқұрылымының күрделенуіне
байланысты олардың әлемдік энергетикалық жүйедегі рөлі өзгеруі мүмкін.
Көлік жабдықтарын, тұрғын үйлерді және бірлестіктерді электр энергиясымен
қамтамасыз ету үшін қолдануға болады, себебі автомобильдердің басым бөлігі
90%-ке жуық уақыт бос тұрады. Егер, Калифорнияның автомобильдерінің тек
4%-і отын элементтерімен қозғалса, онда олар штаттың энергия желілері
арқылы берілетін электр энергияларынан көп энергия берер еді. Сутекті
экономиканы әлемдегі барлық энергиялық компаниялар зерттеуде. Жуық арадағы
ғылым жөніндегі энергетика комитетінің қол астындағы комитетінің
келіссөздерінде АҚШ палатасының өкілдері Джеймс Уилейн (James P.Uihlein)
Britsh Petroleum-нен табиғи газдан алынатын сутегінің өзіндік құны әдеттегі
автомобиль отынының құнына жақындауы мүмкін. Бұдан басқа, жылу
элементтеріндегі күштік қондырғылардың өте жоғары пайдалы әсер
коэффициентіне қатысты электромобильдің километрлік жүрісінің құны әдеттегі
жанар-жағармаймен жүретін автомобильден айтарлықтай аз. Уйлейннің сөзі
бойынша сутегінің қымбаттығы оны жеткізу мен таратуға кететін шығындардың
көптігімен түсіндіріледі.
Энергетикалық қатынаста сутегінің килограмы жобамен мұнайлы отынының
галонына эквивалентті. Сутегінің килограмының бастапқы шикізатқа, алу
әдістері және таратуға тәуелді құны бензин немесе дизелді жанармай
галонының құнынан 4-6 есе көп. Бірақ оңтайландырылған отындық элементтері
бар автомобильдердің пайдалы әсер коэффициенті іштен жану двигателі бар
автомобильдің пайдалы әсер коэффициентінен 2 есе артық
болатындықтан, сутегі килограмымен жүріс әдеттегі отын галонымен
салыстырғанда екі есе артық болады. Осылайша сутегі килограмының бөлшектік
бағасы бензиннің екі галонының құнынан артық болса эканомикалық тиімді
болады. Сутегіні сақтау, отынды өңдеу және электролиздеу технологияларын
жетілдіруге сай, сонымен қатар сутегіне деген сұранысты арттырғанда, оның
бағасы түседі. Жуық арадағы зерттеулер қазіргі заманғы технологиялардың
қажет етілетін деңгейінен 30 %-ке артық болатын деңгейге дейін сутегінің
бағасын түсіруге мүмкіндік беретінін көрсетті.
Әзірше, тек сутекті автомобильді қолдау үшін инфрақұрылымды жасаудың
мүмкін варианттары қарастырылуда. Бірақ біз, ол ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.