TEHNOLOGIILE MODERNE

Grupaj realizat de ing. dipl. Ulm Ion Pãunel Univers Ingineresc nr. 23/2007 · 1-15 decembrie

HIDROGENUL NU ESTE PENTRU MÂINE

Față de cele aproximativ 800 milioane de vehicule care circulă astăzi în lume, pentru anul 2030 se apreciază că numărul acestora se va dubla. După o primă examinare, s-ar părea că HIDROGENUL ar reprezenta soluția ideală care să poată permite preluarea ștafetei de la țiței, gaze naturale și cărbune.
Dar, la ultimul simpozion intitulat Challenge Bibendum 2007, organizat de Michelin pentru diferitele prototipuri de mașini ale viitorului, puține persoane competente credeau cu adevărat în soluțiile bazate pe hidrogen în viitorul apropiat.
În cursul desfășurării acestui simpozion au fost analizate toate variantele care ar putea înlocui țițeiul până în anul 2020, cel puțin la transporturile terestre, iar începutul discuțiilor a fost făcut cu pila de combustie.
Această instalație remarcabilă permite transformarea hidrogenului (teoretic mult răspândit în natură) în electricitate, fără emisii poluante. Principiul ca atare este cunoscut încă din secolul XIX, fiind considerat inversul electrolizei apei. Pila de combustie permite unui vehicul să ruleze cu alimentare electrică și o autonomie dublă față de bateriile clasice.
Dar, în mod paradoxal, evoluția tehnologică a pilei de combustie conduce la apariția unor noi semne de întrebare! Astfel, hidrogenul este obținut în prezent din gazul natural (în proporție de peste 90%) după un procedeu industrial care emite în secundar bioxid de carbon, principalul gaz care produce efectul de seră. Prin comparație, producerea și transportul unui litru de benzină de la rafinărie și până la pompa distribuitorului produc implicit 30 g bioxid de carbon. Pe de altă parte, fabricarea de hidrogen, la o cantitate de energie echivalentă, produce același gaz nociv într-o cantitate de 4 ori mai mare!
O altă cale importantă și cunoscută de mult timp pentru obținerea hidrogenului ar fi aceea a electrolizei apei direct în stațiile service. Dar, dacă în acest caz se folosește electricitate provenind de la centrale termice, bilanțul global pentru emisiile de bioxid de carbon este mai slab decât la funcționarea motorului termic pe benzină. Mai mult, acest curent electric pentru electroliza apei ar trebui să fie și disponibil, ceea ce nu este cazul. Un economist rutinat a calculat că dacă SUA ar trece toate vehiculele sale terestre pe utilizarea pilei de combustie, ar trebui folosită (pentru producerea hidrogenului necesar) întreaga producție de electricitate a țării respective! Această opțiune ar conduce la o degradare a randamentului tehnologic global, multiplicând trecerile de la o energie la alta: de la energia termică la electricitatea pentru electroliză, iar apoi la electricitatea din pila de combustie pentru motorul vehiculului. În plus, deși pilele de combustie au progresat tehnic foarte mult, costul lor rămâne încă prohibitiv. Ca durată de viață ele pot ajunge la 10 ani de exploatare. Ca autonomie pot asigura unui Mercedes convențional 500 km fără realimentare cu hidrogen, iar ca viteză de vârf, un Opel Zafira HydroGen 3 a rulat pe autostradă și cu 160 km/ h. Dar produse în serie, pilele de combustie folosite în cazurile sus-menționate costă cca 10.000 euro. La această sumă trebuie să adăugăm și costul rezervorului de hidrogen, agregat foarte pretențios și greu de realizat, capabil să suporte presiuni mari (350 – 700 bari). Însumate, cele două costuri (pila de combustie și rezervorul pentru hidrogen) fac împreună cât... încă o mașină. Din cauza densității sale foarte mici, hidrogenul trebuie să fie comprimat foarte mult pentru a concentra suficientă energie într-un volum compatibil cu arhitectura unei mașini convenționale.
În situația în care, pentru a parcurge 500 km, un plin de benzină de 40 litri ar fi suficient, pentru hidrogen trebuie 60.000 litri la presiunea atmosferică sau 200 litri la 350 bari sau 125 litri la 700 bari!
Foarte apreciate au fost, la apariția lor, și instalațiile chimice care permiteau producerea de hidrogen chiar la bordul vehiculului (din benzină sau motorină) prin reformare catalitică. Dovedindu-se ulterior prea scumpe, acestea au fost abandonate, mai ales că pila de combustie mai trebuia completată cu un dispozitiv chimic care producea...CO2.
Modul cel mai rapid și mai eficace de a reduce costurile pilei de combustie s-a dovedit a fi acela de a face vehiculul cât mai ușor, prin folosirea aluminiului și a fibrelor de carbon, prin renunțarea la o serie de opțiuni de lux și prin limitarea vitezei la maximum 130 km/h.
Michelin a realizat, pentru un vehicul convențional de 1650 kg, o reducere a greutății la numai 850 kg, situație în care pila de combustie se reduce și ea, de la 80 kW putere instalată la doar 30 kW.
Ca o foarte bună exemplificare a realizării unui automobil electric modern (cu pilă de combustie și hidrogen comprimat într-un rezervor special) a fost prezentat la simpozion modelul de serie zero Honda FCX. Firma japoneză promite că acest prototip va intra în fabricație în 2008.
În această situație pila de combustie este cu 20% mai mică și cu 30% mai ușoară decât modelele din generațiile precedente. Ea cântărește doar 63 kg, asigură o putere instalată de 100 kW și a fost poziționată în tunelul central al mașinii. Autonomia propusă de firma Honda depășește 520 km, iar hidrogenul necesar provine dintr-un rezervor care conține 171 litri gaz combustibil comprimat la 350 bari. Motorul electric, cu o putere nominală de 95 kW, asigură vehiculului o viteză de vârf de 160 km/oră. Mai mult, Honda asigură autoturismului FCX posibilitatea de a i se face plinul într-o instalație de reformare catalitică amplasată chiar la domiciliul proprietarului, prin extragerea hidrogenului din gazul metan. Hidrogenul obținut în acest mod este comprimat și introdus direct în rezervorul mașinii printr-un proces tehnologic complet automatizat.
O altă soluție propusă a fost aceea de a se alimenta un motor termic clasic cu hidrogen lichid. Din păcate și această variantă a fost rapid taxată drept „energivoră“. Însăși lichefierea hidrogenului este mare consumatoare de energie și, indirect, mare producătoare de CO2, iar randamentul motorului cu piston (cca 30%) nu este cu nimic ameliorat. În plus, hidrogenul lichefiat mai are și supărătoarea tendință de a se evapora în timp. Astfel, un rezervor plin cu hidrogen lichid, păstrat timp de cca 3 săptămâni, se golește complet.
Prețul hidrogenului, în prezent, este de peste trei ori mai mare decât al benzinei, iar perspectivele de viitor nu par să permită modificarea acestui raport. Chiar și așa, pentru o unitate service de distribuire a hidrogenului, care funcționează prin electroliză și compresie, costul total (inclusiv măsurile de protecție și pază) se ridică la cca 1 milion de euro. Este greu de presupus că marile concerne petroliere se vor înghesui să investească în această direcție pentru cele peste 135 000 de stații service aflate pe teritoriul țărilor europene. De asemenea, și servirea la stația de alimentare ar necesita o schimbare de procedură căci pentru a face un plin, omul de la pompă trebuie să intervină direct, iar primul gest este acela de a branșa un cablu pe mașina ce se alimentează, în scopul descărcării acesteia de electricitatea statică. De asemenea, pupitrul de comandă al pompei trebuie dotat cu un dispozitiv special, vopsit în roșu, care, prin apăsarea unei manete, să poată opri instantaneu pomparea hidrogenului lichid.
Următoarea tehnologie de înlocuire a produselor petroliere analizată la simpozionul organizat de concernul Michelin a fost aceea a biocarburanților. Se includ aici atât etanolul (pentru înlocuirea benzinei), cât și uleiurile obținute din rapiță, soia, floarea soarelui ș.a. (ca înlocuitoare pentru motorină). În sprijinul acestei tehnologii se dă ca exemplu Brazilia, unde benzina este înlocuită total sau parțial (minimum 25%) cu etanolul produs în această țară prin prelucrarea trestiei de zahăr. Din păcate pentru europeni, trestia de zahăr produce etanol la un hectar de două ori mai mult decât cerealele sau sfecla de zahăr care se cultivă curent pe „Bătrânul Continent“.
Cu modestie față de Brazilia, Uniunea Europeană își propune pentru 2015 o proporție de maximum 15% etanol în amestec cu 85% benzină pentru motoarele cu aprinderea prin scânteie.
În Franța, țara europeană cu cea mai mare suprafață agricolă, aceasta ar însemna o economie de 7 milioane tone de CO2 dintr-un total de 142 milioane de tone CO2 emise în prezent de totalitatea transporturilor sale terestre.
În plus, exceptând Brazilia, unde filiera biocarburanților există doar prin sprijinul financiar acordat de stat, în UE defiscalizarea etanolului și biodieselului în scopul moderării supraprețului acestora este încă în fază de început.
Următoarea tehnologie pusă în discuție la simpozionul menționat a fost aceea bazată pe gazele naturale, adică gazul din petrol folosit după lichefiere (numit și gazul de sondă) sau gazul metan (G.N.V. – gazul natural pentru vehicule). Fără a fi inepuizabile, rezervele de gaz natural sunt suficiente pentru următorii 50-60 de ani. Mult mai puțin impozitat decât benzina și motorina, G.N.V. costă de două ori mai puțin decât acestea. Un prototip de miniturism Smart funcționând cu G.N.V. a fost expus la simpozionul Michelin, cu mențiunea că el consumă combustibil de numai 0,02euro/ km, față de 0,05 euro/ km în varianta pe benzină. De asemenea, noxele scad în varianta G.N.V. la 97g/km, față de 113g/km pentru alimentarea cu benzină. Se menționează că, în cazul motoarelor trecute pe G.N.V., trebuie făcute adaptări pentru a utiliza optim cifra octanică mare (125 pentru G.N.V.) comparativ cu benzina (doar 98), avantaj care conduce și la reducerea consumului specific.
Din lipsa unor stații de alimentare suficient răspândite, s-au propus două variante funcționale:
a) Vehiculul se dotează cu două rezervoare și posibilitate de comutare a alimentării chiar din mers;
b) Alimentarea G.N.V. se poate face și la domiciliu, atunci când acesta reprezintă o locuință individuală, dotată cu un compresor anume calibrat.
Spre finalul lucrărilor simpozionului s-au analizat și posibilitățile utilizării vehiculelor electrice independente în transportul urban și periferic.
Accentul a fost pus în principal pe vehiculele hibride, adică acelea care însumează două energii: cea termică și cea electrică. În unele cazuri motorul termic servește atât la deplasarea vehiculului, cât și la încărcarea bateriilor de forță. În alte situații, motorul termic, care este reglat la turația constantă a cuplului maxim, face doar funcția de încărcare a bateriilor, iar vehiculul se deplasează în regim electric. În ambele cazuri, atât consumul de combustibil, cât și noxele emise sunt reduse semnificativ.
Această ultimă variantă, numită și „plug – in“, asigură o mecanică a transmisiei mult mai simplă și un motor termic de dimensiuni reduse.
Pentru exemplificare, participanții la simpozion au putut examina un vehicul fabricat în Franța (denumit „blue E car“) foarte maniabil și economic.
Cât privește automobilul electric clasic, fără hibridizare, acesta nu a reținut prea mult atenția specialiștilor de la Chalenge Bibendum, în principal din cauza bateriilor insuficient dezvoltate (prețul încă mare și durata de viață redusă a acestora).
CONCLUZII
Dezbaterile prilejuite de simpozionul Michelin au condus la unele concluzii practice, enumerate în continuare:
• S-a stabilit că pentru reducerea efectului de seră nu există un panaceu universal care să permită înlocuirea derivatelor din țiței;
• Mitul cu energia ieftină, curată și disponibilă la tot pasul, reprezentată până acum de speranța în hidrogen, trebuie uitat;
• Fiecare din soluțiile propuse reprezintă o variantă de lucru. Prin optimizare, acestea vor putea asigura pe viitor o parte din uriașa piață a energiei pentru transporturile terestre;
• Pentru a reduce la jumătate (ca și cum o baghetă magică ar acționa în acest scop) noxele produse de transporturile terestre, ar trebui ca parcul auto mondial să adopte începând de mâine ansamblul gamei soluțiilor prezentate la simpozionul Michelin. Dar, după cum constatăm zilnic, drumul acesta este foarte lung, iar începutul este modest și nesigur pentru că profitul de moment stă vajnic în cale, ca o barieră greu de ridicat.

SUPRAFRICȚIUNEA – TEHNOLOGIA CARE ELIMINĂ FRECĂRILE

ISTORIC
Cu multe secole în urmă au fost luate în considerare frecările ce apar între două piese care se deplasează una în raport cu cealaltă prin contact direct. Astfel, încă din secolul al XVI-lea, Leonardo da Vinci a imaginat, desenat și calculat tribometre, adică mașini capabile să măsoare frecările, mergând până la studierea unor tipuri de rulmenți cu bile. Un secol mai târziu, fizicianul Guillaume Amontons completează lucrările lui da Vinci și enunță legile frecării.
În 1779 fizicianul Charles Augustin de Coulomb formulează o relație importantă în știința frecărilor, legând forțele de frecare de presiunea pe care o exercită suprafețele de alunecare una față de cealaltă. El stabilește, de altfel, și sensul coeficientului de frecare, adică al raportului de proporționalitate dintre forța care trebuie aplicată pentru a mișca un obiect și presiunea pe care acest obiect o exercită asupra suprafeței de alunecare.
Frank Bowden și David Tabor, în 1950, stabilesc că forțele de frecare sunt datorate de asemenea și forțelor electromagnetice pe care orice suprafață metalică o exercită în apropierea sa.
În 1991 japonezul Motohisa Hirano demonstrează că două suprafețe cristaline alunecau una peste cealaltă aproape fără frecare (fenomenul numit suprafricțiune) dacă erau orientate reciproc sub un unghi anume, numit și „unghi magic“. În anii 1990 singurele aplicații ale acestei descoperiri au fost acelea din industria spațială.
Abia în 2006 o echipă internațională de cercetători realizează suprafricțiunea în condiții reale de aplicare industrială, iar uzinele Nissan integrează această realizare în motoarele sale.

MIZA PUSĂ ÎN JOC LA ELIMINAREA FRECĂRILOR
După Nawaji Saka, cercetător științific principal pentru probleme mecanice la MIT (Massachusetts Institute of Technology), costul frecărilor (uzură, întreținere și pierderi de energie) în SUA pentru un an (2005) depășește 6% din PIB-ul acestei țări dezvoltate, adică cca 794 miliarde dolari. Această cifră incredibilă se verifică cu aproximație și în Franța, unde un studiu de strictă specialitate a arătat (în 2002) că frecările în Hexagon, pentru un an, reprezintă 3,2 % din PIB, adică 26 miliarde euro.
Simpla reducere a acestor costuri nu reprezintă singurul scop al acțiunii în sine, căci înlocuirea uleiurilor minerale cu un derivat de polialcool, ieftin și accesibil, ar conduce, doar pentru Franța, la eliminarea din consumul industrial a 24 000 tone de uleiuri specializate, a căror producere, ca și retratarea după utilizare, sunt foarte costisitoare. Mai mult, 15 – 20% din aceste cantități de uleiuri nu mai ajung la colectare după folosire, îngreunând și mai mult problemele mediului ambiant.

ESENȚA DESCOPERIRII SUPRAFRICȚIUNII
Chiar de la inventarea roții, spiritul ingineresc a fost permanent sfidat de un dușman necruțător: angrenaje, motoare, mecanisme din cele mai fine sunt condamnate inevitabil la uzură de inamicul perfid pe care îl numim frecare.
În curând, se pare, această fatalitate va putea fi dată uitării. Pentru prima dată o echipă internațională de cercetători a pus la punct un ansamblu material - lubrifiant care limitează atât de mult frecarea încât efectele ei devin neglijabile. Se vorbește acum de suprafricțiune, în engleză superlubricity sau, mai aproape de realitate, superalunecare, toate acestea referindu-se la combinarea unui strat de acoperire numit ta-C (în engleză abreviere de la carbon tetraedric, un fel de diamant necristalin) și un ulei biodegradabil, nepoluant, numit glicerol. Folosind această tehnologie, două suprafețe metalice pot aluneca una peste cealaltă practic fără frecare. Acest sistem a devenit industrial încă din anul 2006, când uzinele Nissan au început să comercializeze un motor numit VQ 35 HR.
Se menționează că, în cazul unui motor clasic tip Otto sau Diesel, aproximativ un sfert din energia totală dezvoltată de carburant se pierde prin frecare. De altfel, în mecanică frecările sunt omniprezente, de la cablurile de lifturi la bitumurile șoselelor sau turbinele centralelor electrice.
Asaltul final asupra fenomenelor de frecare a fost dat în anul 2006 prin colaborarea unor echipe de cercetători de la Școala Politehnică din Lyon cu Caltech (California Insitute of Technology) și Nissan Motors Corporation. Aceștia au plecat de la o descoperire făcută în 1982 în fosta URSS, de către fizicianul Ivan Axenov, când s-a realizat prima dată depunerea pe o suprafață metalică (ce urma să fie supusă frecării) a stratului de carbon tetraedric, remarcabil de dur și de puțin rugos. Grupul de cercetători occidentali s-a concentrat deci, în principal, pe găsirea unui lubrifiant optim, netoxic, ieftin și biodegradabil.
După numeroase teste s-a impus un polialcool cu trei atomi de carbon, numit glicerol (C3H8O3), care este complet inofensiv și se produce și pe cale naturală din plante. Mai mult, glicerolul este un ingredient clasic și în farmacii, unde servește la realizarea diferitelor rețete uzuale (siropuri, soluții curative ș. a.).
Utilizat deci în combinație cu depunerea de tip ta-C, glicerolul conduce la obținerea unui coeficient de frecare atât de redus încât efectele frecărilor rezultate devin nesemnificative.
Pentru aceasta se procedează la aplicarea unor tratamente succesive, după cum urmează:
• Se depune un film de ta-C gros de un micron (prin vaporizarea carbonului în vid) pe suprafața metalului bază;
• Peste primul strat se depune al doilea film, gros de doi microni, din carbon grafitic. Acest ultim strat servește ca element de ancorare pentru grupările oxidril (OH) din glicerolul care se aplică ulterior. Aceste grupări OH nu aderă la suprafața grafitică, ci permit apariția unui efect de planare, fără forțe de frecare. Efectul global de suprafricțiune se desfășoară chiar în atmosfera liberă, căci gazele nocive sunt absorbite de glicerol și nu mai ajung la suprafețele în frecare pentru a le coroda.
Aplicația directă a descoperirii la nivel industrial a făcut-o grupul Nissan, începând cu piese care controlează deschiderea supapelor pentru admisia benzinei și evacuarea gazelor (tacheți). Numai prin această aplicare a rezultat o economie de combustibil de peste 2%. În prezent tratamentul cu ta-C se extinde la alte piese cu frecări mari, cum sunt pistoanele sau pinioanele din cutiile de viteză. Se constată însă că reducerea consumului de combustibil se completează cu alte efecte benefice, cum sunt:
– monooleatul de glicerol, folosit ca adaos, nu îngheață la 0º C;
– aditivii poluanți din uleiurile folosite până acum (sulf, fosfor) dispar din utilizare.

CONCLUZII
Pentru viitor se au în vedere și alte multiple aplicații, cum ar fi transmisiile hidraulice, micromașini, fabricarea de circuite electronice integrate, ceasuri mecanice, aparatură medicală ș.a. Lista cu aplicațiile potențiale pentru sistemul antifricțiune ta-C/glicerol este practic nelimitată. Deși unele propuneri rămân confidențiale, se vorbește deja de ace hipodermice și catetere care vor putea circula pe sub piele cu ușurință, de lame de bărbierit etc.
Viitorul apropiat ne va aduce la cunoștință și, ulterior în practica zilnică, numeroase aplicații ale tehnologiei de suprafricțiune, împreună cu toate avantajele acesteia.

Toate articolele numărului