Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 185.

Водород – моторное топливо XXI века

В связи с увеличением энергопотребления и истощением разведанных запасов нефти, в первую очередь у развитых стран мира, остается только один выход – срочно диверсифицировать свои топливно-энергетические балансы в сторону максимально возможного замещения в транспортном секторе нефтепродуктов другими видами энергоносителей.

Наиболее реальные альтернативные варианты – сжиженный природный газ (СПГ) или жидкий водород (ЖВ). Они экологичнее, а СПГ еще и дешевле. Сейчас качественный бензин в России стоит минимум 17 тыс. руб. за тонну, а СПГ – 8 тыс. руб. И этот разрыв будет расти.

Учитывая, что запасы природного газа иссякнут на Земле примерно в середине 2070-х, водород можно рассматривать в качестве одного из наиболее перспективных вариантов моторного топлива XXI века.

Его ресурсы огромны, а так как в процессе сгорания водорода образуется водяной пар, то можно сказать, что он является самым экологически чистым видом моторного топлива. Единственное токсичное вещество – окислы азота, содержащиеся в выхлопе водородного двигателя в совершенно незначительных количествах по сравнению с бензиновыми моторами и уж тем более – с дизелями, легко обезвреживаются в каталитических нейтрализаторах.

Понимая перспективность в будущем водородного топлива, правительства США, Европейского Союза, Японии и других стран уже сейчас тратят миллиарды долларов на научные исследования и опытно-конструкторские работы, стремясь как можно скорее разработать промышленные технологии и внедрить их на рынке.



Водород как моторное топливо: газ сжатый или газ сжиженный?

Одним из серьезных вопросов в применении водорода в качестве моторного топлива является выбор способа его хранения на борту автотранспортного средства. Водород – самый легкий среди химических элементов, поэтому в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива.

Так, при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении водород занимает примерно в 3 тыс. раз больший объем, чем бензин с равным количеством энергии. Поэтому для того, чтобы заправить машину достаточным количеством топлива, необходимо либо нагнетать водород под высоким давлением, либо использовать его в виде криогенной жидкости, либо же оборудовать автомобили сложнейшими топливными системами.

Обеспечение автозаправочных станций сжатым водородом и заполнение баллонов, находящихся в автомобиле, технически больших проблем не представляет. Современные материалы гарантируют высокую надежность таких сосудов. Однако увеличивается вес автомобиля и уменьшается полезное пространство, т. к. баллон с одним кг сжатого при 70 МПа водорода занимает в 7,5 раза больше места, чем энергетически эквивалентное количество бензина.

В сжиженном виде водород занимает значительно меньше места, хотя для этого его необходимо охладить всего до двух десятков градусов выше абсолютного нуля. Однако развитие криогенных технологий и успехи, достигнутые в сфере использования сверхнизких температур, уже сегодня позволяют без особого ущерба полезному пространству автомобиля хранить на его борту запас жидкого водорода, достаточный для пробега 500 км и более.

Достоинством данной системы хранения является наименьшая масса и высокая объемная концентрация водорода; жидкий водород эквивалентен газообразному топливу, сжатому до 170 МПа. Поэтому если к системе хранения водорода предъявляются ограничения по массе и по объему, что характерно для транспортных средств, то преимущество имеет криогенная система хранения.

Жидкий водород, производство которого растет в мире ежегодно на 5%, является важным элементом инфраструктуры снабжения потребителей водородом. В США производственные мощности позволяют в год получать до 120 тысяч тонн жидкого водорода, из которых 15% расходуется на РКТ, остальное используется в химической промышленности (37%), металлургии (21%), электронике (16%), стекольной промышленности (4%).

Одним из способов связанного хранения водорода являются гидриды. Однако лучшие из известных сегодня гидридов – железотитановые и никель-магниевые – уступают по объемным и весовым параметрам криогенному способу хранения водорода.

Проводятся разработки в области систем хранения водорода с использованием углеродных нанотрубок, но все имеющиеся на сегодняшний день конструкции обладают рядом серьезных недостатков, которые не позволяют широко использовать на транспортных средствах.

Ввиду вышесказанного, очевидно, что в настоящее время криогенная система хранения водорода на борту транспортного средства благодаря своим массовым и объемным характеристикам, а также уровню безопасности более предпочтительна по сравнению с гидридной и системой хранения водорода в сжатом виде.

Именно по этому пути идут практически все автомобилестроительные фирмы. Так, при проектировании силовой установки для модели «Ford U» инженеры компании «Ford» за основу взяли 2,3-литровую рядную «четверку», хорошо известную по «Ford Ranger» и «Mondeo». Семи килограммов водорода, хранящихся в двух криогенных емкостях, расположенных под задними сиденьями автомобиля, хватает на 500 км пробега. Багажное отделение не пострадало, а 118 л. с. мощности, которую развивает двигатель, достаточно «Ford U» на все случаи жизни.

В начале 2004 года два крупнейших автопроизводителя – «General Motors Corp» и «BMW Group» – объявили о намерении приступить к совместной разработке оборудования, предназначенного для заправки автомобилей жидким водородом. О масштабах задачи говорит такая цифра: в одной только Германии планируется построить до 10 тыс. криогенных водородных заправочных станций.



Жидкий водород – кровь автомобиля?

В середине 1990-х многие автомобильные компании обратили свой взор на электромобили с топливными элементами. Притягательность топливных элементов имеет серьезное основание. Действительно, никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород не сгорает, как это происходит в тепловом двигателе, а разлагается внутри топливных элементов (или ячеек, как их иногда именуют) на разноименно заряженные ионы и электроны. Именно электроны и превращаются в полезный электрический ток, питающий цепь бортовой силовой установки, а что касается ионов водорода, то их связывает кислород, который в составе обычного воздуха подается внутрь топливного элемента, образуя «выхлоп» – водяной пар.

Однако позже выяснилось, что топливные элементы обладают рядом серьезных недостатков. И прежде всего, высокой стоимостью и коротким сроком службы. Так, американский минивэн «HydroGen3», работающий на топливных элементах, стоит около $1 млн. и для большинства автолюбителей автомобили на топливных элементах, очевидно, так и останутся несбыточной мечтой. Более того, несмотря на заявленный разработчиками топливных элементов высокий теоретический КПД (около 70%), эффективность даже лучших японских топливных элементов в настоящее время составляет менее 30%. Кроме того, применение топливных элементов на транспортных средствах дает существенный прирост массогабаритных характеристик автомобиля.

Для массового применения топливных элементов в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 200 долл./кВт (при современной стоимости от 5 до 10 тыс. долл./кВт). Вопросы дальнейшего развития топливных элементов во многом связаны со снижением их стоимости, что определяется в основном уменьшением расхода платиновых металлов (используемых в качестве катализатора) и снижением стоимости используемых в качестве мембраны фторированных и перфторированных пленок. Поскольку решение большинства из описанных выше проблем требует революционных научных открытий, многие американские исследователи подвергают сомнению целесообразность взятого правительством США курса на создание дорогостоящих демонстрационных проектов автомобилей с топливными элементами. По их мнению, технологии в создании топливных элементов достигли своих пределов, и они не видят возможности для дальнейшего их усовершентвования. Поэтому сегодня технология топливных элементов развивается в основном только из-за перспектив по обеспечению нулевого уровня токсичности.

Более перспективным является другой путь внедрения жидкого водорода на автотранспорте – сжигание его в двигателе внутреннего сгорания (ДВС). Такой подход исповедуют ряд ведущих автостроительных компаний, таких, как, например, «BMW», «Ford» и «Mazda». Вместо применения спорных и дорогостоящих топливных элементов инженеры этих компаний пытаются наладить работу на водороде старого доброго двигателя внутреннего сгорания.

На BMW создан опытный седан «745H», V-образная «восьмерка» которого попросту сжигает водородное горючее – как бутан-пропан или природный газ в двигателях газобаллонных автомобилей. Жидкий водород запасается в криогенном баке; газ специальными электронноуправляемыми форсунками подается в цилиндры. При сильном обеднении водородвоздушной смеси (в 2 с лишним раза против стехимометрического состава) в камерах сгорания почти не образуются вредоносные оксиды азота (канцерогены); другие загрязнители при сжигании водорода в воздушной среде не формируются вовсе.

Так что из выхлопных труб «745H» в атмосферу поступает один только водяной пар; мечта «зеленых» близка к реальному воплощению.

В этой же компании создан самый быстрый на сегодняшний день автомобиль, работающий на водородном топливе. Модель, получившая обозначение «H2R», развивает скорость свыше 300 км/ч.



H2R на водородном топливе

Хотя на текущий момент полноценной замены традиционному ДВС нет, очевидно, уже скоро появится новое направление в двигателестроении на водородном топливе, которое имеет все шансы стать конкурентным. Речь идет о двигателях Стирлинга. Этот двигатель до конца XX века широко не применялся на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости.

Однако в последнее время в ведущих мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки в применения водорода как моторного топлива. Низкий уровень шума, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящего момента – все эти параметры дают возможность машинам Стирлинга в ближайшее время вытеснить двигатели внутреннего сгорания и топливные элементы в области водородной энергетики. Красноречивым примером подтверждения этого может являться практика создания рядом зарубежных фирм, таких, как «НАСА», «Кокумс», «Мицубиси дзюкоге», анаэробных энергетических установок для космических летательных аппаратов и подводных лодок, в которых первоначально применяемые электрохимические генераторы на топливных элементах практически полностью были заменены на стирлинг-генераторы. Ниже на рисунке представлена принципиальная схема двигателя Стирлинга.



Компоновочная схема двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая эффективность равна максимальной эффективности тепловых машин – эффективности цикла Карно. Он работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа после его охлаждения. Двигатель Стирлинга содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между «холодной» частью (обычно находящейся при температуре окружающей среды) и «горячей» частью, которая обычно нагревается за счет сжигания любого вида топлива или других источников тепла. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания. Поскольку процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и топливные элементы. Достигнутые в настоящее время КПД в серийных и опытных образцах двигателей Стирлинга даже при умеренных температурах нагрева (600…700оС) представляются весьма внушительными цифрами – до 40%. В лучших зарубежных образцах двигателей Стирлинга удельная масса составляет 1,2-3 кг/кВт, а эффективный КПД до 45%.

К началу 1990-х годов прошлого столетия работы по созданию двигателей Стирлинга проводились такими фирмами, как «Philips» (Нидерланды), «General Motors Co», «Ford Motor Co», «NASA Lewis Research Center», «Los Alamos National Laboratory» (США), «MAN-MBW» (Германия), «Mitsubishi Electric Corp.», «Toshiba Corp.» (Япония). В течение последнего десятилетия к работам по созданию двигателей Стирлинга приступили также в «Daimler Benz» и «Cummins Power Generation» (СPG) и ряд других крупных фирм.

К сожалению, в России из-за общего экономического спада разработкой двигателей Стирлинга на государственном уровне никто не занимается, хотя до 1990 года исследования в этой области техники проводились в пятнадцати организациях военно-промышленного комплекса. В настоящее время единственной в Российской Федерации компанией, ведущей разработки по созданию машин, работающих по циклу Стирлинга, является ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии», в котором созданы опытно-промышленные образцы отечественных двигателей и холодильных машин умеренного холода Стирлинга. К сожалению, перечисленные достижения носят локальный характер и осуществляются без государственной поддержки, без законодательной базы, в отсутствие долгосрочной государственной программы.



О сроках внедрения водородной энергетики на транспорте

В отличие от развитых зарубежных стран, в России до сих пор не существует концепции производства и использования альтернативных моторных топлив, что в значительной степени усложняет решение задач развития отечественного автомобиле- и моторостроения, а также экологизации автотранспорта.

Безусловно, проблема замены традиционного моторного топлива жидким водородом выходит далеко за рамки задач, решаемых в автомобильной индустрии. По сути, речь идет о новом технологическом укладе мировой экономики.

Перевод транспорта на водород не может происходить директивно и быстро. Для такого революционного шага в условиях страны требуется кардинальная подготовка – от создания производства водорода до изменений в налоговой политике и экономического стимулирования применения альтернативного топлива.

Сейчас во всех развитых странах мира приняты национальные программы такого перехода – но не непосредственно, а через энергетику, основанную на таком относительно более чистом топливе, как природный газ (метан).

Можно предположить, внедрение альтернативных моторных топлив в Российской Федерации будет имеет следующие этапы:
I этап (2007-2040 годы): Создание инфраструктуры производства и переход на применение сжиженного природного газа (СПГ)
II этап (2035-2050 годы): Создание инфраструктуры производства, хранения и переход на применение сжиженного водорода.

Другими словами, в ближайшее время в стране необходимо создать криогенную инфраструктуру и поэтапно переводить автотранспорт на СПГ, а в перспективе – на жидкий водород.



Проблемы создания криогенной инфраструктуры

Одной из главных проблем перевода транспорта на СПГ и жидкий водород является отсутствие инфраструктуры автомобильных заправочных станций (АЗС) где в бак автомобиля можно было бы залить криогенное моторное топливо. Без достаточного количества АЗС, внедрение новой техники становится невозможным.

Учитывая, что на первоначальном этапе более перспективным моторным топливом является сжиженный природный газ, технологические решения по созданию криогенных заправочных станций СПГ должны быть таковы, чтобы эти станции можно было при необходимости быстро и без лишних капитальных затрат модернизировать в криогенные заправочные станции жидкого водорода. По мнению автора, такие заправочные станции могут быть созданы только на основе установок с применением поршневых криогенных машин Стирлинга (КГМ). КГМ Стирлинга относятся к ожижителям, действие которых основано только на внешнем охлаждении. Процесс ожижения газа идет при атмосферном давлении, без его предварительного сжатия. Это позволяет делать установки по сжижению и хранению жидкого природного газа и водорода на основе КГМ Стирлинга компактными и простыми в обслуживании.

Использование криогенных машин Стирлинга позволяет разработать принципиально новую концепцию создания инфраструктуры заправочных станций криогенных моторных топлив для автомобильного транспорта РФ. Предлагаемая инфраструктура для городских условий основана на разумном сочетании небольшого количества крупных муниципальных заправочных комплексов и многочисленных малогабаритных заправочных станций, расположенных непосредственно в гаражах автохозяйств, которые в своей совокупности формируют широкую сеть обеспечения криогенными топливами потребителей. При этом основная нагрузка по обеспечению автотранспорта криогенным топливом должна ложиться именно на гаражные заправочные станции, а городские заправочные комплексы будут предназначаться только для дозаправки промышленного и общественного транспорта при его эксплуатации в черте города и при междугородних перевозках. Специфика подхода к созданию такой инфраструктуры определяется особенностями криогенных топлив: их высокой испаряемости, значительными потерями при транспортировки и заправки баков автотранспортных средств.

В настоящее время создан необходимый научно-технический и патентный задел, включающий в себя методологические основы расчета и технико-экономического обоснования криогенных гаражных заправочных станций, а также прин­ципиальные схемы и технические решения, защищенные патентами РФ, что обеспечивает создание криогенной инфраструктуры СПГ и жидкого водорода в кратчайшие сроки.

Гаражные заправочные станции СПГ и жидкого водорода будут создаваться на базе унифицированных технологических блоков. Основными элементами, обеспечивающими работоспособность и безопасность станций, являются: криогенные машины Стирлинга, серийно выпускаемые отечественной промышленностью и выполненные с электродвигателями во взрывобезопасном исполнении; сертифицированные газораспределительные шкафы; низкотемпературные емкости для хранения криогенных топлив; малогабаритная электроприводная взрывозащищенная дистанционно управляемая арматура; стандартные контейнерные конструкции.

При переводе автотранспорта на сжиженный природный газ и жидкий водород особое внимание должно быть уделено сокращению потерь жидкого продукта на всех этапах обращения с ним. В настоящее время при разработке ожижительных установок идет борьба за каждый процент повышения коэффициента ожижения. Вместе с тем при работе с криогенными жидкостями потери достигают десятков процентов. Показано, что полезное использование жидкого кислорода и азота в ракетно-космической технике не превышает 50%! Применение гаражных заправочных станций на основе КГМ Стирлинга позволяет полностью решить проблемы потерь криогенных топлив, что позволит значительно снизить их стоимость.

В начале 2006 года планируется введение в опытно-промышленную эксплуатацию КриоАЗС на основе КГМ Стирлинга для заправки автотранспорта сжиженным природным газом на 41 автокомбинате г. Москвы. Данная КриоАЗС будет прототипом будущих гаражных заправочных станций жидкого водорода.



Новые технологии в производстве водорода

До 1990 года в нашей стране для реализации программ создания ракетно-космических комплексов Н-1 и «Энергия-Буран» и авиационного комплекса ТУ-155 были проведены серьезные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по внедрению жидкого водорода. В результате этих работ было создано современное оборудование для криогенных систем топливообеспечения: эффективные ожижители водорода с энергозатратами около 22 кВт-ч/кг H2, автомобильные цистерны объемом до 45 м3 с суточными потерями от 1,2 до 0,8%, железнодорожные цистерны объемом до 100 м3 с суточными потерями около 0,5%, хранилища жидкого водорода объемом от 5 до 1400 м3 с суточными потерями 2,2-0,13% объема хранимого водорода, криогенные трубопроводы диаметром до 400 мм и длиной до 1 км, дистанционно управляемая арматура, высокоэффективные теплообменные аппараты, машинное оборудование (компрессоры, вакуумные насосы, эжекторная аппаратура и др.), контрольно-измерительные приборы и средства обеспечения безопасности. Эта техника может быть использована для централизованного производства и доставки к гаражным КриоАЗС жидкого водорода.

Однако данные системы получения водорода основываются на процессе электролиза воды, основным недостатком которого является энергоемкость процесса получения водорода разложением воды. Как правило, на это нужно затратить большее количество энергии, чем то, которое может быть получено при сжигании произведенного водорода.

На сегодняшний день самым дешевым способом производства водорода является расщепление природного газа на Н и СО при помощи пара и катализаторов. Однако при этом непроизводительные потери энергии составляют около 15%. В результате, по словам куратора проводимой министерством энергетики США исследовательской программы в области водородного топлива Пита Девлина (Pete Devlin), производство водорода, по количеству энергии эквивалентного литру бензина, обходится в $5.

Очевидно, что для широкого потребления водорода в качестве топлива необходимо разрабатывать новые способы его получения, основанного на использовании дешевых источников энергии.

Автором разработана и предлагается новая технология получения водорода, основанная на его получении из местных биоресурсов. Отличительной чертой этой технологии является то, что на производство водорода не затрачивается электроэнергия извне, эта энергия генерируется в процессе выполнения самой технологии. Сырьем для получения водорода являются торф, древесина, отходы сельского хозяйства.

Время обсуждений криогенных технологий с использованием жидкого водорода и СПГ в энергетике, газоснабжении и в транспортных средствах заканчивается, необходимо сдвинуться с места, инвестировать средства в организацию производства и использование этих технологий, чтобы не отстать от мировой тенденции развития энергетики.

Н. Г. КИРИЛЛОВ, д. т. н., с. н. с., Заслуженный изобретатель Российской Федерации (ВКА им. А. Ф. Можайского, Санкт-Петербург)

В 186 выпуске читайте: Древесина – топливо для ГТУ?