Водородные электрохимические системы для транспорта

Транспорт и экология

Водородные электрохимические системы для транспорта

С.А. Григорьев, начальник отдела НИЦ «Курчатовский институт», д.т.н.

Описаны области применения водородных электрохимических систем для производства альтернативных топлив, в том числе с утилизацией диоксида углерода. Рассмотрена концепция энергосистемы на основе возобновляемых источников энергии и электрохимических систем с водородным накопителем, включающая электромобиль.

Ключевые слова: электрохимическая система, твердый полимерный электролит, водород, возобновляемый источник энергии.

Применение альтернативных топлив на транспорте позволяет повысить КПД, экологичность и экономичность [1]. При этом определенную перспективу имеют силовые агрегаты на основе топливных элементов [2] - электрохимических систем, преобразующих химическую энергию топлива (водород, метанол и т.п.) в электрическую. Рассмотрим эти и другие возможные области использования электрохимических систем применительно к транспорту на альтернативных топливах.

Хорошо известен электрохимический процесс - твер-дополимерный электролиз воды (рис. 1а) [3], основным продуктом которого является высокочистый водород, в том числе под давлением до нескольких десятков мега-паскалей. Это позволяет заправлять системы хранения водорода в газообразном или химически связанном виде на борту автомобиля. При этом чистота водорода полностью соответствует требованиям, предъявляемым к чистоте водорода, используемого в качестве топлива в твердополи-мерных топливных элементах.

Разработки автомобилей на топливных элементах активно проводились и проводятся ведущими автомобилестроительными кампаниями. Создан ряд прототипов автобусов, легковых автомобилей и других видов транспорта. Рост их промышленного производства ожидается и в дальнейшем.

Помимо транспортных средств на топливных элементах, электролизный водород может быть использован в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) как в чистом виде, так и в качестве добавки к основному топливу. В частности, при работе автомобильного ДВС на бензоводородных топливных композициях значительно повышается КПД двигателя, снижается токсичность отработавших газов (ОГ), то есть существенно улучшаются энергетические и

экологические показатели автомобиля [4]. Так, в условиях городской эксплуатации у автомобиля, работающего на бензоводородных топливных композициях, по сравнению с работающим на бензине топливная экономичность двигателя улучшалась на 20...25 %. При этом токсичность ОГ снижалась по СО в 20 раз, по СН в 2-3 раза и по МОх в 4-5 раз. Помимо установки на заправочных станциях, возможно размещение электролизных установок непосредственно на борту автомобиля с последующим добавлением электролизного водорода к бензину.

Большой практический интерес представляет использование хитана (от англ. Ьу1:Ьапе) [5] - смеси природного газа и водорода (до 20 %). Как известно, метан (основной компонент природного газа) характеризуется относительно узким диапазоном воспламеняемости в смеси с воздухом. Добавление даже небольшого количества водорода значительно расширяет границы воспламеняемости и обеспечивает улучшение экономических и экологических

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (34), июль 2013 г.

.....ттигдтп,.,

(Щ

Транспорт и экология

характеристик ДВС [6, 7]. Для метана характерна низкая скорость распространения пламени, особенно в бедных топливовоздушных смесях, в то время как для водорода эта скорость приблизительно в 8 раз выше. Молекулы метана достаточно устойчивы, и его иногда трудно поджечь, в то время как энергия искры зажигания водорода приблизительно в 25 раз меньше, чем метана. Наконец, метан зачастую затруднительно полностью сжечь в двигателе и катализировать в ОГ. Напротив, водород - сильный стимулятор горения, что ускоряет сгорание метана в двигателе, и сильный восстановитель, что обеспечивает эффективный катализ при более низких температурах выхлопных газов. Немаловажно, что если концентрация водорода в метане не превышает 10...20 %, то такая смесь может использоваться в традиционных ДВС без какой-либо их модернизации.

Как известно, содержание СО2 в атмосфере выросло приблизительно на 30 % с 1960 г. [8, 9]. При этом доля транспорта в выбросах С02 составляет около 26 % [10]. Для утилизации СО2 могут быть использованы электрохимические системы с твердым полимерным электролитом [11]. На анодном электроде (рис. 16) происходит электрохимическая реакция разложения воды

3Н2О = 6Н+ + 6е + 1,502 .

На катодном электроде реализуется восстановление СО2 , например, с образованием метанола

CO2 + 6H+ + 6e :

CH3OH + H2O.

В целом, электрохимическое восстановление СО2 в системе с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) может протекать по следующим основным реакциям:

CO2 + 2H+ + 2e = CO + H2O,

HCOOH,

CO2 + 2H+ + 2e :

CO2 + 4H+ + 4e = HCHO + H2O, CO2 + 6H+ + 6e = CH3OH + H2O, CO2 + 8H+ + 8e = CH4 + 2H2O,

E0 = - 0,52 В E0 = - 0,61 В E0 = - 0,48 В E0 = - 0,38 В, E0 = - 0,24 В,

где E0 - стандартный электродный потенциал данной реакции при pH=7 и 7=25 °C.

Таким образом, электрохимическое восстановление СО2 может происходить совместно с синтезом таких моторных топлив, как метанол, этанол, диметиловый эфир, метан, этан и пр.

В последние годы все большей популярностью пользуются так называемые «умные дома» (от англ. smart home). Термин «умный дом» обычно подразумевает интеграцию в единую систему систем отопления, вентиляции и кондиционирования, охранно-пожарной сигнализации, контроля доступа в помещения, протечек воды, утечек газа, видеонаблюдения, сетей связи, освещения,

электропитания и т.п. В ряде последних проектов «умных домов» в их систему интегрируется также электромобиль (рис. 2).

В ряде случаев концепция «умного дома» (включающего, кроме прочего, заправочный терминал для электротранспорта) предполагает его частичную или полную независимость от центральных электрических и тепловых сетей и использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в первую очередь, солнца, для энергоснабжения. Так, сегодня в Германии доля энергии, производимой солнечными фотопанелями (24 %), практически сравнялась с энергией атомных станций (25 %) и скоро ее превзойдет. К 2050 г. планируется полностью перейти на возобновляемую энергетику и целиком отказаться от атомной. В этом случае ключевую роль начинают играть системы аккумулирования энергии. Хорошо известно, что ВИЭ характеризуются непостоянством потоков энергии во времени. Для сглаживания неравномерности поступления энергии от ВИЭ за счет ее запасания могут применяться аккумуляторы на основе свинцовых, никелевых и литий-ионных батарей, ванадиевых редокс-аккумуляторов и пр.

НИЦ «Курчатовский институт» ведет разработку систем на основе ВИЭ, в том числе с водородными накопителями энергии. Созданы эффективные технические решения по использованию электрохимических водородных систем в локальных энергетических системах. Показано, что водородные электрохимические системы позволяют эффективно осуществлять прямое и обратное преобразования электрической энергии вхимичес-кую, а применение водородного накопителя позволяет запасать значительные количества энергии и сглаживать как суточную, так и сезонную неравномерность ее поступления от ВИЭ. Немаловажными преимуществами таких систем являются отсутствие саморазряда,

) Л

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (34), июль 2013 г.

Транспорт и экология

модульная архитектура, обратимость процесса и большое число циклов заряда-разряда. Примечательно, что с ростом емкости хранения падает удельная стоимость системы, так как для запасания дополнительной энергии требуется только дополнительный объем для хранения водорода.

Литература

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственный контракт № 14.516.11.0044).

1. Ramesohl S., Merten F. Energy system aspects of hydrogen as an alternative fuel in transport // Energy Policy. - 2006. - № 34. - Р. 1251-1259.

2. Козлов С.И., Фатеев В.Н. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы / Под ред. Е.П. Велихова. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. - 520 с.

3. Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И. Получение водорода электролизом воды - современное состояние, проблемы и перспективы // Транспорт на альтернативном топливе. - 2008. - № 3. - С. 62-69.

4. Раменский А.Ю., Шелищ П.Б., Нефедкин С.И., Машкин В.Ф. Применение водорода на городском автомобильном транспорте // Водородный всеобуч. - 2006. - № 3. - С. 27.

5. http://hythane.net

6. Bauer C.G., Forest T.W. Effect of hydrogen addition on the performance of methane-fueled vehicles. Part I: effect on S.I. engine performance

// International Journal of Hydrogen Energy. - 2001. - № 26. - Р. 55-70.

7. Bauer C.G., Forest T.W. Effect of hydrogen addition on the performance of methane-fueled vehicles. Part II: driving cycle simulations // International Journal of Hydrogen Energy. - 2001. - № 26. - Р. 71 -90.

8. Корзун В.А. Глобальное потепление - реальность или политизированный миф? - М.: ИМЭМО РАН, 2009. - 190 с.

9. Ziska L.H. Three-year field evaluation of early and late 20th century spring wheat cultivars to projected increases in atmospheric carbon dioxide // Field Crops Research. - 2008. - № 108. - Р. 54-59.

10. Chapman L. Transport and climate change: a review // Journal of Transport Geography. - 2007. - № 15. - Р. 354-367.

11. Aeshala L.M., Rahman S.U., Verma A. Effect of solid polymer electrolyte on electrochemical reduction of CO2 // Separation and Purification Technology. - 2012. - № 94. - Р. 131-137.

12. http://www.sma.de/smarthome

Мнение специалиста

Частник - главный потребитель КПГ

A.В. Денисенко, генеральный директор ООО «Авто Метан Груп»,

B.А. Мякинин, технический директор ООО «Авто Метан Груп»

В настоящее время правительством РФ принимаются решительные меры по увеличению реализации природного газа в качестве автомобильного моторного топлива на территории РФ в соответствии с перечнем поручений, которые дал президент РФ В.В. Путин по итогам совещания, состоявшегося 14 мая 2013 г. В связи с этим хотелось бы привлечь внимание к самому массовому потенциальному потребителю ГМТ - владельцам личного легкового автомобильного транспорта.

Например, в Воронеже насчитывается около 400 тыс. легковых автомобилей и только около 1,7 тыс. ед. пассажирского транспорта разного класса и разных форм собственности. Если принять пробег легковушки в день - 50 км с расходом бензина 8 л/100 км (городской режим), а пробег одного автобуса - 250 км с расходом дизельного топлива (ДТ) 32 л/100 км, то необходимый объем топлива для первых составит 1,6 млн л бензина, для вторых - 136 тыс. л ДТ. Таким образом, потребление топлива в день легковым транспортом в 11,7 раза больше пассажирского. Вот кто должен быть основным потребителем газомоторного топлива.

Важным моментом в пропаган-дистсткой компании одновременно

с рекламой о вводе в строй новых АГНКС и выгоде газомоторного топлива должны стать льготы, предоставленные владельцам легковых автомобилей. Например, в течение первого года - бесплатный перевод личного легкового автотранспорта. Финансировать это мероприятие, как и строительство АГНКС, должны основные продавцы природного газа - ОАО «Газпром» и ОАО «Роснефть». Необходимо построить центры по переоборудованию и техническому обслуживанию ТС, переводимых на газовое топливо, а также обучению специалистов, заранее закупить газобаллонное оборудование. Все эти мероприятия позволят создать нужный ажиотаж среди владельцев автотранспорта и дадут стартовый положительный эффект.

На наш взгляд, в перечень преференций для владельцев ТС, работающих на компримированном природном газе (КПГ), могут войти следующие:

1. Бесплатное переоборудование на КПГ личного легкового автотранспорта, используемого не в коммерческих целях (на такси и другие аналогичные авто, а также авто юридических лиц эта услуга не распространяется).

2. Бесплатная установка на автомобиль только одного газового баллона, обеспечивающего суточный пробег. Дополнительные баллоны устанавливаются за плату.

3. Заправка автомобиля КПГ на АГНКС любой формы собственности по установленной там цене.

4. Передача газового оборудования в безвозмездное пользование владельцу личного легкового автомобиля.

5. Для исключения повторного получения оборудования в собственность отметка об его установке делается в техпаспорте на автотранспортное средство.

Затраты ОАО «Газпром» и ОАО «Роснефть» на переоборудование ТС на КПГ окупаются за счет части прибыли, получаемой от продажи КПГ, а также за счет других потребителей, переоборудовавших или купивших авто с уже установленным газовым оборудованием на свои средства.

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (34), июль 2013 г.

t jBkДШИ .....ттигятп,.,

вов^ИШ!