Водородная энергетика автомобильного транспорта: зарождение и современное состояние

© В.М. Фомин, М.М. Бендик, М.И. Сидоров,

С. А. Герасименко, 2006

УДК 621.436-61

B.М. Фомин, М.М. Бендик, М.И. Сидоров,

C.А. Герасименко

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА: ЗАРОЖДЕНИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Яаучно обоснованным путем радикального решения экологических проблем на транспорте является замена используемых ныне углеводородных топлив на водород - экологически чистый энергоноситель. Кратко изложена история развития водородной энергетике на примере создания водородного автомобиля. Обсуждены аспекты вхождения в транспортную сферу водородной энергетики и задачи, стоящие перед отечественным транспортным комплексом. Анализируется возможность поэтапного развития исследований в области водородной транспортной энергетики России.

Мировая концепция водородной

энергетики зародилась в середине 70-х годов как естественная реакция научного сообщества на надвигающуюся экологическую катастрофу, на ограниченность мировых запасов углеводородных топлив (прежде всего нефти и газа). И если в то время основной проблемой считалось сокращение мировых запасов углеводородных энергоносителей, то в настоящее время на первый план выдвигается угроза стремительно нарастающего на планете экологического кризиса. Поэтому использование водорода в качестве энергоносителя рассматривается в большинстве международных про-

ектах как фактор снижения экологического давления на окружающую среду.

В настоящее время научноисследовательские работы по водородной энергетике проводятся более чем в 40 странах мира. В ряде стран приняты национальные программы и реализуются крупные проекты по развитию водородной энергетике (Япония, Германия, США). По многим направлениям интенсивно началось практическое освоение водородной техники, водородных технологий и водородных энергетических систем (водородные автомобили, топливные элементы, усовершенствованные электролизеры, водород-никелевые батареи и др.).

В мировой экономике водород в качестве сырья потребляется в больших объемах (порядка сотни миллионов тонн в год) в химическом производстве, в нефтехимической промышленности и других производствах. На сегодняшний день крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов в мире осуществляется в основном путем паровой конверсии метана

[1]. Чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, требуются пар и тепловая энергия при температуре 750-850 °С. Для осуществления эндотермического процесса конверсии метана сжигается около половины исходного

Выброс вредных веществ при сгорании различных топлив [2]:

Виды топлива Выброс вредных веществ, г/км

СО СН

Бензин 42 8,5 9,1

Сжиженный нефтяной газ 19 4,8 8,7

Сжатый природный газ 8,5 4,5 8,5

Бензин в смеси с водородом 3 2,8 4,55

Метанол 28 4,6 4,4

Метанол в смеси с бензином 32 5,4 7,6

Метанол в смеси с синтез - газом 5 2,5 3,5

Синтез-газ (Н2 + СО) G G,4 2,3

Водород G G 2,5

ЕВРО-1 2,72 G,93 —

газа, что приводит к существенным дополнительным затратам энергии и загрязнению окружающей среды продуктами сгорания.

Переход к водородной энергетике на транспорте неизбежен и обусловлен необходимостью решения актуальной проблемы экологической безопасности. Кроме того, вовлечение водорода в сферу автотранспортного комплекса способно существенно повлиять на структуру потребления энергетических источников на органической основе.

Эффективность применения водорода в качестве моторного топлива для автотранспортных средств подтверждена большим объемом экспериментальных исследований, в том числе непосредственно в условиях городской езды. Водород может применяться как в чистом виде, так и в смеси с углеводородным топливом. Благодаря высокой кинетической активности сгорания водорода его небольшая

[2].

Мировой опыт успешного применение Н2 можно проиллюстрировать уже

известными достижениями в области автомобильных технологий [3, 4].

Японская автомобильная фирма Тойота приступила разработке первого водородного автомобиля. Это автомобиль с гибридной энергетической установкой, в которой водород подается в электрохимический генератор (ЭХГ) на основе топливных элементов для питания двигателя мощностью 80 кВт. Скорость автомобиля до 150 км/ч, а дальность пробега при наличии трех водородных баков составляет 250 км.

Другая японская автомобильная компания Хонда планирует начать поставку на рынок нового автомобиля на водороде с использованием ЭХГ и электрической тяги. Бак для водорода высокого давления (до 35 МПа.) конструктивно интегрирован в днище автомобиля. При этом предусмотрены особые меры безопасности. При максимальной скорости 140 км/ч и хорошей динамики разгона эта модель имеет пробег от 180 до 300 км. По планам Японского правительства к 2010 г. в стране будет эксплуатироваться до 50 тыс. водородных автомобилей.

Американская фирма General Motors разработала автомобиль, в кото-

ром водород для топливных элементов ЭХГ производится непосредственно на борту автомобиля на основе химического преобразования бензина. Серийный водородный автомобиль будет подготовлен к 2010 г.

Немецкая компания BMW подготовила к производству водородную версию своего автомобиля Mini. В модернизированный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания непосредственно впрыскивается глубоко охлажденный водород. Резервуар для жидкого водорода имеет форму, адаптированную к конструкции автомобиля. Поэтому автомобиль сохраняет обычный интерьер и вместимость. Во время тура «За мир чистой энергии» (Дубай, Брюссель, Милан, Торонто и Лос-Анджелес, 2001 г.) компания

BMW демонстрировала 15 водородных автомобилей.

Компания Hermes Versand (Гамбург) приступила к испытаниям фуры, где используется ЭХГ мощностью 55 кВт, работающий на сжатом газообразном водороде. Автомобиль при максимальной скорости 120 км/ч имеет пробег до 120 км. Полезный объем автомобиля сохранен.

В Германии в городе Барт на берегу Балтийского моря планируется выпустить на маршрут водородный автобус. Имеющееся в городе производство по переработке сточных вод требует большого количества кислорода, который получают электролизом воды. В этой технологии водород является технологически побочным продуктом, который планируется использовать как топливо для автобусов. Следует подчеркнуть, что это хороший пример того, как комплексное использование водорода и кислорода - продуктов электролиза воды -может быть рационально использовано в смежных технологиях.

Эксплуатация водородных автомобилей в массовом масштабе потребует создания водородной заправочной инфраструктуры. Уже сейчас в ряде стран интенсивно накапливается технический и коммерческий опыт проектирования, строительства и эксплуатации водородных станций для обслуживания автомобильного транспорта. Так, в октябре 2002 г. в Берлине открыта первая водородная заправочная станция для заправки транспортных средств как жидким, так и компримированным газообразным водородом.

Для хранения жидкого водорода на станции используется охлаждаемая цистерна объемом 18 м3. Газообразный водород производится в мембранном электролизере высокого давления и хранится в баллонах при давлении 25 МПа. Производительность электролизера 1 м3/ч и с учетом роста потребностей может быть увеличена в 100 раз.

Таким образом, развивающаяся в настоящее время в мире водородная техника, основанная на успехах конкретных технических решений, потенциально способна обеспечит в ближайшие годы реальное вхождение водородной энергетики в автотранспортный комплекс индустриально развитых стран [3,

4].

Анализируя состояние проблемы транспортной водородной энергетике в России, можно отметить, что в области теоретических, концептуальных разработок российская наука находится на вполне приемлемом мировом уровне [14]. В стране имеется большой научный и технический потенциал в области водородных технологий. Однако отсутствие должного финансирования обуславливает оче-видное отставание в реальной сфере практической реализации этого потенциала.

С учетом существующего финансового и научно-технического состояния автомобилестроительной отрасли в России развитие работ в области водородной транспортной энергетики, на наш взгляд, целесообразно осуществлять поэтапно по следующей схеме.

К актуальным (первоочередным) задачам следует отнести разработку автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) полностью или частично (с добавкой к основному топливу) работающих на водородном топливе, хранящемся на борту транспортного средства в компримированном, либо жидком состоянии. Достоинствами данных решений является их быстрая реализация в серийном производстве, значительное (до 45 %) снижение выбросов вредных веществ и улучшение экономичности (до 15-20 %) автомобиля. Проблема использования водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей на данном этапе предопределяет необходимость решения следующих задач:

разработку наиболее эффективных способов преобразования химической энергии водорода в энергию движения автомобиля;

разработку безопасных и эффективных способов хранения водорода на борту автомобиля;

решение вопросов получения водорода в необходимых количествах, его транспортировки, создания инфраструктуры, обеспечивающей бесперебойную эксплуатацию автомобильного транспорта на водороде.

Масштабы водородного производства, необходимого для обеспечения работы автотранспорта, можно оценить, взяв за основу город с численностью населения 1 млн. человек (примерно 250 тыс. единиц автотранспорта). Для питания такого количества транспортных

средств потребовалось бы производить 350—500 т водорода в сутки. Энергетические затраты на годовое производство электролизного газообразного водорода составили бы порядка 3—5 млрд. кВтч/год.

При этом заметим, что в мире эксплуатируется примерно 500 млн. единиц автотранспорта, поэтому потребовалось бы затратить электроэнергии примерно 10000 млрд. кВт-ч/год для производства гидролизного газообразного водорода и 30000 млрд. кВт-ч/год — для жидкого.

[1]. Мировая годовая выработка электроэнергии составляет примерно 15000 млрд. кВт-ч.

К проблеме широкого внедрения водородных энергетических систем на транспорте следует дополнительно отнести отсутствие инфраструктуры заправки автомобилей жидким или газообразным водородом, что, в принципе, является общим для всех этапов развития транспортной водородной энергетики. Из рассмотренного выше следует, что широкомасштабное использование водорода на автотранспорте в России на ближайший период лишено реальности.

Поэтому более предпочтительной на данный период представляется идея разработки энергетических установок на базе отечественных серийных двигателей, работающих на водородном топливе, которое с использованием тепловой энергии ОГ синтезируется непосредственно на борту транспортного средства из альтернативных сырьевых источников с большим компонентным содержанием водорода (например, метанола или метана). Опытные варианты таких двигателей, успешно прошедших стадию стендовых и дорожных испытаний на автомобиле, реально существуют [5-7]. Проблема связа-

на лишь с их последующим внедрением в сферу серийного про-изводства.

Априори, концепция создания энергетической установки отечественного автомобиля в составе базового серийного ДВС и системы синтеза (конверсии) жидких углеводородных продуктов в водородосодержащий газ для питания двигателя представляется весьма перспективной. Практическая реализация подобной концепции не требует переналадки существующих технологий и не связана с серьезными техническими и финансовыми затратами. В качестве базового двигателя может быть использована любая серийная модель ДВС. Основной элемент конверсионной системы - реактор представляет собой простейшую конструкцию теплообменного аппарата, массовые и габаритные характеристики которого (в объеме обычного глушителя) обеспечивают удобство его установки в выпускной системе двигателя.

Важным стимулом дальнейшего развития подобного способа функционирования энергетической установки является то, что он обладает возможностями совокупного совершенствования установки по комплексу показателей. Его реализация, в частности, позволяет утилизировать отходящую тепловую энергию, совершенствовать процессы сгорания, улучшать экологические качества установки, обеспечивая при этом задачи ресурсосбережения вследствие замены традиционного нефтяного топлива альтернативным энергоносителем из возобновляемых, в том числе, биологических источников. С учетом существующего состояния отечественного автомобилестроения использование на транспорте подобных энергетических установок обуславливает реальную возможность достижения по эколого-

экономическим показателям мирового уровня.

К среднесрочным перспективным разработкам можно отнести создание автомобилей с комбинированными (гибридными) энергоустановками на базе ДВС, работающего на водородном топливе, синтезируемом на борту транспортного средства. В этом случае двигатель работает на режимах, близким к стационарным, что обеспечивает уменьшение выбросов токсичных компонентов (до 60 %), улучшает условия работы системы синтеза водорода, и, как следствие, снижение расхода топлива (до 40-45 % по отношению к традиционному бензиновому двигателю). При разработке такого автомобиля должна быть создана электромеханическая трансмиссия и источники накопления энергии на борту автомобиля (буферные накопители - тяговые аккумуляторы).

К дальнесрочным проектам относится разработка автомобилей с энергоустановками на базе топливных элементов. Отдаленность перспективы создания подобных автомобилей с электрическим приводом обусловлена, в первую очередь, отсутствием компактных топливных элементов в Российской Федерации, с ресурсными и рабочими характеристиками, приемлемыми для автомобильного транспорта. Опыт зарубежных исследователей показывает, что надежный топливный элемент для автомобиля может быть создан не ранее, чем через 10-15 лет, а цена за 1 кВт его энергии в размере 100 дол. США (двукратная по отношению к 1 кВт энергии традиционного двигателя) - обеспечена не ранее, чем через 20-25 лет. Главным фактором, стимулирующим необходимость разработки подобных энергоустановок, является отсутствие выбросов в атмосферу

1. Пономарев-Степной Н.Н., Столя-ревский А.Я. Атомно-водородная энергетика // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE. - 2004. - №3

(11). - С. 5-10.

2. Кутенев В.Ф., Каменев В.Ф. Перспективы применения водородного топлива для автомобильных двигателей // Конверсия в машиностроении.-1997. - №6. - С. 73-79.

3. Гольцов В.А. Планетарные аспекты перехода к будущей "водородной цивилизации" в свете учения В.И. Вернадского // Докл. Межд. научи, конф. "Творческое наследие В.И. Вернадского и современность", Донецк: ДонГТУ, 2001. - С. 433-439.

4. Гольцов В.А., Везироглы Т.Н. Планетарные аспекты перехода к водородной цивилизации будущего // Водо-

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

родная обработка материалов: Труды Третьей Международной конференции "ВОМ-2001", Донецк-Мариуполь, 14-18 мая 2001 г., Донецк, 2001. - С. 53-64.

5. Фомин В.М., Каменев В.Ф. Хрипач

Н.А. Автомобильный двигатель, работающий на смесевом топливе бензин-водород // АГЗК + Альтернативные топлива. - 2006. - №1(25). - С.72-77.

6. Фомин В.М., Каменев В.Ф. Хрипач

Н.А. Анализ экономических показателей дизеля при работе на водородно-дизельном топливе // АГЗК + Альтернативные топлива. -2006. - №1 (25). - С. 60-63.

7. Фомин В.М., Хрипач Н.А. Двига-

тель, работающий на смеси дизельного и водородного топлив // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2006 г. - №5. - С.31-37.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------

Фомин В.М., Бендик М.М., Сидоров М.И., Герасименко С.А. - Российский университет дружбы народов.