ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОГО ТРАНСПОРТА С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ВОДОРОДНОГО ТРАНСПОРТА С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

А. Л. Дмитриев

ФГУП Российский научный центр «Прикладная химия», 197198, Санкт-Петербург, пр. Добролюбова, 14, Россия Телефон: 238-9576, e-mail: algur@yandex.ru

Доктор технических наук.

Главный научный сотрудник Российского научного центра «Прикладная химия».

Член Научного совета по горению и взрыву при Президиуме РАН (Северо-Западное отделение).

Руководитель направления «Водородная энергетика и технологии». Область научных интересов:

технологии получения, хранения, транспортирования газообразного и жидкого водорода;

применение водорода в транспортных и энергетических системах;

экология.

Дмитриев Алексей Леонидович

Technical and energy aspects of hydrogen application in the automobile transport industry are considered. Energy and economic issues of commercial production of hydrogen as a motor fuel seems to be the most difficult. It is proposed to use excess capacity of large electric power plants for production of electrolytic hydrogen.

Понятие «водородная энергетика» появилось в 1970-е гг. в разгар энергетического кризиса, охватившего страны Западной Европы и США. 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 проектов как фактор снижения экологического давления на окружающую среду.

Как известно, в основе концепции водородной энергетики лежат два основополагающих принципа: использование для получения водорода воды, рассматриваемой в качестве неограниченной сырьевой базы водорода, и энергии экологически чистых возобновляемых источников (солнце, воды, ветра), а также атомной и термоядерной. Считается, что сочетание электроэнергии с водородом, используемым в качестве энергоносителя, в условиях отсутствия органического топлива или значительном его удорожании, сможет комплексно решить две глобальных проблемы: энергетики и экологии.

Особенно критическая ситуация с загрязнением воздушного бассейна складывается в крупных городах и промышленных центрах. На рис. 1 приведена диаграмма со структурой потребляемых энергоресурсов и наносимым ущербом [1] от их использования для города с численностью населения 1 млн. человек.

Структура потребляемых энергоносителей

— природный газ

— моторное топливо

— мазут, уголь

Структура источников вредных газовых выбросов

легковой автотранспорт груз. и автобусы (10%) ТЭС

Структура источников наносимого ущерба

легковой автотранспорт груз. и автобусы (10%) ТЭС

Рис. 1. Структура энергетических и экологических показателей для города с численностью населения 1 млн. человек

Анализ показывает, что только 14% из используемых в городском хозяйстве энергоносителей приходится на моторные топлива, а основной объем ложится на природный газ, потребляемый крупными ТЭС, и незначительная часть (1,5-2%) приходится на мазут и уголь, ^ используемые в небольших котельных. £ Несмотря на сравнительно небольшое в об-£ щем балансе энергоносителей потребление ^ моторных топлив, основным источником за-| грязнения окружающей атмосферы (60-70%) ь является городской автотранспорт. Причем зна-1 чительная доля вредных выбросов приходится & на грузовой и автобусный автопарки, поэтому § экологические проблемы в крупных городах в «г первую очередь связаны с работой автотранспорта, а точнее, с использованием нефтяных моторных топлив.

В связи с актуальностью экологической проблемы крупных городов во многих странах ведется работа по снижению токсичности автомобильных выхлопов. Рассматривается несколько направлений: создание новых сортов бензина и искусственных моторных топлив, соответствующих более низкому уровню токсичности (ЕВРО-1, ЕВРО-2, Калифорнийский стандарт и т. д.). Объемы финансовых затрат на эти цели только в США исчисляются сотнями миллионов долларов. Для снижения токсичности выхлопных газов применяют каталитические дожигатели и фильтры, которые приводят к значительному удорожанию автомобиля, но мало эффективны в условиях эксплуатации российского автотранспорта. Правительством Москвы планируется перевод дизельных двигателей на диметилэфир, продукты сгорания которого менее токсичны по сравнению с дизельным топливом, в особенности по содержанию N0 [2].

Однако несмотря на дороговизну указанных проектов, они не гарантируют полное исключение токсичности продуктов сгорания и являются источниками накопления в окружающей атмосфере диоксида углерода, относящегося к разряду парниковых газов. К коренному улучшению сложившейся в крупных городах экологической обстановки могло бы привести использование в автотранспортных системах водорода. Эффективность и особенность применения водорода в качестве моторного топлива подтверждена большим объемом экспериментальных исследований, в том числе непосредственно в условиях городской езды. Полученные результаты показывают возможность использования водорода в качестве моторного топлива без создания нового двигателя. Особенности процесса горения водорода (например, высокие скорость и температура пламени) корректируются незначительной конструкторской доработкой и регулировкой двигателя.

Водород может применяться как в чистом виде, так и в смеси с углеводородным топли-

вом. Благодаря его высокой физико-химической активности небольшая (5-10% масс.) добавка водорода к бензину позволяет снизить токсичность выхлопных газов на 65-75% [3].

Табл. 1. Выброс вредных веществ при сгорании различных топлив [4]

Виды топлива Выброс вредных веществ, г/км

CO CH NOx

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 (Н2 + СО) 5 2,5 3,5

Синтез-газ (Н2 + СО) 0 0,4 2,3

Водород 0 0 2,5

ЕВРО-1 2,72 0,93 —

Как следует из табл. 1, из широкого перечня моторных топлив смесь бензина с водородом наиболее близко соответствует европейскому стандарту ЕВРО-1. При этом расход бензина снижается на 30-40%. Наиболее низкое содержание N0х в продуктах сгорания наблюдается при нагрузках менее 50% максимальной мощности [3], т. е. при рабочих параметрах двигателя, представляющих наибольший интерес для условий городской эксплуатации автомобилей.

Применение водорода в качестве топлива для транспортных систем связано с решением такой важной проблемы, как компактное и безопасное хранение водорода на борту транспортного средства. При больших количествах водорода (например, при использовании водорода в ракетно-космической или авиационной технике, где его запас на борту исчисляется тоннами), наиболее оптимальным является хранение его в криогенном виде. В автотранспортных системах, характеризующихся небольшими расходными характеристиками, более эффективными могут оказаться другие методы хранения, например, в сжатом или в связанном с интерметаллическими соединениями (ИМС) виде.

Из ИМС наиболее изучены соединения LaNi5 и ТiFе. Практическое использование их ограничено низкой массовой долей содержащегося водорода (1,4-1,7%) и высокой стоимостью (соответственно 50 и 25 $/кг) [5].

Для хранения водорода под высоким давлением (до 20 МПа) может оказаться приемлемым использование металлопластиковых бал-

лонов, предназначенных для природного газа (метана) с возможностью накопления водорода до 2,7% масс.

В стадии разработки находятся металлопла-стиковые водородные баллоны с рабочим давлением 39,2 МПа (накопление водорода до 7%масс.). Стоимость различных методов хранения водорода приведена на рис. 2.

м -

ч ч о

fct

А

О

3000 2000 1000

100

ш

Способы хранения

— под давлением

— криогенный

ИМС FeTi

ИМС LaNL

Рис. 2. Стоимость различных методов хранения водорода

Таким образом, приведенный анализ показывает, что достигнутый на сегодняшний день технический уровень позволяет перейти к практическому использованию в транспортных системах перспективного экологически чистого энергоносителя.

Однако основным условием широкомасштабного применения водорода является наличие соответствующей базы для его производства.

В качестве сырья водород потребляется в больших объемах (порядка сотни миллионов тонн в год) в химическом (для производства метанола, аммиака), нефтехимическом (для гидроочистки, гидрокрекинга, каталитического реформинга, нефтехимического синтеза, получения синтетического топлива) и других производствах [6]. Диаграмма распределения объемов использования водорода в различных отраслях промышленности представлена на рис. 3.

синтез аммиака

гидроочистка

гидрокрекинг

синтез метанола

прочие химикаты и хим. продукты

рафинирование нефти на нефтеперерабатывающих заводах

энергетика и транспорт

Рис. 3. Диаграмма распределения использования водорода по отраслям промышленности

В энергетике и на транспорте водород пока не нашел широкого применения, за исключением ракетно-космической техники, в качестве горючего и для охлаждения мощных электрогенераторов (что составляет менее 0,01% от

общего потребляемого объема). В качестве сырья используется в основном неочищенный водород, получаемый методом паровой конверсии природного газа, как правило, непосредственно на месте его потребления, что не требует создания специальной инфраструктуры для его хранения, транспортировки, очистки, ожижения, заправки и т. д.

Экологически чистым можно считать производство электролитического водорода на АЭС или ГЭС. В больших количествах водород производится в странах с дешевой электроэнергией (Канада, Египет, Индия, Норвегия). В России существует сравнительно небольшое производство жидкого водорода, созданное в 70-е годы для испытаний ракетных двигателей.

Стоимость водорода зависит от метода его получения. Из промышленных наиболее дешевым является получение водорода методом паровой конверсии из природного газа. Это так называемый технический водород, содержащий до 3% примесей, что неприемлемо для его ожижения и использования в качестве энергоносителя. Последующая очистка (до 99,99% основного продукта) приводит к удорожанию конверсионного водорода в 5-7 и более раз [7].

В связи с низкой эффективностью ИМС-накопителей водорода рассматриваются методы непосредственного получения его на борту транспортного средства, например, гидролизным методом с применением алюминия, магния, гидрида лития и др., однако указанные методы очень дороги (рис. 4).

Кроме того, т. к. в качестве активного реагента используются дефицитные металлы или их соединения, они неприемлемы для масштабного промышленного производства водорода, но могут быть конкурентоспособны с ИМС-нако-пителями для мобильных энергоустановок (ЭУ) специального назначения (например, для воз-духонезависимых ЭУ подводных аппаратов, использующих электрохимические генераторы (ЭХГ) с топливными элементами).

Методы получения Н2 конверсия пр. газа

электролиз

электролиз + ожижение

гидролиз А1 гидролиз LiH

Рис. 4. Стоимость водорода, получаемого различными методами

Масштабы водородного производства, необходимого для обеспечения работы автотранспорта, можно оценить, взяв за основу город с численностью населения 1 млн. чел. (чему соответ-

ствует примерно 250 тыс. единиц автотранспорта). С учетом более высокой энергоемкости и эффективности водорода по сравнению с бензином потребовалось бы производить 350-500 т водорода в сутки.

Энергетические затраты на производство электролизного газообразного водорода составили бы порядка 3-5 млрд. кВт.ч/год. В мировом масштабе (примерно 500 млн. единиц автотранспорта) это соответствовало бы примерно 10000 млрд. кВт.ч/год для газообразного водорода и 30000 млрд. кВт.ч — для жидкого, в то время как мировая выработка электроэнергии составляет примерно 15000 млрд. кВт.ч [8]. Из указанного примера следует, что широкомасштабное использование водорода на автотранспорте (если не идти по пути переработки углеводородного сырья) на сегодняшний день лишено реальности, по крайней мере до того, как будут найдены неограниченные и дешевые источники энергии.

В широко рекламируемых программах по созданию электромобилей на водородных топливных элементах в основном рассматривается применение углеводородного топлива с получением из него конвертируемого водорода непосредственно от бортовой компактной установки. Применение такой ЭУ позволит повысить эффективность и экологичность использования углеводородного топлива, но к водородной энергетике в ее классическом виде это имеет лишь косвенное отношение.

Тем не менее существует принципиальная возможность уже сегодня приступить, хотя и в ограниченных масштабах, к постепенному освоению водорода в автотранспортных системах. Заключается она в использовании для производства водорода избыточных мощностей крупных электростанций (АЭС, ТЭС, ГЭС), которые являются следствием двух основных причин: необходимости снижения мощностей в ночные часы, выходные и праздничные дни, резкого спада потребления электроэнергии в указанные периоды (рис. 5) [7], а также уменьшения в последние годы энергетических потребностей некоторых промышленных предприятий.

Транспортная сеть энергосистемы не может нагружаться выше определенного максимума, т. к. это приводит к ухудшению качества электроэнергии по частоте тока. Степень разгрузки определяется безопасным уровнем ее для данного электрогенерирующего объекта. Например, для АЭС данный уровень составляет 10%, а для ТЭС, работающей на газе, он может доходить до 70%.

Неиспользованные энергетические мощности могут быть направлены на производство электролитического водорода, что выгодно как с экономической точки зрения, так и с точки зрения повышения уровня безопасной работы агрегатов электростанций, и в первую очередь агрегатов АЭС. Например, энергетические по-

тери за счет диспетчерского регулирования на Ленинградской атомной электростанции (ЛАЭС) составляют примерно 400 млн. кВт.ч/год [9], а по Северо-Западному региону в целом эта цифра возрастает до 20 млрд. кВт.ч.

<а и

со &

« X

Рис. 5. Типичный график недельной нагрузки энергосистемы: А — базисная нагрузка; Б — полупиковая нагрузка; В — пиковая нагрузка; Г — резерв

Использование только избыточных мощностей ЛАЭС позволит вырабатывать примерно

7.2 тыс. т чистого водорода, достаточного для снабжения около 35-40 тысяч транспортных единиц (по Северо-Западному региону — до 360 тыс. т водорода). При этом стоимость водорода (получаемого «от розетки» по 0,47 руб./кВт.ч) составит 25-26 руб./кг или 0,7-0,8 руб./кВт.ч (с существующей стоимость на бензин — 1,1-1,3 руб./кВт.ч).

Реальная же стоимость водорода существенно возрастет в связи с необходимостью создания специальной инфраструктуры (электролизеры, компрессоры, хранилища и т. д.). Капитальные затраты на создание указанного водородного комплекса (к примеру, при ЛАЭС) обойдутся ориентировочно в 19 млн. $. Отсюда реальная стоимость газообразного водорода составит примерно 1,43 $/кг (43 руб./кг или

1.3 руб/кВт.ч). Стоимость жидкого водорода составит 4 $/кг (122руб/кг или 3,7 руб/кВт.ч). Таким образом, несмотря на значительные капитальные затраты на создание необходимой инфраструктуры, стоимость энергетической единицы, получаемой на газообразном водороде не превышает стоимости использования бензина (рис. 6).

м и

— бензин с учетом экологии по [1]

— бензин с учетом экологии по [10]

Рис. 6. Стоимость энергетической единицы, получаемой при использовании водорода и бензина

Срок окупаемости капитальных затрат только за счет экономии бензина (10 млн. $/год) составит 2 года. При этом в расчете стоимости водорода не учитывается уменьшение экологического ущерба при замене бензина водородом. По принятой нами методике расчета [1] она составит примерно 840 тыс. $, по американским данным [10] — 13,5 млн. $ в год.

Приведенные результаты подтверждают реальную техническую возможность и экономическую целесообразность уже сегодня приступить к практическому внедрению водородных технологий на транспорте и тем самым не только оздоровить экологическую обстановку в крупных городах, но и приблизить сроки более широкого освоения водородной энергетики.

Список литературы

1. Донченко В. К. Экологическая безопасность атмосферы города и автотранспорт//Те-зисы доклада. Совет безопасности Санкт-Петербурга. СПб.: 1998.

2. Систер В. Г. О научно-технической программе перевода автотранспорта Москвы на диметилэфир//Наука Москвы и регионов. 2002. №2. С. 26-32.

3. Мищенко А. И. Применение водорода для автомобильных двигателей. Киев: Наукова Думка, 1984.

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

5. Шпильрайн Э. Э., Малышенко С. П., Кулешов Г. Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат, 1984.

6. Справочник. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. М.: Химия, 1989.

7. Коровин Н. В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат, 1991.

8. Энергетическая стратегия России. М. 1994.

9. Lebedev V. I., OrlovM. I., Romanov V. G. Leningrad NPP Perspective Potential for Hydrogen Technologies Implementation//HYPOTHESIS III, St.-Pb, Russia. 1999. С. 85-86.

10. Veziroglu T. N. Hydrogen energy system as a permanent solution to global energi-environmental problems//Альтернативная энергетика и экология. 2002. №1. С. 8-18.