Водородная энергетика и современный транспорт

Водородная энергетика и современный транспорт

В.М. Фомин,

профессор РУДН, д.т.н., Д.В. Шевченко,

аспирант РУДН

Анализируется мировой опыт практического внедрения водородной энергетики в сферу автомобильных технологий. Обсуждается возможность поэтапного развития исследований в области водородной транспортной энергетики России.

Ключевые слова: альтернативное топливо, водород, экологическая безопасность, топливно-экономические показатели, водородная энергетика транспорта, парниковый эффект, транспортные средства.

Hydrogen energetics and modern transport

V.M. Fomin, D.V. Shevchenko

World experience of practical introduction of hydrogen energetics in sphere of automobile technologies is analyzed. Possibility of stage-by-stage development of researches in the field of hydrogen transport energetics of Russia is discussed.

Keywords: alternative fuel, hydrogen, environmental safety, fuel and economic indexes, hydrogen energetics of transport, greenhouse effect, means of transport (or transportation).

Концепция водородной энергетики зародилась в мире в середине 70-х гг. прошлого столетия. Использование водорода, как единственного экологически чистого энергоносителя, рассматривается в большинстве международных проектов прежде всего с точки зрения снижения экологического давления на окружающую среду, решения планетарной проблемы парникового эффекта и региональных экологических проблем. Действительно, при сжигании водород не дает никаких вредных выбросов и в том числе не образует СО2.

В рамках развития этой концепции в 1974 г. была создана Международная ассоциация по водородной энергетике, в которую, наряду с другими

промышленно развитыми странами, вошел СССР. Координацию работ на тот период осуществляли Комиссия АН СССР по водородной энергетике и Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова.

Весьма быстро идея водородной энергетики привлекла внимание международного научного сообщества, и стало интенсивно формироваться всемирное водородное движение. В 80-х гг. концепция водородной энергетики была полностью разработана и детализирована, был осуществлен ее наукометрический анализ и разработана структура [1, 2].

В настоящее время научно-исследовательские работы по водородной энергетике проводятся более чем в 40 странах мира, а в ряде стран

приняты национальные программы и реализуются крупные проекты по развитию водородной энергетики (Япония, Германия, США). По многим направлениям интенсивно началось практическое освоение водородной техники.

Началась коммерциализация водородной техники. Выяснилось, что даже частичное вхождение в жизнь водородной энергетики повлечет за собой серьезные структурные изменения в экономике в целом. В связи с этим стало все более широко использоваться понятие «водородная экономика» [2].

Достигнутый на сегодняшний день технический уровень позволяет перейти к практическому использованию перспективного экологически чистого энергоносителя в транспортных системах. Однако основными условиями широкомасштабного применения водорода на транспорте являются наличие соответствующей базы для его производства и распределения, а также экономически оправданная стоимость этого газа.

Стоимость водорода как энергоносителя в настоящее время существенно превышает стоимость традиционных нефтяных топлив. В сложившихся условиях возрастает интерес к технологиям производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии, в том числе биомассы. Одной из особенностей технологии его выработки из биомассы является снижение содержания в атмосфере диоксида углерода, который поглощается в процессах фотосинтеза при выращивании биологического сырьевого продукта, что способствует уменьшению парникового эффекта в биосфере.

Внедрение водородной энергетики в автомобильную сферу в первую очередь связывают с хорошо освоенными традиционными технологиями, основанными на применении в транспортных средствах поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Перспективность применения водорода в качестве моторного топлива

для АТС подтверждена исследованиями, в том числе непосредственно в условиях эксплуатации. Моторные свойства водорода - высокие детонационная стойкость, скорость и полнота сгорания, широкие пределы воспламеняемости - благоприятствуют созданию водородных транспортных двигателей.

Вместе с тем при использовании водородного двигателя возникают проблемы, затрудняющие получение таких же показателей, как у традиционного бензинового ДВС. Во-первых, хотя теплота сгорания водорода в расчете на единицу массы (120 тыс. кДж/кг) почти втрое выше, чем у бензина, стехиометрическое соотношение водорода и воздуха также примерно втрое выше. В сочетании с низкой плотностью газообразного водорода это приводит к тому, что теплота сгорания единицы объема водородовоздушной смеси ниже, чем у бензовоздушной. Это означает пропорциональное снижение удельной мощности водородного двигателя по сравнению с бензиновым аналогом при равных условиях организации процесса [3]. К тому же существует еще ряд причин, затрудняющих использование стехиометрических смесей в водородном двигателе.

Одной из проблем, связанных с переводом поршневых двигателей на водородное топливо, является вероятность преждевременного (калильное) воспламенения водоро-досодержащей смеси, которое приводит к обратным вспышкам (хлопок) смеси во впускном коллекторе, достаточно опасным с точки зрения надежности и безопасности эксплуатации. Аналогичные явления были обнаружены большинством исследователей и в опытах с непосредственной подачей водорода в двигатель [3]. Установлено, что их причина - не самовоспламенение смеси, а ее контакт с нагретыми деталями камеры сгорания или отработавшими газами (ОГ). По этим данным, а также по результатам специально поставленных экспериментов установлена надежная

корреляция между границей хлопков во впускном коллекторе и удельным количеством теплоты, подводимой при сгорании, на единицу массы рабочего тела.

Кроме того, при переводе существующих двигателей на водородное топливо следует считаться с возможностью существенного повышения механических и тепловых нагрузок на детали двигателя. Причина этого - высокая скорость сгорания водорода. При отсутствии специальных мероприятий это приводит к повышению давления и температуры в цилиндре двигателя.

Повышенная температура в зоне сгорания водорода приводит к ускоренному образованию оксидов азота из-за окисления атмосферного азота. Это может свести на нет эффект от высокой полноты сгорания водорода и устранения при этом оксидов углерода и углеводородов, поскольку оксиды азота обладают более сильным отравляющим действием, чем соединения углерода.

Таким образом, кроме очевидных преимуществ водородного топлива, необходимо учесть весь комплекс факторов, которые могут вызвать ухудшение мощностных, экономических и экологических показателей ДВС, и наметить пути их устранения или компенсации.

Наиболее очевидным способом компенсации потери мощности является применение газотурбинного наддува при том же значении а. Для предотвращения существенного повышения температуры сгорания требуется охлаждение наддувочного воздуха до 70° С, что вполне осуществимо при использовании современных эффективных теплообменников. В этом случае, как показали исследования [3], температура деталей в опасных точках камеры сгорания не выходит за допустимые пределы, а концентрация оксидов азота оказывается такой же низкой, как и при работе на водороде при а = 2 без наддува. Полученные результаты позволяют наметить основные

направления развития водородных двигателей с искровым зажиганием, которое должно базироваться на использовании обедненных смесей и применении наддува с охлаждением наддувочного воздуха.

Системы аккумулирования водорода на борту транспортного средства

При использовании водорода в качестве топлива для двигателей АТС одной из наиболее важных задач является разработка экономически оправданного, гибкого в использовании комплекса бортовых систем аккумулирования водорода. Понятием «аккумулирование водорода» объединяются методы и процессы хранения водорода как индивидуального вещества и процессы, в которых водород хранится в связанном виде. Во всех случаях аккумулирование водорода сопровождается затратами энергии и требует капиталовложений в создание среды аккумулирования и системы хранения в целом.

В настоящее время принципиально возможны следующие способы бортового аккумулирования водорода:

• в газообразном состоянии под давлением в емкостях различных типов;

• в твердофазном связанном состоянии в гидридах металлов;

• в жидком состоянии в криогенных емкостях;

• в химически связанном состоянии в жидких средах.

Наиболее простым и не требующим разработки новой технологии является способ хранения водорода в баллонах при высоком давлении. Баллоны нового поколения, рассчитанные на давление 70-100 МПа, позволяют улучшить показатели энергоемкости данного способа. Одним из наиболее безопасных способов хранения водорода, особенно для автомобилей коммунального хозяйства, является хранение его в связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах. Технологический ре-

сурс таких аккумуляторов достигает 15 тыс. циклов зарядка-разрядка.

Более высокие массовые и энергетические показатели имеет криогенная система хранения водорода в сжиженном состоянии при глубоком охлаждении. Жидкий водород имеет температуру кипения -252,4 °С и плотность 0,071 кг/л, тогда как под давлением 30 МПа его плотность составляет только 0,025 кг/л. Следовательно, он более компактен, чем сжатый, и обеспечивает более высокую энергоемкость системы бортового хранения. Однако значительный объем системы требует серьезного изменения кузова и уменьшает его полезный объем. Большой проблемой остается утечка водорода из баллонов. Даже для баллонов с многослойной изоляцией и тепловым экраном потери водорода за счет испарения составляют до 1-3 % в сутки.

Рассмотренные выше способы и средства хранения водорода заметно уступают по показателю энерговооруженности традиционным топливным бакам (таблица), не говоря уже о том, что в техническом отношении они неизмеримо сложнее систем хранения и транспортировки жидких нефтяных топлив. Перевод транспортных двигателей на питание водородом связан не только с проблемой энерговооруженности (запас хода) этих средств, но и с созданием развитой инфраструктуры для его транспортировки к местам заправки, а также созданием сети заправочных станций.

Одним из альтернативных решений данных проблем является использование систем аккумулирования водорода на борту АТС в

химически связанном состоянии (жидкое химическое соединение). Во-дородосодержащий газ получается при конвертировании этого соединения в бортовом термохимическом реакторе с использованием теплоты ОГ. Выбор сырьевого продукта для бортового генерирования водорода является компромиссом, учитывающим доступность продукта и его массовое производство, температурные условия конверсии, количество водорода, образующегося при конверсии, и стоимость.

На сегодняшний день хорошо отработана технология бортового получения водородного газа с использованием метанола [5-7]. Целесообразность его использования обусловлена повышенным содержанием водорода (его молекулярная доля в соединении СН3ОН составляет 2/3). Массовый показатель среды аккумулирования водорода в виде жидкого метанола составляет порядка 8,5 кг/кг Н2. Массовое содержание водорода в единице объема жидкого метанола почти в 1,5 раза превышает плотность жидкого криогенного водорода. Для условий эксплуатации АТС важно также и то, что хранение водорода в химически связанном состоянии в жидкой среде обусловливает высокую безопасность АТС при аварийных ситуациях.

Перспективное внедрение водородной энергетики в сектор транспортного потребления повсеместно связывают с переходом от традиционных технологий, основанных на поршневых ДВС, к энергетическим системам с водородными электрохимическими генераторами (ЭХГ). Однако широкое внедрение в массовое

производство этих систем пока еще сдерживается их высокой себестоимостью. Затраты на создание ЭХГ в настоящее время на два порядка выше, чем на ДВС. Полагают [1], что потребуется не менее 10 лет, чтобы решить проблему снижения стоимости энергоустановки с топливными элементами (ТЭ) до приемлемого уровня.

Тем не менее, оптимизм внушает то, что характеристики ТЭ и энергоустановок на их основе за последние годы имеют тенденцию к улучшению, увеличивается их удельная мощность и ресурс, снижается стоимость. За последние десятилетия в мире создано большое количество опытных образцов АТС и высокоэффективные коммерческие энергоустановки на основе ЭХГ. Вполне очевидно, что применение ЭХГ выведет энергетику и транспорт на качественно новый уровень развития. При этом эксплуатация водородных автомобилей в массовом масштабе потребует создания водородной заправочной инфраструктуры. Поэтому это направление развития водородной экономики также находится под пристальным вниманием компаний, намеренных осуществить широкую коммерциализацию водородных автомобилей.

Таким образом, развивающаяся в настоящее время в мире водородная техника потенциально способна обеспечить в ближайшие десятилетия реальное вхождение водородной энергетики в автотранспортный комплекс индустриально развитых стран.

Анализируя состояние проблемы транспортной водородной энергетики в России, можно отметить, что в

Сравнительные характеристики способов хранения водорода

Способ хранения Максимальное давление в Характеристики системы, отнесенные к единице массы Н2 Потери Н2, % Безопасность

системе, МПа Масса, кг/кг Н2 Объем, л/кг Н2

Газобаллонный 15,0 100-110 95 - Средняя

В жидком виде 0,1-0,15 8-10 40-50 1-3 Средняя

В гидридах 2,0-2,5 95-100 25-30 - Высокая

области концептуальных разработок российская наука находится на вполне приемлемом мировом уровне [1, 3, 4]. В стране имеется большой научный и технический потенциал в области водородных (в частности, ракетных) технологий.

С учетом существующего финансового и технологического состояния автомобилестроительной отрасли в России развитие работ в области водородной транспортной энергетики, на наш взгляд, целесообразно осуществлять поэтапно.

К актуальным первоочередным задачам следует отнести разработку автомобильных ДВС, частично (малые добавки к основному топливу) использующих водород. Достоинствами данных проектов являются их быстрая реализация в серийном производстве, значительное (до 45 %) снижение выбросов вредных веществ и улучшение экономичности (до 15-20 %) автомобиля.

Более сложная проблема - использование водорода в качестве основного топлива для автомобильных двигателей. На данном этапе она 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 экономически оправданного промышленного получения водорода в необходимых количествах.

К проблеме широкого внедрения водородных энергетических систем на транспорте следует дополнительно отнести отсутствие инфраструктуры заправки автомобилей жидким или газообразным водородом. Из рассмотренного выше следует, что широкомасштабное использование водорода на автотранспорте в качестве основного топлива 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 синтезируется непосредственно на борту транспортного средства из альтернативных сырьевых источников с большим компонентным содержанием водорода (например, метанол или метан). Опытные варианты таких энергоустановок, успешно прошедших стадию стендовых и дорожных испытаний на автомобиле, реально существуют [5-7]. Проблема связана лишь с их последующим внедрением в сферу серийного производства.

Априори концепция создания энергетической установки в составе базового серийного ДВС и системы 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. При этом для организации конверсионного процесса используется бесплатная тепловая энергия ОГ двигателя.

Важным стимулом дальнейшего развития подобного способа функционирования транспортной энергетической установки является то, что он обладает возможностями совокупного самосовершенствования по комплексу показателей. Его реализация, в частности, позволяет утилизировать на основе принципа термохимической регенерации отходящую тепловую энергию [9], совершенствовать процессы сгорания, улучшать экологические качества установки, обеспечивая при этом ресурсосбережение вследствие замены традиционного нефтяного топлива альтернативным энергоносителем из возобновляемых, в том числе биологических, источников. Использование подобных энергетических установок на отечественном транспорте обусловливает для него реальную возможность достижения мирового уровня по эколо-го-экономическим показателям.

К среднесрочным перспективам можно отнести создание автомобилей с комбинированными (гибридные) энергоустановками на базе ДВС, работающего на водородном топливе, синтезируемом на борту АТС. Бортовая система синтеза во-дородосодержащего топлива при использовании ее на автомобилях

Рис. 2. Автомобиль «Бычок» с энергетической установкой на основе ЭХГ

с гибридной силовой установкой дополняет и совершенствует общеизвестные положительные эксплуатационные качества последней.

К дальнесрочным проектам относится разработка автомобилей с энергоустановками на базе ТЭ. Отдаленность перспективы создания подобных автомобилей с электрическим приводом обусловлена, в первую очередь, отсутствием компактных ТЭ в Российской Федерации с ресурсными и рабочими характеристиками, приемлемыми для автомобильного транспорта. Существующие системы с ЭХГ, используемые в отечественном космическом комплексе, для их применения на наземных транспортных средствах требуют серьезных усовершенствований по своим эксплуатационным характеристикам и цене.

Главным фактором, стимулирующим необходимость разработки транспортных энергоустановок с ЭХГ, является насущная необходимость создания экологически чистого транспортного средства с нулевой токсичностью. Поэтому применение ЭХГ в составе энергетических установок АТС уже сейчас рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений

развития автомобильной отрасли в России. Доказательством тому служит ряд конкретно реализованных проектов. Например, Волжский автомобильный завод в содружестве с Ракетно-космическим комплексом «Энергия» разработал опытные образцы легковых автомобилей «Ант-эл-1» и «Антэл-2» с энергетическими

установками на основе ЭХГ (рис. 1). В качестве реального национального успеха в этой области можно назвать создание во ФГУП «НАМИ» опытного образца автомобиля на базе автомобиля «Бычок» с энергетической установкой на основе водородного ЭХГ (рис. 2).

Приведенные выше примеры убедительно свидетельствуют о том, что развивающаяся в настоящее время в стране водородная техника, основанная на конкретных технических решениях, потенциально способна обеспечить в ближайшие десятилетия реальное вхождение водородной энергетики в автотранспортный комплекс России.

При этом современное состояние отечественного научного и технологического прогресса в сфере водородной энергетики обусловливает возможность уже сегодня приступить к практической реализации отдельных апробированных инновационных технологий на транспорте и тем самым не только оздоровить экологическую обстановку в мегаполисах, но и приблизить сроки более широкого освоения российской водородной техники.

Литература

1. Дмитриев А.Л. Экономические и технические проблемы развития водородного транспорта с целью улучшения экологического состояния окружающей среды // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). - 2004. - № 1 (9).

- С. 14-18.

2. Goltsov V.A., Veziroglu T.N. From hydrogen economy to hydrogen civilization // Intern. J. Hydrogen Energy. - 2001. - Vol. 26. - P. 909-915.

3. Галышев Ю.В. Анализ перспективы создания водородных двигателей // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE. - 2005. - № 2 (22).

- С. 19-23.

4. Коротеев А.С., Миронов В.В., Смоляров В.А. Перспективы использования водорода в транспортных средствах // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). - 2004. - № 1 (9). - С. 5-13.

5. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А. Теоретические и экспериментальные исследования работы двигателя на водородно-дизельных топливных композициях // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE. - 2005.

- № 7. - С. 32-42.

6. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А. Водород - альтернативный энергоноситель для автотранспорта: проблемы и решения // АГЗК+АТ. - 2004. - № 1 (13).

- С. 43-48.

7. Фомин В.М., Платунов А.С. Водород как химический реагент для совершенствования показателей работы автомобильного двигателя с НВБ // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4 (22). - С. 30-37.