Способы производства водорода. Перспективы его использования в энергетике

  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 в Германии планируется построить до 10 тыс. криогенных водородных заправочных станций.

  Руководитель  подразделения компании BMW по научной  и транспортной политике, г-н Кристофа Хусса сообщил следующее: "В долгосрочной перспективе мы рассчитываем на создание в Германии сети АЗС в количестве 10 000 штук, которые будут предлагать водородное топливо. Но, уже начиная с сегодняшнего дня, мы должны работать над единым стандартом, чтобы впоследствии потребители не столкнулись с наличием отличных друг от друга систем. Нам необходима стандартизация заправочного оборудования. Сжиженный водород является самым удобным видом топлива в плане транспортировки, при отсутствии водородных трубопроводов. Работая в одной команде, мы ускорим процесс создания инфраструктуры для сжиженного водорода".

  Заправочное оборудование для сжиженного водорода появится после предварительных  спецификаций, разрабатываемых в  рамках Европейского объединенного водородного проекта (European Integrated Hydrogen Project (EIHP). В настоящий момент спецификации EIHP находятся в стадии обсуждения и являются основой стандарта Европейской экономической комиссии ООН для работающих на водороде автомобилей. Г-н Хусс утверждает: "Концерн BMW и корпорация GM хотят создать такую заправочную систему, которая должна стать мировым стандартом, причем ключевым компонентом здесь является заправочное переходное устройство". Подписание соглашения по разработке между корпорацией «General Motors» — крупнейшим в мире производителем автомобилей — и концерном «BMW Group» — единственной в мире компанией, специализирующейся исключительно на производстве автомобилей класса "премиум" — является значительным шагом в деле создания и стандартизации технологий применения водородного топлива. На рис.3. представлен автомобиль компании «BMW Group» с ДВС на жидком водороде.

  Рис. 3. 
 
 
 

  Перспективные преобразователи энергии для жидкого водорода.

  В середине 1990-х многие автомобильные  компании обратили свой взор на электромобили  с топливными элементами (ТЭ). 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 выяснелось, что топливные элементы обладают рядом серьезных недостатков. И, прежде всего, высокой стоимость 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 заявленное разработчиками топливных элементов высокий теоретический к.п.д. (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 ТЭ 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 усовершенствования. 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 электронно-управляемыми форсунками подается в цилиндры. При сильном обеднении водород-воздушной смеси (в 2 с лишним раза против стехиометрического 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, рис. 4. Модель, получившая обозначение «H2R», развивает скорость свыше 300 км/ч.

  Рис. 4. 

  И 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 крутящегося 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 рис. 5 представлена принципиальная 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 теплоты. 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 к.п.д. в серийных и опытных образцах двигателях Стирлинга даже при умеренных температурах нагрева (600…700ºС) представляются весьма внушительными цифрами – до 40%. В лучших зарубежных образцах двигателей Стирлинга удельная масса составляет 1,2 – 3 кг/кВт, а эффективный к.п.д. до 45%.

  В настоящее время в Российской Федерации компанией, ведущей разработки по созданию машин, работающих по циклу Стирлинга, является ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии», в которой созданы опытно-промышленные образцы отечественных двигателей.      

  Этапы 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.

  По  оценкам Джозефа Ромма, бывшего помощника Министра Энергетики США, скорее всего, автомобили, работающие на водороде, достигнут показателей (стоимость машины, стоимость одной заправки, уровень безопасности, количество вредных выбросов и т.д.), не ранее 2030 года. Изготовление водородного топлива для автомобилей ныне в четыре раза дороже, чем производство автомобильного бензина в количестве, достаточном для производства аналогичного количества энергии. Кроме того, остается проблемой создание «водородной инфрастуктуры» - сети заправочных станций и сервисных центров, необходимых для обслуживания автомобилей, работающих на водородном топливе. По оценкам Аргоннской Национальной Лаборатории (Argonne National Laboratory), в масштабах США для этого требуется затратить более $600 млрд.

  В отчетах Американского Физического  Общества и Национальной академии наук США говорится, что для реализации программы перевода транспорта на водород  необходимо осуществить технологический  прорыв. По их словам, на сегодняшний  день мировая энергетическая инфраструктура слишком хорошо развита, и для того, чтобы сделать водород конкурентоспособным по сравнению с традиционными видами топлива, необходимы большие капиталовложения. Самые многообещающие водородные технологии требуют от 10 до 100 кратного усовершенствования их стоимости, чтобы они были конкурентоспособными в сравнении с углеводородными видами топлив. Современные методы производства водорода в четыре раза более дороги, чем производство бензина.

  Ввиду этого, по мнению автора, ориентировочные сроки внедрения водородной энергетики на транспорте могут быть следующие:

  - США, Западная Европа, Япония - 2030 год.

  - Россия, СНГ, страны–экспортеры  нефти и природного газа - 2040-2050 годы.

  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).

  Такого  же мнения придерживается и Председатель Комитета по энергетике, транспорту и связи ГД В.А. Язев, который сделал следующее заявление на заседании Круглого стола, посвящённого обсуждению проекта закона «Об использовании альтернативных видов моторного топлива». «Использование природного газа в качестве моторного топлива – это переходный этап к водородной энергетике. Совершенно очевидно, что через 50–70 лет весь мир перейдет на водород, а инфраструктура водородной энергетики очень схожа с газовой…».