Водородная энергетика и транспорт

О. Ф. Бризицкий, В. Я. Терентьев, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» г. Саров

В конце XX века стало очевидно, что экономика, базирующаяся на ископаемом органическом топливе, учитывая истощение его запасов, а также негативное воздействие сжигаемого топлива на окружающую среду, должна уступить другой экономике, на базе возобновляемых энергоресурсов, более эффективных и экологически чистых.



Анализируя различные варианты построения такой экономики, специалисты большинства стран сходятся на том, что ее основой станет водородная энергетика, которая в своем классическом виде строится по простой схеме: вода + энергия = водород + кислород = энергия + вода. Такая безуглеродная энергетика должна использовать возобновляемые виды энергии, такие как солнечная, ветровая, частично атомная.

Водород по такой схеме является вторичным энергоносителем и накопителем энергии, пригодным для хранения и передачи на расстояние. А поскольку основную массу энергоносителей (к примеру, в США до 80%) потребляет транспорт, он же сегодня является и основным загрязнителем окружающей среды, то различные пути развития водородной энергетики наиболее удобно рассмотреть применительно к транспорту.
   
Что сегодня представляет собой городской транспорт? Именно городской, т.к. урбанизация общества продолжается, и основная масса транспорта не только продолжает находиться в городах, но и увеличивается, прежде всего, в мегаполисах. Проблема состоит в том, что эта огромная масса автомобилей движется со средней скоростью не более 20 км/час и состоит в основном из легковых автомобилей, парк которых катастрофически увеличивается.
 
При этом автомобиль – великое достижение и благо цивилизации, а совсем еще недавно и голубая мечта любого горожанина, представляет собой и огромную опасность для человечества: огромные пробки, смог на дорогах и ощущение, что завтра выкачают всю нефть, исчезнет бензин и придется возвращаться то ли к конным повозкам, то ли к велосипеду.
 
Огромное количество велосипедов на улицах Европы демонстрирует не только желание людей заниматься спортом. У городского транспорта действительно множество проблем: чтобы уйти от пробок частично они могут быть решены путем строительства новых дорог и развязок и, частично путем замещения легковых автомобилей общественным транспортом.
 
Но основные проблемы состоят в том, что доминирующие на транспорте двигатели внутреннего сгорания эффективно работают в основном при средних и номинальных нагрузках, т. е. в режиме загородной езды со скоростью выше 60 км/час. А при городском цикле езды ДВС автомобиля имеет коэффициент полезного действия максимум 10%, т. е.остальные 90% уходят на нагрев Вселенной и отравление всех обитателей городов всякой гадостью, типа окиси азота, монооксида углерода и т. п.
 
Какие могут быть выходы из создавшегося положения? Специалисты в области автомобилестроения еще в 90-х годах прошлого столетия объявили о намерении заменить «грязный» и неэффективный двигатель внутреннего сгорания на бензине или солярке силовой установкой на топливных элементах с повышенной (в 1,5÷2 раза) эффективностью и абсолютно чистым выхлопом в виде паров воды.
 
Топливные элементы, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, не ограничены циклом Карно, поэтому более эффективны, однако для питания требуют не углеводородное сырье, а водород. Предполагаемые для транспорта низкотемпературные твердополимерные или щелочные топливные элементы в качестве топлива требуют практически чистый водород. Откуда его взять?

Вот пример из журнала «Популярная механика». После того, как президент Буш призвал свою страну к 2040 году заменить водородом ископаемое топливо и перейти на топливные элементы, были проанализированы возможные пути по ежегодному производству 150 миллионов тонн водорода в США для удовлетворения нужд только этой страны. Это различные пути: от конверсии угля и природного газа, до использования биомассы, энергии ветра, солнечной и ядерной энергетики. Общие затраты – от 500 млрд. долларов при получении водорода из невозобновляемого источника – угля до 22 трлн. долларов при использовании солнечной энергетики.
 
Необходимо отметить, что самый дешевый водород получается при использовании невозобновляемых источников топлива, что не решает основной проблемы защиты окружающей среды. Вместе с тем, указанные общие затраты не учитывают расходов на изменение инфраструктуры снабжения топливом (водородозаправки вместо бензозаправок), на транспортировку очень легкого газа, и самое главное, замены всего автопарка на двигателях внутреннего сгорания на топливные элементы.

Необходимо также отметить, что сами топливные элементы, работающие при температурах 80-1000С, содержат в своем составе катализаторы из таких благородных металлов, как платина, рутений или палладий. По самым оптимистичным прогнозам, мировых запасов этих металлов хватит всего лишь на производство 3-5 млн. автомобилей в год, что на порядок меньше производства автомобилей на ДВС.
 
А тут еще дотошные и грамотные инженеры подсчитали, что этот суперавтомобиль на топливных элементах будет иметь преимущество перед двигателем внутреннего сгорания только в городском цикле езды, а на трассе это преимущество растеряет. А это означает, что у новой технологии автомобилей на топливных элементах не такое уж и безоблачное будущее.
 
Что же можно предложить в настоящее время взамен дорогостоящих топливных элементов на драгметаллах?
 
Необходимо еще раз внимательно присмотреться к старым и испытанным временем двигателям внутреннего сгорания. Все их совершенствования последних десятилетий касались в основном систем дозирования и выхлопа, и мало уделялось внимания процессу рабочего цикла двигателя в комплексе. Между тем двигатель стал столь динамичным, что все процессы - дозирование, распыл, поджиг, сжигание топлива – могут происходить в сотые доли секунды, и традиционный бензин уже не поспевает за этими процессами. Зато водород, обладая почти в восемь раз большей скоростью сгорания, чем бензин, является хорошим, но дорогим заменителем бензина.
 
Однако оказалось, что нет необходимости в полной замене традиционного топлива, достаточно ввести в него 1-6% водорода (по массе) и процессы его сгорания существенно улучшаются. Это объясняется инициирующим воздействием водорода, который образует центры сгорания. В свое время очень подробно эти явления изложил академик Я. Б. Зельдович в своей теории сгорания. При этом увеличивается эффективность двигателя, и улучшаются его экологические характеристики. Такие эксперименты были проведены неоднократно, как в нашей стране, например, на АвтоВАЗе (г.Тольятти) и НАМИ (Москва), так и за рубежом. Остается один, но большой вопрос: где брать этот водород?
 
Здесь возможно несколько вариантов. Заправляться, к примеру, на специальных водородных заправках, которые необходимо будет построить. При этом также возможны варианты: заправлять водород в специальные баки автомобиля и в зависимости от характера поездки дозировать его потребление небольшими порциями, или добавлять при заправке целиком в основное топливо.

Первый путь заманчивый и эффективный, может использоваться при любом виде основного топлива, но требует еще и доработки автомобиля, т. к. он становится двухтопливным. Второй путь возможен только при использовании в качестве основного топлива газообразного, например природного газа. Двигатель при этом не требует доработок, он однотопливный, однако эффективность такой системы не самая высокая, т. к. водород в смеси подготовлен заранее, и нет возможности использовать его более рационально, как в первом варианте.

Есть еще два варианта получения водорода непосредственно на борту автомобиля. Самый простой и дорогой одновременно – это получение водорода из чистой дистиллированной воды в электролизере. Несмотря на высокую стоимость электролизера и необходимость иметь на борту излишки электрической энергии, такая схема применяется иногда на тяжелых грузовиках. Однако необходимость иметь на борту еще и чистую воду приводит к тому, что этот способ вряд ли найдет широкое применение.

Разрабатываемое нами устройство – генератор синтез-газа свободно от большинства недостатков предыдущих вариантов. Во-первых, не требуется водородных заправочных станций, наличия дополнительной электрической энергии и дистиллированной воды на борту автомобиля. Во-вторых, стоимость такого генератора в несколько раз ниже стоимости электролизера, в его составе отсутствуют драгметаллы, что снимает ограничение по массовости производства. Сам автомобиль остается однотопливным, что удобно как производителям автомобиля, так и его пользователям. 
Вся проблема упиралась в выбор типа топлива, проектирование генератора синтез-газа и выбор соответствующего катализатора. Для генерирования синтез-газа нами совместно с Институтом катализа (г. Новосибирск) был предложен способ каталитического частичного риформинга топлива с использованием доступных катализаторов, как наиболее простой и дешевый. Вот только качество бензина, состав которого на всех заправках разный, приводит к резкому усложнению схемы генератора синтез-газа, к тому же выход водорода из бензина не самый лучший.
 
Наиболее оптимальным оказалось использование в качестве основного топлива природного газа, который сам по себе является хорошим моторным топливом, выход водорода из него высокий и генератор получается сравнительно простым. Разработанные нами генераторы синтез-газа прошли демонстрационные стендовые испытания на «АвтоВАЗе», НАМИ и ЗМЗ (г. Заволжье). Практически везде получено не только резкое уменьшение вредных выхлопов, но и значительное (до 24%) увеличение эффективности в режиме городской езды.
 
По оценкам специалистов «АвтоВАЗа», это позволяет выполнить нормы по токсичности Евро-4 без применения каталитических нейтрализаторов и добиться общей эффективности на уровне топливных элементов. Как говорится в известной рекламе, если результат один и тот же, зачем платить больше?
 
Мы ни в коем случае свою разработку не хотим противопоставить широкомасштабным работам по водородным топливным элементам. В далеком будущем, когда из энергоносителей останется один водород, и его научатся эффективно «упаковывать» (водород очень легкий и неудобный для транспортировки газ), видимо, и наступит эра топливных элементов.
 
А пока любая экономика, даже водородная, как говорил известный политик, должна быть экономной. Развивая водородную энергетику, мы относимся к ней как некоему общему вектору на увеличение доли водорода в энергетике, что является естественным историческим процессом, а не как повальное и модное увлечение.

За прошедшее время нам удалось резко улучшить массогабаритные и динамические характеристики генератора синтез-газа для легкового автомобиля. Реактор имеет массу 8 кг и объем 2,5 л, а запуск осуществляется всего за 35 секунд, что соизмеримо со временем прогрева нейтрализатора. Разрабатывая бортовой генератор синтез-газа для легковых автомобилей, мы отдаем себе отчет, что на автомобильный рынок быстрее пойдет автобусный вариант генератора, над которым мы сейчас также работаем.

Генератор синтез-газа, установленный на автобусе, будет иметь практически такую же стоимость, что и для легкового автомобиля, это по нашим оценкам около 20÷30 тыс.рублей. Если в общей стоимости автобуса стоимость генератора синтез-газа будет несколько процентов, то для легкового автомобиля это уже примерно 10%. Кроме того, в сверхкомпактных легковых автомобилях в отличие от автобусов не так просто скомпоновать генератор синтез-газа. И самое главное, использование генераторов синтез-газа на транспорте - это процесс внедрения новой, непривычной для потребителя продукции.

На примере каталитических нейтрализаторов можно прогнозировать, что внедрение генераторов синтез-газа также потребует изменения в законодательстве. Правда, в отличие от нейтрализаторов, которые не только увеличивают стоимость автомобиля, но и снижают эффективность двигателя, генератор синтез-газа эффективность увеличивает, но будет ли этого достаточно для массового производства, еще неизвестно. С автобусами проще и с точки зрения экономики, и с организацией внедрения.

Мы постоянно проводим с автомобильными фирмами сравнительный анализ эффективности генератора синтез-газа и приходим к однозначному выводу - в настоящее время это самый эффективный и простой способ введения элементов водородной энергетики в транспорт.
 
Наши контакты с зарубежными фирмами показывают, что там также ведутся аналогичные работы, причем, более развернуто и масштабно. Внезапное появление на рынке гибридных автомобилей указывает на то, что коммерческие и предкоммерческие разработки ведутся в условиях строжайшей секретности. Мы рассчитываем, что наш продукт может быть востребован, прежде всего, на отечественном автомобильном рынке.
 
На Олимпийских играх в 2008 году в Пекине планируется перевод всего общественного транспорта на новый вид топлива – гайтан (заранее подготовленная смесь водорода и природного газа, о которой мы упоминали ранее), что улучшит экологию в Пекине. Мы рассчитываем, что на Олимпийских играх в Сочи-2014 будет продемонстрирована отечественная, более совершенная однотопливная система с генератором синтез-газа как минимум на общественном транспорте.

Опубликовано на сайте газеты "Промышленные ведомости"

назад

Материалы из архива

6.2008 Когда облученное топливо реакторов РБМК отправится на сухое хранение?

Генеральный директор ФГУП «ГХК» Петр Гаврилов: - По директивному графику, утвержденному руководством Росатома, срок ввода первой очереди сухого хранилища на Горно-химическом комбинате (ХОТ-2) - декабрь 2009 года, а на полное развитие - 2015 год. Сегодня финансирование стройки ведется из Федеральной целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности» (ФЦП ЯРБ), утвержденной Постановлением правительства РФ №444 от 13 июля 2007 года.

11.2006 Система радиационного мониторинга окружающей среды

В.П.Демченков, И.Э.Новиков, Государственный научный центр Центральный научно-исследовательский и опытно-констукторский институт робототехники и технической кибернетики, Россия Опыт применения техники ЦНИИ РТК во время ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС показывает, что придание средствам противодействия радиационного загрязнения новых технических качеств требует нескольких лет целенаправленной работы.

5.2008 Истина и Мюнхгаузен

Сергей Лесков, газета «Известия»: - Барон Мюнхгаузен, чего не ведал Распе, носил фигу в кармане и служил карикатурой на "совок". ". Все у него было обманом, и девиз "Истина во лжи" казался противоядием. Невинные басни про вишневое дерево на голове оленя, про подъем на Луну по стеблю турецкого боба ничуть не более полны авантюризма и оторваны от реальной жизни, чем официальные прожекты "догнать и перегнать Америку" и построить к определенной дате коммунизм…