Водневе паливо для автотранспорту

Водородное паливо для автотранспорта

Н.Г. Кирилов, доктора технічних наук (ТОВ «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии ««).

С 2001 р. в промислово розвинених країн заанонсовані і прийнято великі державні програми НДДКР у сфері водневої енергетики. На реалізацію програм «Freedom CAR» і «Freedom Fuel», висунутих президентом США Дж. Бушем, вже близько двох млрд. дол. Японське уряд планує витратити 4 млрд. дол. державних коштів на реалізації проекту «WE-NET». Програми країн ЄС передбачають бюджетне фінансування у сфері водневої енергетики у розмірі більш 200 млн. євро на рік. Дані програми розраховані на період до 2020 р. і націлені на зменшення залежності розвинутих країн від імпорту енергоресурсів, рішення комплексу екологічних проблем, розвиток нових технологій з використання поновлюваних енергоресурсів. У це сприятиме істотним змін паливно-енергетичного балансу і за формуванню нового великого міжнародного ринку водневих технологій і енергоносіїв, що картина матиме значні соціально-економічні і політичних наслідків всього світу.

Основным напрямом впровадження водневої енергетики є автотранспорт, оскільки загострюється проблема стійкого забезпечення його моторним паливом. Цьому кілька причин. Перша їх — виснаження запасів нафти. За прогнозами комісії ЮНЕСКО, вже у першої чверті початку століття, у значною мірою вичерпаються розвіданої нафти. По даним Енергетичної комісії США, протягом останніх 20 років був відкрито жодного нового великого родовища нафти. У цьому пам’ятаймо, що у країнах ОПЕК через прагнення збільшити квоти видобутку нафти приблизно за третину завищені обсяги раніше розвіданих її родовищ.

Каждую секунду в усьому світі видобувається і споживається (хімічної промисловістю, автомобілі й т.д.) приблизно 127 тонн нафти. По розрахунках ОПЕК, за рівня видобутку нафту Великобританії закінчиться у найближчі 3−4 року, в Норвегії — у другому десятилітті XXI в., США — вже у перше десятиріччя. Виснаження родовищ російської прогнозується на 20-ті роки. Нафтових запасів Ірану, Саудівської Аравії, Венесуели лише до 50-х рр. нашого століття.

.

Прогнозируемое зміна рівня автомобілізації в першої четверги населення XXI в.

Второй причиною загострення проблеми є збільшення кількості автотранспортних коштів. Сьогодні експлуатується близько 700 млн. автомобілів, які споживають більш 60% всієї видобутої нафти. Кожні два секунди світу з конвеєра сходить новий автомобіль, і до 2015 р. їх кількість впритул наблизиться до позначки мільярд одиниць. Все це машинам знадобиться бензин чи дизельне паливо. За прогнозами фахівців, задоволення всіх потреб споживання має зрости до 190 тонн на секунду. У той самий час світова нафтова промисловість вже нині над стані збільшити обсяг видобутку нафти як компенсація стрімкого приросту автомобільного транспорту (мал.1).

В світі бракує близько чотирьох млн. барелей нафти на день, що призвело до безпрецедентного зростання цін не на нафту. Барель нафти коштує понад 60 дол., а до кінця 2006 р. очікується збільшення від вартості до 100 дол. До 2025 р. дефіцит нафти прогнозується до 20 млн. барелей щодня, що, очевидно, призведе до непередбаченому зростання цін. На середину 30-х рр. XXI в. традиційні нафтові палива стануть непомірно дорогими, а до 2050 р. повністю зникнуть. Графік зростання дефіциту нафти у світі представлений рис. 2.

.

Рост дефіциту нафти світу целом Аналогичные тенденції характерні і нашої країни. У Росії чи триває зростання ціни нафтові види моторних палив. У 2002 р. ціни на бензин зросли на 32%, на дизельне паливо — на 15%, 2003 р. — на 36% і 16%, відповідно. На початку 2005 р. рівень ціни бензин у Росії впритул наблизилася цінами до й інших розвинених країн. Вочевидь, що у подальшому тенденція до зростання цін нафтопродуктів зберігатиметься.

Транспортный сектор Європи, Японії США перевищив на 90% залежить від нафти. У зв’язку з збільшенням енергоспоживання і виснаженням розвіданих запасів нафти перед розвинені країни світу поставлено завдання диверсифікувати свої паливно-енергетичні баланси убік максимально можливого заміщення у транспортній секторі нафтопродуктів інші види енергоносіїв. Найбільш реальні альтернативні варіанти — скраплений природного газу (СПГ) чи рідкий водень (ЖВ). Вони більш екологічні, а СПГ що й дешевше. Зараз якісний бензин у Росії коштує як мінімум 20 тис. крб. за 1 т, а СПГ — 8 тис. крб. І це розрив зростатиме. З огляду на, що запаси природного газу Землі вичерпаються до середини 70-х рр. нашого століття, з упевненістю сказати, що водень з’явиться однією з перспективних варіантів моторних палив XXI в.

Его ресурси величезні. У процесі її згоряння утворюється водяну пару, й тому він є екологічно чистим виглядом моторних палив. Токсичні окисли азоту зберігають у вихлопі водневого двигуна у кількості, незмірно менших проти бензиновими моторами і більше з дизельними. Вони легко знешкоджуються в каталітичних нейтрализаторах.

Понимая перспективність розробки водневого палива, уряду США належать, Європейського союзу, Японії, інших країн вже зараз витрачають мільярди доларів для наукових досліджень і дослідно-конструкторські роботи, прагнучи якомога швидше розробити промислові технологій і скористатися їхнім досвідом над ринком.

Одним з серйозних питань у застосуванні водню в ролі моторних палив є вибір способу зберігання на борту автотранспортного кошти. Водень — найлегший серед хімічних елементів, у заданому обсязі його поміщається значно менше, ніж палива інших видів. При кімнатної певній температурі й нормальному атмосферному тиску водень займає приблизно 3000 разів більше обсяг, ніж бензин з однаковим кількістю енергії. Тому, щоб заправити машину достатню кількість палива, необхідно або нагнітати водень під високим тиском, або використовувати його на вигляді кріогенної рідини, або ж обладнати автомобілі найскладнішими паливними системами.

Обеспечение автозаправних станцій стиснутим воднем і заповнення балонів, що у автомобілі, технічно великих проблем я не представляє. Сучасні матеріали гарантують високій надійності таких судин. Проте збільшується вагу автомобіля і зменшується корисне простір, оскільки балон із першого кг стиснутого при 70 МПа водню посідає у 7.5 разів більше місця, ніж енергетично еквівалентну кількість бензину.

В скрапленому вигляді водень займає значно менше місця, але при цьому його потрібно остудити до температури на двадцять градусів вище абсолютного нуля. Успіхи, досягнуті у розвитку кріогенних технологій й порядку використання наднизьких температур, вже нині дозволяють без шкоди корисного простору автомобіля зберігати з його борту запас рідкого водню, достатній для пробігу 500 км і більше. Перевагою даної системи зберігання є найменша маса кафе і висока об'ємна концентрація водню. Рідкий водень з енергетичного еквіваленту відповідає газоподібному, стиснутому до 170 МПа. Тому якщо системі зберігання водню пред’являються обмеження з масі і за обсягом, що вирізняло транспортних коштів, ту перевагу має криогенна система зберігання.

Жидкий водень, виробництво якого зростає у світі щороку 5%, є важливим елементом інфраструктури постачання споживачів. У виробничі потужності дозволяє рік отримувати до 120 тис. т рідкого водню, у тому числі 15% витрачається забезпечення ракетно-космічної галузі, інше використовують у хімічної промисловості (37%), металургії (21%), електроніці (16%), скляної промисловості (4%).

Благодаря своїм масовим і об'ємним характеристикам, а також рівню безпеки, криогенна система зберігання водню на борту транспортний засіб більш краща проти гидридной і системою зберігання водню стислому вигляді. І автомобільних фірм йдуть цим шляхом.

В початку 2004 р. два найбільших автовиробника «General Motors Corp» і «BMW Group» оголосили про намір розпочати про спільну розробку устаткування, покликаного забезпечити заправки автомобілів рідким воднем. У Німеччині планується побудувати до 10 тис. кріогенних водневих заправних станцій. У межах Європейського об'єднаного водневого проекта (European Integrated Hydrogen Project (EIHP)) обговорюються специфікації для такого устаткування. Вони з’являться основою стандарту Європейської економічної комісії ООН для працівників водні автомобілів.

В середині 1990;х рр. багато автомобільні компанії звернули свій погляд на електромобілі з паливними елементами (ПЕ), з значними перевагами перед тепловими двигунами, оскільки де вони мають рухомих частин 17-ї та у яких немає горіння водню. Усередині паливних елементів (чи осередків, як його інколи іменують) водень розкладається на разноименно заряджені іони і електрони. Саме електрони і перетворюються на корисний електричний струм, який досі живить ланцюг бортовий силовий установки. Іони водню зв’язуються киснем, що у складі звичайного повітря подається всередину паливного елемента, створюючи вихлоп — водяну пару.

Позже з’ясувалося, що паливні елементи мають низкою серйозних недоліків. І, передусім, високої вартістю і коротким терміном служби. Ефективність кращих японських паливних елементів на цей час не перевищує 30%. Застосування паливних елементів на транспортних засобах дає суттєвий приріст массогабаритных характеристик автомобіля.

Для масового застосування паливних елементів в автотранспорті їхню вартість мусить бути знижена до 200 долл./кВт (при сучасної вартості від 5 до 10 тис. долл./кВт), що визначається зменшенням витрати платинових металів, застосовуваних ролі каталізаторів, і зниженням вартості використовуваних як мембран срторированных і перфорованих плівок. Оскільки вирішення більшості з описаних вище проблем вимагає революційних наукових відкриттів, чимало зарубіжних дослідники, наприклад куратор дослідницької програми у сфері водневого палива Міністерства енергетики США Піт Девлін, беруть під сумнів доцільність курсу на створення дорогих демонстраційних проектів автомобілів з паливними елементами. На думку, технології у створенні паливних елементів досягли своїх меж, і вони бачать можливості їх швидкого вдосконалення. Сьогодні технологія паливних елементів розвивається, в основном, из-за перспектив щодо забезпечення нульового рівня токсичності.

Более перспективне використання інший шлях впровадження рідкого водню на автотранспорті — спалювання їх у двигуні внутрішнього згоряння (ДВС). Такий їхній підхід реалізується поруч провідних автобудівних компаній, як-от, наприклад, «BMW», «Ford» і «Mazda».

На «BMW» створено досвідчений автомобіль «745Н», в двигуні якого спалюється водневе пальне. Рідкий водень запасається в криогенном баці. Спеціальними электронноуправляемыми форсунками газ подається в циліндри. При сильному збідненості водородновоздушной суміші (у два рази проти стехиометрического складу) в камерах згоряння майже утворюються шкідливі оксиди азоту (канцерогени); інші забруднювачі під час спалювання водню в повітряної середовищі не формуються зовсім. У атмосферу надходить один водяний пар. У цьому ж компанії створено найшвидший нині автомобіль, працюючий на водневому паливі (рис. 3). Модель, отримавши позначення «H2R», розвиває швидкість понад 300 км/год.

Перспективным представляється новий напрям у двигунобудуванні на водневому паливі, заснований на застосуванні двигуна Стирлинга. Цей двигун остаточно XX в. широко не застосовувався на автотранспорті через складнішою проти двигуном внутрішнього згоряння конструкції, більшої матеріаломісткості і вартості. Однак у останнім часом у провідних світових оглядах по энергопреобразующей техніці двигун Стирлинга сприймається як у якого найбільшими можливостями для подальшої розробки із єдиною метою застосування водню як моторних палив. Низький рівень шуму, великий ресурс, порівнянні розміри і безліч, хороші характеристики крутящего моменту — всі ці параметри дають можливість машинам Стирлинга в найближчим часом витіснити двигуни внутрішнього згоряння паливні елементи в області водневої енергетики. Красномовним прикладом підтвердження цього й бути практика створення поруч зарубіжних фірм, як-от «ГОДИНИ», «Кокумс», «Міцубісі дзюкоге», анаеробних енергетичних установок для космічних літальних апаратів і підводних човнів, у яких спочатку застосовувані електрохімічні генератори на паливних елементах практично цілком були замінені на стирлинг-генераторы.

Достигнутые нині ККД в серійних та досвідчених зразках двигунів Стирлинга навіть за поміркованих температурах нагріву (600−700°С) видаються вельми значними цифрами — до 40%. У кращих зарубіжних зразках двигунів Стирлинга питома маса становить 1.2−3 кг/кВт, а ефективний ККД до 45%.

Проблема заміни традиційного моторних палив рідким воднем виходить далеко далеко за межі завдань, що розв’язуються у автомобільної індустрії. Йдеться новому технологічному укладі світової економіки. За оцінками Джозефа Ромма, колишнього помічника міністра енергетики США, швидше за все, автомобілі, працівники водні, досягнуть прийнятних економічних показників (вартість машини, вартість однієї заправки, рівень безпеки, кількість шкідливих викидів тощо.) не раніше 2030 р. Виготовлення водневого палива для автомобілів нині у 4 разу більше, ніж виробництво автомобільного бензину на кількості, достатньому для аналогічного кількості енергії. Крім того, залишається проблемою створення «водневої інфраструктури» — мережі заправних станцій та сервісних центрів, необхідні обслуговування автомобілів, працівників водневому паливі. За оцінками Аргоннской Національної Лабораторії (Argonne National Laboratory), США для цієї мети потрібно затратити більш 600 млрд. дол.

В звітах Американського фізичного нашого суспільства та частина Національної академії наук США говориться, що з реалізацію програми перекладу транспорту на водневе паливо потрібно здійснити технологічний прорив. Сьогодні світова енергетична інфраструктура дуже добре розвинена, і, щоб зробити водень конкурентоспроможним проти традиційними видами палива, необхідні великі капіталовкладення.

По думці автора, орієнтовні терміни впровадження водневої енергетики на транспорті можуть бути такими: США, Західна Європа, Японія — 2030 р., Росія, СНД, країни-експортери нафти і газу — 2040;2050 рр.

Перевод транспорту на водень неспроможна відбуватися директивно і швидко. Для такого революційного кроку умовах країни потрібно кардинальна підготовка — від створення виробництва водню до змін — у податкову політику та скорочення економічної стимулювання застосування альтернативного палива. Зараз у всіх розвинених країна світу прийнято національні програми такого переходу, але з безпосередньо, а ще через енергетику, засновану на щодо чистішому паливі — природному газі (метані). Такі програми можна розглядати як проміжний етап початку водневим технологіям і водневої економіки. Використання скрапленого газу підготує перехід для заміни його воднем, бо створення інфраструктури виробництва, збереження і заправки СПГ, та був і рідкого водню, можна буде потрапити залучити до значною мірою однотипне кріогенне устаткування.

Можно припустити, що почнеться впровадження альтернативних моторних палив Російській Федерації матиме такі етапи:

I — 2007;2040 рр. Створення інфраструктури виробництва і застосування СПГ;

II — 2035;2050 рр. Створення інфраструктури виробництва, збереження і перехід застосування скрапленого водню.

В найближчим часом у країні необхідно створити кріогенну інфраструктуру, і поетапно переводити автотранспорт на СПГ, а перспективі — на рідкий водень. З огляду на, що у початковому етапі більш перспективним моторним паливом є СПГ, технологічні рішення з створенню кріогенних заправних станцій СПГ мали бути зацікавленими такі, щоб ці станції можна сталося в ході необхідності швидко і зайвих капітальних видатків модернізувати в кріогенні заправних станцій рідкого водню. Такі станції можна створити з урахуванням установок із застосуванням кріогенних газових машин Стирлинга (КГМ).

КГМ Стирлинга ставляться до ожижителям, які грунтується лише з зовнішньому охолодженні. Процес ожижения газу йде при атмосферному тиску, без попереднього стискування. Це дозволяє робити установки компактними і простими в обслуговуванні.

В умовах Російської Федерації використання кріогенних машин Стирлинга дозволяє розробити принципово нову концепцію створення інфраструктури заправних станцій кріогенних моторних палив для автомобільного транспорту. Запропонована для міських умов інфраструктура полягає в розумному поєднанні невеликої кількості великих муніципальних заправних комплексів і численних малогабаритних заправних станцій, розташованих у гаражах автогосподарств. Основна навантаження щодо забезпечення автотранспорту криогенным паливом повинна лягати саме у гаражні заправних станцій, а міські заправні комплекси призначатимуться лише дозаправлення промислового й громадського транспорту за його експлуатацію у межах міста Київ і міжміських перевезеннях. Специфіка підходи до створенню такий інфраструктури визначається особливостями кріогенних палив: їх високої испаряемостью, значними втратами при транспортуванні і заправці баків автотранспортних коштів.

В час створено необхідний науково-технічний і патентний заділ, до складу якого у собі методологічні основи розрахунку створення техніко-економічного обгрунтування кріогенних гаражних заправних станцій, розроблено принципові схеми і технічні рішення, захищені патентами РФ, що забезпечує створення кріогенної інфраструктури СПГ і рідкого водню в стислі терміни. Компанією, провідною розробки у цій галузі, є 000 «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии ««. На початку 2006 р. планується введення у дослідно-промислову експлуатацію КриоАЗС з урахуванням КГМ Стирлинга для заправки автотранспорту скрапленим природного газу на 41 автокомбинате р. Москви. Ця КриоАЗС буде прототипом майбутніх гаражних заправних станцій рідкого водню.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.