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