Водородное топливо для автотранспорта

Н.Г. Кириллов, доктор технических наук (ООО «Инновационно-исследовательский центр "Стирлинг-технологии"»)

С 2001 г. в промышленно развитых странах анонсированы и приняты крупные государственные программы НИОКР в области водородной энергетики. На реализацию программ «Freedom CAR» и «Freedom Fuel», выдвинутых президентом США Дж. Бушем, уже выделено около 2 млрд. долл. Японское правительство планирует израсходовать 4 млрд. долл. государственных средств для реализации проекта «WE-NET». Программы стран ЕС предусматривают бюджетное финансирование НИОКР в области водородной энергетики в размерах более 200 млн. евро в год. Данные программы рассчитаны на период до 2020 г. и нацелены на уменьшение зависимости развитых стран от импорта энергоресурсов, решение комплекса экологических проблем, развитие новых технологий по использованию возобновляемых энергоресурсов. В перспективе это приведет к существенным изменениям топливно-энергетического баланса и формированию нового крупного международного рынка водородных технологий и энергоносителей, что будет иметь значительные социально-экономические и политические последствия для всего мира.

Основным направлением внедрения водородной энергетики является автотранспорт, поскольку обостряется проблема устойчивого обеспечения его моторным топливом. Этому есть несколько причин. Первая из них — истощение запасов нефти. По прогнозам комиссии ЮНЕСКО, уже в первой четверти наступившего столетия в значительной мере будут исчерпаны разведанные запасы нефти. По данным Энергетической комиссии США, за последние 20 лет в мире не было открыто ни одного нового крупного месторождения нефти. При этом необходимо помнить, что в странах ОПЕК из-за стремления увеличить квоты на добычу нефти примерно на треть завышены объемы ранее разведанных ее месторождений.

Каждую секунду во всем мире добывается и потребляется (химической промышленностью, автомобилям и т.д.) примерно 127 т нефти. По расчетам ОПЕК, при существующем уровне добычи нефть в Великобритании закончится в ближайшие 3-4 года, в Норвегии — во втором десятилетии XXI в., в США — уже в первом десятилетии. Истощение месторождений российской нефти прогнозируется на 20-е гг. Нефтяных запасов Ирана, Саудовской Аравии, Венесуэлы хватит только до 50-х гг. нашего столетия.

Прогнозируемое изменение уровня автомобилизации в первой четверги населения XXI в.

Второй причиной обострения проблемы является увеличение количества автотранспортных средств. Сегодня эксплуатируется около 700 млн. автомобилей, которые потребляют более 60% всей добываемой нефти. Каждые две секунды в мире с конвейера сходит новый автомобиль, и к 2015 г. их количество вплотную приблизится к отметке в один миллиард единиц. Всем этим машинам потребуется бензин или дизельное топливо. По прогнозам специалистов, для удовлетворения всех нужд потребление нефти должно возрасти до 190 т в секунду. В то же время мировая нефтяная промышленность уже сегодня не в состоянии увеличить объем добычи нефти для компенсации стремительного прироста автомобильного транспорта (рис.1).

В мире не хватает около 4 млн. баррелей нефти в день, что привело к беспрецедентному росту цен на нефть. Баррель нефти стоит более 60 долл., а к концу 2006 г. ожидается увеличение его стоимости до 100 долл. К 2025 г. дефицит нефти прогнозируется до 20 млн. баррелей в день, что, очевидно, приведет к непредсказуемому росту цен. К середине 30-х гг. XXI в. традиционные нефтяные топлива станут непомерно дорогими, а к 2050 г. полностью исчезнут. График роста дефицита нефти в мире представлен на рис. 2.

Рост дефицита нефти по миру в целом

Аналогичные тенденции характерны и для нашей страны. В России продолжается рост цен на нефтяные виды моторного топлива. В 2002 г. цены на бензин выросли на 32%, на дизельное топливо — на 15%, в 2003 г. — на 36% и 16%, соответственно. К началу 2005 г. уровень цен на бензин в России вплотную приблизился к ценам в США и других развитых странах. Очевидно, что и в дальнейшем тенденция роста цен на нефтепродукты будет сохраняться.

Транспортный сектор Европы, Японии и США на 90% зависит от нефти. В связи с увеличением энергопотребления и истощением разведанных запасов нефти перед развитыми странами мира стоит задача диверсифицировать свои топливно-энергетические балансы в сторону максимально возможного замещения в транспортном секторе нефтепродуктов другими видами энергоносителей. Наиболее реальные альтернативные варианты — сжиженный природный газ (СПГ) или жидкий водород (ЖВ). Они более экологичны, а СПГ еще и дешевле. Сейчас качественный бензин в России стоит минимум 20 тыс. руб. за 1 т, а СПГ — 8 тыс. руб. И этот разрыв будет расти. Учитывая, что запасы природного газа на Земле иссякнут к середине 70-х гг. нашего столетия, можно с уверенностью сказать, что водород явится одним из наиболее перспективных вариантов моторного топлива XXI в.

Его ресурсы огромны. В процессе его сгорания образуется водяной пар, поэтому он является самым экологически чистым видом моторного топлива. Токсичные окислы азота содержатся в выхлопе водородного двигателя в количествах, неизмеримо меньших по сравнению с бензиновыми моторами и тем более с дизельными. Они легко обезвреживаются в каталитических нейтрализаторах.

Понимая перспективность разработки водородного топлива, правительства США, Европейского Союза, Японии и других стран уже сейчас тратят миллиарды долларов на научные исследования и опытно-конструкторские работы, стремясь как можно скорее разработать промышленные технологии и внедрить их на рынке.

Одним из серьезных вопросов в применении водорода в качестве моторного топлива является выбор способа его хранения на борту автотранспортного средства. Водород — самый легкий среди химических элементов, поэтому в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем топлива других видов. При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении водород занимает примерно в 3000 раз больший объем, чем бензин с равным количеством энергии. Поэтому для того, чтобы заправить машину достаточным количеством топлива, необходимо либо нагнетать водород под высоким давлением, либо использовать его в виде криогенной жидкости, либо же оборудовать автомобили сложнейшими топливными системами.

Обеспечение автозаправочных станций сжатым водородом и заполнение баллонов, находящихся в автомобиле, технически больших проблем не представляет. Современные материалы гарантируют высокую надежность таких сосудов. Однако увеличивается вес автомобиля и уменьшается полезное пространство, так как баллон с 1 кг сжатого при 70 МПа водорода занимает в 7.5 раз больше места, чем энергетически эквивалентное количество бензина.

В сжиженном виде водород занимает значительно меньше места, но для этого его необходимо охладить до температуры на двадцать градусов выше абсолютного нуля. Успехи, достигнутые в сфере развития криогенных технологий и использования сверхнизких температур, уже сегодня позволяют без особого ущерба полезному пространству автомобиля хранить на его борту запас жидкого водорода, достаточный для пробега 500 км и более. Достоинством данной системы хранения является наименьшая масса и высокая объемная концентрация водорода. Жидкий водород по энергетическому эквиваленту соответствует газообразному, сжатому до 170 МПа. Поэтому если к системе хранения водорода предъявляются ограничения по массе и по объему, что характерно для транспортных средств, то преимущество имеет криогенная система хранения.

Жидкий водород, производство которого растет в мире ежегодно на 5%, является важным элементом инфраструктуры снабжения потребителей. В США производственные мощности позволяют в год получать до 120 тыс. т жидкого водорода, из которых 15% расходуется на обеспечение ракетно-космической отрасли, остальное используется в химической промышленности (37%), металлургии (21%), электронике (16%), стекольной промышленности (4%).

Благодаря своим массовым и объемным характеристикам, а также уровню безопасности, криогенная система хранения водорода на борту транспортного средства более предпочтительна по сравнению с гидридной и системой хранения водорода в сжатом виде. И большинство автомобильных фирм идут по этому пути.

В начале 2004 г. два крупнейших автопроизводителя «General Motors Corp» и «BMW Group» объявили о намерении приступить к совместной разработке оборудования, предназначенного для заправки автомобилей жидким водородом. В Германии планируется построить до 10 тыс. криогенных водородных заправочных станций. В рамках Европейского объединенного водородного проекта(European Integrated Hydrogen Project (EIHP)) обсуждаются спецификации для такого оборудования. Они явятся основой стандарта Европейской экономической комиссии ООН для работающих на водороде автомобилей.

В середине 1990-х гг. многие автомобильные компании обратили свой взор на электромобили с топливными элементами (ТЭ), обладающими значительными преимуществами перед тепловыми двигателями, поскольку они не имеют движущихся частей и в них не происходит горения водорода. Внутри топливных элементов (или ячеек, как их иногда именуют) водород разлагается на разноименно заряженные ионы и электроны. Именно электроны и превращаются в полезный электрический ток, питающий цепь бортовой силовой установки. Ионы водорода связываются кислородом, который в составе обычного воздуха подается внутрь топливного элемента, образуя выхлоп — водяной пар.

Позже выяснилось, что топливные элементы обладают рядом серьезных недостатков. И, прежде всего, высокой стоимостью и коротким сроком службы. Эффективность лучших японских топливных элементов в настоящее время составляет менее 30%. 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), что определяется уменьшением расхода платиновых металлов, применяемых в качестве катализаторов, и снижением стоимости используемых в качестве мембран срторированных и перфорированных пленок. Поскольку решение большинства из описанных выше проблем требует революционных научных открытий, многие зарубежные исследователи, например куратор исследовательской программы в области водородного топлива Министерства энергетики США Пит Девлин, подвергают сомнению целесообразность 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 их быстрого усовершенствования. Сегодня технология топливных элементов развивается, в основном,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 реализуется рядом ведущих автостроительных компаний, таких как, например, «BMW», «Ford» и «Mazda».

На «BMW» создан опытный автомобиль «745Н», в двигателе которого сжигается водородное горючее. Жидкий водород запасается в криогенном баке. Специальными электронноуправляемыми форсунками газ подается в цилиндры. При сильном обеднении водородновоздушной 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. В атмосферу поступает один только водяной пар. В этой же компании создан самый быстрый на сегодняшний день автомобиль, работающий на водородном топливе (рис. 3). Модель, получившая обозначение «H2R», развивает скорость свыше 300 км/ч.

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки