Плюсы и минусы водородного топлива
Водородное топливо уже давно занимает ведущие позиции среди других источников энергии. Обладающий уникальными свойствами, водород по праву называют топливом ближайшего будущего. По сравнению с дизельным и бензиновым топливом, у него больший КПД, а также экологичность. Попытаемся разобраться, почему его до сих пор не используют?
Водородный коктейль
Хотя водород обладает чудесными характеристиками, его почти не применяют на автотранспорте потому, что люди привыкли использовать бензин, хотя он и дорожает с каждым днем. Также ведущие автокомпании постоянно откладывают сроки перехода на водородное топливо, мотивируя это тем, что установки для получения водорода появятся только к 2030 году. Европейские и американские аналитики могут быть правы в этих подсчетах, но есть множество доказательств экстренного перевода на водород целого автопарка, причем буквально за 10 -12 дней!
История двигателя внутреннего сгорания на водороде
Применение водорода в качестве топлива началось еще в XIX веке, когда французский изобретатель Франсуа Исаака де Риваз в 1806 году разработал самый первый в мире ДВС, потребляющий водородное топливо. Необходимую электрическую энергию он получал методом электролиза воды. Позже бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар заставил самоходный экипаж двигаться с помощью энергии водорода. Так бы водород и служил бы человечеству в качестве основного топлива, но в 1870 году в ДВС стали применять бензин, сведя на нет первые опыты с водородным топливом.
Водородное топливо в блокадном Ленинграде
О водороде вспомнили только в блокадном Ленинграде в конце 1941 года, благодаря военному технику Б. И. Шелищу, который предложил использовать отработанный водородный газ для заправки автотранспорта. От налетов вражеской авиации Ленинград защищался зенитными орудиями, а также заградительными аэростатами, наполненными водородом, чтобы помешать прицельной бомбардировке города.
Когда водородные аэростаты спускались на землю, их использовали в качестве альтернативного источника топлива. Всего лишь за неделю группа техников переоборудовала на водородное топливо 600 грузовиков ГАЗ. После войны об этом изобретении снова забыли, перейдя опять на бензин.
В 1970 годах, когда произошел энергетический кризис, люди опять оценили необходимость альтернативных источников энергии. Так, Украинским ИПМ был переоборудован весь свой автомобильный парк водородное топливо, отлично справившись с топливным кризисом. Об успешных экспериментах снова забыли после распада советского союза.
Современные автомобили на водороде находятся пока в стадии проектирования, а вернее выпускать серийно опытные модели пока не собираются из-за неразвитой инфраструктуры заправок автотранспорта водородным топливом. В промышленных масштабах получить водород электролизом воды недешево, поэтому автокомпании пока не спешат на него переходить, ожидая более дешевый и простой способ получения топлива.
Преимущества водородных ДВС
Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов.
Простая конструкция.
Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны.
Бесшумность.
КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.
Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:
Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах.
Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.
Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.
Несовершенство технологий хранения такого топлива.
Дорогие водородные элементы.
Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.
Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.
Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы.
Производители транспорта на водородном топливе
Мировые производители все же проводят испытание в этой сфере и даже выпускают автотранспорт на водородном топливе:
Toyota — модель Toyota Highlander FCHV;
Ford Motor Company проводит испытания с концептом Focus FCV;
Honda со своей моделью Honda FCX;
Hyundai выпускает Tucson FCEV;
Daimler AG отвечает за модель Mercedes-Benz A-Class;
Перспективы развития
Все же водород является единственной приемлемой экологической энергией с огромным будущим. От ученых зависит только разработать инфраструктуру, обнаружить способ добычи водорода, наладить порядок в инструкциях по эксплуатации топлива, и тогда навсегда уже забыть о выхлопных газах, нефтяных вышках и других проблемах бензиновой зависимости.
От сжигания до электролиза: история водородного транспорта и проблемы массовой эксплуатации
За годы ВОВ около 600 таких полуторок (ГАЗ-ММ), что перед заградительным аэростатом, были переведены на водород
Мало кто знает, что впервые водород начали массово применять в автомобильных двигателях внутреннего сгорания в Советском Союзе во время Великой Отечественной войны. Его подавали в цилиндры полуторок из дирижаблей, у которых газовые смеси отработали свой срок. Делали это не от хорошей жизни, а исключительно из-за нехватки бензина, и с окончанием войны практика ушла в небытие. Однако в последующие годы водородная тема всплывала еще много раз.
Далее — краткая история водородного транспорта и подборка фактов о том, почему водород — превосходное топливо и почему он, скорее всего, не станет основным игроком в частном сегменте.
В основе исторической части статьи лежит лекция к. т. н. Евгения Захарова, заведующего кафедрой технической эксплуатации и ремонта автомобилей ВолгГТУ, которая прошла в волгоградской Точке кипения.
Почему водород — превосходное топливо
Водород — первый химический элемент в таблице Менделеева. Это газ с самой маленькой молярной массой — он легче воздуха в 14,5 раз. Обладает очень высоким коэффициентом диффузии, то есть отлично смешивается с любыми другими газами.
Это самый распространенный элемент во всей нашей Вселенной. В связанном состоянии водород находится в составе молекулы воды, так что на Земле с его доступностью также нет никаких проблем.
Как человек с образованием инженера-автомеханика по специальности «двигатель внутреннего сгорания», я считаю, что водород — уникальное топливо для автомобильного двигателя. От других видов топлива его отличают:
Самая высокая теплота сгорания. При сжигании одного килограмма бензина мы можем получить 45 МДж теплоты, а при сжигании такого же количества водорода — почти в три раза больше, 120 МДж теплоты. И это низшая теплота сгорания водорода.
Широкие пределы воспламенения. Можно воспламенить как очень бедную топливо-воздушную смесь, в которой по массе мало водорода, так и очень богатую. Предел воспламенения смеси водорода с воздухом — от 0,2 до 10 единиц. Для сравнения: у бензовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха должен быть в диапазоне 0,7–1,2.
Самая высокая скорость сгорания. Этот параметр очень важен с точки зрения достижения необходимых характеристик автомобильного двигателя, в частности эффективной работы в цикле. В одном и том же двигателе скорость сгорания водорода будет примерно в три раза выше, чем скорость сгорания бензовоздушной смеси.
С чего началось применение водорода на транспорте
Редко встретишь человека, который знает, что пионером в области массового применения водорода в качестве топлива для автотранспорта был Советский Союз.
В этом контексте чаще вспоминают Германию, Японию или США. Возможно, из-за того, что идея возникла в очень тяжелый период для нашего государства — во время Великой Отечественной войны.
Водородная лебедка для аэростата
Фотографии и коллажи блокадного Ленинграда, который в сентябре 1941 года был отрезан от остальной страны
С первых дней войны Ленинград подвергался массированным бомбардировкам. Чтобы защитить город, по всей его территории развернули так называемые посты аэростатных заграждений.
Аэростат — это легкая оболочка из прорезиненной баллонной материи, алюминированная снаружи и заполненная водородом. Его поднимали на тросе на определенную высоту. К тросу присоединяли взрывчатый заряд.
Кроме мины на тросе закрепляли небольшой парашют, благодаря которому трос глубоко врезался в корпус самолета и разворачивал его. Использовали и тандемы из дирижаблей, чтобы добиться большей высоты подъема
Посты аэростатного заграждения показали неплохую эффективность. Находясь на высоте километра и выше, аэростаты не давали немецким пилотам снизиться для прицельного бомбометания, поскольку они могли встретиться с тросом, зацепить взрывчатый заряд и погибнуть. В итоге бомбы сбрасывали на большей высоте, и точной атаки не получалось.
Сделать герметичную оболочку для водорода очень сложно. Газ постепенно выходил, взамен туда попадали кислород и влага, и аэростаты теряли подъемную силу. По регламенту раз в 20 дней их спускали на тросах и перезаправляли водородом. Для этого использовали лебедки, установленные на знаменитых грузовиках-полуторках.
Лебедку приводил в движение двигатель автомобиля, работающего на традиционном топливе — бензине. Однако уже с началом октября 1941 года поставки бензина в Ленинград практически прекратились.
Сначала аэростаты спускали вручную. Это был нелучший выход, так как служили на тех постах в основном молодые девушки. Потом предложили другое решение — использовать электродвигатели. Оно тоже не подошло: из-за эвакуации оборудования Волховской ГЭС город остался практически без электричества.
И тогда молодому лейтенанту Борису Шелищу пришла идея использовать в двигателе внутреннего сгорания вместо бензина гремучую смесь водорода с воздухом, которую брали из тех самых спущенных на перезаправку аэростатов.
Получив одобрение у руководства, он начал экспериментировать. На удивление двигатель отлично заработал на смеси водорода с воздухом. Правда, не обошлось без происшествий. Во время первых экспериментов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, а самого Бориса Шелища контузило. Тогда для безопасной эксплуатации воздушно-водородной смеси он придумал специальный водяной затвор, исключающий воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя.
В итоге уже к ноябрю 1941 года все ленинградские посты заграждения перешли на водородное топливо.
Первая зима (1941–1942 года) была самой тяжелой для жителей блокадного Ленинграда. Именно тогда погибло больше всего людей. Чтобы поднять дух защитников города, в январе 1942 года было принято решение сделать выставку достижений народного хозяйства. Борису Шелищу предложили поучаствовать — выставить полуторку на водородном топливе.
Выставка проходила в закрытом павильоне. Но во время работы автомобиля не чувствовалось запаха выхлопных газов, поскольку единственный продукт сгорания при сжигании водорода — это водяной пар.
В 1941 году Борис Шелищ оформил патент Советского Союза на свое изобретение — способ работы автомобильного двигателя на водородном топливе. Именно этот патент сделал нашу страну пионером в области водородной энергетики для автомобильного транспорта.
Надо отметить, что посты аэростатного заграждения переводили на водородное топливо и в Москве. Но к концу Великой Отечественной войны проблему с поставками бензина решили и забыли о водородном топливе на многие годы — до 1960-х.
Аэростат воздушного заграждения на Тверском бульваре в Москве во время Великой Отечественной войны. 1941 г.
Водород плюс бензин: эксперименты советского автомобилестроения
На стыке 1960–1970-х годов в мире разразился топливный кризис. И в Советском Союзе начали активную работу по изучению альтернативных видов топлива, в частности водорода. Плодами этого труда стало множество интересных прототипов. Ниже приведу пару примеров транспортных средств, которые в качестве топлива потребляли водород в составе бензовоздушных смесей.
Это микроавтобус РАФ 22031:
Их должны были выпустить партией в 200 штук, но из-за политического кризиса дальше прототипа дело не пошло.
Кроме него к началу 1980‑х годов в СССР разные организации создали и испытали опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.
В Киеве одно время в опытной эксплуатации находились такси на базе «Волги» (ГАЗ-24), которые работали на смеси бензина с водородом. Добавление в смесь 5% водорода (по массе) обеспечивало прекрасные мощностные характеристики и увеличивало экологичность. Замеры токсичности показывали, что выбросы продуктов неполного сгорания — CO и СH — снижались в разы. Плюс на треть сокращалось потребление бензина, а общие эксплуатационные расходы падали на четверть.
Авиастроение
Ко всему прочему Советский Союз стал пионером и в области использования водорода в качестве топлива для авиационных двигателей.
Ниже на снимке самолет Ту-155 — экспериментальный вариант модели Ту-154. В нем для отработки всех возможных условий использования жидкого водорода один из трех двигателей оснастили водородной системой питания.
Этот самолет совершил 12 испытательных полетов, установив 14 мировых рекордов. А на конференции по использованию криогенных технологий в летательных аппаратах, которая проходила в Ганновере, известный американский авиационный инженер Карл Бревер оставил о самолете восторженный отзыв: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого искусственного спутника Земли».
К большому сожалению, с началом перестройки и развалом Советского Союза работы, которые активно вели в 1970–1980 годы, приостановили.
Переход на топливные элементы
Начиная примерно с 90-х годов прошлого века в автомобилестроении начали активно говорить про использование водорода в топливных элементах, хотя до этого уже существовало несколько прототипов. В этом случае КПД силовой установки возрастает до 50–80%, что заметно выше 45%, когда водород горит в цилиндрах.
В настоящее время на рынке присутствует около десяти моделей водородомобилей на топливных элементах. Самый популярный — Hyundai Nexo. За восемь месяцев 2021 года по всему миру продали 5800 экземпляров этой модели — это 52% всех продаж водородных легковушек.
Пять проблем, мешающих водороду стать массовым
Использование водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей связано с рядом проблем. Их нельзя не вспомнить, говоря о водороде как о возможной альтернативе бензину.
Проблема 1. Это очень дорого
Себестоимость производства водорода крайне высока. В чистом виде на Земле он практически отсутствует. Больше всего его в связанном виде, например в воде.
Все помнят простейшие опыты по электролизу воды, когда, подавая электроэнергию на два электрода, можно выделить водород. Как оказалось, это дорогое удовольствие. В таблице стоимость килограмма водорода при разных способах производства. Сравните с ценой бензина.
Способ получения водорода
Себестоимость в долларах США на кг
Паровая конверсия природного газа (метана)
Электролиз воды от электроэнергии из единой энергосистемы
Электролиз воды от электроэнергии ветрогенераторов
Электролиз воды от электроэнергии солнечной электростанции
Даже учитывая, что по теплоте сгорания один килограмм водорода эквивалентен трем килограммам бензина, водородное топливо стоит в несколько раз дороже. Для самого дешевого способа производства — конверсии природного газа, в основном метана, разница вроде бы не очень велика. Но возникает вопрос: а зачем это нужно, если метан сам по себе отличное топливо для автомобильного двигателя?
Сейчас многие городские автобусы переводят именно на метановое топливо, потому что водород просто не может конкурировать с ним по цене. Хотя в борьбе за снижение выбросов CO2 получение водорода из метана методом пиролиза позволяет нивелировать выбросы углекислоты, которая в этом случае концентрируется в виде сажи.
Проблема 2. Сложно держать в автомобиле
Если водород сжать до давления 200 атм, то в одном литре будет всего 16 грамм вещества. Это значит, чтобы иметь достаточный запас топлива на борту автомобиля, нужно возить с собой баллоны очень большого объема (фактически мы будем возить только их).
Есть другой вариант — криогенные технологии. В качестве топлива для авиационного двигателя в Ту-155 использовали именно сжиженный водород. После сжижения в одном литре объема мы получим уже 70 грамм вещества. Но в сравнении с бензином и другими видами топлива это все равно на порядок меньше.
Водород и водородная энергетика
Эксперты во многих странах мира предсказывают большое будущее водороду, и, по некоторым прогнозам, он будет одним из перспективных топлив в XXI веке.
Физико-химические свойства водорода
Водород в химических реакциях выступает как восстановитель, реже как окислитель. В этом проявляется промежуточное положение водорода в окислительно-восстановительном ряду. Для протекания реакции прочная молекула водорода должна диссоциировать, что требует значительной затраты энергии:
Н2 → 2Н, АН = 432,1 кДж/моль.
Здесь АН — тепловой эффект реакции.
Относительная атомная масса природной смеси водорода 1,00797. Водород характеризуется наименьшими силами межмолекулярного взаимодействия по сравнению со всеми другими веществами, кроме гелия. Свойства водорода при обычных температурах и давлениях близки к свойствам идеального газа. В обычных температурных условиях водород состоит из двух атомов. При высоких температурах (2500—5000 єК) образуется атомарный водород, а при температурах порядка 105 єК он заметно диссоциирует на протоны и электроны. В таблице 1.3 приведены некоторые свойства водорода как топлива.
Таблица 1.3 Свойства водорода как горючего и энергоносителя
Обращает на себя внимание низкая плотность водорода во всех трех фазовых состояниях — почти на порядок меньше соответственно плотности льда, жидкой воды и водяного пара. Одновременно с этим водород имеет весьма высокую удельную массовую теплоту сгорания, почти в три раза превышающую теплоту сгорания бензина.
Молекулярный водород нетоксичен, не имеет вкуса и запаха, бесцветен, легко воспламеняется, горит бледно-голубым слабосветящимся пламенем. В воде водород растворяется слабо — 2 % об.
В широком диапазоне температур водород имеет наибольшую из всех газов теплопроводность. Например, при 25 °С и атмосферном давлении теплопроводность водорода в 7 раз превышает теплопроводность воздуха. При охлаждении до ‒259 °С водород образует твердую фазу — белую пенообразную массу, плотность которой в 14 раз меньше плотности воды.
В химических соединениях водород обычно имеет положительную валентность и ведет себя подобно щелочному металлу. В гидридах (соединениях водорода с металлами) ион водорода отрицательно одновалентен.
Водород обладает сильными восстановительными свойствами, например, он может отнимать кислород от многих металлов и металлоидов, но при нормальных условиях его химическая активность невелика, в них он медленно реагирует даже с кислородом (при 550 °С эта реакция имеет взрывной характер).
Перспективы применения водорода связаны с его высокими энергетическими и экологическими показателями, уникальными кинетическими характеристиками и практически неограниченной сырьевой базой. Относительно дешевый водород можно получить электролизом воды, при разложении воды бактериями под действием солнечного света (фотоводород) и из гидридов-металлов.
При нормальной температуре водород — бесцветный газ без запаха, состоит из 25 % параводорода и 75 % ортоводорода (две модификации с различными значениями вращательных квантовых чисел). Благодаря конверсии жидкий водород на 100 % состоит из параводорода.
Жидкий водород — бесцветная жидкость без запаха с высокой криогенностью. Он сжижается при 20 єК, а при 14 єК переходит в твердую фазу.
Газообразный водород, обладает высокой диффузностью: коэффициент диффузии в воздухе 0,61, в кислороде 0,69, в азоте 0,7 м2/с). Проникновение водорода в металлы (наводороживание) весьма значительно (от 1 до 30 мм), за исключением легированных сталей и сплавов алюминия. Криогенные емкости делаются из алюминиевых сплавов Амг, Амц, Амг5В и др.
Водород нетоксичен, но может вызывать обмораживание и взрывопожароопасен. Водородно-воздушные смеси характеризуются широкой областью воспламенения (4—75 % по объему) и взрываемости (–18,3—74 % по объему). Чистый водород имеет высокую температуру воспламеняемости (590 °С) и способен к быстрому рассеиванию в воздухе. Он обладает весьма высокими энергомассовыми показателями. Температура самовоспламенения для стехиометрических соотношений лежит в пределах 500—510 °С. Энергия воспламенения у водорода минимальна (примерно в 70 раз меньше метана), период задержки составляет 1—10 мкс, что приводит к высокой скорости сгорания и возможной детонации. В интервалах температур рабочей смеси 100—400 °С скорость распространения пламени 400—1200 см/с. Детонационное сгорание водорода наблюдается уже при ε = 6 в области 0,2
На бедных смесях возможна работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия без детонации. При небольших добавках водорода, например, к метану (20 %), детонация не наблюдается до степеней сжатия 14—15.
По физико-химическим и моторным свойствам водород резко отличается от традиционных топлив. Поэтому предстоит еще значительная работа по организации рабочего процесса в многотопливных дизелях с применением водорода.
Предполагаемое ранее внедрение водородного топлива в тепловых двигателях с созданием энергетических циклов, в которых участвует теплота сжигания водорода и основного топлива, похоже, откладывается на неопределенное время. Ранее конкретные исследования предпринимались в области изучения рабочего процесса двигателей, работающих на смешанном топливе. В настоящее время применение водорода на автомобильном транспорте тесно связано с развитием водородных топливных элементов, в которых нет процесса сгорания, а происходит химическая реакция.
Основной же эффект, получаемый от добавки водорода к бензину, проявляется в повышении реакционной способности смеси, благодаря чему расширяется концентрационный диапазон ее воспламеняемости и появляется возможность устойчивой работы двигателя на переобедненных смесях, что подтверждают следующие данные.
Получаемый широкий диапазон пределов воспламеняемости позволяет, в частности, отказаться от свойственного бензиновым двигателям регулирования по количеству рабочей смеси и использовать качественное регулирование при α = 1, что обеспечивает высокую полноту сгорания топлива. Добавка водорода повышает топливную экономичность двигателя.
Низкая плотность газообразного водорода затрудняет возможность его применения в сжатом виде из-за очень большой массы баллонов для хранения. Использование же жидкого водорода связано с необходимостью установки дорогостоящих криогенных резервуаров со специальной термоизоляцией. Современный уровень техники позволяет обойти эти трудности, если использовать аккумулирование водорода в составе некоторых металлогидридов. Для зарядки гидридного аккумулятора через восстановленный металлический компонент пропускается водород под небольшим давлением и одновременно отводится образующееся тепло.
Перспективы развития водородной энергетики
Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине 70-х гг. XX столетия. По мере того как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортировкой и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий. Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде, системы хранения и др.) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе установок и систем, а выполненные технико-экономические исследования выявили, что, хотя водород является вторичным энергоносителем, то есть стоит дороже, чем природные топлива, его применение в ряде случаев экономически целесообразно уже в настоящее время. Поэтому работы по водородной энергетике во многих промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку как со стороны государства, так и со стороны частного капитала.
Направления разрабатываемых новых водородных технологий гражданского назначения в разных странах различаются. Это связано и с неодинаковой обеспеченностью природными энергоресурсами, и с особенностями технологического развития тех или иных государств. Например, в проектах новых водородных технологий, осуществляемых в США, Германии и России, используется опыт ракетной техники, атомной и химической промышленности, специальной металлургии, криогенной и оборонной промышленности, в Японии — опыт высоких технологий электронной, электротехнической, металлургической и металлообрабатывающей промышленности и зарубежный опыт криогенной и авиационно-космической техники.
Наблюдаемое в мире в последние десятилетия резкое увеличение интереса к водороду как к горючему и энергоносителю определяется следующими его основными особенностями:
- запасы водорода практически неограниченны;
- водород — универсальный вид энергоресурса, так как может использоваться в качестве горючего для производства электричества в рабочих циклах различного типа и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях;
- при помощи водорода возможна аккумуляция энергии;
- среди прочих видов органического топлива водород отличается наибольшей теплотворной способностью на единицу массы и наименьшим отрицательным воздействием на окружающую среду.
Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию 2,8 г бензина при расчете по низшей теплоте сгорания. Если же в расчете принять для водорода высшую теплоту сгорания, а для бензина — низшую, как это имеет место в действительности, то эта величина составит 3,3. При использовании водорода в топливных элементах вследствие большого КПД топливного элемента (в 1,5—3 раза большего, чем у двигателя внутреннего сгорания) эффективность водорода как топлива оказывается еще выше.
Ключевым звеном в энергоустановках на водородном топливе является топливный элемент. Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они не подчиняются закону Карно и осуществляют прямое превращение энергии топлива в электрическую энергию, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями обычные процессы горения.
Топливные элементы с твердополимерным электролитом имеют ряд достоинств, в том числе:
- большую удельную мощность и компактность;
- сравнительно простое управление;
- высокие динамические показатели;
- сравнительно простую систему удаления продуктов реакции.
Использование водорода для автономных электрохимических энергетических установок получило наибольшее развитие в космической технике, где накоплен определенный опыт эксплуатации. В последнее время резко возрос интерес к использованию таких установок в наземном и морском транспорте.
Твердополимерные топливные элементы (РЕМFC) по своему техническому уровню находятся на пороге коммерциализации. В настоящее время их высокая стоимость (стоимость энергоустановки
104 дол/кВт) пока еще сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с РЕМFС на порядок и более при их массовом производстве. Для массового применения РЕМРС в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 30—100 дол/кВт (при современной стоимости бензина и отсутствии финансовых механизмов, учитывающих вредное влияние выбросов на окружающую среду). В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения стоимости бензина и снижения стоимости ТЭ ожидается изменение конъюнктуры рынка в пользу автомобилей и автономных энергоустановок мощностью до 100—300 кВт с РЕМРС. В этих направлениях НИОКР развиваются с возрастающей активностью.
Дальнейшее развитие водородной энергетики, особенно транспортной, зависит от решения трех научно-технических проблем, связанных: с появлением экономичной и экологически безопасной технологии получения водорода, с разработкой методов его безопасного и компактного хранения и с развитием собственно электрохимических генераторов.
Создание компактных, надежных и недорогих систем хранения и транспортировки водорода является одной из важнейших проблем транспортной водородной энергетики. Сложность этой задачи связана с тем, что в свободном состоянии водород — самый легкий и один из самых низкокипящих газов.
В настоящее время наиболее активно исследуются 3 способа хранения водорода — это баллонный, криогенный и способ химически связанного хранения водорода, в том числе с использованием для этого углеродных нанотрубок. По крайней мере 8 крупных научно-исследовательских институтов (НИИ) США, НИИ и фирмы Англии, Германии, Японии и Франции исследуют вещества, способные адсорбировать, хранить и отдавать водород.
Наиболее известный способ хранения водорода — баллонный, когда водород хранится в сжатом газообразном состоянии, — по своим массогабаритным параметрам и по характеристикам взрывопожаробезопасности не вполне удовлетворяет условиям безопасности в наземном транспорте и на кораблях, хотя и продолжает активно исследоваться и совершенствоваться.
Еще более взрывопожароопасным в условиях эксплуатации автомобилей, подводных лодок и надводных кораблей представляется применяемый в космических установках способ хранения водорода в криогенном состоянии — из-за постоянного испарения этого газа. Поскольку параметры взрывопожаробезопасности определяются в значительной степени объемом хранимого водорода и временем хранения, этот метод малопригоден для морского и наземного транспорта.
Способ хранения водорода, основанный на применении углеродных нанотрубок (длинных цилиндров, стенки которых состоят из одного или нескольких молекулярных графитовых слоев), интенсивные исследования которого начаты в 1998 г., пока ограничен технологическими сложностями. Хотя этот способ по-прежнему считается перспективным (по данным некоторых исследований, водородоемкость нанотрубок превышает 6 % по массе при 1,5—2 % для интерметаллидов), его применение пока еще невозможно ввиду недостаточной изученности.
Применение водорода
Исключительные свойства водорода обеспечивают ему широкую перспективу применения в различных областях энергетики, на транспорте и промышленности.
Возможно применение водорода в жидком и газообразном состоянии, причем в газообразном состоянии водород используется шире. На рисунке 1.1 схематично показана область применения водорода и водородосодержащего газа.
Водород необходим в больших количествах для нефтепереработки, в химической, металлургической, строительной, топливной и пищевой промышленности.
Транспорт, промышленность и коммунально-бытовой сектор в развитых странах используют водород в течение многих лет. Освоено применение водорода в ракетной технике.
Применение водорода как топлива не только полезно с экологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано. Возьмем к примеру, загрязнение атмосферы автомобильными выхлопными газами. Замена всех бензиновых двигателей на водородные нереальна, так как она связана с огромными материальными затратами. Однако, почти без всяких изменений в двигателе, можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой. Даже этот небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановку в крупных городах.
Водород в энергетике
Водород — аккумулятор энергии. Очевидным становится и то, что водород способен помочь в решении некоторых проблем атомной энергетики.
Разрушительные аварии атомных электростанций (АЭС) показали, что наиболее опасны «маневры» мощностью реактора, то есть изменение интенсивности ядерной реакции. Следовательно, для обеспечения безопасности желательно ограничиваться стационарным режимом работы АЭС. Эта стабильность ограничивает возможности энергосистем в части выравнивания нагрузок, когда, например, в рабочее время потребление энергии резко возрастает, а по ночам и в выходные дни падает. Пока не существует удовлетворительного способа аккумулировать электроэнергию, но на помощь может прийти водород. При масштабном освоении технологий производства, транспорта и хранения водород может быть использован для решения ряда проблем большой энергетики. Среди них следует выделить такие: аккумулирование энергии в энергосистемах с неравномерным графиком нагрузок, энергоснабжение локальных потребителей и дальнее теплоснабжение.
В настоящее время переменный график нагрузок энергосистем, особенно ночной провал электрической нагрузки, — одна из важнейших проблем энергетики. Эта проблема является острой для ядерной энергетики. Характерное для АЭС высокое значение капитальной составляющей стоимости производимой энергии, а также соображения повышения эксплуатационной надежности основного оборудования и, главным образом, топлива делает желательным их функционирование в базовом режиме нагрузки. Для реакторов-размножителей функционирование в базовом режиме повышает темп воспроизводства топлива. Эта задача может быть решена с применением водородных технологий по схеме: производство и накопление водорода во время ночного провала и его использование при пиковых нагрузках. Для покрытия пиковых нагрузок может быть использован парогенератор со срабатыванием дополнительного пара на турбине. В Германии, России, Японии и других странах проведены экспериментальные исследования процессов горения водорода в кислороде и воздухе, теплопередачи при пленочном и испарительном охлаждении стенок при высоких тепловых потоках. Институт высоких технологий Российской Академии наук и Исследовательский центр им. Келдыша разработали и испытали демонстрационный образец такого парогенератора мощностью 25 МВт.
Водород в промышленности
Производство аммиака и метанола, прямое восстановление железа
Высокая температура горения — а в сочетании с электрической дугой она достигает 4000 °С — обеспечивает расплав даже самых тугоплавких металлов. Поэтому кислородно-водородные горелки используют для сварки и резки металлов. В цветной металлургии восстановлением водородом получают особо чистые металлы из оксидов. Широкое применение водород нашел в химической промышленности — при синтезе аммиака, изготовления соляной и метиловой кислот, метилового спирта. В пищевой промышленности водород используют для превращения жидких жиров в твердые, их гидрогенизации. Учитывая невесомость водорода, им заполняли и заполняют оболочки летательных аппаратов. Сначала это были воздушные шары, позднее — аэростаты и дирижабли, сегодня, вместе с гелием — метеорологические зонды.
Нефтепереработка
Основными промышленными потребителями синтез-газа являются нефтепереработка и нефтехимия. Большая часть энергии, потребляемой нефтеперегонными заводами, расходуется на получение водорода из низкокалорийных углеводородов и природного газа. Водород используется для производства светлых нефтепродуктов, снижения токсичности, удаления серы и других загрязняющих примесей. По мере истощения запасов легкой нефти с высоким водород-углеродным коэффициентом и увеличения добычи имеющейся в больших количествах тяжелой нефти возрастает спрос на водород. Если в этом процессе использовать водород, производимый с помощью ядерных реакторов, то не только увеличивается выход бензина на тонну исходной нефти, но и уменьшается выброс парниковых газов, образующихся при традиционном производстве водорода.
Водород как энергоноситель
Достоинством водорода как топлива является способность производить не только высокопотенциальное тепло при его сжигании в кислороде, но и электрическую энергию при соединении с кислородом в топливном элементе — электрохимическом генераторе.
Водород как топливо эффективно используется в ракетных двигателях. Водородно-кислородные ракетные двигатели обеспечивают наиболее высокие значения удельной тяги. Космическая техника стимулировала использование технологии прямого преобразования химической энергии водорода в электричество в электрохимическом генераторе. Широкое использование технологии электрохимического генератора ожидается в автотранспорте.
Электрохимические генераторы найдут также применение в коммунально-бытовом секторе и в специальной энергетике, например, для подводных аппаратов.
Автотранспорт на водороде
Работы по применению водорода направлены как на улучшение углеводородного топлива для сжигания в двигателях внутреннего сгорания, так и на использование электрохимических генераторов. Автомобильная промышленность проводит комплексные испытания широкого ряда автомобилей на водороде. В США, Германии, Японии, Канаде созданы и эксплуатируются опытные водородные автозаправочные станции. В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения цен на бензин и снижения стоимости топливных элементов ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей с водородными двигателями.
На рисунке 1.2 показаны две основные стратегии питания топливных элементов транспортных средств.
Рис. 1.2 Стратегия питания топливных элементов а) — преобразование на борту (транспортное средство на основе реформера); б) — прямой водород (производства водорода вне транспортного средства)
В верхней части рис. 1.2, а представлена схема преобразования топлива в водород на борту транспортного средства при помощи реформера. Этим вариантом воспользовалась фирма «Мазда», которая проводила испытания автомобиля на топливных элементах. На борту установлен реформер, вырабатывающий водород из метанола. Фирма «Хонда» применила второй вариант питания топливных элементов, который показан на рис. 1.2, б. И представила автомобиль на топливных элементах FCX-V3, который заправляется водородом. Время запуска энергетической установки — всего 10 секунд. Мощность — 70 кВт. Российская фирма «АвтоВАЗ» не осталась в стороне и вместе с корпорацией «Энергия» выпустила автомобиль «Нива» на водородном топливном элементе.
Применение водорода в ракетно-космической технике
Наибольший опыт использования водорода как энергоносителя накоплен в ракетно-космической технике. Примером такой системы являются ракеты комплекса «Энергия», в жидкостных ракетных двигателях которых водород используется как топливо. В России и США также накоплен опыт использования водорода в ядерных ракетных двигателях. Принципиальным преимуществом ядерных ракетных двигателей по сравнению с жидкостными ракетными двигателями является возможность использования однокомпонентного рабочего тела с минимальным молекулярным весом, а этими свойствами обладает водород, что обеспечивает наиболее высокую удельную тягу двигателя. Так, при использовании водорода и нагреве его в реакторе до 2727 °С удельный импульс ядерных ракетных двигателей более чем в 2 раза превышает удельный импульс химического жидкостного ракетного двигателя. В России были разработаны реакторы ядерных ракетных двигателей, при испытаниях которых была достигнута температура водорода до 2827 °С. Хотя авиация потребляет менее чем 3 % добываемых ресурсов органического топлива, независимость от внешних поставок нефтепродуктов стимулирует разработку самолетов, использующих водородное топливо. В 1980-е гг. в России была создана летающая лаборатория на базе самолета ТУ-154В с двумя двигателями НК-88, работавшими на водороде. В настоящее время эксперименты с водородом в авиации продолжаются. Проводятся также поисковые работы по гиперзвуковым авиационно-космическим системам, использующим прямоточные двигатели на водороде.
Водородная экономика
В настоящее время появился и получил широкое распространение термин «водородная экономика». Под этим понимается экономика, построенная путем частичной или полной замены углеводородного топлива водородным, позволяющим уменьшить выброс парниковых газов в окружающую среду.
Насколько же реальна замена ископаемых источников энергии водородом? Ответ на этот вопрос будет зависеть от результатов широких исследований, которые ведутся в настоящее время в большинстве развитых стран мира.
Энергетические затраты на различных этапах жизненного цикла водорода
При переходе на водородное топливо неизбежно появление новых проблем. Водород представляет собой искусственный энергоноситель, который получают из существующих в природе веществ. Поэтому прежде всего нужно провести анализ затрат энергии, требуемых для этой цели на всех стадиях жизненного цикла водорода как энергоносителя — от его производства до использования (рис. 2.1) как средства получения электрической энергии или механической работы, необходимой для движения транспортных средств. При этом оказывается, что высококачественная электрическая энергия из возобновляемых или ядерных источников необходима не только для того, чтобы генерировать водород, но также и для осуществления всех других этапов (стадий) цикла. Из-за молекулярной структуры и фазового состояния водорода при нормальных условиях требуется намного более энергоемкая инфраструктура, чем в экономике природного газа и нефти.
Рис. 2.1. Элементы водородной экономики
В водородной экономике водород, подобно любому другому коммерческому продукту, проходит несколько стадий между получением и использованием. После получения он должен быть упакован путем сжатия или сжижения, транспортирован наземными или морскими транспортными средствами и оставлен в системах хранения до передачи потребителю. Строго говоря, жизненный цикл водорода заканчивается после его полного использования потребителем, но мы ограничимся стадиями получения, первичного хранения и транспортировки.
Водород, централизованно полученный или электролизом, или химическим путем, или произведенный непосредственно на автозаправочных станциях, газообразный или жидкий, должен подвергнуться всем рыночным процессам, прежде чем может использоваться потребителем. Водород также может быть получен химически по относительно низкой цене из природного газа или других углеводородов.
Фактическое потребление электрической энергии, необходимой для того, чтобы получить, упаковать и транспортировать водород, может легко превысить полезную энергию, получаемую за счет его использования.
Однако полезная энергия может быть сохранена и в водороде, упакованном в синтетическом жидком углеводороде, например метаноле или этаноле. При этом можно избежать использования ископаемого топлива, применяя биомассу. Процесс электролиза может быть частично заменен менее энергоемким химическим преобразованием воды и углекислого газа в естественные углеводороды — биометанол или биоэтанол. Следовательно, могут использоваться замкнутые естественные циклы воды и углекислого газа.
Водород — один из самых распространенных химических элементов на планете, не существующий в природе в элементной (свободной) форме. Он может быть получен электролизом из воды или химическим путем из углеводородов либо других водородосодержащих веществ. Электричество для электролиза может использоваться, в конечном счете, от чистых возобновляемых источников типа солнечной радиации, кинетической энергии ветра, энергии гидроэлектростанций, геотермальных источников или атомной энергии.
В настоящее время максимальное внимание уделяется стадиям хранения и использования водорода, которые справедливо считаются критическими для развития водородной энергетики. Значительно меньшее внимание уделяется энергетическому, экологическому и экономическому анализу всех остальных звеньев цепочки получение — использование водорода.
Водород, как уже отмечалось, должен быть получен, упакован, транспортирован и передан пользователю. Реализация этих процессов требует затрат энергии.
В современной нефтегазовой экономике энергия, потерянная между производством горючего и его потреблением, составляет приблизительно 12 % для нефти и 5 % — для газа. Очевидно, что необходимо оценить эти потери и для вариантов использования водорода в качестве горючего.
Фактически значительное количество водорода уже производится, обрабатывается, транспортируется и используется в химической промышленности. Но этот водород — химическое вещество, а не товар-энергоноситель. В химической промышленности затраты на производство водорода, затраты на транспортировку и другие входят в цену синтезируемых химических продуктов. Стоимость водорода является приемлемой, пока конечные продукты находят сбыт на рынке. Таким образом, сегодня использование водорода управляется экономическими законами, а не энергетическими и экологическими соображениями.
Однако если водород должен использоваться как энергоноситель, энергетические и экологические проблемы нужно учитывать наравне с экономическими.
В таблице 2.1 представлены теплотворные способности и плотности водорода и метана, а на рис. 2.2 — данные для наиболее известных энергоносителей.
Таблица 2.1 Некоторые характеристики водорода и метана
Из таблицы 2.1 и рис. 2.2 видно, что при любом заданном давлении водородный газ содержит меньше энергии в единичном объеме, чем метан (представляющий природный газ), метанол, этанол, пропан или октан (представляющий бензин). При давлении 80 МПа газообразный водород достигает объемной плотности энергии жидкого водорода. Даже в этом случае его объемное содержание энергии ниже, чем у метана при 80 МПа, в 3,2 раза. Обычные жидкие энергоносители, подобно метанолу, этанолу, пропану и октану, превосходят жидкий водород с коэффициентами в 1,8, 2,3, 2,5 и 3,4 соответственно. При этом водород под давлением 80 МПа или в жидком состоянии должен содержаться в высоко технологичных сосудах высокого давления или в криогенных контейнерах, в то время как жидкие углеводородные топлива могут храниться в простых резервуарах под атмосферным (пропан — немного более высоким) давлением.
Рис. 2.2. Высшая теплота сгорания на единицу объема для различных энергоносителей
Необходимо иметь в виду, что водород — синтетический энергоноситель. Он только переносит энергию, сгенерированную другими процессами. Например, как уже отмечалось, водород может быть произведен с помощью электричества электролизом воды. Далее высококачественная (в термодинамическом смысле) электрическая энергия должна использоваться для сжатия или сжижения водорода, обеспечения транспортировки и хранения его у потребителя. Во многих случаях на стадии использования водорода в электрохимических генераторах, несмотря на их высокий КПД, не удается скомпенсировать все эти потери. Например, в стационарных приложениях водород, получаемый электролизом, не смог бы конкурировать с электричеством сети, которое могло быть распределено непосредственно пользователям с намного меньшими потерями первичной энергии.
Очевидно, что стоимость водорода должна быть как можно более низкой. Однако этого недостаточно. У водородной экономики есть будущее только в том случае, если водород сможет конкурировать с традиционными энергоносителями.
Существующая инфраструктура способна обработать почти любой синтетический (жидкий) углеводород, в то время как водород требует полностью новой дистрибутивной сети. Переход к элементной водородной экономике затронул бы общую поставку энергии и дистрибутивную систему. Фундаментальный вопрос о том, сколько энергии необходимо, чтобы использовать водородную экономику, должен быть обязательно изучен. Для этого необходимо проанализировать ключевые стадии жизненного цикла водорода как горючего: производство, упаковку (первичное хранение), транспортировку, хранение на заправочной (или раздаточной) станции, передачу элементного водорода потребителю — и сравнить энергию, использованную на этих стадиях, с количеством энергии водорода, поставленным потребителю.
Безопасность и водород
Водород является энергоносителем. Он без цвета и не имеет запаха, легче воздуха и очень быстро рассеивается в атмосфере. Один килограмм водорода содержит такое же количество энергии, как 2,1 кг природного газа или 2,8 кг бензина.
Энергетическая плотность водорода составляет 2,36 кВт/л, природного газа — 5,8 кВт/л и бензина — 8,76 кВт/л. Эти факты позволяют сделать вывод о размерах емкости для хранения водорода и бензина, а также о мощности взрыва этих двух топлив.
Водород не токсичен.
Бензин и нефть достаточно токсичны для человека и живой природы. При утечке водорода он почти мгновенно улетучивается, при утечках нефтепродуктов требуются большие затраты на ликвидацию ущерба окружающей среде.
Для воспламенения водорода требуется его бόльшая концентрация в воздухе, по сравнению с другими топливами. Действительно, водород обладает широкими пределами воспламенения, нижний предел выше, чем, например, у бензина. Для бензина концентрация его паров в воздухе выше 1 % становится взрывоопасной, у водорода же этот уровень составляет от 4 %. Поэтому риск взрыва меньше, чем у паров бензина.
Недоверие к водороду связано с прошлым.
Водород у большинства населения олицетворяется с двумя неприятными событиями в истории, — трагедией дирижаблей в 40-е гг. XX века как в России, так и за рубежом (особенно в мире памятны события с дирижаблем «Гинденбург») и трагедией с водородной бомбой.
Для взрыва, подобного по мощности водородной бомбе, необходимо создать давления и температуры на порядок больше, чем в топливных элементах.
Характеристики пожароопасности некоторых топлив приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 Характеристики пожароопасности топлив
При соответствующей специальной подготовке обслуживающего персонала водород становится ничуть не опаснее, чем многие другие виды топлива, широко применяемые сегодня.
Обращение с водородом
Широкое внедрение водорода в энергетику, промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство потребует разработки новых подходов к практике обращения с ним. К возникающим проблемам относят транспорт водорода, обеспечение его запасов, централизованное и индивидуальное хранение, распределение по потребителям, и все это — при условии гарантий безопасности с учетом горючести и взрывоопасности водорода и его смесей. Решение этих проблем требует не только организационно-технических подходов, но и поиска и внедрения новых материалов и технологий. В качестве примера следует вспомнить появление в нашей стране научно-технической и промышленной базы для масштабных работ с жидким водородом при разработке ракеты-носителя «Энергия». Для этих целей был создан криогенно-машиностроительный комплекс, производство жидкого водорода мощностью до 10 тыс. тонн в год, парк железнодорожных цистерн с экранно-вакуумной изоляцией для перевозки жидкого водорода. При крупномасштабном использовании водорода требуются безопасные и эффективные системы его централизованного хранения. Водород может храниться в жидком виде при его охлаждении до минус 253 °С. Для охлаждения водорода до этой температуры требуется затратить около одной трети содержащейся в нем энергии — 11 кВт ∙ ч/кг Н2, а для создания криогенных устройств необходимы специальные материалы и технологии. Водород может также быть запасен в виде газа. Этот процесс требует для сжатия водорода меньше энергии, чем для его ожижения. Водород в газовой фазе может быть накоплен в подземных полостях, месторождениях природного газа. Так, при испытаниях российских ядерных ракетных двигателей для хранения использовались подземные емкости, водород в них содержался под давлением 90 атмосфер.
Применение водорода индивидуальными потребителями ставит проблему локального хранения. Особенно это важно при использовании водорода в автомобилях, где наряду с требованиями безопасности должны быть обеспечены высокие показатели по удельной емкости на единицу массы и объема. Создание металлических или композитных (металл плюс углеродное волокно), резервуаров, пригодных для эффективного хранения водорода на транспорте, требует применения новых технологий. Одним из последних примеров в этом направлении является разработка и испытание Центром Келдыша совместно с институтами ракетной промышленности композитных баллонов размером до 40 см для хранения водорода при давлении до 70 МПа на автомобиле.
Концерн ВМW провел серию тестов на безопасность водородных баков при авариях. Удалось создать такой топливный бак, который не взрывается ни при каких мыслимых ситуациях и выдерживает нагрев до 1000 ºС в течение 70 минут. Если же бак всетаки разрушится, то водород будет гореть в воздухе. Бензин, разлившийся при аварии, горит на земле, сжигая все вокруг.