13.6. Водородное топливо

Впервые на использование водорода в качестве моторного топлива было обращено внимание в 70-е годы в разгар энергетического кризиса, охватившего страны Западной Европы и США. И если в то время основной проблемой считалось сокращение мировых запасов углеводородных энергоносителей, то в настоящее время на первый план выдвигается угроза стремительно нарастающего над планетой экологического кризиса. Водород можно использовать в качестве моторного топлива, не требуя создания нового двигателя. Особенности процесса горения водорода (например, высокие скорость и температура пламени) корректируются незначительной конструктивной доработкой и регулировкой двигателя.

Водород может применяться как в чистом виде, так и в смеси с углеводородным топливом. Благодаря его высокой физико-химической активности небольшая (5–10% масс.) добавка водорода к бензину позволяет снизить токсичность выхлопных газов на 65–75% [3].

Таблица 1. Выброс вредных веществ при сгорании различных топлив [4].

Виды топлива	Выброс вредных веществ, Г/км
	CO	CH	NOx
Бензин	42	8,5	9,1
Сжиженный нефтяной газ	19	4,8	8,7
Сжатый природный газ	8,5	4,5	8,5
Бензин в смеси с водородом	3	2,8	4,55
Метанол	28	4,6	4,4
Метанол в смеси с бензином	32	5,4	7,6
Метанол в смеси с синтез-газом (H2+CO)	5	2,5	3,5
Cинтез-газ (H2+CO)	0	0,4	2,3
Водород	0	0	2,5
ЕВРО-1	2,72	0,93	-

Как следует из табл. 1, из широкого перечня моторных топлив смесь бензина с водородом близко соответствует европейскому стандарту ЕВРО-1. При этом расход бензина снижается на 30–40%. Наиболее низкое содержание NОх в продуктах сгорания наблюдается при нагрузках менее 50% максимальной мощности [3], т.е. при рабочих параметрах двигателя, представляющих наибольший интерес для условий городской эксплуатации автомобилей. В качестве сырья водород потребляется в больших объемах (порядка сотни миллионов тонн в год) в химической (для производства метанола, аммиака), нефтехимической (для гидроочистки, гидрокрекинга, каталитического риформинга, нефтехимического синтеза, получения синтетического топлива) и других производствах [6].

В энергетике и на транспорте водород пока не нашел широкого применения, за исключением ракетно-космической техники, в качестве горючего, и для охлаждения мощных электрогенераторов (что составляет менее 0,01% от общего потребляемого объема). В качестве сырья используется в основном неочищенный (т.н. технический) водород, получаемый, в основном методом паровой конверсии природного газа непосредственно на месте его потребления, что не требует создания специальной инфраструктуры для его хранения, транспортировки, очистки, ожижения, заправки и т.д. Поэтому стоимость такого водорода невелика, но при использовании его в качестве энергоносителя и последующего ожижения требуется дополнительная очистка (до 99,995% Н2), что приводит к удорожанию конверсионного водорода в 5–7 и более раз [7], приближая к стоимости более чистого электролитического водорода. Использование водорода в автотранспорте потребует изыскания больших производственных и энергетических ресурсов. Масштабы их можно оценить, взяв, к примеру, город с численностью населения 1 млн. чел. (чему соответствует примерно 250 тыс. единиц автотранспорта). С учетом более высокой энергоемкости и эффективности водорода по сравнению с бензином потребовалось бы производить примерно 500 Т водорода в сутки. Энергетические затраты на производство электролитического водорода и его последующего ожижения составили бы порядка 15 млрд. кВтч в год. В мировом масштабе (примерно 500 млн. единиц автотранспорта) это соответствовало бы примерно 30000 млрд. кВтч в год. В то время, как мировая выработка электроэнергии составляет примерно 15000 млрд. кВт•ч [8]. Из указанного примера следует, что широкомасштабное применение водородного топлива в автотранспорте (если не идти по пути использования для его получения углеводородного сырья), на сегодняшний день, пока не найдены неограниченные и дешевые источники энергии, лишено реальности. Тем не менее, существует принципиальная возможность уже сегодня приступить, хотя и в ограниченных масштабах, к постепенному освоению водорода в автотранспортных системах. Заключается она в использовании для производства водорода избыточных мощностей крупных электростанций (АЭС, ТЭС, ГЭС), которые являются следствием двух основных причин: необходимостью снижения мощностей в ночные часы, выходные и праздничные дни (так называемых диспетчерских разгрузок), в связи с резким спадом в потреблении электроэнергии в указанные периоды [7], а также в уменьшении в последние годы энергетических потребностей некоторых промышленных предприятий.

Неиспользованные энергетические мощности могут быть направлены на производство электролитического водорода, что выгодно как с экономической точки зрения, так и с точки зрения повышения уровня безопасной работы агрегатов электростанций, и в первую очередь агрегатов АЭС. Например, энергетические потери за счет диспетчерского регулирования на Ленинградской атомной электростанции (ЛАЭС) составляют примерно 400 млн. кВтч в год [9]. Использование только избыточных мощностей ЛАЭС позволило бы вырабатывать примерно 7,2 тыс. Т чистого водорода в год, достаточного для снабжения до 6 тыс. транспортных единиц (а при использовании водорода в качестве 5% добавки к основному топливу – до 50 тыс. единиц). Применение водорода на автотранспорте связано с решением такой важной проблемы как компактное и безопасное хранение водорода на борту транспортного средства. При больших количествах водорода (например, при использовании водорода в ракетно-космической или авиационной технике, где его запас на борту исчисляется тоннами), наиболее оптимальным является хранение его в криогенном виде. В автотранспортных системах, характеризующихся небольшими расходными характеристиками, более эффективными могут оказаться другие методы хранения: например, в сжатом или в связанном с интерметаллическими соединениями (ИМС) виде. Из ИМС наиболее изучены соединения LaNi5 и ТiFе. Практическое использование их ограничено низкой массовой долей содержащегося водорода (1,4–1,7%) и высокой стоимостью (соответственно 50 и 25 долл./кГ) [5]. Для хранения водорода под высоким давлением (до 20 МПа) может оказаться приемлемым использование металлопластиковых баллонов, предназначенных для природного газа (метана) с возможностью накопления водорода до 2,7% масс. В стадии разработки находятся металлопластиковые водородные баллоны, с рабочим давлением 39,2 МПа (накопление водорода до 7% масс.). Стоимость различных методов хранения водорода приведена на рис.2. Как отмечалось выше, отсутствие в обозримом будущем необходимых мощностей по производству водорода, рассматриваются методы непосредственного получения его на борту транспортного средства. Например, методом гидролиза алюминия, магния, гидрида лития. Однако указанные методы очень дороги (рис. 3) и могут рассматриваться лишь для уникальных энергоустановок. Например, для воздухонезависимых ЭУ подводных аппаратов, использующих электрохимические генераторы с топливными элементами (ТЭ). Для автотранспорта разрабатываются компактные бортовые установки риформинга углеводородного топлива. В последние годы в США, Канаде, Германии, Китае, странах ЕЭС и многих других приняты программы создания экологически чистого автомобильного транспорта, использующего водородное топливо. Основное направление работ – создание, помимо автомобилей с ДВС, автомобилей с твердополимерным ТЭ и электроприводом и автомобилей с гибридной двигательной установкой. Наиболее активно проводятся работы по созданию автомобилей с нулевым выбросом на базе твердополимерных ТЭ (с карбонизацией диоксида углерода в случае использования углеводородного топлива).

Таблица2 Сравнительные параметры энергоустановок

Параметры	ДВС	Аккумулятор свинцовый	ТЭ
КПД, %	34–36	60–75	65–80
Nуд., Вт/кГ	150–170	30–40	60–200
Q, Втч/кГ	105 – 106	20–80	>105

Благодаря прямому преобразованию в ТЭ химической энергии топлива в электрическую, КПД установок с ТЭ может достигать 70–80%, а продолжительность работы определяется (в отличие от аккумуляторов) лишь запасом топлива (Табл. 2). Практически все крупные автомобильные компании мира проводят работы в этом направлении. Для массового применения ТЭ в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 50–100 долл./кВт (при современной стоимости примерно 1000 долл./кВт). Прогнозируется [11], что потенциальный рынок ТЭ на транспорте к 2020 году будет соответствовать мощности 57000 МВт. Наша страна, в связи с отсутствием требуемого финансирования, по данным разработкам отстает примерно на 10 лет. Приведенные результаты подтверждают реальную техническую и экономическую возможность уже сегодня на базе избыточных электрических мощностей приступить к практическому использованию водорода в качестве моторного топлива.

Литература

1. Донченко В.К. Экологическая безопасность атмосферы города и автотранспорт//Тезисы доклада. Совет безопасности Санкт-Петербурга.  СПб, 1998. 2. Систер В.Г. О научно-технической программе перевода автотранспорта Москвы на диметилэфир //Наука Москвы и регионов. 2002. №2. С. 26-32. 3. Мищенко А.И.Применение водорода для автомобильных двигателей.Киев: Наукова Думка, 1984. 4. Крутенев В.Ф., Каменев В.Ф. Перспективы применения водородного топлива для автомобильных двигателей//Конверсия в машиностроении.1997. N6. С.73-79. 5. Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат.1984. 6. Справочник.Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение.  М.: Химия. 1989. 7. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика.  М.: Энергоатомиздат. 1991. 8. Энергетическая стратегия России.  М. 1994. 9. Lebedev V.I., Orlov M.I., Romanov V.G. Leningrad NPP Perspective Potential for Hydrogen Technologies Implementation // HYPOTHESIS III, St.-Pb, Russia. 1999. С.85-86. 10. Veziroglu T.N. Hydrogen energy system as a permanent solution to global energi - environmental problems// Альтернативная энергетика и экология. 2002. N 1. С.8-18. 11. Sacks Т.«Fuel speed ahead», Electrical Review, v.229, № 18 pp.18-20, 1996