Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте

Наиболее перспективным направлением в области использования водорода для автомобильной техники  являются комбинированные энергоустановки на базе электрохимических генераторов с топливными элементами (ТЭ) . При этом, необходимым условием является получение водорода из возобновляемых, экологически чистых источников энергии, для производства которых, в свою очередь, должны использоваться экологически чистые материалы и  технологии.

К сожалению, в ближайшей перспективе применение таких высокотехнологичных транспортных средств в широком масштабе проблематично. Это связано с несовершенством рядя технологий, применяемых при их производстве, недостаточной отработанностью конструкции электрохимических генераторов, ограниченностью и высокой стоимостью применяемых материалов. Например, удельная  стоимость одного кВт мощности ЭХГ на топливных элементах достигает 150-300 тысяч рублей  (при курсе российского рубля 30 руб/долл США). Другим важным элементом сдерживания продвижения на автомобильном рынке водородной техники с топливными элементами является недостаточная отработка конструкции таких АТС в целом. В частности, отсутствуют достоверные данные при испытании автомобиля на топливную экономичность в условиях реальной эксплуатации. Как правило, оценка эффективности работы энергоустановки установки осуществляется на основе вольт-амперной характеристики. Такая оценка эффективности не соответствует принятой в практике двигателестроения оценки эффективного КПД ДВС, при расчете которого учитываются  также и все механические потери, связанные с приводом агрегетов двигателя. Нет достоверных данных по топливной экономичности автомобилей в реальных условиях эксплуатации, на величину которых оказывает влияние необходимость обслуживания дополнительных бортовых устройств и систем, устанавливаемых на  автомобили как традиционно, так и вязанные с особенностями конcтракции автомобилей на топливных элементах. Нет достоверных данных и по оценке эффективности в условиях отрицательных температур, при которых необходимо осуществлять поддержание температурного режима, обеспечивающего работоспособность как самой энергоустановки и  подаваемого топлива, так и подогрев  кабины водителя или салона с пассажирами. Для современных автомобилей рабочий режим эксплуатации может достигать -40 оС, это особо надо учитывать в российских условиях эксплуатации.

Как известно, в топливных элементах вода является не только продуктом реакции взаимодействия водорода и кислорода, но и активно участвует в рабочем процессе генерации энергии, смачивая твердополимерные материалы, входящие в конструкцию топливных ячеек. В современной технической литературе отсутствуют данные о надежности и долговечности топливных элементов в условиях низких температур. Очень противоречивые данные публикуются в литературе и по долговечности работы ЭХГ на ТЭ.

В этой связи, вполне закономерным является продвижение рядом ведущих мировых автопроизводителей транспортных средств, работающих на водороде, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. В первую очередь, это такие известных компании как BMW и Mazda. Двигатели автомобилей  BMW Hydrogen-7 и Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid (2008) успешно конвертированы на водород.

С точки зрения надежности конструкции, относительной низкой стоимости одного кВт установленной мощности энергоустановки на базе   двигателей внутреннего сгорания работающие на водороде значительно превосходят ЭХГ на ТЭ, однако ДВС имеют, как принято считать,  меньший КПД. Кроме того, в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания  может содержаться  некоторое количество токсичные вещества. В качестве основного  направления совершенствования автомобильной техники, оснащенной двигателем внутреннего сгорания в ближайшей перспективе следует рассматривать  использование комбинированных (гибридных) энергоустановок.  Наилучший результат до топливной экономичности и токсичности отработавших газов, по-видимому следует ожидать от применения гибридных установок с последовательной схемой преобразования химической энергии топлива в ДВС в механическую энергию движения автомобиля. При последовательной схеме ДВС автомобиля работает практически на постоянном режиме с максимальной топливной эффективностью, приводя в движение электрогенератор, который подает электрический ток на электромотор привода колес автомобиля и накопитель электроэнергии ( аккумулятор). Основной задачей оптимизации при такой схеме является поиск компромисса между топливной экономичностью ДВС и токсичностью ее отработавших газов. Особенность решения задачи заключается в том, что  максимальный КПД двигателя достигается на при работе на обедненной топливовоздушной смеси, а максимальное снижение токсичности отработавших  газов достигается при стехиометрическом составе, при котором количество топлива, подаваемого  в камеру сгорания подается строго в соответствии с количеством воздуха, необходимым для его полного сгорания. Образование окислов азота при этом ограничивается дефицитом свободного кислорода в камере сгорания, а неполнота сгорания топлива нейтрализатором отработавших газов. В современных ДВС датчик для замера концентрации свободного кислорода в ОГ ДВС подает сигнал на электронную систему подачи топлива, которая  спроектирована таким образом, чтобы максимально поддерживать стехиометрический состав топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя  на всех режимах ДВС. Для гибридных энергоустановок с последовательной схемой, возможно добиться наилучшей эффективности регулирования топливовоздушной смеси из-за отсутствия знакопеременных нагрузок на ДВС.   Вместе с тем, с точки зрения топливной экономичности, ДВС стехиометрический состав топливовоздушной смеси не является оптимальным. Максимальный КПД двигателя всегда соответствует смеси обедненной  на 10-15 процентов по сравнения с стехиометрической. При этом КПД ДВС при работе на обедненной смеси может быть на 10-15 выше чем при работе на смеси стехиометрического состава. Решение проблемы повышенного выброса вредных веществ, свойственного на этих режимах для ДВС с искровым зажиганием, возможно  в результате перевода работы ДВС на водород, бензоводородные топливные композиции (БВТК) или метановодородные топливные композиции (МВТК). Применение водорода в качестве топлива или в качестве добавки к основному топливу может позволить существенно расширить пределы эффективного обеднения  топливовоздушной смеси. Это обстоятельство позволяет существенно увеличить КПД ДВС и снизить токсичность отработавших газов.

В отработавших газах двигателей внутреннего сгорания содержится свыше 200 различных углеводородов.  Теоретически, в случае сгорания гомогенных смесей (из условий равновесия) углеводородов в отработавших газах ДВС не должно содержаться, однако из-за негомогенности топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС возникают разные начальные условия протекания реакции окисления топлива. Температура в камере сгорания различается по ее объему, что также существенно влияет на полноту сгорания топливовоздушной смеси. В ряде исследований было установлено, что вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания происходит гашение пламени. Это приводит к ухудшению условий сгорания топливовоздушной смеси в пристеночном слое. В работе Daneshyar H и Watf M произвели фотографирование процесса сгорания бензовоздушной смеси в непосредственной близости от стенки цилиндра двигателя. Фотографирование осуществлялось через кварцевое окно в головке цилиндра двигателя. Это позволило определить толщину зоны гашения в пределах 0,05-0,38 мм. В  непосредственной близости от стенок камеры сгорания СН в 2-3 раза возрастает. Авторы делают вывод, что зона гашения является одним из источников выделения углеводородов.

Другим важным источником образования углеводородов является моторное масло, которое попадает в цилиндр двигателя в результате не эффективного удаления со стенок маслосъемными кольцами или через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками. Исследования  показывают,  что расход масла через зазоры между стержнями клапанов и их направляющими втулками  в автомобильных бензиновых ДВС  достигает 75% общего расхода масла на угар.

При работе ДВС на водороде в топливе не содержится углеродосодержащих  веществ.  В этой связи подавляющее большинство публикаций содержит сведения о том, что в отработавших газах ДВС не может содержаться углеводородов. Однако это оказалось не так. Безусловно, с увеличение концентрации водорода в БВТК и МВТК концентрация углеводородов существенно снижается, но не исчезает полностью. Во много это может быть связано с несовершенством конструкцией топливной аппаратуры, дозирующей подачу углеводородного топлива. Даже небольшая утечка углеводородов при работе ДВС на сверхбедных смесях может привести к выбросу углеводородов. Такой выброс углеводородов может быть связан с износом цилиндропоршневой группы и как следствием повышенным угаром масла и др. В этой связи при организации процесса сгорания необходимо поддерживать температуру сгорания на таком уровне , при котором имеет место достаточно полно сгорание углеводородных соединений.

В процессе сгорания топлива окислы азота формируются за фронтом пламени в зоне повышенной температуры, вызванной реакцией сгорания топлива. Образование окислов азота, если это не азотосодержащие соединения образуются в результате взаимодействия кислорода и азота воздуха. Общепринятой  теорией образования окислов азота является термическая теория.  В соответствии с этой теорией выход окислов азота определяется максимальной температурой цикла, концентрацией азота и кислорода в продуктах сгорания и не зависит от химической природы топлива  рода топлива (при отсутствии в топливе азота). В отработавших газах ДВС с искровым зажиганием содержание окиси азота составляет 99% от количества всех окислов азота (NOx). После выхода в атмосферу происходит окисление NO  до NO2.

При работе ДВС на водороде образование окиси азота имеет некоторые особенности по сравнению с работой двигателя на бензине. Это связано с физико-химическими свойствами водорода. Главными факторами в этом случае являются температура сгорания водородовоздушной и ее пределы воспламенения. Как известно пределы воспламенения водородовоздушной смеси находятся в диапазоне 75% - 4,1%, что соответствует коэффициенту избытка воздуха 0,14 – 9,85, в то время как у изооктана в диапазоне 6,0%-1,18%, что соответствует коэффициенту, избытка воздуха  0,29 – 1,18. Важной особенностью сгорания водорода является повышенная скорость сгорания стехиометрических смесей. На рис. 12 представлен график зависимостей, характеризующих протекание рабочих процессов ДВС при работе на водороде и бензине.

 Рисунок 12. Изменение параметров рабочего процесса ДВС при работена водороде и бензине, мощность ДВС 6,2 кВт, частота вращенияколенчатого вала 2400 об/мин.

Как следует их графиков, перевод ДВС с бензина на водород приводит в области стехиометрических смесей к резкому возрастанию максимальной температуры цикла. На графике видно, что скорость тепловыделения при работе ДВС на водороде в верхней мертвой точке ДВС в 3-4 раза выше, чем при работе на бензине  При этом на индикаторной диаграмме отчетливо видны следы колебания давления, появление которых в конце такта сжатия свойственно "жесткому" сгоранию топливовоздушной смеси. На рис.13 представлены индикаторные диаграммы, описывающие изменение давления в цилиндре ДВС (ЗМЗ-24Д, Vh=2,4 л. степ. сжатия -8,2). в зависимости от угла поворота коленчатого вала (мощность 6,2 кВт, ч.в.к 2400 об/мин) при работе на бензине и водороде.

 Рисунок 13. Индикаторные диаграммы ДВС (ЗМЗ-24-Д, Vh=24 л., степеньсжатия 8,2) примощности 6,2 кВт и ч.в.к 2400 об/мин. при работе на бензине и водороде

При работе ДВС на бензине отчетливо видна неравноменость протекания индикаторных диаграмм от цикла к циклу. При работе на водороде , особенно при стехиометрическом составе , неравномерность отсутствует. При этом угол опережения зажигания был настолько мал, что практически можно считать его равным нулю. Обращает на себя очень резкое нарастание давления за ВМТ, свидетельствующее о повышенной жесткости процесса. На нижнем графике представлены индикакторные диаграммы при работе на водороде при коэффициенте избытка воздуха 1,27. Угол опережения зажигания составлял 10 градусов п.к.в. На некоторых индикакторых диаграммах явно видны следы "жесткой " работы ДВС. Такой характер протекания рабочего процесса ДВС при использовании в качестве топлива водорода способствует повышенному образованию окислов азота. Максимальное значение концентрации окислов азота в ОГ соответствует работе ДВС с коэффициентом  избытка воздуха 1,27. Это вполне закономерно, т.к. в топливовоздушной смеси содержится большое количество свободного кислорода и в результате высоких скростей сгорания  имеет место высокая температура сгорания топливовоздушного заряда. Вмеасте с тем, при переходе на более бедные смесях  скорости тепловыделения снижаются. Снижаются и максимальная температура цикла, а следовательно и концентрация в ОГ окислов азота.

 Рисунок 14. Регулировочные характеристики по составу смеси при работе ДВС на бензоводородных топливных композициях, мощность ДВС 6,2 кВт, частота вращения коленчатого вала 2400 об/мин. 1. Бензин, 2. Бензин +Н2 (20%), 3. Бензин +Н2 (50%), 4. Водород

На рис. 14 представлены зависимости изменения выброса токсичных веществ с ОГ ДВС при работе на бензине, бензоводородных композициях и водороде. Как следует из графика наибольшее значение выбросов NOx соответствует работе ДВС на водороде. Вместе с тем по мере обеднения топливовоздушной смеси концентрация NOx снижается достигая практически нулевого значения при коэффициенте избытка воздуха большего 2 единиц. Таким образом перевод автомобильного двигателя на водород позволяет кардинально решить проблему топливной экономичности,  токсичности отработавших газов и снижения выброса двуокиси углерода.

Применение водорода в качестве добавки к основному топливу может способствовать решению задачи улучшения  топливной экономичности ДВС, снижения выброса токсичных веществ и уменьшения выброса двуокиси углерода, требования по содержанию которой в ОГ ДВС постоянно ужесточаются. Добавка водорода по массе в диапазоне 10-20 процентов может стать для автомобилей с гибридными двигателями оптимальной в самое ближайшее время. 

Применение водорода в качестве моторного толива может быть эффективно только лишь при создании специализированных конструкций. В настоящее время ведущие производители автомобильных двигателей работают над созданием таких моторов. В принципе, основные направления по которым необходимо двигатья при создании новой конструкции водородных ДВС известны. К ним относятся:

1. Применение внутреннего смесеобразования позволит улучшить на 20-30 процентов удельные массогабаритные показатели водородного двигателя.

2. Применение сверх бедных водородовоздушных смесей для гибридных энергоустановок даст  возможность существенно снизить температуру сгорания в камере сгорания ДВС и создаст предпосылки для повышения степени сжатия ДВС, использования новых материалов, в том числе и для внутренней поверхности камеры сгорания, позволяющих снизить потери тепла в систему охлаждения двигателя.

Все это по мнению специалистов позволит довести эффективный КПД ДВС, работающего на водороде до 42-45 процентв, что вполне сопоставимо с КПД электрохимических генераторов, для которых в настоящее время нет данных по экономической эффективности в условиях реальной эксплуатации автомобилей с учетом привода вспомогательных агрегатов, отоплания салона и др.

Национальная ассоциация водородной энергетики НАВЭ, в тесном сотрудничестве с ОАО "АВЭКС", Московским энергетическим институтом МЭИ (ТУ) и ЗАО Автокомбинат №41 построила первый в России образец водородного грузового автомобиля грузоподъемностью до 2000 кг оснащенного гибридной энергоустановкой, работающей на водороде с двигателем внутреннего сгорания (рис. 15).

Рисунок 15. Первый в России образец водородного автомобиля оснащенного гибридной энергоустановкой, работающей на водороде с двигателем внутреннего на ХI Петербургском международном экономическом форуме в 2007 г. в Санкт-Петербурге

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Очевидно, что практическое внедрение альтернативных видов энергоносителей, позволяющих  решить проблему замещения углеводородных топлив, будет проходить поэтапно. Первым этапом в освоении водорода, может стать практическое использование его  на существующих автотранспортных средствах в качестве добавки  к бензину и природному газу. Такое использование водорода, уже сегодня может дать не только экономический эффект, но и решить экологические проблемы, особенно в крупных мегаполисах. Расширение рынка автотранспортных услуг с использованием малотоксичных автомобилей, работающих на водородо-содержащих топливных композициях, позволит начать формировать инфраструктуру водородных автотранспортных комплексов, накапливать опыт  технического обслуживания таких автомобилей, приведет к развитию сети заправочных станций и даст возможность постепенно перейти к следующему этапу - этапу использования водорода в качестве основного топлива для двигателей внутреннего сгорания, а в последствии для электрохимических генераторов, позоляющих осуществлять превращение химической энергии топлива в энрегию привода колес электромобиля.

В России водородная тематика является в основном предметом опеки ряда добровольных обществ и фондов. Россия в свое время была одной из передовых стран в освоении водорода в энергетических целях. Так, во время Ленинградской блокады на его использование были переключены все аэростатные лебедки. Эта технология использовалась и в ПВО Москвы. Тогда же водород впервые показал свое преимущество в качестве автомобильного топлива, и за все время войны из-за утечек водорода взорвалась всего одна машина из 500.

Позднее при реализации программ создания ракетно-космических комплексов Н-1 и «Энергия-Буран» была создана мощная водородная инфраструктура, но, по словам г-на Раменского, она не подходит для развития водородных автомобильных заправок. А разработки, где водород использовался в качестве добавки к бензину или газу на существующих городских автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, были осуществлены еще в 1970-ые годы.

При реализации программ создания ракетно-космических комплексов Н-1 и «Энергия-Буран», авиационного комплекса ТУ-155 в СССР было создано оборудование для криогенных систем топливообеспечения: эффективные ожижители водорода с энергозатратами около 22 кВт • ч/кг H2, автомобильные цистерны объемом до 45 м3 с суточными потерями от 1,2 до 0,8% и железнодорожные цистерны объемом до 100 м3 с суточными потерями около 0,5%, хранилища жидкого водорода объемом от 5 до 1400 м3 с суточными потерями 2,2–0,13% объема хранимого водорода, криогенные трубопроводы диаметром до 400 мм и длиной до 1 км, дистанционно управляемая арматура, высокоэффективные теплообменные аппараты, машинное оборудование (компрессоры, вакуумные насосы и др.), контрольно-измерительные приборы и средства обеспечения безопасности (НПО «Криогенмаш», КБОМ им. В.П. Бармина, ЦИАМ им. П.И. Баранова, АНТК им. А.Н. Туполева, НПО «Энергия», ГИАП и многие другие организации).

Эти разработки можно использовать и теперь. Однако решение вопроса во многом зависит от того, будет ли принята государственная программа НИОКР в области водородной энергетики и технологии и обеспечена ее финансовая поддержка в необходимом объеме.

За время развала 1990-х мы достаточно сильно отстали в использовании водорода в автомобильной технике. И понятно почему, так как нам бы распродать то, что есть, то есть углеводороды. Но сейчас есть целый ряд стран, например, Индия и Корея, которые к водороду не имели никакого отношения, а сейчас активно развивают это направление. И у нас с нашей научной базой есть все возможности, чтобы наверстать упущенное. И вообще надо часть доходов с того, что мы качаем из земли, направлять в будущее энергетики. Специалистами ряда российских научных центров (НАВЭ и МЭИ) уже создана оригинальная аппаратура для перевода автомобиля «Газель» на бензоводородные топливные композиции. В 2006 году такие машины совершили успешный испытательный пробег на расстояние более 2200 км, продемонстрировав высокие эксплуатационные характеристики. Так, средний расход водорода в режиме городской эксплуатации составил 1,39 кг/100 км, а при загородном режиме — 0,138 кг/100 км. (Расход бензина — 13,1 кг/100 км.)

ВАЗ уже выпустил «Антел-1» и «Антел-2». Конечно, эти машины не смогут конкурировать с западными моделями. Но дело не в ВАЗе как таковом, так как для такого автомобиля прежде всего нужны комплектующие.Так, у нас есть топливные элементы, но их делают военные небольшими партиями, и они предназначены для совершенно другого применения. Поэтому если будут нормальные комплектующие, то у нас тоже вполне смогут выпускать такие модели. В рамках водородного автомобилестроения существует много направлений и пока не ясно, какое из них окажется магистральным. GM обещает выпустить водородный автомобиль на топливных элементах в 2015 году, а BMW работает над роторно-поршневым двигателем, но нельзя сказать, что все вопросы у этих фирм решены. Поэтому пока не ясно, кто будет лидировать в будущем.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Баландин В.И. Обследование подводных переходов. // Сборник ВНИИЭГАЗПРОМа, №10, М.: 1972, С.47. 2. Белов В.М. Дефектоскопия потенциально опасных сложных систем. // «Безопасность труда», №7, М.: 1994, С. 14-17.

3. Демин В.Л., Шадрин О.Б. Типизация размывов подводных переходов. // Известия «Нефть и газ», №9, М.: 1969, С.7-13.

4. Павлюченко Б.В. Вероятностная оценка аварийности трубопроводов, проложенных на влагонасыщенных грунтах («сложных участках»), // ООО «ИРЦ Газпром», НТС «Транспорт и подземное хранение газа», №5, М.: 2001, С. 31-33.

5. Full-scale dynamic testing of submarine pipeline spans. Raven P.W.S. 17 Ann. Offshore Technol. Conf. Houston, Tex., 1985. Proc. V.3.

6. ВН 39-1.9-005-98. ВЕДОМСТВЕННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ. НОРМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА МОРСКОГО ГАЗОПРОВОДА.

22