Синтез-газ вместо водорода
О. Ф. Бризицкий, В. Я. Терентьев,
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», г. Саров
В конце XX в. стало очевидно, что экономика, базирующаяся на ископаемом органическом топливе, учитывая истощение его запасов, а также негативное воздействие сжигаемого топлива на окружающую среду, должна уступить другой экономике, на базе возобновляемых энергоресурсов, более эффективных и экологически чистых.
Анализируя различные варианты построения такой экономики, специалисты большинства стран сходятся на том, что ее основой станет водородная энергетика, которая в своем классическом виде строится по простой схеме: вода + энергия = водород + кислород = энергия + вода. Такая безуглеродная энергетика должна использовать возобновляемые виды энергии, такие как солнечная, ветровая, частично атомная.
Водород по такой схеме является вторичным энергоносителем и накопителем энергии, пригодным для хранения и передачи на расстояние. А поскольку основную массу энергоносителей (к примеру, в США до 80%) потребляет транспорт, он же сегодня является и основным загрязнителем окружающей среды, то различные пути развития водородной энергетики наиболее удобно рассмотреть применительно к транспорту.
Что сегодня представляет собой городской транспорт? Именно городской, т.к. урбанизация общества продолжается, и основная масса транспорта не только продолжает находиться в городах, но и увеличивается, прежде всего, в мегаполисах. Проблема состоит в том, что эта огромная масса автомобилей движется со средней скоростью не более 20 км/час и состоит в основном из легковых автомобилей, парк которых катастрофически увеличивается.
При этом автомобиль представляет собой и огромную опасность для человечества: огромные пробки, смог на дорогах и ощущение, что завтра выкачают всю нефть, исчезнет бензин и придется возвращаться то ли к конным повозкам, то ли к велосипеду.
Основные проблемы состоят в том, что доминирующие на транспорте двигатели внутреннего сгорания эффективно работают в основном при средних и номинальных нагрузках, т. е. в режиме загородной езды со скоростью выше 60 км/час. А при городском цикле езды ДВС автомобиля имеет коэффициент полезного действия максимум 10%, т.е. остальные 90% уходят на нагрев окружающей среды и ее отравление различными соединениями типа окиси азота, монооксида углерода и т.п.
Специалисты в области автомобилестроения еще в 1990-х гг. объявили о намерении заменить «грязный» и неэффективный двигатель внутреннего сгорания на бензине или солярке силовой установкой на топливных элементах с повышенной (в 1,5-2 раза) эффективностью и абсолютно чистым выхлопом в виде паров воды.
Топливные элементы, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, не ограничены циклом Карно, поэтому более эффективны, однако для питания требуют не углеводородное сырье, а водород. Предполагаемые для транспорта низкотемпературные твердополимерные или щелочные топливные элементы в качестве топлива требуют практически чистый водород. Вопрос в том, откуда его взять?
Вот пример из журнала «Популярная механика». После того, как президент Буш призвал свою страну к 2040 г. заменить водородом ископаемое топливо и перейти на топливные элементы, были проанализированы возможные пути по ежегодному производству 150 млн т водорода в США для удовлетворения нужд только этой страны. Предлагались различные пути получения водорода: от конверсии угля и природного газа, до использования биомассы, энергии ветра, солнечной и ядерной энергетики. Общие затраты – от 500 млрд долл. при получении водорода из угля (невозобновляемого источника), до 22 трлн долл. при использовании солнечной энергетики. Самый дешевый водород получается при использовании невозобновляемых источников топлива, что не решает основной проблемы защиты окружающей среды.
Указанные общие затраты не учитывают расходов на изменение инфраструктуры снабжения топливом (водородозаправки вместо бензозаправок), на транспортировку очень легкого газа и замены всего автопарка на двигателях внутреннего сгорания на топливные элементы.
Сами топливные элементы, работающие при температурах 80-1000°С, содержат в своем составе катализаторы из таких благородных металлов, как платина, рутений или палладий. По самым оптимистичным прогнозам, мировых запасов этих металлов хватит всего лишь на производство 3-5 млн автомобилей в год, что на порядок меньше производства автомобилей на ДВС.
Инженеры подсчитали, что автомобиль на топливных элементах будет иметь преимущество перед двигателем внутреннего сгорания только в городском цикле езды, а на трассе это преимущество растеряет. Это означает, что у новой технологии автомобилей на топливных элементах не такое уж и безоблачное будущее.
Что же можно предложить в настоящее время взамен дорогостоящих топливных элементов на драгметаллах?
Необходимо еще раз внимательно присмотреться к старым и испытанным временем двигателям внутреннего сгорания. Все их совершенствования последних десятилетий касались в основном систем дозирования и выхлопа, и мало уделялось внимания процессу рабочего цикла двигателя в комплексе. Между тем двигатель стал столь динамичным, что все процессы – дозирование, распыл, поджиг, сжигание топлива – могут происходить в сотые доли секунды, и традиционный бензин уже не поспевает за этими процессами. Зато водород, обладая почти в восемь раз большей скоростью сгорания, чем бензин, является хорошим, но дорогим заменителем бензина.
Оказывается, нет необходимости в полной замене традиционного топлива, достаточно ввести в него 1-6% водорода (по массе) и процессы его сгорания существенно улучшаются. Это объясняется инициирующим воздействием водорода, который образует центры сгорания. В свое время очень подробно эти явления изложил академик Я. Б. Зельдович в своей теории сгорания. При этом увеличивается эффективность двигателя, и улучшаются его экологические характеристики. Такие эксперименты были проведены неоднократно, как в нашей стране, например, на АвтоВАЗе (г. Тольятти) и НАМИ (г. Москва), так и за рубежом. Однако остается вопрос: где брать водород?
Здесь возможно несколько вариантов. Заправляться на специальных водородных заправках, которые необходимо будет построить. При этом также возможны варианты: заправлять водород в специальные баки автомобиля и в зависимости от характера поездки дозировать его потребление небольшими порциями, или добавлять при заправке целиком в основное топливо. Первый путь заманчивый и эффективный, может использоваться при любом виде основного топлива, но требует еще и доработки автомобиля, т. к. он становится двухтопливным. Второй путь возможен только при использовании в качестве основного топлива газообразного, например, природного газа. Двигатель при этом не требует доработок, он однотопливный, однако эффективность такой системы не самая высокая, т.к. водород в смеси подготовлен заранее, и нет возможности использовать его более рационально, как в первом варианте.
Еще есть вариант получения водорода непосредственно на борту автомобиля. Самый простой и дорогой – это получение водорода из чистой дистиллированной воды в электролизере. Несмотря на высокую стоимость электролизера и необходимость иметь на борту излишки электрической энергии, такая схема применяется иногда на тяжелых грузовиках. Однако необходимость иметь на борту еще и чистую воду приводит к тому, что этот способ вряд ли найдет широкое применение.
Разрабатываемое авторами устройство – генератор синтез-газа – свободно от большинства недостатков предыдущих вариантов. Во-первых, не требуется водородных заправочных станций, наличия дополнительной электрической энергии и дистиллированной воды на борту автомобиля. Во-вторых, стоимость такого генератора в несколько раз ниже стоимости электролизера, в его составе отсутствуют драгметаллы, что снимает ограничение по массовости производства. Сам автомобиль остается однотопливным, что удобно как производителям автомобиля, так и его пользователям.
Вся проблема упиралась в выбор типа топлива, проектирование генератора синтез-газа и выбор соответствующего катализатора. Для генерирования синтез-газа авторами совместно с Институтом катализа (г. Новосибирск) был предложен способ каталитического частичного риформинга топлива с использованием доступных катализаторов, как наиболее простой и дешевый. Только качество бензина, состав которого на всех заправках разный, приводит к резкому усложнению схемы генератора синтез-газа, к тому же выход водорода из бензина не самый лучший.
Наиболее оптимальным оказалось использование в качестве основного топлива природного газа, который сам по себе является хорошим моторным топливом, выход водорода из него высокий и генератор получается сравнительно простым. Разработанные авторами генераторы синтез-газа прошли демонстрационные стендовые испытания на «АвтоВАЗе», НАМИ и ЗМЗ (г. Заволжье). Практически везде получено не только резкое уменьшение вредных выхлопов, но и значительное (до 24%) увеличение эффективности в режиме городской езды.
По оценкам специалистов «АвтоВАЗа», это позволяет выполнить нормы по токсичности Евро-4 без применения каталитических нейтрализаторов и добиться общей эффективности на уровне топливных элементов.
Свою разработку авторы не противопоставляют широкомасштабным работам по водородным топливным элементам. В далеком будущем, когда из энергоносителей останется один водород, и его научатся эффективно «упаковывать» (водород очень легкий и неудобный для транспортировки газ), видимо, наступит эра топливных элементов.
А пока любая экономика, даже водородная, как говорил известный политик, должна быть экономной. Развивая водородную энергетику, авторы относятся к ней как к общему вектору на увеличение доли водорода в энергетике, что является естественным историческим процессом, а не повальным и модным увлечением.
За прошедшее время авторам удалось резко улучшить массогабаритные и динамические характеристики генератора синтез-газа для легкового автомобиля. Реактор имеет массу 8 кг и объем 2,5 л, а запуск осуществляется всего за 35 секунд, что соизмеримо со временем прогрева нейтрализатора. Разрабатывая бортовой генератор синтез-газа для легковых автомобилей, авторы отдают себе отчет, что на автомобильный рынок быстрее пойдет автобусный вариант генератора, над которым сейчас также ведется работа.
Генератор синтез-газа, установленный на автобусе, будет иметь практически такую же стоимость, что и для легкового автомобиля, это по оценкам авторов около 20-30 тыс. руб. Если в общей стоимости автобуса стоимость генератора синтез-газа будет несколько процентов, то для легкового автомобиля это уже примерно 10%. Кроме того, в сверхкомпактных легковых автомобилях в отличие от автобусов не так просто скомпоновать генератор синтез-газа. И самое главное, использование генераторов синтез-газа на транспорте – это процесс внедрения новой, непривычной для потребителя продукции.
На примере каталитических нейтрализаторов можно прогнозировать, что внедрение генераторов синтез-газа также потребует изменения в законодательстве. Правда, в отличие от нейтрализаторов, которые не только увеличивают стоимость автомобиля, но и снижают эффективность двигателя, генератор синтез-газа эффективность увеличивает. С автобусами проще и с точки зрения экономики, и с точки зрения организации внедрения.
С автомобильными фирмами постоянно проводится сравнительный анализ эффективности генератора синтез-газа. Однозначный вывод – в настоящее время это самый эффективный и простой способ введения элементов водородной энергетики в транспорт.
Контакты с зарубежными фирмами показывают, что там ведутся аналогичные работы, причем, более развернуто и масштабно. Внезапное появление на рынке гибридных автомобилей указывает на то, что коммерческие и предкоммерческие разработки ведутся в условиях строжайшей секретности. Авторы рассчитывают, что их продукт может быть востребован, прежде всего, на отечественном автомобильном рынке.
На Олимпийских играх в 2008 г. в Пекине планируется перевод всего общественного транспорта на новый вид топлива – гайтан (заранее подготовленная смесь водорода и природного газа, о которой упоминалось ранее), что улучшит экологию в Пекине. Авторы рассчитывают, что на Олимпийских играх в Сочи-2014 будет продемонстрирована отечественная, более совершенная однотопливная система с генератором синтез-газа как минимум на общественном транспорте.
Публикации по теме:19.12.2007
рубрики: Прочие материалы.
