Водородное топливо для автотранспорта: газ сжатый или газ сжиженный?

C 2001 года в промышленно развитых странах анонсированы и приняты крупные государственные программы НИОКР в области водородной энергетики. Они рассчитаны на период до 2020 г. и нацелены на уменьшение зависимости развитых стран от импорта энергоресурсов, решение комплекса экологических проблем, развитие новых технологий по использованию возобновляемых энергоресурсов. В перспективе это приведет к существенным изменениям топливно-энергетического баланса и формированию нового крупного международного рынка водородных технологий и энергоносителей, что будет иметь значительные социально-экономические и политические последствия для всего мира.

Водород - как перспективное моторное топливо

Основным направлением внедрения водородной энергетики является автотранспорт, в связи с обострением проблемы устойчивого обеспечения моторным топливом. Причин обострения проблемы несколько. Первая из них – истощение запасов нефти. По прогнозам комиссии ЮНЕСКО уже в первой четверти наступившего столетия в значительной мере будут исчерпаны разведанные запасы нефти. По данным Энергетической комиссии США за последние 20 лет в мире не было открыто ни одно новое крупное месторождения нефти. При этом, необходимо помнить, что в странах ОПЕК, из-за стремления увеличения квот на добычу нефти, примерно на треть завышены объемы ранее разведанных месторождений нефти.

В настоящее время каждую секунду во всем мире добывается и потребляется (химической промышленностью, автомобилями и т.д.) примерно 127 т нефти. По расчетам ОПЕК, при существующим уровни добычи нефть в Великобритании закончится в ближайшие 3-4 года, в Норвегии – во втором десятилетии, в США – в первом десятилетии. Истощение российской нефти прогнозируется на 20-е гг. Нефтяных запасов Ирана, Саудовской Аравии, Венесуэлы хватит только до 50 гг. нашего столетия.

Второй причиной обострения проблемы является увеличение количества автотранспортных средств. В настоящее время эксплуатируется около 700 млн. автомобилей, которые потребляют более 60% всей добываемой нефти. Учитывая, что сейчас в мире за каждые две секунды с конвейера сходит новый автомобиль, к 2015 году количество автомобилей в мире вплотную приблизится к отметке в один миллиард единиц. И всем этим машинам потребуется бензин или дизельное топливо. По прогнозам специалистов, для удовлетворения всех нужд потребление нефти должно возрасти до 190 т в секунду. В то же время мировая нефтяная промышленность уже сегодня не в состоянии увеличить объем добычи нефти для компенсации стремительного прироста автомобильного транспорта, что приводит к увеличению ее дефицита. График с уровнем автомобилизации представлен на рис. 1

В настоящее время в мире не хватает около 4 млн. баррелей нефти в день, что привело к беспрецедентному росту цен на нефть. Уже сейчас баррель нефти стоит более 60 долл. США. К 2025 г. дефицит нефти прогнозируется до 20 млн. баррелей в день, что очевидно приведет к непредсказуемому росту цен. К середине 30-х годов традиционные нефтяные топлива станут безумно дорогими, а к 2050 году полностью исчезнут. График роста дефицита нефти в мире представлен на рис. 2.

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

Рис. 2. Рост дефицита нефти по миру в целом

Необходимо отметить, что транспортный сектор Европы, Японии и США на 90% зависит от нефти. Поэтому в связи с увеличением энергопотребления и истощением разведанных запасов нефти, в первую очередь, у развитых стран мира остается только один выход – срочно диверсифицировать свои топливно-энергетические балансы в сторону максимально возможного замещения в транспортном секторе нефтепродуктов другими видами энергоносителей.

Наиболее реальные альтернативные варианты - сжиженный природный газ (СПГ) или жидкий водород (ЖВ). Они экологичнее, а СПГ еще и дешевле. Сейчас качественный бензин в России стоит минимум 21 тыс. руб. за тонну, а СПГ – 8,5 тыс. руб. И этот разрыв будет расти. Учитывая, что запасы природного газа иссякнут на Земле к середине 70-х годов нашего столетия, водород смело можно рассматривается в качестве одного из наиболее перспективных вариантов моторного топлива XXI века.

Его ресурсы - огромны, а так как в процессе сгорания водорода образуется водяной пар, то можно сказать, что он является самым экологически чистым видом моторного топлива. Единственное токсичное вещество - окислы азота, содержащиеся в выхлопе водородного двигателя в совершенно незначительных количествах по сравнению с бензиновыми моторами и уж тем более - с дизелями, легко обезвреживаются в каталитических нейтрализаторах.
Прекрасно понимая перспективность в будущем водородного топлива, правительства США, Европейского Союза, Японии и других стран уже сейчас тратят миллиарды долларов на научные исследования и опытно-конструкторские работы, стремясь как можно скорее разработать промышленные технологии и внедрить их на рынке.

Одним из серьезных вопросов в применении водорода в качестве моторного топлива является выбор способа его хранения на борту автотранспортного средства. Водород — самый легкий среди химических элементов, поэтому в заданном объеме его помещается значительно меньше, чем других видов топлива.

Так, при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении водород занимает примерно в 3 тыс. раз больший объем, чем бензин с равным количеством энергии. Поэтому для того, чтобы заправить машину достаточным количеством топлива, необходимо либо нагнетать водород под высоким давлением, либо использовать его в виде криогенной жидкости, либо же оборудовать автомобили сложнейшими топливными системами.

Обеспечение автозаправочных станций сжатым водородом и заполнение баллонов, находящихся в автомобиле, технически больших проблем не представляет. Современные материалы гарантируют высокую надёжность таких сосудов. Однако увеличивается вес автомобиля и уменьшается полезное пространство, т.к. баллон с одним кг сжатого при 70 МПа водорода занимает в 7,5 раз больше места, чем энергетически эквивалентное количество бензина.

В сжиженном виде водород занимает значительно меньше места, хотя для этого его необходимо охладить всего до двух десятков градусов выше абсолютного нуля. Однако, развитие криогенных технологий и успехи, достигнутые в сфере использования сверхнизких температур, уже сегодня позволяют без особого ущерба полезному пространству автомобиля хранить на его борту запас жидкого водорода, достаточный для пробега 500 км и более.

Достоинством данной системы хранения является наименьшая масса и высокая объемная концентрация водорода; жидкий водород эквивалентен газообразному, сжатому до 170 МПа. Поэтому если к системе хранения водорода предъявляются ограничения по массе и по объему, что характерно для транспортных средств, то преимущество имеет криогенная система хранения.

Жидкий водород, производство которого растет в мире ежегодно на 5%, является важным элементом инфраструктуры снабжения потребителей водородом. В США производственные мощности позволяют в год получать до 120 тысяч тонн жидкого водорода, из которых 15% расходуется на РКТ, остальное используется в химической промышленности (37%), металлургии (21%), электронике (16%), стекольной промышленности (4%).
Одним из способов связанного хранения водорода являются гидриды. Однако лучшие из известных сегодня гидридов - железотитановые и никель-магниевые - уступают по объемным и весовым параметрам криогенному способу хранения водорода.

Проводятся разработки в области систем хранения водорода с использованием углеродных нанотрубок, но все имеющиеся на сегодняшний день конструкции обладают рядом серьезных недостатков, которые не позволяют широко использовать на транспортных средствах.

Ввиду вышесказанного, очевидно, что в настоящее время криогенная система хранения водорода на борту транспортного средства, благодаря своим массовым и объемным характеристикам, а также уровню безопасности, более предпочтительна по сравнению с гидридной и системой хранения водорода в сжатом виде.

менно по этому пути идут практически все автомобилестроительные фирмы. Так, при проектировании силовой установки для модели «Ford U» инженеры компании «Ford» за основу взяли 2,3-литровую рядную "четверку", хорошо известную по «Ford Ranger» и «Mondeo». Семи килограммов водорода, хранящихся в двух криогенных емкостях, расположенных под задними сиденьями автомобиля, хватает на 500 км пробега. Багажное отделение не пострадало, а 118 л.с. мощности, которую развивает двигатель, достаточно «Ford U» на все случаи жизни.
В начале 2004 года два крупнейших автопроизводителя — «General Motors Corp» и «BMW Group» — объявили о намерении приступить к совместной разработке оборудования, предназначенного для заправки автомобилей жидким водородом. О масштабах задачи говорит такая цифра: в одной только в Германии планируется построить до 10 тыс. криогенных водородных заправочных станций.

Руководитель подразделения компании BMW по научной и транспортной политике, г-н Кристофа Хусса сообщил следующее: "В долгосрочной перспективе мы рассчитываем на создание в Германии сети АЗС в количестве 10 000 штук, которые будут предлагать водородное топливо. Но, уже начиная с сегодняшнего дня, мы должны работать над единым стандартом, чтобы впоследствии потребители не столкнулись с наличием отличных друг от друга систем. Нам необходима стандартизация заправочного оборудования. Сжиженный водород является самым удобным видом топлива в плане транспортировки, при отсутствии водородных трубопроводов. Работая в одной команде, мы ускорим процесс создания инфраструктуры для сжиженного водорода".

Заправочное оборудование для сжиженного водорода появится после предварительных спецификаций, разрабатываемых в рамках Европейского объединенного водородного проекта (European Integrated Hydrogen Project (EIHP). В настоящий момент спецификации EIHP находятся в стадии обсуждения и являются основой стандарта Европейской экономической комиссии ООН для работающих на водороде автомобилей. Г-н Хусс утверждает: "Концерн BMW и корпорация GM хотят создать такую заправочную систему, которая должна стать мировым стандартом, причем ключевым компонентом здесь является заправочное переходное устройство". Подписание соглашения по разработке между корпорацией «General Motors» — крупнейшим в мире производителем автомобилей — и концерном «BMW Group» — единственной в мире компанией, специализирующейся исключительно на производстве автомобилей класса "премиум" — является значительным шагом в деле создания и стандартизации технологий применения водородного топлива. На рис.3. представлен автомобиль компании «BMW Group» с ДВС на жидком водороде.

Рис. 3

Дата добавления: 2014-12-24