Перспективы внедрения водорода на автомобильном транспорте

2. Экологическая целесообразность

Хотелось бы акцентировать внимание на том, что использование водорода в качестве топлива, а также применение электрохимических топливных элементов, является одним из кардинальных решений защиты окружающей среды. Быстрыми темпами совершенствуется атомная энергетика.

Наконец, проблемы энергетики выдвинули в настоящее время задачу использования водорода в качестве топлива будущего.

Водород является идеальным топливом в экологическом отношении, так как при его сгорании в среде кислорода образуется только вода. По удельной теплотворной способности (в 2,57 раза больше, чем у метана) водород превосходит все известные топлива. Сдерживают применение водорода в качестве топлива необходимость использования в сжатом или жидком состоянии, исключительная способность водорода проникать через различные. материалы и вызывать растрескивание сталей, что создает дополнительные требования к условиям его безопасного хранения, дороговизна получения водорода.

В этом, в целом утопичном проекте, наибольший интерес представляет идея использования смеси кислорода и водорода в качестве топлива для ракетного двигателя. Как известно, кислородно—водородная смесь стала одним из основных ракетных топлив.

В последние годы все большее внимание уделяется водородной энергетике, т. е. использованию водорода в качестве топлива, в частности, для двигателей внутреннего сгорания. Это представляет особый интерес с экологической точки зрения, т. к. при горении водорода в выделяющихся газах не содержится вредных веществ (продукт горения — вода ).

Особенно критическая ситуация с загрязнением воздушного бассейна складывается в крупных городах и промышленных центрах. Анализ показывает, что, несмотря на сравнительно небольшое в общем балансе энергоносителей потребление моторных топлив (14%), основным источником загрязнения окружающей атмосферы (60-70%) является городской автотранспорт. Причем значительная доля вредных выбросов приходится на грузовой и автобусный автопарки. Поэтому экологические проблемы в крупных городах в первую очередь связаны с работой автотранспорта, а точнее с использованием нефтяных моторных топлив.

В связи с актуальностью экологической проблемы крупных городов, во многих странах ведется работа по снижению токсичности автомобильных выхлопов. Рассматривается несколько направлений: создание новых модификаций бензина и искусственных моторных топлив, соответствующих более низкому уровню токсичности (ЕВРО-1, ЕВРО-2, Калифорнийский стандарт и т.д.). Объемы финансовых затрат на эти цели только в США исчисляются сотнями миллионов долларов. Для снижения токсичности выхлопных газов применяют каталитические дожигатели и фильтры, которые приводят к значительному удорожанию автомобиля, но малоэффективны в условиях эксплуатации российского автотранспорта. Правительством Москвы планируется перевод дизельных двигателей на диметилэфир, продукты сгорания которого менее токсичны по сравнению с дизельным топливом, в особенности по содержанию NОх.

Однако, несмотря на дороговизну указанных проектов, они не гарантируют полное исключение токсичности продуктов сгорания и являются источниками накопления в окружающей атмосфере диоксида углерода, относящегося к разряду парниковых газов. К коренному улучшению сложившейся в крупных городах экологической обстановки могло бы привести использование в автотранспортных системах водорода. Эффективность и особенность применения водорода в качестве моторного топлива подтверждена большим объемом экспериментальных исследований, в том числе непосредственно в условиях городской езды. Полученные результаты показывают возможность использования водорода 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%.

Таблица 1. Выброс вредных веществ при сгорании различных топлив.

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, 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. Диаграмма распределения объемов использования водорода в различных отраслях промышленности представлена на рис. 1.

Рис. 1. Диаграмма распределения использования водорода по отраслям промышленности.

3. Экономическая целесообразность

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, 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. 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], а по Северо-Западному региону в целом эта цифра возрастает до 20 млрд. кВт•ч.

 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).

Стоимость электролитического водорода определяется не столько стоимостью электроэнергии, сколько капитальными затратами на создание специальной инфраструктуры (электролизеры, ожижители, средства транспортировки и т.д.). К примеру указанные затраты, рассчитанные на использование избыточных мощностей ЛАЭС (400 млн. кВт•ч), составят примерно 75-80 млн. долл. Отсюда реальная стоимость водорода составит примерно 93 руб./кг. При этом стоимость энергетической единицы, получаемой на водороде, составит 2,8 руб./кВт•ч. Для сравнения на бензине она равна 1,3 руб./кВтч и постоянно растет. При этом в расчете стоимости водорода не учитывается уменьшение экологического ущерба на окружающую среду, который по оценке [1] составляет в масштабах города с численностью населения 1млн. чел. примерно 800-900 тыс. долл. в год (по данным [10] – 13млн. долл.). Таким образом, при наличии соответствующих экономических механизмов, указанные капитальные затраты могли бы окупиться в течение нескольких лет за счет экономии бензина и снижения экологического ущерба.

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).

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 направлением 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).

Рис.2. Стоимость различных методов хранения водорода.

Рис.3. Стоимость водорода, получаемого различными методами.

Таблица 2. Сравнительные параметры энергоустановок