Широкомасштабное применение водородного топлива в автотранспорте пока не найдены неограниченные и дешевые источники энергии, лишено реальности…

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. Поэтому использование водорода в качестве энергоносителя рассматривается в большинстве проектов как фактор снижения экологического давления на окружающую среду, т. к. продуктами сгорания водорода с кислородом являются пары воды. Вода же рассматривается и основной сырьевой базой водорода.
Особенно критическая ситуация с загрязнением воздушного бассейна складывается в крупных городах и промышленных центрах. Анализ показывает [1], 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 мало эффективны 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 [2].
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% [3].

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

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

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

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], 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) [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 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.

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 (см. Табл. 2). Практически все крупные автомобильные компании мира проводят работы в этом направлении. В нашей стране аналогичные работы в небольшом объеме проводятся в ОАО «АвтоВАЗ». 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 и тем самым не только оздоровить экологическую обстановку в крупных городах, но и приблизить сроки более широкого освоения водородной энергетики.

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

А.Л. Дмитриев, ФГУП «Российский научный центр
«Прикладная химия», Санкт-Петербург

Источник: ГСМ

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка горюче-смазочных материалов можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:

«Рынок автомобильных бензинов в России»

«Рынок нефтяных битумов в России».

«Рынок дизельных топлив в России»

«Рынок смазочных масел в России».