Автомаш предлагает со склада в Москве 
электронагревательное оборудование, минитехнику для ремонта и строительства, тракторы, технику и запчасти МЗКТ, МоАЗ, погрузчики, экскаваторы


Электронная версия журнала от Компании Автомаш

Система водородной энергетики

      Журнал "Автомобильная промышленность", 2005 год, № 7
      УДК 620.9
      Д-р техн. наук Б.А. АДАМОВИЧ, А. Г. ДЕРБИЧЕВ, В. И. ДУДОВ, ЗАО "Инресфонд"

Невозобновляемые источники энергии (запасы нефти, газа, угля и др.) иссякают: некоторых, по расчетам, хватит на сотни, а некоторых — на несколько десятков лет. Потребности же человечества в энергии растут в геометрической прогрессии. Так что уже есть все основания утверждать, что мир — накануне энергетического кризиса. Кроме того, на него надвигается и кризис экологический, который, опять-таки, связан с традиционными способами потребления невозобновляемых источников энергии.

Это поняли не только ученые, много лет бьющие тревогу по данному поводу, но и государственные деятели. Например, на встрече "в верхах", проходившей в Нью-Йорке (сентябрь 2000 г.), было озвучено предложение о разработке программы энергетического обеспечения устойчивого развития человечества и экологического оздоровления Земли. Более того, на такой же встрече в Эвиане (май, 2003 г.) назван и путь реализации данной программы. Эго — водородная энергетика.

Путь, безусловно, правильный и на ближайшие десятилетия наиболее результативный. Например, если взять один из "агрессивных" потребителей энергии и создателей загрязнителей окружающей среды — автомобиль, то совершенно очевидно, что ни усовершенствование его двигателя, ни превращение в электромобиль, приводимый в движение с помощью химических аккумуляторов, проблему не решают. В первом случае, действительно, удается в какой-то мере снизить вредные выбросы и расход топлива отдельным автомобилем, но автопарк-то растет. Следовательно, увеличиваются и отрицательные последствия производства АТС.

Не лучше и химические источники энергии: в них используются такие экологически опасные вещества, как свинец, серная кислота, сильные щелочи, кадмий, никель, сера, натрий, литий и др. со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Нужно также иметь в виду и то, что суммарная мощность автомобилей уже превысила мощность всех земных электростанций, так что при массовом переходе на электромобили сразу же возникает проблема зарядки аккумуляторов.

Так что водородная энергетика и в самом деле остается пока единственным выходом. Но энергетика качественно новая. Дело в том, что простой перевод поршневых двигателей с работы на жидком или газообразном топливе на водород себя не оправдывает. Казалось бы, все хорошо: на выхлопе ДВС получается водяной пар. Но это не так. Высокие степени сжатия, применяемые в современных двигателях, повысили температуру сгорания топлива, в результате чего составная часть воздуха — азот (а его в воздухе 78 % по объему) — вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя крайне ядовитые оксиды (NOx), обладающие остронаправленным механизмом отравляющего действия. (Он в -40 раз опаснее монооксида углерода.)

Вывод очевиден: нужны иные технические решения. И они уже есть. Это — топливные элементы, которыми в последние годы занимаются во многих странах. Элементы, где водород соединяется с кислородом, выделяют огромное количество энергии, которая затем используется для привода транспортного средства. Причем запасов водорода в природе много: его масса составляет ~ 1 % массы земной коры, в том числе в литосфере (до глубины 16 км) — 0,14, а в гидросфере — более 10 %.

То есть основной источник водорода — вода, и добывать его нужно там, где ее много. Например, в нашей стране — на берегу Северного Ледовитого океана.

Есть сегодня и техника для получения водорода и кислорода из воды. Это электролизеры, работающие на 25 %-ых водных растворах едкого натрия (NaOH) и 34 %-ых растворах едкого калия (КОН) с использованием никелевых электродов и давно освоенные отечественной промышленностью (предприятия Урала, Кузбасса, Ульяновска и др.). Для получения 1 м3/ч (90 г/ч) водорода требуется мощность постоянного тока, равная 4—5 кВт.

Более того, Институт водородной энергетики и плазменных технологий Российского научного центра "Курчатовский институт" уже освоил производство водорода в электролизере с катионопроводящей мембраной МФ-4СК, употребляемая мощность которого составляет 2,7—3,3 кВт • ч/м3, т. е. уменьшена в 1,5 раза. В ближайшие же годы следует ожидать появления и электролизеров производительностью до 100 м3/ч.

Таким образом, для получения водорода методом электролиза в промышленных объемах нужна электрическая энергия. Возникает вопрос: сколько? Ответ на него дают простейшие расчеты.

Очевидно, что в первую очередь необходимо решить экологические проблемы больших городов. Допустим, что автотранспорт такого города сжигает 1 млн. т жидкого топлива в год. Поскольку теплотворная способность водорода (28 900 ккал/кг) практически в 3 раза больше теплотворной способности бензина (-10 000 ккал/кг) для замены жидкого топлива потребуется 350 тыс. т водорода в год, или 960 т в сутки (соответственно 400 тыс. м3 в час). Значит, при нынешних электролизерах потребное количество электрической энергии за год составит -500 тыс. кВт. Если же учесть, что, когда еще не все запасы нефти израсходованы, газообразный водород можно получать как продукт нефтехимического синтеза, то общее потребление электроэнергии при работе электролизеров не превысит 1 млн. кВт.

Как видим, это много. Причем по мере развития водородной энергетики потребность в электроэнергии будет, очевидно, возрастать. Чтобы обеспечить данный рост, необходимо, что столь же очевидно, развивать ядерную энергетику, в том числе решать задачу регенерации радиоактивных отходов в ядерное топливо для АЭС.

Исходя из приведенных выше соображений, предлагается следующая система развития водородной энергетики (пат. № 2179120 РФ).

Главную роль должны сыграть подземные необслуживаемые АЭС, удаленные от мест проживания людей. Именно с их помощью целесообразно получать водород из морской или речной воды в электролизерах высокого давления, а затем в сжатом или сжиженном виде по трубопроводам направлять его потребителям густонаселенных регионов. А водород, после его окисления, т. е. использования его энергии, уже в составе пресной воды возвращать в реки.

Расчеты показывают, что применительно к рассмотренному выше примеру с городом, для удовлетворения транспортных нужд которого необходимо 1 млн. т жидкого топлива в год, потребуется задействовать всего лишь четыре необслуживаемые подземные АЭС мощностью 220 МВт каждая. Например, АЭС типа "Малахит", разработанная предприятием "Малахит" с участием "Ленметрогипротранса", необслуживаемые АЭС "Елена" мощностью 3 млн. кВт и "Ушу" мощностью 650 тыс. кВт, проекты которых в 1990—1993 гг. предложены Курчатовским институтом. Такие АЭС целесообразно размещать в северных регионах Сибири, где в изобилии морская и речная вода, есть морские транспортные коммуникации и средства доставки крупногабаритных грузов.

Что касается эксплуатации АЭС, то здесь проблем нет: они могут более 25 лет работать без обслуживания. Кроме того, их нетрудно автоматически захоронить на глубине до 100 м после выработки ресурса.

У данного способа есть и еще одно немаловажное достоинство: кислород, образующийся при электролизе воды, идет в атмосферу, содействуя развитию флоры, масштабы которой из-за вырубки лесов и пожаров катастрофически сокращаются.

С точки зрения атомной энергетики, безусловно, интересны также подземные атомные теплоэлектростанции с корпусными кипящими реакторами, в которых используются тепловые "отходы" ядерных реакций. К таким станциям относятся АЭС на основе реактора ВК-300, построенная на Красноярском горно-химическом комбинате (г. Железногорск); аналогичные станции в Норвегии ("Хандер"), Франции ("Чуз"), Швейцарии ("Агеста"). Но особый интерес для организации подземных АЭС представляют собой энергоблоки мощностью 300 МВт, применяющиеся на атомном флоте. Их собственная масса вместе с турбогенератором не превышает 6 тыс. т, длина — 80, ширина — 10 и высота — 16 м. Поэтому доставить такой блок в любую точку морского или океанического побережья — не проблема. Как и его размещение в штольне глубиной до 100 м. Работать же он может до 40 лет. Причем для его обслуживания потребуется небольшая бригада, задача которой сведется к перезагрузке топлива раз в четыре года (промышленные АЭС перезагружаются ежегодно), поскольку судовые блоки работают на дорогом, обогащенном ураном топливе, но зато не образовывают трансурановые элементы с периодом полураспада до нескольких миллионов лет.

Строительство подземных АЭС поддерживается ведущими российскими учеными-атомщиками. Есть даже решение правительства РФ о строительстве подземных АЭС в Приморье и Мурманской области. К сожалению, финансирование строительства пока не обеспечено.

Таким образом, если идти по рассмотренному выше пути использования атомной энергии в качестве основы водородной энергетики, то система данной энергетики может быть представлена состоящей из двух частей.

Первая часть — получение водорода и его доставка потребителю, т. е. то, что проанализировано выше. Причем к сказанному следует добавить только одно: полученный с помощью электролизеров водород нужно доставлять потребителям, в том числе находящимся в удаленных от электролизеров густонаселенных регионах, с помощью аналогичных применяющимся сегодня газопроводным системам.

Причем транспортировать под увеличенным до 13—15 МПа (130 -150 кгс/см2) давлении. В связи с этим нужно решить проблему производства труб, рассчитанных на такое давление.

Доставленный потребителю водород можно использовать (вторая часть системы) как на мобильных, так и стационарных энергетических машинах. При этом энергетический КПД последних возрастет в разы, а экологическая их чистота приблизится к идеальной. Например, если сжигать водород в турбореактивном двигателе, то эффективность последнего за счет большей, по сравнению с керосиновоздушной смесью, теплотворной способности водородовоздушной смеси возрастет втрое; если на ТЭЦ вместо газа использовать водоррдовоздушные электрохимические генераторы (ЭХГ), то эффективность теплоэнергетических установок увеличится вдвое.

Конечно, применение водородной энергетики связано с определенными сложностями. Особенно в случае беспроводного транспорта (авиация, автомобили и т. д.): водород нужно размещать на борту. Но решения есть. Наиболее целесообразное из них — химические компрематоры водорода (ХКВ) на основе гидридов металлов. То есть интерметаллидов, способных легко вступать в химическую реакцию с газообразным водородом, образуя гидрид металла, и столь же легко его отдающих. (Наиболее широкое применение в экспериментах в настоящее время получили геттерные сплавы на основе лантана и никеля: на них работают аккумуляторы водорода, используемые в газовой хроматографии и уже сегодня способные аккумулировать до 0,25 м3 водорода в 1 кг сплава.)

Изготовлением и совершенствованием аккумуляторов водорода у нас занимаются многие научные организации. В их числе Центр научно-инженерных проблем МГУ имени М.В. Ломоносова (химфак), Международный научно-технический центр (МНТЦ) Московской государственной академии тонкой химической технологии имени М.В. Ломоносова, Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова, Московский энергетический институт и др. И каждый из них добился здесь неплохих результатов. К примеру, в МНТЦ в последнее время получены менее дорогие, но более эффективные, чем сплавы лантана и никеля материалы, которые не содержат редкоземельных металлов. Их основа — титан в сочетании с железом, цирконием, марганцем, хромом, ванадием, никелем. Аккумулирующая способность — до 0,4 м3/кг (6,5 %).

Если сравнивать различные виды транспорта с точки зрения возможности перехода от традиционных двигателей на ЭХГ, то автомобиль по отношению, скажем, к самолету оказывается в более выгодном положении: ЭХГ позволяет использовать легко регулируемый (без коробки передач) электропривод, а в авиации необходимо сохранить существующий тепловой цикл. Так что именно автотранспорт и должен, согласно рассматриваемой системе, стать первым, где необходимо использовать водородовоздушные ЭХГ (президент США Д. Буш подметил это и, одобрив выделение более 1 млрд долл. на развитие ЭХГ, сказал: "Не знаю, как насчет вас и меня, но наши внуки будут ездить на таких машинах").

Одновременно с установкой ЭХГ на автомобили (вернее, электромобили) система предусматривает в обозримом будущем (в течение 30—40 лет) реконструкцию ТЭЦ в ЭХГ-станции двух типов: для средних широт — вырабатывающие перегретый водяной пар для бойлеров, т. е. устройства для отопления жилых и производственных помещений; для южных широт — конденсирующие водяной пар в градирне и смешивающие с оборотной водой. Получающиеся излишки дистиллированной воды обогащаются макро-и микроэлементами, а затем поступают в систему капельного орошения полей, позволяя в 2 раза увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.

Таким образом, электрохимические водородовоздушные генераторы (топливные элементы) и вырабатываемая с их помощью электроэнергия должны обеспечить, согласно предлагаемой системе, перевод всего автотранспорта на электрическую тягу. Этому должны способствовать и разработанные в России электрохимические генераторы типа "Волна-20", "Фотон", "Фиалка", предназначавшиеся для "лунников" и космической системы "Буран". Например, один из них, ЭХГ "Фиалка", при массе 600 кг развивает электрическую мощность до 60 кВт, имеет КПД, равный 75 %, что в 2 раза больше, чем КПД лучших ДВС. При этом на выходе ЭХГ выделяется экологически чистый водяной пар, а окисления азота кислородом не происходит, поскольку в ЭХГ используются пористые электроды, функционирующие при сравнительно низких (770 К, или 800 'С) температурах.

Интересен также ЭХГ "Фотон", созданный Уральским электрохимическим комбинатом и Ракетно-космической корпорацией "Энергия": он неплохо себя зарекомендовал на автомобиле ВАЗ-2121 "Нива", работая на сжатом до 30 МПа (300 кгс/см2) водороде, размещенном в багажнике в трех сферических баллонах (вместимость каждого — 0,4 кг водорода).

В Институте водородной энергетики и плазменных технологий создан еще более совершенный электрохимический генератор: в нем применен не водно-щелочной элемент, а полимерная мембрана, повышающая эффективность и безопасность процесса преобразования химической энергии в электрическую.

По такому же пути пошли американские, фирмы "ДаймлерКрайслер" и "Форд", канадская "Баллард", которые разработали опытный образец автобуса с электрохимическим генератором мощностью до 280 кВт.

При этом важно отметить, что все работы по водородной энергетике в США проводятся по инициативе министерства энергетики, а выполняет их Бруклинская национальная лаборатория. Результат: если 10 лет назад 1 кВт вырабатываемой электрохимическим генератором мощности стоил 15 тыс. долл., то сейчас — лишь 1500. Сегодня лучшее зарубежное АТС с ЭХГ — "Гидраген" фирмы "Дженерал Моторс": с запасом сжатого водорода он преодолевает 1000 км за 12 ч. Неплохой автомобиль разработала и японская "Мазда": на нем, кроме ЭХГ, установлено и устройство типа "риформер", в котором из метанола получают водород непосредственно на борту.

Внедрение системы "Водородная энергетика" — дело трудоемкое и дорогое. Поэтому данную работу нужно проводить поэтапно, постепенно, используя еще не потерянный огромный научно-технический потенциал организаций военно-промышленного комплекса России. Но обязательно — на основе долгосрочной общегосударственной программы. Потому что никакие фирмы и даже объединение предприятий и НИИ самостоятельно решить проблему не в состоянии. И не только из-за необходимости больших ассигнований, но еще и по ряду других причин. В частности, потому, что разработки отдельных элементов водородной энергетики неравнозначны. Справиться с этим может тот, кто располагает не только техническими, но и многими другими возможностями (правовыми, финансовыми, организационными и т. д.). То есть государство. И здесь, думается, целесообразно воспользоваться американской технологией, суть которой — передача заказа на любую перспективную разработку техническим университетам. Именно в наших ведущих университетах государство может (и должно) организовать кафедры водородной энергетики, способные наладить систематические комплексные исследования и подготовку специалистов в данной области, привлекая в качестве преподавателей крупных ученых и специалистов различных организаций. Причем одним из первых исследований желательно посвятить "инвентаризации" научных разработок в области водородной энергетики, и на ее основе предложить проект глобальной энергетической программы для доклада правительству.

Одновременно следует обобщить результаты уже проведенных у нас и за рубежом исследований и выпустить отчет о способах получения газообразного водорода из воды путем электролиза и конверсии водяного пара в среде раскаленного железа; водяного газа (СО2 + H2) в присутствии катализаторов; коксового газа путем глубокого вымораживания примесей; из угля путем его газификации.

Видимо, пора также приступить к конструкторским разработкам электромобилей с ЭХГ и колесными силовыми электродвигателями.

В заключение еще раз отметим, что предлагаемая система водородной энергетики является экологически чистой и способствует круговороту веществ в природе, поскольку полностью возвращает ей взятые из воды водород и кислород, выполняя функцию воспроизводства кислорода и круговорота воды, которые в масштабах планеты, в связи с неконтролируемым сведением лесных массивов, реализуются недостаточно полно. Эту систему несложно реализовать на автотранспортных средствах, она позволяет создать огромный парк высокоэффективного электромобильного транспорта, обеспечивающего глобальную экологическую безопасность.



© Автомаш 2005
Компас в Мире Машин и Машиностроения
avtomash.ru
Главная Карта сайта

Журнал
 
Журнал - Автомобильная промышленность:

- Страницы истории
- Редколегия, контакты
- Тематика журнала
- Размещение статьи
- Размещение рекламы
- Оформление подписки

- Обзор содержания журнала с 2002 г
 
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru