CC BY
95Транспорт на водороде
чЧШШШШ_
Эксплуатация автомобильного транспорта на водородном топливе
Е.М. Овсянников, профессор кафедры «Электротехника»
ФГБОУ высшего образования «Московский политехнический университет», д.т.н., Т.Б. Гайтова, профессор, зав. кафедрой «Электротехника»
ФГБОУ высшего образования «Московский политехнический университет», д.т.н., А.П. Фомин, доцент кафедры «Электротехника»
ФГБОУ высшего образования «Московский политехнический университет», к.т.н.
Рассмотрены способы получения, хранения и использования водородного топлива в автомобильном транспорте. Предложен новый способ производства водорода на борту автомобиля с использованием энергии выхлопного газа.
__Ключевые слова:
водородное топливо, электролизер, энергоноситель, альтернативная энергия, электроводородный генератор.
10 лет
журналу
61
связи с истощением традиционных ресурсов для производства электроэнергии и мировым кризисом в последние годы в мире все больше внимания уделяется возобновляемым источникам энергии. При этом учитывается проблема экологической чистоты ее производства.
Одним из препятствий использования электроэнергии на транспорте является невозможность ее хранения в больших количествах (таблица).
Из этих данных следует, что при выработке и распределении электричества только 28 % содержащейся в природных
ресурсах энергии поступает потребителю, а, например, при использовании газа - 93 %.
Ведутся исследования по хранению получаемой от автономных источников электроэнергии или в гидроаккумуляторах, или в виде вырабатываемого из воды электролизом водорода [2]. Использование водорода как энергоносителя позволяет решить энергетические проблемы в тесной связи с экологическими. Кислород, получаемый при разложении воды, может использоваться не только как окислитель в энергетике, но и для удаления отходов жизнедеятельности.
Сравнение КПД энергоснабжения потребителя при сопоставлении электроэнергии и газа как теплоносителей [1]
КПД термический КПД
Источник энергии Производства энергии Транспортировки и распределения энергии энергоснабжения потребителя
Электроэнергия 0,325 0,86 0,28
Газ 0,97 0,96 0,93
АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация»
(НГА)
Транспорт на водороде
кт\\\\\\\\\\\\\\\\\
\
62
Особенностью водорода по сравнению с традиционным ископаемым топливом является то, что при огромных запасах на Земле водород существует практически только в связанном виде, и его получение требует затрат энергии. Это накладывает ограничения на возможности применения водорода в энергетике и на транспорте.
Весьма привлекательно для решения этой проблемы выглядит использование водорода в виде топлива для автомобилей, работающих на водороде, или в качестве добавки к топливу (рис. 1). Это становится особенно актуальным с учетом того, что более 30 % энергии при работе теплового двигателя выбрасывается в атмосферу с выхлопными газами.
Эта идея привлекает исследователей уже в течение многих лет. Однако до сих пор многие вопросы остаются нерешенными, наиболее важными из которых являются создание инфраструктуры для заправки автомобилей и производство самого водорода. Дело в том, что затраты энергии для производства водорода сопоставимы с энергией, получаемой от произведенного водорода. Наряду с исследованиями компаний Honda, General Motors, Toyota, Ford, BMW, Daimler, Hyundai, Nissan, Volkswagen по созданию водородных автомобилей ведутся разработки заправочных комплексов, в том числе и с использованием альтернативной энергии: солнечной, энергии ветра. Такие исследования проводятся и в России.
Обычно стоимость производства топлива в долларах относят к гигаджоулям (ГДж) выделяемой тепловой энергии. Производство водорода электролизом воды на основе современных технологий оценивается по затратам от 10 до 20 долл./ГДж. Аналогичные цифры дают оценки, полученные для термохимического производства водорода из воды с использованием энергии высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР). В ближайшей перспективе водород, получаемый из воды в процессе паровой конверсии метана с помощью энергии ВТГР, может производиться в стране при затратах ниже 7 долл./ГДж, что эквивалентно стоимости бензина 0,24 долл./л. В настоящее время наиболее рентабельный способ производства водорода - паровая конверсия.
Самая низкая стоимость получения водорода из природного газа составляет 6... 12 долл./ГДж [3], самая высокая при электролизе воды - 40 долл./ГДж. При этом стоимость природного газа сегодня всего 2,9 долл./ГДж, бензина - 5,25 долл./ГДж. В среднем затраты электроэнергии при электролизе воды 5.10 кВт-ч/м3Н2.
Помимо затрат энергии на получение водорода, необходимо учитывать расходы на его хранение и транспортировку.
Если производство водорода в общих расходах составляет 29,2 %, то его сжижение - 48 %, хранение жидкого водорода - 10 %, а доставка этого топлива трубопроводом на 1800 км - 6 % [4, 5].
Рис. 1. Водородная автозаправочная станция
чЧШШШШШШШ
Стоимость жидкого водорода в 1,5-2,5 раза выше стоимости газообразного.
Преимущества хранения и транспортировки к потребителю водорода, а также экологическая чистота работающих на нем энергоустановок и двигателей подталкивает конструкторов к его более широкому применению. Проблемой остается высокая стоимость получения водорода. Поэтому перспективно использовать для этой цели энергию возобновляемых источников.
Известен многолетний опыт Германии: в 1990 г. там было принято решение о проведении исследований перспективной солнечной водородной энергоустановки в г. Нойнбург. Электроэнергия в количестве 39000 кВт-ч/год вырабатывается с помощью солнечных батарей, а затем используется для производства водорода из воды с помощью электролизеров [2]. Водород хранится в жидком и газообразном видах и используется для питания автомобилей различного типа.
Испытаны различные типы электролизеров и систем хранения водорода. Осуществлены испытания автомобилей на жидком и газообразном водороде. Проводившиеся в течение 13 лет в Германии исследования различных электроводородных установок, средств хранения и использования водорода вызвали большой интерес. За это время исследовательский центр в Нойнбурге посетило 130 тыс. человек из 100 стран. Накоплен большой опыт эксплуатации и модернизации испытанных установок - от систем фотоэлектрического получения электроэнергии до автомобилей, потребляющих полученный водород.
С 1997 г. в университете прикладных наук в Германии успешно прошла испытания весьма перспективная энергоустановка, состоящая из ветряной установки мощностью 5 кВт, электрогенератора, щелочного электролизера и баллонов для хранения получаемого водорода [6]. Произведенный водород сжимается
до 2,5 МПа и хранится в баллонах. Баллон вместимостью 2,0 м3 заполняется за 50 часов (эффективность электролизера 5-50,2-25=5 кВт-ч/м3Н2). Достоинством такой установки является возможность хранения получаемого водорода с малыми потерями энергии.
У специалистов фирм Германии имеется большой опыт использования ветряных установок для производства электроэнергии. Известен даже факт, что в ветреную погоду ветряные станции приходится останавливать из-за перепроизводства электроэнергии. Предлагается хранить вырабатываемую ветряными станциями энергию с помощью водорода, который получается из воды после ее электролиза [5, 7].
В работе [8] для получения водорода из воды предложен электроводородный генератор с магнитным ускорителем (ЭВГМ) ионов во вращающемся электролите ЭВГМ. Для разложения воды вместо электростатического поля в электролизерах предлагается использовать центробежное и магнитное поля. Таким образом, вместо дорогой электроэнергии используется более дешевая кинетическая энергия вращающегося электролита и магнитное поле, в которое помещен электролит.
Корпус вместе с электролитом вращается со скоростью 3000...9000 мин-1.
Магнитная индукция величиной около 1 Тесла наводится в электролите постоянным магнитом (или электромагнитом, как показано на рис. 2). Вращение корпуса ЭВГМ обеспечивается электромотором. Эффективность работы ЭВГМ оценивается ^ЭВГМ=0,5.
Излишнюю электроэнергию хранят в аккумуляторной батарее (АБ), откуда ее позднее можно забрать с потерями не менее 30 %. Общая эффективность получения электроэнергии с помощью ветряной установки (Ле =ЛгЛвЛк=0,51) складывается из эффективности генератора г|г=0,8, эффективности системы хранения энергии в АБ "Лб=0,7
10 лет
журналу
63
/
АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
Ш I
Транспорт на водороде
кт\\\\\\\\\\\\\\\\\
\
Рис. 2. Электроводородный генератор с магнитом:
1 - ротор; 2 - соленоид; 3 - шланг для отвода газа; 4 - рама; 5 - питание электродвигателя; 6 - питание электромагнита
и эффективности преобразования постоянного тока от АБ в переменный с помощью конвертора ^=0,9. Общая эффективность получения водорода
в электролизере с КПД около Пэ=0,4 снижается до
Пн2 = Лэ Це= 0,4-0,51 = 0,2.
Замена генератора и электролизера на ЭВГМ позволяет увеличить эффективность получения водорода до Пн2 = Пэвгм Пр = 0,5-0,9=0,45 (Пр=0,9 - КПД повышающего редуктора) и оставляет возможность получения в случае необходимости требуемого количества электроэнергии с помощью топливного элемента. Однако топливные элементы пока обладают рядом серьезных недостатков. И прежде всего, имеют высокую стоимость (около 3500 долл./кВт) и короткий срок службы (около 5 лет).
Поставщиком энергии может служить также энергия отработавших газов автомобиля. Ее использование для разложения воды в электроводородном генераторе с постоянными магнитами позволяет существенно удешевить процесс получения водорода в автономных условиях. Авторы в настоящий момент занимаются исследованиями и разработкой реальных образцов электроводородных генераторов для грузового транспорта.
_ Литература
1. Wind hjwer-Wikipedia, the free encyclodopedia, may 25, 2012.
2. Дорош И.А. Институт транспортных систем и технологий НАН Украины «Трансмаг». Самые мощные проекты возобновляемой энергетики. Аналитический обзор АК 1-2012, итоги-2011, 2012.
3. The Solar Hydrogen Project of Neunburg vorm Wald, German, http://www.solar-hydrogen.com.1996-2011.
4. Lehmann Jochen, Luschtinetz Thomas and Menz Frank. The wind - hydrogen-fuel cell chain, The hydrogen Planet, June 9-13, 2002, 14th World Hydrogen Energy Conference, Canada.
5. Справочник. Водород, свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Под ред. Гамбурга Д.Ю., Дубовкина Н.Ф. - М.: «Химия», 1989. - 672 с.
6. Germany Invests in Hydrogen Technology for Renewable Storage, Vehicles, 2012. http://www.
7. The Demonstration project RH2-Werder / Kessin / Altentreptow (RH2-WKA), 2012. http://www.
8. Овсянников Е.М., Долбилин Е.В., Кошеляев Е.М. Электрооборудование автотранспортных средств с тяговыми электроприводами. - М.: «Палеотип», 2010. - 363 с.
