CC BY
34ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
А. С. Коротеев, В. В. Миронов, В. А. Смоляров
ФГУП «Центр Келдыша», Онежская, 8, Москва, Россия, 125438 Телефон: 456-46-08, факс: (095) 456-82-28, e-mail: kerc@elnet.msk.ru
Год рождения 1936. Доктор технических наук, профессор, действительный член Российской Академии наук, избранный в 1994 году по специальности «Энергетика». С 1988 года является директором Федерального государственного унитарного предприятия «Исследовательский Центр им. М. В. Келдыша» Российского авиационно-космического агентства. Автор более чем 220 научных трудов и изобретений в области ракетного двигателестроения и разработки устройств бортовой космической энергетики. В частности, широко известны результаты исследований А. С. Коротеева в таких приоритетных областях науки и техники, как генерация низкотемпературной плазмы, пучков заряженных частиц большой мощности, создание двигателей и бортовых энергетических устройств для космических аппаратов различного назначения.
Является председателем Объединенного научного совета по нетрадиционным источникам и методам преобразования энергии президиума Российской Академии наук.
Руководит научными исследованиями по созданию предприятиями Российского авиационно-космического агентства новых высокоэффективных жидкостных ракетных двигателей, использующих в качестве топлива водород.
Лауреат Государственных премий СССР и РФ, лауреат премии Правительства РФ, заслуженный деятель науки РФ. Имеет правительственные награды.
Коротеев Анатолий Сазонович
The paper is dedicated to consideration of possibilities in solving the most important problems of XXI century — problem ecological safety and problem of rising deficiency of petroleum motor oils consumed by means of transportation which exhausts greatly damage the environment.
It is proposed to develop hydrogen energetics for transferring the most power-consuming industry branches and primarily transportation to qualitatively new kind of energy carrier, hydrogen, as the strategic direction in the efforts of the leading world countries to ease severity of the indicated problems.
In attachment to automobile-transport system of Moscow it was given the estimation of hydrogen use in the motors of various types and was shown that the ultimate purpose should become development of ecologically safe transportation mean with power plant on the basis of electrochemical generator working on hydrogen and atmospheric air that would guarantee the zero exhausts of harmful substances into the environment.
Different types of electrochemical generators were considered and preliminary conclusion was made about advisability to mounting the electrochemical generator with solid-polymer membrane as the fully meeting for the given moment the complex requirements on the automobile power plants.
Analysis of possible hydrogen storage systems on automobile was made. The closest to practical realization is the system of gaseous hydrogen storage at high pressure in the tank made from composites. Cryogen system of liquid hydrogen storage could find the use in the long view.
Переход на водородное топливо исторически неизбежен по многим причинам, и главные из них — опаснейшее загрязнение атмосферы и ограниченность природных запасов нефти и газа.
В Российской Федерации находится в эксплуатации около 25 млн. автотранспортных средств, при этом доля автотранспорта в сум-
марных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу всеми техногенными источниками достигает 43%, а в шумовом воздействии на население городов — 85-90%.
Наиболее остро негативные последствия автотранспортной деятельности проявляются в мегаполисах и крупных городах, а также на терри-
ториях, характеризующихся интенсивным движением транспорта. По данным ГНЦ «НАМИ» [1] в Москве вклад автотранспорта в суммарное загрязнение достиг за последние годы 90%. К концу 2001 г. число автомобилей, эксплуатировавшихся в Москве, превысило 2,3 млн., из которых 90% легковых автомобилей. При этом легковые автомобили с бензиновыми двигателями составляли 94% парка легковых автомобилей (с дизелями 1%), и на долю легкового транспорта приходилось 45% всех вредных выбросов. Необходимо отметить, что эффективность использования энергозапаса топлива (сейчас это в основном бензин) очень мала и характеризуется величиной эксплуатационного КПД двигателя внутреннего сгорания в 12-17% вместо 35% КПД для работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на оптимальном режиме. Кроме снижения КПД (и, соответственно, перерасхода топлива), это обстоятельство способствует резкому увеличению количества вредных выбросов в атмосферу.
Водород — автомобильное топливо XXI века
Перспективность применения водорода для автомобильных двигателей определяется прежде всего экологической чистотой, неограниченностью и возобновляемостью сырьевых запасов, относительно низкими затратами на транспортировку и, наконец, уникальными моторными свойствами, что открывает возможности его широкого применения как в современных автомобильных двигателях без их коренной перестройки, так и в принципиально новых транспортных энергоустановках с прямым преобразованием энергии типа электрохимических генераторов тока.
Водород является одним из наиболее энергоемких топлив (1 кг Н2= 4,1 кг условного топлива), его низшая теплотворная способность почти в 3 раза больше, чем у нефтяных моторных топлив, и составляет 120 103 кДж/кг.
Проблема использования водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей включает довольно обширный круг вопросов:
■ разработку наиболее эффективных способов преобразования химической энергии водорода в энергию движения автомобиля;
■ разработку безопасных и эффективных способов хранения водорода на борту автомобиля;
■ решение ряда самостоятельных вопросов, прямо не связанных с автомобилем, но без учета которых идея перехода на водород неосуществима. Это проблемы получения водорода в необходимых количествах, его транспортировки и хранения, создания инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию автомобильного транспорта на водороде.
Использование водорода в существующих ДВС
В ближайшие годы на нашей планете будут господствовать ДВС, учитывая их высокое совершенство и масштабы мирового выпуска
автомобилей. Для повышения экологической «:
чистоты бензиновых ДВС и их экономичности i
до уровня дизельных двигателей было предло- |
жено использовать водород в качестве основно- ^
го моторного топлива или как добавки к бензи- |
ну [3], [4]. |
Известно, что значительный эффект по по- i
вышению КПД традиционных автомобильных S
двигателей, особенно в области малых нагру- 3
с
зок, дает переход на топливные смеси с боль- q шим избытком воздуха. При этом уникальные моторные свойства водорода позволяют даже при относительно небольших его добавках к бензовоздушной смеси реализовать такие степени обеднения смеси, которые недоступны любому другому способу.
По данным НАМИ и Института проблем машиностроения НАН Украины при использовании бензоводородных композиций максимальный эффективный КПД двигателя повышается на 10-15%, а в области частичных нагрузок — на 17-22%. Перевод бензиновых двигателей на водород или на топливо «бензин + водород» наряду с повышением топливной экономичности двигателя снижает также вредные выбросы с отработавшими газами [3], [4].
По данным ОАО «АвтоВАЗ» и Государственного университета (г. Тольятти) [4], при стендовых испытаниях двигателя ВАЗ-2111 на топливе «бензин + водород» была показана возможность повышения КПД этого двигателя выше уровня КПД наиболее экономичного на сегодня ДВС — тихоходного дизельного двигателя с турбонаддувом (рис. 1). При этом требования по выбросам СО, СН и NO обеспечивались при
л,%
Рис. 1. Максимальный эффективный КПД ДВС при работе на различных видах топлива: 1 — двигатель ВАЗ 2112 на бензине; 2 — дизель с турбонаддувом;
3 — двигатель ВАЗ 2111 на бензоводородной смеси;
4 — двигатель ВАЗ 2106 на чистом водороде; 5 — область КПД электрохимического генератора
коэффициенте избытка воздуха а >1,7. По мнению специалистов ВАЗ, можно уверенно прогнозировать увеличение КПД ДВС до 48% (в 1,4 раза) при полной нагрузке и до 30% (в 1,6 раза) при нагрузке 20% от максимальной. Очевидно, что реализация указанных прогнозов ^ возможна после решения проблем, характер-£ ных именно для водорода как моторного топ-£ лива: наводороживание металла, снижение лит-^ ровой мощности, подавление обратной вспыш-
и
]ё ки и т. п.
и
В целом из приведенных материалов сле-| дует, что перевод бензиновых двигателей на & бензоводородные композиции позволит на ка-§ кое-то время существенно ослабить остроту эко-® логических и энергетических проблем при эксплуатации наиболее массового автомобильного двигателя. Однако ясно, что на этом направлении, в принципе, не могут быть созданы экологически безопасные транспортные средства, и к тому же интерес к нему будет ослабевать по мере нарастания дефицита нефтепродуктов.
Транспортные средства с комбинированными (гибридными) энергоустановками
Как альтернативу классическим автомобилям рассматривают автомобили с комбинированной энергетической установкой (КЭУ), под которой понимается сочетание ДВС, аккумуляторной батареи и электродвигателя.
Для автопроизводителей гибридная технология представляет интерес, поскольку вся существующая инфраструктура используется полностью, без каких либо доработок.
Принципиально системы гибридного привода делятся на две категории: последовательные и параллельные [1].
В системах последовательного привода в качестве накопителя энергии используется тяговая батарея, а вращение колес автомобиля осуществляется только электродвигателем. Кроме того, имеется возможность рекуперации кинетической энергии при торможении, когда электродвигатель привода начинает работать в генераторном режиме и заряжает батарею. А ДВС при любом режиме движения работает с постоянной нагрузкой, оптимальным КПД и минимальными выбросами вредных веществ. Главный недостаток этой схемы — очень большие потери энергии при передаче крутящего момента на колеса, в силу чего практически не происходит экономии топлива.
В параллельной схеме два двигателя связаны планетарным дифференциалом, так что автомобиль может работать от ДВС или от электрического двигателя. ДВС не используется при частичных нагрузках с низким КПД. Нагрузка двигателя искусственно повышается за счет передачи избытка энергии батарее. При рациональном распределении мощности между ДВС
и электроприводом можно получить выигрыш по затратам топлива до 35% по сравнению с обычным автомобилем на бензине при езде по городу. Основной недостаток параллельной схемы гибридного привода автомобилей с КЭУ — очень сложная трансмиссия.
В настоящий момент уже имеются серийные автомобили с параллельным гибридным приводом, например, японский Toyota Prius, выпускающийся уже в течение трех лет.
Имеется и отечественный опыт разработки автомобиля с параллельным гибридным приводом. Специалисты ИжМаша на автомобиль «Орбита» ИЖ-21261 установили серийный бензиновый двигатель от «Оки» (30 л. с.) и тяговый электродвигатель постоянного тока. На тестовых испытаниях «Орбита» с КЭУ расходовала на 20% топлива меньше обычного.
Многие из производителей рассматривают переход к автомобилю с КЭУ только как вынужденный рациональный этап перехода к новым технологиям.
Транспортные средства с энергоустановками на основе электрохимических генераторов с водородно-воздушными топливными элементами
Создание полностью экологически безопасного автомобиля возможно при применении в качестве источника энергии особого устройства — электрохимического генератора (ЭХГ) с прямым преобразованием химической энергии водорода в электрическую для привода колес автомобиля. КПД преобразования энергии в ЭХГ достигает 70%, а «холодное горение» водорода в топливном элементе исключает образование каких-либо вредных соединений: продуктами реакции являются вода и азот, реакция идет с выделением тепла. В отличие от аккумуляторной батареи в ЭХГ обеспечивается непрерывный подвод реагирующих компонентов (горючего и окислителя) в зону электрохимической реакции, что позволяет преодолеть основной недостаток классического электромобиля (при сохранении всех достоинств) — недостаточную энергоемкость источника энергии. Удельная энергоемкость ЭХГ в 10 раз превышает этот параметр для лучших аккумуляторных батарей (~1000 Вт ч/кг вместо ~100 Вт ч/кг соответственно). Полное отсутствие вредных выбросов, пробег, определяемый только запасом топлива на борту, возрастание КПД при снижении нагрузки (рис. 1) делает ЭУ с ЭХГ, работающую на водороде и воздухе, наиболее привлекательным источником энергии, особенно для городского транспорта.
Сравнительные характеристики различных типов топливных элементов, из которых формируется ЭХГ, приведены в таблице 1 [5], откуда видно, что для транспортных средств наи-
Табл. 1. Характеристики водородно-кислородных ТЭ различных типов
Параметр Водно-щелочной Твердо-полимерный Фосфорнокислый Расплав-карбонатный Твердо-оксидный
КПД производства электроэнергии, (%): реализованный перспективный 50-65 70 50-65 70 40-55 60 40-55 60 (70) 40-50 55 (70)
Рабочая температура, °С 80... 100 40.100 180.250 600.800 800.1000
Плотность тока, А/см2 >1 >1 <0,5 <0,5 <0,5
Достигнутый ресурс, ч <20000 >50000 >60000 <20000 >50000
лучшее сочетание параметров у ТЭ со щелочным электролитом (ЩТЭ) и ТЭ с твердополи-мерной мембраной (ТПМ).
Основные преимущества топливных элементов:
■ высокая эффективность прямого преобразования химической энергии топлива (водорода) и окислителя (кислорода) в электроэнергию (КПД = 50-70%);
■ высокие удельные массовые характеристики: 1,2-5 кг/кВт, в перспективе 0,8-1 кг/кВт;
■ компактность (большая плотность тока): 2-5л/кВт, в перспективе 0,6-1 л/кВт;
■ низкая рабочая температура (до 100 °С), что обеспечивает возможность быстрого запуска и быстрого достижения максимальной мощности ЭУ;
■ способность к многократным перегрузкам по току;
■ высокий уровень отработки, достигнутый при создании космических ЭУ США и в России (СССР) (для щелочных ТЭ).
Вместе с тем как щелочные, так и ТЭ с ТПМ имеют определенные недостатки: для щелочных ТЭ — дорогостоящие электроды, необходимость иметь пористую матрицу и при этом исключить смешивание газов, возможность утечек электролита и повышенная коррозия электродов, чувствительность к чистоте компонентов.
К недостаткам ТЭ с ТПМ традиционно относят прежде всего их высокую стоимость (за счет дорогой в изготовлении мембраны), более низкую по сравнению со щелочными ТЭ энергетику, а также проблемы стабильности материалов и влажностного режима, которые связаны с работой ТЭ при повышенных температурах (Т > 250 °С). Прогресс в исследованиях ТЭ с ТПМ позволил, например, специалистам США (LANL и ТАМи) значительно улучшить характеристики и снизить стоимость ТЭ с ТПМ. Так, например, в ТЭ компании ТАМи содержание платины на каждом электроде уменьшено в 10 раз и составляет в последних моделях 0,45 мг/ см2, что в 20-40 раз меньше, чем в электродах щелочных ТЭ отечественного производства.
В конце 1990-х гг. на лидирующие позиции в разработке ТЭ с ТПМ вышла канадская компания Ballard Power Systems (BPS), воспользовавшись невостребованными в свое время технологиями по ТЭ с ТПМ компании General Electric для космических аппаратов и добившись больших успехов в области повышения характеристик ТЭ с ТПМ, снижения их стоимости и организации производства в крупных партиях. Принцип работы ТЭ с протонной проводимостью показан на рис. 2, а структурная схема силового модуля транспортной ЭУ — на рис. 3. Итогом работы, проделанной специалистами BPS совместно с Johnson-Matthey, стало промышленное производство совершенных электрокатализаторов с минимальным удельным расходом активирующего материала (0,2 мг/см2). В процессе поиска коммерчески оправданной альтернативы материалу для изготовления обменных мембран типа Nafion был найден заменитель — фторированный полиэтилен. Стоимость последнего в условиях массового производства будет доведена до 50 $ за один кв. метр (для ЭУ мощностью 60-70 кВт требуется 35-45 м2 мембран, стоимость которых составляет ~ 15% от стоимости батареи ТЭ. Таким образом, ожидаемая стоимость батареи ТЭ при серийном производстве будет на уровне 200-250 $/кВт).
Нагрузка
Твердополимерная мембрана
Рис. 2. Водород-воздушный топливный элемент с твердополимерной мембраной
Блок рециркуляции водорода
К аккумулятору
К электродвигателю
Выход
Радиатор
Рис. 3. Структурная схема силового модуля транспортной энергетической установки на основе электрохимического генератора
Некоторые специалисты считают, что и щелочные ТЭ могут существенно снизить свою стоимость и увеличить ресурс за счет применения дешевых материалов, работоспособных при низкой температуре, и получить возможность широкого внедрения на транспортных средствах. Вероятно, снижение рабочей температуры позволит повысить ресурс щелочных ТЭ до 1015 тыс. ч, однако при этом необходимо не допустить ухудшения вольтамперных характеристик элемента, что является очень сложной задачей. Кроме того, если для ТЭ с ТПМ применимость катализаторов с низким содержанием драгоценных металлов уже продемонстрирована в экспериментальных работах с ресурсом ТЭ в тысячи часов (ТЭ компании BPS), то большинство работ по применению дешевых катализаторов на катоде щелочных ТЭ носит характер поисковых исследований. Оптимизм внушает то обстоятельство, что всего 10 лет назад ЭХГ стоил порядка 15 тыс. $/кВт, а сейчас стоимость составляет 1,5 тыс. $/кВт, прогноз снижения стоимости отечественных разработок в ближайшем будущем — до 300-500 $/кВт [6], а зарубежных образцов — до 200 $/кВт и менее.
Мировые финансовые вложения в данное бурно развивающееся научно-техническое направление достигают 1 млрд. долларов в год. По прогнозам иностранных специалистов, занятых разработкой ЭХГ, привлекательную коммерческую состоятельность он получит даже
при стоимости порядка 1000 $/кВт, если будут успешно решаться сопутствующие проблемы (хранение водорода, инфраструктура и т. п.).
Таким образом, сравнивая характеристики щелочных ТЭ и ТЭ с ТПМ (в целом достаточно близкие) и учитывая направления и результаты работ в мире, можно сделать вывод о том, что в настоящий момент щелочные ТЭ предпочтительны для энергоустановок специального назначения (космических, подводных и др.), работающих на чистых водороде и кислороде.
Твердополимерные ТЭ, работающие на воздухе и водороде, благодаря большему ресурсу, относительной простоте и отсутствию такой проблемы в щелочных ТЭ, как карбонизация электролита двуокисью углерода, предпочтительнее для гражданского применения энергоустановок, в первую очередь на городских транспортных средствах. Общий вид и параметры батареи ТЭ разработки BPS (MARC 902) приведены на рис. 4 и в табл. 2, а технические характеристики силовых модулей для легкового автомобиля с максимальной выходной мощностью на 68 кВт (HY-80) и для автобуса с максимальной выходной мощностью на 190 кВт (HY-205) свидетельствуют о высокой степени подготовленности к опытной эксплуатации с последующим серийным выпуском экологически безопасного и высокоэкономичного автомобиля XXI в. (см. табл. 3 и 4).
Рис. 5. Батарея топливных элементов фирмы BPS (Канада)
Табл. 2. Технические характеристики батареи топливных элементов
Параметр Величина
Постоянная мощность, кВт 85
Топливо газообразный водород + воздух
Температура, °С 80
Давление водорода, бар 1.2
Давление воздуха, бар 1.2
Масса, кг 96
Объем, л 75
Габариты (длина х ширина х высота), мм 805 х 375 х 250
Табл. 3. Технические характеристики силового модуля энергоустановки автомобиля
Параметр Величина
Максимальная выходная мощность, кВт 68
Максимальный КПД, % 48
Время выхода на режим, с < 40
Давление компонентов (водород + воздух), бар 3
Масса, кг 220
Объем, л 220
Табл. 4. Технические характеристики силового модуля энергоустановки автомобуса
Параметр Величина
Максимальная выходная мощность, кВт 190
Максимальный КПД, % 45
Давление компонентов (водород + воздух), бар 12
Масса, кг 2170
Габариты (длинахвысотахширина), мм 2500 х 1330 х 1600
Температурный диапазон, °С -20.+50
Возможные способы хранения водорода на автотранспорте
Реализация любой схемы использования водорода в транспортных силовых установках в очень сильной степени зависит от успехов в
создании экономичной, гибкой в использовании и дешевой системы хранения водорода на транспортном средстве.
К настоящему времени не сложилось единого подхода к выбору способа хранения водорода в составе транспортного средства. Очевидно, что среди способов аккумулирования чистого водорода для транспортных средств с точки зрения практической реализации, целесообразно рассматривать газобаллонный (в баллонах высокого давления), криогенный (в жидком виде) и металлогидридный. Высказывается принципиальная возможность применения в качестве аккумулятора чистого водорода стеклянных микросфер (й = 5-200 мкм; Р ~ 40 МПа; Траб= 500-650 К) и разработок в области нано-технологий получения специальных структур углерода (фуллереновых структур) как адсорбентов водорода.
Широко применяемые в гибридных автомобильных силовых установках и ЭУ с ЭХГ системы хранения водорода в виде жидких соединений, таких как метанол и бензин, конвертируемых на автомобиле в Н2 и СО2, не обеспечивают полностью экологическую безопасность, либо требуют специальных систем для поглощения СО2.
Хранение газообразного водорода в баллонах высокого давления
Хранение водорода в автомобиле осуществляется в баллоне сферической или в нескольких баллонах цилиндрической формы. Объем бака должен обеспечить размещение ~5 кг водорода, что соответствует ~ 300 км пробега автомобиля без дозаправки. При ресурсе автомобиля ~ 300 тыс. км пробега получаем, что число заправок баков составит 103 циклов. Для уменьшения рабочего объема бака при хранении газообразного водорода необходимо увеличивать эксплуатационное давление до величины 40,0-50,0 МПа при температуре эксплуатации от -30 до +40 °С.
Основными материалами для изготовления баков, рассчитанных на такое давление, являются сталь, титановые и алюминиевые сплавы и конструкционные композиционные материалы. Основным показателем материала является конструкционная прочность о /р. Высокопрочные стали имеют конструкционную прочность 2,25 МДж/кг, титановые сплавы — до 2,41 МДж/ кг, алюминиевые сплавы — 2,2 МДж/кг, конструкционные композиционные материалы-углепластики — от 7,6-15 МДж/кг, органопластики — до 18 МДж/кг. Каждый из материалов имеет свои особенности, которые влияют на конструкцию бака. Массы баков, выполненных из различных материалов, представлены на рис. 5. Так, использование высокопрочных сталей в конструкциях баков для хранения водорода ограничивается явлением водородной хрупкости и возникновением водородных трещин, когда водород про-
"2 Сталь 300-320 кг
| Титан 200-220 i
2 Алюминий 190-200 кг
Комбинированный мате-2 риал (металл+композит) 80-90 кг
щ Композиционный материал 40-75 кг
Рис. 5. Масса сферического бака для хранения 5 кг газообразного водорода при Рраб = 40 МПа
никает внутрь металла. Совместно с малоцикловой усталостью (число циклов нагружения < 104), этот фактор приводит к резкому снижению несущей способности баллона при нормальных условиях. Использование титановых сплавов ограничено сложностью технологической переработки, охрупчиванием материала при длительном контакте с водородом и высокой стоимостью высокопрочных титановых сплавов.
При использовании конструкционных композиционных материалов (стекло-, угле-, органоплас-тиков) возникают проблемы с герметичностью конструкции и обеспечением несущей способности с учетом малоцикловой усталости. Герметичность баллонов из композиционных материалов обеспечивается использованием герметизирующего слоя (лейнера). При этом в зависимости от материала и толщины лейнера он может как обеспечивать герметичность, так и увеличивать несущую способность баков для хранения водорода. В качестве герметизирующего материала могут использоваться нержавеющая сталь типа 12Х18Н10Т, титановые сплавы типа ОТ-4, алюминиевые сплавы АМЦ, АМГ, полимерные пленочные материалы (фоль-гированная полиамидная и лавсановая пленки). Кроме указанных видов материалов, при изготовлении баков используют способы формирования стенок из комбинаций материалов. В этом случае стенка баллона состоит их двух слоев: внутреннего (металлического) и наружного (из композиционного материала). Введение металлического слоя требует решения задачи оптимального проектирования комбинированной оболочки баллона, т. е. выбора оптимального соотношения толщин металла и композита, схемы армирования и построения геометрической формы контура бака. Простейшим путем создания комбинированных баллонов давления, имеющих пониженную на 10-15% массу по сравнению с титановым, является круговое упрочнение высокопрочной нитью. Для упрочнения могут использоваться стекло-, угле-, органопластики. Использование комбинированных оболочек, состоящих из двух слоев материалов, как показывает анализ напряженно-деформированного состояния, позволяет получать наиболее эффективные конструкции. Для изготовления баков с ме-
таллическим лейнером и силовой оболочкой из композиционного материала толщина металла может находиться в диапазоне 0,15-0,5 мм. Лей-нер может формироваться непосредственно на пес-чано-полимерной оправке выкладкой и раскроем листов металла. Стыки листов соединяются с помощью электронно-лучевой или лазерной сварки, либо с помощью формирования отбортовки, прокатываемой в дальнейшем роликом. Для формирования металлического слоя толщиной более 2 мм используются методы ротационного выдавливания либо прессования и штамповки элементов с дальнейшим соединением деталей с помощью сварки. Прогрессивным способом формирования металлических оболочек является метод глубокого пластического деформирования из плоских заготовок, соединенных диффузионной сваркой в специальной прессоснастке. Конструктивная форма баков может меняться в зависимости от формы и размеров свободного объема, предназначенного для их размещения. С точки зрения прочности предпочтительной является сфера (рис. 6), позволяющая получать равнопрочную силовую оболочку почти равномерной толщины. Цилиндрический бак (рис. 7) со сферическими или эллиптическими днищами при изготовлении из изотропного материала (металла) имеет достаточно большую массу, снизить которую можно либо путем использования подмотки, либо постановкой второй оболочки из анизотропного материала (конструкционного компонента).
Материал бака — углепластик (оВ= 2,9-5,0-103МПа)
Полезный объем — 200 л
Наружный диаметр бака — 885-880 мм
Толщина стенки бака — 41-25 мм
Масса бака — 75-40 кг
Давление в баке — 40 МПа
Запас водорода — 5 кг
Число циклов заправки — 103
Рис. 6. Сферический бак для газообразного водорода
Из представленных материалов видно, что предпочтительным является бак с двухслойной силовой оболочкой (внутренний слой, контактирующий с водородом из алюминиевых или титановых сплавов, наружный слой из органопластика, армированного угольным волокном).
С точки зрения стоимости предпочтительной является пара алюминий + конструкционный композит. При использовании современных технологий возможно реализовать относительные массы водородных баллонов на уровне 7-10 кг/кг Н2, т. е. с массовым содержанием водорода более 10%. По мнению специалистов, при содержании водорода более 5% от массы сосуда такие баллоны могут эксплуатироваться в составе энергоустановки транспортных средств.
Композиционный пластик
2 баллона по 200 л 3 баллона по 135 л 4 баллона по 100 л
Толщина силовой оболочки, мм 15-20 12-15 10-15
Толщина лейнера, мм 1-3 1-3 1-3
Суммарный вес, кг 160-180 190-210 200-220
Габариты одного баллона, мм 1100х500 1000х400 1000 х 360
Рис. 7. Цилиндрический бак для газообразного водорода
Хранение жидкого водорода
Несмотря на то, что хранение и перевозка значительных количеств жидкого водорода давно и хорошо освоены промышленностью, создание относительно небольших баков (менее 1 м3) для хранения жидкого водорода на борту транспортных средств, а также систем их заправки и эксплуатации является самостоятельной и достаточно сложной технической задачей.
В криогенных системах могут быть реализованы два варианта хранения жидкого водорода:
1. В сверхкритическом состоянии при давлениях, превышающих критическое давление для данного газа (-Ркр~ 1,3 МПа для водорода). Преимуществом системы сверхкритического хранения является возможность гарантированного отбора из бака однофазного рабочего тела, что, вообще говоря, упрощает процесс регулирования давления в баке, особенно в случае переменного расхода компонента из бака, качания, тряски и прочих воздействий на бак. Удачным конструкторско-технологическим решением по системе сверхкритического хранения являются созданные в РКК «Энергия» блоки хранения водорода для системы электропитания ОК «Буран».
Блок хранения водорода (БХВ) предназначен для хранения 54 кг водорода в диапазоне давлений 1,6—1,9 МПа и подачи его в электрохимические генераторы. Основные характеристики БХВ: относительная масса конструкции
Gk =2,85 (кг /кг„); относительный объем
k 7 v констр.' Н2/7
блока хранения Vk =0,022 м3/кгН ; содержание
Н2
водорода ~35% от массы сосуда.
Было изготовлено 32 комплекта БХВ, которые прошли автономные испытания на жид-
ком водороде с определением всех проектных характеристик.
2. Хранение в докритическом жидком состоянии. При хранении водорода в жидком виде по сравнению с вариантом сверхкритического хранения, можно иметь в баке минимальное давление и допустить больший теплоприток к жидкости. Примером системы докритического хранения является разработка, выполненная в Центре Келдыша в рамках работ по лунной программе. В кооперации с ЗЭМ РКК «Энергия» и ВИЛС были изготовлены малогабаритные сосуды (V = 80 л) для хранения ~5 кг жидкого водорода при рабочем давлении 0,5-0,8 МПа. В экспериментах были получены величины удельного теплопритока q = 0,87Вт/м2, что даже по современным представлениям является отличным показателем для водородных криогенных сосудов такой размерности (диаметр внешней оболочки « 620 мм, масса водорода 5 кг, масса конструкции 35 кг, т. е. содержание водорода « 15% от массы бака).
Конструкции криогенных автомобильных баков для жидкого водорода с экранно-вакуум-ной изоляцией были разработаны в США, ФРГ и Японии.
Отметим, что стоимость автомобильных криогенных баков с экранно-вакуумной изоляцией не столь велика, как можно было ожидать для такой высокотехнологичной продукции, — около 24 $/л Н2 (т. е. на 71 г жидкого водорода, 1984 г.) Бак, содержащий 8,3 кг жидкого водорода, будет стоить в соответствии с этой оценкой около 2800 $. При массовом производстве криогенных баков их стоимость будет составлять 6-8 $/л Н2 и, соответственно, бак на 8,3 кг жидкого водорода будет стоить 900-950 $ [8]. Вероятно, что в перспективе криогенное хранение водорода на борту транспортных средств может оказаться конкурентоспособным, учитывая преимущества этого метода хранения: низкое давление в баках, высокая массовая отдача по водороду, подготовленность технологической и производственной базы, приемлемая стоимость.
Гидридная система хранения водорода
В данной системе водород хранится в связанном состоянии в виде гидридов металлов и интерметаллических соединений. Водород из гидридов металлов можно получить по двум реакциям: гидролиза и термической диссоциации. Методом гидролиза можно получать вдвое больше водорода, чем его находится в гидриде. Однако этот процесс является необратимым (одноразовые баки), что делает применение таких систем на транспорте практически невозможным. Метод получения водорода термической диссоциацией гидрида дает возможность создать аккумуляторы водорода многоразового действия. Использование гидридов имеет определенные преимущества в отношении техники безопасности, т. к. в баке постоянно находится незначительное количество газообразного водо-
рода при небольшом давлении. Еще одним достоинством такой системы хранения является высокая компактность: в металлическом гидриде плотность водорода больше плотности жидкого водорода.
Основным и очень существенным недостатком гидридной системы является низкое содержание водорода по массе. Контейнер с гидридом LaNi5H2, содержащим 0,5 кг Н2, имеет массу 40-45 кг (в том числе 35 кг гидрида), т. е. массовое число составляет 80-90 кг гидрида на 1 кг Н2 (1-1,5% Н2), и, следовательно, для хранения, например, 5 кг Н2 требуется «тара» (контейнер + масса гидрида) массой около 500 кг. Перспективные гидриды для использования в автомобильном транспорте, например, на основе FeMgTi, MgNi + FeTi, Т^ 1CrMg и других, содержат водорода от 3 до 6-7% по массе, однако их практические использование затруднено из-за недостатка тепла в выхлопных газах для диссоциации водорода, уноса частиц и т. п. Немаловажным обстоятельством является достаточно высокая стоимость гидридов: ~10 $/кг вещества (при 1,5% Н2) и 20-50 $/кг вещества (при 3-6% Н2) [8].
Сравнение массовых, объемных и стоимостных удельных характеристик рассмотренных выше газобаллонной, криогенной и гибридной систем хранения водорода дано в виде диаграммы (рис. 8), откуда следует, что для практической реализации в ближайшей перспективе может быть рекомендована система хранения водорода в баллонах высокого давления из композитных материалов с содержанием водорода не менее 10% от массы баллона. При установке на автомобиль такого газового баллона становится возможным практически без доработок использовать для его заправки водородом существующие газонаполнительные станции для закачки природного газа.
Рис. 8. Диаграмма различных способов хранения водорода
В заключение можно констатировать следующее: энергетические и экологические проблемы, сопровождающие постоянный рост автомобильного парка крупных городов, выходят на федеральный уровень и требуют для своего решения проведения активной государственной политики по развитию новых направлений во-
дородной энергетики — созданию энергосберегающих и экологически безопасных технологий в транспортном комплексе страны. Стратегическим направлением развития экологически чистого транспорта является внедрение водорода в качестве основного энергоносителя для силовой установки автомобиля.
Максимальная энергетическая эффективность использования водорода обеспечивается в варианте транспортной энергоустановки с электрохимическим водородно-воздушным генератором и электроприводом колес автомобиля. Эффективный КПД энергоустановки в этом варианте может достигать 40-45% в условиях езды по городскому циклу. Основная проблема создания массовой энергоустановки на базе ЭХГ — снижение стоимости электрохимических генераторов.
Важнейшей проблемой при внедрении водорода в качестве моторного топлива для любых типов силовых установок является разработка системы хранения водорода на борту автомобиля. В настоящее время наиболее подготовлены для реализации (минимальные вложения в производство и инфраструктуру) системы хранения газообразного водорода в баллонах при давлениях до 40 МПа или в связанном состоянии (гидриды, метанол, этанол и др.). Удельные массы газобаллонных систем с баками из композитных материалов составляют 7-10 кг/кг Н2, с гидридами — 40-70 кг/кг Н2. В перспективе возможно применение криогенных систем хранения с относительными массами 3-5 кг/кг Н2.
Список литературы
1. Корнилов Г. С., Лукшо В. А. Концепция создания экологически чистого автомобиля: ГНЦ «НАМИ». М., 2002.
2. Пашова А. Водородная энергетика: об-зор//Новая энергетика. 2003, № 1. С. 36-38.
3. Мищенко А. И., Белогуб А. В., Савицкий В. Д. и др. Применение водорода для двигателей автомобильного транспорта. Атомно-во-дородная энергетика, 1988. Вып. 8. С. 115-135.
4. Сорокин А. И., Мирзоев Г. К. Сравнительный анализ автомобильных двигателей внутреннего сгорания и энергоустановок на топливных элементах//Труды Второго Всероссийского Семинара. Новосибирск, Россия, 2003.
5. Фатеев В. Н. Топливные элементы//Энер-гия. 1998, №6. С. 11-22.
6. Аваков В. Б., Зинин В. И., Иваницкий Б. А. и др. Основные направления деятельности ОАО «СКБК» в области создания энергетических установок с электрохимическим генератором.
7. Никитин В. А., Соколов Б. А., Худяков С. А. и др. Энергоустановки на основе топливных элементов для российских автомобилей//Труды Второго Всероссийского Семинара. Новосибирск, Россия, 2003.
8. Малышенко С. П., Назарова О. В. Аккумулирование водорода//Атомно-водородная энергетика и технология. 1988. Вып. 8. С. 155-202.
