Використовувати водень, як моторне паливо - все про транспорт газу

Перші досліди застосування водню як моторного палива ставляться ще до 1920-их рр. коли газ, призначений для наповнення дирижаблів, використовувався також для живлення двигунів повітряного корабля. В період Великої Вітчизняної війни в Ленінграді, відрізаному від поставок рідкого палива, який відпрацював в аеростатах водень успішно використовувався для двигунів пересувних електростанцій. Експерименти з використання водню як моторного палива проводилися також в післявоєнні роки, проте не отримали розвитку головним чином через те, що практичної потреби в заміні нафтових палив в той час ще не було.

Водень можна було б вважати ідеальним паливом, з огляду на його високу теплоту згоряння, невичерпні запаси, екологічність: вихлоп містить тільки найчистіший водяна пара (без оксидів вуглецю, сажі і диму). Однак ці позитивні властивості водню при застосуванні в якості палива мають і зворотний бік. Перш за все, хоча водень і є найпоширенішим на Землі елементом, у вільному вигляді він відсутній. Основне (за кількістю) водневомісний речовина - вода. Для виділення з неї водню потрібно затратити таку кількість енергії, яке перевищить отримане при спалюванні цього палива в двигуні.

Теплота згоряння водню в розрахунку на одиницю маси дійсно майже втричі перевищує відповідну величину для рідких палив. Але для спалювання 1 кг водню потрібно також майже втричі більше кисню. Отже, теплота згоряння одиниці об'єму стехиометрической (містить мінімально необхідну кількість кисню) водородовоздушной суміші навіть нижче, ніж у рідких і газоподібних вуглеводневих видів палива. Тобто при зовнішньому сумішоутворення, типовому для бензинових ДВС, і однаковому ККД водневий двигун дасть майже на 20% меншу потужність, ніж бензиновий або газовий. Низька теплота згоряння водородовоздушной суміші обумовлена ​​великим питомим об'ємом водню, тому якщо подавати водень в циліндр після закриття впускного клапана, то співвідношення газів можна оптимізувати. Це передбачає зберігання і подачу водню під тиском і спеціальну конструкцію системи подачі палива.

Нарешті, теза про повну нешкідливість вихлопу водневого двигуна також вимагає деякого коректування. Дійсно, при спалюванні водню в кисневому середовищі утворюється тільки водяну пару. Однак при згорянні водородовоздушних сумішей, як і вуглеводневих палив, окислюється атмосферне азот, утворюючи досить шкідливі оксиди NO і NO2. Їх кількість може виявитися навіть вище, ніж у бензинового двигуна (при інших рівних умовах), в зв'язку з більш високими температурами в зоні горіння. До того ж, поки немає ще досвіду спостережень, пов'язаних з інтенсивним викидом в атмосферу водяної пари. Слід також відзначити неминучий витрата мастила на угар.

Але незважаючи на все це, переваги водню як палива для транспортних двигунів очевидні. Більш того, за умови вичерпання ресурсів викопних палив «водневий» двигун може виявитися, поряд з електродвигуном, єдиною альтернативою. Уже сьогодні такі двигуни (як і електромобілі) можуть застосовуватися в обмеженій кількості в умовах гранично жорстких обмежень на склад відпрацьованих газів. Необхідно вести їх розробки і дослідження в розрахунку на перспективу, нехай навіть віддалену.

Однак перш ніж серійно виробляти транспортні засоби, що працюють на водні, треба буде розв'язати ряд серйозних проблем. В першу чергу, необхідно забезпечити виробництво водню в достатніх кількостях. У більшості технологій, що використовуються для цієї мети в хімічній промисловості, сировиною є викопні палива - природний газ. нафту. При цьому витрачається велика кількість енергії, одержуваної за рахунок частини теплоти згорання вихідних вуглеводнів. В якості сировини може використовуватися також і вугілля, але і в цьому випадки втрати енергії більше, ніж при отриманні коксового, светильного або генераторного газу (за своїми «моторним» властивостями мало поступаються водню). Крім того, при відновленні водню з води за допомогою вугілля вивільняється кисень окисляє вуглець, що призводить до утворення СО2 - основного фактора парникового ефекту. Щоб забезпечити водневим паливом значний парк автомобілів, буде потрібно збільшити в кілька разів виробництво вугілля.

Універсальна і екологічно безпечна технологія отримання водню, заснована на електролізі води. Правда, це передбачає наявність надлишків електричної енергії, яких в глобальному розумінні немає і не передбачається, оскільки енергоспоживання зростає швидше, ніж вводяться в дію нові електростанції. Однак в локальному аспекті такі надлишки реально існують - це перш за все гідростанції і ядерні енергоустановки. Складність регулювання потужності на таких електростанціях змушує шукати шляхи використання надлишкової енергії в періоди зниження навантаження, зокрема в нічні години. За умови досить широкого попиту ця енергія могла б використовуватися у виробництві водневого палива. Ще один резерв пов'язаний з ядерними енергоустановки, де водень утворюється в системах охолодження реакторів.

Необхідно також вирішити питання про раціональні способи зберігання водню, призначеного для використання в якості палива. Вільний водень, як і інші горючі гази, може зберігатися або в стислому, або в зрідженому вигляді. Крім того, існують способи зберігання в хімічно зв'язаному вигляді, що передбачають виділення водню безпосередньо на борту транспортного засобу перед подачею в двигун. Порівняння різних варіантів показано в табл. В якості основного показника для порівняння обрано питома енергоємність - кількість енергії, яке при 100-відсотковому використанні може бути отримано в розрахунку на 1 кг маси системи зберігання.

Як показує таблиця, через малу щільність водню для зберігання запасу, що забезпечує отримання рівної роботи з двигуном рідкого палива, потрібно значно більша маса. У 1970-80-х рр. коли в розпорядженні розробників були тільки сталеві балони, варіант із зберіганням водню в балонах всерйоз не розглядався. А кріогенний спосіб зберігання в той період ще не був доведений до рівня, що допускає його застосування на автомобілях. Основна увага зверталася на гідридні акумулятори та реактори на основі гідрореагірующіх сплавів.

Перший варіант заснований на здатності водню утворювати з металами нестійкі з'єднання - гідриди. При певних умовах ці сполуки розпадаються з вивільненням вільного водню. Може використовуватися, наприклад, лантан-нікелевий гідрид LaNi5 H6. Контейнер з цим гидридом, що містить 0,5 кг водню, має масу 40. 45 кг. Отже, питома енергоємність такого бака 1100.1300 кДж / кг (як і у сталевого балона).

Таблиця. Питома енергоємність палива в розрахунку на 1 кг маси системи зберігання

Більш легкий магнієво-нікелевий гідрид Mg2 NiH4 забезпечує питому енергоємність близько 4000 кДж / кг. Температура дисоціації цього гідриду становить 287 ° С, тому гідридний акумулятор повинен обігріватися відпрацьованими газами двигуна. При цьому можуть виникнути труднощі з подачею водню при малих навантаженнях, коли температура газів недостатньо висока.

Можливо також виробництво водню на основі реакції води з гідрореагірующімі сплавами. Це сплави легких металів з присадками, що забезпечують прискорене протікання фізико-хімічних процесів. Реакції води з алюмінієм і магнієм мають вигляд:

Отже, для виробництва 1 кг водню потрібно 9 кг алюмінію або 12 кг магнію. Крім того, в реакціях використовується 18 кг води на 1 кг водню. Таким чином, питома енергоємність складе (без урахування маси деталей, що входять в реакторну систему), відповідно, 3800 і 3400 кДж / кг.

Перевагою зберігання водню в хімічно зв'язаному вигляді є висока безпека. Оскільки вивільняється водень негайно спалюється в двигуні, то кількість вільного газу в системах автомобіля, який утворює з повітрям вибухонебезпечну суміш, - мінімально.

У 1980-і роки в Ленінградському політехнічному інституті був проведений комплекс досліджень по створенню моторних установок із застосуванням реакторів на основі гідрореагірующіх сплавів магнію [1]. В результаті цих робіт були створені працездатні конструкції реакторів для стендових і автомобільних моторних установок. Були детально досліджені особливості робочих процесів двигунів на водневому паливі, проведено широкий комплекс випробувань експериментального автомобіля. Магнієвий сплав у вигляді стружки завантажувався в спеціальні змінні касети, які потім встановлювалися в реактор. Вода в дозованому кількості прокачувалася через реактор, а що утворюється пароводородная суміш осушуваних в холодильнику. Потім майже чистий водень подавався у впускний колектор двигуна.

В останні десятиліття досягнуто значного прогресу в технологіях зберігання газоподібного палива, які можуть бути використані і для водню. Так, фірмою Diehl розроблена багатошарова конструкція, що включає внутрішню алюмінієву втулку і чергуються шари кільцевої і гвинтовий пластикової обмотки. На цій технологічній основі створена серія балонів ємністю від 4 до 150 л, які розраховані на робочий тиск 20 або 30 МПа. Відношення маси балона до його ємності складає близько 0,6 кг / л.

У конструкції балона фірми Mannesman внутрішня частина виконана з високолегованої сталі, а зовнішня є армуючої обмотку з волокнистого матеріалу - його питома міцність в десять разів вище, ніж у сталі. Робочий тиск тут також становить 20 або 30 МПа, обсяг - від 60 до 165 літрів, а маса - від 46 до 110 кг, тобто питомі значення 0,6. 0,8 кг / л.

Фірма Brunswick пропонує повністю пластиковий варіант, виконаний з трьох шарів матеріалів з різними властивостями. За даними виробника, маса таких балонів (при рівних обсягах і тисках зберігається газу) менше маси ємностей з армованого алюмінію і армованої стали в 1,5 і 2 рази відповідно і майже в 4 рази - ємностей з суцільносталевих конструкцій.

При зберіганні водню в зрідженому вигляді показники ще краще. Наприклад, загальна маса криогенного бака ЦТП 0,09 / 1,2, що вміщує 90 л зрідженого газу, - 100 кг. Питома теплота одиниці маси в цьому випадку близько 7000 кДж / кг, тобто тільки в 4 рази менше, ніж для рідкого палива. Однак при цьому значно зростають енерговитрати на скраплення, оскільки температура рідкого водню становить близько 20 К. В даний час розроблені і використовуються промислові криогенні резервуари для більших установок - тепловозних, суднових, авіаційних. Крім підвищених енерговитрат, застосування кріогенного способу зберігання потребує вирішення такої проблеми, як використання або відведення випаровується газу при зупинці двигуна.

На практиці застосовуються конструкції автомобільних моторних установок, засновані на застосуванні як балонних, так кріогенних і гідридних систем.

Певні труднощі пов'язані із забезпеченням рівній потужності двигуна при роботі на водні і на бензині. Крім того, відзначається здатність водородосодержащих сумішей до передчасного займання від нагрітих деталей двигуна і гарячих газів. При зовнішньому сумішоутворення передчасне займання призводить до «зворотним спалахів» суміші у впускному колекторі, що досить небезпечно з точки зору надійності і безпеки експлуатації.

Спеціальними експериментами встановлено надійна кореляція між кордоном «ударів» у впускному колекторі і питомою кількістю теплоти, що підводиться при згорянні, на одиницю маси робочого тіла [2]. Було показано, що безпека забезпечується при коефіцієнті надлишку повітря не менше 2. Таким чином, якщо не вжити спеціальних заходів, потужність двигуна на водні буде приблизно в 2,5 рази нижче, ніж бензинового. Наприклад, для двигуна ВАЗ-2111 номінальна потужність знижується з 52 до 27 кВт.

Для компенсації потужності існує кілька підходів. При збереженні зовнішнього сумішоутворення із загальним змішувачем раціональним вирішенням цієї проблеми є додаткова подача бензину на режимах, близьких до номінальної потужності. Такий підхід був реалізований, зокрема, при розробці системи подачі палива для двигуна ВАЗ-2111 [3]. Одночасно при таких схемах можна зменшити і необхідну масу системи зберігання водню. Але економія рідкого палива, а також зменшення токсичності відпрацьованих газів здійснюються лише частково. Двигун працює на чистому водні тільки на режимах холостого ходу і малих навантажень. Якщо врахувати, що на ці режими припадає значна частина часу експлуатації і основна частка викиду оксидів вуглецю і незгорілих вуглеводнів, то і це вже прогрес в порівнянні з бензиновим двигуном.

При реалізації схем змішаного харчування необхідний обгрунтований вибір раціонального алгоритму регулювання складу суміші, який забезпечить мінімальні витрати бензину і гранично обмежить викид в атмосферу токсичних продуктів згоряння. Такий вибір можливий на основі комплексного моделювання робочого процесу, газообміну, температурного стану та токсичності відпрацьованих газів двигуна. При цьому повинні бути враховані ймовірні відхилення в процесі горіння, що, в свою чергу, дозволить намітити шляхи їх усунення.

На рис. 1 показано зміну максимально допустимої, за умови відсутності «ударів», потужності двигуна при різних складах бензоводородовоздушной суміші. З графіків випливає, що збереження потужних показників базового бензинового двигуна можливо лише при співвідношенні масових витрат водню і бензину не більше 5%. Цей результат повністю узгоджується з даними, які проводилися раніше експериментальних досліджень.

Все сказане відноситься до традиційних систем сумішоутворення - карбюраторним або системам з безперервним уприскуванням палива у впускний колектор. Більш сучасні схеми значно полегшують проблеми, пов'язані з небезпекою «ударів». Так, в системах з дозованим уприскуванням палива можна замінити паливні форсунки газовими клапанами і налаштувати електронну систему управління так, щоб подавати водень в циліндр на такті впуску після закриття випускного клапана. Це виключає попадання водню в випускний колектор і контакт його з гарячими випускними газами. Крім того, відсутність у впускному колекторі водородовоздушной суміші істотно зменшує ймовірність вибуху в колекторі. Проте, контакт суміші в циліндрі з гарячими деталями - випускним клапаном і ізолятором свічки запалювання - неминучий. В якійсь мірі проблему можна вирішити, запровадивши заходи щодо поліпшення охолодження.

Однак в цілому зниження потужності в порівнянні з бензиновими версіями неминуче. У певних випадках з цим можна миритися, враховуючи, що зниження потужності компенсується кардинальним зниженням токсичності відпрацьованих газів. Крім того, двигун, що працює на збідненої водородовоздушной суміші, викидає в атмосферу і меншу кількість оксидів азоту завдяки зниженню температури в зоні горіння. Зниження потужності може бути компенсовано за рахунок наддуву. Для цього буде потрібно істотна переробка конструкції базового двигуна, головним чином щодо посилення деталей, що сприймають механічні навантаження.

Найбільш радикальним рішенням є використання схем з внутрішнім сумішоутворенням і іскровим запалюванням. По-перше, теплотворну здатність горючого газу (завдяки подачі палива безпосередньо в циліндр) слід відносити не до сумарного обсягу водню і горючого газу в колекторі, а безпосередньо до кількості що подається в циліндр повітря. Відповідно, питома

Мал. 1. Залежність максимально допустимої потужності двигуна ВАЗ-2111, що працює на різних складах

бензоводородовоздушной суміші (дросельна заслінка повністю відкрита)