Исследовательская работа Водородные автомобили: реальность или будущее. Исламов Р. НИР Водородный автомобиль. Водородные автомобили реальность или будущее
 Скачать 120.84 Kb.
|
|
1.4 Современное состояние производства водородных автомобилей Многие передовые страны работают над созданием водородных автомобилей. Так, Япония выделила четыре миллиарда долларов на приобретение всех водородных энергетических технологий до 2020 года. В Европе на научные исследования и разработки в области водородной энергетики планируется потратить пять миллиардов долларов. Правительство США выделило 1,7 миллиарда долларов на коммерциализацию транспортных средств на водородных топливных элементах, а также 1,2 миллиарда долларов на производство водорода из угля без эмиссии СО2. Не остаются в стороне и Австралия с Канадой. В рамках европейского проекта CUTE компания Daimler-Chrysler приступила к производству водородных автобусов, а корпорация British Petroleum создает установки для их заправки. Фирма Siemens-Westinghouse занимается сбытом энергетических установок на водородных топливных элементах для использования на электростанциях. Автоконцерны Honda и Toyota начали сдавать в долгосрочную аренду автомобили на водородных топливных элементах, причем последняя уже приступила к серийному выпуску автомобилей с гибридными двигателями (использующими комбинацию бензина и водорода). Компания General Motors планирует испытать фургон на водородном топливе. Аналогичными проектами заняты и такие автогиганты, как Ford Motors и BMW. Уже организовано серийное производство водородных гидридных электрических аккумуляторов. Компания Airbus работает над созданием воздушных транспортных средств на водородном топливе. Компания Hydro Electrolysers проводит успешные работы по организации поставок электролизеров для заправочных станций по различным проектам в Европе. Россия серьезно отстает в этой области. Отсутствие нового, технологичного сектора промышленности не позволит Российской Федерации находиться в одном ряду с развитыми странами мира. Технологический разрыв между Россией и Западом, зависимость нашей страны от передовых государств будут сохраняться и увеличиваться. Недавние энергетические катастрофы в США, Европе и Великобритании, в результате которых без электричества остались миллионы людей, указали на перспективность схемы энергообеспечения страны, при которой электричество вырабатывается энергоустановками на основе топливных элементов непосредственно в местах его потребления, а образовавшиеся избытки уходят в общую сеть. В данном случае кратно снижается зависимость от единой энергетической системы, значительно повышается эффективность вырабатывающих мощностей. Знаменитая японская автомобильная фирма "Тойота" объявила о создании первого водородного автомобиля в 2003 г. Это гибридный автомобиль, в котором водород подается в топливный элемент, от которого питается электрический мотор мощностью 80 кВт. Скорость автомобиля до 150 км/ч, а дальность пробега при наличии трех водородных баков составит 250 км. Гибридный автомобиль фирмы "Тойота". Водородный автомобиль компании "Хонда". Другая известная японская автомобильная компания "Хонда" также в 2003 г. начала поставку па рынок нового автомобиля на водороде с использованием топливного элемента и электрической тяги. Бак для водорода высокого давления (до 350 атм.) интегрирован в автомобильное "дно". При этом предусмотрены особые меры безопасности. При максимальной скорости 140 км/ч и хорошем разгоне эта модель имеет пробег от 180 до 300 км. По планам Японского правительства в стране будет эксплуатироваться до 50 тыс. водородных автомобилей в 2010 г. Американская фирма "General Motors" впервые в мире представила грузовик типа "пикап", в котором водород для топливного элемента производится непосредственно в автомобиле реформингом бензина. 70- киловаттный двигатель пикапа дополнительно поддерживается топливным элементом мощностью 30 – 35 кВт. Автомобильные фирмы Германии активно участвуют в гонке за "водородный автомобиль". Компания ВМW представила водородную версию своего автомобиля "Mini" В модернизированный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания непосредственно впрыскивается глубоко охлажденный водород. Резервуар для жидкого водорода имеет не цилиндрическую форму, а адаптированную к конструкции автомобиля. Поэтому автомобиль сохраняет обычный интерьер и вместимость. Во время тура за мир чистой энергии (2001 г.): Дубай, Брюссель, Милан, Торонто и Лос-Анджелес - компания ВМW демонстрировала 15 водородных автомобилей. Сервисная компания "Hermes Versand" (Гамбург) приступила к испытаниям мерседеса-фуры, где используется топливный элемент, работающий на сжатом газообразном водороде. Использован электрический мотор мощностью 55 кВт. Фура при максимальной скорости 120 км/ч имеет дальность пробега до 120 км. Полезный объем автомобиля сохранен. Водородный автомобиль фирмы "БМВ". В Германии в небольшом городе Барт на берегу Балтийского моря планируется выпустить на маршрут водородный автобус. Интересно, что использование водорода окажется экономически выгодным по следующей причине. Имеющееся в городе производство по переработке сточных вод требует большого количества кислорода, который получают электролизом воды. В этой технологии водород является побочным "выбросным" продуктом. Его-то и планируется использовать как топливо для автобусов. Следует подчеркнуть, что это хороший пример того, как комплексное использование водорода и кислорода – продуктов электролиза воды – может быть рационально использовано в смежных технологиях. Совершенно очевидно, что эксплуатация водородных автомобилей в массовом масштабе потребует создания водородной заправочной инфраструктуры. Поэтому это направление развития водородной экономики также находится под пристальным вниманием компаний, намеренных осуществить широкую коммерциализацию водородных автомобилей. В Германии интенсивно накапливается технический и коммерческий опыт проектирования, строительства и эксплуатации водородных станций для обслуживания водородного автомобильного транспорта. В 1997 г. была основана новая компания по энергетическим технологиям, которая ведет теперь проекты водородных заправок. Сооружаются четыре заправочных станции: в аэропорту Мюнхена, в Гамбурге, Оберсдорфе и в индустриальной зоне Брунталнорд вблизи Мюнхена. В октябре 2002 г. в Берлине открыта первая водородная заправочная станция для обслуживания наземного транспорта как жидким водородом, так и сжатым газообразным водородом. Обеспечение жидким водородом взяла на себя фирма "Lind", для хранения на станции используется охлаждаемая цистерна объемом 18 м3 и соответствующий трубопровод. Газообразный водород производится в мембранном электролизере высокого давления американской компании "Hogen" и хранится в баллонах при давлении 250 бар. На данном этапе производительность электролизера 1 м 3 /ч, однако к 2004 г. она будет увеличена в 100 раз. Эта автозаправочная станция является частью проекта, поддерживаемого ЕС, в результате которого все автобусы будут переведены на водород в течение нескольких месяцев сначала в Берлине, а затем в Копенгагене и Лиссабоне. Автобусы для этих линий производит фирма "MAN". Проект был рассмотрен Берлинским Сенатом, который оказывает ему помощь и поддержку. Вторая водородная заправочная станция введена в строй в Берлине летом 2003 г. Она является частью проекта "Партнерство чистой энергетики", по которому БТК и производители автомобилей и топлив будут испытывать новую технологию. Эта станция, кроме того, будет использовать природный газ и бензин. БТК предполагает также закупить двухэтажные автобусы на топливных элементах. Следует также отметить перспективы Гамбурга. Согласно программе Европа-Квебек, осуществляемой Германией и Канадой, в 2005 г. весь городской автобусный парк Гамбурга переведен на водород. Относительно дешевый водород будет производиться на гидроэлектростанциях Канады (особенно эффективно за счет "провальной" гидроэлектроэнергии, вырабатываемой в ночное время, в межсезонье и т.д.). Затем он будет сжижаться и на специальных танкерах доставляться в Европу. Водородная экономика интенсивно внедряется не только в экономическую, но и в политическую жизнь Германии. Показательно, что Германская партия зеленых, широко представленная в федеральном и в земельных парламентах, организовала в Берлине Водородный Конгресс-2001 под лозунгом "От нефти к солнечному водороду — мировая энергетическая политика будущего". На конгрессе политики, промышленники и экологические организации широко обсуждали проблемы стоимости индустриальной стратегии солнечно-водородной экономики, политические и экономические успехи в этой области. При поддержке правительства16 создаются новые компании, призванные обеспечить лидерство Германии в области топливных элементов и водородной экономики. Лидеры на уровне министров отслеживают развитие водородной экономики. Правительство представляет фонды для ведущих проектов, что вызывает приток частных инвестиций. Аналогична ситуация и в других развитых странах мира, что составит предмет наших будущих публикаций. Норвежская компания "Статкрафт", Шведская компания "Сидкрафт" и Швейцарско-Шведская промышленная группа "АВВ" объединяют свои усилия в строительстве экологически чистого завода по производству водорода. Завод будет расположен в Норвегии и будет использовать энергию ветра. Компания Boeing провела в начале 2008 г. летные испытания первого пилотируемого самолета на водородном топливе. В конце 2007 г. компания сообщала об успешном испытании 4-х цилиндрового двигателя внутреннего сгорания, работающего на водороде. Его планировалось установить на разрабатываемом в Boeing беспилотном самолете-разведчике, который должен будет летать на высоте 20 км с нагрузкой до 910 кг. В эмирате Абу-Даби планируется строительство самой большой в мире водородной электростанции, на которую будет потрачено 15 миллиардов долларов. Итак, развивающаяся в настоящее время в мире коммерциализация водородной техники, водородных технологий и водородных энергетических систем, основанная на успехах конкретных технических решений, обеспечит в ближайшие годы реальное вхождение водородной экономики в жизнь индустриально развитых стран. Немаловажно, что между компаниями — индустриальными гигантами Германии, США, Японии уже сейчас наметилась скрытая (а иногда и открытая) борьба за будущие рынки сбыта водородной техники. 2 Исследовательская часть В исследовательской части настоящей исследовательской работы мы попытаемся выяснить проблемы внедрения водородных двигателей для массового производства автомобилей. 2.1 Хранение водорода Атомы водорода являются самыми маленькими из всех известных атомов. Поэтому молекулы водорода могут проникать сквозь любое вещество. Водород невозможно удержать в баллоне – молекулы водорода настолько малы, что легко диффундируют сквозь металл. Это означает, что даже самые толстые стальные стенки будут медленно пропускать водород. Кроме того, для приемлемой величины пробега автомобиля между двумя заправками, в него должны загружаться не один, а несколько тяжелых резервуаров со сжатым водородом. Это отрицательно скажется на грузоподъемности автомобиля: из пятиместного он превратится, например, в двухместную «пороховую бочку». Водород является горючим газом, который очень трудно удержать в герметическом резервуаре, например, в баллоне высокого давления. Это создает вполне реальную и постоянно присутствующую угрозу возгорания и взрыва водорода на борту автомобиля или на заправочной станции. Водород имеет широкие концентрационные пределы горения и детонации, высокую скорость распространения пламени (в 8 раз выше, чем у метана), а также низкую (в 14.5 раза ниже, чем у метана) энергию воспламенения. Вместе с тем, низкая плотность и высокая скорость диффузии водорода способствуют быстрому снижению его концентрации на открытой местности и в вентилируемых помещениях. К тому же водород имеет достаточно высокую нижнюю границу детонации (в 2.06 раза выше, чем у метана), что существенно снижает его взрывоопасность в реальных условиях. Предлагаются следующие способы хранения водорода на автомобилях: 1. Сжатый газообразный водород. 2. Сжиженный водород 3. Металл-гидридные аккумуляторы. 2.1.1.Сжатый газообразный водород Хранение сжатого газообразного водорода в газовых баллонах и стационарных системах хранения, включая подземные резервуары (газгольдеры). Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 МПа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками. Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из аустенитной нержавеющей стали или другого материала, совместимого с водородом в условиях высокого давления, внешние слои сделаны из высокопрочных сталей. Для этих целей применяют и бесшовные толстостенные сосуды из низкоуглеродистых сталей, рассчитанные на давление до 40…70 МПа. При этом масса баллона для хранения 1 кг водорода достигает 33 кг. Сегодня системы хранения сжатого водорода с давлением до 35 МПа обеспечивают автомобилю пробег порядка 200 км. Для увеличения запаса хода между двумя заправками до 500 км необходимо повысить давление в баллонах до 70 МПа, что весьма проблематично. Кроме того, для обеспечения требований безопасности необходимо, чтобы баллон выдерживал ударное давление, по крайней мере, вдвое превышающее рабочее давление газа. Увеличению размеров баллонов препятствуют габариты автомобиля и увеличение массы самих баллонов. Автомобильная компания Mazda выбрала баки с газообразным водородом. 2.1.2 Сжиженный водород Хранение жидкого водорода в стационарных и транспортных криогенных контейнерах. В таком состоянии объем водорода уменьшается в 700 раз. Жидкий водород имеет температуру кипения - 252,4 С0. Одной из проблем хранения водорода в жидком состоянии является то, что в таком виде он находится в узком интервале температур: от точки кипения 20 К до точки замерзания 17 К, когда он переходит в твердое состояние. Если температура поднимается выше точки кипения, водород переходит из жидкого состояния в газообразное. Еще одной проблемой являются потери на испарение. За каждые сутки выкипает 3…4 % жидкого водорода. Автомобильная компания BMW выбрала баки, где водород хранится в жидком виде. В промежуток между стенками такого водородного бака закачивается жидкий воздух. В таком баке водород почти не нагревается, пока испаряется жидкий воздух во внешней «рубашке». С таким устройством, говорят в BMW, водород в бездействующей машине может сохраняться почти без потерь примерно 12 дней. 2.1.3 Металл-гидридные аккумуляторы Для хранения водорода в автомобиле наиболее выгодно использовать гидриды металлов. Некоторые металлические сплавы имеют особенность при определенных давлениях насыщаться водородом и образовывать с ним химические соединения — гидриды. В процессе связывания водорода с металлом выделяется теплота, которую необходимо отводить. Для обратного процесса выделения водорода баллоны с гидридом необходимо нагреть. Такой способ хранения имеет высокую плотность упаковки топлива, но чреват тем, что эта ёмкость может нагреться и отдать водород не только от нагревателя, но и, например, от солнца или работающего двигателя, что может вызвать утечку водорода и взрыв. Можно создать специальные покрытия, термостаты, датчики утечки, систему вентиляции и т.д., но тогда стоимость автомобиля сильно возрастет . Для хранения большого количества газообразного водорода применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами. Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 МПа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками. Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из аустенитной нержавеющей стали или другого материала, совместимого с водородом в условиях высокого давления, внешние слои – из высокопрочных сталей. Для этих целей применяют и бесшовные толстостенные сосуды из низкоуглеродистых сталей, рассчитанных на давление до 40 – 70МПа. Широкое распространение получило хранение газообразного водорода в газгольдерах с водяным бассейном (мокрые газгольдеры), поршневых газгольдерах постоянного давления (сухие газгольдеры), газгольдерах постоянного объёма (ёмкости высокого давления). Для хранения малых количеств водорода используют баллоны. Мокрые, а также сухие (поршневые) газгольдеры сварной конструкции не обладают достаточной герметичностью. Согласно техническим условиям допускается утечка водорода при нормальной эксплуатации мокрых газгольдеров вместимостью до 3000 м3 – около 1,65%, а вместимостью от 3000 м3 и более - около 1,1% в сутки (считая на номинальный объём газгольдера). В последнее время ведутся работы по поиску новых способов хранения водорода. Для этого предлагают использовать достижения в области нанотехнологий. Так, ученые нашли принципиально новый способ хранения водорода: нужно, чтобы он был сорбирован каким-либо веществом, то есть «прилепился» к другим молекулам или поверхностям и оказался бы связанным. В последние годы на роль таких сорбентов прочат различные виды нановеществ (углеродные нанотрубки). Лабораторные эксперименты свидетельствуют о перспективности такого подхода. Показателем эффективности хранения водорода в этом случае является показатель кратности веса (массы) сорбированного водорода относительно веса сорбента. Считается, что критический минимум этого показателя, при котором можно будет эффективно хранить водород для его использования в топливных элементах, равен 6%. Сегодня в США достигнут уровень 2,6%, в Японии – 0,8%. Таким образом, вопрос о топливных баках для водородных автомобилей до конца не решен. 2.2 Получение водорода Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной (93 ат.%) и одним из самых распространенных на Земле – 15.52 ат.%, среднее содержание водорода в земной коре 1.4 г/кг. Основными источниками водорода на Земле являются вода и органические соединения, включая нефть, природный газ и биомассу. Ниже приведены основные способы получения водорода. 2.2.1 Паровая конверсия метана Получение водорода из природных органических топлив в настоящее время наиболее широко освоено. Основной технологией является паровая конверсия метана. По указанной технологии получают около 85% производимого в мире водорода, что обусловлено достаточно высокой (более 80%) эффективностью процесса, приемлемой стоимостью и отлаженной инфраструктурой транспортировки исходного сырья. В процессе паровой конверсии метана возможно протекание следующих реакций одновременно: CH4 + H2O = CO + 3H2 – 206,33 кДж (1) CO + H2O = CO2 + H2 + 40,91 кДж (2) CH4+ 2H2O = CO2 + 4H2 – 165 кДж (3) CH4 = C + 2H2 –74,8 кДж (4) Чтобы избежать появления углерода, процесс конверсии необходимо проводить при избытке окислителя, в частности водяного пара. Стоимость водорода для данной технологии оказывается самой низкой по сравнению с другими методами и существенно снижается по мере увеличения производительности: от 11.2 долл. США за 1 ГДж (1.3 долл. США/кг Н2) для сравнительно малых промышленных установок мощностью 270 тыс. м3 водорода/сутки до 5.5 долл. США за 1 ГДж (0.66 долл. США/кг Н2) для крупных (7 – 25 млн. м3 водорода/сутки). Основным недостатком получения водорода из природного газа является зависимость от поставок сырья, запасы которого распределены всего между несколькими регионами мира (Ближний Восток – 40.8%, Россия – 26.7%, Иран – 15.2%, Катар –14.7%). В процессе паровой конверсии метана образуется большое количество СО2, утилизация которого требует значительных капитальных затрат и эксплуатационных расходов, что существенно повышает стоимость конечного продукта. Кроме этого, метод паровой конверсии метана плохо адаптируется на установки малой производительности для децентрализованного производства водорода (например, заправочных станций, автономных энергосистем и т.п.). Еще одна проблеме заключается в том, что по методу ПКМ получается неочищенный (технический) водород. 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, приближая к стоимости более чистого электролитического водорода. |