Экология "Водородное топливо для автомобильных двигателей"


Новый вид энергоносителя для силовых установок транспортных средств

 

Постоянно ужесточающиеся международные требования по ограничению выброса вредных веществ автотранспортными средствами (АТС) и экономии энергоресурсов требуют от производителей разработки принципиально новых энергетических установок, работающих на новых экологически чистых видах топлив ненефтяного происхождения.

 

Преимущества и проблемы использования

Использование автомобильного транспорта в жизнедеятельности человека стало неотъемлемой частью общественного развития. Однако моторизация общества выдвигает ряд серьёзных социальных проблем, среди которых одно из центральных мест отводится вопросам экологии и сохранения природных ресурсов.

Автомобили – основные потребители энергии и одни из главных источников загрязнения атмосферы. Наиболее энергоёмким и экологически опасным компонентом автомобиля является его энергетическая установка. Основные направления совершенствования автомобильных энергоустановок в настоящее время определяются двумя важнейшими социально-экономическими проблемами. Одна из них связана с рациональным использованием топлива нефтяного происхождения, в том числе заменой его альтернативными энергоносителями. Другая же заключается в необходимости снижения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду.

В связи с этим особый интерес представляет сравнительная оценка влияния различных видов топлива на экологические показатели автомобильного двигателя с принудительным воспламенением относительно традиционного топлива – бензина (рис. 1). Из приведённых гистограмм видно, что одним из лучших решений может быть использование водорода или синтез-газа с большой концентрацией водорода как альтернативного топлива для энергетической установки АТС.

Очевидные преимущества водорода заключаются в неисчерпаемости его ресурсов в природе и возможности получения из возобновляемых сырьевых источников. Помимо всего прочего, он обладает чрезвычайно высокой энергоёмкостью (почти в три раза больше, чем у традиционных нефтяных топлив), а также уникальными кинетическими характеристиками. К тому же водород является идеальным экологически чистым топливом, поскольку в продуктах его сгорания отсутствуют углекислый газ, окись углерода, несгоревшие углеводороды.

Двигатель с искровым зажиганием, работающий на водороде, обладает рядом преимуществ по сравнению с бензиновым. Среди них в первую очередь следует отметить возможность качественного регулирования топливовоздушной смеси в очень широких пределах (вплоть до значений коэффициента избытка воздуха 10), что, с одной стороны, открывает перспективы существенного улучшения экономичности двигателя, а с другой – позволяет резко снизить выбросы окислов азота с отработавшими газами.

Вместе с тем ряд физико-химических свойств водорода, определяющих его моторные качества, обусловливает серьёзные проблемы, без решения которых невозможно осуществить перевод традиционного двигателя на питание водородом. В первую очередь следует упомянуть об уменьшении его эффективной мощности при подаче газообразного водорода вследствие крайне низкой плотности, в результате чего его объёмные энергетические характеристики значительно ниже, чем у традиционных топлив. Кроме того, на режимах нагрузок, близких к максимальным, отмечается возникновение явления обратных вспышек. Определённые затруднения в применении водорода связаны и с его взрывоопасностью в случае утечек, а также с появлением хрупкости металла вследствие диффузии водорода в его поверхность.

Большой проблемой является отсутствие экономически оправданных безопасных способов хранения водорода на борту автомобиля для обеспечения его приемлемой энерговооружённости. Заметим, что на сегодняшний день в ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» разработаны и испытаны три способа хранения водорода: в виде сжатого газа в баллонах высокого давления, в сжиженном состоянии в криогенных резервуарах и в связанном состоянии в металлогидридных аккумуляторах. Даже наилучший из них по энергоплотности – криогенный – уступает по этому показателю нефтяным топливам в несколько раз, не говоря уже о том, что в техническом отношении он неизмеримо сложнее систем хранения и транспортирования жидких нефтяных топлив. Поэтому применение водорода в автомобиле сразу упирается в проблему энерговооружённости или, проще говоря, необходимости обеспечения требуемого запаса хода машины. Существующие системы хранения водорода неприемлемы для автотранспорта либо вследствие малой ёмкости, либо по причине технической сложности и недостаточной безопасности в эксплуатации и при аварийных ситуациях.

Следует также заметить, что перевод автомобильных двигателей на питание водородом связан с созданием развитой инфраструктуры, касающейся его производства в массовых масштабах, транспортировки к местам заправки, создания сети заправочных станций. Подобная инфраструктура, по мнению западных экспертов, будет организована только через 20 – 30 лет.

Рассмотренные технические проблемы, связанные с созданием мобильного, экономически оправданного в производстве, безопасного и надёжного в эксплуатации водородного двигателя, обусловлены большими затратами, и без их решения невозможно внедрение водорода в качестве топлива для автотранспорта.

 

 

 

Сравнительная оценка влияния альтернативных видов топлива на экологические показатели автомобильного двигателя с принудительным воспламенением: 1 – бензин; 2 – бензин + продукты его конверсии; 3 – бензин + Н2; 4 – сжиженный нефтяной газ; 5 – сжатый природный газ; 6 – метанол; 7 – метанол + Н2; 8 – синтез – газ (Н2 + СО); 9 – водород (Н2)

 

Получение синтез-газа из метанола

Выход из обозначенной ситуации может быть найден, если в качестве энергоносителя на автомобиле использовать не сам водород, а какое-либо сырьё с приемлемой энергоплотностью, из которого прямо на борту автомобиля можно было бы путем конверсии (химического разложения) получать высоконасыщенное водородсодержащее топливо.

Эта идея отнюдь не нова. Примером её практической реализации могут служить газогенераторные автомобили, сравнительно широко применявшиеся в 30 – 40-е годы прошлого столетия. Роль сырья для получения водородсодержащего топлива может играть и любое традиционное нефтяное топливо, например бензин, поскольку массовое содержание водорода в нём составляет 10 – 15 %.

Однако известные методы конверсии нефтяных углеводородных топлив в водородсодержащее топливо имеют ряд недостатков, ограничивающих возмож­ности их применения на автомобиле. К ним следует отнести высокие температуры процесса, значительные энергетические потери, сравнительно невысокий выход целевого продукта. Сюда же можно приплюсовать склонность к образованию сажи и тяжёлых смолистых соединений, вызывающих «закоксовывание» реактора (генератора водородсодержащего топлива), а также «отравление» каталитической насадки реактора сернистыми соединениями, содержащимися в таких топливах (в случае каталитической кон­версии). Проблема экономии нефтяных ресурсов в этом случае практически не решается. Поэтому более целесообразным является получение синтез-газа из углеводородных топлив ненефтяного происхождения.

 

 

Схема системы конверсии метанола в водородсодержащее топливо для питания двигателя внутреннего сгорания:

1  – двигатель; 2 - карбюратор-смеситель; 3 - переключатель рода топлива; 4 - топливный бак; 5 - теплообменник для испарения метанола и охлаждения синтез-газа; 6 - радиатор двигателя; 7 - пусковой подогреватель охлаждающей воды; 8 - реактор конверсии метанола в синтез-газ; 9 - термостат двигателя.

 

  - охлаждающая жидкость в системе охлаждения;

  - отработавшие газы;

  - синтез-газ;

  - метанол.

 

 

Характеристики энергоносителей для бортового получения водорода

Сырьё

Стоимость,

долл./кг

 

 

Энтальпия

сгорания, кДж/г

Температура конверсии, К

 

 

Содержание в смеси

Н2, % мол.

СО, % мол.

Метан

0,05-0,1

-50,1

1000

76

17,3

Пропан

0,4-0,8

-46,5

700

74

7,2

Бутан

0,5-0,9

-45,7

700

74

9,3

Октан

0,6-0,8

-44,7

>1000

70,8

20,4

Метанол

0,15-0,25

-19,7

533

74,4

4,3

Этанол

0,2-0,3

-26,8

600

73,2

4,3

Диметиловый эфир

0,6 – 1,0

-28,8

533

74,4

4,2

 

Опытный образец водородного двигателя, в котором реализован принцип разложения метанола на синтез-газ, разработанный специалистами ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». Построен на базе серийного ВАЗ-2106.

 

Данные, представленные в таблице, показывают, что наиболее оправданным с технико-экономической точки зрения (исходя из стоимостных показателей и температуры конверсии) базовым сырьём для получения водорода на борту автомобиля можно считать метанол.

Как известно, последний сам по себе является альтернативным топливом, применение которого вместо бензина позволяет улуч­шить экономичность, снизить токсич­ность выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и одновременно решить проблему сохранения нефтяных ресурсов. Кроме того, синтез самого метанола представляется весьма рациональным путём утилизации отходов промышленности и жизнедеятельности.

Вместе с тем применение подобного вида топлива как энергоно­сителя для получения водородсодержа­щего топлива для автомобильных двига­телей позволяет реализовать преимуще­ства водородного двигателя, решив про­блему обеспечения требуемой энерго­вооружённости автомобиля. Метанол лишь в два раза уступает бензину по энергоплотности, проблемы его хранения и транспортировки практически не отли­чаются от таковых для бензинов.

Водо­родсодержащее топливо – синтез-газ, со­держащий от 2/3 до 3/4 водорода по объёму, может быть получен из метанола путём каталитического разложения: СН3ОН → 2Н2 + СО (сухая конверсия) или в присутствии воды: СН3ОН + Н2О → ЗН2 + СО2 (паровая конверсия) при сравнительно низких температурах – до плюс 500 °С при использовании тради­ционных катализаторов на основе благо­родных металлов, а при подборе соответ­ствующих катализаторов – плюс 250-350 °С. Выход целевого продукта при этом составляет от 80 до 98 %.

В продуктах реакции разложения метанола практически полностью отсутствуют тяжёлые углеводородные соединения, способные вызвать «закоксовывание» реактора. Второй компонент синтез-газа, получаемого при сухой конверсии метанола, – окись углерода – также является горючим. В то же время двуокись углерода, образующаяся при паровой конверсии метанола, может быть также полезна как средство «разбавления» рабочего заряда для обеспечения более благоприятного сгорания водорода в двигателе.

Процесс конверсии метанола в синтез-газ сопровождается поглощением энергии, которая в виде тепла расходуется на предварительный нагрев и испарение метанола, перегрев его паров до требуемой температуры реакции и на проведение самой реакции разложения метанола. В результате этого энергосодержание синтез-газа увеличивается по сравнению с метанолом более чем на 20 %. Требуе­мое тепло может быть получено, напри­мер, сжиганием какого-либо топлива (то­го же метанола) в специальных подогре­вателях, испарителях и т. п. Однако в случае получения синтез-газа из метано­ла на борту автомобиля предоставляется возможность ис­пользования для этой цели тепла отработавших газов (ОГ) и тепла, отводимого в систему охлаждения двигателя. Ведь уровень температур отработавших газов (от + 300 до + 800 °С) двигателя с искровым зажиганием вполне достаточен для эффективного разложения метанола, в то время как температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя (около + 90 °С) позволяет обеспечить предварительный подогрев и испарение метанола. Схема такой системы конверсии метилового спирта показана на рис. 2.

На разложение метанола потребуется около 30 % тепла, отводимого в рабочем цикле двигателя с его ОГ и охлаждающей жидкостью. Таким образом, около 1/3 тепла, безвозвратно теряемого в рабочем процессе ДВС, может быть повторно использовано для совершения полезной работы. Очевидно, что подобный способ утилизации тепла ОГ и теплопотерь в системе охлаждения для увеличения энергоёмкости топлива, подаваемого в двигатель, служит мощным средством повышения эффективности ДВС. Только за счёт этого в данном случае при получении водородсодержащего синтез-газа из метанола на автомобиле с последующим использованием его в качестве топлива эффективный КПД двигателя может быть увеличен на 7 – 10 % по сравнению с двигателем, работающим на метаноле. Если к этому доба­вить прирост экономичности, который позволяет обеспечить работу мотора на бедных водородновоздушных смесях, то становится реальностью достижение эффективного КПД 50-55 % при уровне КПД существующих поршневых двигателей 32-38 %.

Широкие возможности по улучшению экономических и экологических показателей ДВС при работе на водородсодержащем топливе, получаемом из метанола на борту автомобиля, без сомнения, компенсируют дополнительные затраты на оборудование машины системой для получения и подачи синтез-газа в двигатель. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию подобных систем проводятся в ГНЦ РФ «НАМИ» и в совместной научно-исследовательской лаборатории НАМИ – МГТУ «МАМИ» под общим руководством д. т. н., проф. В. Ф. Каменева.

За время их осуществления удалось получить ряд наработок по подбору соответствующих композиций катализаторов для разложения, выбрать основные характеристики термохимического реактора конверсии метилового спирта и решить ряд других технических проблем. Итогом же стало изготовление опытного образца двигателя, оборудованного системой конверсии метанола (см. рис. 3).

Результаты стендовых испытаний этого двигателя и дорожных в составе автомобиля подтвердили перспективность выбранного направления в вопросе применения водорода на автотранспортных средствах.

Экспериментальные исследования автомашины, оборудованной системой предварительного термохимического преобразования метанола, показали улучшение его топливной экономичности, оцениваемое расходом энергии на 100 км его пробега при испытаниях по ездовому циклу ГОСТ 20306-85, на 15,1 и 9 % по сравнению с бензиновым и метанольным вариантами соответственно. Испытания этого же автомобиля по ездовому циклу Правил № 83 ЕЭК ООН позволили определить улучшение его экологических характеристик, определяемых выбросами нормируемых вредных компонентов с отработавшими газами двигателя при его работе с системой предварительной конверсии метанола по сравнению с бензиновым и метанольным питанием: выбросы СО снизились на 88 и 55 %, СН – на 71 и 25%, NOх – на 60 и 8 % соответственно.

 

 

В. Ф. КАМЕНЕВ, д.т.н., проф., зав. отделом НАМИ,

Н. А. ХРИПАЧ, к.т.н., зам. зав. отделом НАМИ,

Ю. К. ЯРКИН, доц., МГТУ «МАМИ»