ВОДОРОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ТРАНСПОРТЕ КАК РЕШЕНИЕ

ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Кириллов Николай Витальевич, преподаватель

ГАПОУ Цивильский аграрно-технологический техникум Минобразования Чувашии

Введение

Применение

традиционных

энергоресурсов

на

транспорте,

с

учётом

роста

потребности

в

последнем,

значительно

способствует

росту

масштаба

имеющихся

экологических проблем (смог, кислотные дожди, парниковый эффект и т.д.). Поэтому,

уменьшение токсичных выбросов от работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС),

как наиболее распространённой силовой установки на транспорте, является актуальной

проблемой,

решить

которую

необходимо

и

возможно

переводом

транспорта

на

альтернативное топливо с отказом от использования ископаемых энергоресурсов. Т.о.,

внедрение водородных технологий на транспорте создаёт принципиально новый подход

в

решении

важнейшей

социально-экономической

задачи

страны

по

обеспечению

экологически благоприятной ситуации. Обоснование рациональности такого решения

является целью данной работы. Задачи работы – раскрыть важнейшие аспекты такого

решения:

рациональность

способов

использования

водорода

на

транспорте,

его

получения

как

энергоносителя

и

его

хранения

как

источника

энергии

силовой

установки.

Основная часть:

1.

Рациональный способ использования водорода на транспорте

Создатели

транспортных

средств

(ТС)

и

производители

моторных

топлив

уделяют большое внимание разработке новых ДВС с улучшенными экологическими

характеристиками, работающими на альтернативных видах топлива (природный газ,

пропан-бутановые смеси, метанол, диметиловый эфир, биотопливо, водород (Н

2

) и

водородсодержащие

смеси)

[1,

2].

При

этом

Н

2

отводится

особое

место

среди

альтернатив нефтепроизводному топливу [3] и, по мнению ряда специалистов [4], он

должен

использоваться

не

в

качестве

основного

моторного

топлива,

а

только

как

добавка. Однако перевод ТС на топливные агломераты - это лишь временное снижение

остроты

экологических

и

экономических

проблем

вызванных

эксплуатацией

ДВС.

Следует

понимать,

что

полумеры

(оборудование

транспорта

нейтрализаторами

выхлопных газов, использование синтетических топлив и т.п.), в принципе, не решают

проблем,

т.к.

в

этих

случаях

идёт

борьба

не

с

причиной,

а

с

последствиями

использования

экологически

вредных

способов

преобразования

энергии.

Тогда

как

замена

ДВС

на

электрохимический

генератор

(ЭХГ)

с

прямым

преобразованием

химической

энергии

Н

2

в

электричество,

используемое

для

движения

транспорта,

обеспечит нулевые выбросы вредных веществ в окружающую среду.

2.

Рациональный способ получения водорода как энергоносителя

Разработано

много

способов

производства

Н

2

[5],

но

основную

массу

промышленного Н

2

(до 95% [6]) получают наименее затратным способом – способом

конвертирования

углеводородного

или

углеродсодержащего

исходного

сырья

с

получением смесей Н

2

+СО или Н

2

+СО

2

.

Однако отсутствие экологически чистого производства и высокая стоимость

последующих работ по сбору и хранению углеродного остатка практически приводит к

потерям преимуществ Н

2

полученного таким способом. Следовательно, стратегическое

преимущество остаётся за технологией производства Н

2

без углеродного следа и к

таковым относят электролиз с использованием генерации возобновляемого источника

энергии (ВИЭ).

Технологический процесс получения Н

2

способом электролиза обеспечивает [7]:

относительную

простоту

производства

Н

2

чистотой

99,9

%

в

одном

агрегате,

без

дополнительной очистки; попутное получение на каждый килограмм Н

2

8 кг кислорода;

возможность получения Н

2

непосредственно под давлением; экологическую чистоту

технологического процесса получения Н

2

при соответствующем уровне экологической

безопасности получения первичной электроэнергии.

3.

Рациональный способ хранения водорода как источника энергии силовой

установки

Для

выбора

рационального

конструктивного

исполнения

дополнительных

систем силовой установки с ЭХГ (хранение Н

2

, управление, безопасность) имеются

подготовленные и экспериментально проверенные технические решения [8]. Т.о., с

точки зрения готовности к практической реализации, целесообразно рассмотреть на

рациональность применения газобаллонный, криогенный и металлогидридный способы

хранения водорода.

В первом случае Н

2

хранится в сжатом виде при давлении около 700 атм. При

этом масса Н

2

составляет всего около 3% от массы баллона и для хранения сколько-

нибудь заметного количества газа нужны весьма тяжёлые и объёмные баллоны. Это не

говоря уже о том, что изготовление, зарядка и эксплуатация таких баллонов требуют

особых мер предосторожности из-за опасности взрыва.

Криогенный

способ

подразумевает

сжижение Н

2

и

хранение

его

в

теплоизолированных

сосудах

при −253°C.

Вероятно, что в перспективе криогенное

хранение Н

2

на борту транспортных средств может оказаться конкурентоспособным,

учитывая преимущества этого метода хранения: низкое давление в баках, высокую

массовую

отдачу

по

Н

2

(до

35%),

подготовленность

технологической

и

производственной

базы,

приемлемую

стоимо сть.

Однако,

это

достаточно

энергозатратный процесс, где только процесс сжижения газа обходится в 30-40% той

энергии,

которая

получится

при

использовании

полученного

водорода.

При

этом,

несмотря на теплоизоляцию, Н

2

в баке по-любому нагревается, давление увеличивается,

и газ достаточно быстро стравливается в атмосферу через предохранительный клапан.

Т.о.,

на

фоне

выше

приведенного,

наиболее

выгодно

выглядят

твердые

накопители, так называемые металлогидриды. Эти соединения умеют вбирать в себя,

как губка, Н

2

при одних условиях и отдавать при других, например при нагревании.

В

случае хранения Н

2

в гидридной форме:

а) отпадает необходимость в громоздких и тяжелых баллонах, требуемых при

хранении газообразного Н

2

в сжатом виде, или сложных в изготовлении и дорогих

сосудов для хранения жидкого Н

2

;

б) объём системы уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с объёмом

хранения в баллонах;

в) отпадают расходы на конверсию и сжижение Н

2

.

Уже на сегодняшний день для нужд транспорта создаются гидриды, которые могут

содержать до 130-140 кг Н

2

в 1 м

3

металлического гидрида. Однако реализуемая ёмкость

гидрида вряд ли будет превышать 80 кг/м

3

, но и такое содержание Н

2

в баке ёмкостью

130 дм

3

достаточно на 400 км пробега автомобиля .

Заключение

Внедрение водородных технологий на транспорте создаёт принципиально новый

подход в решении важнейшей социально-экономической задачи страны по обеспечению

экологически благоприятной ситуации.

Практическая

реализация

приведенных

в

работе

рациональных

решений

по

переводу транспорта на водородное топливо позволит:

1) улучшить экологическую обстановку за счёт широкомасштабного внедрения

на

транспорте

водородных

технологий

с

нулевым

выбросом

вредных

веществ

в

атмосферу;

2)

перевести

производство

транспортных

средств

на

качественно

новый

технологический

уровень,

обеспечив

их

производство

на

базе

электрохимических

энергоустановок

с

металлогидридной

системой

хранения

энергоносителя,

что

при

снижении

сбыта

моторных

топлив

на

внешних

рынках

обеспечит

положительный

социально-экономический эффект.