Перспективы применения водородного топлива

Накопленный к настоящему времени мировой и отечественный опыт применения водорода в автотранспорте показывает, что водород обладает рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными нефтяными моторными топливами. Наиболее актуальными из этих преимуществ сейчас являются возможность значительного повышения экономичности автомобильных ДВС и экологическая чистота водорода как моторного топлива.

Водород обладает чрезвычайно высокой энергоемкостью (почти в три раза больше, чем у традиционных нефтяных топлив), уникальными кинетическими характеристиками.

Двигатель с искровым зажиганием, работающий на водороде, обладает рядом преимуществ по сравнению с бензиновым. В первую очередь следует отметить возможность качественного регулирования топливовоздушной смеси в широких пределах (вплоть до значений коэффициента избытка воздуха а = 3 и более). Это, с одной стороны, открывает перспективы существенного улучшения экономичности двигателя, а с другой - позволяет резко снизить выбросы окислов азота с отработавшими газами (рис. 10).

При работе на водороде такое обеднение смеси не вызывает сколько- нибудь серьезных проблем в отношении устойчивой работы двигателя, в то время как доля рабочих режимов с частичной нагрузкой двигателя в условиях городской эксплуатации автомобиля весьма велика. Поэтому интегральные выбросы окислов азота при работе транспортного средства на водородном топливе по условному ездовому циклу в 4-5 раз меньше, чем у двигателя, работающего на углеводородном топливе. Вместе с низкой токсичностью отработавших газов работа двигателя на водороде характеризуется более высоким значением эффективного КПД. По данным НАМИ при работе по внешней скоростной характеристике прирост эффективного КПД составляет 10-13 %, а при работе на режимах частичных нагрузок этот показатель достигает 30 %.

Показатели токсичности отработавших газов и КПД двигателя в зависимости от состава смеси

Рис. 10. Показатели токсичности отработавших газов и КПД двигателя в зависимости от состава смеси

При всех своих преимуществах водород обладает одним существенным недостатком - крайне низкой плотностью, в результате чего его объемные энергетические характеристики значительно ниже, чем у традиционных топлив. В настоящее время известны три способа хранения водорода: в виде сжатого газа в баллонах высокого давления, в сжиженном состоянии в криогенных резервуарах и в связанном состоянии в металло-гидридных 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 транспортировки жидких нефтяных топлив. Поэтому применение водорода в автомобиле связано с проблемой энерговооруженности (или, проще говоря, запаса хода) автомобиля. Для успешного применения водорода в автотранспорте необходимо также решение проблемы безопасного аккумулирования водорода на борту автомобиля для обеспечения приемлемой энерговооруженности. Существующие системы хранения водорода неприемлемы для автотранспорта либо вследствие малой емкости, либо из-за технической сложности и недостаточной безопасности в эксплуатации и в аварийных ситуациях (табл. 45).

Таблица 45

Параметры хранения водорода

Параметры

Бензин

Водород

Из

мета-

нола

Баллоны высокого давления

Металл

гидрид

Криогенный

бак

стальные

фиберглассовые

композит

Объем топливного бака, л

55

70

2,54

3,33

2,54

25

100

Давление, МПа

ОД

0,1

20

20

20

0,1

0,1

при -253 °С

Вес бака без топлива, кг

7,5

9

125

72

60

117

95

Вес топлива, кг

40,5

56,5

2

1,8

2

1,5

7

Пробег, км

465

465

65

60

65

50

220

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

Роль сырья для получения водородсодержащего топлива может играть и любое традиционное нефтяное топливо, например, бензин, поскольку массовое содержание водорода в нем составляет около 15 %. Однако известные методы конверсии бензина 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, склонность к образованию сажи и тяжелых смолистых соединений, вызывающих закоксовывание реактора (генератора водородсодержащего топлива), отравление каталитической насадки реактора ядовитыми для него соединениями, содержащимися в бензине. Проблема экономии нефтяных ресурсов в этом случае практически не решается.

Азотоводородное топливо состоит из азота и водорода [47]. Основными видами азотоводородного топлива являются гидразин (N2^) и аммиак (]МНз). Возможность использования аммиака в качестве топлива установлена разными исследователями, но у него оказались плохие характеристики сгорания. Предполагается, что скорость сгорания гидразина в воздухе выше скорости сгорания аммиака и углеводородов. В связи с этим гидразин должен сгорать быстрее и полнее. При полном сгорании и после удаления окислов азота, которые могут образоваться, азотоводородное топливо не будет загрязнять окружающей атмосферы.

Часто рассматривается возможность использования аммиака и гидразина в качестве автомобильного топлива только в чистом виде. Наибольших преимуществ для азотоводородного топлива можно достичь при использовании бинарных или тройных смесей: гидразина с аммиаком и/или с водой, температура замерзания которых ниже -54 °С.

Термин «азотоводородное топливо» образовался по аналогии с более знакомым «углеводородное топливо», к которому относятся применяемые в настоящее время бензин и дистилятные топлива. По существу в азотоводородном топливе углерод замещен азотом. Азот является основным компонентом воздуха и имеется в природе в большем количестве, чем ископаемые топлива, которые в настоящее время служат основным источником углерода.

Из всех теоретически возможных соединений азота и водорода только два соединения являются достаточно стабильными и представляют интерес для рассмотрения в качестве возможного автомобильного топлива: аммиак и гидразин. Остальные азотоводороды очень нестабильны и непригодны для использования в качестве топлива. Аммиак, являющийся низшим членом азотоводородов, так же, как и метан - низшим членом углеводородов, не обладает подходящими свойствами для использования в качестве автомобильного топлива. В то же время вещества, молекулы которых имеют больше, чем один, атом углерода или азота (соответственно бензин или гидразин), являются более перспективными топливами. Их, в частности, легко хранить и транспортировать, потому что они при обычной температуре представляют собой жидкости.

Аммиак и гидразин ранее предлагались в качестве автомобильного топлива [48, 49]. Были проведены интенсивные экспериментальные исследования аммиака в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания [49, 50, 51, 52], но относительно испытаний гидразина сообщений довольно мало. Основываясь на работах по использованию гидразина в качестве ракетного горючего, Корпорация по исследованию ракет (США) провела экспериментальную и аналитическую оценку возможности использования гидразина в качестве автомобильного топлива. Некоторые из этих испытаний носят всего лишь предварительный характер, но полученные результаты свидетельствуют о том, что работать в этом направлении имеет смысл.

Предположение об использовании вместо углеводородного азотоводородного топлива сделано на основании того, что разведанные запасы угля могут удовлетворить не только потребность в энергии, но и в производстве синтетического топлива на многие сотни лет. Возникает вопрос, правильно ли будет с точки зрения воздействия на окружающую среду добыть и сжечь все ископаемое топливо, используя его только для энергетических целей. Очень скоро не только нефть, но и уголь, может быть, придется резервировать для использования в химической промышленности, где не так легко найти подходящие источники сырья, как в энергетике. Доступность относительно дешевой электроэнергии, которую можно получать с помощью ядер- ной или солнечной энергий, изменит энергетическую картину в пользу синтетических неископаемых топлив, которые при наличии таких источников энергии могут вырабатываться из воды и воздуха.

Гидразин обладает свойством не только сгорать, как бензин, но и разлагаться в отсутствии воздуха в регулируемом режиме, что дает возможность использовать его в различных вариантах.

Физические свойства некоторых азотоводородных топлив в сравнении со свойствами других необычных топлив и и-октана приведены в табл. 46.

Таблица 46

Физические свойства некоторых альтернативных видов топлив

Параметр

Метанол

Этанол

Жидкий

аммиак

Г идразин

Жидкий

водород

Для сравнения л-октан

Температура плавления,

°С

-97,78

-114,44

-77,72

1,5

-259,22

-56,78

Температура кипения, °С

64,72

78,89

-33,33

114,22

-252,78

125,62

Теплота образования при 25 °С, ккал/моль

^9,465

-54,64

  • -23,87
  • (газ)

-11,07

  • -18,828
  • (жидкость)

-51,966

Низшая теплота сгорания, ккал/кг

4 761

6 393

4 186

3 983

27 736

10 606

Высшая теплота сгорания, ккал/кг

5 418

7 078

5 112

4 638

32 954

11 441

Теплота парообразования при температуре кипения в нормальных условиях, ккал/кг

263,13

100,13

326,80

323,91

106,56

71,87

Плотность жидкости при 25 °С, кг/м3

0,7821

0,7894

0,6819

1,0037

  • 0,0708
  • (при
  • -253,3 °С)

0,69849

Упругость паров при 25 °С, мм рт. ст.

58,674

21,590

3693,16

6,960

7,366

За основу для сравнения были выбраны показатели свойства н-октана, отражающего свойства бензина. Следует, однако, учитывать, что реальные физические свойства бензина, такие, как фракционный состав и плотность, значительно отличаются от приведенных в табл. 46. Обычно принято оценивать топливо по его теплоте сгорания. Водород имеет наибольшую теплоту сгорания, и это одна из причин того, что ведутся большие работы по использованию водорода на автомобильных двигателях. Однако водород сжиженный, компримированный и связанный в гидридах металлов имеет очень небольшую плотность. Для хранения водорода в автомобилях потребуются очень большие топливные баки, которые займут большую часть объема, используемого обычно для размещения пассажиров и грузов.

Учитывая, что автомобиль имеет ограниченный объем, плотность топлива служит для него важным оценочным критерием. Создание более громоздких автомобилей, несомненно, приведет к дополнительным аэродинамическим потерям, которые во многих случаях не учитываются, поэтому для более реальной оценки качества альтернативных видов топлив необходимо сравнивать их объемную теплоту сгорания, как это показано на рис. 11, где сравнивается теплота сгорания в килокалориях на литр, а не на килограмм. Как видно, бензин с точки зрения энергетической плотности действительно является наиболее желательным топливом. Но вместе с тем рядом с бензином стоит гидразин, являющийся основным азотоводородным топливом. По плотности он превосходит другое альтернативное топливо - метанол. Следует учитывать, что температурные пределы жидкого состояния гидразина очень близки к температурным пределам жидкого состояния воды. Температура замерзания гидразина равна 1,7 °С, что налагает ряд ограничений при его использовании в различных географических зонах.

Из-за высокой температуры замерзания гидразина и другими его эксплуатационными свойствами к нему целесообразно добавлять антифриз для того, чтобы его можно было использовать как автомобильное топливо. Выбор антифриза ограничивается жидкостями, смешивающимися с гидразином и не вызывающими неприемлемые проблемы загрязнения окружающей среды. Наиболее эффективным антифризом для гидразина является вода и/или аммиак. Обе эти добавки понижают не только температуру замерзания гидразина, но и объемную теплоту сгорания (фактор нежелательный). В Корпорации по ракетным исследованиям (США) были испытаны двойные и тройные смеси гидразина с аммиаком и/или водой в зависимости от требовавшейся температуры замерзания.

Минимальная температура для ряда условий применения топлив была равна -54 °С, поэтому для испытания была выбрана тройная смесь ТТ7—1, состоявшая из 64 % гидразина, 10 % аммиака и 26 % воды. Ее теплота сгорания при равных объемах на 20 % меньше, чем у метанола. Однако существует определенная зависимость между энергоемкостью и температурой замерзания. При более высокой температуре, чем -57 °С могут быть достигнуты и более высокие энергоемкости смеси.

5. Альтернативные виды автомобильных топлив

Сравнение теплотворной способности альтернативных видов топлив

Рис. 11. Сравнение теплотворной способности альтернативных видов топлив: 1 - п-октан; 2 - гидразин; 3 - метанол (получаемый из угля); 4 - смесь ТР-1; 5 - аммиак; 6 - гидразингидрат; 7 - жидкий водород; 8 - природный газ (при 0,14 МПа); 9 - газообразный водород (при 0,14 МПа)

ТБ-1 и подобные низкозамерзающие смеси выбирались в области максимальной плотности тройной смеси гидразин-аммиак-вода - неожиданное, но желательное преимущество при выборе топливных смесей. Существуют предварительные данные, согласно которым смесь чистого гидразина с воздухом характеризуется низким октановым числом и склонностью к детонации. Эта тенденция может быть снижена путем добавления воды и/или аммиака. Известно, что у аммиака очень высокое октановое число. Следовательно, на стороне ^ТЦ-МИз имеется целая гамма октановых чисел от очень низких до очень высоких. На стороне октановое число

возрастает до тех пор, пока композиция станет негорючей из-за преобладания воды. Следовательно, получение заданного октанового числа возможно для смесей соответствующего состава. Также имеется некоторая зависимость между октановым числом и энергоемкостью смеси.

При оценке азотоводородного топлива и, в частности, гидразина как соединения, содержащего водород и источник энергии, важное значение имеет то, что содержание водорода в молекуле гидразина в 2 раза больше, чем в молекуле сжиженного водорода: 0,12 г/см3 по сравнению с 0,07 г/см3. Далее, в связи с тем, что гидразин обладает положительной энтальпией, его теплота сгорания выше теплоты сгорания смеси, состоящей из 12,5 % водорода и 87,5 % азота, поэтому азот в гидразине является не просто разбавителем водорода.

Исследования и предварительные испытания показали, что азотоводородное топливо приемлемо в качестве автомобильного после истощения ресурсов ископаемых топлив. Для ответа на вопросы, касающиеся удельного расхода такого топлива и его термического КПД в ДВС, требуется проведение дополнительных испытаний. Перспектива использования азотоводородного топлива зависит от разработки достаточного экономического метода его синтеза из воздуха и воды с помощью электрической энергии, вырабатываемой другим источником. Перспектива использования азотоводородного топлива будет также зависеть и от его конкурентоспособности при сопоставлении с другими синтетическими топливами - заменителями бензина.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >