ГОРЮЧЕЕ - КАКИМ ЕМУ БЫТЬ?

Александр Идин

(Продолжение. Начало в № 2 - 2006)

Закончатся нефть и газ в ближайшем будущем или не закончатся - вопрос открытый. Прогнозы об истощении мировых запасов и коллапсе всей энергетики делаются регулярно, но столь же регулярно обнаруживаются новые месторождения. К тому же постоянно совершенствуются технологии энергосбережения, повышается к.п.д. энергоустановок, а один из главных потребителей горючего - автомобиль - потребляет его все меньше. Но рано или поздно переход на альтернативные источники энергии произойдет, и надо быть к этому готовым.

По мнению ряда специалистов, основным сырьем для химической промышленности скоро станут уголь и биомасса, в том числе и бытовые отходы. В биосфере находится около 800 млрд тонн биомассы, причем 200 млрд тонн ежегодно возобновляется. Реально, уже сейчас из биомассы вырабатывается горючее для двигателей: биогаз, бензин из рапса, керосин из сои и др. Пока вырабатывается всего сотни тысяч тонн в год, но по оценкам тех же специалистов, к 2010 году в странах Европейского сообщества 7 % горючего будет получено из биомассы.

Фирмы ВР и "Дюпон" приступили к совместной разработке и производству нового биотоплива для автомобилей - биобутанола. Его свойства сходны с этанолом, но его можно смешивать с бензином в гораздо большей пропорции, чем этанол. Биобутанол можно получать из сахарной свеклы, сахарного тростника и других сельскохозяйственных культур.

В предыдущем номере журнала говорилось о получении метанола, диметилового эфира и других видов жидкого и газообразного горючего из угля. А в природе существует еще и биогаз, который образуется как бы сам по себе. Обнаружить его можно на болоте. Стоит поворошить палкой в илистом дне, как тут же на поверхность поднимутся пузырьки газа, который образуется в анаэробных условиях при разложении органических соединений. Конечно, никто не станет ковырять палкой и собирать газ в специальный баллон. Для этого существуют промышленные технологии. Сырье (навоз, трава и т.д.) помещается в бак-ферментатор, в котором в процессе брожения и многоступенчатых химических реакций оно преобразуется в метан. Из одного кубического метра жидкого навоза можно получить до 40 м3 биогаза (такое же количество газа получается при использовании куриного помета). А вот из одной тонны простой травы можно получить 125 м3 биогаза. Биогаз уступает природному газу по теплотворной способности (7,5 против 10,1 кВт·ч/м3).
Но не все так радужно, как хотелось бы: в биогазе присутствуют примеси, имеются проблемы с удалением из него серы и других вредных примесей. Если не принять никаких мер, то эти примеси приведут к быстрому износу ДВС и коррозии его элементов.

Тем не менее уже выпускаются для предприятий сельской местности установки, обеспечивающие переработку как отходов лесного и сельскохозяйственного производства, так и специально выращиваемой биомассы. Получаемое с помощью этих установок биотопливо (в виде жидкого и газообразного горючего) можно использовать для производства тепловой или электрической энергии. При переработке одной тонны древесных опилок можно получить 500 кг горючего (до 50 % в жидком виде, до 20 % в газообразном, до 20 % в виде древесного угля).

Конечно, ездить можно на многих видах горючего, но для массового использования той или иной разновидности надо, чтобы она удовлетворяла многим, в том числе и экологическим требованиям. Именно они в настоящее время стали не просто одними из главных, а самыми главными требованиями. В научно-исследовательских институтах, в лабораториях автомобильных корпораций проводятся разносторонние и весьма дорогостоящие исследования. В первую очередь они направлены на поиск горючего, максимально удовлетворяющего требованиям по ограничению выбросов двуокиси углерода (СО2). Проверялась работа двигателя на природном газе, смесях бензина с водородом и т.д. Исследования показали, что при работе серийного двигателя на природном газе происходит снижение выбросов СО2 на 38 %. Если же в этот природный газ добавить в определенной пропорции водородосодержащий синтез-газ, то выбросы снизятся на 52 % (по данному параметру двигатель удовлетворяет требованиям Euro-5).

При использовании водорода в качестве добавки к основному топливу, а тем более при применении синтез-газа или чистого водорода, резко снижаются выбросы СН и NОx.

Результаты испытаний подтвердили экологические преимущества водорода. Даже при смешанном питании двигателя водородом и бензином выбросы оксида углерода снижаются в 10 раз, выбросы несгоревших углеводородов - в 2…3 раза, окислов азота - в 2 раза. Топливная экономичность при работе автомобиля на бензоводородном топливе по сравнению с работой на бензине повышается в среднем на 17 %.

Очевидным преимуществом водорода является его неисчерпаемые ресурсы в природе и возможность получения из возобновляемых сырьевых источников. Водород обладает чрезвычайно высокой энергоемкостью (почти в три раза больше, чем у традиционных нефтяных топлив). Он является идеальным экологически чистым топливом, так как в продуктах его сгорания отсутствуют углекислый газ, окись углерода, несгоревшие углеводороды.

В двигателе внутреннего сгорания с искровой системой зажигания характер горения в цилиндре в значительной степени зависит от равномерности смешивания горючего с воздухом. И здесь основную роль играют не только специальные устройства (например, карбюратор), обеспечивающие однородность топливной смеси, но и такие свойства горючего, как температура кипения и диффузионная способность. Понятно, что чем ниже температура кипения горючего, тем быстрее оно испаряется. Более высокая диффузионная способность (она пропорциональна коэффициенту молекулярной диффузии) также улучшает гомогенность (однородность) горючей смеси. Водород и оксид углерода (основные составляющие синтез-газа) по указанным параметрам значительно превосходят бензин.

Помимо того, что у водорода хорошие свойства, способствующие обеспечению гомогенности топливной смеси, он эффективно воздействует на рабочие процессы, протекающие в цилиндре двигателя. Связано это главным образом с очень высокой скоростью распространения фронта горения этого газа. Так, если для бензовоздушной смеси стехиометрического состава эта величина в среднем составляет 12 см/с, то для водорода этот показатель равен 250 см/с. Для оксида углерода, второго основного компонента конвертированного топлива, нормальная скорость сгорания также достаточно высока и равна 41 см/с.

Известно, что двигатель с искровым зажиганием работает только в том случае, если смесь бензина и воздуха находится в определенном соотношении. Отклонение в сторону увеличения или уменьшения количества бензина (богатая или бедная смесь) приводит к резкому падению мощности двигателя вплоть до его остановки. В случае использования водорода возможна работа двигателя при очень бедных смесях (вплоть до 10-кратного избытка воздуха). Это свойство водорода позволяет, с одной стороны, значительно улучшить экономичность двигателя, а с другой, - позволяет резко снизить выбросы окислов азота.

Но есть у водорода ряд физико-химических свойств, которые до сих пор продолжают тормозить его широкое применение на автомобильном транспорте (в ракетной технике водород используется в качестве горючего уже давно). Во-первых, это уменьшение эффективной мощности двигателя при подаче газообразного водорода вследствие крайне низкой плотности, в результате чего его объемные энергетические характеристики значительно хуже, чем у традиционных топлив. К этому следует добавить взрывоопасность водорода даже при небольших утечках, не говоря уже о разрушении системы хранения и подачи при аварии. Кроме того, водород способен проникать сквозь большинство материалов, из которых делаются двигатели, а в случае его диффузии в металлы последние становятся хрупкими, теряют прочность и перестают выдерживать нагрузки.

Решения этих и многих других проблем существуют, но для их реализации потребуются и время и деньги. Анализ ситуации с ходом работ в области водородной транспортной энергетики показывает, что некоторые из проблем удастся решить уже в ближайшем будущем, а решения других проблем придется подождать годы и десятилетия.

Быстрее всего, возможно, будет разработан автомобильный двигатель, полностью или частично (с добавкой к основному топливу) работающий на водороде, синтезируемом на борту транспортного средства из альтернативных энергоносителей (метанол или метан). Достоинством данного решения является возможность его быстрой реализации в серийном производстве, использование существующей транспортной инфраструктуры (в случае синтеза водорода на борту АТС), значительное (до 45 %) снижение выбросов вредных веществ и улучшение экономичности автомобиля (до 15…20 %). Этот вариант предпочтительнее заправки водородом на специальных станциях, поскольку соответствующая инфраструктура заправки автомобилей жидким или газообразным водородом отсутствует, а на ее создание потребуются годы. Кроме того, не решены проблемы с безопасностью эксплуатации водородозаправок, т.к. смесь водорода с воздухом в малых концентрациях более взрывоопасна, чем в больших.

Разработка автомобилей с комбинированными энергоустановками на базе двигателя внутреннего сгорания, который работает на водородном топливе, синтезируемом на борту АТС, потребует немного большего времени. Придется создавать электромеханическую трансмиссию и источники накопления энергии на борту автомобиля (буферные накопители - тяговые аккумуляторы). В этом случае двигатель будет работать на оптимальных режимах, что обеспечит уменьшение выбросов токсичных компонентов (до 60 % по отношению к традиционному бензиновому двигателю) и облегчит условия работы системы синтеза водорода. В итоге достигается снижение расхода топлива до 40…45 % по сравнению с традиционным бензиновым двигателем.

И совсем не скоро ожидается появление автомобиля с энергоустановками на базе топливных элементов. К сожалению, это обусловлено в первую очередь отсутствием компактных топливных элементов с характеристиками, приемлемыми для автомобильного транспорта. Стоимость существующих топливных элементов пока еще очень велика. Впрочем, прототипы автомобилей создаются во многих странах, в том числе и в России. Уже несколько лет демонстрируется "Антел-2", разработанный на АвтоВАЗе.

Итак, актуальными и наименее затратными разработками в области транспортной водородной энергетики являются исследования, направленные на изучение возможности работы двигателей на смесевом топливе - бензине и водороде. Однако отсутствие экономически оправданных безопасных средств хранения водорода на борту автомобиля при обеспечении его приемлемой энерговооруженности сдерживает активное внедрение водорода в автомобильной промышленности.

На сегодняшний день 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. К сожалению, даже наилучший из них по энергоплотности - криогенный способ - 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 энерговооруженности (или, проще говоря, запаса хода) автомобиля. Существующие системы хранения водорода неприемлемы для автотранспорта вследствие либо малой емкости, либо технической сложности и недостаточной безопасности в эксплуатации и в аварийных ситуациях.

Особый интерес представляет возможность получения водорода на борту автомобиля из жидких углеводородных топлив. Сущность данного способа заключается в том, что процесс химического преобразования исходного топлива сопровождается поглощением теплоты, отбираемой от выпускных газов двигателя, в термохимическом реакторе. В данном случае реактор играет роль утилизационного устройства, повышающего химическую энергию конвертированного топлива по отношению к энергии исходного топлива на величину, равную количеству утилизированной теплоты отработавших газов (ОГ), которая с полученным топливом вводится в двигатель для повторного участия в организации рабочего цикла. Такой, еще малоисследованный на сегодняшний день, способ утилизации отводимой из цикла двигателя тепловой энергии назван термохимической регенерацией теплоты отработавших газов.
При организации эндотермического процесса конверсии в условиях работы двигателя внутреннего сгорания важным вопросом является выбор исходного углеводородного соединения, способного при заданном среднем температурно-энергетическом уровне теплоносителя разлагаться на газообразные продукты.

В принципе, идея регенерации отнюдь не нова. Примером ее 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 нем составляет 10…15 %. Однако известные методы конверсии нефтяных углеводородных топлив в водородсодержащее топливо имеют ряд недостатков, ограничивающих возможность их применения на автомобиле. К ним следует отнести: высокую температуру процесса, значительные энергетические потери, сравнительно небольшой выход целевого продукта и др. Но самое главное - не решается проблема экономии нефтяных ресурсов. Поэтому более целесообразным является получение синтез-газа из углеводородных топлив не нефтяного происхождения.

Из анализа таблицы следует, что наиболее оправданным с технико-экономической точки зрения (исходя из стоимостных показателей и температуры конверсии) базовым сырьем для получения водорода на борту автомобиля является метанол.

Как известно, метанол сам по себе служит альтернативным топливом, применение которого вместо бензина или в качестве добавки к бензину позволяет улучшить экономичность и снизить токсичность ДВС. Кроме того, синтез самого метанола является рациональным благодаря утилизации отходов промышленности и жизнедеятельности. Вместе с тем, применение метанола как энергоносителя для получения водородсодержащего топлива для автомобильных двигателей позволяет реализовать преимущества водородного двигателя, при этом решается проблема обеспечения требуемой энерговооруженности 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 объему, может быть получено из метанола путем 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. При подборе соответствующих катализаторов возможно снижение температуры конверсии до 250…350 °С. Выход целевого продукта при этом составляет от 80 до 98 %. В продуктах реакции разложения метанола практически полностью отсутствуют тяжелые 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 благоприятных условий сгорания водорода в двигателе.

Процесс конверсии метанола в синтез-газ сопровождается поглощением энергии. Эта энергия в виде тепла расходуется на предварительный нагрев и испарение метанола, перегрев паров метанола 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 при преобразовании синтез-газа из метанола на борту автомобиля можно получить от отработавших газов и теплоты, отводимой в систему охлаждения двигателя, поскольку уровень температур отработавших газов двигателя с искровым зажиганием составляет от 300 до 800 °С. Этого вполне достаточно для эффективного разложения метанола. А тепло охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя (около 90 °С) можно использовать для предварительного подогрева и испарения метанола.
Для разложения метанола потребуется около 30 % тепла, отводимого в рабочем цикле двигателя с его ОГ и охлаждающей жидкостью. Таким образом, около трети 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 энергоемкости топлива, подаваемого в двигатель, является мощным средством повышения эффективности ДВС. Только благодаря этому при получении водородсодержащего синтез-газа из метанола с последующим использованием его в качестве топлива эффективный к.п.д. двигателя автомобиля может быть увеличен на 7…10 % по сравнению с к.п.д. двигателя, работающего на метаноле. Если к этому добавить прирост экономичности, который позволяет обеспечить работу двигателя на бедных водородовоздушных смесях, то становится реальностью достижение эффективного к.п.д. 50…55 % при уровне к.п.д. существующих поршневых двигателей 32…38 %. Это значительный скачок по сравнению со средним ростом менее 0,5 % в год за последние десятилетия.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на создание подобных систем, проводятся в Государственном научном центре РФ по автомобильной технике (НАМИ). Исследователям удалось найти решения для ряда задач, связанных, в частности, с подбором соответствующих композиций катализаторов для разложения, выбором основных характеристик термохимического реактора конверсии метилового спирта и другими техническими проблемами, итогом чего явилось изготовление опытного образца двигателя, оборудованного такой системой.

(Продолжение следует)