О. Ф. Бризицкий, В. Я. Терентьев,
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», г. Саров

В конце XX в. стало разумеется, что экономика, базирующаяся на ископаемом органическом горючем, беря во внимание истощение его припасов, также негативное воздействие сжигаемого горючего на окружающую среду, должна уступить другой экономике, на базе возобновляемых энергоресурсов, более действенных и экологически незапятнанных.

Анализируя разные варианты построения таковой экономики, спецы большинства государств сходятся на том, что ее основой станет водородная энергетика, которая в собственном традиционном виде строится по обычный схеме: вода + энергия = водород + кислород = энергия + вода. Такая безуглеродная энергетика должна использовать возобновляемые виды энергии, такие как солнечная, ветровая, отчасти атомная.

Водород по таковой схеме является вторичным энергоэлементом и накопителем энергии, применимым для хранения и передачи на расстояние. А так как основную массу энергоэлементов (например, в США до 80%) потребляет транспорт, он же сейчас является и главным загрязнителем среды, то разные пути развития водородной энергетики более комфортно разглядеть применительно к транспорту.

Что сейчас представляет собой городской транспорт? Конкретно городской, т.к. урбанизация общества длится, и основная масса транспорта не только лишь продолжает находиться в городках, да и возрастает, сначала, в мегаполисах. Неувязка заключается в том, что эта большая масса автомобилей движется со средней скоростью менее 20 км/час и состоит в главном из легковых автомобилей, парк которых чертовски возрастает.

При всем этом автомобиль представляет собой и гигантскую опасность для населения земли: большие пробки, сумел на дорогах и чувство, что завтра откачают всю нефть, пропадет бензин и придется ворачиваться или к конным повозкам, или к велику.

Главные трудности заключаются в том, что доминирующие на транспорте движки внутреннего сгорания отлично работают в главном при средних и номинальных нагрузках, т. е. в режиме пригородной езды со скоростью выше 60 км/час. А при городском цикле езды ДВС автомобиля имеет коэффициент полезного деяния максимум 10%, т.е. другие 90% уходят на нагрев среды и ее отравление разными соединениями типа окиси азота, монооксида углерода и т.п.
Спецы в области автопромышленности еще в 1990-х гг. объявили о намерении поменять «грязный» и неэффективный бензиновый двигатель на бензине либо солярке силовой установкой на топливных элементах с завышенной (в 1,5-2 раза) эффективностью и полностью незапятнанным выхлопом в виде паров воды.

Топливные элементы, в отличие от движков внутреннего сгорания, не ограничены циклом Карно, потому более эффективны, но для питания требуют не углеводородное сырье, а водород. Предполагаемые для транспорта низкотемпературные твердополимерные либо щелочные топливные элементы в качестве горючего требуют фактически незапятнанный водород. Вопрос в том, откуда его взять?

Вот вам наглядный пример из журнальчика «Популярная механика». После того, как президент Буш призвал свою страну к 2040 г. поменять водородом ископаемое горючее и перейти на топливные элементы, были проанализированы вероятные пути по каждогоднему производству 150 млн т водорода в США для ублажения нужд только этой страны. Предлагались разные пути получения водорода: от конверсии угля и природного газа, до использования биомассы, энергии ветра, солнечной и ядерной энергетики. Общие издержки – от 500 миллиардов долл. при получении водорода из угля (невозобновляемого источника), до 22 трлн долл. при использовании солнечной энергетики. Самый дешевенький водород выходит при использовании невозобновляемых источников горючего, что не решает основной трудности защиты среды.

Обозначенные общие издержки не учитывают расходов на изменение инфраструктуры снабжения топливом (водородозаправки заместо бензозаправок), на транспортировку очень легкого газа и подмены всего автопарка на движках внутреннего сгорания на топливные элементы.

Сами топливные элементы, работающие при температурах 80-1000°С, содержат в собственном составе катализаторы из таких великодушных металлов, как платина, рутений либо палладий. По самым оптимистичным прогнозам, глобальных припасов этих металлов хватит всего только на создание 3-5 млн автомобилей в год, что на порядок меньше производства автомобилей на ДВС.

Инженеры подсчитали, что автомобиль на топливных элементах будет иметь преимущество перед бензиновым двигателем исключительно в городском цикле езды, а на трассе это преимущество растеряет. Это значит, что у новейшей технологии автомобилей на топливных элементах не такое уж и светлое будущее.

Что все-таки можно предложить в текущее время взамен дорогостоящих топливных частей на драгоценных металлах?

Нужно снова пристально приглядеться к старенькым и испытанным временем движкам внутреннего сгорания. Все их совершенствования последних десятилетий касались в главном систем дозирования и выхлопа, и не достаточно уделялось внимания процессу рабочего цикла мотора в комплексе. Меж тем движок стал настолько оживленным, что все процессы – дозирование, распыл, поджиг, сжигание горючего – могут происходить в сотые толики секунды, и обычный бензин уже не поспевает за этими процессами. Зато водород, владея практически в восемь раз большей скоростью сгорания, чем бензин, является неплохим, но дорогим заменителем бензина.

Оказывается, нет необходимости в полной подмене обычного горючего, довольно ввести в него 1-6% водорода (по массе) и процессы его сгорания значительно улучшаются. Это разъясняется инициирующим воздействием водорода, который образует центры сгорания. В свое время очень тщательно эти явления выложил академик Я. Б. Зельдович в собственной теории сгорания. При всем этом возрастает эффективность мотора, и улучшаются его экологические свойства. Такие опыты были проведены не один раз, как в нашей стране, к примеру, на АвтоВАЗе (г. Тольятти) и НАМИ (г. Москва), так и за рубежом. Но остается вопрос: где брать водород?

Тут может быть несколько вариантов. Заправляться на особых водородных заправках, которые нужно будет выстроить. При всем этом также вероятны варианты: заправлять водород в особые баки автомобиля и зависимо от нрава поездки дозировать его потребление маленькими порциями, либо добавлять при заправке полностью в основное горючее. 1-ый путь заманчивый и действенный, может употребляться при любом виде основного горючего, но просит к тому же доработки автомобиля, т. к. он становится двухтопливным. 2-ой путь вероятен только при использовании в качестве основного горючего газообразного, к примеру, природного газа. Движок при всем этом не просит доработок, он однотопливный, но эффективность таковой системы не самая высочайшая, т.к. водород в консистенции подготовлен заблаговременно, и нет способности использовать его более правильно, как в первом варианте.

Есть еще вариант получения водорода конкретно на борту автомобиля. Самый обычный и дорогой – это получение водорода из незапятанной дистиллированной воды в электролизере. Невзирая на высшую цена электролизера и необходимость иметь на борту избытки электронной энергии, такая схема применяется время от времени на томных грузовиках. Но необходимость иметь на борту к тому же чистую воду приводит к тому, что этот метод навряд ли отыщет обширное применение.

Разрабатываемое создателями устройство – генератор синтез-газа – свободно от большинства недочетов прошлых вариантов. Во-1-х, не требуется водородных заправочных станций, наличия дополнительной электронной энергии и дистиллированной воды на борту автомобиля. Во-2-х, цена такового генератора в пару раз ниже цены электролизера, в его составе отсутствуют драгоценные металлы, что снимает ограничение по массовости производства. Сам автомобиль остается однотопливным, что комфортно как производителям автомобиля, так и его юзерам.

Вся неувязка упиралась в выбор типа горючего, проектирование генератора синтез-газа и выбор соответственного катализатора. Для генерирования синтез-газа создателями вместе с Институтом катализа (г. Новосибирск) был предложен метод каталитического частичного риформинга горючего с внедрением доступных катализаторов, как более обычный и дешевенький. Только качество бензина, состав которого на всех заправках различный, приводит к резкому усложнению схемы генератора синтез-газа, к тому же выход водорода из бензина не самый наилучший.

Более хорошим оказалось внедрение в качестве основного горючего природного газа, который сам по для себя является неплохим моторным топливом, выход водорода из него высочайший и генератор выходит сравнимо обычным. Разработанные создателями генераторы синтез-газа прошли демо стендовые тесты на «АвтоВАЗе», НАМИ и ЗМЗ (г. Заволжье). Фактически всюду получено не только лишь резкое уменьшение вредных выхлопов, да и существенное (до 24%) повышение эффективности в режиме городской езды.

По оценкам профессионалов «АвтоВАЗа», это позволяет выполнить нормы по токсичности Евро-4 без внедрения каталитических нейтрализаторов и достигнуть общей эффективности на уровне топливных частей.

Свою разработку создатели не противопоставляют широкомасштабным работам по водородным топливным элементам. В дальнем будущем, когда из энергоэлементов остается один водород, и его научатся отлично «упаковывать» (водород очень легкий и неловкий для транспортировки газ), видимо, наступит эпоха топливных частей.

А пока неважно какая экономика, даже водородная, как гласил узнаваемый политик, должна быть экономичной. Развивая водородную энергетику, создатели относятся к ней как к общему вектору на повышение толики водорода в энергетике, что является естественным историческим процессом, а не повальным и модным увлечением.

За прошедшее время создателям удалось резко сделать лучше массогабаритные и динамические свойства генератора синтез-газа для легкового автомобиля. Реактор имеет массу 8 кг и объем 2,5 л, а пуск осуществляется всего за 35 секунд, что соизмеримо с течением времени прогрева нейтрализатора. Разрабатывая бортовой генератор синтез-газа для легковых автомобилей, создатели отдают для себя отчет, что на авто рынок резвее пойдет автобусный вариант генератора, над которым на данный момент также ведется работа.

Генератор синтез-газа, установленный на автобусе, будет иметь фактически такую же цена, что и для легкового автомобиля, это по оценкам создателей около 20-30 тыс. руб. Если в общей цены автобуса цена генератора синтез-газа будет несколько процентов, то для легкового автомобиля это уже приблизительно 10%. Не считая того, в сверхкомпактных легковых автомобилях в отличие от автобусов не так просто скомпоновать генератор синтез-газа. И самое главное, внедрение генераторов синтез-газа на транспорте – это процесс внедрения новейшей, непривычной для потребителя продукции.

На примере каталитических нейтрализаторов можно предсказывать, что внедрение генераторов синтез-газа также востребует конфигурации в законодательстве. Правда, в отличие от нейтрализаторов, которые не только лишь наращивают цена автомобиля, да и понижают эффективность мотора, генератор синтез-газа эффективность наращивает. С автобусами проще и исходя из убеждений экономики, и исходя из убеждений организации внедрения.

С авто фирмами повсевременно проводится сравнительный анализ эффективности генератора синтез-газа. Конкретный вывод – в текущее время это самый действенный и обычный метод введения частей водородной энергетики в транспорт.

Контакты с забугорными фирмами демонстрируют, что там ведутся подобные работы, при этом, более развернуто и масштабно. Неожиданное возникновение на рынке гибридных автомобилей показывает на то, что коммерческие и предкоммерческие разработки ведутся в критериях строжайшей секретности. Создатели рассчитывают, что их продукт может быть нужен, сначала, на российском авто рынке.

На Олимпийских играх в 2008 г. в Пекине планируется перевод всего публичного транспорта на новый вид горючего – гайтан (заблаговременно приготовленная смесь водорода и природного газа, о которой упоминалось ранее), что сделает лучше экологию в Пекине. Создатели рассчитывают, что на Олимпийских играх в Сочи-2014 будет продемонстрирована российская, более совершенная однотопливная система с генератором синтез-газа как минимум на публичном транспорте.