Из истории водородной энергетики

Проблеме использования водорода как топлива более 150 лет. Еще в 1820 году В. Сесил в докладе Кембриджскому философскому обществу предложил использовать водород для привода в движение машин, а первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода, был выдан в Англии в 1841 году.

Эффект обратной вспышки

В Германии, в Мюнхене, в 1852 году придворным часовщиком Христианом Тейтманом был построен двигатель, работавший (в течение нескольких лет) на смеси водорода с воздухом. В 1920‑х годах Г. Ф. Рикардо и А. Ф. Брустелл выполнили детальные исследования работы двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием на водородо-воздушных смесях. В этих работах, по‑видимому, впервые было обнаружено явление обратной вспышки, которым впоследствии занимались многие исследователи. В это же время началось и практическое использование водородных двигателей на дирижаблях фирмы «Цеппелин». Для них в качестве топлива использовался водород, наполнявший дирижабль.

В 1928 году был проведен испытательный перелет такого дирижабля через Средиземное море.

Особое место в истории водородных двигателей занимают работы Рудольфа Эррена, выполненные в 1920‑30‑х годах. Он впервые применил внутреннее смесеобразование в двигателях на водороде. Водород подавался в цилиндр через его стенку, что снижало опасность возникновения обратной вспышки.

При этом у двигателя сохранялась система подачи основного топлива, и он мог работать на любом из топлив, а также на жидком топливе с добавлением водорода. Р. Эррен перевел на водород несколько типов двигателей, в том числе и дизельный, установленный на автобусе «Лэйлэнд». Успешная пробная эксплуатация этого автобуса происходила в пригороде Лондона. Р. Эрреном был разработан и испытан первый водородо-кислородный ДВС. На такте впуска в цилиндр подавалась смесь кислорода с водяным паром, на такте сжатия – водород.

Образующийся при сгорании водяной пар частично возвращался на такте впуска в двигатель и частично конденсировался. Двигатель мог работать без наружного выхлопа, то есть был пригоден для использования в подводных лодках. В это же время в Германии использовались автодрезины, работающие на водороде. Последний производился на заправочных станциях электролизом воды под давлением.

Школа Семенова

В период с 1920‑х до начала 1940‑х годов весьма важные и обширные исследования реакции горения водорода в кислороде и воздухе в различных условиях были выполнены российскими учеными школы Н. Н. Семенова, учеными Германии, Англии, США. Таким образом, к началу Второй мировой войны были заложены научные и технические основы использования водорода как топлива. Развитие экспериментальных работ по созданию водородных двигателей было прервано войной. Однако первый успешный опыт массового использования водорода как топлива в автомобильных двигателях внутреннего сгорания был осуществлен во время Второй мировой войны в России.

В блокадном Ленинграде в 1941 году инженер-лейтенантом Б. И. Шелищем многие автомобильные двигатели ГАЗ-АА, вращающие лебедки аэростатов заграждения, были переведены на питание водородо-воздушной смесью из аэростатов, потерявших плавучесть.

Содержание воздуха в них достигало 15‑20 процентов, и обратная вспышка могла привести к взрыву аэростата. Для предотвращения этого
Б. И. Шелищ применил водяной затвор, установленный перед двигателем, и ряд других мер защиты с использованием доступных средств. С 1942 года водород из потерявших плавучесть аэростатов стал использоваться и Московской службой ПВО. В годы войны более 400 автомобильных двигателей для привода лебедок аэростатов заграждения в России работали на водороде.

После нефтяного кризиса

После Второй мировой войны фундаментальные исследования процессов и разработки автомобильных двигателей на водородном топливе проводились во многих странах, в том числе в СССР (в НИИ энергетики Казахстана, Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО АН СССР и некоторых других организациях), но активность исследований в этом направлении существенно снизилась.

Дешевая нефть и не осознанные еще экологические последствия бурного развития автотранспорта на углеводородных топливах не оставляли места для развития водородных технологий в этой отрасли.

Осознание необходимости их развития пришло в начале 1970‑х годов, одновременно с первым нефтяным кризисом и резким обострением экологической ситуации в крупных городах. К этому времени относится начало активной фазы НИОКР по созданию водородных транспортных средств и инфраструктуры их топливообеспечения.

К началу 1980‑х годов в США, Японии, Германии, СССР, Канаде и ряде других стран были созданы экспериментальные водородные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на водороде, бензоводородных смесях, смесях водорода с природным газом и с различными системами хранения водорода на борту автомобиля: в виде гидридов интерметаллических соединений, в жидком и газообразном сжатом состоянии.

В начале 1970‑х годов в Австрии К. Кордеш создал первый экспериментальный водородный электромобиль с водородо-кислородным щелочным топливным элементом (ТЭ) мощностью 6 кВт. Основной задачей работ в этом направлении в последующие годы стало создание эффективной и дешевой двигательной установки на основе водородо-воздушного топливного элемента.

Активные исследования и разработки в области водородной энергетики и технологии начались в нашей стране в середине 1970‑х годов. Они проводились по многим направлениям крупными научными коллективами под руководством В. А. Легасова, Н. Д. Кузнецова, A. M. Фрумкина, Р. Е. Лозино-Лозинского, А. А. Туполева, В. П. Глушко, В. П. Бармина, А. Н. Барабошкина, В. П. Белякова, А. Н. Подгорного и других выдающихся ученых и крупных организаторов науки.

Разрабатывались новые технологические процессы крупномасштабного производства водорода и водородсодержащих газов из природных топлив, воды и нетрадиционного сырья, методы и средства его хранения, транспортировки и распределения, технологии использования водорода и искусственных топлив на его основе в энергетике (в т. ч. автономной), автотранспорте, авиации, ракетной технике, металлургии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Была обеспечена координация фундаментальных и прикладных исследований по линии Академии наук и ГКНТ. Начиная с середины 1970‑х годов систематические исследования проблем использования водородного топлива для автотранспорта выполняли Институт проблем машиностроения АН Украины (Харьков), Научный автомобильный и автомоторный институт (НАМИ, Москва), НПО «Квант» (Москва), Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва), институты Сибирского отделения Академии наук и ряд других организаций.

Главными задачами этих исследований и разработок являлись снижение токсичности выбросов и повышение эффективности использования первичных энергоресурсов. Поскольку в крупных городах число автомобилей весьма велико и существует развитая инфраструктура их топливообеспечения, рациональным путем внедрения водородного топлива в автотранспорт было признано создание на базе существующих моделей автомобилей с ДВС, способных работать как на водороде, так и на бензоводородных смесях различного состава. Одновременно с этим разрабатывались двигательные установки для перспективных автомобилей с нулевым выбросом на базе водородо-воздушных топливных элементов и элементы инфраструктуры.

«РАФы» на бензоводородных смесях

В результате обширных экспериментальных исследований специалистами ИПМаша АН УССР и НАМИ были детально изучены рабочие процессы в двигателях на водороде и бензоводородных смесях как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием. Было показано, что главным фактором, вызывающим обратную вспышку, является контакт водородо-воздушной смеси с горячими остаточными газами в момент впуска, и разработаны пути подавления обратных вспышек.

Созданы были универсальные системы питания автомобильных двигателей, обеспечивающие их устойчивую работу на водороде, бензоводородных смесях и бензине, и эффективные системы хранения водорода на борту на основе комбинации высокотемпературных и низкотемпературных металлогидридов.

К началу 1980‑х годов в СССР различными организациями были созданы и испытаны опытные легковые автомобили ВАЗ «Жигули», АЗЛК «Москвич», ГАЗ-24 «Волга» и ГАЗ-69, грузовые ЗИЛ-130, микроавтобусы РАФ и УАЗ, работающие на водороде и бензоводородных смесях.

Опытная эксплуатация бензоводородных автомобилей «Волга», осуществлявшаяся в Харькове с 1980 года, показала перспективность перевода части городского автотранспорта на бензоводородные смеси с содержанием водорода около 5 процентов по весу. При этом резко снижается токсичность выбросов, эксплуатационный расход бензина уменьшается на 35‑40 процентов, а эксплуатационная экономичность повышается на 20‑25 процентов. В 1986 году Минавтопромом СССР было принято решение о выпуске и последующей эксплуатации в городах СССР опытной партии городских микроавтобусов РАФ (200 штук), работающих на бензоводородных смесях. Однако это решение из‑за начавшихся политических процессов не было выполнено.

Автомобили с топливными элементами

В 1970‑80‑е годы в НПО «Квант» был выполнен цикл работ по применению топливных элементов для городских электробусов на водородном топливе. Была решена задача создания щелочных ТЭ, работающих на водороде и воздухе. Найдено эффективное и изящное решение сложной проблемы создания активного воздушного электрода. Для этого был использован разработанный «Квантом» гидрофобизированный электрод с газозапорным слоем, активность которого в процессе работы поддерживается за счет избытка воздуха (с коэффициентом Кn ~ 2,5‑3). Одновременно был решен комплекс электротехнических проблем, связанных с созданием системы электродвижения.

В 1982 году НПО «Квант» и заводом РАФ был создан первый в мире экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородо-воздушного ТЭ мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи (5 кВт/ч), который был представлен на Московской международной выставке «Электро-82» и прошел экспериментальную эксплуатацию. На основе полученного опыта специалисты НПО «Квант» совместно с венгерскими партнерами разработали технический проект городского автобуса с энергоустановкой на основе водородо-воздушных щелочных топливных элементов.

Однако этот проект, по тем же причинам, что и выпуск малой серии бензоводородных микроавтобусов, не был реализован.

Системы хранения водорода на борту

Создание систем хранения водорода на борту транспортных средств имеет ключевое значение для развития водородных технологий на транспорте. В 1980‑х годах в нашей стране были разработаны опытные образцы таких систем (металлогидридных, газобаллонных, криогенных). Для автомобилей, работающих на бензоводородных смесях, приемлема разработанная в ИПМаше комбинированная система аккумулирования водорода с использованием низкотемпературных и высокотемпературных гидридов интерметаллических сплавов на основе FeTiVa (70‑75 процентов) и Mg2Ni (25‑30 процентов). Такая система обеспечивает минимальные весовые характеристики аккумулятора водорода и полную десорбцию водорода за счет утилизации тепловых потерь двигателя с охлаждающей водой и выхлопными газами. Изготовленные и испытанные ИПМашем несколько опытных металлогидридных аккумуляторов для различных автомобилей («Волга» ГАЗ-24, «Жигули» ВАЗ-2101, автопогрузчик, микроавтобус РАФ) прошли опытную эксплуатацию в составе транспортных средств и показали вполне приемлемые технические характеристики и соответствие нормам безопасности при запасе хода бензоводородных автомобилей до 300 километров.

Металлогидридные системы хранения водорода вполне приемлемы для бензо-водородных автомобилей, автопогрузчиков, тракторов, подводных лодок, но по весовым характеристикам не подходят для транспорта, работающего на чистом водороде. Для таких автомобилей наиболее эффективны легкие композитные супербаллоны с весовым содержанием водорода примерно 8‑10 процентов при давлениях 300‑500 атмосфер. Такие баллоны были разработаны в России для авиационной техники и вполне могут быть использованы в автотранспорте.

Исследовались также и возможности создания криогенных систем хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Экспериментальный автомобиль РАФ с криогенной системой хранения водорода испытан на полигоне НАМИ. По результатам этих работ в НПО «Криогенмаш» был разработан экспериментальный криогенный бак для хранения жидкого водорода на борту автомобиля. Однако дальнейшего развития после 1985 года эти работы не получили.

Еще не все потеряно

Несмотря на значительное снижение научно-технического потенциала страны в области новых водородных технологий в 1990‑е годы, наиболее дальновидным руководителям и коллективам исследователей в тяжелейших условиях крайне скудного финансирования удалось сохранить и продолжить работы по ряду перспективных направлений. Сохранилась эта тематика, хотя и при минимальном финансировании, в федеральных целевых программах Минпромнауки и программах НИОКР Минатома и Росавиакосмоса. Главными задачами сегодняшних отечественных разработок в области водородной энергетики и технологии являются создание компактных и дешевых топливных элементов (сегодня их стоимость превышает 10 тысяч долларов США за кВт) с ресурсом более 10 тысяч часов, надежных и дешевых систем хранения водорода на борту автомобиля, обеспечивающих запас хода 400‑500 километров, бортовых конверторов углеводородных топлив, усовершенствованных элементов инфраструктуры, новых и усовершенствованных технологий производства водорода и его использования в энергетике (в том числе автономной и основанной на возобновляемых энергоресурсах), авиационно-космической технике и других отраслях народного хозяйства, систем обеспечения безопасности.

В этих направлениях в последние годы получен ряд важных результатов. Созданы опытные образцы ТЭ с твердополимерным электролитом на базе отечественных мембран мощностью до 10 кВт, разрабатываются такие ТЭ мощностью до 200 кВт для автотранспорта, организовано опытное производство отечественных мембран на основе твердополимерного электролита, созданы компактные электролизеры с твердым полимерным электролитом на повышенные давления с энергопотреблением 3,9‑4,2 кВт/ч/нм3 H2 производительностью до 10 нм3/ч, компактные микроволновые конверторы природных топлив в синтез-газ производительностью до 20 нм3/ч, новая технология модификации полимерных мембран для выделения водорода из газовых смесей, обеспечивающая увеличение их селективности на несколько порядков, эффективные каталитические дожигатели водорода производительностью до 100 нм3/ч по водородсодержащему газу (РНЦ «Курчатовский институт» в кооперации с НПО «Пластполимер», ГУП «Компания МЭТИС» и др.), созданы и испытаны экспериментальные и опытно-промышленные устройства для использования водородных технологий в автономной и стационарной энергетике – водородо-кислородные парогенераторы мощностью до 25 МВт (ИВТАН, Центр Келдыша), энергоустановка на базе водородо-воздушного щелочного ТЭ мощностью около 6 кВт (ФГУП «НПП «Квант»», Independent Power Technology), разработаны новые интерметаллические соединения с емкостью по водороду до 2 процентов (весовых) и выше и организовано их опытное производство (Московский завод полиметаллов «Полимс», МГУ, ИХФ РАН и др.), новые типы блочных катализаторов на теплопроводных носителях для бортовых конвертеров углеводородных топлив и стационарных компактных конверторов (Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН), выполнены разработки усовершенствованного криогенного оборудования, обеспечивающего снижение энергозатрат при производстве жидкого водорода и потерь при его транспортировке, распределении и хранении (ОАО «Криогенмаш» и кооперация), усовершенствованных ДВС для работы на водороде и водородсодержащих топливах (НАМИ). В последнее время к разработкам отечественного водородного автомобиля подключились «АвтоВАЗ» и РКК «Энергия».

Этот далеко не полный перечень результатов последних лет показывает, что российская наука и техника даже в ее сегодняшнем состоянии пока еще способна решать сложные задачи создания новых водородных технологий для автотранспорта, авиации, ракетной техники, энергетики и других отраслей народного хозяйства.

В заключение следует отметить, что история водородной энергетики пишется и сейчас. Как положительный момент стоит отметить факт, что к освоению водорода подключились в последнее время и предприниматели. Согласитесь, без поддержки финансово‑промышленных структур о каком бы то ни было внедрении инноваций говорить бессмысленно. Так, например, особое внимание к проблемам водорода уделяла компания «Норильский никель». И даже если ее интерес лежал в строго коммерческой области, даже если деятельность компании в этом направлении вызывала скепсис многих ученых и не очень ученых мужей – факт сам по себе отрадный. Потому что для всех очевидно: водород как энергоноситель рано или поздно пробьет себе дорогу в будущее.

Комментарии

• Начало
• Новые

• 0
• RSS

Ответить

Написать ответ...

КодИзображениеСсылкаЗачеркнутыйЗаголовокКурсивЖирныйВидеоЦитата Предварительный просмотр