Пономаренко В.К., кандидат технических наук, доцент
Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского, г. Санкт - Петербург
Ponomarenko V.K., Ph.D., Assistant Professor
A.F. Mozhaisky Military Space University, St.Petersburg
КРИТИЧЕСКИЕ ЗАМЕТКИ К ПРОБЛЕМЕ «ВОДОРОД - ТОПЛИВО БУДУЩЕГО»
Critical Comments on the Problem "Hydrogen is a Fuel of Future"
ВВЕДЕНИЕ
Водород как возможное горючее давно привлек к себе внимание, в частности для использования в авиадвигателях, в первую очередь - благодаря высокой удельной массовой теплоте сгорания (в 2,7-2,8 раза большей, чем у углеводородных горючих). В последние десятилетия приобрело значение и еще одно его достоинство - экологическая чистота воздушно-водородного топлива. Этим, собственно, и исчерпываются доводы в пользу применения водорода; в то же время этот продукт обладает крайне отрицательными физико-эксплуатационными свойствами и технико-экономическими характеристиками, и можно утверждать, что именно поэтому он нашел к настоящему времени весьма ограниченное применение как горючее, а именно - лишь в двигательных установках ракет космического назначения с экстремальной грузоподъемностью. Для таких систем характерны:
- неограниченность в финансировании;
- высокая концентрация технических средств обеспечения пуска;
- малое число, «штучность».
Для массовых транспортных систем, каковыми являются авто- и авиатранспорт, такие условия недостижимы, и, видимо, поэтому до последнего времени нет сколько-нибудь убедительных по целесообразности образцов транспорта с использованием водорода, если не считать чисто пропагандистских проектов типа отечественного самолета известной фирмы.
Водород предлагается и как топочный газ в общей энергетике в предположении неограниченности его ресурсов (вода!), но, к сожалению, не учитывается, что это «неподвижный» водород, для извлечения которого требуется процесс с энергетически «отрицательным» КПД (проекты профессора М.М. Струминского и др.).
Представляется, что нынешнее увлечение проблемой «перехода на водород», в том числе исследования в ряде сопутствующих направлений (см. программу семинара) недооценивает ряда практических аспектов, на которых мы и остановимся ниже.
1. Физико-эксплуатационные свойства водорода и технические проблемы его использования
Водород обладает тремя весьма существенными особенностями:
- чрезвычайно низкая плотность, как в газообразном, так и в жидком состоянии (последнее в 10,5-12 раз меньше плотности углеводородных горючих - бензинов и керосинов);
- весьма низкая температура жидкого состояния;
- высокая взрывоопасность смесей с воздухом (пределы горючести смеси: 4-74% об.; у бензинов 2,5 -5%, у метана 5,5 - 15,5%).
При одинаковом пробеге автомобиля на углеводородном горючем СхНу и водороде достаточно справедливо соотношение
Рг УГ н Г = РнУН Н Н = РНУН аН Г,
где Нг , Нн - низшая теплота сгорания горючего СхНу и водорода;
fir$- International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Copyright©2000 by STC "TATA" July 2000, Vol. 1 187
РГ, РН - плотности горючих; УГ, УН - объемы баков (баллонов).
Соответственно У = Н = —Р——,
УГ РН а
при этом а = 2,8 (для дизельных горючих) и а = 2,7 (для бензинов).
В табл. 1 даны значения У для случаев жидкого водорода (р = 71 кг/м3) и газообразного при р = 20 МПа и 30 МПа, а также т - масса стального баллона с водородом, приходящаяся на 1 л замещаемого жидкого горючего, кг/лт.
Таблица 1
Го рючее Жидкий H2 Газообразный H2
Дизельное Бензин Дизельное Бензин
р = 30 МПа р = 20 МПа р = 30 МПа р = 20 Мпа
V 4,07 3,85 11,8 17,5 11,1 16,7
M - - 16,5 16,6 15,5 15,8
Как видно, низкая плотность водорода приводит к следующему:
1. При использовании жидкого водорода объем баков его должен быть практически в 4 раза больше, чем объем баков с горючим СхНу при том пробеге автомобиля (пролете самолета) между заправками.
2. При заправке автотранспорта газообразным водородом даже столь высокого давления (последнее связано с напорной способностью заправочных компрессорных станций - см. ниже) объем баллонов превосходит объем баков жидкого горючего в 10-17 раз, что при замене 50-литрового бака, например, соответствует дополнительному грузу на автомобиль порядка 800 кг, или потребует более частой заправки, т. е. уменьшения пробега и увеличения числа заправочных станций.
3. При таких объемах и массе системы хранения газообразного водорода «на борту» объекта применение его в самолетных двигателях исключено.
4. Станция заправки газообразным водородом должна иметь:
- баллонную батарею емкостью, в У раз превышающую объем хранилища жидкого горючего
СхНу;
- мощную компрессорную станцию, поскольку подача водорода может быть только от трубопроводной сети с достаточно низким рабочим давлением.
5. Территория страны (города, района) должна быть «прорезана» системами водородных газопроводов со всеми возможными опасными последствиями.
Н и з к а я т е м п е р а т у р а к и п е н и я водорода в сочетании с малой плотностью - это проблема чрезвычайно больших относительных потерь продукта при транспортировке от мест производства его к хранилищам, при хранении и, особенно, при раздаче многочисленным потребителям, тем более таким «мелким», как автотранспорт.
В табл. 2 приведены результаты оценки относительных потерь жидкого водорода ёт из сферических емкостей объемом 50 и 100 л (уровень потерь наименьший) с термоизоляцией толщиной 100 мм в двух вариантах: простая пористая (^и= 0,025 Вт/м К) и вакуумно-порошковая (^и= 0,003 Вт/м К); коэффициент внешнего конвективного теплообмена а = 5 Вт/м2 К, внешняя температура Т0 = 293 К, внутренняя температура Тн = 20 К.
fir$- International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Copyright©2000 by STC "TATA" July 2000, Vol. 1 188
ТАБЛИЦА 2
V, л Д, м Sm ,% в час
0,025 0,003
50 0,46 9,6 1,2
100 0,58 7,5 0,94
Эти ориентировочные данные показывают, что даже при наличии высокоэффективной изоляции потери водорода могут быть весьма велики: для бака объемом 100 л, который по запасу энергии соответствует ~ 25 л керосина, потери составляют ~ 1% в час, так что предварительная заправка или длительный простой заправленного транспорта исключены.
Здесь техническими проблемами являются:
1. Необходимость наличия источника жидкого водорода на каждой базе транспорта, в т.ч. на каждом аэродроме.
2. То же - на организованных автостоянках.
3. Необходимость в подвижных заправщиках жидкого водорода.
4. Непрерывный дренажный выброс газообразного водорода, в том числе из заправочных коммуникаций на аэродромах при их предзаправочном «захолаживании».
5. Необходимость в больших объемах перевозок жидкого водорода от заводов его производства, т.к. производство не может быть чрезмерно рассредоточенным.
6. Широкомасштабное взрывоопасное загазовывание атмосферы водородом.
Следует подчеркнуть, что любые средства транспортировки и хранения водорода - это чрезвычайно крупногабаритные устройства; например, в железнодорожной емкости с рабочим объемом в 60 м3 можно разместить порядка 4000 кг жидкого водорода (вместо 50 тонн углеводородного горючего), т.е. «перевезти» 25% энергии последнего.
2. Технико-экономические вопросы применения водорода
До сих пор речь шла об использовании «наличного» водорода, однако едва ли не самым сложным и дорогостоящим во всей этой проблеме является именно получение водорода при столь широкомасштабном потреблении, в том числе в общей энергетике.
При использовании углеводородного горючего схема его потребления выглядит следующим образом:
П
л о т
Р е
У б
и т е л ь
Здесь химическая энергия топлива теоретически полностью превращается в тепловую (в топке любого типа, в т.ч. в цилиндре или камере сгорания двигателя -линия в), далее с КПД п' последняя превращается в механическую, которая может либо непосредственно потребляться (линия а), либо с КПД п'' превращаться в электрическую (линия б).
Наличный водород используется по этой же схеме, но его еще предстоит получить из природных, низкоэнтальпийных соединений, в том числе:
А) из углеводородного сырья (конверсия углеводородов с водяным паром, прямое термическое разложение углеводородов);
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Copyright©2000 by STC "TATA" July 2000, Vol. 1 18o
Б) электролизом воды.
Оба направления весьма энергоемки, особенно Б), а получение по А) подразумевает еще и потребление ограниченных сырьевых ресурсов, сложную технологию и проблемы использования отходов производства, в частности углерода - при термическом разложении углеводорода.
Наиболее бессмысленно направление Б), предлагаемое некоторыми авторами, согласно которому атомная энергия удаленного от густонаселенных районов источника используется для разложения природного оксида Н2О, а затем получаемый водород, передаваемый по трубопроводам (тысячи километров) к густонаселенным центрам потребления, в т.ч. и транспортного, снова сжигается в «топках» и т.д. Получается следующая схема:
О,
->
F (1) —> F -^тепл (2) —> F -^мех (3) —> F эл —> Эл-лиз Н2О Н2 —> F ^хим 1 F тепл F мех F эл
->
В данной схеме п учитывает потери энергии в соответствующих звеньях преобразования, в том
числе:
цЭХ - КПД процесса электролиза - отношение энергии, непосредственно затрачиваемой на разложение воды в расчете на 1 кг газообразного водорода («40 кДж/ кг) , к фактическим затратам; составляет порядка 0,6;
ПТР - затраты энергии на трубопроводный транспорт (компрессионные станции на трассе); ПСЖ - затраты на сжижение водорода у потребителя, если предусмотрено потребление жидкого водорода.
Суммарный КПД по линиям а и б составит порядка 0,1 - 0,15 вместо 0,4-0,5 при непосредственном потреблении преобразованной атомной энергии (первые три этапа преобразования).
Опыт получения жидкого электролизного водорода в СССР (для нужд ракетно-космического потребления) показал, что непосредственно на месте производства стоимость его могла превышать в 5060 раз стоимость производимого горючего.
П
з
тр
е
эх
в
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Перевод транспортных средств, а тем более, пром
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.