VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В настоящее время транспорт несёт ответственность за 23 % техногенных выбросов экологически опасных и парниковых газов в атмосферу. По оценкам экспертов, по мере роста количества личного транспорта, количество выбрасываемых газов в атмосферу через 20 лет увеличится вдвое [1]. Вопрос достижения экологически устойчивого транспорта является приоритетным для всего мирового сообщества. И одним из инструментов для этого служит переход на альтернативные виды топлива, в том числе водород. Другими причинами интереса к водородному транспорту являются рост цен на традиционные невозобновляемые энергоносители, дефицит топлива, стремление обрести энергетическую независимость. Сегодня мы имеем опыт создания и использования водородного транспорта и способны дать оценку перспективы водородной экономики. Рассмотрим два примера, иллюстрирующие разные подходы к использованию водорода как топлива.

BMW Hydrogen 7 – экспериментальный проект по созданию автомобиля с дублированной системой подачи топлива. Его 12-тицилиндровый двигатель может работать на бензине и водороде. В рамках опытной партии с 2007 года выпущено 100 машин, переданных в лизинг в Европе и в США [2]. Но эксперимент не оправдал ожиданий разработчиков. Переведенный на водород ДВС потерял ресурс – прогорали клапаны, поршневые кольца, приходила в негодность смазка. Водород как летучий газ требовал особо качественных уплотнений, иначе возникал риск взрыва. Учитывая расход водородного топлива (50 л на 100 км) при потере экологических выгод на производстве и транспортировке водорода, такой автомобиль давал нагрузку на окружающую среду, сравнимую с выхлопами грузовиков с дизельным ДВС.

Toyota Mirai — компактный автомобиль, сердцем которого является гибридная установка на водородных топливных элементах. В результате взаимодействия водорода и кислорода вырабатывается электроэнергия, без процесса горения. Максимальный КПД при этом – 83 %. Для сравнения 1,3-литровый бензиновый двигатель VVT-iE компании Toyota имеет максимальный КПД 38 %. В результате испытательных тестов за 4 км пробега объём выхлопа составляет 240 мл воды. Максимальная дальность поездки на одной заправке (2 баллона общим объёмом 122,4 л) – 650 км. Время полной заправки составляет 3 минуты. В перспективе массового применения стоимость топливных элементов можно будет сопоставить с обычным ДВС.

Основные трудности. Летучесть водорода, а также высокая взрывоопасность затрудняют его хранение в газообразном состоянии. Термобак БМВ Hydrogen 7 имеет объём 170 л, при этом содержит всего 8 кг водородного топлива. После девяти дней половина бака испаряется [3]. Криогенные системы для хранения жидкого водорода при температуре не выше −253°C требуют использования сложного оборудования с высокими энергозатратами. Известен способ хранения с использованием гидридов, способных «разместить» между своими атомами атомы водорода (наилучшей основой является титан). Гидриды безопаснее других способов хранения водорода, но для автомобильного транспорта их емкость недостаточна, а вес и сложность устройства (губчатая структура) велики. К тому же у гидридных систем высокая тепловая инерция реакторов – работа с переменными расходами требует ресивер или комбинацию с другим источником водорода.

Постройка одной заправочной станции стоит в среднем в 5-10 раз дороже, чем комплект оборудования для бензиновых заправочных станций.

Наиболее доступный и дешёвый способ производства водорода – паровая конверсия, предпочтительная на заре водородной экономики, когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. Однако будут необходимы возобновляемые источники энергии для снижения выбросов –энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды. Производство водорода может быть сосредоточено как на централизованных предприятиях, так и непосредственно на автозаправочных станциях [4].

На данном этапе транспортная система слабо адаптирована к водородному транспорту. Реструктуризация требует финансовых, энергетических и, возможно, политических затрат. Однако, на наш взгляд, нынешние вложения в технологии и разработки в будущем позволят улучшить экологические условия и научиться использовать фактически неисчерпаемую солнечную энергию, позволяющую сделать водород доступным и дешёвым энергоносителем.

Список литературы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Водородный_транспорт.

2. http://rus-auto.net/articles/a.376.html.

3. http://www.spiegel.de/international/spiegel/bmw-s-hydrogen-7-not-as-green-as-it-seems-a-448648.html.

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Производство_водорода.