ОКСИГЕНАТНЫЕ ТОПЛИВА

Рассмотренные в предыдущем разделе моторные топлива, содержащие низкомолекулярные спирты (метанол и этанол), также относятся к оксигенатным топли-вам, т.е. топливам, в состав которых входят продукты, содержащие кислород. Однако термин «оксигенатные топлива» первоначально закрепился за топливами, в состав которых включены простые эфиры, начиная с ме-тилтретбутилового (МТБЭ), промышленное производство которого началось в Италии в 1973 г. и в США в 1979 г. В настоящее время производство МТБЭ в мире осуществляется более чем на 170 установках общей мощностью около 33 млн т в год. Производство МТБЭ составляет 25-27 млн т ежегодно, причем 57% этого количества вырабатывается в США [29].

Кроме основного оксигената МТБЭ, в качестве компонентов автомобильных бензинов в большей или меньшей степени нашли применение и другие простые эфиры - метил-третамиловый (МТАЭ), этил-требутиловый (ЭТБЭ), этил-третамиловый (ЭТАЭ), диизопропиловый (ДИПЭ) и метил-вторпентиловый (МВПЭ) [19].

Особое место среди простых эфиров занимает диме-тиловый эфир (ДМЭ), который по своим свойствам является высококачественным дизельным топливом и рассматривается в разделе 3.

Введение оксигенатов в состав моторных топлив позволяет решить, как отмечалось выше, по крайней мере две основные задачи:

- улучшить эксплуатационные свойства нефтяных

топлив, в первую очередь октановое число; - сократить расход нефти на производство моторных топлив - введение оксигенатов эквивалентно экономии примерно двойного количества нефти, поскольку на производство 1 т моторного топлива расходуется от 1,5 до 2 т нефти в зависимости от глубины переработки.

Кроме того, оксигенаты снижают содержание токсичных веществ в отработавших газах, увеличивая полноту сгорания углеводородов - введение 2% кислорода в составе оксигената снижает содержание в отработавших газах СО и [СН] на 7-10%, улучшая таким образом экологические свойства моторных топлив.

Поэтому оксигенатные топлива в определенной степени могут быть отнесены к альтернативным топливам.

Основные физико-химические и эксплуатационные свойства простых эфиров приведены в табл. 22.

Сравнение приведенных в табл. 22 данных показывает, что наиболее высокими антидетонационными свойствами обладает ЭТБЭ, совсем немного уступает ему МТБЭ. Однако если сравнивать стоимость этих продуктов, то МТБЭ существенно дешевле, что связано с более высокой ценой этанола, используемого для производства ЭТБЭ.

Метод производства простых эфиров рассмотрен в разделе 1.3.

Основными производителями МТБЭ в России являются нефтехимические предприятия по производству синтетических каучуков, что связано с наличием на этих предприятиях производства изобутилена. К таким предприятиям относятся ОАО «Нижнекамскнефтехим» (г. Нижнекамск), ОАО «Синтезкаучук» (г. Тольятти), ОАО «Волжский каучук» (г. Волжский), ОАО «Уралорг-синтез» (г. Чайковский) и ряд других, которые вырабатывают около 520 тыс. т МТБЭ в год. Около 140 тыс. т МТБЭ вырабатывают на нефтеперерабатывающих заводах - ОАО «Омский НПЗ», ОАО «Коримое» (г. Москва), ОАО «Башнетехим» (г. Уфа) и др. МТБЭ вырабатывается в соответствии с ТУ 38.103704-90 и ТУ 2435-412-05742686-98.

Введение в базовые бензины до 15% МТБЭ позволяет получать неэтилированные автомобильные бензины разных марок с более высоким содержанием низкооктано­вых компонентов, чем при использовании алкилата [19].

Температура кипения МТБЭ равна 55 °С, что позволяет при его введении увеличить содержание в бензине низкокипящей фракции, улучшить ее октановое число и снизить температуру выкипания 50% бензина, что в свою очередь позволяет вовлекать в состав бензина вы-сококипяшие фракции процессов каталитического крекинга и риформинга. Кроме того, введение МТБЭ позволяет снизить содержание в бензине ароматических углеводородов и тем самым улучшить экологические свойства топлива.

МТБЭ хорошо растворяется в углеводородах и в гораздо меньшей степени по сравнению со спиртами вымывается водой, не выделяется из бензина при низких температурах. Несмотря на пониженную по сравнению с бензином энергоплотность (38,2 и 42,5 МДж/кг соответственно) мощностные характеристики двигателя практически не меняются, при этом расход бензина уменьшается на 7%. Температура холодного запуска двигателя снижается на 8-15 °С, предотвращается обледенение карбюратора, улучшаются моющие и другие эксплуатационные свойства бензина.

Применение МТБЭ в составе автомобильных бензинов было разрешено после тщательных исследований, однако многолетнее применение МТБЭ в составе автомобильных бензинов в США показало, что МТБЭ оказывает отрицательное влияние на здоровье человека. Многочисленные исследования установили, что МТБЭ является причиной более 20 заболеваний, в т.ч. астма, кратковременная потеря памяти, головная боль, раздражение кожи и т.п. В организм человека МТБЭ может попасть через органы дыхания из-за высокой испаряемости, а также через грунтовые воды, а затем и в питьевую воду в результате пролива, утечек из резервуаров, подвергшихся усиленной коррозии при контакте с МТБЭ и т.д. МТБЭ был обнаружен в 49 штатах США. Питьевая вода, содержащая МТБЭ, имеет специфический запах и вкус; особо чувствительные люди ощущают присутствие МТБЭ уже при концентрации в воде менее 10^-4%. Учитывая эти обстоятельства, ПДК МТБЭ в питьевой воде установле­на на уровне 5-10^-7 % [30].

Все это привело к тому, что в США в конце 90-х гг. началась мощная кампания за запрет использования МТБЭ в составе автомобильных бензинов. Особо интенсивно эта кампания проводилась в штате Калифорния, в котором запрет на применение МТБЭ предполагалось ввести в 2003 г., однако позднее эта дата была перенесена на январь 2004 г. [28]. На остальной территории США запрет на использование МТБЭ предполагается осуществить к 2010 г. (рис.10). При этом сохраняется требование о содержании кислорода в автомобильном бензине на уровне 2%, что приведет к росту потребления этанола с 13,9 тыс. т/сутки в 2000 г. до 30,8 и 38 тыс. т/сутки в 2005. и 2010 гг. соответственно [29].

В остальных регионах мира по прогнозам до 2010 г. потребление МТБЭ останется на прежнем уровне, с некоторым снижением в странах Западной Европы, ростом в Восточной Европе и значительным (на 50%) ро­том в Азии (рис.10).

В России МТБЭ допущен к применению до 15% в со­ставе высокооктановых бензинов (с октановым числом по исследовательскому методу не менее 91) и до 8% в бензинах типа АИ-80.

Рис. 10. Прогноз использования МТБЭ

Учитывая определенные экологические трудности с применением МТБЭ в составе автомобильных бензинов, делаются попытки найти замену МТБЭ. В частности, появилось сообщение о разработке биоразлагаемой добавки Envirolene (Инвайролин), которая может заменить МТБЭ в автомобильных, ТЭС в авиационных бензинах и может использоваться в дизельном топливе [27, с. 21]. Инвайролин представляет смесь прямоцепочеч-ных спиртов Ci-С₈ топливного сорта с октановым числом 128; его получают из синтез-газа на установках по произодству метанола при замене катализатора.

ДИМЕТИЛОВЫЙ ЭФИР

По мнению экспертов, в настоящее время одним из наиболее перспективных топлив для дизельных двигателей является диметиловый эфир (ДМЭ).

Перспективность этого дизельного топлива определяется двумя основными обстоятельствами:

- сырьем для производства ДМЭ является природный газ;

- высокими эксплуатационными и экологическими свойствами ДМЭ.

Технология производства ДМЭ приведена в разделе 1.3.

Основные физико-химические и эксплуатационные свойства ДМЭ в сравнении с нефтяным дизельным топливом и другими топливами, которые могут быть использованы в дизельных двигателях, приведены в табл. 25.

Среди положительных эксплуатационных качеств ДМЭ в первую очередь необходимо отметить высокое цетановое число (55-60 единиц). Наличие в молекуле ДМЭ атома кислорода обеспечивает:

- полноту сгорания ДМЭ, что обеспечивает практическое отсутствие в камере сгорания нагара и сажистых частиц в отработавших газах;

- снижение температуры горения топлива в камере сгорания и, как следствие, снижение содержания оксидов азота в отработавших газах и т.п.

Отсутствие серы в ДМЭ решает проблему содержания оксидов серы в отработавших газах, что является одной из наиболее актуальных проблем использования нефтяных дизельных топлив.

Проведенные на топливном стенде (серийный двигатель Д-245.12) испытания показали, что при работе на ДМЭ двигатель устойчиво работал на всех эксплуатационных режимах, включая режимы пуска и холостого хода. Мощность и экономичность (в энергетическом эквиваленте) двигателя при работе на ДМЭ и дизельном топливе оказались практически одинаковыми.

На всех режимах двигатель на ДМЭ работал при полностью бездымном выхлопе (коэффициент оптической плотности К=0%), в то время как при работе на дизельном топливе наблюдался типичный для дизелей уровень дымности отработавших газов: коэффициент оптиче­ской плотности К=17-28%.

Уровень выбросов окислов азота (NO_X) на всех режимах был существенно меньше, чем на дизельном топливе. Особенно значительная разница наблюдалась на режимах N_e>50-100%, где снижение NO_X было в 2-3 раза [32].

Наиболее существенными недостатками ДМЭ как дизельного топлива является в 1,5 раза меньшая теплота сгорания (28900 и 42500 кДж/кг для ДМЭ и дизельного топлива соответвственно), что приведет к увеличению расхода ДМЭ в 1,5-1,6 раза по сравнению с дизельным топливом. Такое положение потребует соответствующего соотношения цен ДМЭ и дизельного топлива, чтобы обеспечить конкурентноспособность ДМЭ. Последнее, очевидно, может быть реализовано только при широкомасштабном производстве ДМЭ на установках большой мощности (см. ниже).

Недостатками ДМЭ являются также низкая кинематическая вязкость (более чем в 20-30 раз меньшая по сравнению с дизельным топливом) и очень плохие смазывающие свойства - худшие среди всех топлив для дизельных двигателей. Пятно износа по методу HFRR для ДМЭ достигает значений 900 нм, для нефтяного дизельного топлива с содержанием серы 350 ррт 530-550 нм и для дизельного топлива, полученного процессом Фи-шера-Тропша около 650 нм при норме по EURO 3 не более 460 нм. Столь плохие противоизносные свойства потребуют применения или специальных противоиз-носных присадок, или принципиального изменения си­стемы подачи ДМЭ в камеру сгорания.

Определенные сложности при внедрении ДМЭ связаны с его низкой температурой кипения (минус 24,8 °С), что потребует создания инфраструктуры для хранения на АЗС, заправке,хранении ДМЭ на борту автомобиля и т.п.

Впервые о ДМЭ как экологически чистом дизельном топливе было упомянуто на Международном конгрессе и выставке в Детройте в 1995 п, после чего работы в топливном направлении получили мощный стимул и интенсивно развиваются в целом ряде стран, в том числе и в России.

Особенно интенсивно работы по использованию ДМЭ в качестве дизельного топлива проводятся в г. Москве, в которой разработана «Программа правительства Москвы по внедрению ДМЭ в качестве моторного топлива», рассчитанная на 3 года - с 2005 по 2007 г. [31].

Эта программа включает следующие этапы:

- проведение научных и опытно-конструкторских работ;

- организация работ по переводу автомобилей на диметиловый эфир;

- подготовка автотранспортных предприятий к работе на ДМЭ;

- создание собственного производства ДМЭ.

Дизельный парк г. Москвы в настоящее время соста­вляет 280 тыс. единиц, из которых 52 тыс. - это грузовые машины марок «КамАЗ», «МАЗ» и «ЗИЛ». До 2007 г. власти Москвы планируют перевести 3 тыс. грузовых машин на ДМЭ. По расчетам, автомобиль «КамАЗ» за счет выбросов наносит ущерб экологии в размере 26-28 тыс. рублей в год при работе на дизельном топливе; при переводе на ДМЭ ущерб уменьшается до 9 тыс. рублей, т.е. в 3 раза [31].

В настоящее время в Москве находятся в экспериментальной эксплуатации несколько автомобилей «Бычок», заправка которых ДМЭ осуществляется передвижными АЗС. В дальнейшем по мере увеличения автомобилей, использующих ДМЭ, заправку предполагается осуществлять через сеть АГНКС, расположенных на территории автотранспортных предприятий, оснащенных колонками с ДМЭ и, наконец, строительство специальных АЗС или оснащение колонками ДМЭ существующих заправочных станций для заправки СНГ.

По мере развития этого направления альтернативных топлив необходимо будет обеспечить производство ДМЭ в объеме десятков, сотен и возможно миллионов тонн в год, что потребует строительства крупнотоннажных установок и решения вопросов цены ДМЭ и дизельного топлива. Учитывая больший расход ДМЭ, его цена должна быть по крайней мере в 2 раза ниже цены дизель­ного топлива, чего в настоящее время не наблюдается. Стоимость ДМЭ, поставляемого для экспериментальных работ из Новомосковска, составляет 400 долларов за тонну при цене дизельного топлива около 365 долларов за тонну.

Предварительные расчеты российских и зарубежных специалистов показывают, что производство ДМЭ может быть конкурентоспособным по цене с дизельным топли­вом, СНГ, СПГ и быть ниже цены дизельного топлива, полученного процессом Фишера-Тропша при мощности установки по ДМЭ в 1,5 млн т в год (таблица 26).

Таблица 26 - Цена различных энергоносителей (СИФ, Роттердам) [33]

Положительное решение затронутых вопросов в ближайшее время несомненно сделает ДМЭ одним из наиболее перспективных видов дизельного топлива

БИОТОПЛИВА

Биотопливами (биологическими топливами) называют моторные топлива, которые получают из возобновляемых, в основном растительных источников сырья. В последние годы производству этого вида альтернативных моторных топлив уделяется значительное внимание во многих зарубежных странах.

Этиловый спирт (гидролизный и пищевой), полученный из растительного сырья, также часто называют биоэтанол, и его использование в качестве моторного топлива рассмотрено в разделе 2.1.2.

Кроме биоэтанола из возобновляемых источников сырья в промышленном масштабе вырабатывают биодизельное топливо и так называемое топливо P-series.

Биодизельное топливо.Для выработки биодизельного топлива могут использоваться различные масличные культуры (соя, рапс и т.п.), а также отходы производства говяжьего и других животных жиров. Биодизельное топливо из растительного сырья, в отличие от биоэтанола, получают раздавливанием семян масличных культур, в результате которого получают растительное масло. Наиболее часто для производства биодизельного топлива используют рапсовое масло, которое вырабатывается из семян рапса и представляет собой сложные эфиры глицерина и следующих высших карбоновых кислот [43]:

- насыщенных (миристиновой - 1,5%, стеариновой;

- 1,6%, арахиновой - 1,5%);

- ненасыщенных (олеиновой - 20-25%, эруковой - 56-65%, линолевой - 14% и линоленовой - 2-3%).

Рапсовое масло имеет высокую температуру плавления и поэтому рапсовое масло подвергают гидролизу с получением глицерина и смеси жирных кислот. Эту смесь этерифицируют метанолом с получением метиловых эфиров жирных кислот рапсового масла - биодизельное топливо,которое может использоваться как таковое или в виде различных композиций с традиционным нефтяным топливом.

Основные физико-химические и эксплуатационные свойства биодизельного топлива и его смеси с нефтяным дизельным топливом приведены в табл. 27.

Таблица 27 - Свойства биодизельного топлива и его смесей

с нефтяным дизельным топливом

Введение до 10% биодизельного топлива практически не влияет на физико-химические и эксплуатационные свойства нефтяного дизельного топлива, при большем содержании возникает необходимость в добавлеии депрессорных присадок [41].

В США предложены два вида топлива для дизельных двигателей: В100 - «чистое» биодизельное топливо и В20 - нефтяное дизельное топливо, содержащее 20% биодизельного топлива. При использовании биодизельного топлива и его смесей с нефтяным не требуется реконструкция инфраструктуры (хранение, транспортные коммуникации, заправочное оборудование, автомобильные баки и т.п.), как это требуется при использовании других видов альтернативного топлива. Характеристики дизельного двигателя, работающего на биодизельном топливе и традиционном нефтяном (мощность, расход топлива, ускорение), аналогичны. Любой парк большегрузных автомобилей с дизельными двигателями может использовать и биодизельное топливо [42].

Двигатели автомобилей, работающих на биодизельном топливе, меньше выделяют сажи, оксида углерода и менее токсичны по сравнению с двигателями, использующими нефтяное топливо, эмиссия оксидов азота примерно одинакова.

Биодизельное топливо появилось в Южной Африке пе­ред Второй мировой войной и предназначалось для большегрузных автомобилей. В настоящее время разработкой и производством биодизельных топлив достаточно интенсивно занимаются в странах Западной Европы (Австрия, Франция и др.) и в США. Сведения о проведении аналогичных работ в России в литературе отсутствуют.

Топлива P-series.разработанные в Принстонском университете (США), представляют собой смесь этанола, метилтетрагидрофурана (МТГФ), углеводородов С₅+; в зимние сорта вводится н-бутан (таблица 28).

Таблица 28 - Состав топлив P-series, %

Октановые числа топлив P-series в зависимости от состава находятся в диапазоне 87-93 единицы.

Топлива P-series прошли широкие испытания, и было показано, что по экологическим свойства они намного превосходят нефтяные бензины по содержанию [СН], СО, NO* в отработавших газах, они также менее вредны для человека [42].

Для получения топлив P-series может использоваться дешевое возобновляемое сырье - сельскохозяйственные, древесные и бумажные отходы. Лигноцеллюлоза, содержащаяся в этих отходах, подвергается гидролизу с получением фурфурола, который гидрируют в метилте-трагидофуран (МТГФ). Твердые продукты гидролиза направляют на повторный гидролиз, в результате которого выделяется глюкоза, используемая для ферментации в этанол.

1 л топлива P-series эквивалентен 1 л обычного бензина или 0,88 л реформулированного; энергозатраты на производство 1 л топлива P-series на 14,6 МДж меньше, чем на производство 1 л реформулированного бензина.

В перспективе топлива P-series могут заменить в США около 380 тыс. м³ бензина. Эксклюзивным правом на производство топлив P-series владеет компания «Pure Energy Corp.» (США).

ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВА

Интерес к водороду как моторному топливу обусловлен следующими обстоятельствами:

- при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода и в этом отношении двигатель на водородном топливе является наиболее экологически чистым;

- высокие энергетические свойства водорода - низшая теплота сгорания водорода составляет 120 МДж/кг, что более чем в 4 раза выше по сравнению с бензином (около 25 МДЖ/кг), т.е. 1 кг водорода эквивалентен почти 4,5 кг бензина;

- практически неограниченная сырьевая база при условии получения водорода из воды.

Рїспользование водорода в качестве моторного топлива для автомобилей может осуществляться по нескольким вариантам:

- применение самого водорода;

- применение водорода совместно с традиционными нефтяными топл ивами;

- использование водорода как топлива в топливных элементах (раздел 6).

В настоящее время мощности по производству водорода в мире оцениваются в 40 млн т в год, при этом более 90% водорода получают в процессах риформинга и в других нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах. Водород вырабатывается также при конверсии природного газа в синтез-газ (раздел 1.3). Получение водорода электролизом воды в настоящее время - процесс чрезвычайно дорогой, по затратам энергии он практически равен количеству энергии, получаемой при сгорании водорода в двигателе.

Кроме того, следует учитывать способ получения электроэнергии, необходимой для электролиза воды. Если электроэнергия вырабатывается на электростанциях, использующих в качестве топлива природный газ (минимальная токсичность дымовых газов) или уголь (максимальная токсичность дымовых газов), то экологичность применения водорода в качестве моторного топлива во многом теряет свои преимущества. Доля электростанций, использующих энергию воды, атомные станции, солнечные батареи в большинстве стран мира не очень велика.

Практически весь вырабатываемый в настоящее время водород используется в различных процессах нефтепереработки (гидроочистка, гидроформинг, гидроизомеризация и т.п.) и нефтехимии (процессы гидрирования).

При высокой массовой энергоплотности объемная энергоплотность водорода на 15-20% ниже по сравнению с бензином [4]. С воздухом водород устойчиво воспламеняется в широком диапазоне концентраций вплоть до = 10, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на всех скоростных режимах в широком диапазоне изменения состава смеси от a = 0,2 до a = 5. Критическая степень сжатия при стехиометрическом водород о-воздушном составе смеси не превышает 4,7, что соответствует октановому числу по исследовательскому методу 46 единицам, в то время как при a = 3,5 степень сжатия достигает 9,4 и октановое число равно 114. Таким образом, при достаточном обеднении смеси возможна бездетонационная работа водородного двигателя в широком диапазоне степеней сжатия.

Отсутствие углерода в водородном топливе приводит к тому, что в отработавших газах практически отсутствуют оксиды углерода (СО и СО₂) и несгоревшие углеводороды (СН). Незначительные количества этих продуктов в отработавших газах обусловлены выгоранием смазочных материалов, попадающих в камеру сгорания. Выброс оксидов азота при стехиометрическом составе смеси за счет более высокой температуры горения водородо-воздушной смеси вдвое превышает выброс оксидов азота бензинового двигателя. Обеднение смеси приводит к быстрому снижению, и при a =1,8 оксиды азота в отработавших газах практически отсутствуют.

Высокая реакционная способность водорода приводит к возможности проскока пламени во впускной трубопровод, преждевременному воспламенению и жесткому сгоранию водородо-воздушных смесей. Из всех возможных вариантов устранения этого явления наиболее предпочтительным является впрыск водорода непосредственно в камеру сгорания, при этом возможно повышение степени сжатия до 15,4 и при a = 2,5 повышение КПД двигателя на 55% [4].

Основной проблемой использования водорода в качестве моторного топлива является его хранение на автомобиле, которое может быть реализовано в нескольких вариантах:

- сжатый газообразный водород;

- сжиженный водород;

- с использованием носителей водорода в виде гидридов металлов или других носителей.

Наилучшие показатели обеспечиваются при хранении сжиженного водорода (табл. 29).

Разработанные системы хранения сжатого водорода при давлении 34,5 и 69 МПа позволят существенно уменьшить объем бака, но не его массу из-за увеличения толщины стенки. Кроме того, столь высокие давления потребуют специальных методов защиты места установки бака.

Хранение жидкого водорода - достаточно сложная задача, учитывая его низкую температуру кипения (минус 252,8 °С). Поэтому жидкий водород хранят в специальных емкостях с двойными стенками, пространство между которыми заполнено материалом с очень низким коэффициентом теплопроводности. Столь низкая температура требует использования специальных сплавов, поскольку для большинства металлов контакт с жидким водородом уменьшает ударную вязкость, делает его хрупким. Следует также учитывать способность водорода проникать через толщу материала, которая возрастает с увеличением температуры и давления.

Перспективным направлением является хранение водорода в виде гидридов металлов, когда водород находится в химически связанном состоянии и высвобождается при нагреве до 70-80 °С. Учитывая невысокую молекулярную массу водорода по сравнению с атомным весом металла, основную массу такого топлива составляет масса металла-носителя. При использовании гидрида магния (см. табл. 29) это соотношение составляет около 168 кг магния и 13 кг водорода.

Высокая температура самовоспламенения водородо-воздушных смесей затрудняет использование этого топлива в дизельных двигателях. Устойчивое воспламене­ние может быть обеспечено принудительным поджигом от свечи или организацией работы по газодизельному режиму, аналогичному рассмотренному ранее для газового топлива.

Технические трудности при использовании и высо­кая стоимость водорода привели к тому, что уделяется внимание разработке комбинированного топлива бензин-водород. Высокая активность водорода позволяет обеспечить работу двигателя на обедненных смесях, степень обеднения зависит от количества водорода в смеси [4]:

Проведенные испытания показали, что использование бензино-водородных смесей позволяет вдвое снизить расход бензина при скорости 90-120 км/ч и на 28% при езде в городе.

Определенные сложности использования водорода в качестве моторного топлива создает его высокая взрыво- и пожароопасность. Водородо-воздушные смеси имеют широкие диапазоны воспламенения 14-75% об. и взрываемости 18,3-74%. Однако высокая температура воспламенения (590 °С) и быстрое рассеивание в атмосфере позволяют приравнивать водород по показателям пожаро- и взрывоопасное к природному газу.

В последние годы большее внимание уделяется раз­работке и использованию на автомобильном транспорте топливных элементов, топливом для которых служат водород или продукты, способные при переработке выделять водород.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Топливные элементы - это устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счет энергии окислительно-восстановительной химической реакции жидких или газообразных реагентов, непрерывно поступающих к электродам извне, т.е. являются химическими источниками тока непрерывного действия [43].

На электродах топливного элемента протекают электрохимические реакции - на отрицательном с участием восстановителя (топлива), на положительном с участием окислителя (кислорода или чаще кислорода воздуха).

При использовании топливных элементов на автомобильном транспорте (FCV-fuel cell vechicle - двигатель с топливной ячейкой) в качестве топлива наиболее часто используется водород. Возможно также использование других видов водородсодержащего топлива (природный газ, метанол, бензин и т.п.), но в этом случае необходим реформер - устройство для получения водорода из этих видов топлива непосредственно на борту транспортного средства, что значительно усложняет и утяжеляет конструкцию двигателя. Оба варианта имеют положитель­ные и отрицательные стороны - в случае использования водорода необходимо решить проблемы заправки и хранения водорода на борту автомобиля, рассмотренные в предыдущем разделе; установка реформера для получения водорода из других видов топлива значительно усложняет конструкцию топливного элемента и увеличивает его стоимость примерно на 30%. Большинство из существующих автомобилей на топливных элементах заправляются водородом и около 30% - метанол ом [44].

Кроме электродов, необходимой частью топливного элемента является электролит, в качестве которого до последнего времени наиболее часто использовалась фосфорная кислота, а в последние два года подавляющая часть разработок топливных элементов направлена на создание ионообменных мембран (Proton Exchange Membranes - РЕМ).

Работа водородного-кислородного топливного элемента основана на превращении энергии химической реакции водорода с кислородом в электричество. Побочными продуктами этой реакции являются тепло и вода.

Принцип работы топливного элемента на основе РЕМ показан на рис. 11.

Рис. 11. Схема работы топливного элемента на основе РЕМ

Водород из топливного бака подается на «анод» топливного элемента. Кислород поступает на «катод». В присутствии катализатора (платина) атомы водорода расщепляются на протоны и электроны, которые различными путями попадают на «катод». Ионообменная мембрана пропускает протоны, заставляя электроны проходить через электрический контур и соединяться с протонами на катоде. Возникший в цепи электрический ток используется для привода электродвигателя автомобиля до того, как образующийся на катоде атом водорода объединится с кислородом в молекулу воды. Каждый топливный элемент вырабатывает электрический ток напряжением около 0.6 В. Сблокированные 200-700 топливных элементов обеспечивают требуемую мощность, которая для автомобиля составляет 50-75 кВт [28].

Автомобиль с топливными элементами, работающими на водороде, стерильно чист - вместо выхлопных газов он выбрасывает чистую воду. В этом убедился мэр Сиднея, когда он, приветствуя участников пробега таких автомобилей, выпил стакан «выхлопной жидкости» и остался жив [47].

В последние десять лет было изготовлено более 300 концептуальных автомобилей, работающих на топливных элементах, а с 2015 года начнется серийное производство автомобилей, работающих на водородном топливе.

Высокая стоимость топливных элементов в настоящее время является основной причиной, сдерживающей развитие рынка. Удельная стоимость двигателя, работающего на топливных элементах, равна 500-700 долл. на 1 кВт мощности по сравнению с 20 долл. для обычного двигателя внутреннего сгорания.

Фирма «Mitsubishi Motors» разработала электромобиль на топливных элементах. При его создании использовался опыт Daimler Chrysler. Источником энергии служит водород, который хранится в расположен­ных под полом багажника баллонах высокого давления. Потребляя водород, топливные элементы фирмы «Ballard» вырабатывают электричество, которым запитывается тяговый электромотор мощностью 65 кВт. Он разгоняет двухтонную машину до 140 км/ч, а запас хода составляет 150 км [45].

На риє. 12 представлен прогноз роста производства автомобилей на топливных элементах [44].

Рис. 12. Рост производства автомобилей на топливных элементах

Компания «Daimler Chryslen» провела в июне 2002 г. испытания автомобиля пятого поколения NECAR 5 на топливных элементах, который совершил 3000-мильный пробег по пересеченной местности, в высокогорных условиях при 32 °С. Автомобиль приводит в движение силовая установка Ballard на топливных элементах, включая установку реформинга метанола с получением водорода. Во время пробега автомобиль заправлялся метанолом через каждые 300 миль; расход метанола в 16-дневном пробеге составил 1 галлон (3,785 л) на 40 миль при скорости 90 миль/ч.[48].

В 2002 г. компания «Ford» разработала автомобиль «Focus FCV», на котором установлена батарея топливных элементов «Mark 902». Батарея вырабатывает по­стоянный ток напряжением 385 В, который преобразуется в переменный трехфазный ток 315 В. Автомобиль может работать как от топливных элементов, так и от резервной (буферной) батареи высокого напряжения. Бак для хранения водорода рассчитан на давление 34,5 M Па. Запас хода автомобиля на одной заправке составляет 320 км. Мощность электродвигателя (85 кВт) по­зволяет автомобилю развивать скорость до 128 км/ч. Трансатлантический концерн General Motors (GM) большое внимание уделяет повышению надежности и долговечности автомобилей с топливными элементами. Срок службы силового агрегата, имеющего ресурс 240 000 км, составляет 5500 час - цифра, на которую нацелена компания при проектировании батарей топливных элементов. Сейчас ресурс топливных элементов концерн GM составляет порядка 120 000 км (2750 ч).

Себестоимость автомобиля, оборудованного водо­родным двигателем, почти в 10 раз выше себестоимости автомобиля с классическим двигателем внутреннего сгорания. По прогнозам аналитиков к 2015 г. цена автомобилей с водородными топливными элементами сравняется с параметрами бензиновых машин.

Скорее всего широкое распространение автомобили на водородном топливе получат в период 2020-2050 гг. Полная замена автомобилей с двигателями внутреннего сгорания на автомобили с топливными элементами, воз­можно, произойдет не ранее конца нашего столетия [46].

Водородные топливные элементы представляют собой революционную технологию, для которой необходимы совершенно новая система транспортировки топлива и инфраструктура его распределения.

Приход к реальному использованию водорода как моторного топлива начинается в наши дни. Одним из первых преимущество водорода над традиционными то-пливами публично оценил президент США Джорж Буш-младший, который выдвинул программы «Автомобиль свободы» и «Топливо свободы». На создание транспортных средств с водородными топливными элементами администрация США выделила 1,7 млрд долл. и на разработку технологии производства водорода из угля -1,2 млрд долл. Водородный автомобиль должен сделать Америку страной, не зависимой от импорта нефти. Министерство энергетики США планирует в 2004-2008 гг. провести испытания 500 FCV.

Политику США в этой области поддерживает и президент Еврокомисии Романо Проди: «Водородная технология и топливные элементы - стратегический выбор Европы. В течение 20-30 лет они в корне изменят характер экономического развития», - утверждает он. В Европе на научные исследования и разработки в области водородной энергетики планируется выделить 5 млрд долл.

В рамках программы ЕС в девяти европейских городах будут курсировать 27 автобусов с водородными двигатеями, наглядно демонстрируя возможность создания высокотехнологичной, энергоэффективной и экологически чистой системы городского общественного транспорта. В аэропорту Мюнхена открыта первая водородная АЗС.

Лидером по производству водородных автомобилей стремится стать и Япония. Правительство страны до 2020 г. выделило 4 млрд долл. на приобретение водородных энергетических технологий. Японские автоконцерны Honda и Toyota уженачали сдавать в долгосрочную аренду автомобили на водородных топливных элеменах, при этом Toyota приступила к серийному выпуску автомобилей с гибридными двигателями, использующими бензин и водород.

Интерес к водородной энергетике проявляют также Канада, Китай, Австралия и Индия.

В России на базе автомобиля «Нива» были созданы автомобили на топливных элементах семейства «АНТЭЛ», основные технические характеристики которых приведены в табл. 30 [49]. Изготовление и испытания АНТЭЛ-3 намечены на 2004 г.

Топливные элементы широко исследуются не только в качестве