CC BY
17Статья поступила в редакцию 12.03.12. Ред. рег. № 1265
The article has entered in publishing office 12.03.12. Ed. reg. No. 1265
УДК 661.96, 629.02
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОДОРОДНЫХ ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
12 11 А.В. Вахрушев , Ю.Г. Яновский , И.А. Шестаков , А.Ю. Федотов
1Институт механики УрО РАН 426067 Ижевск, ул. Татьяны Барамзиной, д. 34 Тел.: 8 (3412) 21-45-83, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected] 2Институт прикладной механики РАН 125040 Москва, Ленинградский пр., д. 7 Тел.: 8 (495) 938-18-36, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 25.03.12 Заключение совета экспертов: 05.04.12 Принято к публикации: 15.04.12
В настоящее время в связи с использованием в качестве топлива нефти происходит глобальное потепление и загрязнение окружающей среды, которое признают все ученые мира. Наиболее экологически чистым источником энергии является водород. Важно создать единую транспортную и энергетическую систему, которая включает в себя водородный транспорт и полностью автономную водородную энергетическую станцию, не зависящую от снабжения извне электрической энергией и топливом. Целью данной статьи является предложение схемы единой водородной транспортно-энергетической системы, включающей водородную энергетическую станцию и автомобиль специального назначения с использованием бака водорода.
Ключевые слова: водородная энергетика, водородный транспорт, солнечная электростанция.
SCIENTIFIC AND TECHNICAL BASIS OF HYDROGEN TRANSPORT
AND ENERGY SYSTEMS
A.V. Vakhrushev1, Yu.G. Yanovskiy2, I.A. Shestakov1 A.Yu. Fedotov1
'Institute of Mechanics, Ural Branch of RAS 34 Baramzinoy str., Izhevsk, 426067, Russia Tel.: 8 (3412) 21-45-83, e-mail: [email protected], [email protected], [email protected] 2Institute of Applied Mechanics of RAS 7 Leninskiy ave., Moscow, 125040, Russia Tel.: 8 (495) 938-18-36, e-mail: [email protected]
Referred: 25.03.12 Expertise: 05.04.12 Accepted: 15.04.12
At the present time due to the use of oil as fuel, global warming and pollution takes place, which is recognized by all scientists in the world. The most environmentally friendly source of energy is hydrogen. Most important is to create a unified transport and energy system, which includes the hydrogen vehicles and completely autonomous hydrogen station, which is independent of external supply of electrical energy and fuel. The purpose of this paper is to propose a unified scheme of hydrogen transport and energy systems, including hydrogen energy station and a special purpose vehicle with the tank of hydrogen.
Keywords: hydrogen energy, hydrogen vehicles, solar power.
Александр Васильевич Вахрушев
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, заведующий лабораторией механики наноструктур Института механики УрО РАН.
Образование: Ижевский механический институт (1976).
Область научных интересов: физико-химия наносистем, наночастицы, нанокомпозиты, методы математического моделирования наносистем. Публикации: более 180 статей, 10 патентов.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04 (108) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, директор Института прикладной механики РАН.
Область научных интересов: физико-химия наносистем, наночастицы, нанокомпозиты Публикации: более 400 статей, ряд монографий и книг, свыше 50 отечественных и зарубежных патентов на изобретения..
Юрий Григорьевич Яновский
Игорь Александрович Шестаков
Алексей Юрьевич Федотов
Сведения об авторе: канд. техн. наук, научный сотрудник лаборатории механики наноструктур Института механики УрО РАН.
Образование: Ижевский механический институт (2004).
Область научных интересов: аккумулирование водорода с использованием наноматериа-лов, водородная энергетика, инженерные задачи по созданию аккумулятора-бака водорода, конструирование автомобилей.
Публикации: 5 статей, 15 тезисов докладов конференций, 5 патентов.
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории механики наноструктур Института механики УрО РАН.
Образование: Ижевский технический государственный университет (2005). Область научных интересов: формирование наночастиц и композиционных материалов, моделирование наносистем.
Публикации: около 40 статей, 1 патент.
Введение
В настоящее время в связи с использованием в качестве топлива нефти происходит глобальное потепление и загрязнение окружающей среды, которое признают все ученые мира. Парниковый эффект является основной причиной повышения температуры. Исследованию данной темы и конкретные предложения по внедрению солнечных электростанций посвящены работы [1-6].
В сложившейся ситуации актуально и перспективно создание мощной альтернативы углеводородному сырью для транспортных средств. Наиболее экологически чистым источником энергии является водород. Это обусловлено рядом причин: для получения водорода используются возобновляемые источники энергии (солнце, ветер, вода), в результате сгорания водорода образуется чистая вода.
Наиболее важно создать единую транспортную и энергетическую систему, которая включает в себя
водородный транспорт и полностью автономную водородную энергетическую станцию, не зависящую от снабжения извне электрической энергией и топливом. Только комплексная система позволит полноценно развиться водородной энергетике, так как у водородных энергетических станций есть постоянные потребители, а у потребителей есть надежный поставщик топлива. Целью данной статьи является предложение схемы единой водородной транспорт-но-энергетической системы, включающей водородную энергетическую станцию и автомобиль специального назначения с использованием бака водорода.
Анализ ситуации
Солнечная станция по производству водорода.
Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers разработала параболические солнечные концентраторы, которые способны произвести водород из воды [7]. Площадь зеркал установки составляет 93 м2, при
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04 (108) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
таких параметрах в фокусе концентратора температура составляет 2200 °С, а вода начинает разделяться на кислород и водород уже при температуре 1700 °С. За одни сутки установка может разделить на кислород и водород 94,9 литра воды, что соответствует 10,4 кг водорода в день. Фирма NANOPTEK также разрабатывает и производит солнечные водородные генераторы [8-9].
Солнечные электростанции. Все солнечные электростанции делятся на следующие типы: СЭС башенного типа, тарельчатого типа, использующие фотобатареи, использующие параболические концентраторы, комбинированные, аэростатные солнечные электростанции. Входной энергией является солнечный энергетический поток, далее он преобразуется в электрический ток. При этом солнечная электростанция работает параллельно и питает энергией вспомогательные системы: параболические солнечные концентраторы, станцию по хранению водорода, станцию по производству и хранению жидкого азота и станцию по заправке водородом.
В 2011 году в ОАЭ открыта первая в мире коммерческая электростанция Gemasolar Power Plant, способная работать за счет солнечной энергии 24 часа в сутки [10]. Мощность этой станции 19,9 МВт. Gemasolar - концентрационная солнечная электро-
станция, она использует энергию солнца для нагрева расплавленных солей, которые вырабатывают из воды пар. Пар приводит во вращение турбины, производящие электрический ток.
Австрийская компания Activ Solar в 2011 г. построила в Перово (Крым) солнечную электростанцию мощностью 100 МВт. Электростанция состоит из 440 000 кристаллических солнечных фотоэлектрических модулей, установленных на более чем 200 га площади и соединенных кабелем длиной 1500 км. Установка будет производить 132 500 МВтч чистой электроэнергии в год, что достаточно для удовлетворения плановой пиковой потребности в электроэнергии Симферополя, столицы Крыма. Станция позволяет сократить выбросы СО2 на 105 тысяч тонн в год.
Водородная энергетическая станция
В работе предлагается следующая схема стационарной водородной энергетической системы: солнечная электростанция, станция по производству водорода, станция по хранению водорода, станция по производству и хранению жидкого азота, станция по заправке водородом (рис. 1).
Рис. 1. Водородная транспортно-энергетическая система: 1 - параболические солнечные концентраторы, вырабатывающие водород; 2 - солнечные фотоэлектрические модули, вырабатывающие электрический ток, необходимый для работы станции и дополнительного получения водорода; 3 - электрическая подстанция; 4 - модуль по производству водорода электролизом воды, сжатию кислорода и водорода; 5 - станция по хранению сжатого водорода, кислорода, вспомогательная станция по производству и хранению жидкого азота; 6 - станция по заправке водородом и жидким азотом; 7 - автомобиль специального назначения Fig. 1. Hydrogen transport and energy system: 1 - parabolic solar concentrators that produce hydrogen; 2 - solar photovoltaic modules that produce electricity needed to operate the station and additional hydrogen; 3 - electric substation; 4 - module to produce hydrogen by electrolysis of water, compressed hydrogen and oxygen; 5 - station for the storage of compressed hydrogen, oxygen, auxiliary plant for the production and storage of liquid nitrogen; 6 - fueling station for hydrogen and liquid nitrogen; 7 - special-purpose vehicle
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04 (108) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Солнечная станция по производству водорода.
Будут использоваться параболические солнечные концентраторы. Таким образом, отпадает необходимость в солнечной электростанции как основном источнике энергии для производства водорода. Данная схема получения водорода, по мнению авторов, наиболее проста, эффективна и значительно дешевле, так как солнечная энергия напрямую направлена на производство водорода из воды.
Солнечная электростанция. В энергетической системе устанавливаются солнечные батареи площадью от 100 до 1000000 м2 в зависимости от потребностей станции по производству водорода. С одного квадратного метра площади солнечных батарей снимается 100-250 Вт электрической энергии в светлое время суток. Таким образом, суммарная мощность солнечных батарей составляет 10-100000 кВт в облачную погоду и 25-250000 кВт в солнечную погоду. Каждая солнечная батарея установлена на опоре, автоматически регулирующей положение относительно лучей солнца в горизонтальной и вертикальной площади, при этом солнечные лучи должны падать перпендикулярно поверхности солнечной батареи. Для упрощения конструкции солнечных батарей можно использовать опоры без автоматического регулирования, обеспечив угол в вертикальной плоскости 45 градусов и направление на юг в горизонтальной плоскости.
Электрическая станция по производству водорода. Станция по производству водорода использует электрическую энергию, произведенную солнечными батареями для электролиза воды. В результате электролиза вырабатываются кислород и водород. Данная станция включает и компрессор для получения необходимого давления водорода 10-50 МПа. Здесь происходит преобразование электрической или солнечной энергии в химическую энергию водорода.
Станция по хранению водорода. Станция включает в себя баллоны для хранения водорода суммарным объемом 1000 м3 при давлении 10-50 МПа. Баллоны снабжаются водородом через трубопроводы от компрессора, расположенного в станции по производству водорода.
Станция по хранению кислорода. При работе параболических солнечных концентраторов выделяется 84,5 кг кислорода. Этот кислород можно закачивать под давлением в баллоны и использовать в коммерческих целях, так как кислород активно применяется в сварочном производстве.
Станция по производству и хранению жидкого азота. Для более эффективного хранения водорода на борту транспортного средства необходим жидкий азот, так как водородный бак высокого давления при температуре жидкого азота 77 К вмещает в 4 раза больше водорода по массе, чем при температуре 300 К. Данную станцию следует расположить как можно ближе к станции по заправке жидким азотом, чтобы уменьшить потери по массе.
Станция по заправке водородом. Станция включает в себя колонки для индивидуальной заправки водородом транспортных средств и трубопроводы, связанные с баллонами станции по хранению водорода.
Заправочные станции делятся на три типа: мобильные, стационарные, домашние. Мобильные станции необходимы в тех местах, где нет водородной инфраструктуры, например, для военной техники. Стационарные станции предназначены для производства и продажи водорода на самой станции. Домашние станции устанавливаются в бытовых условиях и помогают решить проблему отсутствия инфраструктуры, при этом за год они вырабатывают 200-1000 кг водорода, чего достаточно для заправки 1-5 автомобилей в сутки. Производством домашних станций занимаются Honda, Toyota, General Motors.
Размеры стационарных заправочных станций: малые, средние и промышленные. Малые вырабатывают до 20 кг водорода в день, можно заправить до 10 легковых автомобилей. Средние - 50-1250 кг водорода в день, чего хватит для заправки 250 легковых автомобилей или 25 автобусов. Промышленные вырабатывают 2500 кг водорода в день - до 500 легковых автомобилей или до 50 автобусов в день.
Для нашего случая подходит средняя стационарная заправочная станция для заправки 25-250 автомобилей в сутки.
Станция по заправке жидким азотом. Включает в себя трубопровод, идущий от емкостей хранения, и заправочный модуль со шлангом подачи жидкого азота в бак автомобиля. К заправочному модулю и трубопроводу предъявляются особые требования, так как они работают в жестких температурных условиях: при перепадах температур от 300 К до 77 К.
Габаритные размеры станции. Параболические солнечные концентраторы: 360x360 м, солнечные фотоэлектрические модули: 300x100 м, электрическая подстанция: 3x5 м, модуль по производству водорода: 5x10 м, станция по хранению водорода: 10x20 м, станция по заправке водородом: 10x20 м, стоянка для автомобилей специального назначения: 100x10 м.
Энергетические потоки в комбинированной водородной транспортно-энергетической системе работают взаимосвязанно: параболические солнечные концентраторы вырабатывают водород и кислород, который разделяется по отдельным трубопроводам, и каждый газ уходит в свою компрессорную станцию, откуда затем кислород закачивается в баллоны, а водород - в автомобильные водородные баки, при этом параллельно работает солнечная электростанция, которая обслуживает компрессорные станции, станцию получения водорода методом электролиза воды, вспомогательные механизмы поворота параболических солнечных концентраторов в зависимости от положения солнца и станцию по заправке водородом (рис. 2).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04 (108) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Рис. 2. Энергетические потоки в комбинированной водородной транспортно-энергетической системе, где энергия излучения солнца превращается в энергию химических связей и в электрическую энергию Fig. 2. Energy flows in the combined transport of hydrogen energy system, where the energy of solar radiation is converted into energy of chemical bonds and into electrical energy
Анализ экономической эффективности
При продаже 1250 кг водорода в сутки выручка составляет 125 000 рублей. Предполагаемые расходы в сутки составят 10000-25000 рублей. При этом доход в сутки составит 100 000-115 000 рублей. Примерный годовой доход достигнет 36 500 00041 975 000 рублей. При этом необходимо наличие 125 параболических солнечных концентраторов.
Параллельно с производством водорода идет получение кислорода 84,5 кг с одного параболического солнечного концентратора в сутки, что соответствует 10562,5 кг кислорода в сутки для всей станции. Такая масса кислорода соответствует 1173 баллонам объемом 40 л, каждый стоимостью 180 рублей, что при полной продаже соответствует выручке 211 000 рублей в сутки. Предполагаемые расходы в сутки соста-
вят 30 000-50 000 рублей. При этом доход в сутки соответствует 161 000-181 000 рублей. Ориентировочный годовой доход достигнет 58 765 00066 065 000 рублей. При стоимости станции 5 000 000 долларов окупаемость при продаже одного только водорода составит 5 лет, а при дополнительной продаже кислорода - 3 года.
Автомобиль специального назначения с использованием бака водорода
Ведущие мировые производители автомобилей производят автомобили-гибриды, электроавтомобили с использованием высокоемкостных электрических аккумуляторов, автомобили на водородном топливе.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04 (108) 2012 я © Научно-технический центр «TATA», 2012 ^ J
Автомобили-гибриды в качестве топлива используют бензин, но параллельно с двигателем внутреннего сгорания установлен еще и электрический двигатель эквивалентной мощности, что позволяет оптимизировать работу силовой установки в зависимости от режима движения. Например, при торможении происходит рекуперация энергии и электрический двигатель вырабатывает энергию для установленного мощного аккумулятора. Достоинства подобных систем: высокая мощность, малый расход топлива, большой запас хода. К недостаткам относят сжигание углеводородного топлива.
Автомобили с применением электрических аккумуляторов используют для движения только электрическую энергию. Достоинства: экологически чистый автомобиль, высокая мощность. Недостатки: малый запас хода.
Автомобили на водородном топливе делятся, главным образом, по двум способам хранения топлива и по двум способам использования водорода для получения механической энергии. Способы хранения топлива: в газовых баллонах под высоким давлением при температуре окружающей среды, в газовых баллонах при температуре жидкого водорода. Способы использования водорода: в двигателе внутреннего сгорания, в топливных элементах. Первый способ хранения топлива обладает простотой, но высоким весом и большими габаритами. Второй способ хранения топлива позволяет большую емкость
водорода, но необходимы дорогостоящие криогенные системы хранения жидкого водорода. Первый способ использования водорода позволяет ориентироваться на технологичные двигатели внутреннего сгорания с доработанной системой смазки цилиндров и поршней. Второй способ использования водорода требует дорогостоящих топливных элементов, но обладает рядом преимуществ: тихой работой, отсутствием потерь мощности в трансмиссии.
Применению водорода на автомобильном транспорте посвящены работы [11-13]. Автомобили на водородном топливе разрабатывают ведущие автомобильные заводы [14]: BMW Hydrogen 7 на жидком водороде, Ford Focus, Ford E-450 Bus, Mazda RX-S hydrogen, Audi A2H2 Car, Honda FCX Clarity, Peugeot 207 Epure, Volkswagen Touran HyMotion, Opel Zafira HydroGen 3. Большинство разрабатываемых автомобилей использует старую платформу кузова с добавлением бака водорода высокого давления. В данной работе предлагается разрабатывать автомобиль с учетом формы баков водорода.
Перспективным является совмещение первого и второго способа хранения топлива: бак высокого давления 50 МПа при температуре жидкого азота [15]. Расчеты показывают, что при массе бака 300 кг автомобиль массой до 1500 кг может проехать 300 км. С двумя баками общей массой 600 кг автомобиль специального назначения массой 2500 кг может проехать 450 км (рис. 3-4).
Рис. 3. Автомобиль специального назначения с ДВС Fig. 3. Special-purpose vehicles with internal combustion engines
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04 (108) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Рис. 4. Автомобиль специального назначения на топливных элементах Fig. 4. Special-purpose vehicles on fuel cells
Подобный бак водорода является наиболее безопасным по сравнению с классическими бензиновыми баками и классическими баллонами высокого давления. Это связано с тем, что бак с водородом находится в рубашке охлаждения жидким азотом и вакуум-метрическим пространством. Даже при воздействии открытого огня жидкий азот испаряется в течение 10-30 минут, позволяя водороду находиться в нормальных условиях хранения. В зимних условиях России азот будет испаряться в два-три раза медленнее, чем летом, что значительно повысит эффективность использования жидкого азота и снизит затраты на его использование. Прототип аккумулятора-бака водорода участвовал в научно-технической выставке в 2011 г.: «81МБХРО - Научное приборостроение -2011», Москва. Экспонаты: бак водорода на 700 л, Аккумулятор-бак водорода на 25 м3 (рис. 5-6). Получены диплом и медаль «Научный прибор года -2011» в номинации «За разработку и создание конкурентоспособного оборудования» по направлению «Приборы для научных исследований в области на-нотехнологий».
В апреле 2012 г. с помощью разработанного аккумулятора-бака и полученных в Институте прикладной механики РАН углеродных нанотрубок проведены эксперименты по адсорбции водорода углеродными нанотрубками при температуре 77 К. Адсорбция по массе составила 2%.
Рис. 5. Секция аккумулятора-бака водорода 0,7 л, 50 МПа Fig. 5. Section battery-hydrogen tank 0.7 L, 50 MPa
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04 (108) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Рис. 6. Аккумулятор-бак водорода 20 л, 50 МПа (прототип) Fig. 6. Battery-hydrogen fuel tank 20 L, 50 MPa (prototype)
Заключение
Разработана комплексная водородная транспорт-но-энергетическая система, включающая станцию по производству водорода и автомобили специального назначения с использованием бака водорода. Наиболее рациональной является комбинированная схема станции, в которой имеются параболические солнечные концентраторы, вырабатывающие водород, солнечные фотоэлектрические модули, производящие электрический ток, необходимый для работы станции и дополнительного получения водорода, модуль по производству водорода электролизом воды, станция по хранению водорода, вспомогательная станция по производству и хранению жидкого азота, станция по заправке водородом и жидким азотом.
С помощью разработанного и созданного аккумулятора-бака и полученных в Институте прикладной механики РАН углеродных нанотрубок проведены эксперименты по адсорбции водорода углеродными нанотрубками, при этом адсорбция по массе составила 2%.
Список литературы
1. Пенджиев А.М., Астанов Н.Г., Пенджиев М.А. Использование солнечно-энергетических установок в заповедных зонах Туркменистана для улучшения аридной экосистемы // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2011. № 12. С. 26-32.
2. Голда Л.П., Проселков Ю.М. Сравнительный анализ эффективности солнечных коллекторов // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 11. C. 32-37.
3. Ветцель С., Соломин Е. Солнечная энергетика или ветроэнергетика? // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 11. C. 38-40.
4. Запорожец Ю.М., Кудря С.А. Ветросолнечные энергетические комплексы с водородным циклом // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 8. C. 66-75.
5. Говорушко С.М. Солнечная энергетика и ее экологические проблемы // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 4. С. 30-33.
6. Саидов А.С., Лейдерман А.Ю., Маншуров Ш.Т Необычные свойства поликристаллического кремния, полученного пятикратной переплавкой металлургического кремния на солнечной печи // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 5. С. 27-33.
7. Clean hydrogen producers [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.clean-hydrogen-producers.com/.
8. Guerra J.M. Efficient Hybrid Solar Hydrogen Generator // Cryogas International, Vol. 49, No. 2, pp. 42-44. February 2011.
9. Weinert Jonathan X., Liu Shaojun, Joan M. Ogden, Ma Jianxin. Hydrogen refueling station costs in Shanghai // International Journal of Hydrogen Energy (2007) 32(16), 4089-4100.
10. Torresol energy [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.torresolenergy.com/TORRESOL/ gemasolar-plant/en.
11. Мищенко А.И., Белогуб А.В., Савицкий В. Д., Талда Г.Б., Шатров Е.В., Кузнецов В.М., Раменский А. Ю. Применение водорода для двигателей автомобильного транспорта. «Атомно-водородная энергетика и технологии». Сборник статей Выпуск 8. М.: Энергоатомиздат, 1988.
12. Раменский А.Ю., Шелищ П.Б., Нефедкин С.И, Рычаков А. А., Старостин М.В. Применение водорода на автомобильном транспорте: перспективы на российском рынке. Труды Международного Симпозиума по водородной энергетике. Москва, 1-2 ноября 2005 г., МЭИ. С. 169-174.
13. Раменский А.Ю., Шелищ П.Б., Нефедкин С.И., Рычаков А.А., Старостин М.В. Перспективы и ближайшие задачи использования водорода в автомобиле на российском рынке. Международный форум. Водородные технологии для производства энергии Тезисы докладов. 6-10 февраля 2006 г. Москва. С. 221-222.
14. Hydrogen cars now [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.hydrogencarsnow.com/ hy-drogen-filling-station-irvine-ca.htm.
15. А.С. №2011147163. Аккумулятор водорода / Яновский Ю.Г., Шестаков И.А., Вахрушев А.В., Ли-панов А.М. Институт прикладной механики РАН, Москва // приоритет 20.11.2011.
Г>С1 — TATA — LXJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04 (108) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
