Вперед на водороде!
«Водород + кислород = вода». Одна из первых формул, изучаемых в школьном курсе химии. Уже почти столетие человечество мечтает «приручить» этот окислительный процесс, чтобы получать от него энергию, однако реально дело сдвинулось только в последние годы. Сегодня альтернативная водородная энергетика в США, Японии, Германии, Китае вплотную приблизилась к стадии коммерческого внедрения. Под флагами Норвегии и Финляндии уже бороздят моря-океаны опытные образцы судов на топливных элементах, ведущие мировые автоконцерны показали «водородные» концепт-кары, в Китае экспериментально запустили трамваи «на водороде»... Опытный образец первой отечественной батареи на твердополимерных топливных элементах мощностью 50 кВт недавно показали публике ее создатели из филиала Крыловского научного центра – Центрального научно-исследовательского института судовой электротехники и технологии (ЦНИИ СЭТ).
ФОТО Александра ДРОЗДОВА
Без шума и пыли
Демонстрируемый в ЦНИИ СЭТ опытный образец батареи (для работы троллейбуса таких нужно две) состоит из 180 плоских собранных в пакет топливных элементов, на которых и происходит электрохимическая реакция с упорядоченным движением электронов – то есть с образованием электрического тока.
– Событие если не историческое, то по крайней мере знаменательное: водород готов войти в нашу жизнь, а конкретно – в транспортную отрасль Петербурга, – сказал участник презентации советник директора «Горэлектротранса» Сергей Китаев. – Оборудованные такими установками троллейбусы, трамваи и автобусы без привязки к контактной сети, без шума и пыли побегут по улицам нашего города, оставляя за собой лишь облачко водяного пара. Впрочем, это будут уже не троллейбусы, а эффективные и экологичные электробусы.
Такие ожидания уже подкреплены документально: на прошедшем в конце мая инновационном форуме пассажирского транспорта SmartTRANSPORT-2016 подписано четырехстороннее (петербургский ГЭТ, ЦНИИ СЭТ, а также две компании – производители тяговых приводов и трамваев-троллейбусов) соглашение.
В нем говорится о начале работ по использованию водородной батареи в качестве источника питания для городского электрического транспорта.
Заявленные разработчиками преимущества от использования нового топливного устройства – необычайно высокая эффективность, энергоресурсосбережение, экологичность, отсутствие шумов и вибраций, износостойкость.
Вода как побочный продукт
– Водородная батарея – это устройство, в котором происходит преобразование химической энергии водородного топлива в электрическую, – поясняет принцип действия установки зам. директора филиала ЦНИИ СЭТ Крыловского научного центра главный конструктор по направлению водородной энергетики Игорь Ландграф. – В отличие от машинных преобразователей энергии на топливные элементы не распространяется действие так называемого цикла Карно (когда термодинамическая система выполняет механическую работу), оттого и коэффициент полезного действия у них высокий. У дизеля КПД – 35%, а у этой батареи при номинальной нагрузке – 50%, на меньших – до 70% (у дизелей все наоборот: при снижении нагрузки КПД падает).
Тепло в такой батарее – низкопотенциальное: рабочая температура не превышает 60 оС и не является основным действующим продуктом, как при сжигании обычного топлива, а лишь побочным. Другой побочный продукт такой реакции – чистая вода, которую можно использовать как в цикле установки, так и для нужд того места, где она работает.
Водород для такой установки можно брать из баллонов, а можно получать методом конверсии из тех же углеводородов. Причем если при сгорании бензина, солярки или природного газа в обычном двигателе температура вырастает до 2 – 3 тыс. градусов по Цельсию, то конверсионные окислительные процессы происходят при температуре 650 – 700 градусов Цельсия
– Это важно, – поясняет Ландграф. – Из-за этого окислов азота в энергоустановке не образуется в принципе. Если в качестве топлива применять чистый водород из баллонов, эмиссия вредных веществ в атмосферу от такой установки будет нулевой. Если же конвертировать его из углеводородов, выбросы угарного и углекислого газов появятся, но они будут в 10 – 1000 раз меньше, чем от традиционных механических преобразователей – дизелей и турбин.
Достать наночернил и...
Серьезную проблему повышения эффективности электрохимической реакции разработчикам ЦНИИ СЭТ удалось решить при помощи одной ключевой нанотехнологии. Полимерную пленку, которой предстоит стать мембраной, пропускающей положительно заряженные частицы и задерживающей электроны, покрывают ровнехоньким слоем катализатора – платиной размером всего 2 – 3 нанометра, нанесенной на частицы сажи. Едва ли не единственная в России установка по промышленному нанесению этих «каталитических чернил» находится здесь, в ЦНИИ судовой электротехники (за год, ритмично работая в две смены, такая машина может «накатать» мембран для энергоустановок на топливных элементах общей мощностью 2,5 мегаватта). «Выкрашенную» таким образом пленку вместе с графитовой бумагой вставляют в прозрачную поликарбонатную рамку – и топливный элемент готов к проверкам, испытаниям и сборке.
В сборочном цехе за стеклом – испытательный стенд, на котором размещена четверть 50-киловаттной батареи. Оператор с компьютера дает команду на подачу рабочих газов. Слышно, как заработал стендовый компрессор, подгоняющий воздух. На мониторе быстро меняются показатели: батарея стремительно набирает мощность, переходит со ступени на ступень нагрузки, а затем так же быстро сбрасывает ее. Заявленные разработчиком значения КПД явно превышены.
– Еще одно важное преимущество энергоустановки на топливных элементах: вступающие в реакцию газы не надо специально дозировать. Она в отличие от дизеля или турбин сама «берет» исходных компонентов столько, сколько требует потребитель, а это означает не только экономию, но и безопасность, – поясняют разработчики.
Водорода не надо бояться – его надо уважать, уверен Игорь Ландграф.
– На Западе как-то провели эксперимент: сравнили, что будет в салоне автомобиля при возгорании в баке бензина и водорода, – рассказывает он. – В первом случае температура в машине за несколько секунд поднялась настолько, что выбраться живым у человека шансов не было. А вот горящий невидимой струей пламени водород поднялся вертикально вверх, в салоне же температура никак не изменилась. Да, при определенных условиях он взрывоопасен, но природный газ или пропан-бутан еще опаснее.
Прекрасное «недалеко»
У установок на водородных топливных элементах большое будущее, уверены в Крыловском центре: они будут использоваться как стационарно, так и на транспорте. Очень пригодятся на объектах Крайнего Севера, удаленных территориях, где нет централизованного энергоснабжения. Газовозам такие установки позволят ходить на перевозимом природном газе, не беспокоясь о заправке. Они также эффективны и удобны в качестве резервных источников питания на ответственных объектах. Если поставить водородные топливные элементы в газовых котельных, сократится потребление газа, к тому же вместе с главным продуктом – электроэнергией будет производиться столь нужное ЖКХ тепло. Вариантов применения инновации множество – вплоть до миниатюрных водородных батарей для гаджетов...
Но ближе всех к внедрению «рабочих» водородных батарей сейчас российский флот: предложения ЦНИИ СЭТ по созданию модуля энергоустановки на водородных топливных элементах для гидрографического судна проекта 23340, которое проектирует «Балтсудопроект», уже приняты Минпромторгом. И это будет решением серьезнейшей флотской проблемы – ведь наши суда давным-давно не соответствуют экологическим требованиям, предъявляемым в зарубежных портах.
Естественный для начального досерийного этапа недостаток разработки – определенная дороговизна. Удешевить новые машины можно, лишь перейдя к серии.
В петербургском «Горэлектротрансе» к массовому превращению троллейбусов в электробусы морально готовы, хотя и понимают: год-полтора на внедрение пилотного проекта у ЦНИИ СЭТ явно уйдет. Но если всерьез думать о будущем города – комфортном, без выхлопов и шума – начинать строить это будущее нужно уже сейчас.
Эту и другие статьи вы можете обсудить и прокомментировать в нашей группе ВКонтакте
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 105 (5722) от 15.06.2016.
Комментарии