Analysis of development prospects of hydrogen resources in the energy use pattern of agroindustrial complex

Abstract

Analysis of current state of certain development trends of scientific and technical potential in the area of hydrogen power engineering shows that there are a number of positive conditions for promising development and gradual inclusion of specific types of hydrogen resources into energy use pattern of agroindustrial complex.

Full Text

УДК 621.436 ТСМ № 9-2014 Анализ перспектив освоения водородных ресурсов в структуре энергопотребления АПК Д-р техн. наук В.М. Фомин (Университет машиностроения (МАМИ), mixalichdm@mail.ru) Аннотация. Анализ современного состояния отдельных направлений развития научного и технического потенциала в области водородной энергетики показывает наличие целого ряда положительных предпосылок для перспективного развития и поэтапного вхождения в структуру энергопотребления агропромышленного комплекса (АПК) конкретных видов водородных ресурсов. Ключевые слова: альтернативное топливо, водород, экологическая безопасность, топливно-экономические показатели, водородная энергетика, конверсия углеводородов, энергетическая безопасность. Перспективное развитие и техническое совершенствование мобильной техники АПК связывают в первую очередь с решением социально важных проблем: снижением потребления топлива и повышением уровня экологической безопасности с.-х. производства. К традиционным мерам по улучшению экологических качеств энергетических установок (в основном дизельных) мобильной с.-х. техники относят организацию малотоксичного рабочего процесса и применение средств очистки отработавших газов (ОГ) на выпуске. Совершенствование существующих средств очистки ОГ дизельных двигателей позволяет на какое-то время ослабить остроту экологической проблемы. Однако ясно, что на этом направлении, которое к тому же связано с дополнительной проблемой снижения топливно-экономических показателей дизеля, в перспективе не могут быть созданы высокоэффективные экологически совершенные энергоустановки нового поколения. В такой ситуации необходим переход к развитию новых приоритетных направлений по поиску комплексного решения проблем экологии и энергосбережения. Полагают [1], что одно из таких направлений - последовательное внедрение водородных технологий в структуру энергопотребления мобильной техники. Эта мысль подтверждается примером ряда промышленно развитых стран, где уже в течение нескольких десятилетий активно ведется систематическая работа по энергетическому освоению целого ряда водородных ресурсов. Такая работа проводится более чем в 40 странах мира, а в некоторых из них (Япония, Германия, США) приняты национальные программы и реализуются крупные проекты по ее развитию. По многим направлениям началось практическое освоение водородной техники. Достигнутый на сегодняшний день технический уровень позволяет зарубежным производителям перейти к использованию водорода не только на автотранспорте, но и в сфере энергопотребления мобильной с.-х. техники. Общее для всех условие широкомасштабного применения водорода на мобильной технике - наличие соответствующей базы для его производства и распределения и экономически оправданная стоимость этого газа. Стоимость водорода как энергоносителя в настоящее время существенно выше стоимости традиционных нефтяных топлив. Она в значительной мере зависит от метода получения газа. Современное крупнотоннажное производство водорода и водородосодержащих продуктов осуществляется главным образом на основе паровой конверсии метана [1]. Чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, требуются пар и тепловая энергия. Для осуществления эндотермического процесса конверсии метана сжигается около половины исходного газа, что приводит к существенным дополнительным затратам энергии и загрязнению окружающей среды продуктами сгорания. Поэтому даже самые перспективные системы производства водорода из природного газа имеют эффективность не более 50%. При этом наиболее эффективное преобразование энергии водорода в полезную работу в современных энергетических установках транспортных средств имеет КПД не выше 35-40%. Таким образом, с учетом затрат на компримирование и (или) ожижение водорода, его транспортировку, а также с учетом возможных потерь суммарная эффективность преобразования первичной энергии в мобильных установках составит не более 10-15%, что, безусловно, сдерживает широкое практическое использование водорода при существующих ценах на органические энергоносители. Однако, несмотря на отмеченные технико-экономические ограничения в структуре потребления водорода, переход к альтернативной водородной энергетике неизбежен и обусловлен необходимостью решения насущных проблем экологической и энергетической безопасности массового использования мобильной техники. Перспективы постепенного развития энергетического использования водорода в сфере отечественной дизельной техники с.-х. назначения требуют системного углубленного анализа с учетом сложившейся в стране энергетической и технологической структуры. Предварительный анализ отдельных направлений научного и технического потенциала в области водородных разработок показывает, что имеется целый ряд положительных предпосылок для развития и вхождения в национальный энергетический потенциал АПК ряда конкретных водородных технологий. Программа освоения водородных ресурсов должна осуществляться поэтапно по мере развития новых научно обоснованных технологий и технических средств для их эффективной реализации с учетом текущего финансового и технологического состояния с.-х. производства в целом. В рамках поэтапного энергетического освоения водородных ресурсов к первоочередным перспективам следует отнести разработку дизелей транспортно-технологических средств (ТТС), использующих водород как добавку к основному топливу. Целесообразность применения водорода в качестве частичного заменителя традиционного моторного топлива для автотракторных двигателей подтверждена большим объемом экспериментальных исследований [2-4]. Достоинства этого направления - быстрая реализация в серийное производство, значительное (до 45%) снижение выбросов вредных веществ, снижение эксплуатационного расхода топлива (до 15%). Однако массовое использование водорода в современной энергетической структуре АПК, по крайней мере на ближайший период, не имеет реальной перспективы. Отсутствуют средства доставки водорода от производящего его завода к потребителю и безопасные системы бортового хранения этого газа, не развита инфраструктура заправки тракторов, комбайнов и другой с.-х. техники. Серьезные трудности связаны и с организацией рабочего процесса дизеля. При применении наиболее распространенного способа подачи водорода в цилиндры дизеля - смешивания с воздушным зарядом - возникает опасность самопроизвольного воспламенения водородосодержащей смеси. Преждевременное воспламенение приводит к вспышкам («хлопкам») смеси во впускном коллекторе, довольно опасным с точки зрения надежности и безопасности эксплуатации. Аналогичные явления обнаружены большинством исследователей и в опытах с непосредственной подачей водорода через отдельную форсунку в цилиндры двигателя [2]. Кроме того, при переводе серийных дизелей на двухкомпонентное водородно-дизельное топливо следует считаться с возможностью существенного повышения механических и тепловых нагрузок на детали двигателя. Причина в том, что скорость сгорания водорода в несколько раз выше, чем у углеводородных топлив. При отсутствии специальных мероприятий это приводит к повышению давления и температуры в цилиндре двигателя. Необходимо также учитывать, что повышенная температура в зоне сгорания водорода приводит к ускоренному образованию окислов азота из-за окисления атмосферного азота. Это может свести на нет эффект высокой полноты сгорания углеводородного топлива в присутствии водорода и устранения при этом окислов углерода и углеводородов, поскольку окислы азота - наиболее токсичный компонент дизельного выхлопа. Таким образом, потенциальные преимущества использования водорода в дизельной технике сопровождаются рядом серьезных негативных факторов, сдерживающих его массовое применение в качестве моторного топлива. Радикальное средство для комплексного преодоления рассмотренных выше трудностей, а также успешного решения проблемы распределения и хранения водорода на борту ТТС - его использование в химически связанном состоянии в виде жидкого соединения. В этом случае водородосодержащий газ в необходимом количестве производится путем термохимического преобразования в бортовом реакторе с использованием теплоты ОГ. Выбор сырьевого продукта для бортового генерирования водорода - компромисс, учитывающий доступность продукта и его массовое производство, температурные условия конверсии, содержание образующегося при конверсии водорода и стоимость. На сегодняшний день хорошо отлажена технология бортового получения водородного газа с использованием метанола [3, 4], наиболее массово производимого в стране из известных потенциальных носителей водорода. В перспективе не исключается возможность применения в качестве средства бортового аккумулирования водорода ряда других его носителей - по мере развития технологий их получения и снижения стоимости. Важное преимущество метанола заключается в повышенном содержании водорода: его молекулярная доля в соединении СН3ОН составляет 2/3. Массовый показатель среды аккумулирования водорода в виде жидкого метанола составляет порядка 8,5 кг/кг Н2 (в 8,5 кг метанола содержится 1 кг водорода). Массовое содержание водорода в единице объема жидкого метанола почти в 1,5 раза превышает плотность жидкого криогенного водорода. Важно и то, что технология бортового хранения водорода в химически связанном состоянии в жидкой среде обеспечивает высокую безопасность дизельной техники в условиях нештатных (например аварийных) ситуаций, возникающих при ее эксплуатации и техническом обслуживании. Такая технология использования водородных ресурсов в дизельной технике представляется наиболее перспективной. Ее практическая реализация не требует переналадки существующих дизелестроительных технологий и не связана с серьезными техническими и финансовыми затратами. В качестве базового двигателя может быть использована любая серийная модель дизеля. Основной элемент конверсионной системы - реактор - представляет собой теплообменный аппарат простейшей конструкции, массовые и габаритные характеристики которого обеспечивают удобство его установки в выпускной системе двигателя. При этом для организации конверсионного процесса используется «бесплатная» тепловая энергия ОГ дизеля, что исключает необходимость дополнительных затрат энергии. Важным стимулом развития подобного способа функционирования дизельной установки служит то, что он обладает возможностями совокупного самосовершенствования по комплексу показателей. Его реализация, в частности, позволяет утилизировать на основе принципа термохимической регенерации отходящую тепловую энергию [5], совершенствовать процессы сгорания, улучшать экологические качества установки, обеспечивая при этом возможность ресурсосбережения вследствие частичной замены нефтяного топлива альтернативным энергоносителем из возобновляемых, в т.ч. биологических источников. В рамках первоочередных задач энергообеспечения отечественного АПК представляется экономически оправданным переход к энергетическому использованию продуктов переработки непищевой биомассы. Многие с.-х. предприятия России уже сейчас испытывают серьезные экономические и технологические трудности в обеспечении необходимого количества топлива для бесперебойной работы тракторов, комбайнов и другой техники. Перевод основных потребителей нефтяного топлива на альтернативные виды топлива, вырабатываемые из биологического сырья, - простое и эффективное решение проблемы энергообеспечения. Применение в двигателях с.-х. машин продуктов переработки биомассы экономически наиболее оправдано для регионов, на территории которых есть большие запасы растительной массы и сеть предприятий по ее переработке. Все биологические источники энергии относятся к виду ежегодно возобновляемых энергоресурсов, что позволяет для каждого региона, отдаленного от традиционных мест добычи и переработки нефти, создать устойчивую топливно-энергетическую базу, практически не зависящую от привозного углеводородного топлива. Целесообразность такого подхода к решению проблемы энергообеспечения с.-х. техники подтверждается и тем, что сегодня практически во всех промышленно развитых странах активно расширяется производство биологических источников энергии, разрабатываются эффективные технические системы (газификаторы) для их выработки. При выборе растительного сырья для производства моторного топлива необходимо учитывать его стоимость и региональные климатические условия его выращивания. В условиях нашей страны при большом разнообразии потенциальных энергоносителей особый интерес представляют древесина, торф и растительные отходы. Растительные отходы - самый доступный вид биологических энергоносителей для регионов России, имеющих с.-х. промышленность. Для их переработки созданы опытные образцы конверсионных систем, по результатам испытаний которых подтвердилась возможность организации эффективного процесса газификации различных растительных отходов. Следует также отметить перспективность использования в газогенераторных установках отходов животноводческих ферм, в частности навоза и кизяка. Их газификация в сухом виде или в виде брикетов позволяет получать газогенераторный газ для энергетического потребления в составе мобильной техники. Выработка газогенераторного топлива из этих отходов ферм в местных условиях позволяет снизить транспортные расходы, уменьшить загрязнение рабочего пространства вредными выбросами с ОГ двигателей ТТС, работающих на газообразном топливе, и как следствие получить экологически более чистую продукцию. Газообразные продукты, синтезированные из твердой биомассы, могут использоваться в двигателях ТТС как в качестве основного топлива, так и в качестве частичного заменителя жидкого углеводородного топлива (для двигателей, работающих на двухкомпонентном топливе). Для современной с.-х. техники с дизельным приводом наиболее оправданным в виду затрат на переоборудование представляется использование продуктов газификации твердой биомассы в качестве добавок к рабочему телу двигателя с целью экономии традиционного топлива и совершенствования экологических качеств рабочего процесса. Как показывают результаты исследований [6], подобный способ улучшения показателей рабочего процесса дизеля хоть и мало изучен, но повсеместно рассматривается как один из перспективных способов решения экологических проблем мобильной техники. Существенное влияние на качественный состав и энергетические показатели газогенераторного газа оказывают конструкция реактора и способ организации процесса термохимического преобразования твердого топлива. В промышленных (стационарных) газогенераторных установках обычно применяется так называемый прямой процесс, предусматривающий подачу воздуха в реакционное пространство через нижнюю зону реактора и выход энергетического газа через верхний отводящий канал. Для мобильной техники приемлемы малогабаритные образцы бортовых генераторов, работающие на основе обращенного процесса газификации. Принципиальное отличие данного типа газогенераторов в том, что воздух поступает в реакционную камеру сверху и проходит слои газифицируемой твердой биомассы, двигаясь к низу реактора, откуда и производится отбор продуктов окончательной газификации. Преимущества такого способа организации процесса газификации заключаются в возможности использования твердых топлив, содержащие смолы, и загрузки топлива в процессе совместной работы генератора с дизелем. Способ характеризуется высоким содержанием водорода в генераторном газе (в среднем 15%), что способствует существенному улучшению процесса сгорания топлива и экологических качеств дизеля [6]. Применение ТТС, оснащенных дизелями с бортовыми газификаторами твердой биомассы, расширяет эксплуатационные возможности этих средств в сфере с.-х. производства, повышая экологическую безопасность их эксплуатации в закрытых помещениях (фермы, парники и т.д.) и производственных зонах с ограниченным воздухообменом, а также частично решает финансово-технологическую проблему заготовки моторного топлива. К среднесрочным перспективам можно отнести создание мобильных средств с комбинированными энергоустановками. Мобильные средства с гибридной силовой установкой (ГСУ), под которой понимается сочетание ДВС, накопителя энергии и электродвигателя, рассматривают как альтернативу классическим транспортным средствам. За рубежом накоплен многолетний опыт по производству серийных транспортных средств с ГСУ. Имеется и отечественный опыт их разработки. Примером может служить транспортное средство, созданное на базе серийного автомобиля ИЖ-21261. Энергетическая установка содержала серийный двигатель (30 л.с.) и тяговый электродвигатель постоянного тока. На тестовых испытаниях транспортное средство с ГСУ расходовало на 20% меньше топлива, чем обычное. В Университете машиностроения (МАМИ) создан экспериментальный вариант полноприводного транспортного средства с ГСУ, компоновочная схема которого может быть с успехом реализована в составе ТТС, например на базе колесного трактора или самоходного шасси. Для производителей мобильных средств с.-х. назначения гибридная технология представляет безусловный практический интерес, поскольку вся существующая технологическая инфраструктура может использоваться полностью, без каких-либо доработок. Это достигается использованием в составе гибридной энергоустановки традиционного серийного дизеля. Для повышения его эколого-экономических характеристик в качестве моторного топлива применяется двухкомпонентная топливная композиция: органическое (дизельное) топливо и водородосодержащий газ, вырабатываемый на борту ТТС. Применение высокоэффективного водородно-дизельного топлива на ТТС с гибридной энергоустановкой дополняет и совершенствует общеизвестные положительные энергосберегающие и экологические качества гибридной схемы, что в совокупности дает возможности для более эффективного решения обсуждаемых проблем в сфере эксплуатации с.-х. техники. К дальнесрочным перспективам может быть отнесено создание полностью экологически безопасного ТТС, оснащенного силовой установкой с электрохимическим генератором (ЭХГ) на основе топливных элементов с прямым преобразованием химической энергии водорода в электрическую. Топливные элементы имеют два важных отличия от электрических аккумуляторов: 1) они функционируют до тех пор, пока топливо (водород) и окислитель (кислород воздуха) поступают из внешнего источника; 2) химический состав электролита в процессе работы не изменяется, т.е. топливный элемент не нуждается в перезарядке. КПД преобразования энергии в ЭХГ достигает 70%, а «холодное горение» водорода в топливном элементе исключает образование каких-либо вредных соединений [7]. Отдаленность перспективы создания подобных ТТС с электрическим приводом обусловлена в первую очередь отсутствием недорогих топливных элементов с ресурсными и рабочими характеристиками, приемлемыми для мобильных средств. Существующие системы с ЭХГ, используемые в отечественном космическом комплексе, требуют серьезных усовершенствований эксплуатационных характеристик и снижения стоимости для применения на наземных мобильных средствах. Предположительно надежный и конкурентоспособный топливный элемент для ЭХГ может быть создан в России не ранее, чем через 10-15 лет, а приемлемую цену удастся обеспечить не ранее, чем через 20-25 лет [7]. Главный фактор, стимулирующий разработки транспортных энергоустановок с ЭХГ, - насущная потребность в создании экологически чистого транспортного средства с «нулевой токсичностью». В будущем эти мобильные средства смогут успешно конкурировать с традиционными электромобилями. Удельная энергоемкость ЭХГ в 10 раз выше, чем у лучших аккумуляторных батарей. Использование водорода в качестве основного энергоносителя приведет к созданию принципиально новых транспортных технологий и станет большим научно-техническим прорывом, в т.ч. в сфере энергопотребления АПК. В связи с этим применение ЭХГ в составе энергетических установок мобильных средств уже сейчас рассматривается как одно из приоритетных направлений развития отечественной исследовательской практики. Доказательством тому служит ряд реализованных проектов. Например, Волжский автомобильный завод совместно с Ракетно-космическим комплексом «Энергия» разработал опытные образцы транспортных средств («Антэл-1» и «Антэл-2») с энергетическими установками на основе ЭХГ, которые успешно прошли стадию эксплуатационных испытаний. В будущем подобные энергоустановки могут быть эффективно использованы не только в структуре автотранспортного комплекса, но и в сфере с.-х. техники. Системы бортового хранения водорода в компримированном или криогенном состоянии для повышения эксплуатационной безопасности могут быть успешно заменены системами аккумулирования водорода в химически связанном состоянии в виде жидкого соединения, например метанола [3, 5]. Кроме того, проводятся работы (в т.ч. в нашей стране) по созданию топливных элементов, в которых для выработки электроэнергии вместо водорода используется метанол [7]. Высокий КПД и, главное, полное отсутствие вредных выбросов делают энергетическую установку с ЭХГ наиболее привлекательным источником энергии ТТС, особенно для эксплуатации на с.-х. предприятиях с ограниченным воздухообменом. Заключение Поиск эффективных решений проблем энергосбережения и экологии относится к числу наиболее важных, социально значимых направлений развития мобильной техники АПК. К приоритетным мерам, дающим возможность комплексного подхода к решению этих проблем, относится последовательное внедрение водородных технологий в структуру энергопотребления АПК. Приведенные в статье результаты анализа убедительно свидетельствуют о том, что накопленный в отечественной исследовательской практике опыт, основанный на успехах конкретных технических решений, обеспечивает потенциальную возможность поэтапного вхождения целого ряда водородных энергоресурсов в энергобаланс национального АПК, что будет способствовать успешному решению обсуждаемых проблем этого комплекса.