Генератор синтез-газа – первый шаг к водородной энергетике

От редакции
В автопробеге «Голубой коридор», проходившем в апреле 2009 г., участвовал микроавтобус «Соболь» с генератором водородсодержащих добавок – разработкой Российского Федерального Ядерного Центра. Машина благополучно прошла все 2,5 тыс. км от Москвы до Сочи и домой до Сарова. В октябре того же года «Соболь» можно было увидеть на московской выставке «GasSUF 2009». Микроавтобус и развернутая в павильоне «Крокус Экспо» экспозиция ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров (Арзамас-16) вызывали живой интерес посетителей. В разработке генератора водородсодержащих добавок, системы управления и подготовке опытных автомобилей участвовали специалисты ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров), Институт катализа СО РАН (Новосибирск), ООО «Газомотор-Р» (г. Рыбинск), ООО «Химфист» (г. Черноголовка Московской обл.), ФГУП «НАМИ» (Москва).

Время показало, что перевод автотранспорта на топливные элементы, работающие на чистом водороде, – дело отдаленного будущего. Наука еще не нашла простой, экономичный и безопасный способ получения чистого водорода, его транспортировки, хранения на заправочных станциях и заправки автомобилей. Самый дешевый водород получается при использовании невозобновляемых источников энергии, что не решает основной проблемы – защиты окружающей среды. Кроме того, огромные расходы повлечет перестройка инфраструктуры снабжения топливом и замена автопарка с ДВС на топливные элементы. Сами топливные элементы, работающие при температурах 80...1000 °С, содержат катализаторы из благородных металлов – платины, рутения или палладия. По самым оптимистичным прогнозам, мировых запасов этих металлов хватит всего на производство 3...5 млн. автомобилей в год, что на порядок меньше производства автомобилей на ДВС.

Если присмотреться к старым, испытанным двигателям внутреннего сгорания, то обнаружится, что их потенциал не полностью исчерпан. Как показали опыты, нет необходимости в полной замене традиционного топлива, достаточно ввести в него 1...6% водорода (по массе), и процессы сгорания топлива существенно улучшаются. Это объясняется инициирующим воздействием водорода, который образует центры сгорания. В свое время эти явления подробно изложил академик Я.Б. Зельдович в своей теории сгорания. При этом увеличивается эффективность двигателя, улучшаются его экологические характеристики. Такие эксперименты проводили неоднократно как в России, например, на АвтоВАЗе и в НАМИ (Москва), так и за рубежом.

Необходимо отметить, что добавки водорода или водородсодержащего газа в двигатель без изменения режима его работы могут привести только к улучшению качества сгорания и, как следствие, к улучшению экологических показателей. Однако чем и ценен водород, так это возможностью перевода двигателя в более экономичные режимы: либо на обедненной смеси с коэффициентом избытка воздуха до 1,7, как у лучших дизельных двигателей, но без побочных явлений дизелей в виде больших выбросов сажи и NОх, либо в режим с рециркуляцией части дымных газов.

Таким образом, если существующие искровые ДВС автомобилей, оснащенные трехкомпонентными нейтрализаторами, обеспечивают хорошие экологические характеристики за счет работы в неэкономичном стехиометрическом режиме с коэффициентом избытка воздуха, равном 1,0, то добавки водорода улучшают экологию с одновременным переводом двигателя в более экономичный режим.

Остается один, но большой вопрос: где брать этот водород? Можно заправляться на специальных водородных заправках, которые необходимо построить. При этом также возможны варианты: заправлять водород в специальные баки автомобиля и дозировать его потребление в зависимости от режима движения автомобиля или добавлять при заправке целиком в основное топливо. В первом варианте автомобиль требует существенной доработки, так как становится двухтопливным. Второй вариант с заправкой водорода в один общий бак возможен при использовании в качестве основного топлива природного газа. При этом газовую смесь – природный газ + водород, именуемую гайтаном, можно готовить заранее и использовать серийные газовые двигатели. Автомобиль в этом случае остается однотопливным, однако эффективность такой системы не самая высокая, поскольку доля водорода в заранее подготовленной смеси остается постоянной и нет возможности использовать его более рационально, как в первом варианте.

Другой путь – получать водород непосредственно на борту автомобиля. Самый простой способ и одновременно дорогой – это получать водород из дистиллированной воды в электролизере. Несмотря на высокую стоимость электролизера и необходимость иметь на борту излишки электроэнергии, такая схема применяется иногда на тяжелых грузовиках. Однако необходимость иметь на борту еще и чистую воду приводит к тому, что этот способ вряд ли станут широко применять.

Предложенный нами метод получения водородсодержащего синтез-газа свободен от большинства недостатков. Во-первых, не требуется водородных заправочных станций, а также дополнительной электроэнергии и дистиллированной воды на борту автомобиля. Во-вторых, стоимость такого генератора в несколько раз ниже стоимости электролизера, в его составе отсутствуют драгметаллы, что снимает ограничение по массовости производства. Сам автомобиль остается однотопливным, что удобно как производителям автомобилей, так и их пользователям.

Разработанная по госконтракту № 02.526.11.6005 отечественная технология базируется на запатентованных отечественных разработках и материалах и направлена на выполнение указа Президента РФ по повышению эффективности энергетики и транспорта, а также на создание реального задела по переходу к водородной энергетике. Основная идея заключается в повышении эффективности и экологичности ДВС за счет применения водородсодержащего топлива, получаемого на борту транспортного средства в качестве инициирующей добавки к основному топливу, использования для получения водородсодержащего топлива доступного, дешевого, с максимальным содержанием водорода сырья (природного газа) в сочетании с самым простым и дешевым способом – каталитическим парциальным окислением природного газа. Целью проекта ставилось устранить основные недостатки водородной энергетики (высокая стоимость водорода, отсутствие инфраструктуры, трудности хранения и транспортировки).

Задача оказалась непростой. Первые исследования показали, что каталитические реакторы получаются громоздкими, а время их запуска было более 30 мин, что неприемлемо для любого транспорта. Понадобилась многолетняя работа, прежде чем был разработан генератор синтез-газа, проведены его автономные испытания, создана микропроцессорная система управления генератором, адаптированная с существующей системой ДВС. Последняя модификация генератора синтез-газа совместно с двигателем ЗМЗ 40522.10 была отработана на Заволжском моторном заводе и установлена на автомобиле «Соболь».

Генератор синтез-газа состоит из каталитического реактора и микропроцессорной системы управления, включая бортовой контроллер, фильтры, клапаны, редуктор и т. п. Каталитический реактор выполнен в виде интегрированного по теплу блока, состоящего из газового устройства поджига, смесителя, каталитической камеры, рекуператора и теплообменника. При массе 7 кг реактор занимает объем 5 л, производительность его – до 25 м³/ч синтез-газа, время запуска – 15 с, температура газов в реакторе – 900 °С. Срок службы пористого никельсодержащего катализатора составляет более 1000 ч. Происходящую реакцию парциального окисления топлива, или воздушной конверсии, можно описать формулой

SH₄ + S(O₂ + 3,76N₂) = 2H₂ + CO + 1,88N₂

Состав газа на выходе из реактора: H₂ = 32...35%, СО = = 16...18%, остальное – N₂. Смесь водорода и монооксида углерода и является инициирующей добавкой, улучшающей сгорание углеводородного топлива. По своему физико-химическому воздействию на процесс сгорания добавка синтез-газа равносильна добавке чистого водорода. Кроме того, так как реакция протекает при высокой температуре, а теплообменник реактора соединен с системой охлаждения двигателя, зимой каталитический реактор может выполнять функции пускового подогревателя.

На скорости до 40 км/ч автомобиль может идти на синтез-газе, при повышении скорости микропроцессорная система управления уменьшает содержание водорода, на скорости свыше 80 км/ч полностью переводит работу двигателя на природный газ. Аналогичным образом двигатель может работать на смеси бензина с синтез-газом, однако качество бензина, состав которого на всех заправках разный, приводит к резкому усложнению схемы генератора синтез-газа, к тому же выход водорода из бензина не самый лучший.

Испытания, в том числе пробег «Голубой коридор», показали экологические преимущества автомобиля с генератором синтез-газа перед автомобилями, работающими на природном газе. В частности, выбросы NO_X были на два порядка ниже и составляли единицы ppm, при этом на автомобиле отсутствовал нейтрализатор отработавших газов. Следует обратить внимание, что максимальный экологический эффект достигается на низких оборотах двигателя, т. е. генератор синтез-газа наиболее эффективен именно в городском режиме движения. На трассе, где скорость позволяет двигателю работать в оптимальном режиме и необходимость в инициирующей добавке водорода отпадает, микропроцессорная система полностью переключает двигатель на питание природным газом. Таким образом, нам удалось избежать эффекта потери эффективности на скорости свыше 60 км/ч, который наблюдается у автомобилей на топливных элементах.

Наши автомобили с генераторами синтез-газа продемонстрировали ряд преимуществ перед обычными автомобилями, работающими на природном газе. Они полностью используют потенциальные возможности природного газа с высоким (25%) содержанием водорода, октановым числом (130 ед.) и способностью легко реформироваться в синтез-газ. Применение генератора синтез-газа не требует изменять инфраструктуру снабжения топливом, не требует иметь на борту дистиллированную воду и электролизер, не требует многокомпонентного нейтрализатора отработавших газов на драгметаллах. Сам генератор синтез-газа не содержит драгоценных металлов. При этом резко снижаются вредные выбросы, реализуется возможность работать на бедных смесях (с коэффициентом избытка воздуха до 1,7), что невозможно на чистом топливе, благодаря чему за счет снижения насосных потерь экономится основное топливо.

Каковы же перспективы этой технологии? Мы выбрали самые трудные в исполнении сегменты рынка – легковые автомобили и микроавтобусы. При ориентировочной стоимости генератора синтез-газа (при серийности 30 тыс. шт. в год и более) 20  тыс.  руб. окупаться он будет за год-два. Очевидно, что процесс внедрения будет непростым и длительным. Но наибольшей отдачи мы ожидаем от сегмента городских автобусов, который остро нуждается в экономичных и экологически эффективных технологиях. Вторым по эффективности сегментом мы полагаем энергоустановки на базе газопоршневых ДВС, которые работают практически в стационарных условиях: там окупаемость будет еще быстрее.

Существует еще как минимум две сферы применения генератора синтез-газа – это газовые котлы на ТЭЦ и т. п., где можно применять двухстадийное сжигание, при этом реактор встраивается непосредственно в горелку, а сама технология упрощается. Мы разработали такую горелку и готовы к модернизации серийных горелок. Также интересным, но непростым нам представляется рынок газотурбинных установок. Здесь необходимо разработать еще более компактный реактор с повышенным давлением, работающий в режиме как парциального окисления, так и в автотермическом режиме.

Мы постоянно проводим совместно с автомобильными фирмами сравнительный анализ эффективности генератора синтез-газа, и наш вывод однозначен – сегодня это самый эффективный и простой способ введения элементов водородной энергетики в транспорт. Наши контакты с зарубежными фирмами показывают, что там также ведут аналогичные работы, причем более развернуто и масштабно. Внезапное появление на рынке гибридных автомобилей указывает на то, что коммерческие и предкоммерческие разработки ведутся в условиях строжайшей секретности. Мы рассчитываем, что наш продукт может быть востребован прежде всего на отечественном автомобильном рынке.