Метка «водород»

12 сентября

Стандарты заправки водородом

Европа, Япония и США выразили твердое намерение развивать инфраструктуру для транспортных средств на топливных элементах (FCEV). Ожидается, что к 2016 году будет открыто свыше 230 водородных заправочных станций, а к 2025 году их число достигнет 1680. Семь автопроизводителей объявили о совместных планах продавать или сдавать в лизинг автомобили на топливных элементах — BMW-Toyota, Daimler-Ford-Nissan и Honda-GM.

В связи с этим возникает необходимость в разработке единых стандартов заправки водородом. Разработанные в лабораториях и проверенные на практике в течение последнего десятилетия, эти стандарты создают основу для создания первичной инфраструктуры водородных заправок по всему миру. В настоящее время существует четыре стандарта, разработанных SAE: качества водородного топлива (SAE J2719); заправки водородом (SAE J2601); коммуникации между автомобилем и водородной станцией (SAE J2799); конструкции заправочных сопла-гнезда (SAE J2600).

Стандарт SAE J2719

Стандарт SAE J2719 устанавливает минимально допустимую чистоту водорода 99,97%, а также максимальные уровни содержания различных загрязняющих веществ.

В топливных элементах используется платиновый катализатор, который наносится на поверхность пористого углеродного анода. Катализаторы чрезвычайно чувствительны к химическим загрязнениям, и даже небольшое количество примесей, содержащихся в водороде, приводит к их порче и невосстановимым потерям в производительности топливных ячеек. Это предъявляет высокие требования к чистоте водорода, используемого в качестве топлива для FCEV. Допустимые уровни некоторых видов примесей находятся в диапазоне нескольких частей на миллиард.

Требования стандарта SAE J2719 к чистоте водорода
Загрязняющие примеси Химическая формула Максимально допустимые уровни (ppmv)
Вода H2O 5
Углеводороды (C1 basis) 2
Кислород O2 5
Гелий He 300
Азот N2 100
Аргон Ar 100
Двуокись углерода CO2 2
Окись углерода CO 0.2
Соединений серы   0.004
Формальдегид HCHO 0.01
Муравьиная кислота HCOOH 0.2
Аммиак NH3 0.1
Галогенированные соединения   0.05
Твердые частицы   1 mg/kg

Стандарт SAE J2601

Назначение стандарта SAE J2601 – установить единый всемирный протокол заправки легких транспортных средств на топливных элементах (FCEV) на заправочных станциях с давлением 35 MПa и 70 MПa. Увеличение сжатия водорода до 70 MПa позволяет повысить дальность поездки FCEV на одной заправке. Стандарт SAE J2601 относится к легким FCEV с водородным баком, вмещающим от 2 до 10 кг водорода при давлении 70 MПa и от 2,4 до 6 кг при давлении 35 MПa. Отдельные документы стандарта касаются заправки тяжелых грузовиков и вилочных погрузчиков.

Стандарт SAE J2601 позволяет безопасно и быстро (в течение 3-5 минут) полностью заправить легкие транспортные средства на топливных элементах, включая модели с дальностью поездки свыше 500 км. При этом достигается высокая степень наполнения водородных баков и хранилищ водорода без превышения эксплуатационных ограничений. SAE J2601 считается ключевым стандартом, необходимым для коммерциализации автомобилей на топливных элементах и водородных заправочных станций.

SAE J2601 устанавливает ограничения по безопасности и требования к производительности раздаточного устройства газообразного водорода. Критерии включают: максимальную температуру топлива у сопла дозатора, максимальную скорость истечения топлива, максимальную скорость повышения давления и другие параметры, базирующиеся на охлаждающей способности раздаточной колонки станции.

 

Стандарт SAE J2601 для FCEV малой грузоподъемности использует справочные таблицы для заправки при давлении 35 MПa и 70 MПa. Эти таблицы могут быть запрограммированы в блок управления раздаточного устройства для контроля над процессом заправки. Стандарт J2601 определяет четыре типа раздаточных колонок в зависимости от температуры, до которой предварительно охлаждается водород. В устройствах типа "A" газ охлаждается до -40°C, типа "B" — до -30°C, типа "C" — до -20°C, устройства типа "D" не имеют функции охлаждения. Скорость заправки напрямую связана с охлаждающей способностью раздаточной колонки. Охлаждение необходимо для компенсирования тепла, выделяемого при сжатии газа. В качестве исходных данных в таблицах используются начальное давление в баке FCEV, температура окружающей среды и тип раздаточного устройства. По этим значениям вычисляется допустимая скорость заправки (средняя скорость повышения давления в рампе) и конечное давление, при котором дозатор отключается.

Если сравнивать автомобили на топливных элементах с электромобилями, то с учетом нынешнего КПД FCEV, достигающего 60%, заправка водородом (5-10 кг) эквивалентна заряду 100-200 кВтч электроэнергии за время, не превышающее 5 минут. Благодаря SAE J2601 на данный момент FCEV можно считать единственной технологией с нулевым выбросом, которая способна конкурировать по времени заправки и дальности поездки с автомобилями с бензиновыми ДВС.

Стандарт SAE J2799

 

В дополнение к стандарту SAE J2601 с целью дальнейшей оптимизации процесса заправки и обеспечения высокой степени наполения (95-100%) был разработан стандарт беспроводной связи между FCEV и водородной станцией SAE J2799. Этот опциональный протокол использует технологию инфракрасной передачи данных (Infrared Data Association technology) для обмена информацией между транспортным средством, водородным баком и дозатором. Повышение наполняемости бака позволяет достичь большей дальности поездки без дозаправки.

Стандарт SAE J2600

SAE J2600 регламентирует конструкцию и порядок испытания заправочных разъемов, сопел и емкостей, предназначенных для заправки наземных транспортных средств, в которых в качестве топлива используется сжатый водород. Разъемы, сопла и емкости в обязательном порядке должны отвечать требованиям стандарта и пройти все установленные испытания, чтобы считаться совместимыми с SAE J2600.

Стандарт применяется к устройствам, которые имеют классы давления H11, H25, H35, H50 и H70. Целями разработки SAE J2600 являются:

  • предотвращение возможности заправки автомобиля на топливных элементах (FCEV), имеющим класс давления ниже, чем класс давления дозатора;
  • допуск возможности заправки FCEV дозатором, имеющим равный или меньший класс давления;
  • предотвращение возможности заправки FCEV на заправочных станциях другого сжатого газа (не водорода);
  • предотвращение возможности заправки других транспортных средств, использующих в качестве топлива сжатый газ, на водородных заправочных станциях.
29 августа

Водород как топливо для автомобилей

В настоящее время многие технические вопросы по внедрению водородной энергетики решены. Все ведущие автомобильные компании имеют концептуальные модели машин, работающих на водороде. Существуют станции заправки этих автомобилей. Однако стоимость водорода пока намного выше, чем бензина или природного газа. Чтобы новая отрасль стала коммерчески оправданной, необходимо выйти на новый уровень получения водорода и снизить цену на него.

Получение водорода

Сейчас известно около десятка методов получения водорода из разных исходных материалов. Самый известный — гидролиз воды, ее разложение при пропускании электрического тока, но он требует больших затрат энергии. Главным направлением снижения энергозатрат при электролизе воды является поиск новых материалов для электродов и электролитов.

Разрабатываются методы получения водорода из воды с использованием неорганических восстановителей — электроотрицательных металлов и их сплавов с добавкой металлов-активаторов. Такие сплавы названы энергоаккумулирующими веществами (ЭАВ). Они позволяют получать из воды любое количество водорода. Еще одним способом выделения водорода из воды может стать ее фотоэлектрохимическое разложение под действием солнечного света.

К распространенным методам относятся парофазная переработка метана (природного газа) и термический метод разложения угля и другого биоматериала. Перспективны термохимические циклы производства водорода, парофазные методы конверсии его из каменного и бурого угля и торфа, а также метод подземной газификации угля с получением водорода.

Отдельная тема — разработка катализаторов для получения водорода из органического сырья — продукта переработки биомассы. Но при этом наряду с водородом образуются значительные количества окиси углерода (СО), который необходимо утилизировать.

Еще один перспективный метод — процесс каталитической паровой переработки этанола. Можно также получить водород из угля (как каменного, так и бурого) и даже из торфа. Также все большее внимание привлекает сероводород. Это обусловлено низкими затратами энергии на электролитическое выделение водорода из сероводорода и большими запасами этого соединения в природе — в воде морей и океанов, в природном газе. Сероводород также получается в качестве побочного продукта нефтеперерабатывающей, химической, металлургической промышленности.

Водород можно получать с использованием плазменных технологий. С их помощью можно газифицировать даже самое низкокачественное углеродное сырье, например твердые бытовые отходы. В качестве источника термической плазмы используются плазмотроны — устройства, генерирующие плазменную струю.

Хранение водорода

Для хранения водорода непосредственно в автомобиле существуют следующие способы: газобаллонный, криогенный, металлогидридный.

В первом случае водород хранится в сжатом виде при давлении около 700 атм. При этом масса водорода составляет всего около 3% от массы баллона и для хранения сколько-нибудь заметного количества газа нужны весьма тяжёлые и объёмные баллоны. Это не говоря уже о том, что изготовление, зарядка и эксплуатация таких баллонов требуют особых мер предосторожности из-за опасности взрыва.

Криогенный способ подразумевает сжижение водорода и хранение его в теплоизолированных сосудах при температуре -235 градусов. Это достаточно энергозатратный процесс – сжижение обходится в 30-40% той энергии, которая получится при использовании полученного водорода. Но, как-бы ни была совершенна теплоизоляция, водород в баке нагревается, давление увеличивается и газ стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. Всего несколько дней – и баки пусты!

Самыми перспективными являются твердые накопители, так называемые металлогидриды. Эти соединения умеют вбирать в себя, как губка, водород при одних условиях и отдавать при других, например при нагревании. Чтобы это было экономически выгодно, такой металлогидрид должен «впитывать» не менее 6% водорода. Весь мир сейчас ищет подобные материалы. Как только материал будет найден — его подхватят технологи, и процесс «водородизации» пойдет.

14 июля

Автомобили на водороде: «двойка» за… экологию

Разве может такое быть у «зеленой» технологии? Оказывается, может. Будущее водородных автомобилей, в отличие от других «зеленых» разработок, в настоящее время выглядит весьма печально. Хотя еще совсем недавно это направление казалось самым перспективным и многообещающим. Еще бы — заправляем машину водородом, а из выхлопной трубы идет только водяной пар! Нулевой выброс, предел мечтаний! Автомобиль Honda FCX, использующий в качестве топлива водород, в 2009 году даже завоевал звание World Green Car of the Year («Зеленый автомобиль года»).

Варианты конструкций автомобилей на водороде

Но не будем пока о грустном, а рассмотрим варианты технического исполнения водородомобилей. Их существует ровно два: в первом случае водород заправляется в автомобиль с обычным ДВС, который может работать и на бензине, и на водороде. Во втором случае на электромобиль в качестве источника питания устанавливаются топливные элементы, в которых при соединении водорода и кислорода вырабатывается электричество (именно так устроен упоминавшийся выше Honda FCX).

Обычный бензиновый двигатель после небольших переделок можно приспособить для работы на воздушно-водородной смеси. Дизель для этого не годится, так как смесь не воспламеняется от сжатия. Теоретически при сжигании смеси должна выделяться только вода, однако на практике это не так. Вода выделяется если с водородом смешивать чистый кислород. Если же с водородом смешивать воздух, который в основном состоит из азота, то, соответственно, в выхлопе будут присутствовать его оксиды. Для борьбы с этим явлением смесь приходится обеднять, но при этом мощность двигателя падает почти вдвое! В общем 100 % экологической чистоты достичь не удается.

Второй способ применения водорода гораздо чище. Топливные элементы выделяют только тепло и воду, вырабатывая при этом электричество. То есть их можно сравнить с батарейкой, которая работает с подпиткой на водороде. Напряжение одного элемента невелико, поэтому приходится их компоновать в батарею. Но ее вес, габариты, а, самое главное, стоимость получаются весьма внушительными. Именно цена и препятствует широкому распространению топливных элементов.

Проблемы эксплуатации

Общая проблема обеих типов — хранение водорода в автомобиле. Смесь водорода с воздухом взрывоопасна. Что произойдет с водородомобилем в случае ДТП? Чтобы обеспечить приемлемый запас хода водород необходимо держать в сжиженном состоянии. Бак для сжиженного газа — это дорогостоящее и имеющее большой вес устройство. В случае широкого распространения водородомобилей потребуется сеть заправочных станций, а для этого потребуются время и деньги.

Проблемы получения водорода

Однако все перечисленные проблемы ничто по сравнению с главной проблемой: откуда взять столько водорода? На данном этапе развития существует два основных способа его получения: из метана и из воды.

Но получение из метана и выглядит, мягко говоря, нелогично, да и в экологическом плане не безупречно. Судите сами: берем один вид топлива и перерабатываем его в другой, затрачивая при этом энергию. В ходе получения водорода из метана выделяется углекислый газ, от которого мы как раз хотели избавиться, создавая водородомобиль. Ну, и природный газ — это невозобновляемый ресурс, который рано или поздно закончится.

Более привлекательной выглядит идея получения водорода из воды. Воды на планете хватает, но чтобы добыть из нее водород, необходимо огромное количество энергии. В итоге получается, что затраты энергии на добычу водорода превышают то ее количество, которое он может отдать при использовании в автомобиле.