Как известно, наша сегодняшняя энергетика – углеводородная. Сотни миллионов лет эволюция планеты копила топливные реагенты в Земной коре и атмосфере (углеводороды и кислород). Однако темпы сжигания «лёгких» запасов нефти и газа всего за 50-100 лет – как геологический «взрыв» – трудно оценивать оптимистично.
Основной потребитель нефти и основной загрязнитель воздуха городов – двигатели внутреннего сгорания (ДВС), количество которых сегодня близко к 1 млрд. единиц. В условиях быстротечности процессов в ДВС сжигать воздушно-нефтяные заряды на 100% до СО2 и Н2О-пар невозможно. Нефтяные топлива содержат 85-87% углерода. Дизельный смрад и бензиновый перегар «запрограммированы» в самой основе углеводородной теплотехники. Энергозатраты на добычу и переработку нефти в XXI веке будут только возрастать, доступные запасы ископаемого сырья – уменьшаться, а ущерб от нефтяной «зависимости» уже сегодня близок к «точке невозврата» планетарного равновесия биосферы. Как ни странно, но нет реальной силы, способной хотя бы приостановить привычный ход вещей (мирным путём)...
ИДЕИ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Развиваемые с конца 1970-х гг. идеи «водородной энергетики» (ВЭ), напротив, основаны на использовании «оборотного» водорода (Н2), выделяемого из воды (Н2О) с применением возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В рамках ВЭ соединения углерода либо не используются, либо являются оборотным «рабочим телом» между биосферой и атмосферой. Способы получения дешёвого водорода сегодня известны и достаточно разнообразны. Однако хранить и транспортировать самый летучий и легчайший элемент крайне НЕбезопасно и нетехнологично – ни в сжатом, ни в жидком, ни в «гидридном» или сорбированном виде. Диапазон взрывоопасных концентраций водорода с воздухом в 7 раз шире, чем для природного газа метана (СН4), а минимальная энергия воспламеняющей искры – в 16 раз меньше. В условиях мегаполисов взрывы «гремучего газа» будут неизбежны. (Про опасность терактов апологеты ВЭ не говорят.) Перспективные топливные элементы для питания электромобилей по многим показателям уступают современным ДВС, к тому же «больная» проблема хранения Н2 на борту «электрохимических» транспортных средств так и не решена. Классическая ВЭ – это романтическая иллюзия без широкой практической реализации…
Однако «лёгкий» способ «консервирования» Н2 всё-таки найден. «Связанный» Н2 предельно безопасен в недефицитных носителях на основе (H, N, O)-атомов. Масса углерода в таких «азотно-водородных» топливах (АВТ) в 3-7 раз меньше, чем в нефти, а доля Н2 в единице объёма АВТ близка к плотности жидкого (криогенного) водорода. Продукты сгорания АВТ (парогаз) более «чистые», чем в случае сжигания спиртов или метана в ДВС.
Альтернативные водородоносители АВТ, кроме того, содержат «встроенный» окислитель и добавку воды. Это резко улучшает полноту сгорания в условиях ДВС, уменьшая теплонапряжённость, тепловые потери и зависимость от кислорода воздушных зарядов. Для окислительсодержащих АВТ пределы максимального форсирования цикла недосягаемы даже для самых «наддутых» нефтяных моторов. Присутствие встроенного окислителя выражается в приобретении горючим веществом свойств "топлива-пороха".
Полный жизненный цикл АВТ (СЫРЬЁ – СИНТЕЗ – ХРАНЕНИЕ – СЖИГАНИЕ) много ближе к «чистой» ВЭ, чем к обычной «углеводородной» – и по духу, и по букве (цифре) водородной энергетики.
Сгорание и работоотдача АВТ исследовались в штатных и адаптированных ДВС в виде эмульсий и в чистом виде. Полученные результаты и данные индикаторных диаграмм подтверждают возможность эффективного сжигания АВТ в цикле Дизеля. Индикаторный КПД преобразования теплоты сгорания АВТ в полезную работу возрастает до 2,0 раз, и он близок к максимальному значению на более широком диапазоне цикловой мощности. Теоретический уровень форсирования цикловой мощности ДВС на "топливе-порохе" возрастает порядок, что лимитировано лишь объёмом камеры сгорания и прочностными пределами конструкции двигателя.
ОСОБЕННОСТИ АВТ (как окислительсодержащих водородоносителей)
Главное термодинамическое качество АВТ – присутствие «встроенного» окислителя в жидкой фазе, что делает горючую смесь частично «топливом-порохом». Рост газообразования при «пороховом» сгорании зарядов АВТ действует как «химический наддув». Плотность, энергосодержание и «расширяемость» рабочих зарядов «воздух + АВТ» превосходят показатели штатных зарядов «воздух + углеводороды» или «воздух + спирты» в тех же условиях, что компенсирует меньшую калорийность альтернативных носителей Н2.
Львиная доля теплоты сгорания водородоносителей АВТ обеспечена окислением химически связанного водорода (а не углерода – как при сжигании нефти или спиртов). Основной продукт сгорания АВТ – пары воды Н2О. На фоне общего снижения тепловых выбросов, эквивалентный выход СО2 уменьшается в разы, а эмиссия других углеродистых «вредностей» (СО, СНх, альдегиды, бензпирены) – на порядок, при полном исключении оксидов серы SOx и резком снижении выбросов оксидов азота NOx.
Азотно-водородные топлива нетоксичны и неопасны для человека, не выделяют паров, биоразложимы и практически пожаробезопасны в обращении, если топливные растворы содержат добавку воды. Эксплуатационная безопасность АВТ по сравнению с любыми горючими жидкостями и газами выше несоизмеримо.
МОТОРНЫЕ НЕФТЕПРОДУКТЫ ВОДОРОДОНОСИТЕЛИ АВТ
- невозобновляемость сырьевой базы - возобновляемость сырьевой базы
- неэкологичность добычи и переработки - экологичность синтеза, биоразложимость
- тенденция роста стоимости - возможность снижения эквивал. затрат
- высокая теплонапряжённость цикла - снижение max температур на 500-1000 С
- тепловое загрязнение среды - снижение тепловых выбросов в ~2 раза
- высокое содержание углерода –
причина выбросов парникового газа СО2 - «углеродистость» и выбросы СО2 меньше в разы
- вредность продуктов сгорания
(СО, NOх, альдегиды, SOх, бензпирен и сажа) - снижение эмиссии СО, NOх в разы, др.- нет
- выжигание О2 воздуха - уменьшение расхода О2 воздуха в разы
- малая плотность воздушных зарядов - высокая плотность зарядов и «пороховые»
ограничивает цикловую работоотдачу процессы форсируют цикл
- пожароопасность - практическая пожаро-взрывобезопасность
ПЕРСПЕКТИВЫ «ПРИМЕНЯЕМОСТИ» АВТ
Для сжигания АВТ в цикле Дизеля найдены оптимальные процессы, в которых максимальные значения давлений и температур парогазовых продуктов не слишком превышают штатные параметры сжигания нефтяных моторных топлив. Следующий этап – создание адаптированного дизель-мотора, способного работать как на штатном нефтяном горючем, так и на альтернативных водородоносителях АВТ.
Известные сегодня окислительсодержащие присадки и монотоплива применяются, в основном, для спортивных целей, а также в некоторых оборонных технологиях (например, как однокомпонентные ракетные топлива или монотоплива для тепловых двигателей торпед). Однако все «оборонные» топлива весьма недёшевы и небезопасны, а решаемые с их помощью задачи весьма далеки от мирных целей и насущных проблем экологии. Концепция АВТ позволяет «перековать мечи на орала» вполне практично и экологично.
Применение АВТ со «встроенным» окислителем сегодня весьма актуально для рудников, шахт и глубоких карьеров, где проблемы загрязнения воздуха весьма и весьма актуальны, а затраты на вентиляцию и электропривод рудничных машин растут с увеличением протяжённости и глубины горных выработок.
Имеются перспективы применения АВТ в оборонных отраслях. Например, для двигателей «негорючих» танков, бронетехники и автотранспорта. «Негорючесть» топлива – существенный фактор повышения живучести боевых машин. Другая перспектива – применение АВТ взамен горючего авиакеросина. Температура продуктов сгорания АВТ может быть меньше, чем продуктов сгорании керосина, но тяга - возрастать в разы. Безопасность и экологичность авиаперевозок могут улучшаться, а истребители и беспилотники смогут взлетать вертикально, форсируя тягу силовой установки. Рост динамики разгона летательных аппаратов до нескольких "g" – важное преимущество над противником. Применение «холодных» продуктов сгорания АВТ перспективно не только в газотурбинном цикле, но и для винтовых и роторных машин.
В условиях мегаполисов внедрение АВТ, в первую очередь, целесообразно для общественного и грузового транспорта, заправляемого горючим на стационарных АЗС. Ёмкость рынка легковых автомобилей со спортивной динамикой по доступной цене «необъёмна», и высокий спрос для всех групп потребителей очевиден. Автономные мини-ТЭС в жилых районах не будут загрязнять воздух, при этом теплота конденсации парогаза будет утилизирована в локальных теплосетях и теплоаккумуляторах.
В целом, уникальные термодинамические качества АВТ делают «пороховой» цикл столь же эффективнее «нефтяных» процессов в ДВС, насколько те превосходят показатели паровых машин IXX века. Бесплатным бонусом является рентабельность и практическая реализуемость идей БЕЗОПАСНОЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ в гражданских технологиях. Сохраняется инфраструктура транспортирования и хранения горючего, а также обычные операции по заправке транспортных средств (без применения высоких давлений, криогенных температур или других спецмер).
ПРОМЫШЛЕННЫЙ СИНТЕЗ АВТ
Основа сырьевой базы АВТ – газы воздуха, вода и ВИЭ. Сегодня необходимый для синтеза компонентов АВТ водород выделяют в процессах «паровой конверсии метана» (ПКМ). Общее производство Н2 в мире превышает 50 млн. т/год. Примерно 50% Н2 расходуется в азотной промышленности (аммиак), 30% Н2 – в нефтехимии, 10% Н2 – в органическом синтезе (метанол), а также в металлургии, пищевой промышленности и др. По аналогии с процессами ПКМ, для производства «пароконверсионного» Н2 сегодня доступно органическое сырьё и биомасса, в том числе с использованием ВИЭ.
Стоимость синтеза АВТ, как и обычных азотных продуктов, лимитирована дешевизной Н2. Рентабельное производство компонентов АВТ целесообразно на базе штатных процессов крупнотоннажных азотных производств. В технологию фиксации атмосферных газов через стадию синтеза аммиака вписываются полупродукты лёгкого органического синтеза, при этом энергозатратные стадии и «лишние» операции исключаются, а теплота реакций синтеза утилизируется по энерготехнологическим схемам. Стоимость 1 кг Н2-газа сегодня ($2-3) позволяет синтетическим АВТ конкурировать со светлыми моторными нефтепродуктами. Как и в современных азотных производствах, промышленный цикл синтеза АВТ – замкнутый (безотходный). Все необходимые органические полупродукты синтезируются из доступного биосырья, газов воздуха и воды. Стадии сушки товарных продуктов и ректификации веществ исключаются. В дальнейшем, с удешевлением производства Н2 (из воды, биосырья, с использованием ВИЭ), стоимость АВТ будет уменьшаться.
В XXI веке азотная промышленность будет развиваться параллельно решению задач выделения Н2 из воды для нужд ВЭ. При наличии достаточно дешёвого «зелёного» Н2, самая материалоёмкая, громоздкая и энергозатратная стадия паровой конверсии органического сырья (ПКМ) будет исключена из схем производств азотных продуктов. Вложение средств в развитие азотной промышленности может стать очень выгодным размещением капитала. Мощность азотных производств можно наращивать почти неограниченно. Для этой цели могут быть использованы освободившиеся из добывающих отраслей ресурсы.
Технологии АВТ – реальный шанс стать безусловным лидером в практической водородной энергетике.
ТАКОГО ещё не было.
(И не будет, конечно.)