12.08.2015: Метано-водородные смеси

<Экспериментальныая Газель на КПГСГ

Степень изученности и технологической освоенности применения природного газа в качестве моторного топлива достаточно высока. И все же еще есть направления, по которым возможны серьезные научно-технические прорывы. Одним из таких направлений является применение метано-водородных смесей (МВС).

Точнее говоря, речь идет о добавлении водорода (hydrogen - Н2) или синтез-газа (syngas - Н2+CO) к природному газу, который сам по себе является оптимальным источником водорода (соотношение углерода к водороду в молекуле метана 1:4). Природный газ и водород (синтез-газ) смешиваются в двигателе непосредственно во время работы двигателя. Никакой заранее приготовленной газовой смеси на борту автомобиля нет.

Метано-водородная смесь была изобретена в США в 1989 году Фрэнком Линчем (Frank Lynch) и Роджером Мармаро (Roger Marmaro) как компромисс между чисто горящим, но дорогим (в 4 – 5 раз дороже дизтоплива) водородом и дешевым, доступным, но не абсолютно экологичным природным газом. Тогда же было придумано и запатентовано название – «Хайтан» (Hythane® = Hydrogen + Methane).

Цифра в маркировке хайтана означает энергетическую долю водорода в смеси: HY-5 = 5% (для бензиновых автомобилей) и HY-7 = 7% (для дизельных автомобилей). Объемная доля водорода в смеси может доходить до 20% и даже до 32%, как это было на одном из экспериментальных автобусов с газовым двигателем Cummins-Westport.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что добавление водорода или синтез-газа (СГ) существенно повышают экологическую безопасность и экономичность двигателя. В России наиболее плодотворно в этом направлении работает тандем, включающий Российский федеральный ядерный центр (РФЯЦ) и Газомотор из Рыбинска. У них доля водорода составляет 7 – 12%.

Во Франции исследования ведет компания ENGIE – ведущий энергетический концерн (до июня 2015 назывался GDF Suez). С 2005 по 2010 год в городе Дюнкерк были проведены эксплуатационные испытания двух муниципальных автобусов. В итоге было подтверждено, что содержание парниковых газов сократилось на 8% по сравнению даже с чисто газовым двигателем, а оксидов азота – на 10%. Французы добавляют 20% водорода. Известно о наработках в других странах: Канада, Япония.

Об экономическом эффекте французский источник ничего не сообщил. Между тем, российские инженеры экспериментально установили, что на двигателе ЗМЗ-40522.10 при использовании КПГ на скорости движения 75 км/час расход топлива на 100 км по сравнению с бензином сократился на 9%. При переходе на смесь КПГСГ расход еще больше сократился и составил 78% от бензинового эквивалента. Монетизируем водородный бонус: затраты на КПГ (в ценах 2012 года) составили 30% от затрат на бензин, а на КПГСГ ещё меньше - 26%.

Таким образом, добавка водорода или синтез-газа к природному газу усиливает экологический и экономический эффект от перехода на метан.

Американские источники утверждают, что затраты на переход к использованию хайтана сопоставимы с затратами на приспособление, например, легкового автомобиля к работе на других видах альтернативного моторного топлива и составляют от US$ 1500 до US$ 4 000. Есть основания полагать, что в России комплект дополнительной аппаратуры для получения синтез-газа на газобаллонном автомобиле на КПГ (т.е. уже имеющем основное газобаллонное оборудование) в массовом производстве будет стоить US$ 500 - US$ 1000.

В российском эксперименте было также установлено, что при переходе на КПГ дальность пробега на одной заправке топливом сократилась примерно на 15%: вместимость бензинового бака 50 л; баллонов для КПГ 39 м3. При работе на смеси КПГ + СГ, из-за меньшего расхода газа эта потеря была полностью компенсирована; при этом баллоны остались прежними.

<Стационарный и бортовой реформеры

В настоящее время существуют две основных схемы получения водорода: на внешней установке и на бортовом реформере (генераторе) синтез газа (на фото в левом нижнем углу). Способы получения водорода разнообразны. На данный момент наиболее экономичным способом считается паровая конверсия метана и природного газа, которая может быть организована на объектах газотранспортной и газораспределительной систем, в том числе и на АГНКС.

Применение стационарных установок получения водорода неизбежно влечет за собой усложнение конструкции: кроме собственно реформера, требуются автоматика, системы хранения, учета, раздачи, безопасности, пожаротушения и прочее. Не говоря уже о земле, рабочих и бытовых помещениях, коммуникациях, охране и т.д. Все это финансово утяжеляет проект и становится рентабельным только при определенной загрузке оборудования, т.е. наличии потребителя.

Вероятно, часть расходов можно сократить, размещая реформер на АГНКС. Тем не менее, американская компания Tren*Fuels Inc. считает, что цена хайтана будет примерно на четверть выше цены КПГ. Таким образом, экономический мотив применения метано-водородных смесей, получаемых на стационарных реформерах, может быть сведен к минимуму, и останется только экологический.

<Реформер для СГ

Российские инженеры активно работают над созданием и совершенствованием бортового генератора синтез газа, позволяющего минимизировать затраты на получение дополнительных экологических и экономических бонусов. К преимуществам русского подхода относятся следующие:
- отсутствие необходимости во внешнем источнике водорода – используется бортовой запас КПГ;
- отсутствие дополнительных системы хранения газа, управления и безопасности - управление всей топливной системой осуществляется с единого микропроцессорного блока;
- генерация синтез-газа в количестве, требуемом на текущем режиме работы двигателя;
- короткое время разогрева бортового реформера;
- отсутствие капитальных затрат на инфраструктуру;
- использование тепла от работы реформера на разогрев двигателя при его пуске (функция препускового подогревателя).

Из очевидных недостатков, характерных для переоборудования, отмечено 15-процентное снижение мощности двигателя. Связано это обстоятельство с тем, что сохраняется возможность ДВС автомобиля работать как на бензине, так и на газовом топливе. При увеличении степени сжатия с 8,5 бензинового базового двигателя до 11-12 – газового, мощность ДВС сохраняется при работе на газовом топливе. Впрочем, этот недостаток можно отнести к «болезням роста», которые будут устранены в процессе совершенствования технологии и перехода на заводской способ выпуска метано-водородных машин.

Источники получения водорода
Источники получения водорода

Применение метано-водородных смесей и КПГСГдля транспорта имеет достаточно высокую степень коммерческой и технологической готовности, если не требуется строительство стационарных реформеров: в целом создана элементная база, ресурсная инфраструктура (АГНКС), алгоритмы управления. В то же время топливное оборудование для двигателей требует некоторой механической и программной настройки: продолжительности впрыска природного газа и водорода, времени воспламенения топливно-воздушной смеси в зависимости от доли водорода).

Применение синтез-газа перспективно не только для автомобилей. СГ открывает возможность усиления экономических и экологических свойств углеводородного топлива (ПГ, СУГ, ДТ, мазут) для транспортных и стационарных двигателей самого различного назначения.

Е.Н. Пронин по материалам:
1. Thomas Wallner and Henry K. Ng, Argonne National Laboratory, Robert W. Peters, University of Alabama at Birmingham. The Effects of Blending Hydrogen with Methane on Engine Operation, Efficiency, and Emissions
2. David E. Bruderly, P.E., Tren*Fuels, Inc. Hythane - A Transportation Fuel that Prevents Pollution
3. GDF Suez teste l’Hytane sur deux bus a Dunkerque. http://www.constructioncayola.com
4. ЗАО «Газомотор», Рыбинск

     На главную

.pronin@mail.ru">WebMaster