Център за трансфер на технологии | Възможности на водорода като алтернатива на традиционните горива

Възможности на водорода като алтернатива на традиционните горива

 

 

РУСЕНСКИ УНИВЕРСИТЕТ „АНГЕЛ КЪНЧЕВ”

ЦЕНТЪР ЗА ТРАНСФЕР НА ТЕХНОЛОГИИ

ул. „Студентска” № 8 7017 Русе

тел. +359 82 888563 факс: +359 82 845362 e-mail: tto@ru.acad.bg web site: http://tto.ru.acad.bg

 

 

ИНОВАТИВНО ПРЕДЛОЖЕНИЕ №27

 

 

  1. Наименование на иновацията

"Възможности на водорода като алтернатива на традиционните горива"

 

  1. Данни за предлагащата страна

 

Име/наименование/инициали/друго

 

Лице/колектив/катедра/факултет, организация/друго

Гл. ас. д-р Емилиян Петров Станков, катедра “Двигатели с вътрешно горене”, Транспортен факултет, Русенски университет “А.Кънчев”

Лице(а) за контакт и компетенции:

Гл. ас. д-р Емилиян Петров Станков

Адрес:

Катедра „Двигатели с вътрешно горене”, Русенски университет, ул. „Студентска” №8,  7017  Русе

Телефон/факс/мобилен телефон:

082/888 332,  GSM 0895 813 299

E-mail:

estankov@ru.acad.bg

Интернет страница:

 

Година на създаване на иновацията

2008

 

3.      Описание на иновацията

       Според прогнозите на европейската комисия за 2020 година, водородът трябва да заеме около 5% от използваните енергийните източници, при общо 23 % алтернативни горива, заместващи тези от нефтен произход.    

       Водородът като алтернатива на традиционните горива за транспортни средства може да се използва в няколко варианта:

- Електрохимичен източник на ток (горивна клетка);

- Водороден двигател с вътрешно горене;

- Комбинирано захранване бензин и водород;

- Комбинирано захранване дизел и водород;

- Смес на водород с газови горива (метан, природен  газ).

Високата ефективност и универсалноста по отношение областите на използване на технологиите базирани на основата на горивна клетка наложиха изключително активизиране на работата в това направление през последните петнадесет години. Тази технология е примамлива с високият к.п.д., който около два пъти превишава този на бензиновия двигател с вътрешно горене. Приложимостта на тази технология в различни сфери на икономиката определя непрекъснатото нарастване на темповете на създаване на нови съоръжения. За периода 1995-2000г. годишния темп на нарастване броя на горивните елементи в световен мащаб е с 15,2% , а за 2000-2005г. средния годишен прираст е 28,4%.

В периода 1994-2003 г. в света са пуснати експериментално 28 автобуса и 75 други автомобила с различни варианти на горивни клетки и хибридни задвижвания, използуващи водород. Към настоящия момент независимо от опита на някои големи автомобилостроителни фирми да провокират пазара с тази технология, високите цени на горивните клетки и липсата на инфраструктура за зареждане все още са задържащ фактор. В ход са големи демонстрационни програми, които трябва да създадат условия за усъвършенстване и поевтиняване на производствените технологии и да положат началото на новата инфраструктура за производство, разпределение и зареждане с водород.

Цените на най-предпочитаните горивни клетки с протонно-обменни мембрани (РЕМ) за различните производители варират в диапазона (500-2500) $/KW, докато цените на двигателите вграждани в масовите автомобили са (30-50) $/KW. Стойността на самите автомобили използуващи технологията на горивните клетки е все още впечатляващо висока и е във възможностите на много малък кръг от потребители.

Независимо от големия ентусиазъм и бързото развитие в областта на горивните клетки, привържениците на буталния двигател с директно изгаряне на водород не се отказват от възможностите за неговото усъвършенствуване. И в последните години продължават изследвания, водещи до усъвършенствуване на условията на смесообразуване, възпламеняване и горене, при което се постига ефективен к.п.д. 37%, а очакванията са за 50% в близко бъдеще. Един от основните проблеми на сегашния етап за преминаване към разширено използване на водорода все още е свързан с цената на горивото. Според специализирани източници за Германия производствената цена на водорода е 0,32 euro/Nm3, което като цена за единица енергия се получава 29,62 euro/ GJ или 0,107euro/kWh.

Вторият основен проблем е съхранението на достатъчно количество водород на автомобила за осигуряване на продължителен пробег между зарежданията съответствуващ на този при конвенционалните горива. Налага се да се прави компромис между количество съхраняван водород, тегло и цена на съхраняващата система. Стойността на методите за съхранение на водород е много различна. Изразено в $/kg водород, приблизителните цени са следните: газ под налягане-30-40; течен водород-110-120; нискотемпературни метални хидриди-1300-1400. Очевидно, че работата по усъвършенствуване на съдовете под налягане ще продължи активно.

Съществуват и алтернативни варианти за производство на синтез-газ, съдържащ водород на самото транспортно средство чрез термохимична конверсия на метанол, бензин или природен газ . Получените продукти се добавят към основното въглеводородно гориво в процеса на смесообразуване, като ефекта е съпоставим с този при използване на предварително сгъстен газообразен водород.

Захранваните с водород ДВГ (H2ICE) са възможния избор за автомобилно задвижване в  близко време и преход към технологиите на горивната клетка. Усилията са съсредоточени към изследването и развитието на двигател с директно впръскване на водород, тъй като метода позволява отстраняването на недостатъците на външното смесообразуване и постигане ефективност характерна за съвременните дизелови двигатели. Тази технология не се нуждае непременно от чист водород, както е при горивните клетки. Водещи в това направление са фирмите BMW и MAZDА. В САЩ тази технология се разработва от Sandia National Laboratories.

За двигателите на транспортните средства, намиращи се вече в експлоатация и неотговарящи на условията за чисто водородно захранване, остава възможността за комбинирано захранване с използване на значителна част от предимствата на водорода без да се влошават чувствително  експлоатационните им характеристики. Много изследователи оценяват, че в преходния период възможностите на комбинираното двугоривно захранване (бензин-водород, дизел-водород, метан-водород) с директно изгаряне не са изчерпили възможностите си и трябва да се продължават изследванията и практическите действия в тази посока.

Разработват се и се използват в практиката варианти с малки добавки на водород 0,5-6,0 %. Водорода се транспортира в бутилки под налягане, но може също така да се получава на борда на автомобила чрез електролиза или чрез химични процеси. Количеството на подавания в пълнителната система водород може да бъде постоянно или променливо. Тези варианти се прилагат за бензинови и дизелови двигатели.

При газовите двигатели сместа от природен газ (метан) и водород се приготвя в зарядните станции преди зареждането в бутилките, като най-често делът на водорода е 15-30 %.

 За преходния период тези варианти имат предимство по отношение лесно преработване на експлоатираните транспортни средства за комбинирано захранване при сравнително ниски допълнителни разходи срещу чувствително подобряване на горивната им икономичност и екологичните им характеристики. Не е за пренебрегване факта, че прилагането на комбинираното захранване с участие на водород намалява чувствително (до 50%) емисиите на въглероден диоксид (СО2). Комбинираните варианти имат своето място при частично развита мрежа за зареждане с водород и наличие все още на голям процент автомобили с класически двигатели с вътрешно горене, за които по нормативна принуда или желание на собствениците може да се постигне подобряване на икономичните и екологическите характеристики. Комбинираното захранване лесно може да намери приложение в регионален мащаб, там където условията позволяват или налагат, след като се създадат организационни предпоставки, инфраструктура  и  стимули. Предимството му е, че при него съществува вариантност, която запазва възможностите на стандартната версия и винаги има алтернативен вариант.

Нашето иновативно предложение се отнася за транспортни средства, които не са произведени през последните 10 години и все още са в добро техническо състояние и в експлоатация.

За автомобили с бензинови двигатели и карбураторно смесообразуване предлагаме конвертиране за комбинирана работа с бензин и водород. Ефективността на този вид захранване може да се илюстрира с резултатите от стендово изследване с лек автомобил по изпитвателен цикъл, представени в таблица 1.

                                                                                                                                 Таблица 1

Вариант

Разход бензин

g/km

     Разход       водород

Сумарен разход бензин,

g/km

Водо-

род

сре-

ден тегл.%

Нама-

лен

разход

 на бензин,%

Намалено количество внесена енергия,%

 

g/km

Екв.разход на бензин

g/km

 

Бензин

 85,33

   -

     -

 85,33

    -

      -

       -

 

Бензин+Н2

 45,37

10,27

 28,03

 73,40

 18,5

    46,8

     14,0

 

  Вариант

Средни обемни концентрации на газовете

Тегловни емисии на газовете, g/km

Ефект намаляване на емисиите, %

СО,

%

СО2,

%

NO, ppm

 GCO

 GCO2


Page rendered in 0.0036 seconds