Ветроводородная диметиловая экономика

 

https://pandia.ru/

Консорциум «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект»

Управляющая компания - Исполнительный комитет Межрегиональной ассоциации экономического взаимодействия субъектов РФ «Большой Урал» (Исполком МА «Большой Урал»)

Пояснительная записка

к концепции

ветроводородной диметиловой экономики

Редакционный коллектив:

, к. ф.-м. н.

, к. ф.-м. н.

, к. ф.-м. н.

Екатеринбург, март 2013 г.

Ветроводородная диметиловая экономика (ВВДЭ)

I. Введение

Нарастающие экологические проблемы, конечность углеводородных ресурсов (особенно нефти), на которые опираются нынешняя мировая энергетика и экономика, заставляют искать решения этих проблем на путях более эффективного использования углеводородного сырья, развития экологически чистых технологий получения энергии, более широкого использования экологически чистого энергоносителя и топлива - водорода. Наиболее привлекательной до сегодняшнего дня представлялась схема, когда водород получается электролизом воды с использованием электроэнергии за счет экологически чистых технологий – энергии ветра или солнца.

Толчком для развертывания исследований в области водородной энергетики стал мировой энергетический кризис начала 1970-х годов. Однако, основой энергетической политики развитых стран долгосрочные водородные программы стали лишь с 2003 г., после встречи на высшем уровне в Йоханнесбурге (2002 г.), где энергетические проблемы заняли центральное место, а также вследствие скачкообразного роста мировых цен на топливо и вступления в силу Киотского протокола [1].

На саммите «Группы восьми» (G8) в Санкт-Петербурге в июле 2006 г. обсуждался вопрос глобальной энергетической безопасности и был принят Санкт-Петербургский план действий по глобальной энергетической безопасности. Два пункта этого плана (21-й и 26-й) имеют непосредственное отношение к водородной энергетике. Часть пункта 21, относящегося к эффективности и энергосбережению на транспорте, гласит: «Интенсифицировать научные исследования для разработки транспортных средств, разработанных на бензине, водородном топливе и водородных топливных элементах для содействия созданию водородной экономики». Пункт 26 гласит: «Мы поддерживаем переход к водородной экономике, в том числе в рамках Международного партнерства по водородной экономике (IPHE). Важнейшим элементом этих усилий должна стать разработка единых международных стандартов в области развития коммерческой водородной энергетики, инфраструктуры и соответствующих мер безопасности». Тем самым водородная энергетика и водородная экономика получили высшее международное признание как перспективные направления развития глобальной энергетики в 21 веке.

Однако, нужно иметь в виду, что имеются огромные проблемы по хранению водорода и его транспортировке конечному потребителю. Плотность водорода настолько мала, что даже в сжиженном виде он в три раза проигрывает бензину в запасе энергии на единицу объема. Водород намного сложнее и дороже перекачивать по трубопроводу, чем природный газ. Для массового использования водорода в качестве энергоносителя необходимо заново создавать транспортную, складскую и распределительную инфраструктуры.

Водородная энергетика, чтобы стать действительно востребованной, должна продемонстрировать не только большую экологическую привлекательность по сравнению с традиционной, но и быть экономически приемлемой. Пока этого нет.

Необходимо также учитывать, что построить совершенно безуглеродную экономику невозможно – людям требуются пластмассы и другие синтетические материалы на основе углеводородов.

Пришло понимание, что в чистом виде водородная экономика не является наилучшим вариантом. Учитывая ограничения, накладываемые свойствами водорода, востребованностью продуктов переработки углеводородов, представляется целесообразной использовать концепцию перехода в новую экономику, предложенную нобелевским лауреатом американским химиком Д. Олой в соавторстве с А. Гиппертом и С. Прокаши в работе “Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy” (имеется русский перевод «Метанол и энергетика будущего. Когда закончатся нефть и газ.» [2]). Концепция основывается на постепенном переходе нынешней углеродной экономики, основанной на использовании ископаемых видов топлив, к экономике на базе метанола и диметилового эфира (ДМЭ) с организацией циркуляции углерода в экономике и использовании водорода, полученным экологически чистым способом. Например, путем электролиза воды за счет «чистых» энергетических источников (ветра, солнца и др.). В результате мы неизбежно приходим к необходимости развивать на перспективу комбинированную водородно-диметиловую экономику, где диметиловый эфир будет играть роль стратегического энергетического сырья, замещая нефть и ее производные, а водород выступит необходимым элементом синтеза ДМЭ, аккумулятором энергии возобновляемых источников и топливом для стационарных энергообъектов. В ближайшей перспективе диметиловый эфир будет в все больших объемах производиться из газа, угля, торфа, отходов деревопереработки и других углеродсодержащих отходов. Постепенно в качестве сырья для получения ДМЭ будет использоваться двуокись углерода, выбрасываемая в атмосферу энергообъектами и промышленными предприятиями. В конечном итоге будет создана замкнутая циркуляция углерода в экономики.

Метанол и ДМЭ могут быть использованы для получения большинства значимых продуктов органического синтеза и моторных топлив, однако ДМЭ более технологичен как энергоноситель, т. к. имеет более высокую теплоту сгорания, не ядовит, не агрессивен по отношению к металлам, быстро испаряется в случае аварийного разлива, в дизельных двигателях может напрямую использоваться вместо солярки.

Стратегические преимущества диметилового эфира:

1. ДМЭ содержит в себе три ключевых атома: водород, углерод и кислород, при этом необходимый для дальнейшего оргсинтеза азот имеется в избытке в атмосфере и не нуждается в транспортировке. Это позволяет с наименьшими затратами организовывать конечные синтез-производства.

2. Удельные энергозатраты на передачу единицы энергии в ДМЭ в 15 раз ниже, чем для водорода в случае трубопроводного транспорта. ДМЭ в отличие от водорода также может транспортироваться железнодорожным, автомобильным и морским транспортом. Стоимость нагнетательного трубопроводного оборудования для перекачки ДМЭ как минимум в три раза ниже водородного. Стойкость ДМЭ трубопровода (продуктопровода) намного выше водородного газопровода из-за способности водорода охрупчивать стали.

3. В ДМЭ могут быть полностью и без потерь преобразованы все первичные виды углеродсодержащие сырья воспроизводимого и невоспроизводимого характера.

4. Химические связи углерода являются наиболее удобным и компактным способом удержания водорода в автомобильном топливе (судовом, авиационным). Обращение с жидкостями хорошо отработано, безопасно, для них существует готовая инфраструктура, они могут долго храниться в ёмкостях. Всех этих преимуществ лишён водород, имеющий очень низкую температуру кипения.

II. Предпосылки для построения в России ветроводородной диметиловой экономики

Концепция перехода на диметиловую экономику позволяет базовым российским сырьевым отраслям (газовая и угольная промышленность) уже на нынешнем этапе получать более экологически безопасный продукт более высокого передела с большей добавленной стоимостью – диметиловый эфир, для которого пригодны с небольшими переделками существующие в настоящий момент в России и во всем мире инфраструктурные системы транспорта, складирования и распределения нефтепродуктов и газа. Пока есть запасы газа и угля целесообразно с экологической точки зрения переводить их в жидкие углеводороды. После исчерпания запасов газа и угля необходимо будет организовать круговорот углерода в экономике, преобразуя «выхлопы» двуокиси углерода энергоустановок и промышленных предприятий в ДМЭ, сохраняя экспортный потенциал России на будущее за счет использования возобновляемых ветроэнергетических ресурсов страны.

Россия обладает ресурсным и интеллектуальным потенциалом для перехода на новый технологический уклад на базе диметилового эфира с использованием водорода для синтеза ДМЭ, полученного электролизом воды за счет ветроэнергетики. Развитие ветроэнергетики позволит на данном этапе экономить расход газа на энергетические цели при получении ДМЭ, а в будущем по мере убывания запасов природного газа полностью обеспечить энергетические затраты на производство водорода и синтез ДМЭ с использованием двуокиси углерода.

В России большой вклад в развитие технологий получения диметилового эфира внесли вице-президент РАН акад. , проф. и их соратники. В настоящее время работы в области синтеза ДМЭ ведут ИНХС РАН, ИОХ РАН, Объединённый ИВТ РАН, Институт катализа РАН, Институт химии твердого тела УрО РАН, Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН, Институт систем энергетики им. СО РАН, вузы МГУ, МХТИ, РГУ нефти и газа и другие.

Энергетические и сырьевые ресурсы для ветроводородной диметиловой экономики России:

- технические ветровые энергетические ресурсы только Арктических территорий России как минимум в 20 раз превышают совокупную мощность энергосистемы РФ;

- Россия занимает первое место в мире по запасам газа (32% мировых запасов, 30% мировой добычи) и третье место по запасам угля;

- углекислый газ выхлопов угольных электростанций, металлургических, химических и цементных заводов, различные местные биоресурсы (щепа, солома, торф, отходы целлюлозного производства, городские и сельские отходы и т. д.). Ежегодно в РФ выбрасывается в атмосферу 1,6 млрд. т. углекислого газа. Только одного этого объёма достаточно для производства 300 млн. тонн бензина. Суммарное производство нефтепродуктов в РФ составляет около 105 млн. т/год, а нефтедобыча составляет около 510 млн. т/год.

В России имеется мощная машиностроительная промышленность, на базе которой возможно организовать производство необходимого современного оборудования, в том числе, в рамках кооперации с зарубежными партнерами.

Существующий рынок сбыта диметилового эфира:

- использование ДМЭ на внутреннем рынке в качестве топлива для транспорта, как наиболее экологичного топлива. Кроме того, рассматриваются карьерные, железнодорожные и авиационные рынки. Главные достоинства – экология, экономичность, бесшумность, возможность мгновенного запуска двигателя при –50оС;

- ДМЭ как сырьё для синтеза бензина, дизельного топлива, этанола и моторных масел. Эта ветвь потребует строительства стандартных небольших (мощностью 2 млн. т/год) топливных заводов по всей стране. Главные достоинства – экология, удачная логистика, адаптированность по отношению к местному рынку;

- ДМЭ как сырьё для нефтехимическая
промышленность" href="/text/category/himicheskaya_i_neftehimicheskaya_promishlennostmz/" rel="bookmark">химической промышленности;

- Европейский рынок. На сегодняшний день существует заявление Газпрома о технической возможности предоставить как минимум одну из 17 линий экспортных газопроводов для подачи в Европу иных продуктов ввиду незагруженности магистрали. Предлагается на первом этапе использовать эту линию для подачи в Европу ДМЭ, а в будущем выделить ещё одну линию для приёма из Европы жидкой углекислоты для переработки её в ДМЭ. Законодательство по утилизации углекислоты в Европе принято. Европейское продвижение ДМЭ может осуществляться как в прямом виде, так и через синтетические топлива;

- Китайский и общеазиатский рынки. Законодательство, регламентирующее применение ДМЭ в качестве прямого автомобильного топлива в КНР принято в 2006 году, стратегия расширенного применения синтетических моторных топлив оформлена в виде госзаказа на 130 млрд. долл. до 2020 года. Экологическая программа Китая принята в объёме 1,95 трлн $ до 2020 года. Основные транспортные решения: экспортные продуктопроводы по маршруту газопровода “Алтай” Ямал – Синьцзян-Уйгурский автономный район (северо-западный Китай) – Шанхай (договор подписан в 2007 году, но не реализован ввиду невыгодности) и в параллель к ВСТО с выходом на северо-восточный Китай, Тихий океан, островные государства и американский континент. Возможно региональное распространение по договору сторон. В будущем организуется строительство из Китая линии по приёму жидкой углекислоты и переработки её в ДМЭ. Китай заинтересован в сборе выхлопов промышленных предприятий и решении тяжёлой экологической проблемы. Азиатский рынок является наиболее перспективным, в будущем он может составить свыше 1 млрд. т/год ДМЭ.

ДМЭ и в особенности жидкая углекислота имеют чрезвычайно низкую вязкость, поэтому в отличие от природного газа и нефти могут транспортироваться трубопроводом на неограниченное в масштабах Земли расстояние. Это свойство является одним из ключевых, характеризующих ветроводородную диметиловую экономику (ВВДЭ) и обеспечивающих ей глобальный характер.

III. Национальная стратегия, государственная программа

«Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект» и отраслевые ФЦП.

Создание ветроводородной диметиловой экономики в России будет действительно означать переход на новый технологический уклад, так как преобразит всю экономику страны. Будут созданы новые отрасли промышленности, разработаны и освоены новейшие технологии, материалы и установки. У существующих предприятий возникнет стимул к модернизации, появятся новые рынки сбыта. Помимо энергетических и технологических задач в ветроводородной диметиловой экономике решаются также задачи экологии, здоровья, демографии, климата, сельского хозяйства, обороны страны, более равномерного распределения производственных сил, транспорта, строительства, рационального освоения новых территорий, новой металлургии, международных аспектов и т. д. Переход к ветроводородной диметиловой экономике – это качественное изменение жизни, решающий научно-технический прорыв к новейшим технологиям практически во всех сферах жизни России.

Такое масштабное преобразование экономики невозможно без координации усилий огромного числа хозяйствующих субъектов и органов власти. Необходима общенациональная стратегия такого преобразования, государственная программа «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект» и отраслевые ФЦП.

Разделы государственной программы «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект»:

- ветроэнергетика,

- получение, хранение и использование водорода,

- топливные элементы,

- получение ДМЭ (из газа, угля, биомассы и CO2),

- использование ДМЭ на транспорте и энергетике,

- оргсинтез на базе ДМЭ,

- транспорт для условий бездорожья,

- экология и др.

В рамках программы должны быть решены ряд стратегических задач:

1. Создание крупных производств диметилового эфира в местах сосредоточения запасов газа (угля) и значительного ветропотенциала. Такие производства должны удовлетворить значительную часть внутреннего рынка ДМЭ и обеспечить его экспорт.

2. Создание распределенной водородно-диметиловой энергетики - производство энергии (электрической и тепловой) непосредственно у отдельного потребителя: домохозяйства, фермы, промышленного предприятия, удаленного населенного пункта. Это позволит обеспечить энергокомфорт там, где отсутствует электрофикация и газоснабжение, и максимально использовать существующие природные и человеческие ресурсы для развития внутреннего рынка.

3. Организация производства ДМЭ из углеродных выбросов энергоустановок и промышленных предприятий с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для получения водорода.

Для решения этих стратегических задач необходимо создать новые для России инновационные промышленные производства:

- ветроэнергоустановок (ВЭУ) различной мощности, включая установки мегаваттного класса и перспективные с вертикальной осью вращения, обладающие большей экономичностью и экологичностью, что очень важно для распределенной энергетики;

- высокоэффективных электролизеров на твердополимерных мембранах, а также высокотемпературных - более экономичных чем низкотемпературные, не требующих использования катализаторов и применения благородных металлов;

- энергоустановок на твердополимерных, а также твердооксидных топливных элементах оксида циркония с различными добавками, не требующих катализаторов и применения благородных металлов;

- реакторов по производству ДМЭ, использующих новейшие российские технологии на базе ракетных технологий и мембранных технологий с использованием твердооксидных мембран со смешанной ионно-электронной проводимостью;

- новых конструкционных и функциональных материалов и изделий из них на основе углеволоконных композитных материалов, редкоземельных магнитов, керамики различного назначения и др.;

- дирижаблей и экранопланов для работы в условиях бездорожья.

Каждое из этих производств имеет общегосударственное значение и обладает собственной экономической привлекательностью.

В качестве результатов реализации национальной стратегии и государственной программы «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект», отраслевых ФЦП следует рассматривать краткосрочные и долгосрочные факторы: а) повышение качества жизни населения, создание высокоэффективных современных рабочих мест, развитие доступности энергетических источников в удаленных районах, внедрение комбинированных элементов распределенной энергетики и повышение безопасности систем энергоснабжения, развитие инфраструктуры, повышение конкурентоспособности продукции предприятий-участников программы и увеличение налоговой базы, реализация социальных программ; б) диверсификация российской экономики, более эффективное использование углеродсодержащих энергоносителей и плавный переход на ветроводородную диметиловую экономику в условиях снижения добычи природных углеводородов, обеспечение конкурентоспособности экономики России, сохранение экспортного потенциала России.

Также реализация программы обеспечит промышленным предприятиям расширение рынков сбыта товаров и услуг, создаст новые сегменты рынка, обеспечит их равноправное включение в системы международной кооперации и глобальной экономики. В рамках программы будут разработаны новые инновационные продукты и организовано их производство, будут созданы и внедрены перспективные технологии, созданы новые отрасли. Программа позволит предприятиям привлечь финансирование инновационных работ на стадии НИОКР, повысить их конкурентоспособность, реализовать проекты ГЧП.

Программа даст возможность научным и образовательным учреждениям привлечь финансирование НИОКР, получить заказы на подготовку кадров, вступить в научно-производственную кооперацию с промышленными предприятиями и развить свою научно-исследовательскую базу на мировом уровне.

IV. Создание крупного промышленного производства ДМЭ и ветроэнергетического комплекса на Ямале.

Одним из ключевых проектов программы «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект» должен стать проект сооружения на Ямале крупного промышленного комплекса: ветроэлектростанции (ВЭС) с парком электролизеров для получения водорода и производства диметилового эфира. Этому способствуют огромные запасы природного газа и гигантский технический ветропотенциал полуострова – более 250 ГВт, превосходящий мощность всей электроэнергетики России.

Возможные параметры такого промышленного комплекса на основе гигантской теоретически возможной на сегодняшний день ВЭС на Ямале мощностью 256 ГВт обоснованы в проекте «Ветроводородный ДМЭ», который был представлен им на круглом столе 20 декабря 2012 года «Ветроводородная энергетика. Национальный технологический проект» в г. Екатеринбурге [3-10].

Реальные масштабы ямальского промышленного комплекса могут быть определены после проведения соответствующих НИОКР и получения необходимых данных для проектирования, на основании результатов работы опытно-промышленного комплекса, с учетом экологических требований, оценки стратегической безопасности и реальных перспектив развития рынка ДМЭ.

Этапы реализации проекта по созданию промышленного комплекса для получения ДМЭ и электроэнергии на Ямале:

1. Создание опытной установки по получению ДМЭ на основе существующих разработок для отработки технологии.

2. Создание демонстрационной установки по производству ДМЭ на газовом месторождении.

3. Создание опытно-промышленного комплекса в составе: производство ДМЭ и ветроэлектрическая станция с парком электролизеров воды на Ямале для уточнения параметров промышленного производства.

4. Создание промышленного комплекса в составе: производство ДМЭ и ВЭС с парком электролизеров.

Очевидно, что мощность ямальской ВЭС может быть значительной. Еще в 80-е годы прошлого столетия СССР приступил к строительству крупнейшей Ямальской ВЭС мощностью 6 ГВт из 1,5 миллионов небольших ветроэнергетических установок единичной мощностью 4 кВт производства Астраханского завода ВЕТРОН. Советский Союз успел произвести всего 1,5 тысячи ВЭУ. За последнее 20 лет мощность ВЭУ увеличилась в тысячи раз. По экономическим показателям ветроэлектростанции стали вполне конкурентоспособными с традиционной энергетикой в областях, где достаточен ветропотенциал. В строительстве ветроустановок появилось новое перспективное направление – ветроустановки с вертикальной осью вращения, которые более экономичны и шумобезопасны.

Крупнейшая на Ямале ВЭС станет основой для производства ДМЭ и реализации Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года, утвержденной 20 февраля 2013 года Президентом [11]. Часть электроэнергии от ВЭС будет поставляться в промышленные районы Урала.

Промышленное производство ДМЭ и производство водорода целесообразно разместить вблизи Салехарда. К Салехарду будут выведены магистральные газопроводы месторождений Ямала, а также подведены продуктопроводы ДМЭ Надым-Пур-Тазовского региона – использованы существующие газопроводы. В газе Бованенковского НГКМ содержится примерно 2,1 % углекислого газа, в дальнейшем к промплощадке производства ДМЭ возможно подведение углекислотного трубопровода по маршруту: Рефтинская ГРЭС – Екатеринбург – Нижний Тагил – Верхний Тагил – Серов – Салехард. В дальнейшем к нему будут пристыковываться линии из других областей России. За собранную углекислоту предполагается платить от 45 до 55 долл./т (в зависимости от ТЭО Проекта) – таким образом, будет решена экологическая проблема грязных городов вначале Урала, а затем остальной части России.

Финансирование проекта по созданию крупного производства ДМЭ и мощной ВЭС на Ямале в рамках осуществления государственной программы (ФЦП) «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект» с учетом Стратегии развития Арктической зоны РФ предполагается за счет разных источников: федеральный и региональные бюджеты (создание инфраструктуры, социальных объектов, НИР и ОКР), государственно-частное партнерство (предоставление госгарантий, взаимные обязательства), частный бизнес.

От создания опытной установки до создания опытно-промышленного комплекса на Ямале и получения необходимых данных для проектирования промышленного комплекса необходимо несколько лет, в течение которых следует организовать новые инновационные производства, перечисленные выше, необходимые для реализации производственного комплекса производства ДМЭ и ВЭС на Ямале и обладающие экономической самодостаточностью.

V. Распределенная энергетика.

Другим ключевым проектом программы «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект» является создание комбинированных автономных энергоустановок для распределенной энергетики, использующих возобновляемые энергоресурсы, в том числе переработку биомассы в диметиловый эфир. Например: а)топливные элементы на ДМЭ; б)ВЭУ + электролизер + топливный элемент; в)солнечные панели + аккумуляторы, г) ВЭУ + дизель-генератор + реактор ДМЭ.

Реализация этого проекта позволит обеспечить энергокомфорт в населенных пунктах, где отсутствует централизованное электро - и газоснабжение, удаленных буровых и других промышленных и социальных объектов, дать толчок и инструменты для развития депрессивных территорий, по новому строить стратегию освоения перспективных, но необжитых местностей.

VI. Утилизация попутного нефтяного газа и освоение небольших газовых месторождений.

Зачастую к источникам газа или небольшим газовым месторождениям нецелесообразно подводить газопровод. Попутный газ приходиться просто сжигать, уничтожая ценное сырье и загрязняя окружающую среду. Переработка попутного нефтяного газа в жидкие энергоносители позволяет решить эту проблему. От эксплуатации небольших газовых месторождений во многих случаях приходится отказываться. Примером может служить Бухаровское месторождение природного газа в Свердловской области. К нему невыгодно подводить газопровод, но месторождение расположено вблизи промышленного района, нуждающегося в топливе. Переработка природного газа в ДМЭ и затем транспортировка его наземным транспортом может сделать эксплуатацию Бухаровского месторождения экономически перспективной.

VII. Консорциум «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект»

Учитывая, что инициаторами постановки проблем для решения программными методами на федеральном уровне могут выступать только федеральные органы исполнительной власти [11] целесообразно, чтобы проект концепции национальной стратегии и государственной программы «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект» был представлен Президенту и Правительству РФ губернаторами Урала, в первую очередь, ЯНАО, Свердловской и Челябинской областей для максимального использования экономических потенциалов данных регионов.

Для объединения усилий и организации совместных действий промышленных предприятий, научных и учебных заведений, органов власти, заинтересованных в разработке концепции, продвижении и реализации стратегии и программы «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект» создан Консорциум «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект».

В настоящий момент подтвердили заинтересованность в участии в Консорциуме:

- Президиум Уральского отделения РАН,

- Национальный исследовательский Южно-Уральский государственный университет,

- биржа коммерциализации инноваций» (МБКИ),

- НИИ "Уралмет",

- -Вертикаль»,

- Исполнительный комитет МА «Большой Урал»,

- Инвестиционная группа «АЗ Капитал»,

- ,

- (УЭТМ)».

В настоящее время вопрос о присоединении к Консорциуму рассматривают:

- Министерство энергетики и ЖКХ Свердловской области,

- Департамент по науке и инновациям Ямало-Ненецкого автономного округа,

- Институт химии твердого тела УрО РАН,

- Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН и др.

Для привлечения (аккумулирования) средств Участников и целевых средств из иных источников для обеспечения реализации проектов Консорциума планируется создать фонд «Ветроводородная диметиловая экономика. Национальный технологический проект».

Список литературы.

1. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. , / Москва, Институт экономических стратегий, 2007

2. Метанол и энергетика будущего. Когда закончатся нефть и газ / Дж. Ола, А. Гипперт, С. Пракаш; пер. с англ. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 416с.

3. Выступление автора проекта «Ветроводородный ДМЭ» , к. ф-м. н., генерального директора ООО "Южно-Уральская генерирующая компания", на Круглом столе "Ветроводородная энергетика. Национальный технологический проект", Екатеринбург 20 декабря 2012 г. http://www. *****/index. php? main=news_energo&id=100281&pg=4

4. Ветер перемен. , , . Журнал «Большой Урал» N 03 от 17/12/2стр. 14-17 (http:///smi/archive )

5. Ветроводородная энергетика – будущее России. Журнал «Большой Урал» N 01 от 01/02/2стр. 76-77 (http:///smi/archive )

6. Экспертные оценки и мнения о проекте «Ветроводородный ДМЭ». Журнал «Большой Урал» N 01 от 01/02/2стр. 78-79 (http:///smi/archive )

7. Вопросы национального уровня. . Журнал «Большой Урал» N 01 от 01/02/2стр. 79-81 (http:///smi/archive )

8. Адаптироваться к глобальной конкуренции и ресурсным ограничениям. . Журнал «Большой Урал» N 01 от 01/02/2стр. 82-83 (http:///smi/archive)

9. Необходима поддержка государства. . Журнал «Большой Урал» N 01 от 01/02/2стр. 84-85 (http:///smi/archive )

10. С точки зрения инвестора. . Журнал «Большой Урал» N 01 от 01/02/2стр. 86 (http:///smi/archive )

11. Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года. http://xn--80aealotwbjpid2k. xn--p1ai/docs/22846/

12. Порядок разработки и реализации федеральных целевых программ и межгосударственных целевых программ, в осуществлении которых участвует Российская Федерация. http://www. *****/read/documents/government/594_95/development_realization

Водородный двигатель

 

Водородный двигатель 4JM

https://motorist.expert/toyota

В поиске новых, более дешёвых источников энергии передвижения человеческая мысль пришла к идее использования водорода в качестве топлива для заправки колёсных средств передвижения. Несмотря на то, что идея не нова (первый водородный двигатель внутреннего сгорания создан в 1806 году французом Франсуа Де Ривасом), к промышленному использованию самого лёгкого газа в топливных элементах, двс и газотурбинных двигателях инженеры пришли только вначале нового, XXI века.

От поиска новых видов топлива зависит вектор развития автомобильной отрасли

Как работает водородный двигатель

Главной причиной поиска нового источника энергии для автомобильных двигателей стала острая необходимость сокращения вредных выбросов. Современные технологии очистки отработанного топлива позволяют сократить объёмы выбросов до сотен граммов на километр пути. Но ситуация усугубляется неконтролируемым ростом числа автомашин на дорогах: разбухающий автомобильный поток нивелирует качество современных технологий удаления кислородно-углеродной смеси.

Принципиальная схема водородного автомобиля Toyota Mirai

Наиболее перспективным направлением развития водородной технологии является применение топливных элементов. Они способны производить электроэнергию, располагаясь непосредственно на борту транспортного средства. В числе прочих разработкой гибридного водородного двигателя занимаются инженеры японской автомобильной корпорации Toyota Motor Corporation. В 2014 году под этой появился первый в мире серийный автомобиль на водороде – Mirai (в переводе с японского – «будущее»).

Машина «нафарширована» техническими новинками

Силовая установка Toyota Mirai – гибридная, включает три составные части:

• батарея топливных элементов TFCS;
• водородные баллоны высокого давления;
• повышающий преобразователь.

Батарея способна производить 114 кВт мощности, что по DIN эквивалентно 155 л.с. Удельная мощность батареи TFCS (3,1 кВт/л) более, чем в 2 раза выше первого варианта, разработанного инженерами Toyota – FCHV-advantage.

4JM – лучший в мире водородный мотор

Следует отметить, что химическая реакция по выработке электрической энергии происходит без горения, повышая, тем самым экологичность и без того абсолютно «чистого» электромотора. Преобразование энергии в двигателе 4JM осуществляется с КПД 83 %. На двигатель установлена вторичная никель-кадмиевая батарея в виде аккумулятора мощностью 21 кВт.

Силовая установка 4JM на платформе Mirai

4JM представляет собой синхронный электродвигатель переменного тока. При рекуперативном торможении аккумулятор сохраняет возвращаемую в сеть электроэнергию, которая вырабатывается тяговым двигателем в режиме генератора.

С помощью преобразователя полученное на элементах напряжение повышается до показателя 650 В. Это нужно для того, чтобы уменьшить геометрические параметры электромотора и число топливных элементов, компактно уместить составные части системы внутри автомобиля. Постоянный ток в переменный преобразуется с помощью инвертора. В процессе заправки закачка водорода в бак производится через фильтрационную угольную систему. При движении через воздухозаборники в батарею попадает воздух из атмосферы.

Начинается химическая реакция с водородом, результатом которой является получение электрической энергии. При нажатии на акселератор осуществляется её подача от батареи к мотору. Знатоки химии сразу определят, что единственным побочным продуктом в данной цепочке является образующаяся в результате химической реакции вода. Её отвод осуществляется через выхлопную трубу.

Внешне автомобиль ничем не отличается от бензиновых и дизельных собратьев

Расположение батареи и водородных баллонов высокого давления по центру машины вкупе с оптимальными настройками электромотора обеспечивают оптимальное управление показателями мощности. Результатом этого является восприимчивость машины к действиям водителя на любой скорости, повышение крутящего момента и обеспечение плавного разгона. В обратном порядке происходит процедура торможения.

Геометрия машины спроектирована таким образом, чтобы обеспечить максимально низкий центр тяжести, оптимальную развесовку передней и задней частей кузова и общую максимальную жёсткость конструкции.

Ёмкость для хранения водорода

Количество водородных ёмкостей – 2 (60 и 62,4 л, соответственно). Газ хранится в них под давлением 70 МПа. Максимальная масса водорода, закачиваемого в ёмкости в течение 3 минут, составляет 5 кг. Это позволяет на одной заправке проехать до 650 километров, развивая максимальную скорость 175 км/ч.

Всё ли так безоблачно в водородной технологии

Срок службы одной топливной ячейки, работающей на водороде, составляет до 10 лет. В работе двигателя отсутствуют характерные для двс шумы и вибрация. Моторы абсолютно чисты с экологической точки зрения. Тем не менее, критика исследований в области транспорта на водородном топливе обширна. Апологеты традиционных источников энергии для колёсных автомашин и разработчики обычных электродвигателей «задвигают» водород, указывая на ряд трудноразрешимых вопросов в области инфраструктуры и технологии.

Критики водородного транспорта указывают на отсутствие стандартов в области производства, хранения, перемещения и использования водорода. Значительный объём топливных баков для дальних поездок сокращает вместимость салона и багажника. Есть чисто технологические факторы, связанные с опасностью неправильного обращения с оборудованием для хранения и закачки водорода. Он чрезвычайно летуч: малейший зазор в конструкции баков и систем подачи водорода к месту химической реакции может привести замкнутому наполнению салона автомашины и воспламенению.

Словом, проблем, которые предстоит решить на пути к безопасному и экономичному массовому применению водорода для заправки автомобильного транспорта, достаточно. Главный вопрос в том, готовы ли владельцы автокорпораций вкладывать значительные средства в развитие новой инфраструктуры, дальнейшие теоретические исследования и практические разработки. Ведь на сегодня дозаправка автомашин в пути (то есть, без посещения специальных заправочных станций) невозможна.

Деньги – основа всего

Главным «минусом» считается сложность процесса производства столь огромного количества водорода, которое понадобится при массовом переводе машин на новое топливо. Дорого на сегодняшний день получать водород, как из природного газа, так и методом электролиза. Таким образом, стоимость пробега на машине с водородным двигателем значительно дороже, нежели на бензине или солярке.

Экономическая целесообразность применения водорода

На данный момент, заправляя 120 литров водорода в пару баков высокого давления, владельцы авто должны выложить 960 евро. Это очень дорого, в сравнении с бензином или дизельным топливом. Позволить себе приобрести такой автомобиль и постоянно передвигаться на нём, наматывая немалые «концы», может позволить не каждый средний житель развитых стран Европы, Азии или Америки. Пока Toyota Mirai представляет собой дорогой экземпляр для автомобильной коллекции, либо средство передвижения для толстосумов, не привыкших считать деньги.

Водородная заправка – потенциально опасное место для окружающих

Частичным решением вопроса мог бы стать гибридный двигатель, в котором вторым топливом является традиционный бензин или солярка. Для проведения такого тюнинга вручную, нужно осуществить установку пусковой батареи, БСУ, водородных и кислородных баллонов. Электротехническая часть тюнинга:

• электрохимический генератор (ЭХГ);
• электродвигатель;
• пусковая батарея.

Сырьём для получения водорода является питьевая вода, слитая в ёмкость для электролиза. Источником энергии является генератор. Газ вырабатывается в небольшом количестве, затем направляется во впускной коллектор двс. Там происходит смешивание водорода с бензином и последующее сгорание. Однако, расход энергии на получение водорода в пути, и его количество не позволяют говорить об экономичности подобных установок.

Невзирая на то, что машины с гибридными установками на водородном топливе и электромоторах ближе всего по конструкции, философии использования и технологии к обычным электромобилям, апологеты последних являются главными критиками нового источника энергии. Видимо, в будущем затраты на решение всех вопросов будут ничтожными по сравнению с доходами от продаж автомашин на водороде. Если, конечно, удастся преодолеть все препятствия.

Соперник солярки Диметиловый эфир

 

Соперник солярки
Диметиловый эфир (ДМЭ)

http://www.gruzovikpress.ru

В. Нечаев

Сегодня, пожалуй, только ленивый не говорит о проблемах экологии. Актуальность данной темы определяется не только заботой о здоровье человечества, которое стало жертвой собственных технических деяний, но и экономическими потерями, которые дорого обходятся как налогоплательщикам, так и природе.

Тревоги и заботы экологов

Основной причиной ухудшающейся с каждым годом экологической ситуации в нашей стране, особенно в городах, – непрерывный рост численности автомобильного парка. В России насчитывается свыше 30 млн. автомобилей, из которых на долю грузовиков и автобусов приходится около 5,5…6 млн. единиц. Их функционирование вызывает загрязнение воздуха до 95%, почти половину издаваемого шума и вредное воздействие на климат – около 70%. Ежегодно на россиян обрушивается свыше 12,5 млн. т токсичных веществ, изрыгаемых выхлопными трубами автомобилей. Экологи не зря бьют тревогу. В выбросах загрязняющих веществ в атмосферу всеми техногенными источниками доля автотранспорта достигает в среднем 43%, парниковых газов – порядка 10%, в массе промышленных отходов – 2%, в сбросах вредных веществ со сточными водами – около 3%, в потреблении озоноразрушающих веществ – около 5%. Наконец, доля автотранспорта в шумовом воздействии на население городов составляет 85…95%. В некоторых российских мегаполисах загрязнение воздушного бассейна достигло критического уровня и является основной причиной высокой заболеваемости, низкой продолжительности жизни и деградации окружающей природы. Не случайно проблема загрязнения атмосферы приобрела серьезную социальную и политическую окраску. Прямой ежегодный ущерб от работы автотранспортного комплекса России составляет свыше $4 млрд. или около 2% валового национального продукта государства. Факты неутешительные.

Варианты установки топливных баков на раме автомобиля

Игра стоит свеч

Сложившаяся ситуация диктует принять адекватные меры. Одной из наиболее действенных является использование альтернативных экологически более чистых видов моторного топлива. Они рассматриваются как один из основных путей снижения негативного влияния автомобиля на окружающую среду. Из перспективных альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания заслуживает внимания диметиловый эфир. В настоящее время это единственное синтетическое топливо, обеспечивающее полную замену традиционному дизельному топливу. Интерес к диметиловому эфиру (ДМЭ) объясняется и тем, что в последние годы отечественной химической промышленностью разработаны новые технологии его получения из метана.

Проведенные исследования доказывают, что применение диметилового эфира в качестве моторного топлива для дизелей является основанием для оптимистичных прогнозов. У ДМЭ есть преимущества перед дизельным и альтернативными топливами. К его достоинствам относятся пониженная склонность к сажеобразованию при горении; практически полное отсутствие дымности отработавших газов; хорошая самовоспламеняемость в дизеле (цетановое число ЦЧ = 55…60 по сравнению с ЦЧ = 45…50 – для дизельного топлива).

Варианты установки топливных баков на раме автомобиля

Результаты моторных испытаний дизелей, работающих на диметиловом эфире, показали значительное уменьшение уровня вредных выбросов отработавших газов. Так, в 3…4 раза отмечено снижение окислов азота при бездымной работе двигателя на всех режимах. При работе на ДМЭ выявлено сохранение, а на некоторых режимах и улучшение до 5% экономичности дизеля, повышение его эффективного КПД по сравнению с работой на дизельном топливе.

Чтобы адаптировать обычные дизели для работы на диметиловом эфире, необходимо модернизировать существующую топливоподающую аппаратуру, направленную на увеличение объемной подачи топлива; принять меры, исключающие появление газообразной фазы в топливных магистралях и насосах; ввести элементы безопасности, заменить топливные баки на баллоны низкого давления, по конструкции аналогичные баллонам на автомобилях, работающих на сжиженном нефтяном газе.

К недостаткам ДМЭ можно отнести пониженную теплоту сгорания единицы объема топлива и меньшую вязкость по сравнению с дизельным топливом. Последнее обстоятельство требует доводки топливоподающей аппаратуры для обеспечения ее противозадирных качеств и повышения долговечности.

Так выглядит баллон для диметилового эфира

От слов к делу

Чтобы перейти от слов к делу, усилия объединили специалисты АМО ЗИЛ, ФГУП НАМИ и МГТУ им. Н.Э. Баумана. Рамки совместного проекта предусматривали переоборудование малотоннажных грузовиков ЗИЛ-5301 «Бычок» для работы на диметиловом эфире.

Отправной точкой в работе стал выбор принципиальной схемы системы питания 109-сильного дизеля Минского моторного завода Д-245.9C, приспособленного для функционирования на диметиловом эфире. Последний хранится в баллоне, который оснащен наполнительной и контрольно-предохранительной арматурой, по конструкции аналогичной применяемой в автомобильных баллонах для сжиженного нефтяного газа, и погружным электрическим насосом. Из баллона ДМЭ под давлением насыщенных паров в жидкой фазе поступает на вход топливоподкачивающего насоса с электроприводом. По манометру, находящемуся перед топливным насосом высокого давления (ТНВД), контролируется давление жидкого ДМЭ, которое должно быть выше давления насыщенных паров на некоторую величину, зависящую не только от подачи топлива в цилиндры дизеля, но и от расхода топлива, прокачиваемого через полости низкого давления ТНВД. Расход прокачиваемого топлива регулируется перепускным клапаном. Одна часть топлива с помощью топливопровода и форсунки подается в цилиндр дизеля, а другая (прежде чем попасть в баллон) – проходит через полости низкого давления ТНВД, перепускной и электромагнитный клапаны и фильтр.

Топливный насос высокого давления дизеля ММЗ Д-245.12 для работы на диметилэфире

В систему питания ДМЭ входят газовый баллон со вспомогательным оборудованием, включающим заправочный блок с вентильным (вентильными) устройством (устройствами); указатель уровня; механизм автоматического ограничения наполнения баллона до 80% его емкости; предохранительный (пожарный) клапан; рабочий, обратный и скоростной клапаны; система вентиляции, выполненная в виде газонепроницаемого кожуха. К этому надо прибавить заправочное устройство со встроенным клапаном; магистральный запорный клапан; газопроводы и шланги; подкачивающие насосы среднего давления; топливный насос высокого давления; топливные форсунки.

При разработке системы питания, работающей на диметилэфире, учитывался целый ряд обстоятельств. Во-первых, ДМЭ необходимо впрыскивать в цилиндры дизеля в жидком виде, для чего требуется поддерживать в системе избыточное давление, превышающее давление насыщенных паров в самой нагретой зоне подкапотного пространства на величину не менее 0,5 МПа. Во-вторых, объемная величина цикловой подачи диметилэфира должна быть увеличена не менее чем в 1,6 раза из-за меньших энергосодержания и плотности по сравнению с дизельным топливом. В-третьих, из-за низкой вязкости ДМЭ (0,25 сСт) по сравнению с соляркой (2,5 сСт) и плохих смазочных свойств необходимо введение в топливо специальных противозадирных присадок. В-четвертых, поскольку ДМЭ обладает высокой коррозионной агрессивностью к некоторым материалам и покрытиям, необходимо заменить их другими, более стойкими.

Во время зимних испытаний

Проверка на дорогах

Для проведения эксплуатационных испытаний был изготовлен десяток «Бычков» с диметилэфирными силовыми установками. Малотоннажникам предстояло сдать экзамен на эксплуатационную надежность элементов и всей системы питания в целом. Специалисты хотели оценить техническое состояние системы питания и двигателей автомобилей, соответствие их отработавших газов современным экологическим показателям, замерить топливную экономичность автомобилей.

Поверки на дорогах предоставили разработчикам богатый исследовательский материал. В ходе испытаний был отмечен ряд дефектов: нестабильная работа двигателя при изменении его температурного режима; нарушение герметичности газовых трубопроводов; заклинивание подкачивающего насоса; жесткий пуск дизеля; его нестабильная работа при резком изменении нагрузки; выход из строя ряда резинотехнических изделий и датчика давления.

Все отказы и дефекты тщательно анализировались, проводились дополнительные испытания и доводочные работы на безмоторных и моторных стендах. По результатам выполненных работ корректировалась конструкторская документация и изготовлялись измененные элементы и детали системы питания.

Изотермический автофургон, оборудованный турбохолодильной установкой

Серьезная проблема, выявленная в ходе эксплуатационных испытаний, была связана с возникновением так называемых «провалов» в работе двигателя после его прогрева, наиболее часто проявляющихся при повышенных температурах окружающей среды. Специалисты установили, что «провалы» вызваны появлением паровых пробок в нагнетательных топливопроводах между насосом и форсунками, когда остаточное давление в топливопроводе понижается ниже давления насыщенных паров диметилэфира.

Чтобы обеспечить надежную работу топливного насоса высокого давления на диметиловом эфире в его конструкцию пришлось внести некоторые изменения. Для устранения заклинивания плунжерных пар изза ухудшения смазывающих свойств ДМЭ подобрали комплект плунжерных пар с уменьшенной гидроплотностью. Для отвода просачивающегося из надплунжерной полости диметилэфира в картер насоса на боковой поверхности плунжеров выполнили кольцевую канавку, соединенную с дополнительно просверленным каналом во втулке плунжера. Чтобы повысить объемную подачу ДМЭ увеличили ход рейки топливного насоса в рабочем диапазоне нагрузочных режимов. Установленное для этих работ давление начала впрыска, равное 18 МПа, уменьшили до 12 МПа. Помимо этого вдвое снизили величину разгрузочного объема нагнетательных клапанов в ТНВД за счет изменения конструктивных параметров клапана (уменьшена высота разгрузочного пояска).

Эффективность внедренных мероприятий нашла свое подтверждение экспериментально при проведении дорожных испытаний упомянутой партии грузовиков. Достижением проекта стало то обстоятельство, что использование диметилового эфира в качестве моторного топлива позволяет без дорогостоящих электронноуправляемых систем впрыска достаточно легко выполнить требования экологических норм Euro 3. Экономические показатели оказались несколько лучше, чем у грузовиков, оснащенных дизельными двигателями.

«Бычок» с доработанным по результатам испытаний дизелем

американская мечта Генри Форда

Заброшенная Фордландия: почему не сбылась американская мечта Генри Форда

1 год назад

Американский автомобильный магнат Генри Форд собирался получить огромную прибыль со своих амазонских плантаций и построить процветающий американский город в джунглях. Купленная им в непроходимых лесах земля должна была стать местом для получения природного каучука, столь необходимого для производства резины. Но колоссальные вложения не оправдали себя, а основанный им городок под названием Фордландия оказался в запустении и был продан с большими убытками внуком гениального автомобильного промышленника. Почему Генри Форду не удалось осуществить свою мечту?

Растущее автомобильное производство требовало от Генри Форда решения многих задач, в том числе и полноценного обеспечения сырьем. Промышленный магнат стремился сосредоточить в своей компании все циклы производства автомобиля, начиная от добычи руды и выплавки металла до выпуска готовой продукции. Одной из проблем стало производство резины, которая необходима для изготовления автомобильных покрышек.

Сырьем для производства резины в начале XX века служил природный каучук, получаемый из сока тропического дерева гевеи. До тех пор, пока человечество не научилось получать синтетический каучук, владельцы плантаций гевеи получали баснословную прибыль и диктовали производителям автомобилей свои условия. В этой отрасли доминировали британцы, которые получали каучук из своих многочисленных колоний. Генри Форд решил обезопасить свою компанию Ford Motor Company и обзавестись собственной плантацией гевеи, которая бы обеспечивала его заводы.

Поскольку дерево могло расти только в условиях тропиков, магнат договорился с правительством Бразилии о выделении участка земли в непроходимых джунглях на берегу реки Тапажос. Это было глухое местечко в бассейне Амазонки, где Генри Форд намеревался с нуля построить образцовый город своей мечты с одинаковыми уютными домиками, всей необходимой инфраструктурой и американским образом жизни.

Городок, рассчитанный на 10 000 жителей, был основан в 1928 году. Планировалось, что здесь будут проживать американские управленцы и местные бразильские рабочие, которые станут трудиться на плантациях гевеи. На пустом месте, расчищенном от тропического леса, были построены каркасные американские домики, больница, оборудованная по последнему слову техники, школа, церковь и даже поле для гольфа. Одним словом, здесь было все для счастливой жизни. Конечно, тропические джунгли с малярийными комарами, постоянными дождями и высокой влажностью нельзя назвать самым комфортным местом на планете, тем не менее здесь было все для достойной работы и жизни. Несмотря на то, что добраться сюда можно было только по реке, недостатка в рабочей силе не было, Фордландия постепенно заселялась рабочими. Всё — от мебели до водонапорной башни — было завезено сюда на транспортных пароходах.

Генри Форд установил строгие правила в городке, и это отчасти стало причиной краха его мечты. Здесь не было пивных баров, ночных клубов и прочих увеселительных заведений, которые обычно присутствовали в рабочих поселках того времени. Рабочим запрещалось пить и курить, а в столовых подавалась исключительно американская еда. Не все местные рабочие были в восторге от бургеров, да и многие не могли продержаться без выпивки и табака. Строгие запреты привели к бунту рабочих, который пришлось подавлять при помощи бразильской армии, а недалеко от Фордландии вскоре возникло небольшое поселение, где были ночные клубы и пивные бары, и куда тайком наведывались рабочие с плантаций Форда.

Не все было гладко и с самими деревьями. При закладке плантаций не были учтены важные агрономические правила, да и земля в этой части Амазонии оказалась каменистой и малоплодородной. Деревья гевеи развивались медленно, были подвержены грибковым заболеваниям и нападениям вредителей, из-за чего Генри Форд так и не получил желаемой прибыли. Увы, идею по выращиванию гевеи пришлось оставить, и город был заброшен уже в 1934 году. Годы спустя внук Форда — Генри Форд II — продал участок и навсегда оставил затею получения резины из сока гевеи, так как в мире ее производство уже переводилось на синтетическое сырье.

Сегодня в Фордландии живут около 2 000 человек. Здесь все еще можно увидеть постройки времен основания городка, в том числе административные и производственные здания, водонапорную башню и лесопилку. Водонапорная башня и даже все оборудование внутри нее сохранилось в том виде, в каком их установили более 90 лет назад.

https://travelask.ru/blog/posts/21774-fordlyandiya-kak-segodnya-vyglyadit-zabroshennyy-gorod-genri