СИСТЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ И ЭЛЕКТРОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ Российский патент 2002 года по МПК B60L11/18 

Изобретение относится к области энергетики и, в частности, к обеспечению всех видов транспорта высококалорийным экологически чистым горючим - газообразным водородом, получаемым из воды с помощью безопасных атомных электростанций.

Использующиеся в настоящее время средства снижения токсичности выхлопа двигателей внутреннего сгорания не решают главную задачу современности - создание экологически чистого автомобиля. Это происходит потому, что процесс сгорания как жидкого, так и газообразного топлива всегда является неполным, и несгоревшие (недоокисленные) химические соединения будут попадать в атмосферу. Задача состоит в том, чтобы процесс горения органического сырья заменить другим, более эффективным экологически чистым процессом.

Решение этой задачи позволит существенно уменьшить дефицит органического сырья, как невозобновляемого источника энергии. Даже использование электрической энергии, выделяемой химическими аккумуляторами, не решает эту задачу, так как избавляясь от вредных газообразных веществ, мы встретимся с неразрешимой проблемой загрязнения атмосферы аэрозолями свинца - главного компонента производства химических аккумуляторов. Кроме того, в этих аккумуляторах используются такие экологически опасные вещества, как серная кислота, сильные щелочи, кадмий, никель, сера, натрий и др.

Нужно также иметь в виду то, что суммарная мощность всех автомобилей на Земле выше мощности всех земных электростанций. А ведь такая мощность нужна для зарядки аккумуляторов электромобилей.

С не меньшими трудностями приходится сталкиваться при создании автотранспортных средств, работающих на водородном топливе. Казалось бы, все хорошо: на выхлопе водяной пар. Но это не так. Высокие степени сжатия, применяемые на современных автомобилях, повысили температуру сгорания топлива, в результате чего составная часть воздуха - азот (а его в воздухе 78% по объему) вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя крайне ядовитые окислы азота (NO, NO₂, N₂O₅), обладающие остронаправленным механизмом отравляющего действия.

Таким образом, задачей изобретения является, с одной стороны, создание эффективной системы добычи и транспортировки водорода, с другой стороны, - создание электромобильного транспорта, работающего на водородном топливе.

Ближайшим аналогом системы является известное решение, описанное в статье В.А. Легасова.

Ближайшим аналогом электромобильного транспорта является патент США N 5678647.

Задача изобретения решается путем использования чистого газообразного водорода, полученного из воды и хранящегося в химически связанном состоянии, в сочетании с электрохимическим генератором и силовым электроприводом электромобиля. Рассмотрим эти проблемы отдельно.

Система водородной энергетики
В земной коре содержится около 1% по массе водорода, в том числе в литосфере (до глубины 16 км) 0,14%; в гидросфере количество водорода превосходит 10%. Таким образом, источником водорода должна быть вода и добывать водород нужно там, где воды много.

Придавая важное значение экологии больших городов, оценим потребности в водороде для легковых машин крупных российских городов. Потребность в бензине составляет 1 млн. тонн в год.

Поскольку теплотворная способность водорода (28900 ккал/кг) практически в 3 раза больше теплотворной способности бензина (~10000 ккал/кг), потребность в водороде будет составлять 300 тыс. тонн в год или 820 тонн в сутки.

На первых порах, когда еще не все запасы нефти будут израсходованы, газообразный водород можно получать, как продукт нефтехимического синтеза. Когда возникнет дефицит нефтепродуктов, лучшим способом получения водорода явится электролиз воды.

Тогда общее потребление электроэнергии при работе электролизеров высокого давления составит 900 тыс. кВт. Здесь возникает проблема получения электроэнергии, которая по мере развития водородной энергетики потребует значительного увеличения потребляемой мощности, а использовать для этого мощности тепловых и гидравлических электростанций нерационально.

Необходимо по-прежнему развивать ядерную энергетику с задачей как можно скорее решить проблему утилизации радиоактивных отходов и регенерации ядерного топлива для АЭС.

Это полностью соответствует предлагаемой системе глобального развития альтернативной энергетики для автотранспортных систем.

Используя энергию подземных необслуживаемых АЭС, удаленных от мест проживания людей, можно получить водород из морской воды, компремировать его химическим путем и безопасно снабжать им потребителей, создавая экологически чистую энергетику для густонаселенных регионов. А водород после его окисления уже в составе пресной воды возвращать рекам.

Применительно к рассматриваемому примеру для удовлетворения потребностей электролизеров в энергии необходимо задействовать всего четыре необслуживаемые подземные АЭС типа "Малахит" мощностью 220 МВт каждая.

И это можно осуществить в северных регионах Сибири, где имеется в изобилии морская и речная вода. Такие АЭС могут более 25 лет работать баз обслуживания и автоматически захороняться после достижения ресурса без выемки. При реализации проблемы добычи водорода кислород возвращается в атмосферу, содействуя растительной флоре, масштабы которой из-за вырубки катастрофически сокращаются.

Главная задача в проблеме хранения и транспортировки водорода - обеспечение безопасности. Естественно, что способ механического компремирования водорода в данном случае не пригоден.

Есть другой совершенно безопасный способ химического компремирования водорода, известный из области газовой хроматографии, когда водород связывается с интерметаллом (например, LaNi₅) и хранится при нормальном давлении.

Если бы такое же количество водорода хранить в аналогичной компрематору емкости, то потребовалось бы давление до 600 атм.

Таким образом, речь идет о создании безопасной системы хранения и раздачи химически связанного водорода путем его десорбции в унифицированные контейнеры для последующей транспортировки к автозаправочным станциям.

Такой унифицированный контейнер представляет собой емкость, заполненную интерметаллидом, достаточную для суточной работы средней по производительности АЗС.

Видимо, контейнер для обеспечения удобства перевозки должен иметь объем не более 5 тыс. литров, т.к. с учетом интерметаллида и водорода его вес будет составлять около 20 тонн. Такой контейнер будет содержать около 1 тонны водорода, что равноценно 5 - 6 тоннам бензина (с учетом более высокой теплотворной способности и, как будет показано ниже, более высокого КПД преобразования химической энергии в электрическую).

Всего с учетом возвратной тары потребуется около 2000 контейнеров, перевозка которых от места добычи водорода должна осуществляться железнодорожным или водным транспортом. Запасов интерметаллидного сырья в России вполне достаточно с учетом того, что его можно извлекать из отвалов Экибастузского месторождения угля.

Технический результат, получаемый при реализации такой системы водородной энергетики, заключается в следующем:
- существенно повышается безопасность системы в связи с использованием необслуживаемых подземных АЭС, использованием интерметаллидов в транспортных контейнерах для химического компремирования водорода и использование указанных контейнеров в качестве топливных емкостей на автозаправочных станциях;
- осуществляется постоянная подпитка земной атмосферы электролизным кислородом.

Электромобильный транспорт
Предлагается использование электро-химических водородо-воздушных генераторов для получения электроэнергии и привода электродвигателей, являющихся основой электромобильного транспорта.

Такая двигательная установка полностью отвечает потребностям экологической безопасности и обеспечивает перевод в будущем всего автотранспортного хозяйства на электрическую тягу.

Это может быть осуществлено путем применения разработанных в России электро-химических генераторов, например "Фиалка" и других, использовавшихся в космической системе "Буран". Подобные ЭХГ при массе около 600 кг и работе на водородо-воздушном топливе могут развивать электрическую мощность до 60 кВт и достигнуть КПД 70%, т.е. в 2 раза большего, чем в двигателях внутреннего сгорания. При этом на выходе ЭХГ выделяется экологически-чистый водяной пар, а окисление азота кислородом не происходит в связи с использованием ЭХГ с пористыми электродами достаточно низких температур (порядка 500^oC).

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого электромобильного транспорта, заключается в существенном повышении безопасности эксплуатации автомобиля в связи с применением в качестве топливных баков невзрывоопасных интерметаллидных контейнеров и получением КПД преобразования энергии топлива во внешнюю работу, достигающего 70%, что практически в 2 раза превышает КПД двигателей внутреннего сгорания.

Возможная конфигурация грузового автомобиля с водородно-воздушным ЭХГ показана на фиг. 1.

Автомобиль состоит из следующих основных агрегатов: колесно-силовых электродвигателей 1, водородно-химического компрематора 2, водородно-воздушного ЭХГ 3 и выхлопной системы 4 для водяного пара.

Автомобиль работает следующим образом.

После заправки водородом компрематор 2 включают от аккумулятора ЭХГ 3, и он начинает вырабатывать электрический ток для работы колесно-силовых электродвигателей 1, при этом по мере расходования водорода интерметаллид автоматически будет в нужных количествах выделять водород.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема системы водородной энергетики.

Она состоит из следующих элементов, расположенных в удаленных от промышленных центров регионах: заборной емкости 1 предварительно очищенной речной воды; устройства 2 для подготовки электролита; емкости для хранения концентрированного электролита 3; подземной необслуживаемой атомной электростанции 4; комплекса электролизеров 5; химических компрематоров водорода 6; транспортных контейнеров 7 с химически компремированным водородом; химических компрематоров водорода заправочных станций 8 и электромобильного транспорта с ЭХГ.

Такой состав системы обеспечивает проведение следующих технологических процессов: забор пресной воды из рек и водоемов в заборную емкость 1, подготовки электролита в устройстве 2 и хранения его в емкости 3, получение электроэнергии с помощью атомной электростанции 4 и проведение электролиза воды в электролизерах 5, химическое компремирование водорода в компрематорах 6, заправку водородом транспортных контейнеров 7, перевозку их к автозаправочным станциям и заправку водородом их компрематоров 8 и, наконец, раздачу водорода путем заправки водородом автомобильных компрематоров.

Предлагаемая система водородной энергетики является экологически чистой и способствует круговороту веществ в природе, поскольку полностью возвращает ей взятый у реки водород и кислород, выполняя функцию воспроизводства кислорода и круговорота воды, которые в масштабах планеты в связи с неконтролируемым сведением лесных массивов реализуются недостаточно полно.

Такая система водородной энергетики не встречает непреодолимых трудностей при ее реализации применительно к автотранспортным средствам, позволяет создать огромный парк высокоэффективного электромобильного транспорта, обеспечивающего глобальную экологическую безопасность и содействующего круговороту воды и кислорода в природе.

Сущность изобретения: система водородной энергетики для транспортных средств основана на использовании электролизного водорода. Для этого осуществляют забор пресной воды из рек или водоемов и подготовку электролита. Затем получают газообразный водород на электролизерах высокого давления с использованием электроэнергии, выработанной на подземной необслуживаемой атомной электростанции. Осуществляют химическое компримирование водорода с использованием интерметаллидов в транспортных контейнерах. Затем осуществляют раздачу компримированного водорода для заправки электромобильного транспорта через автомобильные заправочные станции. В электромобильном транспорте в качестве топлива используют водородно-воздушную смесь. Водород заправляют в автономный химический комприматор транспортного средства, и он взаимодействует с воздухом в низкотемпературном электрохимическом генераторе высокого давления с пористыми электродами. Генератор обеспечивает получение постоянного электрического тока для привода колесно-силовых двигателей транспортного средства. Технический результат заключается в создании эффективной системы добычи и транспортировки водорода, повышении ее безопасности, производстве кислорода для подпитки земной атмосферы, а также в повышении безопасности и эффективности эксплуатации электромобилей. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система экологически чистой водородной энергетики для транспортных средств на основе электролизного водорода и его химического компремирования с использованием замкнутой технологической цепочки получения и раздачи водорода, состоящая из следующих взаимосвязанных технологических процессов: забор пресной воды, подготовка электролита, получение электроэнергии с помощью атомной электростанции, получение газообразного водорода на электролизерах высокого давления, химическое компремирование газообразного водорода и раздача водорода для заправки автомобильного транспорта, отличающаяся тем, что забор воды осуществляется непосредственно из рек или водоемов, в качестве атомной электростанции используют безопасную подземную необслуживаемую атомную электростанцию, химическое компремирование водорода осуществляют с использованием интерметаллидов в транспортных контейнерах, раздачу водорода для заправки электромобильного транспорта производят через компрематоры автомобильных заправочных станций. 2. Электромобильный транспорт, в котором в качестве топлива используется водородно-воздушная смесь, причем водород взаимодействует с воздухом в низкотемпературном электрохимическом генераторе высокого давления, который обеспечивает получение постоянного электрического тока для привода колесно-силовых двигателей транспортного средства, отличающийся тем, что водород заправляется в автономный химический компрематор транспортного средства, а в качестве генератора тока используется водородно-воздушный электрохимический генератор с пористыми электродами.