Перспективы создания отечественного водородного газопоршневого двигателя

Виктор ЗАЙЧЕНКО
Главный научный сотрудник, д. т. н., Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)
е-mail: aits54@yandex.ru

Александр ЦЫПЛАКОВ
Ведущий инженер, Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)
е-mail: aits54
@gorshik

Введение

Энергопереход от ископаемых видов топлива к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) и декарбонизация экономики – важнейшие глобальные тренды, формируемые Парижским соглашением по климату. Россия в 2019 году присоединилась к данному соглашению.
В Правительстве РФ есть понимание необходимости ускоренного развития возобновляемой энергетики. В принятых Правительством РФ постановлениях уделяется особое внимание снижению стоимости электроэнергии, получаемой от солнечных и ветровых станций, а также технологий производства «зеленого» водорода, в том числе и производства водородных систем аккумулирования электроэнергии для покрытия неравномерностей графика нагрузки на объекты генерации.
В России принята программа развития солнечной и ветряной энергетики до 2024 г. «Пять гигаватт». Запланировано, что к 2024 г. выработка электроэнергии на СЭС и ВЭС составит около 1 % от общего объёма производства.
Для малой, распределённой и ВИЭ-энергетики отдаленных районов России, не имеющих централизованного энергоснабжения, водородное аккумулирование является одним из перспективных (если не единственно возможным) способов обеспечить бесперебойное энергоснабжение при работе системы генерации в автономном режиме.
ВИЭ (солнечная, ветровая и гидроэнергия) отличаются большой степенью нестабильности, построение надежных и устойчивых генерирующих источников оказывается практически невозможным без применения систем накопления энергии (СНЭ). СНЭ в возобновляемой энергетике часто должны обеспечивать не только многочасовое и суточное аккумулирование электроэнергии (что возможно, например, гидроаккумулирующей электростанцией – ГАЭС) но, в ряде случаев, сезонное и, даже, круглогодичное аккумулирование.
Использование водорода для целей аккумулирования электрической энергии заключается в том, что при производстве ВИЭ, большей по отношению к потреблению в данный момент времени, излишняя энергия используется для производства водорода на электролизных установках. При недостатке мощности, вырабатываемой ВИЭ, запасенный водород используется для генерации недостающей электрической мощности. Общепринятое название этой технологии – «электроэнергия в электроэнергию» (Power-to-­Power (P2P).
Использование водорода в технологии P2P может быть осуществлено в системах с водородными топливными элементами. Однако до настоящего времени проблемы, связанные с рядом ограничений при создании топливных элементов большой мощности, не решены [1]. Подобных ограничений не возникает при использовании водорода в виде топлива на тепловых электростанциях, с последующим получением электроэнергии с помощью паротурбинных, газотурбинных или парогазовых технологий.
На малых электростанциях распределённой и автономной генерации, использующих ВИЭ в комплексе с системами водородного аккумулирования, для этих целей наиболее удобными являются электростанции на базе газопоршневых двигателей на водородном топливе.
Газопоршневые двигатели на природном газе, а также на водородосодержащих горючих газах (доменный, коксовый), широко используются в качестве привода в электроагрегатах с единичной электрической мощностью до 5 МВт. Накоплен большой опыт их эксплуатации. Газопоршневой электроагрегат (ГПА) и его двигатель, использующий в качестве топлива чистый водород, будет отличаться по конструкции, эксплуатационным режимам, экономическим показателям от своих аналогов на природном газе.
Оценочные расчёты показывают, что на настоящее время в энергосистемах киловаттного класса водородный ГПА вполне конкурентоспособен по показателям эффективности с другими способами водородной электрогенерации. Согласно существующим оценкам, в перспективе, приведенная себестоимость электроэнергии от ГПА на водородном топливе практически не будет отличаться от аналогичных показателей для установок с топливными элементами [2]. Весьма эффективно, как показывают расчёты и финансово-­коммерческие оценки, использование водородных ГПА в энергокомплексах ВИЭ мегаваттного класса с водородным аккумулированием. В этом случае [3], расчётная средняя себестоимость отпускаемой потребителю электроэнергии при его совместной работе ГПА на водороде мощностью 10 МВт с комплексом ВИЭ может быть в несколько раз меньше по отношению к тарифам 2022 г.
До настоящего времени ни у нас в стране, ни за рубежом не созданы и серийно не выпускаются газопоршневые двигатели стационарного назначения, использующие чистый водород в качестве топлива. Ведущие мировые производители газопоршневых электроагрегатов и газовых двигателей – «Caterpillar» (США), «Jenbacher» (Австрия) и ряд других, интенсивно работают над этой проблемой. Немногочисленные зарубежные работы по использованию ГПА на водороде в уже действующих системах водородного аккумулирования посвящены, как правило, демонстрационным установкам [4].

Свой­ства водорода как моторного топлива

Водород по своим свой­ствам отличается от углеводородных моторных топлив. Теплота, выделяемая при сгорании 1 м3 водородно-­воздушной смеси на 10–15 % ниже, чем у природного газа или бензина, поэтому удельная мощность двигателей при переводе с углеводородного топлива на водород окажется меньше. Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси – отношение общего объёма газов после сгорания рабочей смеси к объёму рабочей смеси до сгорания, при сжигании водорода μ = 0,85, это меньше, чем при сжигании жидких топлив.
Свой­ства водорода и углеводородных видов моторного топлива для поршневых двигателей представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение теплофизических свой­ств водорода, пропана и бензина

Водородно-­воздушные смеси отличаются высокой скоростью горения, которая примерно в 3 раза выше по сравнению с бензиновым эквивалентом. При использовании «бедных» смесей высокая скорость горения водорода обеспечивает нормальную работу двигателя. Обеднение топливной смеси достигается путём увеличения коэффициента избытка воздуха, например, с 1 до 4–5.
Водородно-­воздушные смеси обладают широким диапазоном концентрационных пределов воспламенения. Весьма малое значение нижнего концентрационного предела воспламенения обеспечивает работу водородного двигателя на всех нагрузочных режимах в широком диапазоне составов смеси. Это позволяет сохранить или улучшить КПД двигателя на частичных нагрузках при использовании качественного регулирования.

Проблемы использования чистого водорода в газопоршневом двигателе

Как правило, значительная часть газопоршневых электроагрегатов малой мощности (до 1 МВт) оснащается газовыми двигателями, создаваемыми на базе быстроходных транспортных дизелей автотракторного типа. Известный научно-­технический опыт использования водорода в качестве топлива для ДВС, а также последние исследования и разработки показывают, что водород и водородосодержащие газы вполне совместимы с существующей базовой конструкцией поршневого ДВС.
Рядом зарубежных производителей производятся газопоршневые электроагрегаты, рассчитанные на использование газов с высоким содержанием водорода (генераторный, коксовый газы и т. п.). Немногочисленные отечественные производители ГПА так же сообщают о возможном использовании в их двигателях в качестве топлива водородосодержащих газов: синтез- и генераторного газов. Тем не менее, газопоршневые двигатели стационарного назначения, длительно использующие чистый водород в качестве основного топлива, до настоящего времени не созданы. Это связано как с трудностями организации процесса сгорания водорода в поршневом двигателе с искровым зажиганием, так и с особенностями взаимодействия водорода с конструкционными материалами.
В качестве основных проблем следует отметить вероятность возникновения детонации водородно-­воздушной смеси в камере сгорания, преждевременное самовоспламенение смеси на такте сжатия, «хлопки» от воспламенения водородно-­воздушной во впускном коллекторе, так называемое «внешнее водородное охрупчивание» конструкционных материалов, из которых изготавливается двигатель.
Явление детонации в ДВС на водороде и на углеводородных топливах имеют кардинальные отличия. На данный момент нет однозначного определения понятия детонации и детонационного сгорания в водородном двигателе и методов её фиксации. На возникновение детонации оказывают влияние состав водородно-­воздушной смеси и конструктивные особенности двигателя. Так, оценка по «стуку» в двигателе даёт результаты почти в два раза отличающиеся от оценки по амплитуде высокочастотных колебаний на линии сгорания индикаторной диаграммы [5]. В литературе приводятся различные данные по детонационной стойкости водорода (октановому числу по моторному методу – ОЧМ). Для водорода ОЧМ указывается от 45 до 70 и до 110 и выше при обеднении смеси [5, 6].
Опасность преждевременного воспламенения и связанные с ним т. н. «обратные вспышки» во впускном коллекторе водородосодержащей смеси в двигателях с внешним смесеобразованием является существенной проблемой, что недопустимо с точки зрения надежности и безопасности эксплуатации. В работе [7], посвященной исследованиям сгорания водорода в ДВС, сообщается о надежной корреляции между границей «хлопков» во впускном коллекторе и удельным количеством теплоты, подводимой при сгорании, на единицу массы рабочего тела. Отмечено, что газопоршневой (на базе бензинового) двигатель, переведенный на водородное топливо без значительной модернизации его конструкции, может нормально работать на водородно-­воздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха α не ниже значения 2, что приводит к 50 % потере мощности (в сравнении с показателями на природном газе). Эта потеря может быть скомпенсирована увеличением количества воздуха и, соответственно, водорода, поступающего в цилиндр путём увеличения давления наддува.
Наилучшие результаты даёт непосредственная подача водорода в камеру сгорания на такте сжатия. В этом случае полностью исключаются обратные вспышки во впускном тракте, поскольку во впускном коллекторе находится только воздух, а впрыскиваемый в цилиндр водород в процессе смешивания с воздухом интенсивно отводит тепло от нагретых деталей камеры сгорания. Реализация внутреннего смесеобразования и качественного регулирования мощности двигателя на водороде является достаточно сложной задачей и связана с созданием системы распределенного фазированного впрыскивания непосредственно в цилиндр газообразного водорода и её ключевого элемента – электронно управляемой водородной форсунки [7].
Проблемой создания ДВС на водороде является водородное охрупчивание металлов и сплавов, из которых выполнены детали двигателя, контактирующие с водородом, и представляет собой снижение прочности и пластичности металла из-за поглощенного водорода. Водородному охрупчиванию, в той или иной мере, подвержены сплавы железа, меди, алюминия, титана, никеля и др., то есть практически все конструкционные материалы. Это серьёзная проблема, решение которой не найдено. Об этом, в частности, свидетельствуют результаты исследований данного явления непосредственно в условиях эксплуатации газового двигателя на чистом водороде [8]. Зарубежные публикации по вопросам водородного охрупчивания в поршневых двигателях на водороде крайне малочисленны, а российские – отсутствуют.

Генератор энергии на топливных элементах
Источник: David Murphey / peopleofsaltchuk.com

Результаты исследований по созданию газопоршневых двигателей на водороде

Ведущие зарубежные производители газопоршневых двигателей и электроагрегатов сообщают на своих официальных сайтах об исследованиях и подготовке к производству генераторных установок, способных работать на топливе с 100 % содержанием водорода.
Так, «Caterpillar» (США) имеет большой опыт моделирования и экспериментальных исследований, особенно процессов горения и распространения пламени. Производитель имеет более чем 35‑летний опыт сжигания водородосодержащих промышленных газов и водорода в составе топливных смесей в генераторных установках. Выпускаемые в настоящее время двигатели могут работать на смесях природного газа с содержанием водорода от 5 до 10 %. Некоторые индивидуальные проекты имеют более 200 000 часов работы на смеси с содержанием водорода до 60 %. Ведутся исследования использования в поршневых двигателях топлива с 100 % содержанием водорода. Компания декларировала, что в ближайшее время начнутся продажи генераторных установок, способных работать на 100 % водороде.
Компания INNIO (в которую входит «Jenbacher» Австрия и «Waukesha» (США)) имеющая более чем 30‑летний опыт исследований и эксплуатации двигателей, работающих с водородосодержащими газовыми топливами, заявила, что газовые двигатели Jenbacher Type 4 с 2022 г. будут доступны как двигатели «Ready for H2» и способны работать на 100 % водороде. С 2022 г. все другие типы двигателей предлагаются как «готовые к работе с H2» с возможностью работы на трубопроводном природном газе с добавлением до 25 % (по объему) водорода.
Среди российских производителей только ЗАО «ПФК «Рыбинсккомплекс» (г. Рыбинск) и ООО «Производственная компания «Дизельные системы» (г. Ярославль) на своих сайтах декларируют возможность использования в ГПА водородосодержащих газов: синтез- и генераторный газы. Электроагрегаты названых производителей выполнены с использованием конвертированных на газ дизелей ЯМЗ. По сообщениям российских СМИ подразделение группы «ГАЗ» – «Силовые агрегаты» работает над созданием водородного двигателя для автобуса с обещанием представить опытные образцы в 2023 г. Сведения о производстве отечественных газопоршневых двигателей для электроагрегатов с возможностью работы на 100 %-ном водороде отсутствуют.
Все известные отечественные производители используют для комплектации выпускаемых ГПА газовую аппаратуру и регулирующую электронику только зарубежных специализированных производителей.
Современные немногочисленные отечественные публикации касаются, в основном, проблем использования водорода в транспортных двигателях (автомобили, тепловозы) [15–17], а работы последних лет затрагивают, в основном, общие вопросы использования водорода в качестве моторного топлива.
ОИВТ РАН – одна из немногих организаций, где на протяжении ряда последних лет ведутся расчётные и экспериментальные исследования особенностей использования водорода и водородосодержащих газов в качестве топлива газопоршневых двигателей электроагрегатов.
Для экспериментальных исследований процесса сгорания водорода и водородосодержащих топливных смесей в цилиндре двигателя в ОИВТ РАН создана экспериментальная установка на базе газопоршневой электростанции АГ‑75 электрической мощностью 75 кВт. Электростанция оснащена двигателем Г‑266, представляющим собой конвертированный на природный газ дизельный двигатель Д‑266.4 (изготовитель – ОАО “УКХ “ММЗ” г. Минск, Беларусь). Для обеспечения работы на водороде без нарушений процесса сгорания (вспышки смеси в системе впуска, детонация) в двигателе был выполнен ряд доработок, а именно – снижена температура системы охлаждения до 61–65 °C, устранено так называемое «перекрытие клапанов» путем регулировки зазоров в приводе клапанов механизма газораспределения. Впуск водорода осуществлялся по отдельному газопроводу в впускной коллектор в зону впускного клапана. При продолжительной работе двигателя использовался состав смеси «водород – воздух» с коэффициентом избытка воздуха не менее, чем α = 2. Двигатель оснащен аппаратурой для индицирования рабочего процесса (датчики давления в цилиндре, момента зажигания и положения коленчатого вала) [19, 20].
В ходе выполненного комплекса исследований в ОИВТ РАН получены следующие результаты [19–23]:
Использование чистого водорода в качестве топлива газового двигателя с внешним смесеобразованием приводит к снижению его индикаторной мощности и КПД на ~ 30 % по сравнению с получаемыми на природном газе. В меньшей мере такое снижение отмечается и при использовании водородосодержащего синтез-газа. Компенсация потерь мощности возможна при установке системы турбонаддува и требует дополнительных исследований.
Индикаторный КПД на исследованных режимах слабо зависит от α и для смесей «водород – воздух» составляет 30–32 %. Для смеси «метан – воздух» – 48 %. Для смесей «водород – метан – воздух» КПД выше, чем для смесей «водород – воздух».
При использовании в качестве газового топлива синтез-газа (СО — 40 %, Н2–50 %, N2, СО2 и СН4 – остальное, в процентах указано объёмное содержание компонентов) индикаторные показатели эффективности (КПД, индикаторная мощность) выше, чем при использовании чистого водорода.
При использовании внешнего смесеобразования и работе двигателя на водороде обеспечивается качественное регулирование мощности за счёт изменения состава смеси.
За время проведения исследований специфических нарушений процесса сгорания, характерных для водорода, отмечено не было, что является подтверждением эффективности мероприятий по адаптации газового двигателя к использованию чистого водорода в качестве топлива.
Двумерное численное моделирование работы двигателя на водородосодержащем топливе подтвердило качественные зависимости показателей эффективности работы двигателя от состава смеси и опережения зажигания, в сравнении с полученными в эксперименте. Показано, что при одинаковом содержании водорода в смеси добавление метана приводит к более эффективной работе двигателя.
Создана математическая модель горения и развития интенсивных динамических процессов при сжигании чистого водорода в камере сгорания поршневого двигателя. В результате проведенного в работе анализа выделены три основных сценария развития горения водорода в камерах двигателей внутреннего сгорания: детонационное горение, дефлаграционное горение и режим быстрого горения с генерацией ударных волн. Последний сценарий представлен впервые и является базовым для описания нештатных режимов горения водорода в камере сгорания ДВС с искровым зажиганием [15].
Полученные результаты по рабочему процессу водородного газового двигателя вполне согласуются с данными исследований, выполненных зарубежными авторами [16–18].
Проблемы, связанные с водородным охрупчиванием и вопросы ресурса двигателя на водороде, в указанных работах ОИВТ РАН не затрагивались. Очевидно, что для создания промышленных образцов ГПА необходима разработка новых видов материалов, способных к длительной работе в водородной среде. Это должна быть совместная работа материаловедов и производителей двигателей.

Водородная заправка
Источник: MonaMakela / Depositphotos.com

Заключение

Создание отечественного газопоршневого двигателя, использующего в качестве топлива чистый водород, связано с рядом достаточно серьезных проблем. За рубежом (и в меньшей мере у нас в стране) ведутся интенсивные работы по созданию газовых двигателей, способных длительно работать на топливе со 100 %-ным содержанием водорода. Получены определённые положительные результаты в данном направлении. В некоторых случаях (как правило, при использовании в качестве топлива водородосодержащих газовых смесей) достаточно небольшого объёма доработок традиционного газопоршневого двигателя, работающего на природном газе. Видимо, главной трудностью создания газопоршневых двигателей на водороде является процесс водородного охрупчивания. Решение проблемы водородного охрупчивания требует разработки новых видов материалов, способных к длительной работе в условиях двигателя в водородной среде, с привлечением к исследованиям соответствующих специализированных организаций.
Помимо названных выше, вполне решаемых технических проблем по созданию водородного газопоршневого двигателя, существует ряд вопросов (начиная от неопределенности водородной повестки в нашей стране и заканчивая сегодняшним состоянием российской двигателестроительной отрасли), которые могут создать впечатление, что острой необходимости в нашей стране в таком двигателе нет. Согласно последним документам Правительства РФ, касающимся водородной энергетики и малоуглеродного развития РФ, основным показателем решения задачи водородной энергетики назван экспорт водорода, причем данные по перспективам спроса водорода, в том числе и в России, пока неясны, а сам глобальный рынок водорода отсутствует [19].
С другой стороны, в упомянутых постановлениях правительства в составе стратегических инициатив и ключевых мер для решения задач развития водородной энергетики в Российской Федерации указана необходимость создания научно-­технологической инфраструктуры для разработки и внедрения отечественных технологий водородной энергетики, в том числе и водородного аккумулирования в системах генерации с ВИЭ.
В России, в связи с ускоренным развитием отдаленных районов страны, не имеющих централизованного энергоснабжения, расширяется использование ВЭС и СЭС. В таких регионах технология водородного аккумулирования электроэнергии с использованием ГПА на водородном топливе является одним из немногих и, как показывают оценочные расчёты, экономически оправданных способов обеспечить бесперебойное энергоснабжение потребителей.
Нам действительно необходимо создание отечественных двигателей, и газопоршневых электроагрегатов, работающих на 100 %-ном водороде, в существенной мере определяющих эффективность использования ВИЭ. Для успешного решения задачи в сроки, обозначенные постановлениями Правительства РФ, уже сейчас требуется серьезная государственная поддержка, значительные инвестиции и организационная подготовка работ по созданию и внедрению отечественных технологий водородной энергетики, в том числе и одного из ключевых элементов системы водородного аккумулирования – отечественного газопоршневого электроагрегата на водородном топливе.