Метанол как топливо
Производители автомобилей давно интересуются метанолом как топливом для топливных элементов. Согласно этому сценарию, автомобили с метанольными топливными элементами могли бы быть переходными автомобилями в течение десятка или более лет, до тех пор, пока не будет создана сеть распределения чистого водорода. Скептики обращают внимание на то, необходимы большие капиталловложения для создания на заправочных станциях емкостей с метанолом и соответствующих колонок, а их оппоненты утверждают, что также, как и при обеспечении дизельным топливом, потребуется не более одной из десяти колонок, которая способна обеспечивать автомобили метанолом.
В настоящее время отсутствует инфрастуктура централизованного обеспечения метанола как в области производства, так и на заправочных станциях. Фирма DaimlerChrysler считает, что для того, чтобы создать на трети заправочных станций в Калифорнии, Нью-Йорке и Массачузете колонки с метанолом, необходимо вложить не менее 400млн долларов. Считают, что один комплект оборудования для заправки метанолом на заправочной станции будет стоить 40000-60000 долларов. Кто должен оплатить эти расходы? Даже если в качестве топлива для топливных элементов будет использоваться бензин с последующим бортовым риформингом, бензин должен быть другим (он должен иметь намного меньшее содержание серы), поэтому на заправочных станциях придется устанавливать дополнительные емкости с малосернистым бензином. Затраты на установку этих емкостей и заправочное оборудование оцениваются примерно в 20000-30000$ для каждой заправочной станции. Учитывая это, затраты на оборудование для заправки метанолом не кажутся такими большими.
В ноябре крупнейший производитель и продавщик метанола Methanex Corp. заключил стратегическое соглашение с Mitsubishi Corp. и Mitsui & Co. Ltd. для обеспечения метанолом потребностей японских автотранспортных средств, использующих топливные элементы. Участники соглашения будут сотрудничать с государственными и негосударственными учреждениями и службами для создания условий для реализации демонстрационных программ по использованию в автомобильном транспорте метанольных топливных элементов. Они также будут работать с японской автомобильной промышленностью в направлении создания требований к топливу и обеспечения заправочных станций метанолом с требуемыми качествами и в требуемых количествах . Кроме того, члены альянса будут работать с потенциальными японскими торговцами метанолом в плане коммерческой целесообразности и эффективности.
В настоящее время метанол производится промышленным образом из природного газа, который пока широко доступен и иногда просто сжигается как экономически нецелесообразный побочный продукт на нефтяных месторождениях. Заслуживают внимания такие возобновляемые источники, как биомасса, в качестве источника для получения водорода.
Некоторые типы топливных элементов могут успешно работать на метаноле вместо водорода. DaimlerChrysler, например, работает над протонно-обменным мембранным топливным элементом, который непосредственно использует метанол в качестве топлива. Фирма продемонстрировала его на небольшом карте, приводимом в движение электромотором мощностью 3 кВт. В этом топливном элементе вместо газообразного водорода используется водометанольная смесь. Возле анода метанол разлагается на водород и углерод, а вода разлагается на водород и кислород. Водород проходит через мембрану топливного элемента к катоду, а углерод образует с кислородом двуокись углерода и удаляется из зоны анода. Эта технология пока находится на лабораторном уровне и потребуется несколько лет для ее доработки до приемлемого уровня.
Значительные усилия исследователей прилагаются к разработке процесса риформинга метанола на борту, поскольку метанол не содержит серы (не будет отравления топливного элемента серой) и процесс риформинга протекает при сравнительно умеренной температуре (300 градусов Цельсия). Однако процесс преобразования метанола в водород пока представляет сложный процесс, протекающий в несколько стадий, для каждой из которых характерна определенная температура.
Метанольный процессор, использованный фирмой DaimlerChrysler в новом автомобилеСommander-2 Sport, реализует концепцию производства количества водорода, достаточного для пробега автомобилем 200км (125 mile) без дозаправки. Этот пробег ограничивается главным образом небольшой емкостью метанольного бака, которая, в свою очередь, определяется большим объемом риформера метанола и двух батарей топливных элементов Mark-700. Для разогрева топливного процессора требуется около 30 минут, что неприемлемо для современных автовладельцев. Этот период времени требуется для разогрева пара в установке (паровая конверсия метанола), с помощью которого производится разложение метанола.
Фирма XCELLSiS разрабатывает следующее поколение топливных процессоров, в которых вместо пара используется катализатор для получения водорода из метанола. Эти метанольные топливные процессоры обеспечивают не только меньшее время прогрева и лучшую динамику, но и меньшие габариты и массу по сравнению с топливным процессором, использованном на автомобиле Commander-2 Sport.
Dозникают и другие проблемы на пути использования метанола как товара, по крайней мере, в США. Противники применения метанола утверждают, что это направление – ошибочное. Кроме проблем в сфере распределения, многие обращают внимание на высокую токсичность метанола – не только при попадании внутрь организма. При попадании метанола на кожу могут возникнуть проблемы со здоровьем. Современные стандарты, регулирующие безопасность работы с метанолом, требуют применения перчаток. А поскольку метанол прекрасно растворяется в воде, он представляет опасность для водоиспользования. Однако сторонники использования метанола возражают, что метанол не токсичнее бензина.
Риформинг бензина
Если на автомобилях применить получение водорода из бензина на борту, то переход к автомобилям с силовыми установками на основе топливных элементов будет более простым, поскольку существующая инфраструктура потребует меньших капиталовложений на адаптацию. Но процесс получения водорода на борту из бензина более сложный, чем разложение метанола. Процесс регенерации бензина протекает при более высоких температурах (850-1000 град. С), что увеличивает время подготовки установки к пуску. И несмотря на то, что на химических заводах крекинг процесс хорошо отработан, перенос его в подкапотное пространство связан с большими трудностями. Кроме того, еще одной нерешенной проблемой является предотвращение отравления катализатора в топливных элементах серой, присутствующей в бензине.
Кроме работы над применением метанола, фирма XCELLSiS вместе с Shell Oil работает над совершенствованием технологии риформинга бензина. Однако это более сложная технология, которая реализуется при высоких температурах. А для этого необходимо применять соответствующие материалы. Вследствие высоких рабочих температур DaimlerChrysler не работает над проектами создания бортовых твердооксидных топливных элементов или топливных элементов с расплавленным карбонатом.
Риформинг бензина происходит в результате каталитической реакции, осуществляемой в несколько этапов, для каждого из которых необходимо выдерживать точно критические температуры. Кроме того, в конце реакции получается окись углерода, что означает смерть для топливного элемента.
Несмотря на технологические трудности, фирмы GM и Exxon Mobil недавно объявили о совместной разработке перспективной технологии бензинового топливного процессора. Производители автомобилей считают, что поскольку водород в будущем будет основным топливом, технологии бензиновых процессоров смогут облегчить переход автомобилей и грузовиков на топливные элементы. Специалисты GM, объясняя свое прохладное отношение к применению метанола в качестве топлива, говорят, что если конечным видом топлива для топливных элементов является водород, то зачем тратить время и огромные средства на создание инфрастуктуры обеспечения метанолом и не лучше ли использовать существующую инфрастуктуру снабжения автомобилей бензином?. Применение метанола требует решения вопросов из сферы экономики, усилий по обеспечению природным газом, обеспечению безопасной эксплуатации с учетом токсичности метанола. Кроме того, следует учитывать, что метанол обладает вдвое меньшей теплотворной способностью, чем бензин.
Поэтому GM активно работает над технологией бортового риформинга бензина (бензинового топливного процессора), ставя своей конечной целью создание топливного процессора с 80% эффективностью. Для этой цели создана демонстрационная экспериментальная установка первого поколения, на которой фирма изучала фундаментальные основы процесса преобразования бензина в водород.
Установка бензинового риформинга второго поколения фирмы GM, использующая новую эффективную каталитическую технологию, имеет 760 мм в длину, 460 мм в высоту и 200 мм в ширину (в два раза меньшие размеры, чем у предыдущей установки первого поколения). Инженеры обратили серьезное внимание на решение неприятной проблемы - как предотвратить от разрушения вследствие вибраций, возникающих при движении автомобиля. Катализатор находится в устройстве сотовой конструкции, которое неподвижно и предотвращает катализатор от разрушения. Это устройство подвергалось испытаниям в течение 1000 часов (около 20% времени, необходимого для работы на борту автомобиля). Разрушений катализатора не обнаружено. Это дало основание фирме приступить к адаптации этого нового каталитического процесса в новой установке с топливными элементами мощностью 25 кВт. После этого фирма намеревается уменьшить размеры установки, понизить время подготовки установки к работе, а также повысить КПД и уменьшить стоимость установки. Новые катализаторы будут использованы в топливном процессоре нового поколения, который будет установлен на пикапе Shevrolet S-10 и продемонстрирован фирмой GM в 2002 году. Темп прогресса в развитии технологии риформинга бензина впечатляющ и дает основания с оптимизмом смотреть в будущее.