В УрФУ предложили использовать метанол в электромобилях — Naked Science
15 июля
УрФУ

В УрФУ предложили использовать метанол в электромобилях

4.5

Профессоры Уральского энергетического института УрФУ Сергей Щеклеин и Алексей Дубинин разработали технологию получения энергии с помощью метанола для двигателя электромобиля. Разработка получила зарубежное признание, а еще экономична, безопасна, экологична и энергоэффективна.

В УрФУ предложили использовать метанол в электромобилях / ©Getty images

Статью с описанием технологии опубликовал журнал International Journal of Hydrogen Energy. «Мы заливаем метанол в топливный бак. Воздушный конвертер, который перерабатывает метанол в газовую смесь, устанавливаем непосредственно внутрь транспортного средства. Смесь или синтез-газ, состоящий из водорода и оксида углерода, образуется в небольшом объеме, который необходим для текущей работы двигателя электромобиля», – объясняет суть процесса заведующий кафедрой атомных станций и возобновляемых источников энергии УрФУ Сергей Щеклеин.

Синтез-газ подается в электрохимический генератор на основе твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ). Водород окисляется в аноде ТОТЭ, энергия этой химической реакции преобразуется в электрическую. А оксид углерода поступает в отдельную камеру сгорания, где окисляется воздухом с выделением тепловой энергии. Тепловая энергия идет на испарение метанола и нагревание катализатора, участвующего в процессе конвертации метанола в газовую смесь. Выбросы остаточной двуокиси углерода незначительны.

Метанол — невзрывоопасное вещество, простейший спирт, его производство незатратно: метанол можно получить из любых органических ресурсов, включая биомассу растений и твердые бытовые отходы. При этом электрический КПД энергетической установки с ТОТЭ — более 42 процентов, это соответствует уровню лучших перспективных двигателей внутреннего сгорания. Для сравнения: КПД, то есть эффективность преобразования энергии жидких и газообразных топлив в механическую энергию, у дизельных двигателей — 25 процентов, у бензиновых — около 20.

Сергей Щеклеин у стенда, в котором циркулируют газы, жидкости при разных давлениях. Циркуляционный стенд используется в том числе для исследования процессов при получении промежуточных энергоносителей, в том числе метанола / ©Илья Сафаров / Пресс-служба УрФУ

Идея использовать метанол пришла Сергею Щеклеину и Алексею Дубинину в результате проведения более чем 220 экспериментов. Ученые пытались получить синтез-газ из различных природных углеводородных топлив: каменного угля, газа, нефтепродуктов. Разработка с использованием метанола оказалась технологически простой, с минимальными энергозатратами и потерями энергии, высоким КПД.

«Другими словами, на выработку единицы энергии требуется меньше топлива и окислителя, в сравнении с существующими двигателями внутреннего сгорания. Следовательно, потребляется меньше воздуха из атмосферы, образуется существенно меньше продуктов сгорания, таких как углекислый газ и жизненно опасная двуокись азота», — комментирует Сергей Щеклеин.

Кроме того, метанол подходит для еще одной задачи, которую решают ученые УрФУ, — использовать ядерные источники энергии для выработки «сырья» для ТОТЭ. Преобразование углеводородных топлив в газовые смеси требует высоких температур, которых современные легководные ядерные реакторы обеспечить не могут, их термодинамический потенциал почти вдвое меньше.

В то же время получение метанола из метана с использованием современных ядерных реакторов (типа реакторов на быстрых нейтронах) не только возможно, но и наиболее энергетически эффективный способ. Технология переработки метанола, которую предложили Сергей Щеклеин и Алексей Дубинин, также пригодна для энергетической и металлургической промышленности. Результаты исследования — часть пятилетнего проекта «Термодинамический анализ использования водорода для металлургических и энергетических предприятий», который ученые выполняют по госзаданию Министерства науки и высшего образования РФ.

По оценкам ученых, при современном уровне потребления нефти и газа этих источников энергии человечеству хватит на ближайшие 60 лет. При этом разработка новых месторождений ископаемого топлива ведет к деградации территорий добычи, в том числе арктических, к таянию вечной мерзлоты и высвобождению колоссальных объемов метана. Это усиливает парниковый эффект и разрушение озонового слоя. Проблема еще и в том, что выбросы продуктов сгорания углеводородного топлива приводят к загрязнению окружающей среды.

Один из альтернативных методов производства электроэнергии — использование твердооксидных топливных элементов, ТОТЭ. ТОТЭ — экологичные устройства с высоким, до 70 процентов и выше, КПД, в которых химическая энергия преобразуется в электрическую. Твердооксидные топливные элементы работают на водородном топливе. Водород — наиболее распространенный элемент, его запасы неисчерпаемы, он экологичен.

Использование водорода совместно с электрохимическими генераторами тока открывает большие перспективы создания электрического транспорта, повышения энергетической эффективности и экологической безопасности транспортных средств любого масштаба. Выбросы вредных веществ в этом случае либо имеют нулевые значения, либо меньше в десятки и сотни раз.

Однако получить чистый водород достаточно сложно, так как он легко вступает в химические реакции. Кроме того, водород характеризуется высокой текучестью, большим удельным объемом в газовой форме, большой потенциальной взрывоопасностью и требует сложных технологий для хранения и транспортировки. Вместе с тем существующие методы получения водорода отличаются энергоемкостью и требуют больших объемов электрической энергии.

Ее традиционный источник — электростанции, которые работают на угле, газе, нефти. Таким образом, выгоды использования водорода значительно нивелируются, и широкомасштабное применение водородных технологий на транспорте пока невозможно. Однако перспективы использования водорода для получения атомной и гидравлической энергии, всех видов возобновляемых источников энергии имеют возможность устранить эти недостатки и реализовать все преимущества водородного топлива уже в ХХI веке.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Уральский федеральный университет (УрФУ) расположен в Екатеринбурге, выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ). В УрФУ обучается более 36 000 студентов по 334 образовательным программам. Основан 19 октября 1920 года.
9 часов назад
Александр Березин

СМИ всего мира принялись рассказывать, что новые штаммы возникли из-за ослабления ограничений, снятия масок, а то и под воздействием вакцин. Якобы те оказали эволюционное давление, заставляющее вирус обходить вакцинную защиту. Увы, реальная биология указывает на совсем иную — и более устрашающую — картину. Разбираемся в деталях.

30 июля
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

31 июля
Василий Парфенов

Изучение загадочной короны черной дыры, образованной рентгеновским излучением, преподнесло интересное открытие. Космические телескопы XMM-Newton и NuSTAR смогли «увидеть» свет, отраженный веществом сразу позади невероятно массивного объекта. И хотя это очередной раз подтверждает общую теорию относительности, про основной объект исследований ученые почти не получили новых данных.

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

28 июля
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: