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.
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.
