Перспективы использования топливных элементов в качестве первичных источников энергии для автомобильного транспорта

Привычное качество современной жизни немыслимо без использования автомобильного транспорта. Подавляющее большинство используемого транспорта оборудовано двигателями внутреннего сгорания (ДВС), выполняющие функцию преобразования химической энергии углеводородов, полученных при переработке нефти или природного газа в механическую работу. Ориентировочно 35% углеводородов, добываемых в мире, находят применение именно в качестве топлива для ДВС.

Действительно, мировой объем потребления нефти увеличился и в настоящее время составляет около 100 млн. тонн в сутки, а к концу 2019 года может уже превысить 101 млн. и даже 105 млн. тонн в сутки [1 ,2] , что неукоснительно ведет разработке новых, и, следовательно, истощению используемых месторождений. Применение методов добычи сланцевых месторождений ведет к экологическим катастрофам. Буквально в конце прошлого года эксперты заявили, что запасов углеводородов, которыми питается наша «сырьевая» экономика, хватит буквально на 7-8 лет при таких темпах выработки. Если не будут разработаны новые или уже имеющие месторождения, которые, к сожалению, в условиях ужесточения международных санкций использовать без необходимых современных технологий добычи будет невозможно, без материальных и людских вложений, то все эти факторы приведут к новому витку энергетического кризиса.

Продолжение практики сжигания запасов углеводородов для использования как топлива, выработки энергии на прежнем высоком и «бешеном» темпе, приведет к уменьшению источников добычи сырья. Произойдет неминуемое увеличение цен, которые всё равно будет в середине XXI века, в конечном счете, неизбежно приведут к необходимости увеличить эти запасы или производить заменитель углеводородов синтетическим путем. Однако стоит отметить, что синтетический бензин или синтетические заменители нефтепродуктов окажутся очень дорогостоящими. Стоимость барреля нефти марки Brent колеблется от 50-65 долларов США[4] в зависимости от интересов спроса на мировом рынке, и вряд ли процесс получения синтетического топлива обойдется производителю такими низкими затратами. К сожалению, нам придется смириться с более высокими ценами на сырье, которые вырастут не в результате правительственной экономической политики, а под влиянием рыночных процессов, которые в демократических странах практически не контролируются.[3с.21] Причем печальный опыт производства синтезированного топлива имелся быть в нашей истории, в Германии 30-40 гг. прошлого века, который особого результата не дал.

В будущем развитии автотранспорта, и возможно автомобилестроения страны, придется (и уже требуется) искать новые подходы, основанные на использовании возобновляемого сырья. В частности уже сейчас ведутся работы для способов получения биотоплива, прежде всего ферментативными превращением в этанол сельскохозяйственных продуктов. Принимая во внимание, что этанол можно использовать как присадку к бензину или даже в качестве топлива, учитывая огромные количества потребляемого моторного топлива, приходится признать, что этанол в качестве топлива подойдет лишь некоторым странам, да и то в особых случаях. Описаны и другие разновидности нефтяных продуктов, которые можно использовать как заменителями топлива, хотя их роль в производстве энергии ничтожна.

Имеется информация о готовых прототипах и выпусках серийных электромобилей, которые сейчас развиваются стремительным темпом. Но, энергию для их эксплуатации необходимо получать при сжигании тех же самых углеводородов или использования атомной энергетики, что пагубно отражается на экологии планеты.

Использование и усовершенствование гибридных автомобилей, при эксплуатации в условиях нашей страны, к успеху не привели. Мировые производители, например Toyota или Honda, ограничиваются мелкосерийным выпуском автомобилей с гибридной энергоустановкой, а именно использование всё тех двигателей внутреннего сгорания малой мощности для вырабатывания энергии для электродвигателя, в условиях нашей страны показали себя не с лучшей стороны, особенно в области электроники. Батареи не выдерживают наших климатических условий, электропроводка разрушается от дешевых реагентов, используемых в зимний период, эксплуатация только на одном двигателе нерентабельна – низкая мощность ДВС при достаточном объеме, следовательно, увеличение расхода топлива.

Из вышесказанного предлагается совершенно инновационная для нашей страны концепция метанольной экономики, которая рассматривает возможные подходы, направленные на то, чтобы уменьшить и, в конечном счете, победить зависимость человечества от дефицита природных ископаемых. Необходимо также смягчить последствия глобального потепления, вызванного интенсивными процессами сгорания углеводородов до углекислого газа. В основу этой концепции положены процессы эффективного прямого превращения природного газа, запасы которого все еще значительны, в метанол или этиловый эфир. Рассматривается возможность получения этих соединений путем химической переработки CO2, содержащегося в отходящих газах тепловых электростанций, которые работают на ископаемом топливе, и в других промышленных отходах.[3, с.21] В конечном счете, используя каталитические или электрохимические методы, можно найти способ пути использования даже атмосферного диоксида углерода. Несомненно, метанол, что и диметиловый эфир сами по себе являются высококачественными моторными топливами для ДВС, но исходя из сказанного мы не будем рассматривать в принципе использования какого -либо топлива, тем более в принципе самого ДВС, как преобразователя энергии в движение автомобиля.

Метанол зарекомендовал себя в качестве энергоносителя в протонообменных мембранных топливных элементах (ПМТЭ), поскольку при взаимодействии метанола с атмосферным кислородом возникает электрический ток. Прямой метаноловый топливный элемент (ПМТЭ) -это современный топливный элемент, на основе работы протонообменной мембраны с катализатором, в котором топливо, а именно метанол в жидком состоянии, предварительно не разлагается с выделением водорода, а напрямую используется, как источник получения энергии. Поскольку метанол поступает в топливный элемент напрямую, каталитическое разложение не требуется. Хранить метанол гораздо проще, чем водород, поскольку нет необходимости поддерживать высокое давление, так как метанол при атмосферном давлении является жидкостью. Энергетическая ёмкость (количество энергии в данном объеме) у метанола выше, чем в таком же объеме сильно сжатого водорода. Например, современные баллоны высокого давления, позволяющие хранить водород при 800 атм., содержат 5-7 % масс. водорода по отношению к общей массе баллона. При подсчете такого "водородного" эквивалента для метанола получается 13%. Такая энергоёмкость является максимальной из всех известных систем хранения топлива для топливных элементов. Топливные элементы представляют собой удобный, эффективный источник электроэнергии. [3, с.233,241]

Одним из наиболее эффективных методов получения электроэнергии непосредственно из топлива является использование топливных элементов путем каталитического электрохимического окисления, прежде всего водорода. Таким образом, топливный элемент представляет собой устройство, которое предназначено для прямого превращения свободной химической энергии топлива непосредственно в электрическую энергию. Сам по себе процесс протекает чисто, поскольку единственным побочным эффектом реакции является вода. Тем не менее, использование топливных ячеек постепенно находит применение в статических установках, которые использовались в космических аппаратах. [5, с.17]

Сам принцип концепции применения на автомобильном транспорте состоит в том, что на автомобиле легкового сегмента убирается ДВС вместе с трансмиссией привычного типа и устанавливается установка, состоящая из блоков ПМТЭ, электростатической трансмиссии и остальных потребителей. Установка, в совокупности суммы преобразовавшейся в ней энергии, должна выдавать ту мощность, которая необходима для начала движения автомобиля, энергопотребителям (световое освещение, система климат-контроля, электропакет, усилитель рулевого управления, трансмиссия и тормозная система). Ни для кого не секрет что номинальная мощность (либо индикаторная) указанная в паспорте автомобиля достигается только при определенных показателях двигателя, и не всегда постоянно используется при движении автомобиля. Например, современный стандартный бюджетный автомобиль B+класса CHEVROLET AVEO T300 при объеме ДВС 1598 см3 имеет мощность 85 кВт/115 л.с. (116 л.с. в зависимости от программного обеспечения) при 6000 об/мин и 155 Н·м крутящего момента при 4000 об/мин двигателя. Поверьте, что в обычном городском режиме, и даже при движении на трассе, мы редко используем такие обороты и показатели мощности и крутящего момента, т.к. они могут при длительном движении пагубно повлиять на ресурс и надежность двигателя. Самое интересное в этих показателях является КПД ДВС и для данного автомобиля 21.7 %.

Разумеется, КПД легкового автомобиля с ПМТЭ, безусловно, будет на порядок выше.

Для преобразования и конверсии энергии, полученной при работе установки или при торможении (вырабатывании энергии за счет сил инерции) будут использоваться суперкондесаторы. Принцип их основам на мгновенном накапливании, так же и отдаче энергии на управляющие электродвигатели, например, при резком ускорении (выполнение обгона, предотвращение ДТП и пр.).

Таким образом, установка на ПМТЭ в автомобильном транспорте может показать высокую эффективность использования, экологичность, огромный по сравнению с бензиновыми двигателями и даже с дизельными КПД, безопасность на достаточном уровне, конкурентную себестоимость использования при снижении стоимости на оборудование, грандиозность исполнения и современность потенциала развития в будущее и не только в автомобильном транспорте, но и в сферах народного хозяйства.

ФОРУМ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ №1(29)