Ученые предложили использовать метанол в выработке энергии для электромобилей

11:04, 15 июля 2021

Разработанная технология экономична, безопасна, экологична и энергоэффективна

Сергей Щеклеин у стенда, в котором циркулируют газы, жидкости при разных давлениях. Фото: Илья Сафаров.

Профессоры Уральского энергетического института УрФУ Сергей Щеклеин и Алексей Дубинин разработали технологию получения энергии для двигателя электромобиля с помощью метанола. Разработка получила зарубежное признание. Статья с описанием технологии опубликована в International Journal of Hydrogen Energy.

«Мы заливаем метанол в топливный бак, а воздушный конвертер, который перерабатывает метанол в газовую смесь (синтез-газ), состоящий из водорода и оксида углерода, устанавливаем внутрь транспортного средства. Синтез-газ образуется в небольшом объеме, который необходим для текущей работы двигателя электромобиля. 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. Она идет на испарение метанола и нагревание катализатора, участвующего в процессе конвертации метанола в газовую смесь. Выбросы остаточной двуокиси углерода незначительны», — описывает суть процесса заведующий кафедрой атомных станций и возобновляемых источников энергии УрФУ Сергей Щеклеин.

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%, 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%, у бензиновых — около 20%.

Идея об использовании метанола пришла Сергею Щеклеину и Алексею Дубинину в результате анализа более чем 220 экспериментов по получению синтез-газа из различных природных углеводородных топлив — каменного угля, газа, нефтепродуктов. Преимущества этой разработки — технологическая простота, минимальные энергозатраты и потери энергии, высокий КПД.

«Другими словами, на выработку единицы энергии требуется меньше топлива и окислителя (кислорода воздуха). 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 больше подходит для еще одной задачи, которую решают ученые УрФУ, — использовать в выработке «сырья» для ТОТЭ ядерные источники энергии. 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 на быстрых нейтронах не только возможно, но и является наиболее энергетически эффективным способом.

Технология переработки метанола, которую предложили Сергей Щеклеин и Алексей Дубинин, также пригодна для использования в энергетической и металлургической промышленности. Данная работа является частью пятилетнего проекта «Термодинамический анализ использования водорода для металлургических и энергетических предприятий», выполнявшегося по госзаданию Министерства науки и высшего образования РФ.

Справка

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% и выше, КПД, в которых энергия химической реакции окисления топлива непосредственно преобразуется в электроэнергию.

В общем случае 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 производства 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.