Профессоры Уральского энергетического института УрФУ Сергей Щеклеин и Алексей Дубинин разработали технологию получения энергии с помощью метанола для двигателя электромобиля. Разработка получила зарубежное признание. Статью с описанием технологии опубликовал журнал International Journal of Hydrogen Energy. О работе сообщает пресс-релиз, который поступил в распоряжение Центра компетенций. Нужно отметить, что опубликованная статья представляет собой результат моделирования, а не создания экспериментальной модели двигательной установки.
«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%, 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% (впрочем, в релизе не говорится о КПД водородных топливных элементов).
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 является наиболее энергетически эффективным способом.
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.