Топливо будущего: в поисках альтернативы

Топливо будущего: в поисках альтернативы

В европейской энергосистеме
растет доля электричества, полученного из возобновляемых источников энергии

Содержание статьи

  • 1 Природный газ
  • 2 Топливные элементы
  • 3 Считаем КПД
  • 4 Проточная батарея
  • 5 nanoFlowcell

К экологически чистому транспорту есть за что придраться и не касаясь проблемы источников энергии. Но именно этот вопрос – больной для автопроизводителей.
На простых аккумуляторах далеко не уехать, причем во всех смыслах. Но где еще можно брать энергию для машин?

Мечты о повсеместной электрификации транспорта до сих пор сдерживает проблема с ресурсами. Так, намерение компании Tesla ежегодно выпускать 500 000 автомобилей потребует производства для каждого из них аккумуляторов емкостью по меньшей мере 60 кВт·ч, что означает огромное увеличение потребности в литии.

Литий – один из довольно часто встречающихся в земной коре элементов, но его добыча в промышленных масштабах экономически целесообразна только в солевых озерах. И разведанных запасов лития будет недостаточно для того, чтобы полностью электрифицировать всемирный парк легковых и грузовых автомобилей.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

В городе Верльте (Германия) компания Audi построила пилотную установку в промышленном масштабе

С потребительской стороны тоже есть вопросы. Если вы отправитесь в путешествие на обычной машине, у вас будет поддержка со стороны закусочных с бензоколонками и просто заправочных станций. При этом сегодня обычные автомобили могут пополнить запасы топлива всего за пять минут.

А вот Supercharger от Tesla для восполнения 80% энергетических запасов аккумулятора потребуется 45 минут. И даже в случае с самой мощной зарядной техникой (например, у Porsche заявлены 800 В и до 350 кВт) электрокару надо по меньшей мере 15 минут. Если бы во время отпускных поездок все автомобили каждые 500 км должны были заряжаться так долго, движение на дорогах могло бы просто замереть.

Одновременно в европейской энергосистеме растет доля электричест­ва, полученного из возобновляемых источников энергии. И все чаще солнечная и ветряная энергии то не могут быть получены совсем, то вырабатываются в избыточном количестве. Электромобили могли бы стать свое­образным буфером для такой энергии, но для этого им нужны аккумуляторы большего размера.

Неужели миссия сделать мир CO2-нейтральным к 2050 году обречена на провал? Да, если нынешний способ обеспечения электрокаров энергией из «ископаемых» источников безальтернативен. Но три предприятия дают свой ответ: это не так.

Природный газ

Volkswagen AG уже давно работает над технологией, которая могла бы внести значимый вклад в дело сокращения выбросов CO2: ветряные генераторы и фотовольтаика – источники энергии, от которых питаются модели Audi с шильдиком g-tron.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Модели g-tron от компании Audi с двигателями внутреннего сгорания заправляются природным газом (CNG-газом, метаном)

Audi g-tron используют обычные двигатели внутреннего сгорания, но они работают на природном газе – метане. То, что это в принципе возможно, не открытие: электрическая энергия сначала берется для процесса гидролиза, во время которого вода расщепляется на кислород и водород. Водород отделяется в специальный «танкер» автомобиля. Система Audi наглядно демонстрирует, что этот вид «электрогазификации» возможно применять в промышленных масштабах.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ  Топ-10 концепт-каров в стиле ретро

Топливные элементы

У Audi есть и способные двигаться на водороде прототипы с шильдиком h-tron, а у Honda, Hyundai и Toyota уже есть целые тестовые автопарки с тысячами автомобилей, работающих на топливных элементах (ТЭ). Но в ближайшее время ТЭ массовыми стать не смогут: производственные расходы очень высоки и предпосылок для прорыва в этом направлении не видно. В установке Audi выполняется следующий шаг: с помощью двуокиси углерода водород превращается в метан.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Энергоэффективность повышается с топливными элементами, превращающими в энергию водород, как в концепте Audi h-tron

Процесс превращения энергозатратен, но зато для автомобилей, работающих на метане, есть простая в эксплуатации инфраструктура: сеть станций для заправки природным газом. К сети заправок природным газом в Европе относятся также CNG-заправки (CNG – Compressed Natural Gas, то есть сжатый природный газ, не путать со сжиженным углеводородным газом LPG, то есть пропан-бутаном).

Считаем КПД

В Audi говорят, что потребление газа g-tron-автопарком полностью покрывается выработкой установки, находящейся в Верльте, Нижняя Саксония. Фактически эти модели Audi при езде остаются CO2-нейтральными. При этом о реальных затратах на производство «электрогаза» Audi ничего не сообщает. А речь здесь может идти о многократном превышении стоимости обычного природного газа.

Энергобаланс представленного компанией Audi процесса на первый взгляд кажется катастрофичным: при производстве водорода посредством гидролиза КПД составляет примерно 75% и добрых 5% теряется на преобразовании в метан. Сгорание метана в моторе происходит с такой же эффективностью, как и в случае с обычным современным бензиновым двигателем: в среднем КПД составляет около 30%. Таким образом, от электрической энергии для приведения автомобиля в движение остается менее чем 20%.

По сравнению с электроприводом, использующим литийионный аккуму­лятор (от 60 до 70%), модели g-tron теряют очень много. А ведь газовому двигателю необходимы еще отведение и очистка выхлопных газов. Но при перепроизводстве энергии степень эффективности отходит на второй план – энергия получается как бы бесплатной. Кроме того, модель газификации можно адаптировать для водородных установок с топливными элементами, и тогда степень эффективности должна повыситься как минимум в два раза.

Проточная батарея

Совершенно другой подход к решению проблемы предлагает американское предприятие IFBattery. Стартовав в качестве исследовательской группы в Университете Пердью, Индиана, команда Джона Кушмана поставила перед собой цель сделать технологию проточных батарей пригодной для использования в автомобилях.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Проточные батареи работают с электролитами – жидкостями, которые хранятся в специальных емкостях. Резервуары могут быть легко перезаправлены

Проточные батареи уже используются в промышленности в качестве энергетических буферов. В ядре проточной батареи находится мембрана, с каждой стороны которой размещены растворы электролита. Ионный обмен между ними и приводит к выработке электроэнергии. Процесс можно обратить вспять, то есть при подаче напряжения на электроды ионы начнут двигаться в обратном направлении через мембрану, а электролит станет заряжаться. Принципиально электрохимический процесс обычного аккумулятора очень похож. Но проточные батареи интересны тем, что электроды и мембрана не «реагируют» на электролит. Емкость батареи зависит не от компонентов аккумулятора, а исключительно от пополнения электролита, который находится во внешних резервуарах. Это могут быть контейнеры размером даже с целое здание.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ  Свобода от провода. Какими будут дороги будущего?Топливо будущего: в поисках альтернативы

Институт Frauenhofer еще в 2009 году показал, как транспортное средство (модель) может передвигаться с помощью проточных батарей

Но для использования в мобильном виде плотность энергии в электролите получается слишком низкой: один литр может сохранять лишь около 80 Вт⋅ч. Для стандартного e-Golf (35 кВт⋅ч) потребуется резервуар объемом целых 440 л. При этом электролит, созданный на основе цинка и брома, токсичен и разъедает мембраны из органических материалов. Исследователи из IFBattery, по их собственным утверждениям, вместо ядовитых веществ для изготовления электролита смогли использовать «простые» виды сырья, а мембрану сделали из пористого материала, который не поддается коррозии, возникающей в результате электрохимического процесса. Кроме того, им удалось существенно увеличить энергетическую плотность электролита. Применительно к автомобилям они предлагают схему, в которой разряженный электролит на «заправочной» станции менялся бы на новый, заряженный.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

«Жидкие» батареи в качестве энергобуфера могут использоваться в индустриальных масштабах

При этом компания IFBattery обращает внимание на то, что для предлагаемого ею процесса достаточно просто использовать уже имеющуюся заправочную инфраструктуру: замена электролита может осуществляться на АЗС, а затем бензовозы могут доставлять его для перезарядки к ветряным генераторам или солнечным фотоэлектрическим установкам. Тем не менее инженеры хотят оставить и возможность подзарядки от обычной розетки. В этом случае преимущества традиционного «углеводородного» привода (дальность пробега и быстрая заправка) будут сочетаться с плюсами электротяги (никаких выбросов, домашняя зарядка).

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Джон Кушман показывает электролит, который повысит энергетическую плотность и долговечность проточных аккумуляторов

nanoFlowcell

Точный состав электролита – это большая тайна, причем не только у IFBattery, но и у швейцарского предприятия, которое называется nanoFlowcell. Компания предпринимателя Нунцио ла Веккья уже несколько лет мелькает на автомобильных выставках и показывает под брендом Quant нечто невероятное: раньше, например, это было транспортное средство, способное передвигаться исключительно на энергии, получаемой от встроенных сол­нечных батарей.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Quantino от компании nanoFlowcell из Швейцарии с помощью проточной батареи должен достигать запаса хода более чем в 1000 км

По заявлению производителя, в Quant-прототипы Quantino и Quant FE устанавливаются именно проточные батареи. В резервуарах этих автомобилей находится жидкость-электролит, называемая bi-ION, которая не только должна быть абсолютно нетоксичной, но и может быть изготовлена в большом количестве без серьезных затрат из доступного сырья. Показатели энергетической плотности такого электролита должны приближаться к отметке около 600 Вт⋅ч на литр. Это означает, что емкость самого большого аккумулятора автомобиля от компании Tesla (100 кВт⋅ч) может быть реализована в пригодном для практического использования баке объемом 170 литров.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Мощь технологии демонстрирует Quant FE, который, предположительно, с 560 кВт (760 л.с.) будет достигать более чем 300 км/ч

А еще nanoFlowcell обещает простую организацию инфраструктуры для заправки электролита на базе уже существующей сети АЗС.