Паливо майбутнього: в пошуках альтернативи

Топливо будущего: в поисках альтернативы

В європейській енергосистемі
зростає частка електрики, отриманої з відновлюваних джерел енергії

Зміст статті

  • 1 Природний газ
  • 2 Паливні елементи
  • 3 Вважаємо ККД
  • 4 Проточна батарея
  • 5 nanoFlowcell

До екологічно чистого транспорту є за що причепитися і не торкаючись проблеми джерел енергії. Але саме це питання – хворий для автовиробників.
На простих акумуляторах далеко не поїхати, причому у всіх сенсах. Але де ще можна брати енергію для машин?

Мрії про велику електрифікації транспорту досі стримує проблема з ресурсами. Так, намір компанії Tesla щорічно випускати 500 000 автомобілів вимагатиме виробництва для кожного з них акумуляторів ємністю щонайменше 60 кВт·год, що означає величезне збільшення потреби у літії.

Літій – один із досить часто зустрічаються в земній корі елементів, але його видобуток у промислових масштабах економічно доцільна лише в соляних озерах. І розвіданих запасів літію буде недостатньо для того, щоб повністю електрифікувати світовий парк легкових і вантажних автомобілів.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

У місті Верльте (Німеччина) компанія Audi побудувала пілотну установку в промисловому масштабі

З споживчої боку теж є питання. Якщо ви вирушите в подорож на звичайній машині, у вас буде підтримка з боку закусочних з бензоколонками і просто заправних станцій. При цьому звичайні автомобілі можуть поповнити запаси палива всього за п’ять хвилин.

А ось Supercharger від Tesla для заповнення 80% енергетичних запасів акумулятора потрібно 45 хвилин. І навіть у випадку з найпотужнішою зарядної технікою (наприклад, у Porsche заявлені 800 і до 350 кВт) електрокару треба щонайменше 15 хвилин. Якби під час відпускних поїздок всі автомобілі кожні 500 км повинні були заряджатися так довго, рух на дорогах могло б просто завмерти.

Одночасно в європейській енергосистемі зростає частка електрики, отриманої з відновлюваних джерел енергії. І все частіше сонячна та вітряна енергії не можуть бути отримані зовсім, то виробляються в надлишковій кількості. Електромобілі могли б стати своєрідним буфером для такої енергії, але для цього їм потрібні акумулятори більшого розміру.

Невже місія зробити світ СО2-нейтральним до 2050 року приречена на провал? Так, якщо нинішній спосіб забезпечення електрокарів енергією «копалин» джерел безальтернативний. Але три підприємства дають свою відповідь: це не так.

Природний газ

Volkswagen AG вже давно працює над технологією, яка могла б внести значний внесок у справу скорочення викидів CO2: вітряні генератори та фотовольтаїка – джерела енергії, від яких живляться моделі Audi з шильдиком g-tron.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Моделі g-tron від компанії Audi з двигунами внутрішнього згоряння заправляються природним газом (CNG-газом, метаном)

Audi g-tron використовують звичайні двигуни внутрішнього згоряння, але вони працюють на природному газі – метані. Те, що це в принципі можливо, не відкриття: електрична енергія спочатку береться для процесу гідролізу, під час якого вода розщеплюється на кисень і водень. Водень відокремлюється в спеціальний «танкер» автомобіля. Система Audi наочно демонструє, що цей вид «электрогазификации» можливо застосовувати в промислових масштабах.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ Свобода від проводу. Якими будуть дороги майбутнього?

Паливні елементи

У Audi є і здатні рухатися на водні прототипи з шильдиком h-tron, а у Honda, Hyundai і Toyota вже є цілі тестові автопарки з тисячами автомобілів, що працюють на паливних елементах (ТЕ). Але найближчим часом ТЕ масовими стати не зможуть: виробничі витрати дуже високі, і передумов для прориву в цьому напрямку не видно. В установці Audi виконується наступний крок: за допомогою двоокису вуглецю водень перетворюється в метан.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Енергоефективність підвищується з паливними елементами, що перетворюють на енергію водень, як в концепті Audi h-tron

Процес перетворення енерговитратний, але зате для автомобілів, що працюють на метані, є проста в експлуатації інфраструктура: мережа станцій для заправки природним газом. До мережі заправок природним газом у Європі ставляться також CNG-заправки (CNG – Compressed Natural Gas, тобто стислий природний газ, не плутати зі скрапленим вуглеводневим газом LPG, тобто пропан-бутаном).

Вважаємо ККД

У Audi кажуть, що споживання газу g-tron-автопарком повністю покривається виробленням установки, що знаходиться в Верльте, Нижня Саксонія. Фактично ці моделі Audi при їзді залишаються CO2-нейтральними. При цьому про реальних витратах на виробництво «электрогаза» Audi нічого не повідомляє. А мова тут може йти про багаторазовому перевищенні вартості звичайного природного газу.

Енергобаланс представленого компанією Audi процесу на перший погляд здається катастрофічним: при виробництві водню за допомогою гідролізу ККД становить приблизно 75% і добрих 5% втрачається на перетворенні в метан. Згоряння метану в моторі відбувається з такою ж ефективністю, як і у випадку зі звичайним сучасним бензиновим двигуном: в середньому ККД становить близько 30%. Таким чином, від електричної енергії для приведення автомобіля в рух залишається менш ніж 20%.

Порівняно з електроприводом, використовують литийионный акумулятор (від 60 до 70%), моделі g-tron втрачають дуже багато. А адже газового двигуна необхідні ще відведення та очищення вихлопних газів. Але при перевиробництво енергії ступінь ефективності відходить на другий план – енергія виходить як би безкоштовною. Крім того, модель газифікації можна адаптувати для водневих установок з паливними елементами, і тоді ступінь ефективності повинна підвищитися як мінімум в два рази.

Проточна батарея

Зовсім інший підхід до вирішення проблеми пропонує американське підприємство IFBattery. Стартувавши в якості дослідницької групи в Університеті Пердью, Індіана, команда Джона Кушмана поставила перед собою мету зробити технологію проточних батарей придатною для використання в автомобілях.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Проточні батареї працюють з електролітами – рідинами, які зберігаються в спеціальних ємностях. Резервуари можуть бути легко перезаправлены

Проточні батареї вже використовуються в промисловості у якості енергетичних буферів. В ядрі проточною батареї знаходиться мембрана, з кожної сторони якої розміщені розчини електроліту. Іонний обмін між ними і призводить до вироблення електроенергії. Процес можна звернути назад, тобто при подачі напруги на електроди іони почнуть рухатися в зворотному напрямі через мембрану, а електроліт стане заряджатися. Принципово електрохімічний процес звичайного акумулятора дуже схожий. Але проточні батареї цікаві тим, що електроди і мембрана не «реагують» на електроліт. Ємність батареї залежить не від компонентів акумулятора, а виключно від поповнення електроліту, який знаходиться у зовнішніх резервуарах. Це можуть бути контейнери розміром з цілу будівлю.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ В автомобілях з’явиться аналог Siri — CaseyТопливо будущего: в поисках альтернативы

Інститут Frauenhofer ще в 2009 році показав, як транспортний засіб (модель) може пересуватися з допомогою проточних батарей

Але для використання в мобільному вигляді щільність енергії в електроліті виходить занадто низькою: один літр може зберігати лише близько 80 Вт⋅ч. Для стандартного e-Golf (35 кВт⋅год) потрібно резервуар об’ємом цілих 440 к. При цьому електроліт, створений на основі цинку і брому, токсичний і роз’їдає мембрани з органічних матеріалів. Дослідники з IFBattery, за їх власним твердженням, замість отруйних речовин для виготовлення електроліту змогли використати «прості» види сировини, а мембрану зробили з пористого матеріалу, який не піддається корозії, яка виникає в результаті електрохімічного процесу. Крім того, їм вдалося істотно збільшити енергетичну щільність електроліту. Стосовно до автомобілів вони пропонують схему, в якій розряджений електроліт на «заправної» станції змінювався б на новий, заряджений.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

«Рідкі» батареї в якості энергобуфера можуть використовуватися в індустріальних масштабах

При цьому компанія IFBattery звертає увагу на те, що для пропонованого нею процесу досить просто використовувати вже наявну заправну інфраструктуру: заміна електроліту може здійснюватися на АЗС, а потім бензовози можуть доставляти його для перезарядки до вітряних генераторів або сонячних фотоелектричних установок. Тим не менш інженери хочуть залишити і можливість підзарядки від звичайної розетки. У цьому випадку переваги традиційного «вуглеводневої» привода (дальність пробігу і швидка заправка) будуть поєднуватися з плюсами електротяги (ніяких викидів, домашня зарядка).

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Джон Кушман показує електроліт, який підвищить енергетичну щільність і довговічність проточних акумуляторів

nanoFlowcell

Точний склад електроліту – це велика таємниця, причому не тільки у IFBattery, але і у швейцарського підприємства, яке називається nanoFlowcell. Компанія підприємця Нунціо ла Веккья вже кілька років з’являється на автомобільних виставках і показує під брендом Quant щось неймовірне: раніше, наприклад, це було транспортний засіб, здатне пересуватися виключно на енергії, одержуваної від вбудованих сонячних батарей.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Quantino від компанії nanoFlowcell з Швейцарії з допомогою проточної батареї повинен досягати запасу ходу більш ніж в 1000 км

За заявою виробника, в Quant-прототипи Quantino і Quant FE встановлюються саме проточні батареї. В резервуарах цих автомобілів знаходиться рідина-електроліт, звана bi-ION, яка не тільки має бути абсолютно нетоксичною, але і може бути виготовлена у великій кількості без серйозних витрат з доступної сировини. Показники енергетичної щільності такого електроліту повинні наближатися до позначки близько 600 Вт⋅год на літр. Це означає, що ємність самого великого акумулятора автомобіля від компанії Tesla (100 кВт⋅год) може бути реалізована в придатному для практичного використання баку об’ємом 170 літрів.

Топливо будущего: в поисках альтернативы

Міць технології демонструє Quant FE, який, імовірно, з 560 кВт (760 л. с.) буде досягати більше ніж 300 км/год

А ще nanoFlowcell обіцяє просту організацію інфраструктури для заправки електроліту на базі вже існуючої мережі АЗС.