Мой сайт

А.С.Баёв, академик РАЕ

 Транспортная энергетика в XXI веке

Известно крылатое выражение «Энергия - царица мира, а энтропия её тень». В нём концентрировано сформулировано и архиважность энергии, определяющей развитие мировой цивилизации, негативные последствия функционирования существующей энергетической системы, и необходимость смены её парадигмы, прежде всего исходя именно из экологических соображений. При  этом для исключения прогрессирующей энтропии и деградации окружающей среды перспективная система энергетики в частности транспорта должна базироваться на технических решениях, которые будут не противоречить приоритетам Матушки-Природы. Именно, исходя из этого принципа,  в  данном докладе рассмотрены тенденции развития энергетики транспорта. 

Очевидно, что перспективы транспортной энергетики неразрывно связаны с  тенденциями развития мировой энергетической системы в  целом. И здесь по-прежнему царствуют ископаемые  углеводороды: нефть, уголь и газ.

Большинство прогнозов свидетельствует, что в ближайшие 50 лет ресурсный кризис энергетике не грозит, а вот энергоэкологический кризис вполне реален и последствия его будут катастрофичны.

Наблюдаемое глобальное потепление может вызвать замедление и даже остановку Мирового океанского конвейера, который, как известно,  регулирует температурный режим на Земле. В результате - катастрофическое похолодание в северном полушарии и изпепеляюшая всё жара в южном полушарии. Причем доля транспорта во всех этих безобразиях непропорционально велика  и составляет более 30% при энергопотреблении 20%.

Дело в том, что транспорт,  образно выражаясь, является «энергетическим объектом в кубе», поскольку энергетическая цепь транспорта в отличие от стационарной энергетики имеет не два, а три ключевых звена:

энергоисточник, преимущественно углеводороды;

тепловой двигатель, где извлечение энергии из углеводородов производится можно сказать варварским способом – путем их сжигания, и

дополнительное специфическое звено – движитель, где и производится конечное преобразование энергии  в перемещение транспортного средства.

И собственно будущее энергетики транспорта и определяется прогрессом в развитии этих трех ключевых звеньев.

Что касается энергоисточника, то замена углеводородов, например, на ядерное топливо повышает эффективность энергетики транспорта  в миллион раз. Казалось  бы – вот оно решение! Но на  каждое транспортное средство ядерную установку не поставишь – это не реально.

Кардинальным же решением, особенно в транспортной энергетике принято считать – это переход на водород вначале как топливо, а в дальнейшем в качестве глобального энергоносителя. Причем это признано и на Востоке - здесь показан японский проект и на Западе во всех развитых странах на уровне государственных программ. На этом слайде показан европейский проект.

Неоспоримы преимущества водорода – экологическая чистота, высокая энергоёмкость (1 т Н₂ энергетически эквивалентна 4,1 т.у.т.), наличие неиссякаемого ресурса - воды. Утверждается, что со временем даже с экономической точки зрения использование водорода в качестве глобального энергоносителя будет оправданно, в том числе и в транспортной энергетике.

Существуют определенные проблемы его использования. И, пожалуй, основная проблема - это низкая эффективность существующей транспортной энергосистемы на базе тепловых двигателей, КПД которых не превышает 50%, а работа сопровождается неизбежными  вредными выбросами в окружающую среду. 

 Следуя Д.И.Менделееву, можно сказать, что использовать водород в такой системе – это все равно, что топить печь валютой, т.е. это верх расточительства.

Складывается такое впечатление, что в свое время в энергообеспечении человечество пошло по пути «наименьшего сопротивления». А, как известно, на пути наименьшего сопротивления подводят даже самые сильные тормоза.  Парадокс, но за более, чем 100-летную дизельную эпоху их КПД  повысился лишь 15-17 пунктов. Можно сказать, что последнее столетие в области энергетики человечество совершенствовало лишь упомянутые тормоза. В то время как требовались концептуальные изменения энергосистемы и надо сказать предпосылки к этому были.

Значительно раньше тепловых двигателей в 1838 году был изобретен так называемый топливный элемент (ТЭ) или корректнее  электрохимический преобразователь.  Топливный элемент - прямой аналог биологическому источнику энергии живых организмов. Он обеспечивают прямое преобразование химической энергии в электрическую, подобно тому, как это происходит в аккумуляторной батарее. 

Отличие состоит в том, что используются другие химические вещества, а электрическая энергия генерируется до тех пор, пока на анод поступает водородосодержащее вещество, а на катод – кислородосодержащее вещество (кислород  или атмосферный воздух). Топливный элемент не имеет движущихся частей. Его КПД может быть в разы больше, чем у дизеля.  По экологической чистоте электрохимические установки  превышают все существующие энергоустановки в десятки, и даже сотни раз. В связи с этим сегодня общепризнано, что технологическая база водородной энергетики  - это  электрохимические преобразователи. В мире уже  работает более 300 водородных автомобилей и судов, из них две трети – на топливных элементах.

На  слайде приведены схема и характеристики электрохимической установки типа «Фотон» на базе твердополимерных ТЭ, которая используется  в Морском техническом университете для исследовательских целей и для обучения студентов. КПД установки 70-80%. Удельный расход водорода в 4-5 раз меньше, чем углеводородного топлива в дизелях, а «выхлоп» установки -  вода.

Что касается движителей? Надо сказать, что проблема движителей для транспорта может быть даже более актуальна, чем двигателей. Дело в том, что движители снижают эффективность транспортной энергетики порой значительнее, чем двигатели. Так, КПД движителя – колеса не превышает 15%. И не случайно матушка-Природа отвергает любые движители ротационного типа, такие как колесо и винт. А вот реактивный движитель, который в качестве рабочего тела использует среду перемещения ей известен. И человечество нечто подобное уже изобрело и использует, например, при создании так называемого левитирующего транспорта, т.е. поездов на магнитной подушке или иначе на магнитном подвесе (ЭДП и ЭМП). Результат - при тех же удельных затратах энергии скорость движения магнитных поездов в 3-4 раза выше, чем обычных колесных поездов (скорость японского поезда – 580 км/ч, а китайского – 470 км/ч). 

Дальнейшим развитием этого движителя являются два движителя прямого преобразования - это магнитогидродинамический (МГДД) и электродинамический (ЭДД). МГДД был испытан на моделях в США и полномасштабных судах в Японии. Для создания упора МГДД использует силу Лоренца (эффект Флеминга), которая возникает в результате взаимодействия электрического и наводимого магнитного полей. Пока эффективность его невелика (КПД проценты).

Макет ЭДД был испытан в Институте проблем транспорта РАН более 20 лет назад и мне как сотруднику профильной лаборатории посчастливилось быть участником этих событий.  Результаты – весьма обнадеживающие: тяга его не зависит от скорости; он универсален (может работать в водной и воздушной средах и даже в вакууме); КПД достигает 80% и более, а удельные затраты энергии более, чем 5 раз меньше, чем у МГДД.  Поэтому, несмотря на определенные технические трудности, по мнению специалистов, ЭДД  найдет реальное применение в 21 веке.

Таким образом, на современном этапе развития науки и техники наиболее вероятная база модернизации транспортной энергетики – это водородный энергоноситель, топливные элементы и движители прямого преобразования. Они позволяют до минимума сократить  количество преобразований  энергии, а соответственно и потери водородосодержащих ресурсов, в 2-3 раза увеличить эффективность транспортной энергетики, обеспечить адекватную экономию энергоресурсов и повысить   экологическую чистоту транспортных средств на несколько порядков.

Понятно, что столь масштабная модернизация энергетики транспорта - дело не одного года и даже не одного десятилетия.  В качестве примера здесь представлены этапы перевода экономики Евросоюза с  ископаемого топлива на водород. На первом этапе по программе ЕС до 2030 года энергетика транспорта будет комбинированной, а в дальнейшем сектор применения  технологий прямого преобразования будет расширяться вплоть до полной  замены традиционной энергетики. Программа ЕС это предусматривает  к 2050 году.

Что же в России? По мнению директора Курчатовского научного центра, а это головной организации в стране по водородной энергетике,  2015-2020 годы должны стать началом реального перехода страны к водородной энергетике. Впрочем в это вериться с трудом. И вот почему.

На этом слайде намеренно без изменения приведены выводы, которые были сформулированы 10 лет назад при рассмотрении этой тематики на совместном заседании научных советов по транспорту РАН и Академии Наук Белоруссии. 

Надо сказать, что они актуальны и сегодня и я бы даже сказал, что сегодня в период известных санкций  они еще более актуальны. И хотя предприняты определенные шаги  по развитию в стране водородной энергетики, в частности Россия стала членом Международного партнерства по водородной энергетике, создана Национальная водородная компания,  но в остальном все, как и прежде: доходы от экспорта ресурсов надлежащим образом так и не используются, национальная программа отсутствует, подготовка кадров в зачаточном состоянии. Между тем, Советский Союз – это страна первых в мире  водородных самолета,  автомобиля и подводной лодки. 

Кроме того существует также проблема, связанная с неосведомленностью широкой общественности и специалистов по технологиям прямого преобразования.  Собственно на решение последней проблемы как раз и направлены в частности и этот доклад и  мои труды по данной тематике, которые представлены на данном слайде. Часть из них помешены на моем сайте и используются в учебном процессе Морского технического университета.  

Основная идея моих публикаций: технологии 20 века губительны для 21 столетия. Человечество спасут радикальные перемены в технологии производства и использования энергии, в  том числе, а  может быть и прежде всего на транспорте.  Не случайно глава Организации Объединенных Наций (ООН) Пан Ги Мун на Генеральной Ассамблеи ООН по энергетике заявил: «Мы (человечество) стоим на перепутье. Одна дорога ведет в пропасть, другая – к созданию более устойчивого, процветающего, стабильного мира. Думаю, что наш выбор ясен».