Мой сайт

А.С.Баёв

д-р техн. наук, профессор, Почетный работник флота,

член Научного Совета по транспорту РАН

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ ТРАНСПОРТА в XXI веке

Известно крылатое выражение: «Энергия царица мира, а энтропия её тень». В этом выражении  концентрированно показаны и архиважность энергии, как основы жизни на планете, так  и последствия  использования её в рамках традиционной энергосистемы. В связи с этим при принятии тех или иных решений очень важно исходить не только из современного состояния, в частности энергетики транспорта, но и из её завтрашнего дня.

Будущее  энергетики транспорта неразрывно связано с тенденциями развития мировой энергетической системы. По-прежнему, основой глобальной энергосистемы являются органические топлива, получаемые путем переработки природных энергетических ресурсов: нефти, каменного угля, природного газа и газового конденсата. Их доля в энергетическом балансе мира составляет около 85%, а на транспорте еще выше - до 95%.

Долгосрочные прогнозы мирового энергопотребления свидетельствуют о том, что ископаемых энергоресурсов достаточно, по крайней мере, на текущее столетие. То есть, в обозримой перспективе ресурсный кризис энергетике не грозит, а вот энергоэкологический кризис вполне реален уже к середине текущего столетия. Дело в том, что каждый энергетический объект – это не только генератор энергии, но и источник большого количества различного рода выбросов, которые загрязняют воздух, почву и воду. Так, только углекислого газа ежегодно выбрасывается до 25-26 млрд. тонн.   Расчеты показывают, что к середине текущего столетия его концентрация в атмосфере удвоится, и это может привести к глобальным крупномасштабным экологическим потрясениям.

Серьезность последней угрозы становится всё более очевидной, что следует, в том числе и из известных Киотских соглашений. При этом доля транспорта непропорционально велика: в среднем от 33 до 45% (в городах до 90%) при энергопотреблении не более 20%.

Такое положение можно объяснить тем, что:

 во-первых, энергетика транспорта более чем на 70%  базируется на жидких нефтяных топливах, при сжигании которых выбросов в 3 раза больше, чем, например при использовании газа;

во-вторых - транспорт,  образно выражаясь, является «энергетическим объектом в кубе», поскольку энергетическая цепь транспорта в отличие от стационарной энергетики имеет дополнительное специфическое звено – движитель, где производится конечное преобразование энергии  в перемещение транспортного средства.

В результате с учетом долевой  специфики транспорта (преобладание долевых режимов работы энергетических транспортных установок ) эффективность его энергетики  минимум на 10 пунктов ниже, чем  стационарной энергетики.

Основные тактические пути выхода из грядущего энергоэкологического кризиса – это:

• всемерное энергосбережение, включая повышение эффективности составляющих энергетических установок, использование  менее энергоёмких производств и т.д. В США с 1970 года энергосбережение позволило снизить энергоёмкость ВНП на 44%. В России, которая по энергорасточительности занимает 10 место в мире, результаты могут быть еще значительнее;
• расширение использования более «экологически чистых» источников энергии, в частности газового топлива, электроэнергии (в т.ч. гидроэнергии), биотоплива, дистиллятных топлив и продуктов  более глубокой переработки традиционных энергоресурсов. С учетом экологической составляющей практику использования, например, нефтяных остаточных топлив в двигателях внутреннего сгорания следует признать мало оправданно;
• стимулирование использования «экологически чистых» источников энергии. Так, в Европейском Содружестве (ЕС) и США устанавливаются налоговые льготы (или льготные кредиты) при использовании альтернативных топлив и энергосбережения;
• ужесточение экологических стандартов, включая Киотские соглашения, переход к Евро-3, Евро-4 (в России запланировано к 2008 году);
• расширение использования нетрадиционных энергоресурсов. Среди нетрадиционных энергетических ресурсов наибольшими потенциальными возможностями обладают солнечное излучение и ядерное горючее.

Кардинальным решением грядущего энергоэкологического кризиса считается перевод энергетики на водород. В настоящее время общепризнанно, что водород  в обозримом будущем получит все большее распространение, особенно в транспортной энергетике. Во всех крупных развитых странах (к сожалению, кроме России) работы по использованию водорода как глобального энергоносителя поставлены на уровень государственных и международных  программ. Так, Европейским Сообществом планируется уже к середине XXI века полностью перевести энергетику региона на водород  и возобновляемые источники энергии.  В  США принят закон «Hydrogen Future Act», который предусматривает переход экономики страны в течение 20 лет на водород как основной энергоноситель.  В Исландии действует программа построения к 2030 году водородных систем энергообеспечения в масштабах страны, включая автотранспорт и суда.

Для реализации этих программ предполагается обеспечить крупномасштабное производство водорода с использованием, прежде всего, ядерной энергии, а также угля и возобновляемых источников энергии. Для транспорта, кроме систем централизованного снабжения, прорабатываются технологии бортового получения и хранения водорода и его конверсии  из углеводородных топлив.

Принято считать, что основными препятствиями для массового использования водорода являются его высокая стоимость и отсутствие пока приемлемых технологий аккумулирования его в необходимых объёмах в мобильных условиях. Не стимулирует распространению водорода также относительно невысокая стоимость традиционных энергоносителей, в том числе и из-за отсутствия экологической составляющей в энергетических затратах.

Между тем, представляется, что для  масштабного использования водорода основная проблема - это низкая эффективность традиционной энергетической системы, особенно на транспорте.

Энергетика транспорта более  чем на 90%(за исключением электротранспорта)  - это энергетика энергетического «дна», поскольку энергия топлива преобразуется в перемещение транспортного средства через преобразование её в  тепловую энергию посредством сжигания, которое сопровождается загрязняющими атмосферу выбросами и огромными потерями энергии. Полученная таким образом тепловая энергия - энергия наиболее низкого качества из всех видов энергий (энергетическое «дно») в дальнейшем преобразуется в энергию более высокого качества - перемещение транспортного средства с помощью тепловых двигателей и движителей.

Как известно, «бесплатно» такое превращение произойти не может, и на тепловые двигатели  распространяются ограничения цикла Карно,  поэтому КПД даже лучших тепловых двигателей - дизелей даже на номинальном режиме работы не превышает 50%., а на долевых режимах - еще ниже.

Эффективность движителей ничуть не лучше тепловых двигателей: наиболее эффективным движителем является воздушный винт,  КПД которого при скорости  550 – 600 км/ч может достигать 90%; максимум пропульсивного КПД гребного винта (не более 75%) достигается при скорости движения судна около 40 км/ч; эффективность колеса у наземного транспорта - не более 15%, а  комплекса «сопло и реактивный двигатель» у авиационного и космического транспорта -  50%.

В результате консолидированный КПД транспортной энергетики по тепловой энергии  не превышает 20%, а если исходить  из полной энергии топлива, то менее процента.

Следуя Д.И.Менделееву, можно сказать, что использовать водород  в такой энергосистеме – это все равно, что топить печь валютой.

Понятно, что применение водорода – вторичного (значит дорогого по определению) энергоносителя будет тогда целесообразно, когда эффективность энергосистемы будет радикально (в разы) повышена.  Выполнить это с помощью традиционных  энерготехнологий невозможно, в силу известных законов термодинамики.  Подтверждением последнего является тот факт, что, несмотря на колоссальные усилия человечества, КПД дизелей  за их столетнюю  эпоху  удалось повысить лишь 15-17пунктов.

Представляется, что будущее энергетики, в том числе и транспорта  - это использование водорода в качестве глобального энергоносителя в рамках кардинально модернизированной энергосистемы, базирующейся на новых принципах преобразования энергии.

Современная база реализации такой энергосистемы – это технологии прямого преобразования, а именно: топливные элементы и движители прямого преобразования.

Топливный элемент (ТЭ) – прямой аналог биологических источников энергии, которые вмонтированы в клетки каждого живого организма. Его открытие  в 1838 году принадлежит английскому ученому Уильяму Грову.  ТЭ обеспечивает прямое преобразование химической энергии в электроэнергию, подобно тому, как это происходит в аккумуляторной батарее. Принципиальное отличие состоит в том, что в топливных элементах используются другие химические вещества, а электрическая энергия генерируется до тех пор, пока на анод поступает восстановитель - водород или другое газообразное водородосодержащее вещество      (природный газ, метанол, биогаз, продукты конверсии нефтяных топлив и газификации угля), а на катод – окислитель ( кислород или атмосферный воздух). Топливный элемент не имеет движущихся частей. Его КПД может быть в несколько раз больше, чем у дизеля. По экологической чистоте установки на ТЭ (электрохимические установки (ЭХУ)) превышают все существующие энергоустановки в десятки раз. В этом смысле для работы топливных элементов наиболее привлекательным является использование водорода, полученного, например, путем электролиза воды,  поскольку  «побочными» продуктами таких ТЭ также являются  вода и теплота, которые снова могут быть утилизированы, в том числе и для производства  водорода. В результате получается энергосистема замкнутого типа, консолидированный КПД которой может достигать 90-95%.

За последние десятилетия, особенно в связи с использованием ТЭ на космических кораблях,  получен значительный прогресс: стоимость вырабатываемой ими энергии снизилась на порядок буквально за несколько последних  лет и достигла 1500$/кВт против конкурентоспособной 500$/кВт.  Ожидается, что при массовом производстве ТЭ, ужесточении экологических стандартов и повышении стоимости традиционных топлив,  конъюнктура рынка изменится в пользу ЭХУ, и уже в недалеком будущем последние наряду с атомными установками нового поколения и ВИЭ будут определять облик мировой энергетики. Так, Япония уже  к 2010 г. планирует 13% всей энергии вырабатывать с помощью топливных элементов.

На  базе топливных элементов можно создавать энергоустановки мощностью от ватта до десятков мегаватт различного типа и назначения. Наибольшие выгоды сулит использование ЭХУ именно на транспорте. Для транспорта наиболее подходят твердополимерные топливные элементы, в которых в качестве электролита используется протонообменная мембрана. Их рабочая температура 80°С. Примером такой установки является установка типа «Фотон», КПД которой достигает 70-80%, а удельный расход водорода равен 50 г/кВт*ч.

 В настоящее время наиболее интенсивно проводятся работы по использованию ТЭ на автотранспорте.  Уже сейчас на улицах Чикаго (США) и городов Ирландии работают автобусы на топливных элементах. Программой ЕС серийный выпуск автомобилей на ТЭ предусматривается  в 2010 году,  а к середине текущего века  - полный перевод транспорта на водородные технологии.

Использование движителей прямого преобразования (ДПП) – более далекая перспектива. Между тем, представляется, что без них эффективность реализации столь грандиозных планов на транспорте  будет  в прямом и в переносном смысле половинчатой, поскольку  традиционные движители в большинстве случаев будут «срезать» её (эту эффективность) практически на 50%.

ДПП осуществляют преобразование электрической энергии в тягу транспортного средства  в результате взаимодействия электрического и магнитного полей.  Из них  в настоящее время известны и в определенной степени проработаны два средства: магнитогидродинамические движители (МГДД) и  электродинамические движители (ЭДД).  Принцип  действия первых аналогичен работе магнитоэлектрических измерительных приборов, а вторых – электродинамических приборов.

МГДД были реализованы на полномасштабных судах в Японии в 1992 году. Испытания подтвердили их преимущества перед гребными винтами,  но МГДД  могут работать только в электропроводящей среде.

ЭДД являются универсальными движителями, т.к. могут  работать как в водной среде, так и  в воздушной и даже в вакууме. КПД их может превышать 80 %. ЭДД – единственные из известных в настоящее время движителей, тяга которых не зависит от скорости движения. В современных условиях на пути  реализации ЭДД  имеются определенные технические трудности, но, по мнению специалистов, они в принципе разрешимы, и электродинамические движители  получат признание в XXI веке.

Очевидно, что столь масштабная модернизация энергетики - дело длительное и постепенное.  На первом этапе её реализации (по программе ЕС до 2030 года) энергетика транспорта будет комбинированной. В дальнейшем сектор применения  новых технологий будет расширяться вплоть до полной  замены традиционной энергетики. Программа ЕС это предусматривает  к 2050 году.

Эффект модернизации энергетики транспорта будет зависеть от её масштабов. Непосредственно только в части технического использования транспорта можно ожидать снижения энергоемкости транспортной работы  в 2 – 2,5 раза и повышения  экологической чистоты транспортных средств более чем на порядок.  При этом,  вполне возможна определенная транспортная «революция», в частности развитие экранного транспорта, появление транспортных средств, использующих другую среду перемещения.

Выводы

1. Смена углеродной энергетики на водородную и в связи с этим переход  традиционной транспортной энергетики к энергетике технологий прямого преобразования – объективная необходимость и наиболее вероятная реальность  XXI века. При этом  триумфальное шествие традиционных двигателей внутреннего сгорания по планете, очевидно, закончится.
2. Энергетическая революция неизбежно приведет к  концептуальным изменениям мировой экономики и уже в ближайшие десятилетия можно ожидать существенного повышения рисков для российской «ресурсной» экономики.
3. России необходимо максимально использовать благоприятную пока конъюнктуру  экспорта ресурсов для развития технологий прямого преобразования и модернизации на этой основе энергетики и транспорта – естественных географически и геополитически национальных приоритетов страны.
4. Разработку «прорывных» технологий в России рационально поставить на государственный уровень с  реализацией соответствующих национальных программ и подготовкой интеллектуальных и управленческих ресурсов.