Одним из весьма перспективных направлений в настоящее время является разработка так называемых топливных аккумуляторов, или топливных элементов. Принцип действия топливного элемента рассмотрим на примере топливного элемента (рис. 145), созданного еще в 50-е гг. советским ученым О. К. Давтяном. В емкость 1, заполненную раствором едкого калия КОН, через пористый электрод 2 под давлением подается топливо (водород), а через электрод 4 — окислитель (кислород). При замыкании электрической цепи (через обмотки электродвигателя 3) отрицательные ионы (ОН^—), соединяясь с водородом (образуя воду), через электрод 2 отдают в цепь электрон. У положительного электрода 4 ион калия (К⁺) реагирует с водой, образуя КОН, а свободные ионы водорода соединяются с кислородом, образуя Н₂О. Созданные в те годы элементы имели высокую удельную массу около 40 кг/кВт, что в 10…20 раз больше, чем у поршневого ДВС. Это связано прежде всего с относительно малой плотностью тока 250…350 А/м². Для получения мощности в 1 кВт требуется активная площадь около 4 м². В таком элементе нужно обеспечить отвод продуктов реакции (воды), поддержание заданной концентрации щелочного раствора, его температуры и пр. Электроды должны изготовляться из материалов, не подвергающихся в данных условиях электрохимической коррозии.

 

 

Проблем пока очень много. Но и перспективы у таких элементов фантастические. Теоретически их КПД достигает почти 100%. В качестве топлива может быть использовано любое окисляющееся вещество. Разрабатывались элементы, использовавшие сжиженные низкомолекулярные углеводороды, амальгаму натрия и т.д.; элементы с твердым электролитом — дисками из кремний-органических ионообменных смол, позволяющим исключить сложную систему регулирования концентрации жидкого электролита. Наконец, в 60-е гг. были созданы экспериментальные машины, оснащенные энергетическими установками с топливными элементами.

Альтернативными топливами являются каменный уголь, сланцы (имеющиеся запасы каменного угля еще далеки от истощения, хотя тоже не бесконечны), так как они могут быть сырьем для получения синтетических моторных топлив, близких по свойствам топливам, получаемым из нефти.

К числу альтернативных топлив для ДВС можно отнести спирты или легкие масла, которые обладают высокими антидетонационными качествами (или смазывающими свойствами) и многие десятилетия используются для двигателей спортивных автомобилей и мотоциклов. Несмотря на это, массовый переход транспорта с ДВС на указанные виды топлив связан со множеством проблем.

Основная из них — пусковые свойства газовых и спиртовых топлив, особенно в зимнее время. Что касается спиртов, то закономерность возникновения проблемы пуска ясна: спирты (метиловый или этиловый, которые реально рассматриваются в качестве замены бензинам) имеют достаточно высокую температуру кипения 80° С. Для воспламенения топливовоздушной смеси нужно, чтобы определенная часть топлива находилась в испаренном состоянии. Приходится пользоваться в качестве стартового топлива бензином или делать бензоспиртовую смесь.

С газовым топливом ситуация пародоксальная. Если в бензиновых двигателях для облегчения пуска необходимо гомогенизировать смесь и испарить ее, то при использовании газового топлива обеспечивается практически полная гомогенизация. Тем не менее для пуска холодных двигателей, работающих на газовом топливе, опять-таки приходится пользоваться бензином. Основной причиной является значительно большая (в 3…3,5 раза) стойкость межатомных связей в компактных молекулах газообразных углеводородов по сравнению со стойкостью двойных связей непредельных углеводородов, содержащихся в жидком топливе. Для разрушения таких связей необходимо пропорциональное увеличение затрат энергии на активацию молекул газового топлива. Если мы используем в качестве топлива пропан-бутановую смесь, то возникает проблема охлаждения топливовоздушной смеси при испарении сжиженного газа.

Конечно, это проблемы технически разрешимые, равно как и проблема компенсации некоторой потери мощности, связанная с меньшей теплотой сгорания газовых топлив, что опять-таки является следствием больших затрат энергии на активацию молекул.

Для нормальной эксплуатации транспорта с двигателями, работающими на газовом топливе, нужно: во-первых, весь комплекс приборов, входящих в систему питания и обслуживание в процессе эксплуатации; во-вторых, обеспечить достаточный запас газового топлива для дальних рейсов или создать густую сеть газозаправочных станций. Именно данный фактор предопределяет необходимость использования резервного топлива — бензина, и, следовательно, двигатель проектируется с гораздо меньшей степенью сжатия, чем допустимо для рационального использования газового топлива. Сжиженные газы требуют для хранения баллоны с относительно низким давлением 2,0…2,5 МПа, их емкость может быть достаточно большой.

Гораздо сложнее обстоит дело с низкомолекулярными газами, прежде всего метаном. Он сжижается при температуре -162° С. Поэтому для создания достаточного запаса газового топлива требуются баллоны высокого давления, что тяжело и громоздко. Каждый стандартный газовый баллон емкостью 50 л содержит запас, эквивалентный 10 л нефтяного топлива, либо криогенные баллоны (по типу сосуда Дюара) для хранения сжиженного газа — а это тоже достаточно дорогое устройство, и самое главное — сосуд Дюара, конечно же, не является абсолютно нетеплопроводным. Для поддержания заданной низкой температуры небольшую часть сжиженного газа надо испарять, чтобы компенсировать приток теплоты извне. Поддержание низкой температуры обеспечивается за счет испарения безопасного для здоровья человека и не взрывоопасного азота.

Чтобы не создавать более густой сети газозаправочных станций, наиболее разумно синтезировать жидкое топливо. Совокупные затраты материалов, энергии и людских ресурсов будут несравненно меньшими, тем более, что технология такого синтеза давно известна. Газовые двигатели должны работать там, где они действительно выгодны: на газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов, рядом с предприятиями, в технологической цепочке которых образуются горючие газы, и подобных случаях.

Несомненным аргументом за то, чтобы использовать в качестве топлива спирты или легкие масла, получаемые из растительного сырья, является то, что данный источник сырья может возобновляться. Но придется изъять из сферы производства продуктов питания огромные площади. С одного гектара сельскохозяйственных угодий (для средней Европы) возможно обеспечить продуктами питания двух-трех человек в год или получить порядка 1,5 т спиртового топлива (при очень хорошей урожайности, например, свеклы), которого хватит примерно на одну десятую годового пробега грузового автомобиля средней мощности. Население земли растет, а сельскохозяйственные угодия по многим причинам не только не увеличиваются, но, наоборот, сокращаются.

Ученые-биологи в настоящее время достаточно хорошо разобрались в процессах развития растений и образования в них исходных веществ для получения топлива. Вероятнее всего, что придется осваивать интенсивную промышленную технологию по образцу живой природы, но не в ущерб сельскохозяйственным угодиям. Однако все это тоже потребует огромных капиталовложений.

Очень часто мы говорим о том, что человечество обладает огромным запасом энергии воды. Вода (Н₂О) — не что иное как водородное топливо и окислитель, нужно только разложить ее на составляющие части.

Например, при использовании электролиза энергетические затраты превысят ожидаемый эффект реакции окисления. С несравненно меньшими энергетическими затратами связано получение водорода каталитическим методом или биохимическим путем. Кроме того, водород является побочным продуктом атомных электростанций. Водород очень легкий газ, обладает большой теплотой сгорания, отнесенной к единице массы, хотя с очень низкой (на уровне угарного газа) объемной теплотой сгорания. Но остаются те же проблемы хранения запаса топлива на транспортной машине. Кроме уже упомянутых — сжатия и криогенного сжижения, можно воспользоваться и методом насыщения водородом кристаллических структур гидридных сплавов, например лантано-никелевого (La Ni₅) или титано-железистого (Ti Fe).

Свойством водорода является внедрение в кристаллическую структуру других материалов, ослабляя кристаллические связи материала-носителя, например стенок цилиндра и, как следствие, — их повышенное изнашивание. Поэтому необходим поиск конструкционных материалов для водородных двигателей.

Наша планета обладает неисчерпаемыми запасами энергии, основным источником которой является солнце: это и энергия прямого излучения, и фотосинтез в растительном мире, дающий сырье для топлива, и движение масс воздуха, и циркуляция паров воды, и движение рек, океанических течений, наконец, энергия атома. В помощь судовому дизелю или ГТД несомненно придут ветер и современный парус. Первые опыты энтузиастов современных парусных судов говорят о возможности экономии до 15…20% и более нефтяного топлива, а для грузов, не требующих ускоренной доставки, такая экономия может быть еще большей. Магистральные железные дороги несомненно целесообразно перевести на электрическую тягу, используя для этого энергию атомных, гидро- и тепловых электростанций, работающих на твердом или газообразном топливе, а нефтяное топливо использовать на безрельсовом и авиационном транспорте.

В зоне действия атомных электростанций лучше использовать местный транспорт с тепловыми аккумуляторами и двигателями с внешним подводом теплоты, что позволит высвободить известную часть транспортных средств с традиционными ДВС. Более того, в таком случае разумно применить и побочный продукт — водород, в стационарных установках с ГТД или поршневыми ДВС.