Рассказывает заведующий кафедрой теоретических основ электротехники, доктор технических наук, доцент Сергей Анатольевич Ганджа.

– В настоящее время мы работаем над несколькими интересными проектами. Один из них – мотор-колесо для гоночного электроболида класса «Формула Студент». Работа выполняется совместно с автотранспортным факультетом ЮУрГУ. Над этой темой трудятся два аспиранта кафедры. Один из них занимается вентильным электродвигателем, встроенным в колесо, другой – системой управления к нему. Во всём мире идут научные работы в этом направлении, но окончательный вариант самой кинематической схемы электротрансмиссии, тип и конструкция исполнительных элементов ещё не выбраны. Нами предложена уникальная конструкция вентильного двигателя комбинированного возбуждения, на которую мы оформили патент РФ. Примечательно, что для проверки своей концепции мы все детали мотор-колеса сделали по технологии 3D-принтера, а сборку произвели вручную. После этого мы без проблем сделали реальный опытный образец, и сейчас проводим его испытания.

Вторая интересная тема: создание для электромобилей таких источников питания, чтобы одной зарядки хватило на 600, 800, 1000 и более километров пути. Здесь мы идём по пути разработки топливных элементов, которые способны решить эту задачу. Все эти направления весьма перспективны. Раньше наука с производством шли рука об руку. Сейчас в силу разных причин многие связи разорвались – их нужно восстанавливать и налаживать новые. Если наши наработки окажутся успешными, то в перспективе их можно будет внедрить в серийное производство.

Хотелось бы более подробно остановиться на теме топливных элементов. Электрическую энергию довольно просто генерировать, потреблять, передавать на расстояние. Её выработку и расход легко учитывать. Например, если сопоставить данные разных лет, то видно, что в кризис энергопотребление падает, а в период стабилизации и подъёма экономики – растёт. Но как запасти электроэнергию впрок, как мы это делаем с углеводородным топливом? Электрическая энергия имеет особенную природу. Произведённая в единицу времени, например, на Дальнем Востоке, она мгновенно должна быть использована на Урале. Один из вариантов накопления – перевести её в другой вид энергии, например – в энергию химического соединения молекул и атомов. К примеру, если с помощью электричества расщепить воду на кислород и водород и добавить углекислый газ, получится метиловый спирт, или метанол, СН₃OH. Его затем можно хранить в любых объёмах, передавать по трубопроводам – и закачивать в аккумуляторные батареи. А с их помощью снова получать воду, углекислый газ – и электроэнергию.

Наши исследования включают несколько этапов. Чтобы расщепить воду с помощью электричества, а потом сделать топливный элемент, нужны теоретические расчёты и специальная установка. Над этой темой мы работаем совместно с иранскими учёными-электрохимиками. Специалисты нашей кафедры нашли способ проводить весь процесс в одном устройстве, а иранские коллеги разработали теорию и создали компьютерную модель производства топливных элементов. Нами подана заявка в Российский фонд фундаментальных исследований и Иранский научный фонд на проведение работ совместно с иностранными учёными. Сейчас ожидаем результатов рассмотрения этой заявки. В данный момент изготавливаем стенд для проверки расчётов: как получить электрическую энергию из пробирки? Следующий шаг – создание устройства, способного обеспечить электроэнергией частный дом. Наконец, третьим этапом должен стать выход на промышленное производство установок, реализующих эту технологию. Думается, она весьма перспективна: можно широко использовать углекислый газ, который образуется в ходе производственных процессов. Ведь, например, согласно областной программе «Экология», промышленные предприятия Южного Урала должны сократить выбросы углекислого газа в атмосферу в несколько раз. Вот тут-то наш проект и пригодится: вместо того, чтобы загрязнять воздух, этот газ поможет вырабатывать электричество. К счастью, некоторые заводы уже сейчас понимают необходимость сокращения выбросов и готовы с нами сотрудничать.

Важно, что, применяя топливные элементы, можно будет повысить КПД двигателей до 60–90%. Это очень много. Для сравнения – КПД двигателей внутреннего сгорания не превышает 30%. У паровых ещё ниже. Идея использования топливных элементов более перспективна, чем идея создания каких-либо новых аккумуляторов, способных долго держать заряд. Конечно, химики и физики делают успехи в разработке новых материалов. Однако есть принципиальный момент: даже в самой лучшей батарее «поместится» лишь определённое количество электроэнергии, которое ограничено объёмом электродов. Чтобы хранить много электроэнергии, и батареи понадобятся гигантские. Представьте себе аккумулятор размером с главный корпус ЮУрГУ! Такой не то что на автомобиль, а даже на океанский лайнер не поставишь. И построить его будет очень сложно. А вот хранилища топливных элементов практически любого объёма строятся достаточно просто. Аккумуляторы довольно дороги и тяжелы. К примеру, значительная часть веса смартфона приходится именно на аккумуляторную батарею. Кроме того, аккумуляторы требуют зарядки, а она занимает немало времени. Можно, конечно, построить сеть станций для электромобилей: подъехал, снял разрядившиеся батареи, поставил заряженные – и отправился дальше. Только это дорого и неудобно. А водород хранить дорого и опасно: он имеет свойство улетучиваться и образовывать взрывоопасный гремучий газ. Топливные элементы гораздо проще заливать, хранить и перевозить.

Что же мешает широкому распространению и внедрению топливных элементов? Очень просто – угольное, газовое и нефтяное лобби. Автомобили, теплоходы, тепловые электростанции работают на углеводородах. Хотя давно известно, что, например, двигатели внутреннего сгорания не столь уж эффективны, к тому же загрязняют окружающую среду. Но лобби мешает получать финансирование для проведения научно-технических изысканий.

Конечно, топливные элементы – не единственный путь получения «чистой» электрической энергии. Сейчас много говорится о гелиоэнергетике как способе получения электроэнергии без всяких отходов. Казалось бы, это хороший путь, но при этом все забывают о производстве солнечных панелей. В своём составе фотоэлементы содержат мышьяк и другие вредные вещества. После 15 лет эксплуатации возникает большая проблема утилизации, да и производство их достаточно вредно и перенесено в страны третьего мира. Гидроэлектростанции тоже имеют ряд недостатков: в частности, вредят экологии – при возведении плотин нарушается естественный цикл жизни рек, затапливаются обширные территории, а водохранилища мелеют из-за ускоренного испарения воды.

Так что же составляет перспективу электроэнергетики, как выработать много дешёвой электроэнергии, чтобы её можно было накапливать в топливных элементах? На мой взгляд, решение – атомные электростанции. Конечно, они требуют новейших технологий для соблюдения безопасности, тщательного контроля, охранных мероприятий. При этом реактор нельзя остановить, как, например, динамо-машину, – электрическая энергия всё равно вырабатывается. Куда деть излишки, если, например, ночью энергопотребление падает? Так вот, есть простой выход – использовать электроэнергию от АЭС для накопления её в топливных элементах. А их, в свою очередь, можно хранить долго и использовать по мере необходимости: в технике, в том числе в электротехнике, на транспорте, то есть везде, где нужны автономные источники питания. При их работе образуются пар и углекислый газ, который вновь можно использовать для производства метанола. Надеюсь, что у нас всё получится – и перспективные проекты найдут своё воплощение.