artykul (artykul) wrote,
artykul
artykul

Categories:

На чем поедет автомобиль будущего. Часть 2.

На чем поедет автомобиль будущего?
Часть 2

В прошлый раз ( http://artykul.livejournal.com/49637.html ) мы рассмотрели технологии, которые делают автомобили «зеленее», а расходы потребителей – меньше. Электромобили, гибриды, машины на биотопливе и сжатом воздухе выпускаются в немалых масштабах, но коренным образом изменить сложившуюся ситуацию они пока не могут: двигатели внутреннего сгорания превалируют на рынке и продолжают засорять воздух. Большие надежды возлагаются на водород. Параллельно разрабатываются две технологии: ДВС, работающий на водороде, и мотор, питающийся от топливных элементов.

От двух до пяти
Водород – самый распространенный химический элемент на Земле и в космосе, у него очень высокая удельная теплота сгорания, а при сгорании в атмосферу выбрасывается чистая вода, которую можно заново переработать. Одни плюсы. Есть только один существенный минус: на Земле водород находится в основном в связанном состоянии, то есть откопать шельфовые или материковые запасы водорода не получится. Следовательно, водород нужно из чего-то синтезировать. Существует несколько путей, по которым идет человечество, чтобы обеспечить себя нужным количеством первого элемента таблицы Менделеева. Самый старый способ – газификация угля: при температуре 800-1.300 градусов уголь нагревают без доступа воздуха. Самый распространенный способ – паровая конверсия газа: горячий водяной пар (700-1.000 градусов) смешивают под давлением с метаном, реакция протекает в присутствии катализатора. Перспективным является термохимический способ обработки биомассы: различные древесные отходы и прочую целлюлозу нагревают без доступа кислорода до температуры в 500-800 градусов. Водород можно получать из различных полисахаридов, для чего к биомассе добавляют энзимы. При этом нет нужды ни в высокой температуре, ни в высоком давлении, а водород, полученный из сахара, даст на выходе втрое больше энергии, чем этанол, полученный из того же сахара. Водорода полно всюду – его можно даже получать из бытового мусора и промышленных стоков путем анаэробного сбраживания, водород могут вырабатывать бактерии и водоросли, водород можно получать путем окисления различных металлов (алюминий, цинк). Наконец, водород можно получать из воды, каковой в морях и океанах содержится около полутора миллиардов кубических километров. Нужно лишь нагреть воду до температуры в 1.700 градусов – и она сама собой распадется на кислород и водород. У всех этих способов есть одна общая черта: стоимость получения одного килограмма водорода составляет 2-5 долларов США. При этом в будущем можно добиться снижения цены до одного-двух долларов за килограмм, включая транспортировку и хранение водорода. Кроме того, не забываем, что для производства водорода помимо самого сырья необходимо приложить немалые энергетические затраты, а электричество в большинстве стран вырабатывается на углеводородных электростанциях. То есть, для производства чистого топлива приходится загрязнять атмосферу. Лучший выход в данной ситуации – использовать энергию мирного атома, но АЭС в мире намного меньше, чем станций на мазуте, угле, торфе и горючих сланцах. Лишь когда для производства водорода станет использоваться атомное топливо, можно будет говорить об экологически чистом цикле.

По трубе А втекает водород...
Одно дело – водород добыть, другое дело – доставить его к потребителю. Самый простой способ – это использовать существующие газопроводы, их лишь нужно немного доработать. Правда, возникает вопрос: а как тогда доставлять газ, если газопроводы будут заняты водородом? Следовательно, надобно построить водородопроводы, которые будут изначально рассчитаны на перекачку «аш-два». А теперь вдумайтесь: в США и Европе существует лишь немногим больше пары тысяч километров водородных трубопроводов! Получается, что водород невостребован? Отнюдь нет, востребован. Но, в отличие от газокачалок, станцию по производству водопровода можно построить как можно ближе к его потребителю, потому что газ хранится в определенных местах под землей, а водород можно вырабатывать где угодно. А еще многие считают, что водород – очень опасное вещество, любящее взрываться по поводу и без. Хотя, как мы знаем, взрыв бытового газа – намного более распространенное явление, но все же вот противники водородной энергетики любят приводить примеры дирижаблей, погибших от взрыва водорода: в 1930 году после удара в гору взорвался английский дирижабль R-101 объемом 141.600 кубометров, погибло 48 человек; 6 мая 1937-го при посадке в Лейкхерсте взорвался немецкий LZ-129 Hindenburg объемом в двести тысяч «кубов», погибло 35 человек; в 1947 при вводе в эллинг советского дирижабля В-12 короткое замыкание электропроводки пропалило оболочку и подожгло водород. Словом, критически люди относятся к водороду, хотя и известно, что водород взрывоопасен лишь в закрытых емкостях и помещениях, а на открытом пространстве стремительно улетучивается в виде направленной струи и рассеивается в атмосфере. Ученые научились сдерживать гремучие свойства газа. Например, водородный бак автомобиля BMW Hydrogen 7 более часа нагревали до температуры в 1.000 градусов, а до взрыва дело так и не дошло. Еще бы: между оболочками бака в вакууме находится 70 слоев специальной пены!


Рентген-схема водородного топливного бака. Трехсантиметровая прослойка между внутренними и внешними стенками бака имеет такие же изоляционные свойства, как и слой пенопласта в 17 метров толщиной.

Не менее серьезную озабоченность вызывает проблема хранения водорода. Как известно, водород – самый легкий химический элемент, и даже в сжиженном состоянии он весит в 14 раз меньше воды. А если учесть, что ДВС на водороде примерно на треть менее мощен, чем тот же мотор на бензине, становится очевидно, что для нормальных поездок, быстрых и продолжительных, нужно иметь на борту очень много водорода. Именно поэтому баварские моторостроители «водородизируют» лишь флагманскую модель – «семерку»: в 110-литровом баке хранится 8 кг водорода - этого хватает на 200 км пробега. Хорошо хоть, что заправка водородом длится недолго: за три минуты охлажденный до -253ºС газ заполняет полный бак.


В 110-литровый топливный бак BMW Hydrogen 7 за три минуты закачивается 8 килограмма водорода, охлажденного до -253 градусов по Цельсию.

Здесь кроется еще одна неприятность. На борту автомобиля невозможно бесконечно долго хранить сжиженный водород: от нагревания он начинает расширяться, и примерно через 17 часов бездействия система начинает стравливать газ, чтобы избежать взрыва изнутри. За 10-12 дней весь водород улетучится из бака. Так что не только про запас парочку канистр с водородом в гараж не положишь, но и за имеющимся в багажнике запасом топлива приходится постоянно следить: не поездил пару дней – в буквальном смысле выкинул деньги на ветер.

А что в шоу-румах?
Первый двигатель внутреннего сгорания, который питался водородом, изобрел Исаак де Риваз еще в 1807 году. То есть, технология очень старая, еще старше, чем ДВС на бензине или дизтопливе. В 1863 году Этьен Ленуар изготовил водородный Hippomobile, который передвигался со скоростью 3 мили в час и был продан в количестве около 400 экземпляров. Известно, что в войну в блокадном Ленинграде около полутысячи автомобилей перевели на водород от аэростатов, - двигатели этих автомобилей как раз и поднимали и опускали сами аэростаты. Казалось бы, за двести лет можно было выпустить множество водородных автомобилей. На деле же оказывается, что их не так уж и много, и найти водородный автомобиль в автосалоне получится далеко не с первого раза.

Предсерийные эксперименты Ford
На автосалоне в Детройте в 2003 году был представлен Ford U – гибрид, способный ездить как на водороде, так и на электроэнергии. Взяли стандартный 2,3-литровый движок с Ford Ranger, оснастили системой наддува с промежуточным охлаждением, доработали зажигание и «залили» новое ПО для управления мотором, который стал выдавать 118 л.с. Под задними сиденьями разместили два криогенных бака, в которых хранится 7 кило водорода, - этого достаточно для преодоления дистанции в 500 километров.


Концепт-карт Ford U, показанный на автосалоне в Детройте в 2003 году, в серию не пошел, но стал первой ласточкой водородной мысли североамериканской компании.

В серию модель не пошла, а в 2008 году двигатель переставили на экспериментальные Ford Focus H2RV и отправили на тесты в Мичиган. Заодно доработали систему выхлопа: установили каталитический нейтрализатор оксидов азота, которые, хоть и в незначительных количествах, все же образуются при сгорании водорода в ДВС.



Взамен экспериментальной модели Ford U на испытательные заезды в Мичигане отправился универсал Ford Focus H2RV, оснащенный 2,3-литровым двигателем на водороде

Помимо «Фокуса», водородный мотор поставили на минивэн Ford C-Max. Не обошли вниманием и большую технику: водородный движок прописался также и на автобусе Ford E-450. Его 6,8-литровый силовой агрегат Triton V10 и выдает мощность в 235 л.с. А вот из-за установленных баллонов (запаса водорода в которых хватает на 240 км пробега) количество сидений пришлось сократить с 25 до 12.


Автобус Ford E-450 из-за водородных баков из 25-местного превратился в 12-местный, а если заказчик захочет подъемник для инвалидной коляски, то количество сидений и вовсе сокращается до 7.

Эти автобусы в количестве пяти штук отправили на испытания в Оттаву и Ванкувер, еще восемь - в автобусные парки города Орландо во Флориде, всего было изготовлено 20 машин. Предполагалось, что по результатам тестов уже в конце того же 2008 года опытные партии легковых водородных «фордиков» поступят в продажу, но пока что этого не произошло.

Первенства BMW
Осенью 2006 года началось производство нового поколения упоминавшейся модели BMW Hydrogen 7, которая является битопливной машиной: помимо водорода 12-цилиндровый мотор также может питаться обычным бензином, причем если водорода хватает на 200 км пробега, то бензина – почти на 500. При этом «водородная» мощность составляет 228 л.с., а «бензиновая» мощность - 260 л.с.


Вообще же баварцы выпускают водородомобили уже 10 лет, и специально для таких «семерок» в 1999 году в Мюнхенском аэропорту была открыта первая в мире водородная заправочная колонка компании ARAL. Но нужно сказать, что эта модель производится ну очень уж ограниченными партиями; ее стоимость не озвучивается, но ценник на обычную бензиновую версию начинается с отметки 118.000 долларов.


Последняя версия флагманского седана BMW Hydrogen 7 выпущена партией всего в 100 штук и потребляет 50 литров водорода на 100 км пути, расход бензина составляет 14 литров на «сотню».


Рентген-схема водородомобиля BMW Hydrogen 7

На основе этого двигателя баварцы построили водородный суперкар BMW H2R, предназначенный специально для рекордных заездов. Движок мощностью 982 л.с. разгоняет полуторатонную машину длиной 5,4 метра (коэффициент аэродинамического сопротивления Сх чрезвычайно мал: всего 0,21) до 300 км/ч. На французском треке Мирамас болид поставил 9 международных рекордов, включая прохождение с места километра, мили, 10 километров и 10 миль; максимальная скорость составила 301,95 км/ч.


После того как водородный суперкар BMW H2R поставил 9 мировых рекордов и показал максимальную скорость 302 км/ч, Олафур Элиассон в рамках проекта BMW Art Car создал для него корпус изо льда!


«Водороторные» модели Mazda
Mazda RX8 Hydrogen даже и без водородной составляющей – уникальный автомобиль: с тех пор, как АвтоВАЗ оставил в продуктовой линейке лишь привычные двигатели, эта японская модель является единственным в мире автомобилем с роторно-поршневым двигателем Ванкеля, вообще же Mazda выпускает роторники с 1967 года. РПД сам по себе движок передовой, а водородная его версия делает авто совсем уж эксклюзивным. Кстати, и работы над водородными моторами Mazda начала давно – еще в 1991 году была разработана водородная версия Mazda HR-X, причем здесь также на водород был переведен роторно-поршневой двигатель. С тех пор Mazda представила еще несколько роторно-поршневых водородных моделей: Mazda HR-X2, Mazda МХ5 Miata, Mazda Capella Cargo. Остановимся подробно на модели RX8, которая была представлена еще в 2003 году на токийском автосалоне и стала пятой роторной моделью, адаптированной для езды на водороде. За основу была взята стандартная Mazda RX8 с двигателем нового поколения Renesis, который имеет две секции по 654 «кубика» каждая, что эквивалентно ДВС объемом в 2.616 куб.см. При движении на водороде мотор развивает мощность в 109 л.с. и максимальную скорость в 170 км/ч, при движении на бензине – 210 л.с. и скорость до 220 км/ч. Мощность снизили для того, чтобы обеспечить чистоту двигателя в рамках норм Евро-4. В камеру сгорания водород попадает не в чистом виде, а в смеси с воздухом, который на 78% состоит из азота и обеспечивает азотные выхлопы. Чтобы снизить их объем, двигатель питается обедненной смесью, в результате чего и выходная мощность сильно упала. В придачу к баку на 61 литр бензина (которого хватает на 550 км пути) имеется емкость на 110 литров, где под давлением в 350 бар содержится 2,4 кг водорода (его хватает на 100 км движения).


Спорткар Mazda RX8 Hydrogen RE обладает уникальным роторно-поршневым двигателем Ванкеля, но от одной водородной заправки может проехать лишь 100 километров.

В 2005 году эта модель получила разрешение на передвижение по дорогам общего пользования, а в следующем первые экземпляры были доставлены покупателям. В 2007 году 30 «водороторных» RX8 были переданы в Норвегию в рамках проекта HyNor. Первые несколько дней на заправках Statoil водород раздавали бесплатно, а потом стоимость составила 10 крон (около 1,2 евро) за несжатый кубометр, то есть, на полный бак нужно потратить 46 евро. И всего-то на 100 км пути... Впрочем, эти выкладки не очень-то огорчили японцев, и в 2007 году они представили новую модель – Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid, то есть это мало того, что водородный автомобиль (кстати, тоже с роторно-поршневым двигателем), так еще и гибрид: имеется электромотор. Характеристики РПД и топливных баков остались без изменений, но благодаря применению электромотора на литий-ионных батареях (мощностью в 147 л.с.) дальность поездки в небензиновом режиме выросла до 200 км. В нынешнем году первые машины отправились к заказчикам.


Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid обладает не только РПД на водороде, но также и электромотором, благодаря чему автономный пробег без использования бензина вырос до 200 км.


Гибридную тачку – на водородную прокачку
Гибридная Toyota Prius тоже подверглась переделке в водородомобиль, причем сама японская компания к этому никакого отношения не имеет, - за водородизацию гибрида взялись американские компании и исследовательские центры. Известны по крайней мере три таких «прокачки», совершенные в 2005 году калифорнийской компанией Quantum Fuel System Technologies, калифорнийской же National Laboratory и мичиганской Energy Conversion Devices. Калифорнийцы установили 150-литровый бак с водородом и добились 500-километрового радиуса действия при движении по шоссе или 650-километрового пробега при езде в городском цикле. Успехи компании ECD из городка Рочестер Хиллс пока скромнее: 200 миль (320 км), зато и количество выбросов не превышает полтора процента от объема выбросов серийного авто. Кстати, и объемы водородных емкостей здесь поменьше: используются два бака по 33 литра. Основная задача проекта ECD-Ovonic – добиться наилучших условий для хранения водорода; сейчас для этого используют порошковую смесь из дюжины металлов. Пока что компания смогла создать давление в баке в 104 бара, ближайшая цель – довести этот показатель до 250 бар, а там уже и до 400. Водородные баки успешно выдержали испытания в 500 циклов заправки, при этом свойства порошка не ухудшились. Очевидно, до тех пор, пока мичиганцы не добьются приемлемых показателей давления водорода в баке и длительности пробега, в серию машина не пойдет.


В рамках проекта ECD-Ovonic ученые из Мичигана перевели гибрид Toyota Prius на питание водородом, сама машина при этом используется как опытный стенд для отработки технологии сжатия водорода в смеси с порошками металлов.

В известном Массачусетском Технологическом Институте (MTI) подсчитали, что водородные машины примерно в 100 раз дороже в эксплуатации, нежели бензиновые. А Джозеф Ром, автор книги «Водородное очковтирательство», предрекает, что по совокупности таких характеристик, как стоимость машины и цена каждой заправки, мощность и токсичность выхлопов, водородные автомобили приблизятся к гибридным в лучшем случае к 2030 году. Несмотря на то, что водородные двигатели имеют двухсотлетнюю историю, приходится признать, что водородомобили вряд ли в ближайшем будущем смогут изменить ситуацию на рынке машин с ДВС. Именно поэтому все больше компаний обращают свой взор на технологию водородных топливных элементов, о которой мы поговорим в следующий раз.

Окончание тут:
http://artykul.livejournal.com/49962.html
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 5 comments