artykul (artykul) wrote,
artykul
artykul

Category:

На чем поедет автомобиль будущего. Часть 3.

На чем поедет автомобиль будущего-3

В прошлый раз ( http://artykul.livejournal.com/49694.html ) мы рассмотрели одну из двух основных ветвей развития водородного транспорта – автомобили с двигателями внутреннего сгорания, питающиеся водородом. Сегодня рассмотрим второе перспективное направление – автомобили с топливными элементами.

Принцип топлива
Сначала сделаем одну важную оговорку. Автомобили с топливными элементами – это не машины с каким-то новым феноменальным двигателем, на самом деле силовой установкой в таких машинах является обыкновенный электромотор. А вот топливные элементы – источник тока для этих моторов. Обычное горение энергоносителей в кислороде было изучено уже давно. При этом происходит окисление органического топлива, а его химическая энергия переходит в тепловую. Причем не очень эффективно. Но в 1839 году сэр Уильям Гроув изучал электролиз воды и отметил такой любопытный факт. Когда он отключил от электролитической установки батарею, то обнаружил, что электроны начинают поглощать выделившийся газ и вырабатывать электроток. То есть, реакцию окисления газа (например, водорода) можно провести в электролите, а с помощью электродов будем получать настоящий электрический ток. Топливный элемент с протонообменной мембраной выглядит так. Попадающее в элемент топливо – водород – под действием катализатора распадается на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. Дальше они попадают на мембрану, которая пропускает ионы и задерживает электроны. Таким образом, у нас получается скопление электронов с одной стороны и ионов – с другой, то есть на аноде мы имеем избыточный отрицательный заряд, а на катоде – избыточный положительный. Ионы и электроны рады бы воссоединиться, да мембрана не пускает. А вот если мы к аноду и катоду подключим нагрузку (например, моторчик или лампочку), то электроны потекут по ней (соответственно, по обмоткам мотора или по нити накаливания лампы) к ионам, заставляя нагрузку работать (крутиться или светиться). При этом электроны не только создают ток, но и окисляются кислородом. То есть, получается реакция вида 2Н2 + О2 --> 2Н2О + электричество + тепло. Причем тепла вырабатывается немного – рабочая температура держится в районе 40-80 градусов по Цельсию.



Направления и воплощения
Стоит упомянуть, что автомобильные топливные элементы появились не сегодня и не вчера. Первые транспортные средства с топливными элементами появились в конце пятидесятых годов. Так, в 1959 году компания Allis-Chalmers установила щелочные топливные элементы на трактор; три года спустя появился автомобильчик для гольфа, а в 1967-ом – мотоцикл, оснащенные топливными ячейками. В СССР на Рижской автомобильной фабрике (выпускала известные микроавтобусы RAF) изготовили прототип автобуса на топливных элементах в 1982 году. Постепенно в водородную борьбу включились все основные автопроизводители. BMW и Ford, как мы знаем из предыдущей статьи, предпочли использовать сжиженный водород в двигателях внутреннего сгорания, но и эти компании также испытывают топливные ячейки.
Существует более полудюжины типов топливных элементов, которые отличаются электролитом и видом используемого топлива:
- твердооксидный топливный элемент;
- топливный элемент с протонообменной мембраной;
- обратимый топливный элемент;
- прямой метанольный топливный элемент;
- расплавной карбонатный топливный элемент;
- фосфорнокислый топливный элемент;
- щелочной топливный элемент.
Каждый из этих типов по-своему хорош. Самый простой и, казалось бы, удачный и эффективный тип – это ячейка с протонообменной мембраной. Подавай себе водород и раскручивай двигатель! По этому пути пошла японская Toyota, оснастив внедорожник Highlander топливными элементами и баком с водородом над задней осью, - модель получила название Toyota FCHV; ее модернизированная версия Toyota FCHV-adv может на одной заправке преодолеть около 830 км. Аналогичную систему испытывали на АвтоВАЗе в 2000 году. На базе ВАЗ-2131 «Нива» изготовили опытный автомобиль АНТЭЛ-1. У него был не только бак с водородом (60 л), но и кислородный бак (36 л), а электромотор выдавал мощность в 25 кВт (всего 33 л.с.!); максимальная скорость автомобиля составляла 85 км/ч, а запас хода – 200 км. Но все же когда с водородом только начинали работать, возникло множество проблем с его добычей, транспортировкой и хранением. Водородных заправок не было, да и хранить на борту водород казалось небезопасным.
Поэтому временно компании переключились на метанольные элементы в качестве источника водорода. Одной из первых пошла по этому пути компания Opel, представив в 1998 году опытный образец Opel Zafira HydroGen 1. У такой системы есть свой недостаток. Во-первых, нужен специальный топливный преобразователь, который будет преобразовывать спирт в смесь газообразных Н2 и СО2. Во-вторых, разложение жидкости на газы происходит при высокой температуре (240ºС), что требует дополнительных затрат энергии и дополнительной же термоизоляции. В третьих, двигатель еще не успел совершить и оборота, а мы уже получили СО2 – то, чего стремились избежать применением топливных элементов.


Автомобили на топливных элементах линейки HydroGen строятся на базе серийных авто дочерней компании Opel, но на решетке радиатора неизменно красуется логотипчик всей GM.

Такую же схему предложила и компания Mercedes-Benz, представив в 1999 году модель NECar 3 (что означает No Emission Car – автомобиль без выбросов). Правда, полностью избавиться от вредных выбросов не получилось, даже несмотря на то, что побочные продукты дополнительно обработали в каталитическом нейтрализаторе. Чуть позже была представлена модель NECar 5, выполненная на базе все того же компактного микровэна A-класса. Кстати, эта компания не ограничилась легковыми автомобилями, а выпустила также и несколько водородных автобусов. Первый из них получил название NEBus, причем выпущен он был даже раньше, чем NECar – в 1997 году. Этот автобус был изготовлен на базе серийной модели MB Q405. Следующий автобус – водородный Сitaro – уже задумали с водородными баллонами на крыше, чтобы выбросов действительно не было. Эти автобусы в ряде городов мира (Амстердам, Барселона, Мадрид, Лондон, Люксембург, Порту, Штутгарт, Стокгольм, Рейкьявик, Пекин, Перт) стали участниками испытательной программы Clean Urban Transport for Europe. Почти за пять лет 36 автобусов проехали более 2 миллионов километров и перевезли 6 миллионов пассажиров.


Компании, производящие автобусы на топливных элементах (которые, в отличие от аналогичных автомобилей, перевезли уже миллионы человек), входят в организацию Fuel Cell Bus Club.

Потом в качестве перспективной решили рассматривать технологию прямого метанольного топливного элемента. Здесь не нужно использовать топливный преобразователь: специальный катализатор может сам отрывать протоны водорода прямо от спиртовой молекулы. Метилового спирта в мире производится много, его легко транспортировать, да и заправлять спиртом топливный элемент куда проще, чем водородом: залил себе спирт в ячейку – и та работает. А запасную канистру метанола можно положить в багажник, - с водородом так не сделаешь. Существенный минус метанольных систем состоит в том, что метанол токсичен. Кроме того, прямой метанольный топливный элемент обладает меньшим КПД, чем ячейка с протонообменной мембраной. Проблему токсичности можно решить за счет применения этилового спирта вместо метилового. Да вот беда: он еще менее эффективен.
Компания Peugeot стала прорабатывать сразу несколько направлений. В кузов модели Peugeot Partner PAC установили 9 баллонов с жидким водородом и заодно емкую батарею, - получился топливно-аккумуляторный гибрид. А концепт-кар пожарного автомобиля Peugeot H2O везет на месте багажника бак с обычной водой, которая при пожаре она используется для тушения огня; бак с кислородом для вентиляции салона и работы топливных ячеек, и раствор борогидрида натрия, из которого и вырабатывается водород. Причем водород вырабатывается именно в том количестве, которое нужно двигателю в данный момент; в пиковые моменты его количество не превышает 2,5 граммов, что эквивалентно стакану бензина.


Топливные элементы модели Peugeot H2O получают водород из раствора борогидрида натрия, а бочонок с водой на месте багажника пригодится при тушении пожара.

На чем поедем кататься?
Многие компании работают над созданием моделей с топливными элементами: Audi, Daimler, Volkswagen, Peugeot, Citroen, Renault, Chrysler, General Motors, Ford, Mazda, Honda, Nissan, Toyota, Hyundai, Fiat и другие. Пока что энтузиазм сдерживает высокая цена компонентов двигателя. В качестве катализатора в топливной ячейке используется дорогая платина, из-за чего один только набор ячеек стоит около 75.000 долларов США, а стоимость машины целиком исчисляется сотнями тысяч. Многие из созданных моделей действительно колесят по улицам, но их число не просто мало – оно ничтожно. Так, два года назад во всех Штатах было лишь 200 таких автомобилей (почти все – в Калифорнии), сейчас это число едва ли вдвое больше. В той же Калифорнии существует три десятка заправочных станций, обеспечивающих «ячеистые» машины водородом. Несмотря на обилие разработанных экспериментальных моделей (около 4 десятков), до конвейера пока добралась только одна: Honda FCX Clarity, - ее доставили первым заказчикам США и Японии в 2008 году. Три электромотора суммарной мощностью 174 л.с. разгоняют машину до 160 км/ч; а 170 литров водорода хватает на 570 км пробега. Всего за три года компания собирается изготовить лишь 200 таких машин. Автомобиль доступен не для продажи, а в лизинг: ежемесячный платеж в течение трех лет составляет 600 долларов, причем, естественно, этими платежами (21.600 долларов в сумме) стоимость машины не покрывается.


Первый водородный автомобиль, который добрался до конвейера, - Honda FCX Clarity. Но за три года планируется изготовить лишь 200 машин – почти кустарное производство, какой там серийный экземпляр.

На конец 2010 года намечена продажа модели Chevrolet Volt – полного мультитопливного гибрида. В придачу к электромотору мощностью 160 л.с. может быть установлен двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине, биодизеле, этаноле. Вместо ДВС можно поставить топливные элементы и баки 4 кг водорода. Соответственно, электромотор может работать как от топливных ячеек, так и от аккумуляторов, разгоняя машину до максимальных 190 км/ч, а запас хода составляет от 450 до 1.000 км.


Мультитопливный водородный гибрид Chevrolet Volt может двигаться как за счет электромотора, так и с помощью обычного ДВС или дизельного мотора.

К 2010 году компания Hyundai собирается продать 500 экземпляров топливно-ячеистой модели Tucson, а в 2012 году освоить их массовое производство. В нынешнем году сборку автомобилей на топливных элементах обещает начать и Daimler, а к 2013 году грозится продать уже 100.000 таких моделей. А вот Ford и Nissan объявили, что прекращают испытания моделей на топливных элементах, и вместо них займутся массовым производством гибридных машин. Видимо, их впечатлили выкладки ученых, которые подсчитали эффективность топливных элементов. Так, если взять 100 кВт-час энергии и использовать ее в электромобиле, то после преобразования в постоянный ток, зарядку батарей, потерь в трансмиссии на выходе мы получим 69 кВт-час. А если те же 100 кВт-час преобразовать в постоянный ток, направить на процесс электролиза для получения водорода, водород перевести в сжатый или сжиженный вид, доставить потребителю по сети АЗС и наполнить им топливные ячейки, то на выходе (опять-таки после неизбежных потерь в трансмиссии) получим всего 19-23 кВт-час, то есть втрое меньше.


Водородный суперкар? Да пожалуйста! Вот этот образчик под названием Ford Fusion Hydrogen 999 Fuel Cell Race Car поставил несколько рекордов на соляном озере.

Топливные элементы – действительно очень перспективный источник энергии для автомобилей. Но до тех пор, пока не удастся снизить стоимость таких машин до уровня обычных, водород не сможет победить ДВС. А поскольку наибольшую эффективность вкупе с наименьшим загрязнением природы дают электромобили, то представляется наиболее оптимальным строить по всему миру атомные электростанции и от их электричества заряжать аккумуляторы.


Вставка

Автомобили на солнечных батареях известны уже давно, но до промышленного освоения дело до сих пор не доходило. У солнечных батарей очень низкий КПД (в районе 15%), поэтому для того, чтобы изготовить автомобиль, способный проехать большое расстояние, он должен быть почти идеально плоским и обладать большой площадью элементов. Именно из-за таких естественных ограничений почти все создаваемые солнцемобили – это единичные экземпляры, изготовленные для участия в рекордных заездах. Автомобили же для рядового конечного пользователя изготовить очень сложно. В 2006 году модель Venturi Astrolab была объявлена первым в мире серийным «солнечным» автомобилем: старт продаж наметили на 2008 год. Панели площадью 3,6 метра вырабатывали достаточно энергии для мотора мощностью в 21 л.с., который разгоняет двухместную машинку до 120 км/ч. Вот только стоимость модели составила 92.000 евро. Массовые продажи так и не начались.


Французский солнцемобиль Venturi Astrolab может разогнаться до 120 км-ч, но и стоит при этом почти 100 тысяч евро.

Швейцарский проект Solartaxi пока наиболее «автономный» из всех подобных разработок. Правда, здесь автомобиль везет за собой прицеп с солнечными панелями площадью 6 кв.м. и аккумуляторами, - благодаря им он может ехать 200 км без подзарядки, а максимальная скорость составляет 90 км/ч. Этот автомобиль 18 месяцев колесил по свету, проделав путь в 50.000 км по территориям 40 стран, доказывая, что солнцемобили уже пора пускать в массы. Руководитель проекта Луис Палмер считает, что при промышленном освоении модели ее стоимость составит 16.000 евро.


Швейцарский трехколесный солнцемобиль может проехать до 200 км за день, но при этом вынужден возить тележку с солнечными элементами. Во время отдыха на ней можно поиграть в пинг-понг.

А вот китайская компания 001 Group из провинции Чжэцзян представила предсерийную безымянную модель по цене всего в 5.500 долларов. Это обычный с виду микроавтомобильчик, на крыше которого смонтированы солнечные панели. Очевидно, что они служат лишь дополнительным источником энергии для электромотора.

Вставка
А вот еще один любопытный проект, который существует не только на бумаге, но и воплотился в конкретной модели. Физик мичиганского университета Шон Граннелл, президент компании Eldon Engineering Дональд Джиллеспи и менеджер фирмы NH3 Car Кейзи Стэк взяли старый пикап Chevrolet S-10 и переоборудовали его для питания аммиаком (в названии упомянутой выше фирмы нетрудно заметить формулу этого соединения). В кузове пикапа находятся три больших баллона, в которых в общей сложности хранится 422 килограмма аммиака. Получившийся битопливный автомобиль может питаться как чистым бензином, так и смесью бензина и аммиака в пропорции вплоть до 80% аммиака и 20% бензина. Вне зависимости от конкретных пропорций составляющих потребление топлива держится на уровне 8,7 литра на 100 км. На своем грузовике компаньоны отправились в трансамериканское турне, чтобы заинтересовать своей разработкой инвесторов. В будущем, при серийном освоении технологии, комплект для переоборудования обычной машины будет стоить не более тысячи долларов. Аммиак, кстати, обходится дешевле бензина, хоть он и не существует в чистом виде, а его необходимо синтезировать. Зато он экологически чист: из выхлопной трубы в атмосферу вылетают водяной пар и азот, из которого и так на 78% состоит наш воздух.


Аммиак в качестве топлива для автомобиля – дешевое и экологически чистое топливо. Одна неприятность: в чистом виде аммиак токсичен.

Вставка

А почему бы не придумать автомобиль, который бы работал на атомном топливе? Ведь АЭС давно уже существуют по всему миру, вырабатывая много дешевого и безопасного электричества. Еще в 1957 году Ford продемонстрировал концепт-модель (в виде уменьшенного макета) Nucleon. Длинный автомобиль распространенного тогда «плавникового» стиля планировалось оснастить небольшим реактором – примерно таким, какой ставили на американские подлодки, только уменьшенным до автомобильных размеров. Силовая установка состоит из реактора, парогенератора и двух паровых турбин, одна из которых приводит в движение колеса, а другая вращает вал электрогенератора. Запас хода у такой установки оценивался в 5.000 миль (8.000 км), после чего нужно заехать на автосервис и поменять сразу весь силовой блок на новый, заправленный свежим ураном, причем делалось бы это не дольше, чем занимает обычный профосмотр. По всем Штатам предполагалось разместить такие «ядерные» автосервисы. Кабина у машины – на три человека (один ряд сидений), и она сильно смещена вперед, чтобы, во-первых, уравновесить тяжелый атомный реактор (из-за которого в багажнике вряд ли было бы свободное место), а, во-вторых, обезопасить водителя и пассажиров от излучения толстой металлической стенкой. Но машина так и осталась в виде концепта, - тогдашние технологии не позволяли создать легкий, мощный и простой в обслуживании ядерный реактор.


Силовой агрегат атомного Ford Nucleon приходилось бы менять через каждые 8.000 километров, то есть примерно трижды в год.

Вторая попытка посадить водителя за руль атомного автомобиля известна по одной из серий фильма о Бэтмене, - очередной вычурный бэтмобиль как раз имел атомную станцию на борту. Впрочем, это даже не проект, а так, мечтания. Третий из придуманный атомных автомобилей создал американский изобретатель Лорен Кулесус. Концепт Cadillac WTF (что означает World Thorium Fuel) на одной заправке торием будет ездить 100 лет.


В моторном отсеке концепт-кара Cadillac WTF находится атомный двигатель, работающий на тории, одной заправки которого хватит на 100 лет.


У Cadillac WTF вместо обычных четырех колес их аж 24 - узкие, похожие на велосипедные колеса размещены рядами по шесть штук, а срок их службы – 5 лет.

Пожалуй, сегодняшние технологии уже можно применить для изготовления небольшого автомобильного ядерного реактора. Но вот что еще (помимо огромной стоимости проекта) сдерживает разработку подобных автомобилей: что будет, если автомобиль-АЭС вдруг попадет в ДТП?


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.
  • 0 comments