Автомобили на альтернативном топливе
Автомобили на альтернативном топливе
По мнению экспертов, всех известных на Земле запасов нефти хватит человечеству не более чем на пятьдесят лет. Бензин дорожает, и чем только сегодня не пытаются его заменить. И сжиженным природным газом, и всякого рода синтезированными газами и жидкостями, в частности спиртом, который гонят из самого разного сырья от тростника до апельсиновых корок.
Почти все эти виды топлива менее опасны для окружающей среды, чем бензин, но выхлоп автомобиля все равно не делается безвредным.
Кардинально решить проблему загрязнения атмосферы автотранспортом мог бы при определенных условиях электромобиль. Для этого экологически чистыми должны стать не только эксплуатация источника его энергии, но и изготовление этого источника и даже утилизация отходов. Пока же этим требованиям обычно применяемый в электромобилях аккумулятор не отвечает.
«И все же, – как пишет в журнале «Наука и жизнь» К. Климов, – в последние годы электромобиль применяется гораздо шире. Благодаря разработкам крупнейших автомобильных фирм мира недостатки аккумулятора – вес, габариты, необходимость частых подзарядок – несколько уменьшились. Недавно, например, германская фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Для разгона этой машины с места до скорости 96 километров в час требуется, по утверждению фирмы, всего 20 секунд, максимальная скорость – 130 километров в час, а пробег между подзарядками достигает 270 километров. Но массового применения в транспорте такой электромобиль не найдет, поскольку рабочая температура серно-натриевого аккумулятора составляет около 350 градусов Цельсия. И сама эта температура, и необходимость поддерживать ее во время работы аккумулятора при помощи специальных подогревателей делают его взрыво– и пожароопасным».
«Электрических» машин на дорогах общего пользования с каждым годом все больше, а сообщения о новых разработках в этой области не сходят со страниц журналов и газет.
До недавнего времени развитие электромобилей сдерживалось низкими параметрами источников тока. Многие годы в этом качестве служила традиционная свинцово-кислотная батарея. Помимо других серьезных недостатков, она ограничивала пробег машины до подзарядки примерно 150 километрами. В результате модернизации батарею удалось облегчить и заменить кислоту в жидком виде на менее опасный гель. И все же прорыва на этом направлении ждать не приходится, плотность «упаковки» энергии и мощность кислотных батарей почти достигли теоретического предела. А вот заменив свинец никелем, удалось создать целую гамму новых аккумуляторов – никель-кадмиевых, никель-водородных и никель-цинковых. Они выгодно отличаются от свинцово-кислотных батарей. Им присущи долговечность, нечувствительность к морозам, возможность быстрой подзарядки. Правда, они подороже, и воду в некоторые типы батарей все же приходится периодически доливать.
Наиболее перспективными на сегодняшний день признаются никель-металлогидридные системы. Именно у них максимальные удельные показатели, да и саморазряд приемлемый: пятьдесят процентов емкости за месяц. С тех пор как эти батареи впервые применили в автомобилестроении, прошло шесть лет. За это время экспериментальные электромобили прошли по дорогам миллионы километров, доказав свою пригодность к эксплуатации при температурах от минус двадцати пяти до плюс пятидесяти градусов.
Вот что пишет журнал «За рулем»: «К очевидным плюсам никель-металлогидридных систем, в первую очередь, можно отнести увеличенный почти вдвое по сравнению со свинцовой кислотной батареей пробег до следующей подзарядки – до 250 километров. А в 1996 году был зафиксирован и рекорд: автомобиль "Солектрия-Санрайз", приводимый в движение только электромотором на никель-металлогидридных батареях, преодолел на "одном дыхании" более 600 километров! Еще одно неоспоримое достоинство – быстрота подзарядки: всего за 10 минут такую батарею можно «заправить» на 80 процентов емкости! В ходе испытаний выяснилось, что никель-металлогидридные системы выдерживают более 80000 циклов зарядки-разрядки, что сопоставимо с пробегом 160000 километров.
Все это покупателю с удовольствием расскажут, например, в автосалонах фирмы «Тойота» в США и тут же предложат прокатиться на новеньком вседорожнике "RAV-4EV". Под полом его спрятаны 24 никель-металлогидридные батареи, питающие электромотор мощностью 67 л с. Этого хватает для достаточно резвого разгона (0-100 км/ч – 18 секунд), а максимальную скорость пришлось ограничить 125 км/ч. Понравилось – «RAV-4EV» можно тут же купить за 42000 долларов. Что-то не устраивает? Не стоит огорчаться – ведь выбор электромобилей «Тойотой» не ограничивается. Тут и "Хонда-EV Плюс", и "Форд-Рейнджер EV", и "Ниссан-Алтима EV" – список можно продолжать. Европейцам пришлись по душе "Пежо-106 Электрик" и "Ситроен-AX Электрик", а импонировать модной молодежи призван микромобиль "Бомбардье NV", за который просят едва ли не меньше, чем за некоторые ВАЗы».
Электромобили, кроме всего прочего, дали жизнь новому, чрезвычайно перспективному направлению – так называемым гибридным машинам.
Гибридная схема – это сочетание двигателя, работающего на привычном топливе (бензине или газе, но чаще на солярке), и электромотора. Типичный представитель именно этой группы – «Тойота-Приус» – один из самых успешных с коммерческой точки зрения примеров. В прошлом году этой модели отдали предпочтение более десяти тысяч покупателей, а такое, согласитесь, уже кое-что значит.
В США, дабы стимулировать автоиндустрию к активному поиску новых решений, принят закон, предписывающий каждой фирме к 2003 году иметь в своей программе хотя бы одну модель электромобиля. Иначе – запрет на торговлю.
В числе основных претендентов на титул «главного конкурента двигателям внутреннего сгорания» сегодня называют автомобили с топливными элементами.
Топливный элемент впервые увидел свет в 1839 году, когда английский физик Уильям Грув получил ток в результате электрохимической реакции водорода с кислородом. Тему стали интенсивно разрабатывать в 1960-е и 1970-е годы, когда двигатели с топливными элементами впервые применили в космической промышленности.
Как обычно проходит преобразование химической энергии топлива в электрическую на тепловых электростанциях? Сначала тепловая энергия, выделяющаяся при горении, превращается в кинетическую энергию пара. Затем энергия пара на роторе турбины преобразуется в механическую энергию вращения. И, наконец, в обмотках генератора механическая энергия становится электрической. На каждом этапе неизбежны потери.
В топливном элементе химическая энергия топлива сразу трансформируется в электрическую. Топливный элемент, или электрохимический генератор, – это техническое устройство, где протекает реакция окисления топлива, в ходе которой вырабатывается электроэнергия. Топливом могут служить водород, спирт, аммиак и углеводороды (природный газ, нефть), а окислителем (горение есть реакция окисления) – кислород, азотная кислота и др.
Конструкция топливного элемента проста. Это сосуд с электролитом (водным раствором кислоты или щелочи), двумя пористыми электродами (анодом и катодом, как в аккумуляторной батарее) и трубками для подачи топлива (на анод) и окислителя (на катод). На аноде молекулы водорода распадаются на атомы, которые теряют свои электроны, становятся положительными ионами и уходят в электролит. Потерявший ионы анод приобретает отрицательный заряд по отношению к другому электроду, и свободные электроны движутся к последнему по внешней цепи. Там они соединяются с атомами кислорода – образуются отрицательные ионы. Последние проходят через электролит и соединяются с положительными ионами водорода. Так возникает замкнутая цепь, по которой идет электрический ток, и топливный элемент становится электрическим генератором. Кроме электроэнергии в нем образуется еще и побочный продукт – дистиллированная вода.
Одиночный топливный элемент создает напряжение около 1,5 В. Чтобы получить более высокое напряжение, элементы последовательно соединяют друг с другом в батареи.
Время непрерывной работы батареи зависит от запасов топлива, окислителя и износа (окисления) материалов электродов и составляет в действующих установках 1000 часов. Поэтому их сейчас используют только для электроснабжения автономных потребителей, таких как глубоководные аппараты или околоземные космические станции.
Сегодня чаще всего применяют водородно-кислородные топливные элементы. Однако значительно более эффективны воздушно-алюминиевые топливные элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом – пластина из алюминиевого сплава. Окисление идет с коэффициентом полезного действия восемьдесят процентов, и «сгоревший» при комнатной температуре килограмм алюминия способен выдать во внешнюю цепь примерно столько энергии, сколько дает килограмм каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре.
«Достоинств у таких источников электроэнергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики, – пишет в своей статье в журнале «Наука и жизнь» К. Климов. – А недостаток, в основном, один – дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом энергоемкостью процесса производства. Недостаток этот должен, однако, со временем уменьшаться, а благодаря последним разработкам Института металлургии имени А.А. Байкова Российской академии наук будет, вполне возможно, и вовсе устранен, и притом в самом ближайшем будущем.
Специалисты института разработали новый и весьма эффективный метод так называемых многокомпонентных химических реакций. В специально подобранной среде, обладающей одновременно ионной и электронной проводимостью, возникают при определенной температуре множественные и равномерно распределенные в объеме реактора микроэлектродные (так их называют) электрохимические реакции. С их помощью можно получать в чистом виде многие из известных элементов, в том числе металлы, и в частности – алюминий. Это делают уже сегодня, но пока в лабораторных условиях, а в качестве сырья используют обычную грунтовую глину или любое рудное сырье, содержащее глинозем.
Оксид алюминия (основной компонент глинозема) переводят при помощи хлористого кальция в хлорид алюминия и отправляют в реактор. Туда же поступают и пары металлического натрия, который получают нагреванием соды с углем. Таким образом, в реакторе образуется раствор натрия, перемешанный с расплавом алюминия, и создаются условия для одновременного возникновения множественных окислительно-восстановительных реакций. В результате этих реакций и получается жидкий алюминий. Некоторые из таких реакций идут с выделением тепла, что, разумеется, снижает энергоемкость процесса производства. Само же производство оказывается и проще, и дешевле, чем традиционный электролиз, и к тому же гораздо чище экологически».
Если промышленности удастся освоить новую технологию получения алюминия, то и он, и его сплавы станут намного дешевле. Это позволит решить сразу две задачи. Во-первых, ускорит решение проблемы автомобильного топлива. Во-вторых, кузов автомобиля можно будет производить из легкого и не поддающегося коррозии материала, что приведет к значительному снижению его веса. А снижение веса автомобиля позволит уменьшить энергозатраты при движении.
Воздушно-алюминиевые топливные элементы уже сегодня выпускаются во многих странах, в том числе и в России. Но особый интерес проявили к ним японцы. Они производят их по несколько десятков миллионов в год. Японцы не скрывают намерений в скором времени наладить выпуск электромобилей на алюминии.
Одним из пионеров внедрения этой технологии в автомобилестроение считается фирма «Мерседес-Бенц» (ныне «Даймлер-Крайслер»). В 1994 году на базе фургона ею был построен прототип автомобиля с топливными элементами «Некар-1». Спустя еще два года подобной силовой установкой оснастили пассажирский автомобиль V-класса. Новой ступенью стала премьера «Некара-3», использующего в качестве топлива метанол. Как пишет журнал «За рулем»: «Отличительная особенность этой модели – отсутствие батарей для хранения энергии. Процесс в системе происходит напрямую – при нажатии на педаль акселератора около девяносто процентов максимальной мощности доступно уже спустя менее двух секунд. Как следствие – достойная разгонная динамика машины, вполне сопоставимая с обычными дизельными или бензиновыми моделями. Что касается топлива, то применение метанола не требует каких-либо особых мер безопасности, а процесс заправки автомобиля мало чем отличается от заполнения бака бензином. Кстати, топливный бак «Некар-3» вмещает 38 литров топлива, на котором машина способна преодолеть 400 километров. Этот, казалось бы, уже неплохой результат побил «Некар-4» – следующий и наверняка не последний прототип на пути к массовой продукции.
Помимо концерна "Даймлер-Крайслер", исследования и разработку автомобилей с топливными элементами ведут многие фирмы – «Форд» и "Вольво", «Ниссан» и "Рено", "Мазда"… И хотя предстоит еще решить массу проблем на пути к серийному выпуску таких машин, по прогнозам "Даймлер-Крайслер", одна только эта компания сможет наладить выпуск от 40 до 100 тысяч штук автомобилей на топливных элементах уже в ближайшие 4-5 лет».
Ги Негр, конструктор «Формулы-1», основал фирму MDI, где занялся созданием нового двигателя – гибридного. В нем в качестве топлива, в частности, может выступать воздух!
Негр решил отказаться от классической схемы, когда все действия происходят в одном цилиндре. У него используется два: один объемом в 270, а другой в 755 кубических сантиметров. Цилиндры соединены клапанами со сферической камерой в 20 кубических сантиметров.
При работе двигателя на бензине в малом цилиндре происходит всасывание и сжатие горючей смеси, которая затем выталкивается в камеру сгорания. Там она поджигается искровым разрядом и сгорает при постоянном объеме (оба клапана камеры закрыты). Затем открывается клапан, ведущий в цилиндр расширения (большой).
У такой схемы ряд преимуществ. Фаза сгорания отделена от расширения и намного продолжительнее, чем в обычном двигателе, поэтому новый мотор может работать на предельно обедненных, медленно горящих смесях, ему не нужен глушитель, а токсичность выхлопа сравнима с обычным городским воздухом.
При работе на сжатом воздухе процессы в двигателе практически не изменяются. Казалось, цель достигнута, но Ги Негр принялся за новый двигатель и новый автомобиль. Он назвал его TOP – «такси с нулевым загрязнением». Такое название отражает концепцию: в этой машине не будет бензиновой подпитки, только сжатый воздух.
«Еще в проекте автомобиль вызвал огромный интерес не только у специалистов, – сообщает журнал «За рулем», – но и у власть предержащих. Так, в Мексике парламентская комиссия по транспорту заинтересовалась разработками французских инженеров, и после посещения мексиканцами в 1997 году завода в Бриньоле был подписан контракт о постепенной замене всех 87 тысяч такси Мехико, самой загазованной столицы в мире, машинами с чистым "выдохом". Собирать «TOP-модели» будут на месте – французы построят за океаном завод под ключ.
Предвидим возражения: дескать, для того чтобы закачать в баллоны воздух, нужна энергия, а электростанции – тоже источники загрязнений. Авторы проекта посчитали конечный КПД в цепочке "нефтеперегонный завод – автомобиль" для бензинового, электрического и «воздушного» автомобиля: 9,4, 13,2 и 20 процентов соответственно – «воздушник» лидирует с заметным отрывом.
Новый мотор во многом повторил уже обкатанный гибридный. Однако теперь поршни стали дольше «зависать» в мертвых точках (80 процентов времени) благодаря особым проскальзывающим муфтам на коленчатом валу. В цилиндр засасывается не наружный воздух, а часть выхлопа. Нет систем зажигания, впрыска топлива, бензобака. Зато под днищем аккуратно расположились четыре карбоновых (почти невесомых!) 50-литровых резервуара для сжатого воздуха. Его запаса (200 л при 200 атм.) хватает на 500 километров при скорости 40 километров в час или на 100 километров при 90 километрах в час.
При торможении энергия рекуперируется – компрессор высокого давления закачивает наружный воздух обратно в баллоны. «Заправлять» автомобиль можно двумя способами. От воздушной магистрали высокого давления – 2-3 минуты (по западным ценам всего за полтора доллара) или от электросети: тот же компрессор накачает баллоны за 4 часа – быстрее, чем заряжается электромобиль».
С 2001 года TOP должны появиться в продаже, причем по всему миру: уже продано 19 заводов мощностью 2000 автомобилей в год каждый – в Австралию, Новую Зеландию, Южную Африку, Мексику, Испанию, Францию, Швейцарию.