Автомобильный транспорт мира (стр. 4 из 6)

Несмотря на применение новых технологий, КПД двигателей внутреннего сгорания вряд ли превысит 30%, и в любом случае от выбросов углекислого газа никуда не деться. У ТЭ-автомобиля КПД вдвое выше, а значит, он может потреблять вдвое меньше энергии. Еще важнее то, что топливные элементы выделяют в атмосферу только водяной пар и тепло. Наконец, газообразный водород можно получить переработкой природного газа, этилового спирта, воды (посредством ее электролиза), а со временем - с использованием возобновляемых источников энергии. Поэтому внушительная группа автомобилестроительных компаний, в числе которых DaimlerChrysler, Ford, General Motors, Honda, PSA Peugeot-Citroen, Renault-Nissan и Toyota, начала систематические работы по созданию водородных автомобилей.

6.2 Автомобиль - не роскошь

В 1960 г. автовладельцы составляли менее 4% населения Земли, двадцатью годами позже - 9%, а сегодня - целых 12%. Если темпы роста сохранятся, то к 2020 г. машины будут у 15% всех жителей планеты. Поскольку численность самого населения за эти 20 лет может вырасти с нынешних 6 млрд до 7,7 млрд, общее число автомобилей в мире увеличится с 700 млн до 1,1 млрд Этот рост будет подстегиваться бурным развитием среднего класса в развивающихся странах и увеличением среднего дохода на душу населения, которое почти напрямую связано с приобретением личного авто.

Сегодня три четверти мирового автопарка сосредоточено в США, Европе и Японии. Однако больше 60% прироста продаж в ближайшие 10 лет придется, по прогнозам, на новые рынки: Китай, Бразилию, Индию, Корею, Россию, Мексику, Польшу и Таиланд. Это потребует создания недорогих автомобилей, которые должны быть при этом безопасными, экономичными и экологичными.

6.3 Не нефтью единой

ТЭ-автомобиль по сути является автомобилем с электрической тягой. Однако двигатель получает энергию не от аккумуляторной (электрохимической) батареи, а от батареи топливных элементов (см. рис.). Электричество вырабатывается в результате отрыва электронов от атомов водорода, проходящих через мембрану топливного элемента. Возникающий электрический ток приводит в действие электродвигатель, который вращает колеса. Протоны атомов водорода соединяются затем с кислородом и электронами, в результате чего образуется вода (в виде пара). При использовании чистого водорода ТЭ-автомобиль вообще не дает вредных выбросов.

Получение водорода реформингом молекул углеводородов или электролизом воды требует энергии. И хотя за счет высокого КПД топливных элементов энергетические затраты окупаются с избытком, энергию необходимо сначала откуда-то получить. Электростанции на природном газе, нефти или угле вырабатывают углекислый газ и другие "парниковые" газы. Атомные электростанции (АЭС) свободны от этого недостатка. Лучше всего было бы получать электроэнергию от возобновляемых источников - биомасс, гидроэлектростанций, солнечных, ветровых и геотермальных установок.

Приняв водород в качестве топлива, транспорт сможет избавиться от нефтяной зависимости и перейти к использованию различных источников энергии.

6.4 Первая ласточка

Компания General Motors (GM) выработала концепцию AUTOnomy и реализовала ее в начале 2002 г. Экспериментальная модель (концепт-кар) Hy-wire (hydrogen by-wire, т. е. "водородный с электрическим управлением") в сентябре 2002 г. была представлена на Парижском автосалоне.

Основой электромобиля стало низкое шасси, напоминающее скейтборд, на котором смонтированы топливные элементы, баллоны с водородом, теплообменники, ходовые электродвигатели и электроника, а также тормозная и рулевая системы (см. рис.). Для соединения шасси с кузовом используется простой электрический разъем и несколько механических креплений. С помощью сменных кузовов машину можно легко превратить в автомобиль повышенной комфортности, семейный седан или минивэн.

Управление осуществляется с помощью консоли X-Drive, которая напоминает руль мотоцикла. Ее можно перемещать поперек автомобиля, устанавливая в положение левого или правого руля. Отличные ходовые качества, управляемость и устойчивость модели Hy-wire достигаются за счет низко расположенного центра масс.

Упрощение конструкции автомобиля, обеспечиваемое концепцией AUTOnomy, может оказать большое влияние на все автомобилестроение. Уменьшение количества типов деталей и их унификация приведут к значительному снижению затрат за счет больших объемов производства. Так, несмотря на разнообразие кузовов, будет всего три типа универсальных шасси - компактное, среднее и большое. Другой пример - топливная батарея. Она составляется из одинаковых элементов с плоским катодом и анодом, которые разделены мембраной из полимерного электролита. В зависимости от требуемой мощности автомобиля можно составлять батарею из большего или меньшего числа таких элементов. И хотя в сегодняшних топливных элементах применяются дорогие полимерные мембраны, а катализаторами служат драгоценные металлы, уже есть определенные успехи в уменьшении требуемого количества катализаторов и удешевлении мембран.

6.5 Хранение водорода

Не все технические трудности создания практичных транспортных средств на топливных элементах уже преодолены. Одна из важнейших задач - разработка безопасного и эффективного способа хранения такого количества водорода, чтобы одной заправки хватало на 500 км. Топливная система должна работать в диапазоне температур от -40 до +45 °С и обладать ресурсом не менее 250 000 км, при этом заправка должна занимать несколько минут. Существуют разные подходы к хранению водорода. Оно возможно в трех формах: в виде сжатого газа, в сжиженном состоянии и в твердотельной системе. Все подходы перспективны, но у каждого из них свои технические трудности.

Вероятнее всего, сначала будут использоваться баллоны со сжатым газом, но высокое давление, естественно, представляет собой опасность. Сегодня системы сжатого водорода позволяют использовать давление примерно до 350 бар, но для увеличения пробега автомобиля на одной заправке желательно довести рабочее давление до 700 бар. Для обеспечения безопасности нужно, чтобы баллон выдерживал ударное давление, по крайней мере вдвое превышающее рабочее давление газа. Сегодня баллоны делаются из материалов либо очень дорогих, вроде углепластика, либо очень тяжелых. Кроме того, они довольно велики, что затрудняет их размещение в автомобиле.

Водород можно хранить также в сжиженной форме, но для охлаждения его до температуры сжижения (-253 °С) требуются большие затраты энергии. Кроме того, за каждые сутки будет выкипать 3-4% жидкости.

Более удачное решение - транспортировка водорода в твердотельных системах. Перспективным может стать использование гидридов металлов, когда водород удерживается в порах спрессованного порошка металлического сплава, как вода в губке. Неоспоримые достоинства - простота конструкции системы, высокая степень безопасности и большая емкость. Однако для извлечения водорода из гидрида необходимы температуры от 150 до 300 °С. Чтобы избежать больших бесполезных затрат энергии, нужно добиться высвобождения водорода при температурах около 80 °С. Хотя исследования в этой области только начинаются, хранение в твердотельной системе очень привлекательно.

6.6 НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ДОРОГУ

Одной из последних разработок Mercedes-Benz специалистов из Штутгарта стал экспериментальный автомобиль F 500 Mind. Помимо гибридного дизельно-электрического привода, сенсорных педалей и овального рулевого колеса концепт-кар наделен системой ночного видения нового поколения. По сравнению с "пассивными" приборами ночного видения, фиксирующими только объекты, излучающие тепло, новая система оснащена собственным источником света. Лазеры, встроенные в фары, излучают инфракрасный свет, который отражается от окружающих объектов и снимается специальной камерой, передающей изображение на многофункциональный дисплей. Дальность действия лазерного луча в четыре раза больше, чем у стандартных фар ближнего света.

7. Как автомобили будут заправляться водородом?

Одной из наиболее актуальных и сложных задач, стоящих перед учеными в ближайшие годы, остается создание двигателей для транспортных средств, использующих в качестве топлива водород. В наши дни количество автомобилей, ежедневно загрязняющих окружающую среду, достигает в мире 705 млн., а к 2050 г. их будет в 3 раза больше, прежде всего, за счет Китая, Индии и других развивающихся стран. С учетом того, что 97% топлива для транспорта получают из нефти, необходимо сократить объемы ее потребления, чтобы снизить выбросы соединений углерода.

Но даже если конструкторы смогут создать автомобили с минимальным потреблением нефтепродуктов, и будут введены ограничительные меры для использования транспорта, достигнуть желаемых результатов вряд ли удастся. Следовательно, для того чтобы кардинально изменить ситуацию, необходимо не только создавать экономичные двигатели, но и перейти к новым видам горючего, которое можно получать из растительной массы и угля. В ближайшее десятилетие наибольший интерес будут представлять электромобили и водородные транспортные средства с экологически чистыми силовыми установками.