Главная страница [an error occurred while processing this directive]

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 14(299) 10 июля 2002 г.

Аркадий ШВАРЦ (Кёркленд, Вашингтон)

НЕФТЬ И АВТОСТРОЕНИЕ *

Автомобили по программе PNGV

Создание автомобилей с принципиально новыми типами двигателей требует больших денег и практически невозможно без государственной поддержки. Программа, по которой в США осуществляется финансирование исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание среднеразмерного (семейного) седана с эквивалентным удельным пробегом 80 миль/гал. (в три раза выше, чем у американского семейного седана образца 1993 г.), называется Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV). В соответствии с соглашением, заключённым в 1993 г. между администрацией президента Клинтона и автостроителями, концептуальные прототипы с указанным выше пробегом должны были быть созданы к 2000 г., а головная производственная серия лучшей модели изготовлена в 2004 г. Деньги на программу поступают из бюджета, т.е. из федеральных налогов. По программе (PNGV) финансируются работы 800 человек в 21 лабораториях семи федеральных агентств, в том числе и таких, которые ранее занимались созданием ядерного оружия, а также в исследовательских центрах Детройтской тройки и многочисленных компаниях, изготавливающих комплектующие. С 1995 г. по программе было израсходовано 1,7 млрд. долларов. Большая часть средств была направлена на создание автомобилей-гибридов и с топливными элементами.

Об американских моделях автомобилей-гибридов, которые должны поступить в продажу в 2003-2004 гг. и японских, импортируемых в США с 2001 г., я подробно рассказал в предыдущей статье (Вестник #12).

Ни одна из названных в упомянутой статье моделей полностью не отвечает заданию, сформулированному в программе PNGV. В программе речь идёт о создании автомобиля по габаритам и весу сходного с Chevrolet Lumina, Dodge Intrepid и Ford Taurus (длина - 500 см, снаряженная масса - 1500 кг) и временем разгона до скорости 60 миль/час - не более 10 сек. Фактический удельный пробег город/шоссе базовых семейных седанов в 1993 г. был 19/29 миль/гал.

Первые концептуальные модели четырёхдверных пятиместных седанов, близких к поставленной задаче, были переданы на испытания в конце 2001 г. DaimlerChrysler представил Dodge ESX3, Ford Motor - Ford Prodigy, General Motors - GM Precept. Для снижения веса во всех моделях конструкторы старались максимально использовать лёгкие сплавы алюминия и магния и композиционные пластики типа тех, что применяют в корпусах ракет.

Dodge ESX3. Длина - 490 см, вес - 1020 кг. Трёхцилиндровый дизельный двигатель с турбонагнетателем и промежуточ ным охлаждением мощностью 74 л.с. и электромотор - 20 л.с. Удельный пробег - 72 мили на галлон бензина. Время разгона - 11 сек.

Ford Prodigy. Длина - 475 см, вес - 1090 кг. Четырёхцилиндровый дизельный двигатель с турбонагнетателем и промежуточным охлаждением, 74 л.с. и электромотор, 47 л.с. Удельный пробег - 71 миля на галлон бензина. Время разгона - 12 сек.

GM Precept. Длина - 490 см, вес - 1180 кг. Заднеприводная модель, оснащённая дизелем с турбонагнетателем и промежуточным охлаждением и электронной системой немецкой фирмы Бош - 54 л.с. Электромотор на передней оси - 34 л.с. и на задней - 13 л.с. Удельный пробег - 80 миль на галлон бензина. Время разгона - 11 сек.

Названные концептуальные модели по основным характеристикам близки к требованиям программы (PNGV) и несколько превосходят японскую Toyota Prius. Посмотрим, кто из Большой тройки в 2004 г. начнёт промышленный выпуск седана с гибридным приводом.

Пока что отсутствие серьёзной угрозы нефтяного эмбарго способствовало нежеланию Конгресса одобрить предложение правительства по поводу бурения нефтескважин на территории Национального арктического заповедника. Вместо этого законодатели, как и в начале девяностых годов, поддержали увеличение финансирования программ создания автомобилей как с гибридными двигателями, так и на топливных элементах.

Автомобили с топливными элементами

Схематически, топливный элемент представляет электрохимическую ячейку, в котором два электрода из пористого углерода с нанесённым катализатором разделены полимерной мембраной. Подаваемый под давлением водород взаимодействует на катоде с ионами гидроксила с образованием воды и выделением свободных электронов. На аноде кислород из воздуха взаимодействует с ионами водорода и поступающими от катода в виде тока электронами. При таком электрохимическом процессе выделяется тепло и образуются вода и электрический ток.

Впервые подобный эффект при реакции водорода с кислородом наблюдался ещё в 1839 г. Практическая реализация процесса была осуществлена сравнительно недавно при создании космической техники. Чтобы можно было приступить к разработке автомобилей с топливными элементами, пришлось преодолевать самые разные технические проблемы, ряд которых ещё не доведен до промышленно-приемлемого решения. Первые созданные образцы использовали водород в баллонах. Затем появились автомобили с водородом, химически связанном в метиловом спирте (метаноле). В 2002 г. продемонстрированы первые варианты машин, в которых водород генерируется из бензина.

NECAR-1 Первый в истории автомобиль на топливных элементах был показан компанией Daimler-Benz в 1994 г. К 2000 г. был готов улучшенный образец NECAR-4, намеченный к опытному выпуску с 2004 г. Автомобиль собран на платформе Mercеdes-Benz A-class и имеет длину всего 338 см. Модель пятиместная и пятидверная. Снаряженная масса - 1635 кг. Топливные элементы и бак, содержащий 24 галлона жидкого водорода, расположены под полом, что обеспечивает достаточное пространство в салоне для пассажиров и багажа. Мощность электромотора - 74 л.с., максимальная скорость - 90 миль/час, запас хода - 280 миль. Движение начинается сразу после нажатия на педаль акселератора. 90% максимальной мощности двигателя достигается за две секунды. Автомобиль с топливными элементами имеет динамику, сопоставимую с машинами, оснащёнными бензиновыми или дизельными моторами. Эффективность использования энергии водорода в первых опытных образцах оценивалась эквивалентно удельному пробегу 73 мили на галлон бензина. Общий пробег до капремонта определён в 150 тыс. миль. Ориентировочная цена - 45 тыс.дол.

Focus FCV. Партию легковых автомобилей с топливными элементами на жидком водороде, на базе популярной модели Ford Focus, к выпуску в 2004 г. готовит исследовательский центр американской Ford Motor Company. Немецкий филиал компании Ford Forschungszentrum Aachen в сотрудничестве с 40 университетами из 12 стран создал модель Mondeo Р2000 HFC на платформе семейного седана Ford Taurus. Бак с жидким водородом расположен за задним сидением. Электромотор в 120 л.с. разгоняет автомобиль длиной 475 см до скорости 60 миль/час за 14 сек, максимальная скорость - 90 миль/час, пробег между двумя заправками - 100 миль. (160 км). Партия Mondeo Р2000 HFC для опытной эксплуатации будет также собрана в США. Ориентировочная стоимость - 35 тыс. дол.

Баварский концерн BMW демонстрирует во многих странах седан BMW 750hl с баком на 140 л. жидкого водорода. Максимальная скорость - 140 миль/час, запас хода - 218 миль, или 350 км. Роботизированная станция для заправки жидким водородом была построена в 1999 г. в Мюнхене, рядом с аэропортом. 15 машин BMW 750hl с 1999 г. пробежали, в общей сложности, 65 тыс. миль.

Японский автоконцерн Toyota готовится к выпуску в 2003 г. первых партий автомобилей с топливными элементами на жидком водороде на базе платформы вседорожника Kluger V, ценой 75 тыс. дол. Максимальная скорость - 150 км/час, пробег между двумя заправками - 250 км. Возможные покупатели - правительство и крупные корпорации. На начальном этапе эксплуатация машин будет только в Токио, где должны быть построены специальные заправочные станции.

Высокая стоимость автомобилей на топливных элементах с жидким водородом обусловлена применением катализаторов на основе редких металлов (платина и др.) и сложной системой хранения водорода при весьма низкой температуре. Дополнительные проблемы возникают при стоянке машины на солнце, когда начинаются тепловые потери водорода в системе топливных элементов.

Ради накопления опыта, необходимого для решения возникающих технических задач, в 2000 г. была начата эксплуатация шести автобусов в Чикаго и Ванкувере (Британская Колумбия, Канада). Канадская компания Ballard Power Systems, созданная в 1979 г. со штаб-квартирой в Ванкувере, лидирует в создании топливных элементов для автомобилей. Финансируют работы автостроители (до миллиарда долларов). DaimlerChrysler сравнительно недавно приобрел 25% акций компании Ballard.

Хранение водорода под давлением вызывает и другие проблемы, в том числе и возможность взрыва при утечке. В связи с этим системы, где источником водорода является жидкий (при атмосферном давлении) метиловый спирт или бензин, представляются более перспективными. При применении метанола упрощается система хранения и транспортировки топлива. С бензином ещё проще, но пока не разрешены все проблемы создания недорогого и надёжного в эксплуатации конвертера для разложения углеводородов с образованием водорода и углекислого газа.

DaimlerChrysler намерен в 2003 г. изготовить для опытной эксплуатации партию автомобилей NECAR-3 с топливными элементами на метаноле и запасом хода между двумя заправками 400 миль. У фордовской модели Ford Mondeo P2000 FC5, создаваемой в европейском исследовательском центре компании Ford Forschungzentrum Aachen, 400 топливных ячеек на метаноле массой 172 кг. расположены под капотом. При температуре 85 градусов Цельсия начинается реакция образования водорода из метанола. Электромотор мощностью 120 л.с. обеспечивает достижение максимальной скорости 145 км/час. Время разгона после трогания с места до скорости 100 км/час - 14 сек. Запас хода - 160 км, возможная стоимость - 35 тыс.дол. Алюминиевый кузов машины на 40% легче стального, а магниевый картер легче алюминиевого. До запуска в производство в 2004 г. создатели машины рассчитывают снизить цену до 15 тыс. дол.

В исследовательском центре General Motors в штате Аризона недавно в присутствии журналистов были проведены первые ходовые испытания минивэна GM Hydrogen 1. Большинство разработчиков - немецкие инженеры из германского филиала компании. Аналогичный автомобиль Opel Zafira создаётся непосредственно в принадлежащем General Motors центре альтернативных силовых установок в Германии. Бак для хранения 54 л. метанола с батареей топливных элементов для получения электротока расположены в задней части автомобиля. Аккумулятор и электромотор мощностью 50 квт расположены над передними колёсами. Максимальная скорость - 120 км/час.

Автомобили с электродвигателями и топливными элементами - экологически чистые машины. Нет выбросов соединений азота, серы и углеводородов. Углекислого газа образуется значительно меньше, чем у бензиновых двигателей. Но возникают новые технические и экономические проблемы при создании портативных установок для получения водорода непосредствен но в силовом агрегате автомобиля. Например, на сегодняшний день, после стоянки с неработающим двигателем требуется до двух минут, чтобы вся система начала работать снова. Стоимость автомобильной установки с топливными элементами на метаноле или бензине - около 15 тыс. дол. на 1 квт мощности, при 3-5 тыс. долларов - для бензинового двигателя внутреннего сгорания.

При применении метанола существует риск отравления. Выпитый в небольшом количестве метанол вызывает слепоту. С другой стороны, метанол может получаться при химической переработке морских водорослей и различных отходов сельского хозяйства, т.е. относится к воспроизводимым сырьевым ресурсам. В связи с токсичностью метанола и относительно невысокой стоимостью бензина ряд организаций в разных странах интенсивно работают над созданием портативного конвертера для переработки бензина с образованием водорода и углекислого газа. В такой системе устраняются вредные выбросы, имеющиеся даже у самых чистых двигателей внутреннего сгорания, сокращается выделение углекислого газа, значительно возрастает пробег на единицу применяемого жидкого топлива и не требуется никаких изменений в системе существующих повсюду автозаправок.

General Motors в апреле продемонстрировала журналистам пикап Chevrolet S10 с топливными элементами, источником водорода для которых служит бензин. Усреднённый удельный пробег автомобиля - 35-40 миль/гал., против 22 миль/гал. для Chevrolet S10 с обычным четырёхцилиндровым двигателем 2,2 л. и автоматической трансмиссией. General Motors рассчитыва ет стать первой компанией, которая выпустит миллион автомобилей с топливными элементами. Для реализации проекта необходимо производство в стране бензина без или с ничтожно малым содержанием серы. Галлон такого бензина будет стоить на 5 центов дороже. Цена конвертера для выделения водорода при массовом производстве может быть не более 3 тыс. дол.

Российский АвтоВАЗ для создания автомобиля на топливных элементах сотрудничает с ракетно-космическиой корпорацией Энергия и государственным научным центром "Курчатовский институт". Первый испытательный образец автомобиля с конвертером для получения водорода из бензина будет создан в текущем году.

Многие автопроизводители стремятся первые партии машин на топливных элементах выпустить в 2004, в крайнем случае - в 2005 г. Японские компании Toyota и Honda даже объявили, что они начнут опытно-промышленное производство легковых автомобилей с топливными элементами в 2003 г. Насколько это реально, сказать трудно. Ясно, что несколько лет уйдёт на опытную эксплуатацию и отработку наиболее безопасной и технологичной системы. Я думаю, что реально промышленное производство экологически чистых автомобилей с двигателями, которые питает электроток, образующийся при реакции водорода с кислородом, следует ожидать к 2008 - 2010 г.г. К этому времени будет накоплен большой опыт эксплуатации и обслуживания машин с гибридными приводами.

Различные направления работ по исключению или резкому сокращению применения бензина на автотранспорте неизбежно приведут к коренному изменению структуры автомобильного парка. Одновременно значительно уменьшится негативное воздействие на окружающую среду, и в жизнь войдут более жёсткие экологические нормативы. Определятся экономически эффективные области применения принципиально разных типов двигателей. В результате снизится общая потребность индустриальных стран в углеводородном топливе, снизится его стоимость и уменьшится политическое влияние крупных производителей нефти, в первую очередь - ближневосточных.


* Окончание. Начало см. "Вестник" #11(296), 2002 г.

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 14(299) 10 июля 2002 г.

[an error occurred while processing this directive]