Главная страница

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 10(347) 12 мая 2004 г.

АВТОМОБИЛЬ И МЫ

Аркадий ШВАРЦ (Кёркленд, Вашингтон)

Автомобиль будущего

Год назад завершились крупные боевые действия в Ираке, и иракская нефть получила возможность поступать на рынок. Однако цены на бензин продолжают расти. ОПЕК не очень заботят проблемы стран-потребителей нефти, производители играют в свои игры, их, в первую очередь, интересует прибыль. В этой ситуации в США всё острее стоит вопрос об уменьшении энергетической зависимости от нефтедобывающих арабских государств. Для решения такой задачи имеется несколько направлений, включая переход автотранспорта на другие виды топлива и применение комбинированных силовых агрегатов с электромоторами (гибридные двигатели) (См. Вестник #25 и 26, 2003 г. и #1 2004 г.) Судя по темпам развития последних, через 5-7 лет ежегодная сборка автомобилей с гибридными установками ведущими автопроизводителями будет исчисляться миллионами. Однако сокращение расхода бензина при этом не превысит 30-40%. Кардинальным решением будет замена двигателей внутреннего сгорания чисто электрическими моторами, питаемыми топливными элементами, соединяющими водород с кислородом.

Схематически, топливный элемент представляет электрохимическую ячейку, в которой 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 реагирует с ионами водорода и поступающими от катода в виде тока электронами. При таком электрохимическом процессе выделяется тепло и образуются вода и электроток. Хранение и транспортировка газообразного водорода осуществляется под давлением 250 атм и более, или сжиженного — при минус 253 по Цельсию. Альтернативная технология предусматривает непосредственное получение водорода в автомобиле в специальном реакторе (конвертере) из метилового спирта, бензина или другого водородсодержащего соединения, например, натрийборогидрида. При применении жидкого носителя связанного водорода упрощается система хранения и транспортировки топлива, но необходим недорогой и надёжный в эксплуатации катализатор для разложения исходного продукта с выделением газообразного водорода. При создании портативных установок для получения водорода непосредственно в автомобиле возникают новые технические и экономические проблемы. Например, после стоянки с неработающим двигателем требуется до двух минут, чтобы заработала вся система.

Автомобили с электродвигателями и топливными элементами — экологически чистые машины. Нет выбросов соединений азота, серы и углеводородов. Исключительно мало образование углекислого газа.

Впервые появление электрического тока при реакции водорода с кислородом наблюдал английский физик Вильям Гроди ещё в 1839 г. Практическая реализация процесса была осуществлена при создании источников энергии, заменяющих солнечные батареи на космических аппаратах, например, по программе Apollo в шестидесятые годы. Чтобы можно было приступить к разработке автомобилей с топливными элементами, пришлось преодолеть самые разные технические проблемы. Но темпы этих работ исключительны. Так, немецкая компания Daimler-Benz (ещё до слияния с американской Chrysler) в 1994 г. показала первый концептуальный автомобиль на топливных элементах NECAR-1. В последующие три года были созданы усовершенствованные NECAR-2 и NECAR-3, а в 2000 г. — пятиместный хэтчбек NECAR-4 и небольшой двухдверный F-Cell.

В 2001-2003 г. на автошоу в США, Японии, Европе было продемонстрировано много экспериментальных образцов машин на топливных элементах и организованы их опытные и показательные пробеги. В первую очередь следует отметить модели самого крупного автостроителя General Motors GM HY-WIRE и GM HYDROGEN 3. General Motors на создание автомобилей с топливными элементами тратит четверть всех средств, выделяемых в компании на опытно-исследовательские работы. Массовое производство машин на топливных элементах компания планирует с 2010 г., хотя на создание по всей Северной Америке широкой сети станций для заправки баллонов с водородом потребуется, как предполагается, около двадцати лет.

GM HY-WIRE. Пятиместный четырёхдверный седан был впервые показан в Париже осенью 2002 г. Трёхфазный асинхронный двигатель 80 л.с. расположен под капотом и вращает передние колёса. Под полом салона непосредственно в структуре шасси размещены 200 элементов, в которых водород из трёх баллонов высокого давления реагирует с кислородом воздуха. Общая длина машины — 495 см, вес — 1900 кг. Время разгона при трогании с места 0-40 — 10 сек. Запас хода 80 миль, разработчики рассчитывают довести пробег между перезарядкой баллонов до 170 миль. Стоимость при массовом производстве прогнозируется в районе 65 тыс. дол. Рулевое колесо заменено на штурвал, который может быть расположен в салоне справа или слева. Всё управление осуществляется по проводам, по которым сигнал от соответствующих клавиш на штурвале передаётся тому или иному электромотору. (Система управления drive-by-wire). Компактное расположение всей топливной системы в плоском модуле, интегрированном в шасси (условное название «skateboard») позволяет устанавливать на одну и ту же ходовую часть различные кузова. В 2003 г. компания показала в Вашингтоне и передала шести конгрессменам для опытной эксплуатации микровэны GM Hydrogen 3 на таком же шасси, что и HY-WIRE. Длина — 432 см, вес — 1580 кг, ориентировочная стоимость при массовом производстве — 55 тыс. дол. Время разгона при трогании с места 0-60 — 16 сек. Более медленный, в сравнении с бензиновыми двигателями, набор скорости (если не установлен аккумулятор) пока преодолеть не удаётся. При температуре 4 градуса ниже нуля (по Цельсию) требуется 30 сек, чтобы начался процесс и автомобиль тронулся с места. В Вашингтоне (округ Колумбия) компания оборудовала станцию для перезарядки баллонов с водородом. Большинство разработчиков GM Hydrogen 3 — немецкие инженеры из германского филиала компании. Параллельно на платформе микровэна Opel Zafira в Германии в специализированном центре альтернативных силовых установок создаётся автомобиль с топливными элементами и метанолом.

General Motors в апреле 2003 г. 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 рассчитывает стать первой компанией, которая выпустит миллион автомобилей с топливными элементами. Но для промышленного производства машин с бензином как носителем связанного водорода необходимо производство в стране технических углеводородов без или с ничтожно малым содержанием серы. При массовом производстве галлон такого бензина может стоить всего на 5 центов дороже, а цена конвертера для выделения водорода — не более 3 тыс. дол.

Общая длина NECAR-4 компании DaimlerChrysler — всего 338 см. Топливные элементы размещены под полом, чтобы осталось достаточно места в салоне для пассажиров и багажа. Мощность электромотора — 74 л.с., максимальная скорость — 90 миль/час, запас хода — 280 миль. Движение начинается сразу при нажатии на педаль акселератора, 90% максимальной мощности двигателя достигается за две секунды. Общий пробег до капремонта был определён в 150 тыс. миль, ориентировочная цена при массовом производстве — 45 тыс. дол.

Ford Motor в прошлом году собрал небольшую партию седанов Ford Focus FCV с установкой канадской компании Ballard Power Systems, образованной в 1979 г. со штаб-квартирой в г. Ванкувер и в течение многих лет лидировавшей в создании топливных элементов для автомобилей.

В борьбе за лидерство в разработке автомобилей с топливными элементами активно участвуют и японские фирмы. Несколько десятков четырёхместных двухдверных хэтчбеков Honda FCX с электродвигателем 80 л.с. и водородом (41 галлон жидкого водорода в двух баллонах) в качестве топлива компания Honda передала в 2003 г. в Лос-Анджелес для опытной эксплуатации. Honda FCX стала первой моделью на топливных элементах, которая прошла государственную сертификацию в Агентстве по охране окружающей среды США (Environmental Protection Agency, EPA) и получила разрешение на повседневную эксплуатацию. Мощность электромотора — 60 квт или 81 л.с. Полное отсутствие вредных выбросов. Запас хода — 170 миль. Удельный пробег на килограмм газообразного водорода — 51 миля в городе и 48 — на шоссе. Стоимость одного кг водорода — 5,05 дол. При пробеге в год 15 тыс. миль ежегодная стоимость топлива — 1515 дол. Но для начала продажи предстоит ещё решить много задач. В первых вариантах автомобилей с топливными элементами Honda, как и многие другие компании, использовала устройства Ballard Power Systems. В конце 2003 г. на автошоу в Лос-Анджелесе Honda показала комфортную четырёхместную модель бизнес-класса Honda Kiwami длиной 450 см с низким центром тяжести и топливными элементами собственной разработки.

Японский автоконцерн Toyota готовится к выпуску первых партий автомобилей с топливными элементами собственной конструкции на сжатом водороде FCHV-4 ценой 75 тыс. дол. Максимальная скорость — 150 км/час, пробег между двумя заправками — 250 км. На начальном этапе эксплуатация машин будет только в Токио, где будут построены специальные заправочные станции, а также в Калифорнии. Для накопления электроэнергии используются никель-металлогидридные батареи. Toyota в сотрудничестве с General Motors и ExxonMobil изучает возможность использования для получения водорода сверхчистых углеводородов (Clean Hydrocarbon Fuel). В текущем году 20 автомобилей с топливными элементами Toyota передаст на испытания в разные университеты.

Аналогичные исследования с собственными системами на сжатом и сжиженном водороде проводит японская Nissan (X-Trail FCV) и крупнейшие европейские автокомпании. Высокая стоимость топливных элементов 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 потери водорода при испарении в системе. По-видимому, для промышленной реализации более перспективна технология с получением водорода из бензина или метанола непосредственно на борту машины. В этом плане показательно развитие работ в России в г. Тольятти на АвтоВАЗе.

В 2001 г. АвтоВАЗ продемонстрировал первый образец модели Антэл-1 на платформе удлинённой Нивы, созданный в сотрудничестве с ракетно-космической корпорацией Энергия (г. Королёв) и Уральским электрохимическим комбинатом (г. Новоуральск). Специалисты УЭХК приспособили для использования на автомобиле электрохимический генератор «Фотон», повысив его напряжение с 30 до 120 вольт и мощность — до 25 квт. Инженеры из Энергии разработали и изготовили специальные баллоны объемом 60 л, выдерживающие давление 250 атмосфер и предназначенные для хранения водорода и кислорода на борту машины, установочную арматуру и автоматизированную систему управления энергоустановкой, а также технологическое оборудование для заправки водородом и кислородом и диагностики энергоустановки. На ОАО «АвтоВАЗ» были созданы тяговый электродвигатель мощностью 25 квт, транзисторный силовой преобразователь электропривода, блоки источников питания, зарядное устройство и изменён кузов удлиненной Нивы для обеспечения возможности монтажа установки с топливными элементами. Как показали первые испытания, запаса водорода в 1,2 кг оказалось вполне достаточно для пробега Антэл-1 до заправки порядка двухсот километров, а мощности энергоустановки в 25 квт — для движения со скоростью 80 км/ч.

Благодаря активной работе над проектом в 2002 — 2003 гг. были созданы второй и третий вариант модели Антэл со значительными изменениями в конструкции и применяемых материалах. Так, для хранения и подачи водорода применены суперлегкие и суперпрочные баллоны объемом 90 л и собственной массой всего 40 кг. Новые баллоны рассчитаны на давление 400 атм. А содержащегося в них водорода хватает на пробег в 350 километров. Новый электродвигатель переменного тока развивает мощность 90 квт (122 л.с.) при напряжении 200-300 вольт. АвтоВАЗом в проекте Антэл используется вновь разработанная никель-металлгидридная буферная аккумуляторная батарея с очень высокими показателями. Она в четыре раза превосходит обычную свинцово-кислотную батарею по удельной энергоемкости, что позволяет не только быстро запускать установку на топливных элементах, но и кратковременно увеличивать мощность почти в два раза, а также осуществлять рекуперацию энергии в процессе торможения автомобиля. На Антэл-2 впервые в России применён электроусилитель тормозов. При заметном уменьшении габаритных размеров тормозной системы электроусилитель существенно улучшает безопасность движения автомобиля за счет повышения эффективности торможения. С помощью специально разработанного мобильного комплекса создатели Антэл-2 существенно сократили время заправки автомобиля. Но, несмотря на быстрый прогресс в совершенствовании системы с баллонным водородом, для ходовых испытаний в 2004 г. должен быть изготовлен пятиместный автомобиль Антэл-3 с системой получения водорода из бензина. Все узлы и системы энергоустановки будут размещены под полом кузова и в подкапотном пространстве. Не будет баллонов для водорода и кислорода, а только бензобак. Пробег на одной заправке планируется довести до 900-950 км, что существенно выше, чем при сегодняшних двигателях внутреннего сгорания.

В 2004-2005 гг. начнётся мелкосерийный выпуск различных моделей с электрохимическими установками для всесторонних стендовых и дорожных испытаний и форсированный поиск возможностей снижения стоимости установок получения водорода. Но, как бы быстро не продвигались работы по созданию промышленной технологии производства автомобилей с топливными элементами, ещё предстоит решить много задач, среди которых важнейшая — экономическая. В рыночной экономике, в конечном итоге, всё решает цена. Как бы то ни было, при эксплуатации на дорогах США одной пятой всего автопарка с топливными элементами суточное потребление бензина может упасть на 1,5 млн. баррелей. Это приведёт к стратегическому уменьшению энергетической зависимости США от нефтедобывающих стран арабского мира и одновременно — к общему падению доходов в нефтехимическом бизнесе. Производители поршневых, дизельных и роторных двигателей без сопротивления не отдадут многомиллиардный автомобильный рынок создателям силовых установок с электромоторами и топливными элементами.

Дополнительный фактор в пользу топливных элементов — полное отсутствие вредных выбросов, что особенно важно для больших мегаполисов и таких штатов, как Калифорния. Губернатор Калифорнии Арнольд Шварценеггер уже заявил о своей поддержке строительства к 2010 г. 200 станций для заправки автомобилей водородом. Определённый вклад в создание автомобилей с топливными элементами могут внести также результаты аналогичных работ в других отраслях. Например, в организациях военно-морского флота США ведётся активная работа по получению водорода в топливных элементах из дизельного топлива.

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 10(347) 12 мая 2004 г.

[an error occurred while processing this directive]