Главная страница

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 19(356) 15 сентября 2004 г.

АВТОМОБИЛЬ И МЫ

Аркадий ШВАРЦ (Кёркленд , Вашингтон)

Снова о водороде

Aвтомобиль давно стал неотъемлемой частью повседневного быта, и затраты на бензин составляют немалую часть семейного бюджета. Стоимость и доступность автомобильного топлива волнуют миллионы американцев и жителей других стран. Поэтому всё больше дискуссий в СМИ о завтрашнем дне автостроения и перспективных типах двигателей и топлива. Oдно из возможных решений проблемы — использование водорода в качестве горючего. Водород — самый лёгкий и один из наиболее распространённых в природе химических элементов. Он составляет восьмую часть воды по весу. Значительное количество водорода содержится в угле, торфе, древесине, нефти, природном газе и прочих органических материалах.

Над созданием автомобилей с топливными элементами на водороде работают DaimlerChrysler, General Motors, Ford, Toyota, Honda и другие ведущие автостроители (см. «Вестник» №10, 2004 г.). В Германии, Австрии, США начинают строить станции для заправки автомобилей сжатым водородом. Губернатор Калифорнии Арнольд Шварценегер подписал распоряжение о строительстве к 2010 г. в штате 200 таких станций. Водород как перспективное альтернативное топливо фигурирует в предвыборных программах президента Джорджа Буша и сенатора Джона Керри.

Особенно большое внимание комплексному решению проблемы создания «зелёного» автомобиля будущего уделяют в Европе. Еврокомиссия разрабатывает масштабную программу внедрения водорода и других видов альтернативного топлива. К 2020 г. водород должен составить не менее 5% потребляемого горючего. Доля всех альтернативных видов топлива должна превысить 20%.

В России в головной организации по получению и новым направлениям в промышленном применении водорода — «Институте водородной энергетики и плазменных технологий» Российского научного центра Курчатовского института совместно с рядом других организаций завершается подготовка к мелкосерийному испытательному выпуску электрохимических установок для автобусов и легковых автомобилей и ведётся форсированный поиск путей снижения их стоимости.

Однако, многие специалисты выражают сомнения в перспективности водорода как автомобильного топлива. Интересные соображения об экономической нецелесообразности производства водорода для применения на транспорте вместо бензина высказал к.т.н. Александр Мишулович в письме, опубликованном в «Вестнике» №13 за 2004 г. Технические, экономические и организационные проблемы, требующие больших инвестиций для своего решения порождают неуверенность в возможности массового применения водорода в автостроении и у ряда американских экспертов.

Есть иные альтернативные виды топлива со своими достоинствами и недостатками, например, природный газ, биотопливо, синтетические диметиловый эфир и этиловый спирт («Вестник» №26, 2003 г.). Я полагаю, что, скорее всего, через 15-20 лет будут сосуществовать разные типы двигателей, как сейчас наряду с поршневым применяется дизель. У каждого типа двигателя и топлива будет свой сектор рынка легковых и грузовых автомобилей и автобусов с оптимальным сочетанием технических характеристик и стоимости при весьма малом или полном отсутствии вредных выбросов. Наилучшее решение с точки зрения защиты окружающей среды и экономики и определит победителя. Для автобусов и др. видов общественного транспорта это может быть одно решение, для городского автомобиля — другое, для внедорожников — третье.

К 2020 г. в США, как в Европе и Японии, следует ожидать значительное сокращение удельного потребления бензина, в первую очередь — за счёт массовой эксплуатации машин с гибридными агрегатами (двигатель внутреннего сгорания и электромотор). Формирование перспективной структуры автопарка — длительный многофакторный процесс.

Журнал Motor Trend недавно провёл дискуссию по топливным элементам и водороду как автомобильному топливу. Американские специалисты высказались за и против. Данная статья, подготовленная на основе анализа материалов этой дискуссии и некоторых других публикаций, приглашает читателей «Вестника» высказать свои соображения об автомобиле будущего.

 

Источники и ресурсы водорода: Самый простой способ получения чистого водорода (без одновременного образования углекислого газа) — электролиз воды. Основной недостаток процесса — большой расход электроэнергии. Поэтому в США почти все 9 млн. тн. производимого ежегодно водорода получают преобразованием природного газа метана при воздействии воды при 800-1000 град. Цельсия в присутствии никелевых катализаторов. Необходимое тепло получают сжиганием того же метана. Главный недостаток процесса — образование углекислого газа, нежелательного из-за его влияния на парниковый эффект. Необходимо параллельное химическое производство для связывания углекислоты в какой-либо практически полезный продукт. При значительном росте потребности в водороде в промышленном масштабе могут быть реализованы другие процессы, например, каталитическое разложение воды под действием солнечной энергии в регионах с большим числом солнечных дней в году или каталитическое расщепление метана и других низкомолекулярных углеводородов, образующихся при термической обработке (газификации) угля. Московский институт водородной энергетики и плазменных технологий с 1992 г. работаeт над созданием экoномичной промышленной технологии получения водорода из воды при 800 град. Цельсия в специализированном ядерном реакторе. Учёные Калифорнийского университета (г. Беркли) нашли способ стимуляции выделения водорода некоторыми видами водорослей, живущих в прудах и озёрах.

 

Стоимость: По оценке американской национальной технической академии (National Academy of Engineering) текущая оптовая цена сжатого водорода при крупномасштабном производстве и транспортировке по трубопроводам — $2/кг, перспективная — на 40 центов ниже. Энергетически один кг водорода эквивалентен галлону бензина, текущая оптовая цена которого — $1,12/гал. На автозаправках розничная стоимость водорода, полученного преобразованием природного газа, — $3,50/кг и $6,30/кг — для электролитического. Перспективная розничная цена водорода — $2,3/кг и $3,9/кг соответственно. Таким образом, если стоимость бензина на автозаправках не превысит $2,5/гал., экономической заинтересованности у потребителя в США в переходе на водород не предвидится. Напомню, что в Европе розничная стоимость бензина уже составляет $4-5/гал.

 

Хранение и транспортировка: На близкие расстояния от завода-изготовителя сжатый под давлением 350 или 700 атм. (5000 или 10000 фунт/кв. дюйм) водород перевозится в баллонах или в сжиженном состоянии в специальных контейнерах с эффективной термоизоляцией при температуре минус 423 по Фаренгейту (минус 253 по Цельсию). При транспортировке жидкого водорода значительны потери вследствие испарения (3% ежедневно) и на расстояния свыше 200 миль его перевозка непрактична. Обеспечение автозаправочных станций сжатым водородом и заполнение баллонов, находящихся в автомобиле, технически больших проблем не представляет. Современные материалы гарантируют высокую надёжность таких сосудов. Однако увеличивается вес автомобиля и уменьшается полезное пространство, т.к. баллон с одним кг сжатого при 700 атм. водорода занимает в 7,5 раз больше места, чем энергетически эквивалентное количество бензина.

 

Топливные элементы: Схематически, современный топливный элемент представляет собой электрохимическую ячейку, в которой два электрода из пористого углерода с нанесённым катализатором (например, платина) разделены полимерной мембраной. Подаваемый под небольшим 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. Топливный элемент — не новинка. Впервые появление электротока при реакции водорода с кислородом наблюдал английский физик Вильям Гроди ещё в 1839 г. Практическая реализация процесса была осуществлена при создании источников энергии взамен солнечных батарей для космических аппаратов, например по программе Apollo, в шестидесятые годы. Синтезированная вода использовалась для питья. Для начала массовых экспериментальных работ по созданию автомобилей с топливными элементами пришлось решить массу технических задач. Многое ещё не преодолено, включая большую стоимость системы, замедление реакции при минусовых температурах воздуха, медленный разбег автомобиля после стоянки, повышение его веса и уменьшение пространства салона и багажника.

Для снижения веса машины в каркасе и деталях применяют максимально возможное количество алюминия и лёгких углепластиков. Тем не менее, максимальный пробег первых образцов машин с баллонами со сжатым водородом не превышал 250 миль. Несколько больший пробег у автомобилей с топливными элементами, в которых как носитель связанного водорода применяется метиловый спирт. К середине 2004 г. количество демонстрируемых на разных выставках вариантов машин с топливными элементами превысило два десятка. Наряду с упомянутыми в предыдущей статье («Вестник» №10, 2004 г.) можно назвать двухдверный четырёхместный хэтчбек Honda FCX, который с 2002 г. бегает по улицам Лос-Анджелеса. Электромотор мощностью 80 л.с. вращает передние колёса с максимальной скоростью 93 мили/час. 3,8 кг водорода при заправке загружают под давлением 350 атм. в два баллона из лёгкого высокопрочного сплава алюминия.

С 2002 г. активно ведутся работы по созданию перспективных технически и экономически приемлемых установок с использованием водных растворов борогидрида натрия. Концерн DaimlerChrysler в январе на автошоу в Детройте показал минивэн Natrium. Водный раствор (две трети — вода, остальное — борогидрид натрия) заливается в бак. Прокачивая раствор через конвертер с катализатором, получают водород, необходимый для работы топливных элементов. Образующийся электроток накапливается в аккумуляторе, который питает 55-киловатный электромотор. 54 л раствора достаточно для пробега минивэном 300 миль (около 500 км). Время разгона 0-60 — 16 сек. Создатель установки — компания Millenium Cell (штаб-квартира — в г. Eatontown, штат Нью-Джерси). Разработчики утверждают, что такая установка при эксплуатации экономически эффективна при оптовой цене бензина не менее $1,25/гал. Для масштабного применения автомобилей с борогидридом натрия необходима установка на всех автозаправках двух резервуаров: один — для исходного раствора, другой — для использованного, который следует сливать при заправке. Отработанное топливо подвергается многократному насыщению водородом. Водный раствор борогидрида натрия не горит, малотоксичен и экологичски чист. В настоящее время этот химикат достаточно широко применяется в качестве эффективного восстановителя на многих химических производствах. Французская автомобильная компания Peugeot в этом году также продемонстрировала небольшой противопожарный Peugeot Н20 с аналогичным силовым агрегатом. Автомобиль, оборудованный баком с пеной, брандсбойдом, шлангом, выдвижной лестницей весьма маневрен. Отсутствие бензинa позволяет действовать в тесных городских улочках в горячей зоне вблизи очага возгорания. Топливные элементы с борогидридом натрия как носителем водорода или другими подобными соединениями представляются более перспективными для широкого промышленного применения в сравнении со сжатым водородом.

Разработанный в Институте водородной энергетики и плазменных технологий автомобильный электрохимический комплекс с топливными элементами также позволяет отказаться от баллонов со сжатым водородом. Но пока не решена проблема конкурентоспособности установок с топливными элементами, возникает очевидный вопрос: почему бы не форсировать для автомобиля будущего организацию производства электромобилей с подзарядкой аккумулятора в гараже от обычной электросети.

Первый электромобиль был построен в США в 1892 г. В 1910 г. на электромобиле был установлен рекорд скорости — свыше 100 миль/час. Тем не менее, первый серийный легковой электромобиль (созданный General Motors) — EV1 поступил в продажу только в 1997 г. и был продан всего в количестве 689 экземпляров.

В том же 1997 году на рынок в Калифорнии с электромобилем Honda EV PLUS вышла японская фирма. За год в лизинг с оплатой 450 дол. в месяц разошлось всего 300 машин. В 2002 г. по несколько сот электромобилей собрали General Motors, Honda, Nissan, Ford Motor, DaimlerChrysler. Пробег между двумя подзарядками большинства поступавших в продажу электромобилей, включая Ford Think и GEM E825, не превышал 100 миль. Работы по созданию электромобилей были свёрнуты, а накопленный опыт использован при создании машин с гибридными силовыми установками, не требующими подзарядки от внешних источников электротока (Toyota Prius и др.; «Вестник» №1, 2004 г.). Но работы по совершенствованию аккумуляторных батарей продолжаются. Пробег лучших образцов электромобилей с литий-ионными и литий-полимерными супераккумуляторами последнего поколения между подзарядками превышает уже 200 миль. Чтобы можно было вновь вернуться к массовому электромобилю, необходимо создание аккумулятора, способного обеспечить минимум 300 миль пробега без подзарядки. Реализоваться могут и разные варианты гибридов. Некоторые эксперты высказываются за перспективность автомобилей-гибридов с силовыми агрегатами, включающими небольшой дизель (в том числе на биотопливе) или двигатель на сжиженном газе и электромотор с супераккумулятором, подзаряжаемым от электросети и при торможении (Plug-in Hybrid Electric Vehicle). Трудной для решения проблемой остаётся стоимость и система сборки и утилизации отработанных батарей, особенно, если они будут содержать токсичные и загрязняющие внешнюю среду тяжёлые металлы.

Следует также отметить, что использование водорода как автомобильного топлива может идти не только по линии получения электроэнергии в топливных элементах. Немецкий концерн BMW с 1978 г. работает над созданием двигателей внутреннего сгорания с применением водорода вместо бензина. В последние годы была собрана первая серия седанов BMW 750hL с двенадцатицилиндровым двигателем 201 л.с., временем разгона 0-60 — 9,6 сек и пробегом 180 миль при загрузке 5 л жидкого водорода. Следующая серия BMW 745h имеет восьмицилиндровый двигатель 181 л.с. и примерно те же динамические характеристики. Компания создала специальные инжекторы для подачи сжатого водорода в камеру сгорания, обеспечивающие очень малое содержание в выхлопных газах окислов азота и углеводородов при отсутствии даже следов углекислого газа.

Японская Mazda работает над созданием роторного двигателя на водородном топливе. Специалисты компании утверждают, что при применении водорода горение осуществляется более равномерно по всему объёму камеры, что улучшает работу двигателя. Двигатель Renesis Hydrogen RE имеет мощность 110 л.с. на водороде и 210 л.с. при работе на бензине. Ford Motor создал четырёхцилиндровый двигатель 2,3 л Model U с мощностью почти такой же, как у бензинового мотора того же объёма.

В заключение можно высказать предположение, что, как бы успешно ни развивались работы по созданию принципиально новых типов автомобильных двигателей, в течение многих лет наиболее экономически эффективной будет та или иная гибридная система.

Главная страница | Архив | Содержание номера

Номер 19(356) 15 сентября 2004 г.

[an error occurred while processing this directive]