Вторая водородная бомба
АрхивВ самих топливных элементах ничего кардинально нового нет. Это химические источники тока, превращающие "топливо" в электричество без горения. Иногда этот процесс называют холодным горением.
Начиная с конца 90-х, новости о топливных элементах в прессе стали появляться все чаще и чаще. Конечно, топливные элементы и альтернативные источники энергии вообще — не такая захватывающая тема, как клонирование или нанотехнологии, однако на сегодняшний день это одно из самых перспективных направлений развития высоких технологий. Но если био- и нанотехнологии на практике пока неприменимы (по крайней мере, те их приложения, о которых больше всего судачат в прессе), то в случае с портативными топливными элементами фантастика, похоже, станет реальностью в ближайшее время. Сразу несколько компаний объявили в мае, что продукты, питающиеся от топливных элементов, появятся в продаже уже в 2004–05 гг. Среди них и японская корпорация NTT DoCoMo, пообещавшая выпустить через пару лет мобильный телефон с топливными элементами.
Что это такое и зачем это нужно
Начать следует с того, что в самих топливных элементах ничего кардинально нового нет. Это химические источники тока, превращающие «топливо» в электричество без горения. Иногда этот процесс называют холодным горением. В качестве топлива могут использоваться разные соединения, но итоговая реакция, которая и служит источником энергии, как правило, происходит между водородом и кислородом.
По большому счету, принцип работы топливных элементов позаимствован у природы. В каждой живой клетке присутствует биологический водородно-кислородный топливный элемент. Источником водорода для живого организма является пища, кислород живые существа получают в процессе дыхания.
Можно сказать, что в топливном элементе эксплуатируется процесс окисления: энергия окислительно-восстановительной реакции переводится в электрическую. При этом теоретически электроды и электролит — как элементы, не участвующие в реакции — могут считаться практически вечными. На самом деле это, конечно, не так — хотя бы из-за наличия в топливе примесей. Тем не менее, срок службы батареи на топливных элементах многократно превосходит срок службы обычного аккумулятора.
Долговечность — не единственное достоинство топливных элементов. Топливные элементы тише и экологичнее, а их КПД примерно втрое превышает КПД стандартных энергоустановок, притом что цена электроэнергии ниже1. Также — и владельцы мобильных телефонов, ноутбуков и КПК наверняка с этим согласятся — очень привлекательной особенностью топливных элементов является то, что для их зарядки (которую уместнее было бы называть заправкой) требуется всего несколько минут. Залил в бак водородсодержащее топливо и работай себе дальше. Кроме того, сейчас разрабатываются топливные элементы, емкость которых в десятки раз выше, нежели у литий-ионных батарей. NTT DoCoMo пока скромничает. Если обычные аккумуляторы позволяют мобильникам работать примерно 150–170 часов, то рабочий ресурс мобильных телефонов на топливных элементах составит часов триста. Так что речь может идти только о двукратном увеличении емкости. Правда, другие японские компании — в частности, NEC и Sony — ранее заявляли о разработке топливных элементов повышенной емкости, однако ни сроки выпуска, ни стоимость этих элементов пока не определены. Что же до NTT DoCoMo, то цены тоже пока неизвестны, однако сомнительно, чтобы компания стала выпускать продукцию, которую не сможет переварить японский рынок. Разумеется, эти телефоны попадут в высшую ценовую категорию, но вряд ли их стоимость будет значительно отличаться от цены прочих hi-end-моделей.
Для автоиндустрии критичным моментом является экологичность топливных элементов и очевидная дешевизна топлива. То же самое привлекает в топливных элементах и производителей электроэнергии в промышленных масштабах.
Недостатки топливных элементов главным образом вызваны тем, что практические применения технологии до сих пор недостаточно разработаны. Топливных элементов производится очень мало, и, как правило, это опытные партии, которые либо вообще не продаются, либо слишком дороги2. К сожалению, пока не все могут позволить себе перейти на дешевое, экологически чистое и эффективное топливо. Кроме того, делать портативные и мощные топливные элементы научились совсем недавно — поэтому так удивляет заявление NTT DoCoMo, что уже в 2005 году появятся мобильники на топливных элементах.
Первые топливные элементы появились еще в середине XIX века, однако большого распространения они не получили, уступив место устройствам внутреннего сгорания. Тем не менее, ниша для топливных элементов нашлась, и исследователи продолжали совершенствовать технологию. В последние двадцать лет работы заметно активизировались. Причин тому несколько. И забота об окружающей среде и нуждах владельцев мобильников стоит далеко не на первом месте.
1 (назад) КПД стандартных энергоустановок достигает 35%. Когда говорят о КПД технологии топливных элементов, обычно называется цифра 95%, однако это суммарный КПД: сами топливные элементы обеспечивают КПД до 75%, остальное добирается за счет выделяемого при химической реакции тепла. Разумеется, чтобы достичь предельного КПД, это тепло еще нужно утилизировать. Рассуждения о том, что электричество, получаемое из топливных элементов, дешевле «обычного», тоже нужно понимать весьма условно. Сегодня энергоустановки, изготовленные по этой технологии, все еще слишком дороги, чтобы их можно было считать равноценной заменой стандартным энергогенераторам. — Прим. ред.
2 (назад) Топливные элементы — это общее название нескольких технологий, работающих по одному и тому же принципу. Кроме того, различают стационарные и портативные топливные элементы. Сказанное справедливо в первую очередь по отношению к портативным топливным элементам. — Прим. ред.
Нефть — всему голова
Иногда столь медленное внедрение в нашу жизнь топливных элементов объясняют противодействием компаний, завязанных на нефтяном бизнесе. Рассказывают даже невесть откуда взявшуюся байку о южноафриканском изобретателе, который сконструировал то ли суперэлектромобиль, то ли автомобиль с водородным двигателем (а это другая ипостась топливных элементов), но вынужден был свернуть свою деятельность из-за давления со стороны нефтяников, а потом и вовсе пропал. Самые впечатлительные добавляют, что пропал изобретатель со всей семьей.
Наверное, доля правды в этих россказнях есть. Возможно, двадцать лет назад нечто подобное действительно могло произойти — хотя, честно говоря, описанное больше напоминает фабулу плохого голливудского фильма. Но сегодня исследования в области совершенствования топливных элементов идут полным ходом и щедро финансируются. Не осталось ни одного крупного автомобильного концерна (не исключая и «АвтоВАЗ»), который бы не финансировал исследовательские разработки в этом направлении. Так, Ballard Power Systems создает топливные элементы для DaimlerChrysler и Ford, а UTC Fuel Cells (бывшая International Fuel Cells) сотрудничает с Hyundai, Nissan и Renault. Отдельные корпорации пытаются разработать технологии самостоятельно, не прибегая к помощи специализированных компаний: в 1999 году General Motors заключила договор о пятилетнем партнерстве с Toyota, и результаты совместной работы мы можем увидеть уже сегодня — General Motors успела показать концепт-кар с водородным движком (AUTOnomy), а Toyota даже запустила свою модель в производство. Правда, массовым этот автомобиль назвать трудно — сегодня машина, работающая на водороде, в несколько раз дороже своих неэкологичных конкурентов. Трудно представить покупателя, которого настолько волнует состояние окружающей среды, поэтому предполагается, что эти автомобили будут, прежде всего, арендовать.
Honda с 1989 года работает над топливными элементами самостоятельно3 и не отстает от конкурентов. Новенькие «водородные» «Хонды» сошли с конвейера уже в этом году.
Вторая водородная бомба
Несмотря на возможное противодействие нефтяных магнатов и, прямо скажем, довольно спокойное отношение к новинкам со стороны потенциальных покупателей, технология топливных элементов развивается очень интенсивно. Потому что в ней заинтересован не менее влиятельный и могущественный игрок, чем нефтяные корпорации, — правительство США.
Стремление американской экономики ослабить свою зависимость от экспортеров нефти, разумеется, существовало всегда. Но только теперь, когда перспектива перейти на альтернативные источники энергии действительно выглядит реальной, это стремление получило документальное подтверждение. В январе нынешнего года Джордж Буш-младший выступил с инициативой Freedom Fuel. Суть инициативы понятна из названия — цель Буша освободить США от импорта нефти. На развитие соответствующих технологий (а топливные элементы являются важнейшей, но не единственной технологией альтернативных источников энергии) в ближайшие пять лет будет потрачено более 1,2 млрд. долларов из государственного бюджета. Впоследствии, правда, название программы пришлось сменить из-за конфликта с уже существующей торговой маркой Freedom Fuel — теперь инициатива называется Hydrogen Fuel или просто Fuel Initiative. Кроме того, уже несколько лет американское правительство поддерживает разработки автомобилистов в этой же области (с 2002 года в рамках проекта FreedomCAR). Главная цель — сделать так, чтобы к 2020 году любой американец был поставлен перед выбором, какую машину ему покупать — «водородную» или «старорежимную». Сейчас у него такого выбора нет. Даже если все автомобильные корпорации в спешном порядке начнут производить «водородные» автомобили, стоимость топливных элементов так высока, что эти машины будут в несколько раз дороже обычных авто.
Наивно думать, что американцы надеются совсем обойтись без нефти. Разумеется, в ближайшем будущем это невозможно. Однако сохранить уровень потребления нефти на сегодняшнем уровне — тоже неплохое достижение.
По тому же пути идут и правительства других стран. В Австралии в этом году запустили национальную программу развития топливных элементов и водородной энергетики. Предполагаемое финансирование хоть и не потрясает воображение после американских масштабов — для Австралии очень велико, порядка 240 млн. долларов на три года. При этом подразумевается, что в случае успеха программы можно рассматривать топливные элементы в качестве основного технологии получения электроэнергии для Австралии.
Водородная Россия
Первое транспортное средство на водородных топливных элементах было создано в России еще в начале 1980-х гг. Это был концепт-кар на базе микроавтобуса РАФ. Концепт концептом, но «водородный рафик» был вполне работающим прототипом и не просто мог двинуться с места, а спокойно участвовал в городском движении. Перестройка и последующие события привели к тому, что финансирование этих разработок практически прекратилось, а вернулись к «водородной» проблеме относительно недавно. У нас водородными топливными элементами занимается сразу несколько научных организаций, в том числе Российский научный центр «Курчатовский институт» и ГНЦ «НАМИ»… Правда, аккумуляторы для мобильников и ноутбуков никто делать не пытается. Зато пытаются делать автомобили.
3 (назад) На самом деле, уже не совсем самостоятельно. С Ballard Honda сотрудничает. — Прим. ред.
«АвтоВАЗ» даже показывал пару лет назад российский вариант автомобиля на топливных элементах. Прототип был сделан на базе «Нивы». К массовому производству этот автомобиль никакого отношения иметь не может, поскольку в топливом служит чистый водород, хранящийся в баллонах под давлением триста атмосфер. Большинство современных моделей использует в качестве топлива не взрывоопасный газ, а водородсодержащее топливо, из которого водород выделяется «на лету», что обеспечивает автомобилю большую безопасность.
Вдобавок распространение этих технологий ничего хорошего России не несет. Как и Америка, мы сидим сейчас на нефтяной игле, но нам — в отличие от США — нефтяная зависимость только на руку, поскольку российский бюджет напрямую зависит от мировых цен на нефть. Иногда создается впечатление, что только от них он и зависит. Представить, что станет с нашей страной, если нефть перестанет играть в мировой экономике ту роль, которую играет сегодня, трудно.
Впрочем, опасения тех, кто полагает, что последние инициативы западных государств могут значительно ухудшить экономическое положение нашей страны, хоть и не беспочвенны, но явно преждевременны. И в «водородных» автомобилях в качестве источника водорода частенько используется именно бензин. Кроме того, существует масса отраслей, в которых водородные топливные элементы просто неприменимы; по крайней мере, в ближайшем будущем. Так что «вторая водородная бомба» если и ударит по России, то нескоро. Время подготовиться и перестать быть сырьевым придатком еще есть.
|
Прототип топливных элементов для ноутбука от Casio. Ноутбук с топливным элементом, как обещают, будет вдвое легче аналогичного с литий-ионными аккумуляторами. Время автономной работы увеличено в три раза. В массовое производство топливные элементы планируется запустить в 2004 году. В прошлом декабре Boeing договорилась о сотрудничестве с Intelligent Energy. Последняя должна разработать для Boeing топливные элементы, способные поднять в воздух… самолет. Если исследователи уложатся в график, то первый полет этот лайнер совершит уже в декабре текущего года, как раз во время празднования столетия первого полета братьев Райт. 29 мая 2003 года Toyota сдала в аренду муниципалитету Нагойи первые шесть автомобилей, работающих на водороде. Еще четыре машины досталось крупным энергетическим компаниям, на пробу. Срок аренды в обоих случаях составляет 2,5 года. Стоимость — от 1,2 млн. иен в месяц. До конца года Toyota планирует реализовать еще десять машин. Среди возможных арендаторов не только японские компании или чиновники, но и американцы — в прошлом году Toyota уже сдавала в аренду свои автомобили Калифорнийскому университету. FCX от Honda Motor сдается в аренду желающим с декабря прошлого года. Способен развивать скорость до 150 км/час. Одной заправки хватает на 270 км. При создании этой модели использовались разработки компании Ballard. Первые пять машин были сданы в аренду в Лос-Анжелесе. В ближайшие два-три года Honda планирует сдать в аренду порядка тридцати автомобилей. В 2003 году DaimlerChrysler выпустил автобусы Mercedes-Benz Citaro, работающие на топливных элементах. На сегодняшний тридцать автобусов Citaro, разъезжающие по десяти европейским городам, представляют собой самый большой автобусный парк в мире. Если, конечно, ограничиться только «водородными» автобусами. Автомобиль HyWire, представленный General Motors в августе прошлого года, является концепт-каром, продолжающим идеи, заложенные в первый «водородный» концепт от GM — AUTOnomy. Впрочем, нестандартный источник питания — не единственная особенность этого автомобиля. Его уникальность в том, что управление им — полностью электронное. По большому счету, съемный кузов можно считать просто джойстиком, который управляет шасси, где и расположены все системы автомобиля. Подводная лодка класса 212 на топливных элементах со следующего года будет производиться компанией с непроизносимым названием Howaldtswerke-Deutsche Werft AG. В отличие от дизельных лодок, которые вынуждены подниматься на поверхность каждые два-три дня, эта субмарина сможет находиться под водой неделями. Вдобавок топливные элементы заметно тише, что дает корабелам право утверждать, будто их лодку практически невозможно обнаружить. |
