Без бензина
АрхивТехнологииКак сделать автомобиль, которому не нужен бензин, спорят уже не первое десятилетие. Топливные элементы, солнечные батареи, двигатели на водороде, метане и спирте - всё это уже не фантастика. Так почему же воз и ныне там?
Возможность отказа от нефтяного автомобильного топлива обсуждается уже не первый год и даже не первое десятилетие. Еще лет 20-30 назад автомобильные компании рассматривали возможность использования электрических двигателей вместо двигателей внутреннего сгорания. Велись такие работы как за рубежом, так и в СССР, но дальше опытных образцов дело не пошло.
В то время единственным источником электрической энергии были аккумуляторы, которые устанавливались на электромобили в виде больших и тяжелых батарей. Получалось, что грузоподъемность электромобилей оказывалась заведомо хуже (в лучшем случае раза в полтора меньше, чем у машины с двигателем внутреннего сгорания), а запаса хода было достаточно разве что для перевозки товаров со склада в близлежащие магазины. О дальних поездках даже речи не шло. Вдобавок, из-за высоких затрат на электроэнергию, традиционные бензиновые машины оказывались намного выгоднее.
Развитие аккумуляторных электромобилей продолжается и сегодня. Например, в этом году в мелкосерийное производство была запущена спортивная машина Venturi Fetish. Отличаясь неплохими разгонными характеристиками она, тем не менее, не слишком быстра - максимальная скорость ограничена 170 км/ч. Ионно-литиевые аккумуляторы обеспечивают запас хода до 350 км, но весят при этом 350 кг. Стоит такая машина 450000 евро.
Venturi Fetish
Очевидно, что аккумуляторы - это тупиковый путь, и такие электромобили постепенно уйдут в прошлое. Их сменят машины на топливных элементах, разработка которых всячески поощряется в США. В Европе и Японии топливные элементы тоже в центре внимания автопроизводителей, и даже "АвтоВАЗ" демонстрировал машины на топливных элементах на базе "десятки" и "Нивы".
"Нива" на топливных элементах
О топливных элементах можно написать не одну статью. Ограничимся кратким описанием принципа их работы. Топливные элементы - это класс химических источников тока, причем в этом классе имеется множество разновидностей. Наиболее перспективными считаются топливные элементы на основе протонообменных мембран. Эта мембрана служит в качестве электролита и проводит только протоны, не пропуская через себя электроны. По разные стороны от мембраны расположены анод, катод и катализатор, в качестве которого чаще всего используется платина. Водород подается в топливный элемент со стороны анода и, контактируя с катализатором, распадается на два протона и два электрона. Электроны не могут пройти через мембрану и поступают во внешнюю электрическую цепь. Протоны же через мембрану уходят на катод, где вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. Необходимые в реакции образования воды электроны поступают на катод из внешней цепи.
На первый взгляд, топливные элементы являются чуть ли не идеальным источником энергии. Их, в частности, отличает высокий - до 80% - КПД, отсутствие вредных выбросов (единственный отход - вода) и меньшая, чем у аккумуляторов, масса. Однако проблем при использовании топливных элементов тоже хватает. Взять хотя бы использование в качестве топлива водорода. Этот газ чрезвычайно тяжело хранить и транспортировать. Как правило, для этого приходится использовать баллоны с давлением 350-500 атмосфер. Для сравнения, обычные российские гелиевые баллоны, из которых надувают воздушные шарики, имеют максимальное рабочее давление в 150 атмосфер. К тому же водород крайне взрывоопасен, отличается высокой текучестью и способен просачиваться сквозь самые небольшие неплотности. В этом отношении он намного хуже метана или пропан-бутановой смеси, также часто используемых в качестве автомобильных топлив.
Автобус на топливных элементах
По сути, машина с водородным баллоном - это бомба на колёсах. И если взрывы бензиновых автомобилей встречаются чаще в боевиках, чем в реальной жизни, с водородом все обстоит по-другому. Чтобы предотвратить беду, системы питания водородных машин снабжают сложной запорной арматурой. Решить проблему высоких давлений в баллонах путем сжижения водорода нереально - машины придется комплектовать мощными криогенными установками, ведь при обычной температуре водород сжижить нельзя, как его ни сжимай.
Есть и ещё один выход. Можно заправлять машины с топливными элементами не водородом, а жидким топливом, подходящим для получения водорода. Чаще всего в его роли оказывается метанол, хотя известны случаи использования обычного бензина. Однако и тут не всё безоблачно: машину нужно комплектовать реактором для разложения жидкого топлива, а побочный продукт реакции, углекислый газ, вызывает парниковый эффект. Наконец, не стоит забывать, что водород в промышленности получают из метана, метан является исходным веществом для синтеза метанола, причем синтез этот является многостадийным. Все это делает водородное топливо очень дорогим, да и сокращению выбросов в атмосферу никак не способствуют. Разве что виновником выбросов оказывается уже не автотранспорт, а заводы, где изготавливается топливо.
Альтернативный способ получения водорода - электролиз воды - требует огромных затрат электричества, что опять же дает в итоге увеличение вредных выбросов от электростанций. Перспективным может оказаться получение водорода из биомассы, но такие процессы пока не покинули пределов исследовательских лабораторий. Активно ведутся работы и над топливными элементами, работающими не на водороде, а на том же метаноле. При использовании метанола целый ряд проблем отпадает сразу, пускай платить за это приходится уменьшением КПД такого топливного элемента.
Впрочем, химические источники тока - не единственный способ питания электродвигателя. Существуют и другие варианты: солнечные батареи или миниатюрные ядерные реакторы. Первые пока остаются лишь экзотикой, а вторые - фантастикой, причем фантастикой опасной.
Солнечный электромобиль Aurora
Всё говорит о том, что в ближайшее десятилетие электромобили массовым явлением не станут. В лучшем случае, мы станем свидетелями своеобразного переходного периода. Об этом, в частности, свидетельствует постепенное распространение гибридных автомобилей, использующих и двигатель внутреннего сгорания и электромотор. Пионером здесь стала компания Toyota c машиной Prius, в скором будущем начнутся продажи в США "гибридов" Honda, готовят такие машины и американские производители. Основным достоинством гибридных машин является сокращение вредных выбросов, за которые приходится расплачиваться усложнением и утяжелением силового агрегата.
Toyota Prius
Однако списывать на свалку истории двигатель внутреннего сгорания тоже еще очень рано. Рост цен на нефть в последние месяцы заставил вновь заговорить об использовании в ДВС альтернативных горючих вместо бензина и дизельного топлива. Вообще говоря, под альтернативными топливами порой подразумевают очень широкий перечень продуктов. В него, в частности, попадают сжиженные нефтяные газы (та самая пропан-бутановая смесь, которой кормятся такси и чуть ли не всё поголовье "Газелей") и сжатый природный газ - метан. Такое топливо прекрасно чувствует себя в современных двигателях и достаточно популярно. Нам интереснее будет поговорить о других, менее известных видах топлива.
Самым популярным альтернативным топливом, безусловно, являются спирты и их смеси с углеводородами. Без внесения модификаций в конструкцию двигателя вместо бензина можно использовать метанол или этанол, ничего нового в этом, кстати, нет. Метанол давным-давно используется в спортивных автомобилях и мотоциклах, а на этаноле и его смесях с бензином (такое топливо называется газохол) ездят в Бразилии. В последнее время спиртовым топливом активно интересуются в КНР. Впрочем, этанол для этих стран привлекателен по одной простой причине - они имеют возможность производить его в огромных количествах из растительного сырья. Для стран, где в отличие от Бразилии, сахарного тростника нет, этанол годится лишь как добавка к бензину. Причем в таких странах (а к ним относится и Россия) обходиться придется не дешевым тростниковым, а довольно дорогим синтетическим спиртом, который получают опять же на базе нефтяного и газового сырья. Метанол к тому же и очень ядовит. С другой стороны, если нефть продолжит дорожать теми же темпами (не говоря уж о возможном исчерпании ее запасов), метанол, получаемый на базе природного газа может стать привлекательным топливом.
Для дизельных двигателей нефтяное топливо - тоже не единственный вариант. В качестве альтернативы ему предлагаются продукты как растительного, так и синтетического происхождения. В первом случае можно использовать рапсовое масло, которым, по некоторым данным, хоть сейчас можно заправить любой современный дизельный двигатель (возможно, потребуются некоторые регулировки, не затрагивающие конструкции двигателя). Другая альтернатива - диметиловый эфир, который уже окрестили дизельным топливом XXI века. Это газообразное при обычных условиях вещество, и для его применения двигатели придется несколько модифицировать. Использование диметилового эфира позволит повысить экологичность дизельного транспорта, устранив выбросы сернистых и других вредных соединений.
Наконец, топливом для ДВС может служить и водород, правда проблем с ним будет ещё больше, чем при использовании в электромобилях. Очень высокая температура сгорания водорода неизбежно повлечет за собой повышение тепловой нагрузки на двигатель. И если моторы "семерок" BMW водородное топливо воспринимают "на ура", то у двигателя машины попроще запросто могут прогореть поршни и цилиндры. Высокие температуры в двигателе могут свести на нет и безвредность выбросов от сгорания водорода. Дело в том, что при высоких температурах значительно активнее будет происходить окисление азота с образованием его оксидов, ядовитых самих по себе и вызывающих кислотные дожди.
Водородный суперкар BMW
Итак, что же в итоге? Пока ни электромобили, ни "гибриды", ни машины на альтернативных топливах не способны конкурировать с традиционными бензиновыми и дизельными автомобилями. И даже при высоких ценах на нефть использование нефтяного топлива оказывается выгоднее применения водорода или метанола. Разумеется, в будущем ситуация будет потихоньку меняться. Но в ближайшие десять лет руки шоферов будут пахнуть бензином как и десятилетия до этого. Если же говорить о перспективах того или иного топлива, то пока наиболее многообещающе выглядит все же метанол. Его можно применять как в двигателях внутреннего сгорания, так и в топливных элементах. Кроме того, перевести заправочные станции на метанол значительно проще, чем на водород. Да и вероятность взрыва тут значительно меньше - ни персоналу заправочных станций, ни автомобилистам не придется чувствовать себя сидящими верхом на бомбе.
Иван Карташев - редактор "Компьютерры-Онлайн". Ранее он писал о российской системе моделирования климата ("Россию ждёт тёплое будущее") и негосударственном освоении космоса ("Космос для чайников").
