Zero Pollution или нулевой выхлоп
Семенов А. К, студент ВФ ГОУ МГИУ
Бармашова Л.В., к.э.н., доцент, директор ВФ ГОУ МГИУ
Как прожить без бензина.
Ведущим автопроизводителям приходится поломать голову, чтобы не остаться без куска хлеба, когда кончится нефть
Подавляющее большинство колесных транспортных средств, передвигающихся в наши дни по дорогам планеты, жгут топливо, получающееся из нефти. Но продлится это, очевидно, недолго. Ни для кого больше не секрет, что нефти год от года становится все меньше, и по самым оптимистичным оценкам ее хватит от силы на полвека. И это в каком-то смысле даже хорошо: количество нефти, нефтепродуктов и нефтяных остатков, добытых из недр земли и разлитых по ее поверхности, а также продуктов сгорания, выброшенных в атмосферу, растет все время ускоряющимися темпами. Если нет возможности ввести разумные ограничения, так, может быть, поможет хотя бы естественное исчерпание загрязнителей? Хорошо ли, плохо ли - самое время задуматься об альтернативных источниках энергии, в том числе и для автомобиля.
За прошедшие со времени изобретения первых "самодвижущихся экипажей" сто пятьдесят лет многочисленные казавшиеся современникам безумными механики придумали немало интересных способов приведения в движение колес. К примеру, паровые машины, электромоторы и двигатели внутреннего сгорания, работающие на спирту, применялись еще на заре автомобилестроения. Но потом выяснилось, что пользоваться бензином гораздо удобнее, а главное -намного дешевле. И поэтому все разговоры о биотопливе на основе этилового спирта стали мыслимы только после того, как цены на бензин выросли во много раз и появились дешевые технологии производства больших количеств этилового спирта. Есть специальные причины, делающие все более привлекательными и электромоторы.
Батарейки вместо бака
Электромобилям трудно отказать в привлекательности, и есть основания думать, что они постепенно вытеснят обычные автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Кроме очевидной относительной экологической безопасности, они более надежны и обладают более высоким КПД - и то, и другое по одной и той же причине-электромотору не надо превращать возвратно-поступательное движение во вращательное. Между тем, электромобиль гораздо старше своего более шумного и вонючего братца: Этьен Ленуар (Jean-Joseph ?tienne Lenoir, 1822-1900) и Николай Отто (Nicolaus Augustus Otto 1832-1891) еще не пошли в школу, когда первые электромобили были построены шотландцем Робертом Андерсоном и голландцем Кристофером Беккером, а до изобретения ими четырехтактного двигателя внутреннего сгорания оставалось без малого тридцать лет. В 1842 году еще один электромобиль соорудил американец Роберт Дэвидсон (Robert Davidson, (1804-1894). Это было настоящее чудовище, заставленное ваннами с серной кислотой; но, наверное, именно благодаря ему электромобили принялись довольно бодро развиваться, и к первому десятилетию XX века в США, например, выпускалось до 10 ООО электромобилей в год. Правда, для начала потребовалось изрядно усовершенствовать искусство изготовления аккумуляторных батарей. Однако и по сей день создание надежных, компактных, легких и достаточно емких аккумуляторов остается важной технологической задачей, ожидающей своего разрешения. Именно из-за их отсутствия бензиновые автомобили захватили лидерство и быстро вытеснили электромобили почти отовсюду. Последним оставалось только суетиться на погрузке-разгрузке в портах и вокзалах, перевозить пациентов больниц или быть навечно привязанными к проводам.
Но всегда находились энтузиасты, пытающиеся научить электромобили ездить быстро, далеко и свободно. С развитием солнечных батарей, казалось бы, проблема недостаточной емкости аккумулятора была решена. Но не все так просто. Современные солнечные батареи преобразуют от силы четверть попадающей на них световой энергии солнца, поэтому "солнцемобиль" едет не слишком шустро и выглядит, скорее, как посадочная шлюпка инопланетян из низкобюджетного фантастического фильма. Тем не менее, каждый год в Австралии проходит World Solar Challenge - трансконтинен тальная гонка на этих забавных аппаратах.
В последние годы проблема поиска новых топливных и двигательных технологий вновь обострилась, и развитием электромобилей вплотную занялись автогиганты. Их детища (правда, по большей части, еще не серийные машины, а опытные образцы) демонстрируют впечатляющие результаты, вполне сравнимые с автомобильными, при том же уровне комфорта. Собственно, внешне современный электромобиль не слишком отличается от бензинового брата. И бегает быстро, и до 100 км/ч разгоняется почти мгновенно - например, восьмиколесный японский электромобиль Eliica достигает этой скорости всего за 4,2 секунды, что более чем достойно даже для суперкара. Одна беда: далеко ездить машинка на батарейках еще не научилась, и дистанция от зарядки до зарядки редко превышает 100 км. Хорошо хоть специализированных заправок ему не требуется - достаточно любой розетки. Да и заряжаться их научили быстро - всего за 10-15 минут, в самый раз кофе попить. Но все же для того, чтобы электромобиль совсем потеснил авто на ДВС, необходим качественный прорыв в аккумуляторных технологиях. Нужно, чтобы пробег электромобиля на полностью запряженных батареях был сопоставим с пробегом автомашины с полным баком горючего.
Концерн Mitsubishi Motors обещает к 2010 выпустить на рынок электромобиль, представленный на автосалонах уходящего года как Concept-CT. Цена его должна быть вполне демократичной - на уровне 12-14 тысяч долларов. Этот факт, а также то, что большинство крупных автопроизводителей ведут работы в том же направлении, заставляет предположить, что лет через 5-7 электромобиль сможет вернуть себе утраченные некогда позиции.
Топливо легче воздуха
Впрочем, в деле вытеснения бензиновых двигателей и дизелей у электромотора есть серьезный конкурент-союзник. Это - разного рода водородные двигатели. Собственно, этих двигателей всего два - и они всем хорошо известны - тот же двигатель внутреннего сгорания и тот же электромотор. Остается только либо научиться этот водород сжигать - а это непросто, поскольку водород, смешиваясь с кислородом, образует смесь, вполне по заслугам окрещенную гремучей, - либо производить из него электроэнергию.
Но преодоление трудностей в данном случае очень соблазнительно - все-таки водород самый распространенный во Вселенной элемент таблицы Менделеева. И как было бы прекрасно совершено бесплатно заправлять машину из ближайшей речки! Но этого, увы, пока не получается. А получается, наоборот, водород в баллоне, вода как раз на выходе, вместо выхлопа. Причем дистиллированная.
Главные мастера по сжиганию водорода с образованием во вместо выхлопных газов - два автогиганта. Один европейский - В другой японский - Mazda. Строить автомобили с двигателями внутреннего сгорания на водороде в Мюнхене стали еще в 70-е годы. Д уже в этом году BMW представила серийный (да еще и люксовый!) автомобиль Hydrogen 7, построенный на базе седана 7 серии. Максимальная скорость экологически чистого BMW составляет 230 км/ч, а до сотни "водородомобиль" разгоняется за 9,5 секунд - неплохо, учитывая габариты и вес машины.
Японская компания Mazda, славящаяся тягой к творческим поискам, еще в 1991 году представила прототип машины с роторным водородным двигателем. На достигнутом японцы не остановились, и 15 лет спустя, после долгих исследований и тщательных испытаний, выпустили Mazda RX-8 Hydrogen REnbsp; с роторной же установкой Ванкеля, КПД которого гораздо выше, чем у обычного поршневого двигателя.
Однако большинство автомобильных компаний пошли по другому пути. Они создают так называемые топливные элементы, которые словно брат-близнец похожи на аккумуляторные батареи. Разница между ними, однако, существенна: топливный элемент не надо заряжать. В него вместо этого надо время от времени подливать сжиженный водород. Он проходит через поры в платиновом аноде. В результате хемосорбции молекулы водорода разлагаются на пару электронов и пару протонов. В то же самое время через поры анода проходи воздух, содержащий, как известно, довольно много кислорода. Разделяющая анод и катод мембрана прозрачна только для протонов, и не прозрачна для электронов. Поэтому протоны, рекомбинируя с кислородом на аноде, образуют воду, при этом между катодом и анодом возникает разность потенциалов.
Главная беда водородных машин - чрезмерная громоздкость топливных баков, где содержится жидкий водород. Кроме того, это очень летучий элемент, и поэтому необходимо исключить малейшую возможность утечки. Вторая проблема уже не техническая, а, скорее, организционная: пока по всему миру не будет организована разветвленная сеть водородных заправок, говорить о наступлении в автомире водородной эры будет рановато.
Тем не менее, производители с энтузиазмом разрабатывают и эту тему. К примеру, корейская компания Hyundai приступила к выпуску автомобилей на топливных элементах, переведя на электричество даже внедорожник Tucson. А год назад концерны Honda, General Motors и BMW объединили усилия по разработке унифицированных стандартов на разъемы, через которые автомобили, созданные этими компаниями, пополняют свои запасы водорода.
Но надо заметить, что к водородным технологиям человечество присматривается не первый десяток лет: еще в 80-е годы советские авиастроители создали самолет Ту-155 на альтернативном топливе, а инженеры той же фирмы Mazda строили свой ротор полтора десятилетия - и те и другие были отнюдь не одиноки в своих усилиях. В последнее время в новостях все чаще мелькают сообщения о разработках или даже уже об успехах той или иной компании на этом поприще, и это значит, что, наряду с электрической эрой, грядет и водородная. И это хорошо: по крайней мере, природа вздохнет чуть посвободнее.
Не мышонок, не лягушка...
Водородные двигатели внутреннего сгорания, созданные как на "Мазде", так и на BMW, обладают замечательной универсальностью. Они могут работать и на водороде, и на обычном бензине. Именно поэтому эти двигатели называют гибридными. Соединение несоединимого нам не в диковинку: мы еще помним на улицах Москвы грузовые троллейбусы, которые при надобности могли опускать свои токосъемники, превращаясь в обычные дизельные грузовички. Были и чешские автомобили "Татра", в которых бензиновый двигатель крутил электрогенератор, а тот сообщал электроэнергию электромотору, вращавшему колеса.
Сочетание бензинового двигателя с электромотором, а то и не с одним, не редкость и теперь. Такая машина начинает движение на электрической тяге, затем, при наборе скорости, подключается двигатель внутреннего сгорания, а при ровной езде электрика отключается - и аккумуляторы заряжаются от обычного генератора. Управляет двигателями сложная компьютерная система, которая сама решает, какую силовую установку в какой момент включить или выключить. Подобная схема позволяет существенно экономить топливо: к примеру, популярный "гибрид" Toyota Prius расходует всего 3,2 л. Бензина на 100 км. С другой стороны, пока управление целиком отдано н откуп автоматике, реальная экономия получается только в городско режиме - на трассе "гибрид" ест топливо с прежним аппетитом. Проблему могло бы решить, по крайней мере отчасти, ручное переключение силовых установок, и в начале 2006 года американские умельцы взломали мудреный японский компьютер, заставив Prius включать электромоторы по желанию водителя.
Вдохновленная относительным успехом Prius, Toyota выпустила гибридный внедорожник Lexus RX400h, который продается, в том числе, и у нас в России. Гибридные машины и в самом деле экономят топливо и значительно меньше загрязняют окружающую среду, так что можно смело предположить, что в последующие годы мы увидим немало новинок в этой области. К примеру, Peugeot и Citroen обещают порадовать серийными "гибридами" не позднее 2010 года, причем, что немаловажно, ручное управление двигателями будет ре-альзовано на заводском уровне, а не силами очередной команды хакеров.
Что касается разработки и серийного производства автобусов гибридной схемы, то здесь несколько иная картина. Здесь наряду с такими грандами, как DaimlerChrysler и General Motors, а также несколькими канадскими производителями, фигурирует даже китайская компания FAW. Китайцы планируют к Олимпиаде 2008 года, которая пройдет в Пекине, и к выставке World Expo 2010 в Шанхае выпустить не менее 1000 автобусов-гибридов.
Атмосфера больших городов, насыщенная выхлопами автотранспорта с двигателями внутреннего сгорания, становится опасной для их жителей. В густонаселенных районах США, Японии и Европы проблема загазованности стоит уже очень остро, вынуждая производителей автомобилей активно заниматься разработкой экологически чистого автотранспорта. Помимо хорошо известных электромобилей и автомобилей, работающих на водороде, исследователи работают и над другими вариантами машин. В частности, в США создан опытный образец криогенного автомобиля.
Борьба за чистоту воздухы ведется в промышленно развитых странах все активнее. Производителей автомобилей всеми силами подталкивают к созданию новых, экологически чистых, транспортных средств. Например, в штате Калифорния принята программа LEV, которая обязывает производителей автомобилей, начиная с 2003 года, оснащать 10% всех новых автомобилей двигателями с нулевым выбросом вредных веществ. Долгое время слова "автомобиль с нулевым выбросом вредных веществ" были синонимом словам электромобиль или автомобиль на водороде. Работы над менее известным пока типом экологически чистого транспорта - криогенным автомобилем -ведутся с середины 90-х годов.
Энергию для движения криогенный автомобиль получает за счет кипения жидкого азота при температуре окружающей среды. Криогенный автомобиль состоит из танка с жидким азотом, теплообменника, в котором происходит кипение азота с последующим подогревом паров до температуры, близкой к комнатной, и пневматического двигателя. По принципу действия криогенный автомобиль скорее похож на паровоз, с той лишь разницей, что энергия для парообразования берется из окружающей среды. Несмотря на то, что при изотермическом рабочем цикле может быть получена механическая работа до 0.4 МДж на килограмм жидкого азота, это все же пока в 25 раз меньше энергоемкости двигателя внутреннего сгорания. Впрочем, энергоемкость современных электрохимических аккумуляторов, используемых в электромобилях, в несколько раз ниже, чем у созданного прототипа криоавтомобиля, хотя электромобилями занимаются не один десяток лет. Другими несомненными достоинствами криоавтомобиля являются низкая стоимость жидкого азота (в 10 раз дешевле бензина) и полная пожаробезопасность. Также, в отличие от электромобиля, здесь не возникает проблемы утилизации отработанных аккумуляторов. Основной недостаток криоавтомобиля - большие размеры азотного танка и теплообменника.
Криогенный автомобиль. Опытный образец криогенного автомобиля создан в США в университете Северного Техаса. Криоавтомобиль полной массой 700 кг вмещает 124 л жидкого азота и оснащен пневмодвигателем мощностью 13 кВт, работающим при давлении 10 атм. На испытаниях криоавтомобиль развил скорость 58 км/час при дальности пробега на одной заправке 24 км. Это - прототип будущего криоавтомобиля и его характеристики еще далеки от теоретических, на которые ориентируются авторы. Основные трудности в достижении высоких эксплуатационных характеристик связаны, в основном, с созданием эффективного теплообменника, который мог бы обеспечивать стабильный массовый расход и температуру паров азота в широком диапазоне окружающих температур и влажности атмосферы. Кроме того, теплообменник криоавтомобиля не должен обмерзать. Хотя эти проблемы и не принципиальны, но их решение является достаточно сложной инженерной задачей.
Изготовив прототип криоавтомобиля, специалисты университета Северного Техаса приступили к выполнению заказа на пожаробезопасный криоавтомобиль для космодрома им. Кеннеди во Флориде. Интерес к криоавтомобилям, как к безопасному средству для грузовых и пассажирских перевозок в аэропортах, проявляют и многие авиакомпании. В США в рамках программы UNT Goals планируется создать криоавтомобиль, способный развивать скорость до 100 км/ч при длительности пробега на одной заправке жидкого азота в 240 км. Автомобили будущего будут ездить на всем, что горит
Революционная разработка немецких умельцев из IAV, инженерной группы, принадлежащей Volkswagen, позволяет надеяться, что в недалеком будущем автомобили будут ездить буквально на всем, что только придет в голову. Equal Zero Emission Engine (EZEE), как подразумевает название, будет обладать фактически нулевым выбросом вредных веществ в атмосферу, и, кроме того, сможет работать практически на любом виде топлива: подойдет бензин, дизельное топливо, газ, водород и даже алкоголь.
Причем, как сообщает Autonews, уже появились первые деловые предложения. В частности, разработкой заинтересовалась Skoda, которая предполагает в перспективе устанавливать его на свои Fabia. Правда, пока речь идет лишь о роли вспомогательного движителя.
Однако перспективы, как уверяет фирма Enginon, занимающаяся продвижением разработки, колоссальные. Новый двигатель можно использовать не только в автомобилях, но и в быту: для нагрева разом воды и воздуха в помещении, а также в качестве электрогенератора. При этом чудо-двигатель вовсе не будет громоздким, обещает Enginion.
Звучит действительно многообещающе. Миниатюрная версия двигателя готова уже сейчас - после пяти лет напряженной работы. Полностью рабочую версию EZEE разработчики планируют представить уже к 2004 году, так что ждать - если речь действительно идет о революции - осталось совсем недолго.
Основой для новейшего изобретения, как это часто бывает, послужило хорошо забытое старое. А именно - паровая машина. Само топливо лишь нагревает водяной пар до температуры в 900 градусов, а он в свою очередь двигает поршни.
Впрочем, новой технологии еще предстоит отвоевать место под солнцем. Например, на автошоу в Детройте - автомобильной столице мира - General Motors, крупнейший автопроизводитель в мире, представил свое видение ближайшего будущего. Прототип, представленный GM, работает на водороде, и, как сообщает Wirednews, создатели так же скромно заявляют о его революционном значении для автомобильной индустрии.
Заключение.
Как бы то ни было, вполне вероятно, что конец нефтяного века будет отмечен возникновением все более странных и, как теперь принято говорить, "диверсифицированных" сочетаний, казалось бы, несоединимых компонентов в необычных, но все более и более экономичных и экологичных гибридах. Гибридные машины и в самом деле экономят топливо и значительно меньше загрязняют окружающую среду, так что можно смело предположить, что в последующие годы мы увидим немало новинок в этой области. А для того, чтобы электромобиль совсем потеснил авто на ДВС, необходим качественный прорыв в аккумуляторных технологиях. Нужно, чтобы пробег электромобиля на полностью запряженных батареях был сопоставим с пробегом автомашины с полным баком горючего.
Впрочем, новым технологиям еще предстоит отвоевать место под солнцем.
Литература
1. Интернет издание "Мембарана.Ру". (www.membrana.ru)
2. Солнечная энергетика и солнечные батареи (http://solar-
battery.narod.ru)
3. Интернет версия журнала "Наука и жизнь"
4. Светлана Грановская "Энергетическое будущее Европы" (http://www.wdi.ru/)
|
