На чем поедет автомобиль будущего. Часть 2.
В прошлый раз ( http://artykul.livejournal.com/49637.html ) мы рассмотрели технологии, которые делают автомобили «зеленее», а расходы потребителей – меньше. Электромобили, гибриды, машины на биотопливе и сжатом воздухе выпускаются в немалых масштабах, но коренным образом изменить сложившуюся ситуацию они пока не могут: двигатели внутреннего сгорания превалируют на рынке и продолжают засорять воздух. Большие надежды возлагаются на водород. Параллельно разрабатываются две технологии: ДВС, работающий на водороде, и мотор, питающийся от топливных элементов. От двух до пятиВодород – самый распространенный химический элемент на Земле и в космосе, у него очень высокая удельная теплота сгорания, а при сгорании в атмосферу выбрасывается чистая вода, которую можно заново переработать. Одни плюсы. Есть только один существенный минус: на Земле водород находится в основном в связанном состоянии, то есть откопать шельфовые или материковые запасы водорода не получится. Следовательно, водород нужно из чего-то синтезировать. Существует несколько путей, по которым идет человечество, чтобы обеспечить себя нужным количеством первого элемента таблицы Менделеева. Самый старый способ – газификация угля: при температуре 800-1.300 градусов уголь нагревают без доступа воздуха. Самый распространенный способ – паровая конверсия газа: горячий водяной пар (700-1.000 градусов) смешивают под давлением с метаном, реакция протекает в присутствии катализатора. Перспективным является термохимический способ обработки биомассы: различные древесные отходы и прочую целлюлозу нагревают без доступа кислорода до температуры в 500-800 градусов. Водород можно получать из различных полисахаридов, для чего к биомассе добавляют энзимы. При этом нет нужды ни в высокой температуре, ни в высоком давлении, а водород, полученный из сахара, даст на выходе втрое больше энергии, чем этанол, полученный из того же сахара. Водорода полно всюду – его можно даже получать из бытового мусора и промышленных стоков путем анаэробного сбраживания, водород могут вырабатывать бактерии и водоросли, водород можно получать путем окисления различных металлов (алюминий, цинк). Наконец, водород можно получать из воды, каковой в морях и океанах содержится около полутора миллиардов кубических километров. Нужно лишь нагреть воду до температуры в 1.700 градусов – и она сама собой распадется на кислород и водород. У всех этих способов есть одна общая черта: стоимость получения одного килограмма водорода составляет 2-5 долларов США. При этом в будущем можно добиться снижения цены до одного-двух долларов за килограмм, включая транспортировку и хранение водорода. Кроме того, не забываем, что для производства водорода помимо самого сырья необходимо приложить немалые энергетические затраты, а электричество в большинстве стран вырабатывается на углеводородных электростанциях. То есть, для производства чистого топлива приходится загрязнять атмосферу. Лучший выход в данной ситуации – использовать энергию мирного атома, но АЭС в мире намного меньше, чем станций на мазуте, угле, торфе и горючих сланцах. Лишь когда для производства водорода станет использоваться атомное топливо, можно будет говорить об экологически чистом цикле.
По трубе А втекает водород. Одно дело – водород добыть, другое дело – доставить его к потребителю. Самый простой способ – это использовать существующие газопроводы, их лишь нужно немного доработать. Правда, возникает вопрос: а как тогда доставлять газ, если газопроводы будут заняты водородом? Следовательно, надобно построить водородопроводы, которые будут изначально рассчитаны на перекачку «аш-два». А теперь вдумайтесь: в США и Европе существует лишь немногим больше пары тысяч километров водородных трубопроводов! Получается, что водород невостребован? Отнюдь нет, востребован. Но, в отличие от газокачалок, станцию по производству водопровода можно построить как можно ближе к его потребителю, потому что газ хранится в определенных местах под землей, а водород можно вырабатывать где угодно. А еще многие считают, что водород – очень опасное вещество, любящее взрываться по поводу и без. Хотя, как мы знаем, взрыв бытового газа – намного более распространенное явление, но все же вот противники водородной энергетики любят приводить примеры дирижаблей, погибших от взрыва водорода: в 1930 году после удара в гору взорвался английский дирижабль R-101 объемом 141.600 кубометров, погибло 48 человек; 6 мая 1937-го при посадке в Лейкхерсте взорвался немецкий LZ-129 Hindenburg объемом в двести тысяч «кубов», погибло 35 человек; в 1947 при вводе в эллинг советского дирижабля В-12 короткое замыкание электропроводки пропалило оболочку и подожгло водород. Словом, критически люди относятся к водороду, хотя и известно, что водород взрывоопасен лишь в закрытых емкостях и помещениях, а на открытом пространстве стремительно улетучивается в виде направленной струи и рассеивается в атмосфере. Ученые научились сдерживать гремучие свойства газа. Например, водородный бак автомобиля BMW Hydrogen 7 более часа нагревали до температуры в 1.000 градусов, а до взрыва дело так и не дошло. Еще бы: между оболочками бака в вакууме находится 70 слоев специальной пены!
Рентген-схема водородного топливного бака. Трехсантиметровая прослойка между внутренними и внешними стенками бака имеет такие же изоляционные свойства, как и слой пенопласта в 17 метров толщиной.
Не менее серьезную озабоченность вызывает проблема хранения водорода. Как известно, водород – самый легкий химический элемент, и даже в сжиженном состоянии он весит в 14 раз меньше воды. А если учесть, что ДВС на водороде примерно на треть менее мощен, чем тот же мотор на бензине, становится очевидно, что для нормальных поездок, быстрых и продолжительных, нужно иметь на борту очень много водорода. Именно поэтому баварские моторостроители «водородизируют» лишь флагманскую модель – «семерку»: в 110-литровом баке хранится 8 кг водорода - этого хватает на 200 км пробега. Хорошо хоть, что заправка водородом длится недолго: за три минуты охлажденный до -253ºС газ заполняет полный бак.
В 110-литровый топливный бак BMW Hydrogen 7 за три минуты закачивается 8 килограмма водорода, охлажденного до -253 градусов по Цельсию.
Здесь кроется еще одна неприятность. На борту автомобиля невозможно бесконечно долго хранить сжиженный водород: от нагревания он начинает расширяться, и примерно через 17 часов бездействия система начинает стравливать газ, чтобы избежать взрыва изнутри. За 10-12 дней весь водород улетучится из бака. Так что не только про запас парочку канистр с водородом в гараж не положишь, но и за имеющимся в багажнике запасом топлива приходится постоянно следить: не поездил пару дней – в буквальном смысле выкинул деньги на ветер.
А что в шоу-румах?Первый двигатель внутреннего сгорания, который питался водородом, изобрел Исаак де Риваз еще в 1807 году. То есть, технология очень старая, еще старше, чем ДВС на бензине или дизтопливе. В 1863 году Этьен Ленуар изготовил водородный Hippomobile, который передвигался со скоростью 3 мили в час и был продан в количестве около 400 экземпляров. Известно, что в войну в блокадном Ленинграде около полутысячи автомобилей перевели на водород от аэростатов, - двигатели этих автомобилей как раз и поднимали и опускали сами аэростаты. Казалось бы, за двести лет можно было выпустить множество водородных автомобилей. На деле же оказывается, что их не так уж и много, и найти водородный автомобиль в автосалоне получится далеко не с первого раза.
Предсерийные эксперименты FordНа автосалоне в Детройте в 2003 году был представлен Ford U – гибрид, способный ездить как на водороде, так и на электроэнергии. Взяли стандартный 2,3-литровый движок с Ford Ranger, оснастили системой наддува с промежуточным охлаждением, доработали зажигание и «залили» новое ПО для управления мотором, который стал выдавать 118 л.с. Под задними сиденьями разместили два криогенных бака, в которых хранится 7 кило водорода, - этого достаточно для преодоления дистанции в 500 километров.
Концепт-карт Ford U, показанный на автосалоне в Детройте в 2003 году, в серию не пошел, но стал первой ласточкой водородной мысли североамериканской компании.
В серию модель не пошла, а в 2008 году двигатель переставили на экспериментальные Ford Focus H2RV и отправили на тесты в Мичиган. Заодно доработали систему выхлопа: установили каталитический нейтрализатор оксидов азота, которые, хоть и в незначительных количествах, все же образуются при сгорании водорода в ДВС.
Взамен экспериментальной модели Ford U на испытательные заезды в Мичигане отправился универсал Ford Focus H2RV, оснащенный 2,3-литровым двигателем на водороде
Помимо «Фокуса», водородный мотор поставили на минивэн Ford C-Max. Не обошли вниманием и большую технику: водородный движок прописался также и на автобусе Ford E-450. Его 6,8-литровый силовой агрегат Triton V10 и выдает мощность в 235 л.с. А вот из-за установленных баллонов (запаса водорода в которых хватает на 240 км пробега) количество сидений пришлось сократить с 25 до 12.
Автобус Ford E-450 из-за водородных баков из 25-местного превратился в 12-местный, а если заказчик захочет подъемник для инвалидной коляски, то количество сидений и вовсе сокращается до 7.
Эти автобусы в количестве пяти штук отправили на испытания в Оттаву и Ванкувер, еще восемь - в автобусные парки города Орландо во Флориде, всего было изготовлено 20 машин. Предполагалось, что по результатам тестов уже в конце того же 2008 года опытные партии легковых водородных «фордиков» поступят в продажу, но пока что этого не произошло.
Первенства BMWОсенью 2006 года началось производство нового поколения упоминавшейся модели BMW Hydrogen 7, которая является битопливной машиной: помимо водорода 12-цилиндровый мотор также может питаться обычным бензином, причем если водорода хватает на 200 км пробега, то бензина – почти на 500. При этом «водородная» мощность составляет 228 л.с., а «бензиновая» мощность - 260 л.с.
Вообще же баварцы выпускают водородомобили уже 10 лет, и специально для таких «семерок» в 1999 году в Мюнхенском аэропорту была открыта первая в мире водородная заправочная колонка компании ARAL. Но нужно сказать, что эта модель производится ну очень уж ограниченными партиями; ее стоимость не озвучивается, но ценник на обычную бензиновую версию начинается с отметки 118.000 долларов.
Последняя версия флагманского седана BMW Hydrogen 7 выпущена партией всего в 100 штук и потребляет 50 литров водорода на 100 км пути, расход бензина составляет 14 литров на «сотню».
Рентген-схема водородомобиля BMW Hydrogen 7
На основе этого двигателя баварцы построили водородный суперкар BMW H2R, предназначенный специально для рекордных заездов. Движок мощностью 982 л.с. разгоняет полуторатонную машину длиной 5,4 метра (коэффициент аэродинамического сопротивления Сх чрезвычайно мал: всего 0,21) до 300 км/ч. На французском треке Мирамас болид поставил 9 международных рекордов, включая прохождение с места километра, мили, 10 километров и 10 миль; максимальная скорость составила 301,95 км/ч.
После того как водородный суперкар BMW H2R поставил 9 мировых рекордов и показал максимальную скорость 302 км/ч, Олафур Элиассон в рамках проекта BMW Art Car создал для него корпус изо льда!
«Водороторные» модели MazdaMazda RX8 Hydrogen даже и без водородной составляющей – уникальный автомобиль: с тех пор, как АвтоВАЗ оставил в продуктовой линейке лишь привычные двигатели, эта японская модель является единственным в мире автомобилем с роторно-поршневым двигателем Ванкеля, вообще же Mazda выпускает роторники с 1967 года. РПД сам по себе движок передовой, а водородная его версия делает авто совсем уж эксклюзивным. Кстати, и работы над водородными моторами Mazda начала давно – еще в 1991 году была разработана водородная версия Mazda HR-X, причем здесь также на водород был переведен роторно-поршневой двигатель. С тех пор Mazda представила еще несколько роторно-поршневых водородных моделей: Mazda HR-X2, Mazda МХ5 Miata, Mazda Capella Cargo. Остановимся подробно на модели RX8, которая была представлена еще в 2003 году на токийском автосалоне и стала пятой роторной моделью, адаптированной для езды на водороде. За основу была взята стандартная Mazda RX8 с двигателем нового поколения Renesis, который имеет две секции по 654 «кубика» каждая, что эквивалентно ДВС объемом в 2.616 куб.см. При движении на водороде мотор развивает мощность в 109 л.с. и максимальную скорость в 170 км/ч, при движении на бензине – 210 л.с. и скорость до 220 км/ч. Мощность снизили для того, чтобы обеспечить чистоту двигателя в рамках норм Евро-4. В камеру сгорания водород попадает не в чистом виде, а в смеси с воздухом, который на 78% состоит из азота и обеспечивает азотные выхлопы. Чтобы снизить их объем, двигатель питается обедненной смесью, в результате чего и выходная мощность сильно упала. В придачу к баку на 61 литр бензина (которого хватает на 550 км пути) имеется емкость на 110 литров, где под давлением в 350 бар содержится 2,4 кг водорода (его хватает на 100 км движения).
Спорткар Mazda RX8 Hydrogen RE обладает уникальным роторно-поршневым двигателем Ванкеля, но от одной водородной заправки может проехать лишь 100 километров.
В 2005 году эта модель получила разрешение на передвижение по дорогам общего пользования, а в следующем первые экземпляры были доставлены покупателям. В 2007 году 30 «водороторных» RX8 были переданы в Норвегию в рамках проекта HyNor. Первые несколько дней на заправках Statoil водород раздавали бесплатно, а потом стоимость составила 10 крон (около 1,2 евро) за несжатый кубометр, то есть, на полный бак нужно потратить 46 евро. И всего-то на 100 км пути. Впрочем, эти выкладки не очень-то огорчили японцев, и в 2007 году они представили новую модель – Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid, то есть это мало того, что водородный автомобиль (кстати, тоже с роторно-поршневым двигателем), так еще и гибрид: имеется электромотор. Характеристики РПД и топливных баков остались без изменений, но благодаря применению электромотора на литий-ионных батареях (мощностью в 147 л.с.) дальность поездки в небензиновом режиме выросла до 200 км. В нынешнем году первые машины отправились к заказчикам.
Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid обладает не только РПД на водороде, но также и электромотором, благодаря чему автономный пробег без использования бензина вырос до 200 км.
Гибридную тачку – на водородную прокачкуГибридная Toyota Prius тоже подверглась переделке в водородомобиль, причем сама японская компания к этому никакого отношения не имеет, - за водородизацию гибрида взялись американские компании и исследовательские центры. Известны по крайней мере три таких «прокачки», совершенные в 2005 году калифорнийской компанией Quantum Fuel System Technologies, калифорнийской же National Laboratory и мичиганской Energy Conversion Devices. Калифорнийцы установили 150-литровый бак с водородом и добились 500-километрового радиуса действия при движении по шоссе или 650-километрового пробега при езде в городском цикле. Успехи компании ECD из городка Рочестер Хиллс пока скромнее: 200 миль (320 км), зато и количество выбросов не превышает полтора процента от объема выбросов серийного авто. Кстати, и объемы водородных емкостей здесь поменьше: используются два бака по 33 литра. Основная задача проекта ECD-Ovonic – добиться наилучших условий для хранения водорода; сейчас для этого используют порошковую смесь из дюжины металлов. Пока что компания смогла создать давление в баке в 104 бара, ближайшая цель – довести этот показатель до 250 бар, а там уже и до 400. Водородные баки успешно выдержали испытания в 500 циклов заправки, при этом свойства порошка не ухудшились. Очевидно, до тех пор, пока мичиганцы не добьются приемлемых показателей давления водорода в баке и длительности пробега, в серию машина не пойдет.
В рамках проекта ECD-Ovonic ученые из Мичигана перевели гибрид Toyota Prius на питание водородом, сама машина при этом используется как опытный стенд для отработки технологии сжатия водорода в смеси с порошками металлов.
В известном Массачусетском Технологическом Институте (MTI) подсчитали, что водородные машины примерно в 100 раз дороже в эксплуатации, нежели бензиновые. А Джозеф Ром, автор книги «Водородное очковтирательство», предрекает, что по совокупности таких характеристик, как стоимость машины и цена каждой заправки, мощность и токсичность выхлопов, водородные автомобили приблизятся к гибридным в лучшем случае к 2030 году. Несмотря на то, что водородные двигатели имеют двухсотлетнюю историю, приходится признать, что водородомобили вряд ли в ближайшем будущем смогут изменить ситуацию на рынке машин с ДВС. Именно поэтому все больше компаний обращают свой взор на технологию водородных топливных элементов, о которой мы поговорим в следующий раз.