Аттестат зрелости

ТЕНДЕНЦИИ: ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Что ж, можно сказать, такие машины окончили среднюю школу и заслужили «аттестат зрелости». Правда, чтобы стать настоящими конкурентами традиционных автомобилей, предстоит еще получить «высшее образование», но повод подвести итоги уже есть.

Для начала – восстановим справедливость. На самом деле первый электромобиль с литий-хлорным топливным элементом фирмы «Юнион Карбайд» представили публике гораздо раньше – 28 октября 1966 года. Это был «Джи-Эм Электровэн», в котором четыре из шести мест съела энергетическая установка. Он даже развил приличную скорость 105 км/ч и мог катиться без дозаправки целых 200 км… Почему же мы ведем отсчет с «Некара»? Просто «Электровэн» был абсолютно непригоден для каких-либо поездок, кроме демонстрационных, ведь мощность его энергетической установки составляла всего 5 кВт. Да и жила она не более 1000 часов.

«Некар» же, хотя и его грузовой отсек целиком заняла 800-килограммовая энергоустановка, мог похвастаться вполне автомобильной мощностью – 50 кВт, так что водитель и пассажир не чувствовали себя в городском потоке париями.

ДЕСЯТЬ ЛЕТ СПУСТЯ

Сегодня по дорогам колесят «некары» с индексами 4а и 5. Они выполнены на базе «Мерседес-Бенца» А-класса, чья сэндвич-структура пола позволила спрятать топливные элементы под ногами пассажиров. Багажник версии 4а почти свободен: кроме сверхпрочного баллона, там осталось место для пары чемоданов. При этом запас хода составляет 450 км со скоростью до 140 км/ч. На «Некаре-5» баллонов с водородом нет вовсе. Взрывоопасный газ вырабатывает реформер прямо на борту из метанола, который заливают в штатный бак. Одной заправки хватает на 400 км. Мощность «электростанции» – 75 кВт, а максимальная скорость – 150 км/ч.

Что еще (и как) ездит сегодня на водороде? Ну, во-первых, «Гидроген-3» на базе «Опеля-Зафира». Такие мини-вэны попадаются на улицах Берлина, Токио, Вашингтона и еще бог знает где с самыми обычными местными номерами. Под сиденьями, которые пришлось немного приподнять, расположен криогенный бак с 68 л жидкого водорода: этого хватает на 400 км пробега. Мощность энергоустановки – 90 кВт, а при пиковой нагрузке – все 129 кВт! Скорость достигает 150 км/ч.

«Форд» снабдил топливными элементами свой «Фокус», добавив ему индекс FCV (Fuel Cell Vehicle), и запустил на дороги Калифорнии. Водород сжат в баллоне до 250 атмосфер, что дает запас хода 160 км. Масса авто выросла до 1727 кг, так что 65 кВт могут разогнать такой «Фокус» лишь до 130 км/ч.

Не отстают и японцы. «Тойота FCHV-4» катается по родным дорогам и американским хайвэям, пробегая от заправки до заправки по 250 км (давление в баллонах побольше – 350 атм). Мощность силовой установки – 90 кВт. Есть уже и FCHV-5 с реформером, преобразующим в водород жидкое топливо. Подобные автомобили строят нынче и «Хонда», и даже… ВАЗ.

Поездить в этих, пусть и допущенных на улицы городов, но все же экспериментальных водородомобилях вам, уважаемый читатель, вряд ли удастся, а вот прокатиться на водородном автобусе – запросто! «Небусы» от «Даймлер-Крайслера» ходят по обычным городским маршрутам в десяти европейских государствах. На их крышах лежат 150-литровые баллоны со сжатым до 300 атм водородом, которого хватает на 250 км. По ходовым качествам автобусы ни в чем не уступают дизельным собратьям: спасибо 250 киловаттам мощности. Это, однако, еще не все – дополнительные 190 кВт зарезервированы для отопления, освещения и прочих вспомогательных нужд.

Кроме этих «водоробусов», пассажиров уже вовсю возят «Цитаро», МАН, «Неоплан-8008FC». Общественный транспорт переводить на водород выгоднее: автобусы намного дороже автомобилей, поэтому относительное увеличение их цены за счет установки топливных элементов не столь заметно.

АТМОСФЕРЫ ИЛИ ГРАДУСЫ?

Одна из главных проблем водородомобиля – хранение запаса топлива на борту. Ее можно решить, получая газ прямо на борту (из бензина, метана, метанола, метабората натрия и т. д.). Чтобы возить запас газа, надо сжимать его до сотен атмосфер либо охлаждать почти до абсолютного нуля, когда водород становится жидким. Все эти способы нынче активно проверяются на практике. Появление на части экземпляров «Гидрогена-3» баллонов, выдерживающих 700 (!) атм, позволило довести пробег до 400 км и тем самым уравнять его с возможностями криогенного варианта, где внутри не столь прочного бака-термоса царит стужа в –253°С.

Кстати, о морозе. Изначально у топливного элемента был совершенно непригодный для автомобиля температурный диапазон работы: он начинался от 0°С. Именно здесь в нынешнем году произошел прорыв: создан элемент, запускающийся при –20°С. В «Опеле-Гидроген-3» он выходит в этом случае на режим полной мощности всего за 30 с. Это уже что-то, по крайней мере для Европы, Америки и Японии.

ИСТИНА, РОДИВШАЯСЯ В СПОРЕ

Как всякая новая идея, автомобили с топливными элементами сразу обрели и сторонников, и противников. Аргументы первых просты и понятны: никаких выхлопов, шума, прямого расхода ископаемых ресурсов. Оппонентам, однако, тоже не откажешь в логике. Водорода (в свободном виде) или метанола на Земле нет. Их надо сначала получить, а для этого затратить море энергии. Значит, выхлопы и расход ресурсов просто переместятся на заводы по выработке водорода или спирта?

Точку в затянувшемся споре должно поставить исследование Well to wheel, проведенное по инициативе «Дженерал моторс». Для начала исследователи уточнили параметры современного европейского автомобиля. По их мнению, он должен:

– разгоняться до 100 км/ч за 12 с, а до 50 км/ч – за 4 с;

– разгоняться с 80 до 120 км/ч на высшей передаче за 15 с;

– обеспечивать ускорение 4,5 м/с2;

– одолевать 30-процентный подъем;

– развивать 180 км/ч;

– проходить без дозаправки 650 км.

Отчет ученых, скрупулезно просчитавших всю энергетическую цепочку от добычи (синтеза) топлива до колес едущего автомобиля, занимает более 500 страниц, но суть наглядно представлена в одной-единственной диаграмме затрат, необходимых для преодоления 1 км. Некоторые решения, еще недавно считавшиеся перспективными (например, использование водорода, полученного электролизом или разложением спирта), оказались совершенно нерациональными. Общий же итог таков: максимум экономии – 15% – энергоресурсов дает водородомобиль, работающий на сжатом водороде, полученном «на стороне» из метана.

Теперь оценим сравнительный вклад в парниковый эффект, от которого, как считают, происходят все климатические катаклизмы. Здесь существенный выигрыш дают лишь машины, работающие на сжатом водороде, образовавшемся при перегонке древесины, или на жидком водороде, выделенном из воды за счет энергии ветра.

Наконец, вспомним, что себестоимость электрического водородомобиля сегодня раз в 10 выше, чем традиционного авто. Вывод: работы необходимо продолжать, но чтобы говорить о серийном производстве таких машин, придется подождать, пока они окончат высшую школу... а в ЗР выйдет статья, посвященная 20-летию «Некара».

ЧТО ВНУТРИ?

Первый топливный элемент соорудил на лабораторном столе в 1839 году английский физик сэр Уильям Роберт Гроув. Это просто ряд пробирок с впаянными в них платиновыми электродами. Открытой стороной пробирки были погружены в серную кислоту, а пространство над ней заполнял водород или кислород. Оказалось, что такая система дает электрический ток (очень слабый), причем количество газа постепенно уменьшалось. Вот как оценил в 1887-м перспективы нового источника тока Вильгельм Оствальд: «Только подумайте, как изменятся индустриальные районы! Ни дыма, ни сажи, ни паровых машин, никакого огня…»

Сегодня в водородомобилях используют в основном топливный элемент PEM (Proton Exchange Membrane) с протонообменной мембраной. Его реальный КПД достигает 60%, мощность – 250 кВт. Рабочая температура 0–80°С. Он похож на прототип сэра Гроува наличием платинового катализатора, а отличается электролитом: вместо серной кислоты используют полимерную мембрану, пропускающую лишь протоны. На аноде молекула водорода распадается на четыре протона и четыре электрона. Протоны проходят на катод через мембрану, а электроны попадают туда же через внешнюю цепь, совершая попутно полезную работу в нагрузке. На катоде все собираются вместе и соединяются с кислородом, образуя водяной пар. Одна ячейка дает напряжение чуть менее 1 В.