"Бензин" будущего

Месторождения нефти, природного газа и угля когда-нибудь неизбежно иссякнут, но только углеводородное сырье пригодно для изготовления бензина или солярки. В этой связи все настойчивее говорят о водородном топливе.

Среди задач, решаемых сегодня в мировом автомобилестроении, едва ли не самая злободневная —поиск новых источников энергии. Месторождения нефти, природного газа и угля когда-нибудь неизбежно иссякнут, но только углеводородное сырье пригодно для изготовления бензина или солярки. В этой связи все настойчивее говорят о водородном топливе. Запасов водорода в природе — практически весь мировой океан, да и сгорает водород, не отравляя атмосферу вредными выбросами. Ну чем не топливо будущего?

Использование водорода в качестве основного топлива или вдобавок к бензину перешагнуло порог чистого эксперимента еще лет сорок назад. И тогда всем показалось, что топливная проблема вот-вот разрешится. Но годы шли своим чередом, и сегодня всего лишь пара-тройка автомобильных компаний может похвастаться более-менее заметными успехами на “водородном” фронте. Да и выглядят эти успехи, к чему лукавить, пока, скорее, лишь демонстрацией собственной “продвинутости” этих фирм, нежели чем-то более серьезным.

Между тем все говорит в пользу водорода. Его ресурсы огромны, а так как сгорает “первый элемент”, образуя водяной пар (вот вам и необходимый круговорот воды в природе), то можно сказать, что они практически и вовсе не истощимы. Единственное токсичное вещество — окислы азота, содержащиеся в выхлопе водородного двигателя, но в незначительных количествах, особенно по сравнению с бензиновыми моторами и уж тем более с дизелями. Они легко обезвреживаются в каталитических нейтрализаторах. По этой причине водородное топливо является идеальным инструментом для полного решения проблемы загрязнения окружающей среды.

Двухтопливный агрегат

В отличие от бензовоздушной смеси горючая смесь на основе водорода воспламеняется в очень широком диапазоне — от 4 до 75% содержания водорода. Поэтому водородный двигатель может работать и на сильно обедненных, и, напротив, на очень богатых смесях, которые, будь мотор бензиновым, поджечь было бы невозможно. Интересно, что даже небольшие добавки водорода (примерно 10% от массы расходуемого бензина) намного расширяют пределы воспламеняемости горючей смеси в обычном двигателе, что создает предпосылки для эффективного регулирования его рабочего процесса. Но что особенно любопытно, этим свойством водорода до сих пор не воспользовалась и, похоже, не собирается ни одна автомобильная компания, предпочитая иные методы управления двигателем. А возможность устойчивой работы на бедных бензовоздушных смесях могла бы дать уже сегодня серьезные экономические выгоды прежде всего на режимах частичных нагрузок, в которых силовым агрегатам приходится работать наиболее часто.

Уж на что преуспела в экспериментах над водородными моторами фирма BMW, но и она до сих пор не рискнула предложить потребителям ни одного автомобиля, в котором водород бы являлся основным топливом. Очередная водородная “семерка”, которую BMW представила публике на Франкфуртском автошоу 2001 года, на самом деле является двухтопливной — или бензин, или водород, а смешение возможно лишь при переходе с одного вида горючего на другой. Причем главная роль в BMW 745h по-прежнему отводится бензину: именно он обеспечивает автомобилю пробег в 700 км, в то время как запас водорода на борту позволяет проехать не более 300 км.

Первые ласточки

Температура сгорания водорода в три раза выше, чем у любого из известных видов нефтепродуктов. Следовательно, в единице веса водорода аккумулировано в три раза больше энергии. К сожалению, этот плюс с лихвой компенсируется тем, что даже в жидком состоянии водород в 14 раз легче воды. Для хранения водорода требуются большие объемы. Потому-то BMW постоянно использует в своих опытах флагманскую 7-ю серию, а не 5-ю или 3-ю, меняются только поколения этих автомобилей.

Малый удельный вес — недостаток значительный, однако не настолько, чтобы стать непреодолимой преградой для применения водорода в качестве топлива. Развитие криогенных технологий и успехи, достигнутые в сфере использования сверхнизких температур, уже сегодня позволяют без особого ущерба полезному пространству автомобиля хранить на его борту запас жидкого водорода, достаточный для пробега 500 км и более.

Другая малоприятная особенность водорода — взрывоопасность. В смеси с воздухом он образует гремучий газ, который способен взорваться от искры. Это существенный минус, хотя и утверждают, что взрывается гремучий газ только в закрытых емкостях и помещениях, а на открытом пространстве водород стремительно улетучивается вверх и так быстро рассеивается в атмосфере, что поджечь его становится невозможно даже на небольшом расстоянии от места утечки. Если поставить во главу угла интересы безопасности, тогда инженерам следует больше внимания уделять поиску новых металлогидридных соединений — веществ, способных при охлаждении поглощать и удерживать водород, а при нагревании — его испарять. Пока же известные сегодня гидриды — железотитановые и никель-магниевые — уступают по объемным и весовым параметрам криогенному способу хранения водорода.

Одна ласточка весны не делает, но очень может быть, что “водородная” идея обретет второе дыхание после того, как в нынешнем году на автомобильной выставке в Детройте был представлен концепт-кар Ford U. При проектировании силовой установки для модели U инженеры Ford за основу взяли 2,3-литровую рядную “четверку”, хорошо известную по Ford Ranger и Mondeo, а также некоторым моделям Mazda.

Чтобы приспособить этот мотор для работы на водороде, его оснастили системой наддува с промежуточным охлаждением, модернизировали систему зажигания и разработали новое программное обеспечение для электронного блока управления двигателем.

Семи килограммов водорода, хранящихся в двух криогенных емкостях, расположенных под задними сиденьями автомобиля, хватает на 500 км пробега. Багажное отделение не пострадало, а 118 сил мощности, которую развивает двигатель, достаточно Ford U на все случаи жизни. Как видим, чтобы построить рабочий водородный автомобиль, титанических усилий не требуется.

Полный бак электричества

В середине 1990-х многие автомобильные компании обратили свой взор на электромобили с топливными элементами, в которых источником энергии тоже является водород. Здесь в отличие от классических конструкций предлагается совершенно иной принцип работы. Водород не сгорает, как это происходит в тепловом двигателе, а разлагается внутри топливных элементов (или ячеек, как их иногда именуют) на разноименно заряженные ионы и электроны. Именно электроны и превращаются в полезный электрический ток, питающий цепь бортовой силовой установки, а что касается ионов водорода, то их связывает кислород, который в составе обычного воздуха подается внутрь топливного элемента, образуя выхлоп — все тот же безвредный водяной пар.

Сегодня технология топливных элементов стала очень популярной, хотя пока и развивается в основном только из-за перспектив по обеспечению нулевого уровня токсичности. Однако специалисты уже бьют тревогу. Широкому внедрению топливных элементов сегодня серьезно мешает полное отсутствие соответствующей инфраструктуры (иными словами, водородных заправок). Пока такой инфраструктуры нет, приходится тратить время и усилия на разработку и совершенствование аккумуляторных электромобилей или гибридных авто, у которых вряд ли есть будущее, чтобы впоследствии прошедшие на них эксплуатационную проверку электромоторы, блоки управления и другие устройства можно было применить и на водородных транспортных средствах.

Жизнь заставит

Проблема замены вида топлива выходит далеко за рамки задач, решаемых в автомобильной индустрии. По сути речь идет о смене эпох или даже цивилизаций, если вспомнить, что нынешнюю по основному источнику энергии называют “углеродной”. Поэтому на самом деле генеральный вопрос заключается в следующем: каким образом должна быть организована добыча водорода в промышленных масштабах?

Электролиз воды требует энергетических затрат. Так откуда же будем брать энергию для получения водорода? О тепловых электростанциях придется забыть, а гидроэлектростанции, сколько их ни строй, не успевают за растущими нуждами человечества. Чернобыль и проблемы, возникающие с утилизацией отходов атомных электростанций, заставили засомневаться, что ядерная энергетика — это панацея от энергетических бед. Ученые мужи уповают на использование для производства водорода солнечной энергии, однако эта область энергетики сама еще находится в таком зачаточном состоянии, что говорить о каких-то серьезных перспективах пока не приходится.

Словом, если на наш век нефти и газа еще хватит, то для следующего поколения настоящий энергетический прорыв станет жизненной необходимостью.