Использование водорода в качестве основного вида топлива может коренным образом изменить всю будущую техническую цивилизацию. Важнейшая проблема современности – охрана окружающей среды от загрязнения – будет практически решена.

Характеристики водорода как моторного топлива уникальны: высокая теплота сгорания – 120 МГж/кг (у бензина почти в 3 раза ниже); хорошая воспламеняемость; безвредность отработанных газов; высокая скорость сгорания (в 4 раза выше, чем у смеси «бензин–воздух»).

В мире производится около 50 млн т водорода в год. В основном путем конверсии жидкого и газообразного топлива. Под конверсией понимают химическую реакцию углеводородов с водяным паром (паровая конверсия) либо с паром и кислородом (парокислородная конверсия), либо с кислородом (кислородная конверсия), в результате которых образуются водород и окиси углерода. Наибольшее распространение получила паровая каталитическая конверсия метана. Процесс протекает при умеренной температуре – 800-850°С.

В первой четверти XXI в. ученые прогнозируют рост производства и потребления водорода в несколько раз по сравнению с сегодняшним уровнем.

Разработан ряд перспективных методов получения водорода. Например, путем электролиза воды. По различным данным из воды ежегодно получают от 0,5 до 1,5 млн т водорода (1-3% общего количества). Пока получение электролизного водорода обходится более чем в 2 раза дороже, чем конверсионного, но при использовании промышленных электролизеров следующего поколения в будущем водород может сравняться со стоимостью с конверсионным, а затем стать дешевле.

Хорошо известны процессы получения водорода с помощью угля. Чаще таким путем вырабатывают не чистый водород, а его смесь с монооксидом углерода – синтез-газ и искусственные энергоносители. Совершенствование этих процессов должно принести к снижению затрат на получение водорода и синтез-газа и к их применению в районах крупных угольных месторождений.

Важным свойством водорода как энергоносителя является то, что в результате его сгорания образуется водяной пар – рабочее тело паротурбинных установок. Поэтому использование водорода в энергетике потребует усовершенствования современных энергопроизводящих систем, но не коренной их перестройки.

В каком виде можно применять водород? Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой емкости. Более реальный вариант – использование жидкого водорода. Правда, в этом случае необходима установка дорогостоящих криогенных баков со специальной термоизоляцией. Возможно хранение водорода в твердой фазе в составе металлогидридов, что безопаснее хранения бензина в цистернах. Связывать водород при определенных условиях могут интерметаллические соединения на основе редкоземельных металлов, титана, железа и ряда других металлов. В Институте металлургии РАН разработан интерметаллический сплав на основе никеля и редкоземельного металла – лантана. Благодаря своей структуре сплав обладает некоторыми свойствами неметаллов и может поглощать (сорбировать) и удерживать газы, а при нагревании до 150°С выделять их. При этом объем сорбируемого водорода в 500 тысяч раз превышает объем самого интерметалла.

Процесс накопления и обратного выделения зависит не только от емкости «поглотителя», но и от его конфигурации – чем больше поверхность, тем быстрее происходит сорбирование и, соответственно, обратное выделение водорода. Скорость можно регулировать, меняя температуру нагрева. Это позволяет осуществлять достаточно простое управление подачей горючего в двигатель. Кроме того, в процессе накопления и отдачи водорода сохраняется первоначальная эффективность при многократном повторении. Фактически интерметалл представляет собой компактный аккумулятор водорода, который может стать основой взрывобезопасного «топливного» бака.

В Институте водородной энергетики и плазменных технологий разработана принципиальная новая схема водородного автомобиля. Окисление происходит не в двигателе внутреннего сгорания, а в электрохимическом генераторе, где и вырабатывается электрическая энергия, вращающая основной вал двигателя. Трансформация энергии водорода в электроэнергию с помощью электрохимического генератора, основанная на полимерных мембранах, позволяет это делать при температуре кипения воды, что исключает синтез окислон-азота из воздуха, неизбежно возникающий при высоких температурах в других системах. В итоге на выхлопе – чистая вода.

Ученые разработали систему водородной безопасности – так называемые дожигатели, которые нейтрализуют водород при малейшей его утечке, сигнализируя водителю о неисправности.

Автомобильный концерн «Даймлер-Бенц» (Германия) и энергетическая компания «Бэллард пауэр системс» (Канада) договорились о слиянии операций по технологическому развитию, производству и маркетингу топливных элементов. Совместное предприятие «Ди-Ди-Бифьюэт сеппз эндтинэ», в котором «Даймлер-Бенц» контролирует 2/3 капитала, определенного в 450 млн долларов, ставит перед собой задачу стать первым в мире производителем топливных элементов для легковых автомобилей и автобусов.

Топливные элементы – это прорыв в технологии на пути к экологически чистому автомобильному двигателю. Основным горючим является водород – его пропускают через полимерные мембраны с катализаторами, которые вызывают химическую реакцию с кислородом воздуха: водород превращается в воду, а химическая энергия его сгорания – в электрическую. Еще одно достоинство двигателя на топливных элементах – высокий КПД. Для обычных двигателей, работающих на бензине и дизельном топливе, он составляет 25-45%, КПД же топливных элементов – 70% и выше.

До недавних пор топливные элементы конструировали только для специальных целей, например космических исследований. В настоящее время их начинают применять на стационарных и передвижных электростанциях, внедрять в качестве силовых установок на надводных судах и подводных лодках.

Топливные элементы – энергетический рынок будущего. По мнению экспертов, он способен конкурировать даже с природным газом.

В настоящее время к промышленному производству различных видов топливных элементов приступили такие крупнейшие фирмы, как «Мицубиси хэви индатриз», «Тойота», «Фудзи», «Саньо», «Тошиба», «Эленко Эйч-Би», «Энерджи партнере» (в альянсе с «Фордом»), «Эйч-Пауэр» (в сотрудничестве с «Дюпон»), «Интернэшнл фыоэп-селл», «БМВ», «Симменс» и «Линде».

В 2000 г. фирма «Опель» представила в Пекине автомобиль, работающий на водородных топливных элементах. Электродвигатель имеет мощность 75 л. с. и способен развивать скорость до 140 км/ч. Одной емкости водорода хватает на 400 км.

Электромобиль

Только с 60-х гг. (особенно после энергетического кризиса 1973 г.) возник интерес к их массовому использованию. Это было вызнано не только энергетическими, но и серьезными экологическими проблемами: электромобиль не загрязняет и не подогревает воздух, он не такой шумный.

С 2003 г. в Калифорнии (США) вступает в действие закон, предусматривающий обязательный выпуск национальными производителями не менее 2% автомобилей с «нулевым выхлопом», прежде всего – электромобилей,

В 2008 г. фирма «Дженерал моторс» построила самый дорогостоящий электромобиль. Его начинка – 44 никель-металлогидридные батареи, топливные ячейки и трехфазный электромотор мощностью 137 л. с, разгоняющий машину весом 1300 кг до 150 км/ч с общим пробегом 500 км от одной зарядки. Исходным топливом для электромобиля служит технический спирт – метанол. Смешиваясь с водой, спирт разлагается в испарителе на водород и двуокись углерода. Водород поступает в топливные ячейки и после ионизации вырабатывает электроэнергию, подпитывающую батареи. Данные ионы окисляются кислородом, содержащимся в воздухе, и превращаются в воду, которая используется на первой стадии цикла. Таким образом решается масса проблем, которые прежде делали автомобиль на электротяге столь непривлекательным: батареи не нужно заряжать от сети, а баки – заправлять взрывоопасным водородом. Правда, здесь есть одно «но». Аналогичные установки американцы используют в космосе. И цена их столь заоблачная, что о «гражданском» применении таких установок пока не может быть и речи.

В Швеции создан 15-тонный грузовик, который назвали машиной будущего. В его двигателе соединены электромотор и газовая турбина. Электромотор используется на улицах города, чтобы не загрязнять атмосферу, а турбина – на загородных шоссе. Двигатель достаточно мощный 170 л. с, что позволяет грузовику развивать скорость ПО км/ч. Газовая турбина работает на этаноле, вредность выхлопных газов при этом в 10 раз меньше, чем от машин с поршневым мотором. А в качестве горючего могут быть использованы также метанол, бензин, дизельное горючее, рапсовое масло и природный газ.

Словом, поиск идет повсюду. Страна, которая первой выйдет на мировой рынок с электромобилем, не уступающим автомобилю с бензиновым двигателем, окажется лидером в гонке за транспорт XXI в.

Опередив в очередной раз остальные страны, Япония вступает в эру электромобилей. В Осаке постоянно действует первая на планете сеть скоростных подстанций, которым необходимо всего лишь 30 мин, чтобы «заправить» экологически чистый автомобиль, обещающий уже в недалеком будущем составить серьезную конкуренцию привычным машинам с двигателем внутреннего сгорания. До сих пор на подзарядку батарей уходило не менее 10 ч, что было одним из главных сдерживающих факторов широкого распространения электромобилей в мире. Однако с вводом в Осаке первых семи скоростных «электрозаправок» машины смогут свободно курсировать по городу. Они могут вернуться назад до того момента, как у них иссякнет вся энергия. Учитывая также, что последние модели электромобилей способны развивать скорость до 140 км/ч, зона их применения еще более расширяется.

Японская компания «Тойота» может стать первым в мире массовым производителем легковых автомобилей с двойной или «гибридной» системой энергоснабжения. Новая машина оснащена традиционным бензиновым двигателем, а также источниками энергопитания – аккумуляторными батареями, электромотором и электрогенератором.

Технология двойного питания, позволяющая водителям свободно переходить с одной системы на другую, в той или иной форме разрабатывалась практически всеми крупными автомобильными компаниями с целью повышения экологической безопасности своей продукции. Однако реализация проектов в большинстве случаев откладывалась в связи с высокими производственными расходами, которые неизбежно приводят к подорожанию автомобилей для покупателей. Если «Тойоте» удастся преодолеть проблему и запустить в производство экологически безопасную модель, это станет серьезным поводом для беспокойства ее американских и европейских конкурентов.

Пока представители «Тойоты» не раскрывают данных о планируемом объеме производства и возможной рыночной цене машины. Однако известно, что «гибкие» модели будут незначительно дороже традиционных. Успех предприятия во многом зависит от расценок и объемов производства.

Новая модель «Тойоты» будет оснащена двигателем внутреннего сгорания объемом 1500 см³, обеспечивающим возможность развития высокой скорости на автомагистралях. В городе же водитель может переключиться на экологически безопасную систему питания. Конструкция машины предусматривает подзарядку аккумуляторных батарей от бензинового двигателя. Таким образом должна быть преодолена проблема длительных простоев, которые вынуждены совершать автомобили, работающие на электричестве. Новая система также значительно более экономична в отношении расхода бензина.

Более 4000 экологически чистых электромобилей ездит по дорогам Германии – это 0,01% от общей численности автопарка страны. Количество электромобилей в 2007 г. увеличилось на 2,5%. Они заняты в основном на доставке мелких партий товаров в небольшие магазины. В этой связи эксперты полагают, что в Германии нашлось бы применение как минимум для 10 млн электромобилей. При этом потребление электроэнергии возросло бы на 5%, что потребовало бы строительства новых электростанций.

В настоящее время в России только Волжский автомобильный автозавод, не считая мелких опытно-конструкторских фирм, выпускает электромобили. В его арсенале «Ока электро», длиннобазная «Нива» ВАЗ-2131Э, «Пляжный «Эльф» и показанный на Парижском автосалоне 2009 г. оригинальный электромобиль «Рапан». Электрическая «Ока» весьма уверенно чувствует себя в плотном городском потоке, свободно разгоняясь до 100 км/ч. Запаса хода полностью заряженной машины хватает на 100 км при движении по городу. Главная проблема в несовершенстве аккумуляторных батарей. Создано и эксплуатируется несколько десятков аккумуляторов, в том числе никель-кадмиевые, никель-серные, серебряно-цинковые и др. Большинство имеет короткий срок службы, незначительную энергоемкость и высокую стоимость, сопоставимую порой со стоимостью всего автомобиля. Кроме того, для их подзарядки требуется немало времени. Та же «Ока электро», оснащенная никель-кадмиевой батареей, заряжается не менее 6-7 ч.

Перезарядка воздушно-алюминиевых батарей не требует использования электросети, а сводится к механической замене отработанных алюминиевых анодов новыми, на что уходит не более 15 мин. Еще проще и быстрее происходит замена электролита для удаления из него осадка гидроокиси алюминия. На заправочной станции отработанный электролит подвергают регенерации и используют для повторной заправки электромобилей, а отделенный от него гидроксид алюминия направляют на переработку. Автомобильная энергоустановка 92ВА-240 пока выпускается в опытных партиях.

В 2001 г. в Москве начали использоваться аккумуляторные электромобили «Муравей», предназначенные для уборки тротуаров и пешеходных зон. Эти экологически чистые машины работают только от электроэнергии и заряжаются от обычной розетки в 220 вольт в течение восьми часов. Продолжительность их работы без перезарядки – около четырех-пяти часов.

Маленькие желтые машинки высотой около полутора и длиной в два метра были созданы конструкторским бюро «Тетр». Электромобиль «Муравей» получил бронзовую медаль на Первом международном салоне инноваций и инвестиций. Недавно российские ученые предложили принципиально новый подход к решению проблемы: вырабатывать электроэнергию на борту электромобиля непосредственно из бензина (без теплового двигателя и генератора). Компактные электромоторы установлены прямо в колесах (рис. 1). Это так называемый механотронный узел, который не только экономит электроэнергию и во много раз снижает вес электромобиля. Компьютер управляет всеми колесами: тут и антиблокировочная система и система курсовой устойчивости. Под днищем машины установлены блоки топливных элементов – автономные электростанции суммарной мощностью 40 кВт. Дополнительно в цепь включен буфер из суперконденсаторов – для мгновенного повышения мощности. Заправиться можно бензином на обычной бензоколонке, но эффективнее использовать метанол, который можно синтезировать из угля или природного газа. Пойдет и водород и даже спирт. Расход топлива для автомобиля класса «Волга» составляет 3,5 л метанола на 100 км.

Рис. 5. Схема российского электромобиля

Механотронные узлы на электромобилях – дело будущего. Наука еще не подошла к созданию миниатюрных и достаточно мощных узлов. Для этого нужно решить проблему сверхпроводимости.

Топливными элементами Россия уже располагает. Оборонная промышленность выпускает самые дешевые мембраны для топливных элементов. Электронную начинку дешевле покупать за рубежом. Таким образом, в России создан электромобиль нового поколения. Многие зарубежные специалисты проявили интерес к российской технологии производства топливных элементов. В 2008 г. создана Российская ассоциация электрических транспортных

средств Росэлектротранс. Эта общественная организация будет заниматься продвижением электромобиля в России.

В интересах защиты окружающей среды считается целесообразным перевод автотранспорта на электротягу, особенно в крупных городах. Предполагается, используя существующие типы источников тока с определенным их усовершенствованием, создать и передать в эксплуатацию электромобили, экономически и технически конкурентоспособные с обычными автомобилями. Последующие этапы развития электромобилей связывают с их серийным и массовым производством и постепенным увеличением доли в автомобильном транспорте. Оценки показывают, что в 2000 г. электромобили могут составлять 5% общего числа автомобилей мира, а в 2025 г. – 15%.

Альтернативные виды топлива

Во всем мире ученые ищут и пытаются освоить альтернативные виды топлива. Особенно это важно для регионов, характеризующихся неблагоприятной экологической обстановкой. К подобным видам топлива относится газо-хол-бензин или дизельное топливо с 10–20%-ной добавкой этилового спирта, вырабатываемого из отходов растениеводства и лесопереработки, ранее выкидывавшихся на свалку. Если к середине 70-х гг. было всего 5 стран, использовавших такое топливо, то к 2008 г. их стало 30.

Первые пробы нетрадиционного топлива были сделаны в Бразилии. В 1968–1973 гг. там была разработана правительственная программа «Проалколь», рассчитанная на 10-15 лет. Она предусматривала «оснащение» нефтеспиртовым топливом не менее 2/3 всего автотранспорта страны.

Конструкторы разработали двигатели для работы в двух режимах – бензиновом и бензино-спиртовом. Кроме того, научились переналаживать и стандартные автомобильные двигатели на двухтопливный режим. Если в конце 70-х гг. на спиртонефтяном топливе в Бразилии работало около 1/3 легкового и примерно 20% грузового транспорта, то в 2007 г. соответственно 75% и почти 60%. В настоящее время промышленность страны выпускает около 8 млрд л этанола в год, из них 7,5 млрд л потребляется транспортом. Это привело к тому, что в 5 раз сократилась загрязненность воздуха в городах, втрое уменьшилось потребление нефтяного топлива автотранспортом. Сельскохозяйственные корпорации имеют стабильный рынок сбыта отходов. Правительство установило стабильные цены на сырье для «спиртового топлива», низкие налоги для предприятий, выпускающих нефтеспиртовые смеси, а также повысило цены на бензин и дизельное топливо. Тем самым «провоцировался» спрос на новую продукцию. По мути Бразилии пошли Зимбабве и Мозамбик, страны Юго-Восточной Азии и ЮАР. С середины 80-х гг. США начали выпускать такое горючее, а также специальные двухтопливные двигатели для легковых и грузовых автомобилей.

В 2000 г. правительственный комитет по реформированию аграрного комплекса и проблем экологии Украины одобрил проект программы «Этанол: 2000-2010», разработанной по поручению президента и правительства республики. Она предусматривает перевод примерно 1/3 автопарка на бензино-спиртовое и чисто спиртовое топливо – этанол. Ресурсы этанола практически неисчерпаемы: из отходов сельского хозяйства, главным образом свекловодства и переработки импортного тростникового сахара-сырца. На Украине ежегодно производится свыше 5,5 млн декалитров этанола и еще 300-310 тыс. декалитров сугубо технических спиртов (этанол, метанол и т. п.). Ежегодные мощности украинских предприятий позволяют выпускать 66 млн декалитров таких спиртов при потреблении в сфере транспорта 6–9 млн декалитров.

С 80-х гг. в Западной Европе для дизелей применяют так называемое «биодизельное топливо»: эфиры жирных кислот, рапсово-метиловый эфир (РМЭ), получаемые при переработке растительных масел и их отходов. Основными потребностями в странах ЕС пока остаются грузовики и междугородные автобусы: их проезд в большинстве стран – членов Евросоюза, на обычном дизельном топливе запрещен, а экологические штрафы превышают разницу в сбыточной стоимости масло-эфиров, смешанного топлива, с одной стороны, и дизельного топлива – с другой.

Испытания 2005-2008 гг. показали, что наиболее эффективным экономически невысоким по капиталоемкости и надежности в эксплуатации является РМЭ. Принцип здесь такой: перед получением РМЭ 1 т масла смешивают с 110 л метанола. Потом к смеси добавляют катализатор – гидроокись калия – для отделения глицерина и нагревают до 40–50°С. Процесс повторяется до максимальной чистоты эфиров. Из 1 т масла при производстве РМЭ выделяется до 100 кг глицерина.

С 2008 г. в России проводятся испытания сельхозтракторов на биодизе смеси рапсового масла с дизтопливом в пропорции 75:25. В Ижевске с этого года действует программа по охране окружающей среды (рассчитанная до 2003 г. включительно), предусматривающая серийное производство бензино-этанольных (или метанольных) топлив и соответствующих двигателей.

Многие рассматривают метанол или древесный спирт как перспективное автомобильное топливо, альтернативное бензину. С экологической точки зрения наиболее перспективно углеродное топливо. Оно сгорает «чище», образуя главным образом диоксид углерода и воду. Кроме того, давление паров метанола в несколько раз ниже давления паров бензина, поэтому испарение метанола практически не является источником загрязнения окружающей среды.

В выхлопных газах автомобиля, работающего на метаноле, содержится в 5 раз меньше двуокиси углерода и в 10 раз меньше различных углеводородов по сравнению с современными автомобилями с бензиновыми двигателями. В выхлопах работающих на метаноле автомобилей практически нет твердых веществ (сажи) и токсичных веществ за исключением формальдегида.

Главным недостатком метанола является более низкое энергосодержание: в единице объема метанола заключено примерно в 2 раза меньше энергии, чем в единице объема бензина или дизельного топлива. Это значит, что топливный бак для метанола больше и тяжелее. Преимуществами метанола являются высокое октановое число, низкие потери при сгорании и способность к конверсии (превращению) в газ с высоким энергосодержанием.

Для повышения КПД двигателя надо увеличить степень сжатия горючей смеси в цилиндре. Однако в бензиновых двигателях сжатие не должно быть больше 4–5-кратного. Метанол позволяет повысить степень сжатия до 15-кратного. В силу этого он обеспечивает повышение характеристик мощности и КПД, что обусловливает его предпочтение в автогоночной технике.

Кроме того, метанол позволяет полностью снизить потери тепла при сгорании, что кардинально изменяет систему охлаждения двигателя. В частности, по мнению некоторых специалистов, можно вообще отказаться от радиатора и вентилятора, особенно при использовании керамических материалов в наиболее теплонагруженных узлах двигателя. Между тем снижение массы двигателя с охлаждающей системой на 1 кг позволяет снизить массу других частей автомобиля на 750 г. А более легкому автомобилю требуется меньше энергии для ускорения.

Наконец, способность конверсии в газ с высоким энергосодержанием также является важным преимуществом. Получается смесь газов монооксида углерода и водорода, именуемая «синтез-газом» с высоким энергосодержанием. Ее можно взять, применяя специальный катализатор из тепла отработавших газов, что позволяет провести конверсию на борту автомобиля. Таким образом, с помощью утилизации тепла отходящих газов повышается КПД, топливная экономичность двигателя и его экологическая чистота.

В Российском НИИ технологии материалов для этого процесса разработан новый катализатор, обеспечивающий полную конверсию метанола, высокую стабильность и отсутствие побочных продуктов. Причем свойства этого катализатора не ухудшаются при использовании технического метанола. Метанол имеет следующие недостатки. Выхлопы автомобилей на метаноле содержат в 2 раза больше формальдегида, чем выхлопы автомобилей на бензине, однако при работе на метаноле количество выбрасываемых углеводородов, способных превращаться в формальдегид, уменьшается в десятки раз. Следовательно, уровень формальдегида даже понизится. Если же полностью контролировать метанол в «синтез-газе», то ни один канцероген, включая формальдегид, присутствовать в выхлопе не будет.

Самым перспективным сырьем для получения метанола является уголь, запасы которого в отличие от нефти и газа намного больше. Спрос на метанол как транспортное топливо откроет новый рынок сбыта для угля.

Средняя цена на метанол составляет 15 центов за 1 л против 29 центов за 1 л бензина. При увеличении объемов производства стоимость метанола будет еще ниже. Например, самый большой завод производительностью 900 тыс. т метанола в год построен в Чили фирмой «Келлог». Цена получаемого здесь метанола составляет всего 7 центов за 1 л.

Японские ученые предложили использовать в качестве горючего «кухонное» масло, являющееся бытовым отходом. Технологически эта операция состоит из двух этапов: на первом отработанное масло фильтруют из остатков пищи, а на втором – производят химическую реакцию с участием метанола и катализаторной смеси. Получается превосходное по свойствам горючее, которое годится для любого дизельного двигателя.