Автомобильной промышленности нередко пеняют, что её продукция мало изменилась за прошедший век — те же четыре колеса, тот же двигатель внутреннего сгорания, тот же руль… В то время как прогрессивное человечество успело перейти от эксплуатации крестьянской лошадки к полётам на Луну и освоению энергии атома, а после даже предать забвению многое из уже освоенного.
Отчасти эти претензии, конечно, верны, но лишь отчасти. Чтобы понять это, достаточно прокатиться в роли пассажира, а много лучше водителя, на каком-нибудь железном коне полувековой давности — это сразу развеет многие иллюзии. Да, изменения в конструкции, комфорте, удобстве вождения были в основном эволюционными, а потому не столь заметными в каждый отдельно взятый отрезок времени. Кажется, период тихих преобразований закончился, и автопрому под нажимом экологов и экономистов, хочешь не хочешь, а придётся переходить от эволюции к революции. Прежде всего это касается главного – автомобильных двигателей.
Претензий к двигателям внутреннего сгорания на ископаемом топливе не счесть. Триллионы долларов, потраченных за все эти годы автомобильными компаниями на исследования и разработки, позволили многого добиться в поиске оптимума по взаимоисключающим направлениям повышения производительности, эффективности моторов и снижения вредных выбросов. Но КПД современных бензиновых двигателей составляет в среднем около 20% (а с учётом потерь в трансмиссии, и того меньше) — не слишком-то впечатляющая величина.
И самое главное — ископаемое топливо имеет неприятное свойство когда-то заканчиваться (точнее, возобновляться намного медленнее, чем мы его потребляем), а расходовать большую часть горючего на нагрев атмосферы и попутное производство углекислого газа по меньшей мере неразумно. Плюс дышится в городах с каждым годом всё менее вольготно, и эту тревожную тенденцию можно заметить невооружённым носом.
Какие же варианты?
Бархатная революция
Первое, что приходит на ум — сохранить двигатели внутреннего сгорания, «подкручивая» показатели их эффективности, экологичности и постепенно переводя на другие виды топлива: природный газ, водород, а также различные варианты биотоплива.
Недостатки этого подхода достаточно очевидны. Радикальное повышение КПД двигателя (при сохранении на приемлемом уровне других характеристик) маловероятно, слишком уж много времени инженеры потратили, совершенствуя существующие конструкции, чтобы надеяться на какие-то радикальные прорывы. Автопроизводители, конечно, постоянно внедряют новые технологии и с гордостью отчитываются об очередных процентах достигнутой экономии, но изменения эти по большому счёту скорей косметические. К тому же за эти достижения приходится платить: выше цена двигателей и обслуживающей электроники, а также более жёсткие требования к качеству топлива. Последнее хорошо знакомо российским владельцам современных иномарок: многие сталкивались с ситуацией, когда мотор с непосредственным впрыском страдает хронической неперевариваемостью отечественного бензина и выливается это в изрядные суммы и нервотрёпку.
В последние годы большие надежды возлагаются на дизельные двигатели. В среднем они более эффективны, чем бензиновые: потребляют меньше топлива, а следовательно выбрасывают меньше углекислоты (процентов на 20). Изначально более высокую токсичность дизельного выхлопа удалось компенсировать сложной системой нейтрализации отработанных газов: по образному выражению одного автоинженера, «в каждую машину приходится засовывать маленький химический заводик». Причём цену этого заводика покупатель автомобиля на одной лишь экономии топлива отбить, как правило, не может. Чтобы поощрить распространение дизелей, правительства развитых стран используют систему налоговых послаблений. Там, где она достаточно развита, например, в Европе, дизели очень популярны не только на тяжёлом транспорте, но и в легковушках. А там, где налоговой стимуляции нет, дизели нового поколения встречаются столь же часто, как профессиональные фотомодели в сельском Нечерноземье, — слишком уж дороги.
С топливом для двигателей внутреннего сгорания тоже не всё гладко. Природный газ, видимо, закончится позже нефти, но когда-нибудь закончится тоже, несмотря на все сланцевые, шельфовые и глубоководные запасы (нефть и газ, конечно, не исчезнут совсем, но станут запредельно дорогими, непригодными для массового использования). Водород в роли горючего выглядит довольно сомнительно: слишком дорог для сжигания в малоэффективных устройствах и неудобен в транспортировке (об этом ниже).
Остаётся биотопливо во всех его разновидностях: от «помоечного» метана до этилового спирта из сельхозкультур и одноклеточных водорослей. Но если в масштабе отдельных стран с относительно невысокой плотностью населения это может и сработать, то в мире в целом, да ещё как основное решение проблемы, — вряд ли. Придётся чуть ли не всю планету превращать в одну сплошную плантацию для биотопливного сырья. Кушать меж тем быстро увеличивающемуся населению Земли хочется всё больше — налицо противоречие.
В любом случае двигатели внутреннего сгорания, чем их ни корми, даже чистейшим водородом, неизбежно производят что-то вредное. Нет остатков недогоревших углеводородов? Нет и угарного газа? Даже углекислоты нет? Значит, есть окислы азота — тоже не самая полезная для здоровья штука. Ничего не поделаешь, высокая температура в камере сгорания и состав земной атмосферы диктуют свои правила игры.
Остаётся, конечно, слабая надежда на какие-то иные типы тепловых двигателей, которые бы обладали более высоким КПД. Сообщения о подобных изобретениях появляются регулярно, но ни одно из них так и не «выстрелило»: их достоинства неизбежно тесно связаны с какими-нибудь фатальными наследственными недостатками.
Инновации двухвековой давности
Неплохими кандидатами на роль замены двигателей внутреннего сгорания выглядят топливные элементы. Хотя в них происходит та же самая реакция окисления топлива атмосферным кислородом, но используется прямое превращение химической энергии в электрическую (как в гальванических элементах), минуя малоэффективные процессы горения. Как следствие, максимальное значение КПД может быть намного выше, чем у тепловых машин: в сегодняшних разработках до 60% (если учитывать только электричество, без попутно выделяемого тепла).
Топливные элементы известны уже почти два столетия (впервые описаны в 1830-х годах Уильямом Гроувом), и всё это время их пытались приспособить для решения двух задач: разработки высокоэффективных стационарных электростанций и автономных источников энергии. Нельзя сказать, что оба направления с треском провалились. И электростанции в нескольких странах уже десятки лет работают (большинство в США), и автономные источники используются. Но до сих пор всё это носит скорее экспериментальный или мелкосерийный характер, как, например, бортовой генератор энергии на кораблях американской лунной программы «Аполлон». Это связано со всё ещё нерешёнными проблемами: высокой ценой топливных элементов, ограниченным сроком их службы и сложностью «складывания» большинства типов в компактную и лёгкую конструкцию.
Для автомобилей перспективным считается лишь один тип топливных элементов — PEM (остальные либо слишком дороги, либо громоздки и долго запускаются, либо слабосильны), горючим для которых может выступать только водород. Соответственно, автомобиль должен быть оснащён баком для хранения достаточного количества водорода или громоздкой и дорогой установкой для реформинга — получения водорода из углеводородного топлива (бензин, газ, спирт…). Последний вариант в легковушках пока мало реален. Даже и без блока реформинга лучшие топливные элементы вместе с необходимым для организации правильного питания электродвигателя аккумулятором занимают полбагажника, поэтому приходится выбирать меньшее из зол — водород.
Но с ним тоже всё непросто. Главные достоинство водорода: экологичность (в продуктах окисления лишь вода) и принципиальная возможность получения из той же воды (вопрос, откуда возьмётся потребная для этого энергия, пока оставим за скобками, уповая на ядерные и солнечные источники). В то же время водород трудно назвать идеальным топливом. Энергоёмкость водорода на единицу объёма, как сжатого, так и сжиженного, существенно ниже, чем у бензина. Сжижение водорода требует дорогой криогенной установки (температура перехода газ-жидкость всего —253 градуса Цельсия). Залитый даже в качественный «термос» внутри машины, жидкий водород неизбежно будет испаряться — и продукта жалко, и взрывоопасно. Для хранения сжатого газа (обычно используются давления 350—700 бар) нужен довольно прочный, объёмный и тяжёлый бак, кстати, тоже недешёвый. Ну и, конечно, в любом случае потребуется инфраструктура водородных заправок, а её постройка отнюдь не минутное и копеечное дело. Для справки: в самых прогрессивных в этом отношении США сейчас насчитывается меньше 70 мест, где можно заправить машину водородом, и львиная их доля, что не удивительно, сосредоточена в высокотехнологичной Калифорнии.
Ещё один важный момент — водород должен быть максимально очищен от примесей. Дело в том, что углерод, сера и прочие сопутствующие компоненты (сейчас водород получают, как правило, не электролизом воды, а разложением природного газа и другого углеводородного сырья — так дешевле) быстро выводят из строя электроды с платиновыми катализаторами. Поэтому сложно сказать, как часто топливные элементы придётся менять или обслуживать. Ко всему прочему, ещё не окончательно решены проблемы запуска топливных элементов PEM при низких температурах: в системе постоянно присутствует жидкая вода, которая имеет неприятное свойство замерзать.
Стоимость автомобильных топливных элементов оценить пока довольно сложно. Скажем, каждый автомобиль FCX Clarity, проходящий тестовые испытания в Японии и США, по слухам, обходится Honda примерно в 300 тыс. долларов (тестеры получают их в аренду за смешные деньги — 600 долларов в месяц). В то же время, если верить министерству энергетики США (DOE Hydrogen Program Record 9012), себестоимость 80-киловаттной автомобильной системы топливных элементов при тираже в 500 тыс. экземпляров в год составит всего в 4880 долларов, то есть лишь немногим дороже двигателя внутреннего сгорания аналогичной мощности.
Насколько эти оценочные цифры (кстати, уменьшившиеся вдвое за последние четыре года) близки к реальности, сказать трудно. Серийно автомобили на топливных элементах пока не выпускает ни один автопроизводитель, хотя некоторые экспериментальные программы насчитывают уже больше десятка лет. И если в отношении гибридов/электромобилей большинство компаний настроены очень оптимистично, то по топливным элементам мнения разделились. В лагере сторонников технологии Honda (проект FCX Clarity) и GM (Chevrolet Equinox FC), хотя последняя несколько забросила водородное направление за последние пару лет (виноваты финансовые проблемы и большие траты на гибрид Volt). Ещё один серьёзный игрок — корейская Hyundai, которая вроде бы собирается производить кроссовер Tucson ix35 FCEV тысячными тиражами для внутреннего корейского рынка уже в 2012 году (что характерно, у всех остальных фирм планы куда более скромные и отдалённые). Ещё несколько компаний: Nissan (X-Trail FCV), Toyota (Highlander FCHV), Suzuki (SX4-FCV) и Daimer (F800) продолжают исследования по топливным элементам, но не предполагают их скорой коммерциализации. А вот Ford и Renault, например, взвесив все за и против, объявили об отказе продолжения своих программ, поскольку не верят в светлое будущее технологии в ближайшие годы.
На пути от обезьяны к человеку
Что же остаётся в запасе? Электроэнергия, которую мы неплохо умеем производить разными способами (что особенно важно, не только сжиганием ископаемого топлива), передавать на большие расстояния и эффективно преобразовывать в механическую энергию.
Принципиальная проблема с электричеством только одна — плохо получается его запасать, современные аккумуляторы обладают недостаточной удельной ёмкостью, низкой скоростью отдачи и потребления энергии и чрезмерно высокой ценой для массового использования в автомобилях. Уже два года выпускается Tesla Roadster, аккумуляторы которого позволяют проехать без дозаправки вполне приемлемое расстояние — около 300 километров. Вот только платить за это достижение приходится более чем 100 тыс. долларов, а вместимость невелика: машина перевозит в основном собственные же батареи.
В массовом сегменте проблема решается компромиссом, имя которому — гибрид. Гибриды не привязаны к розетке и потребляют меньше топлива, чем аналогичные бензиновые модели, правда, и стоят дороже (что отчасти компенсируется налоговыми послаблениями).
На гибридном пути от обезьяны к человеку (то есть от традиционного бензинового авто к чистому электромобилю) машины проходят через множество промежуточных форм. В настоящее время на дорогах уживаются австралопитеки (mild hybrid) и кроманьонцы (full hybrid).
Границу между ними принято проводить по способности двигаться только от электричества. Так называемые полные гибриды (Toyota Prius, Lexus RX450h, Honda Insight) на это способны, а вот умеренные гибриды (BMW 1-series, Mercedes-Benz S400 BlueHYBRID, Smart Fortwo) — нет. У последних нет даже выделенного электродвигателя. Его заменяет разросшийся стартёр, который иногда может пособить основному мотору, а при торможении выступить в роли генератора и подзарядить батарею. Впрочем, экономия топлива у умеренных по большей части достигается не за счёт регенеративного торможения, а за счёт выключения двигателя во время стоянки на светофорах или в пробке и автоматического быстрого старта при нажатии педали газа (функция «старт-стоп»). Такой режим не требует очень ёмкого аккумулятора, хотя обычные свинцово-кислотные батареи уже неважно справляются с этой ролью. Ведь нужно не только питать изрядное число потребителей электричества во время простоя двигателя (от фар до навигационной системы), но и уметь быстро заряжаться от генератора.
Все современные полные гибриды используют никель-металлогидридные батареи. Ёмкость этих аккумуляторов, как правило, невелика (1—2 кВт/ч), они позволяют проехать на электричестве лишь километр-другой, причём с небольшой скоростью (проползти в пробке, вырулить во дворах). В то же время их грамотное использование позволяет сэкономить немало горючего. В моменты, когда требуется максимальное ускорение, в помощь основному двигателю подключаются электрические, при движении на малых нагрузках и торможении избыток мощности идёт на подзарядку батарей, а во время толкотни в пробке компьютерные мозги просто глушат бензиновый двигатель. При этом последний используется большую часть времени в режиме оптимальных оборотов (если, конечно, постоянно «не топить тапку в пол»), что тоже капает в копилку экономии. Безусловным лидером в области полных гибридов является Toyota, выпустившая в 2009 году уже третье поколение Prius, за 13 лет разошедшихся по миру тиражом в 1,6 млн машин.
Следующую ступень эволюции представляют подключаемые гибриды (plug-in), на дорогах присутствующие пока только в виде прототипов или мелкосерийных образцов (как китайский BYD F3DM). Как несложно догадаться из названия, их аккумуляторы можно подзаряжать не только от внутренних ресурсов, но и от внешней электросети — обычных розеток или специальных автоматов для быстрой зарядки.
В некоторых подключаемых гибридах бензиновый двигатель не имеет прямой связи с колёсами, а используется лишь для подзарядки аккумуляторов (такая схема называется series hybrid), как, например, в самой ожидаемой новинке 2010 года Chevrolet Volt, детище концерна General Motors. В других сохранена традиционная схема, как в анонсированном пару месяцев назад Prius Plug-in. В этой машине изменения по сравнению с Prius третьего поколения свелись к замене никель-металлогидридных аккумуляторов на более ёмкие литий-ионные. Предполагается, что подключаемые гибриды смогут обходиться в небольших повседневных поездках одним лишь электричеством, так что заряда их батарей должно хватать на 20—100 км пробега — это диктует необходимость использования аккумуляторов ёмкостью 5—10 кВт/ч. Следовательно, никель-металлогидридные аккумуляторы здесь уже не подойдут, только более энергоёмкие литий-ионные. Да и те будут занимать в автомобиле довольно значительное пространство и стоить немалых денег. Например, батареи Prius Plug-in ёмкостью 5,2 кВт/ч стоят около девяти тыс. долларов и отъедают изрядную часть багажника, пол которого пришлось приподнять по сравнению с обычным Prius. Зато машина может проехать на электричестве чуть больше 20 км с максимальной скоростью до 100 км/ч. Toyota уверяет, большинство японцев за день больше и не ездит.
О своих планах по выпуску подключаемых гибридов, кажется, не забыл рассказать ни один уважающий себя автопроизводитель, но дальше прототипов и тестовых серий дело пока не идёт. По всей видимости, в «не следовых количествах» подобные машины начнут появляться на дорогах (прежде всего США и Японии) только в следующем году. При условии, если GM сдержит своё обещание начать продажи Volt в конце 2010.
Интересно, что к этому же времени должны начаться и массовые продажи электромобилей: Mitsubishi i-MiEV и соплатформника Peugeot iOn, Nissan Leaf, Subaru Stella, BYD E6. Правда, обещают их уже несколько лет, и, что характерно, всегда «завтра». Может быть, на сей раз завтра наконец наступит?
ОТПРАВИТЬ:
| Читать @chaskor |
Статьи по теме:
- Вред от сокращения площади австралийских морских лугов приравняли к выбросам пяти миллионов автомобилей.
- Почему «водород» приближает бесконечную войну.
- Спасение планеты.
Как помочь природе, не отказываясь от комфорта. - Про гаражи и автомобили.
О фильме Эльдара Рязанова и его отношении к машинам. - Лево руля!
Интересные факты о правостороннем и левостороннем движении. - Как ужиться с «железным зверем»?
10 типичных ошибок женщин-водителей. - Ян Гейл: «Я против того, чтобы ездить на автомобиле по городу».
- Как получить полную страховую выплату по ОСАГО.
Пять верных советов автолюбителям. - Главные тенденции в автомобильной отрасли.
Различные решения в области услуг транспорта могут стать реальной альтернативой владению машиной. - Перемены в Тольятти.
Как строят новые заводы для автохтонов.
