Юрий Новиков - Экология, окружающая среда и человек

В Великобритании предложен новый способ хранения водорода. Не исключено, что именно так будут заправлять автомобили будущего, работающие на водородном топливе. Исследователи из университета Ньюкасла предлагают свое решение проблемы: материал с нанопорами, диаметр которых в тысячу раз меньше толщины бумажного листа. Под большим давлением в эту «губку» закачивают водород, а чтобы его высвободить, достаточно «губку» нагреть. М. Томасу, одному из авторов разработки, удалось на практике доказать возможность поглощения большого количества водорода пористым материалом и выделения его в нужный момент. Триумфальное шествие нанотехнологий продолжается.

В Институте водородной энергетики и плазменных технологий разработана принципиально 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 окислов 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.

Топливные элементы — это прорыв на пути к экологически чистому автомобильному двигателю. Основное горючее — водород — 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.

Принцип работы топливных элементов был известен 160 лет назад, когда его описал английский судья и профессор физики Вильям Роберт Гроуз. Но только достижения последнего десятилетия в области мембранных технологий, которые удалось добиться лишь с помощью мощных компьютеров, позволили подойти к практическому использованию элементов.

До недавних пор топливные элементы конструировали только для научных 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.

Рано или поздно человечество распрощается с двигателем внутреннего сгорания. Альтернатив ему изобретено немало, но наиболее перспективна силовая установка, использующая в качестве топлива водород. Именно на этом направлении сосредоточили основные усилия (и миллиардные инвестиции) ведущие мировые автопроизводители. Аналогичные работы ведутся и в России. Кстати, в СССР еще в начале 80-х годов прошлого века успешно прошел испытания микроавтобус РАФ с водородной силовой установкой. Разумеется, речь идет об установке, в которой водород, проходя через топливные элементы, генерирует энергию, питающую электромотор.

Бортовая энергоустановка состоит из хранилища водорода (либо вещества, из которого он конвертируется), топливного элемента (ТЭ) — устройства преобразования энергии окисления водорода в электричество — и электродвигателя. Причем еще чуть более 10 лет назад в ТЭ использовался водно-щелочной элемент. Но постепенно пришли к выводу, что полимерно-мембранная технология куда совершеннее, ведь в случае ее применения не нужно возить дополнительные баллоны с кислородом.

Институт водородной энергетики и плазменных технологий Российского научного центра «Курчатовский институт» вместе с тольяттинским заводом «Красная Звезда», НАМИ, некоторыми другими партнерами готовят опытный образец автомобиля с топливными элементами на борту, которые работают на водород. Система помещается в подкапотном пространстве.

Япония — лидер в технологии производства машин. Компания «Тойота» первой в мире поставила на поток автомобили с гибридным двигателем (бензиновый мотор и электродвигатель, без коробки передач). Автомобили, работающие на топливных элементах, фактически на водороде (выхлоп — обычный водяной пар), выпускают «Тойота» и «Хонда».

Американские исследовательские агентства предсказывают весьма значительный рост продаж автомобилей с гибридными силовыми установками. По прогнозам, к 2008 г. в США будут покупать до полумиллиона машин такого типа. А спустя пять лет рынок вырастет еще на 50%. В 2002 г. гибридным моделям отдали предпочтение 38 тыс. американцев, сегодня — до 54 тыс.

На международном автосалоне в 2004 г. в Париже экологические автомобили были весьма популярны. Потребитель в первую очередь интересуется, насколько «прожорлив» его будущий автомобиль, нежели тем, каковы литраж и мощность двигателя. Немецкий концерн привез на автосалон свою концептуальную модель BMW Clean Energy — автомобиль, двигатель которого работает на водородных элементах. «Toyota» показала новую, более мощную модификацию своего бензин-электрического гибрида Prius GT. Мощность его двигателя за счет совмещения 1,5-литрового бензинового мотора и электропривода увеличена до 147 л.с. Также впечатляет и другая разработка концерна, которая была показана в Париже, концепт D-4D 180 Clean Power, выхлоп 2,2-литрового двигателя которого на 50— 80% безопаснее самых жестких экологических требований Евро-4.

АвтоВАЗ выставил опытный образец автомобиля с водородным двигателем.

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

В 1993 г. в Калифорнии (США) принят закон, предусматривающий обязательный выпуск национальными производителями не менее 2% автомобилей с «нулевым выхлопом», прежде всего электромобилей.

В 1998 г. фирма «Дженерал моторе» построила самый дорогостоящий электромобиль. Его начинка — 44 никель-металлгидрид-ные 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. 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.