Пусть бензин отдохнет

Перспективы отказа от нефтяного автомобильного топлива обсуждаются уже много лет. Еще 2‑3 десятилетия назад автомобильные компании рассматривали возможность использования электрических двигателей вместо двигателей внутреннего сгорания. Работы велись как за рубежом, так и в СССР. Но дальше опытных образцов дело не пошло.

Единственным источником электрической энергии тогда были аккумуляторы, которые устанавливались на электромобили в виде больших и тяжелых батарей. Получалось, что грузоподъемность электромобилей оказывалась заведомо ниже (в лучшем случае, раза в полтора меньше), чем у машины с двигателем внутреннего сгорания, а запаса хода было достаточно разве что для перевозки товаров со склада в близлежащие магазины.

О дальних поездках речи даже не шло. Вдобавок из-за высоких затрат на электроэнергию традиционные бензиновые машины оказывались намного выгоднее. Развитие аккумуляторных электромобилей продолжается и сегодня. Например, в этом году в мелкосерийное производство была запущена спортивная машина Venturi Fetish.

Отличаясь неплохими разгонными характеристиками, она, тем не менее, не слишком быстра - максимальная скорость ограничена 170 км/ч. Ионно-литиевые аккумуляторы обеспечивают запас хода до 350 км, но и весят при этом 350 кг. Стоит такая машина 450000 евро.

Очевидно, что аккумуляторы - тупиковый путь, и такие электромобили постепенно уйдут в прошлое. Их сменят машины на топливных элементах, разработка которых всячески поощряется в западных странах. Кстати, даже "АвтоВАЗ" демонстрировал машины на топливных элементах на базе "десятки" и "Нивы".

О топливных элементах можно написать много. Мы можем ограничиться кратким описанием принципа их работы.

Топливные элементы - это класс химических источников тока, причем в нем имеется множество разновидностей. Наиболее перспективными считаются топливные элементы на основе протонообменных мембран. Эти мембраны служат в качестве электролита и проводят только протоны, не пропуская электроны.

По разные стороны мембраны расположены анод, катод и катализатор. В качестве последнего чаще всего используется платина. Водород подается в топливный элемент со стороны анода и, контактируя с катализатором, распадается на два протона и два электрона. Электроны не могут пройти через мембрану и поступают во внешнюю электрическую цепь.

Протоны же через мембрану уходят на катод, где вступают в реакцию с кислородом, образуя воду.

Необходимые в реакции образования воды электроны поступают на катод из внешней цепи.

На первый взгляд, топливные элементы являются чуть ли не идеальным источником энергии. Их, в частности, отличает высокий (до 80%) КПД, отсутствие вредных выбросов (единственный отход - вода) и меньшая, чем у аккумуляторов, масса. Однако проблем при использовании топливных элементов тоже хватает.

Взять хотя бы использование в качестве топлива водорода. Этот газ чрезвычайно тяжело хранить и транспортировать. Как правило, для этого приходится использовать баллоны с давлением 350-500 атмосфер. Для сравнения: обычные российские гелиевые баллоны, из которых надувают воздушные шарики, имеют максимальное рабочее давление в 150 атм. К тому же водород крайне взрывоопасен, отличается высокой текучестью и способен просачиваться сквозь самые маленькие неплотности. В этом отношении он намного хуже метана или пропан-бутановой смеси, также часто используемых в качестве автомобильных топлив.

По сути, машина с водородным баллоном - это бомба на колесах. И если взрывы бензиновых автомобилей встречаются чаще в кино, чем в реальной жизни, то с водородом все обстоит по‑другому. Чтобы предотвратить беду, системы питания водородных машин снабжают сложной запорной арматурой.

Решить проблему высоких давлений в баллонах путем сжижения водорода нереально - машины придется комплектовать мощными криогенными установками, ведь при обычной температуре водород сжижить нельзя, как его ни сжимай. Есть и еще один в ыход. Можно заправлять машины с топливными элементами не водородом, а жидким топливом, подходящим для получения водорода. Чаще всего в его роли оказывается метанол, хотя известны случаи использования обычного бензина. Однако и тут не все безоблачно: машину нужно комплектовать реактором для разложения жидкого топлива, а побочный продукт реакции, углекислый газ, вызывает парниковый эффект.

Наконец, не стоит забывать, что водород в промышленности получают из метана, а метан является исходным веществом для синтеза метанола, причем синтез этот является многостадийным. Все это делает водородное топливо очень дорогим, да и сокращению выбросов в атмосферу никак не способствуют. Разве что виновником выбросов оказывается уже не автотранспорт, а заводы, где изготавливается топливо. Альтернативный способ получения водорода - электролиз воды - требует огромных затрат электричества, что опять же дает в итоге увеличение вредных выбросов от электростанций. Перспективным может оказаться получение водорода из биомассы, но такие процессы пока не покинули пределов исследовательских лабораторий.

Активно ведутся работы и над топливными элементами, работающими не на водороде, а на том же метаноле. При использовании метанола целый ряд проблем отпадает сразу, пускай платить за это приходится уменьшением КПД такого топливного элемента. Впрочем, химические источники тока - не единственный способ питания электродвигателя.

Существуют и другие варианты: солнечные батареи или миниатюрные ядерные реакторы. Первые пока остаются лишь экзотикой, а вторые - фантастикой, причем фантастикой опасной. Все говорит о том, что в ближайшее десятилетие электромобили массовым явлением не станут. В лучшем случае, мы станем свидетелями своеобразного переходного периода. Об этом, в частности, свидетельствует постепенное распространение гибридных автомобилей, использующих и двигатель внутреннего сгорания, и электромотор.

Пионером здесь стала компания Toyota c машиной Prius, в скором будущем начнутся продажи в США "гибридов" Honda, готовят такие машины и американские производители. Основным достоинством гибридных машин является сокращение вредных выбросов, за которые приходится расплачиваться усложнением и утяжелением силового агрегата.

Однако списывать на свалку истории двигатель внутреннего сгорания тоже еще очень рано. Рост цен на нефть в последние месяцы заставил вновь заговорить об использовании в ДВС альтернативных горючих вместо бензина и дизельного топлива. В общем говоря, под альтернативными топливами порой подразумевают очень широкий перечень продуктов. В него, в частности, попадают сжиженные нефтяные газы (та самая пропан-бутановая смесь, которой кормятся такси и чуть ли не все поголовье "Газелей") и сжатый природный газ - метан. Такое топливо прекрасно чувствует себя в современных двигателях и достаточно популярно.

Нам интереснее говорить о других, менее известных видах топлива. Самым популярным альтернативным топливом, безусловно, являются спирты и их смеси с углеводородами. Без внесения модификаций в конструкцию двигателя вместо бензина можно использовать метанол или этанол, ничего нового в этом, кстати, нет. Метанол давным-давно используется в спортивных автомобилях и мотоциклах, а на этаноле и его смесях с бензином (такое топливо называется газохол) ездят в Бразилии. В последнее время спиртовым топливом активно интересуются в КНР. Впрочем, этанол для этих стран привлекателен по одной простой причине - они имеют возможность производить его в огромных количествах из растительного сырья. Для стран, где, в отличие от Бразилии, сахарного тростника нет, этанол годится лишь как добавка к бензину.

Причем в таких странах (а к ним относится и Россия) обходиться придется не дешевым тростниковым, а довольно дорогим синтетическим спиртом, который получают опять же на базе нефтяного и газового сырья. Метанол к тому же и очень ядовит.

С другой стороны, если нефть продолжит дорожать теми же темпами (не говоря уж о возможном исчерпании ее запасов), метанол, получаемый на б азе природного газа может стать привлекательным топливом. Для дизельных двигателей нефтяное топливо - тоже не единственный вариант. В качестве альтернативы ему предлагаются продукты как растительного, так и синтетического происхождения. В первом случае можно использовать рапсовое масло, которым, по некоторым данным, хоть сейчас можно заправить любой современный дизельный двигатель. Другая альтернатива - диметиловый эфир, который уже окрестили дизельным топливом XXI века.

Евгений Хрусталев

Энергетика и промышленность России