Автомобильный транспорт мира

        Современные полимерные композиты еще прочнее и легче. Они могут вдвое уменьшить вес автомобиля и расход топлива и все же повысить безопасность, поскольку композиционные материалы из углепластика могут поглощать при столкновении в 12 раз больше энергии на килограмм, чем сталь. Такие материалы могут сделать автомобили большими (комфортабельными и защищенными), но не тяжелыми (вредными и неэффективными), сберегая не только нефть, но и жизнь. Новый технологический процесс может даже сделать стоимость углепластикового автомобиля такой же, как и у его стальной версии. Это обусловлено тем, что его более дорогостоящие материалы компенсируются более простой технологией изготовления и меньшей двигательной системой.

        Например, спроектированный в 2000 году джип, оснащенный самой популярной гибридно-электрической системой, вдвое повышающей эффективность, мог перевозить пять взрослых в комфорте и до двух кубометров груза, буксировать полтонны с качеством 44 процента, ускоряться от 0 до 100 километров в час за 7,2 секунды, быть безопаснее, чем стальной джип, даже при столкновении с ним, и все же использовать менее трети обычного количества бензина, расходуя около 3,56 литра на 100 км, или 67 миль на американский галлон.

        При объеме производства 50 000 автомобилей в год его розничная цена была бы на 2510 долларов (в ценах 2000 года) выше, чем у равноценного современного стального джипа, но лишь потому, что он гибридно-электрический, а не сверхлегкий. Сэкономленный бензин окупил бы эти вложения за два года при американских ценах на топлива или за год при ценах на топливо в Европейском союзе или Японии. Производство таких автомобилей использовало бы гораздо меньше помещений и на две пятых меньше капитала, чем самый скромный сегодняшний завод, благодаря меньшей в 80 раз механической обработке и ликвидации кузовного цеха и окрасочного цеха - двух самых трудных и дорогостоящих этапов изготовления автомобиля. 
 

5. Альтернативное топливо для автомобилей 

           Многие уже эксплуатируемые автомобили могут сжигать передовые виды биологического топлива - скажем, 15 процентов бензина и 85 процентов этанола, в идеале - целлюлозного этанола, изготовленного с помощью новых процессов из таких древесных растений, как просо или отходы сельскохозяйственных культур. Сверхлегкий гибридный автомобиль, сжигающий такое топливо "Е85", может сократить потребление нефтепродуктов еще на три четверти, всего до 7 процентов от нынешнего уровня. Бразилия уже ликвидировала свой нефтяной импорт - на две пятых благодаря тростниковому этанолу, который теперь конкурирует без субсидий. Три четверти новых бразильских автомобилей могут сжигать любое горючие от чистого этанола до чистого бензина, хотя весь бензин в стране - это, по меньшей мере, на 20 процентов этанол. Швеция планирует к 2020 году стать независимой от нефти - главным образом, за счет этанола, производимого из лесных отходов, и требования к 60 процентам своих заправочных станций с наибольшим объемом продаж предложить потребителям возобновляемое топливо к 2009 году.

           В долгосрочной перспективе вполне можно добиться того, чтобы сверхлегкие гибридные автомобили с тройной эффективностью использовали в качестве горючего сжатый водород и превращали его в электричество в топливном элементе. Тяжелому, неэффективному автомобилю понадобился бы чрезмерно громоздкий бак и большой, дорогостоящий топливный элемент. Но сверхлегкой аэродинамической машине было бы нужно на две трети меньше движущей энергии и меньшие по размеру баки. И всего 3 процента совокупного объема производства потребовалось бы для того, чтобы сделать топливный элемент размером в три раза меньше экономически эффективным - таким образом, он мог бы стать экономически эффективным на много лет раньше.                                                                    Такие автомобили при парковке (на которую приходится 96 процентов времени) могли бы даже превращаться в прибыльные электростанции на колесах, поставляя в систему электроэнергию, когда и где она наиболее ценна. На месте стоянки могла бы находиться труба для закачки водорода в машину и провода для отвода электроэнергии. Во времена пикового спроса на энергию можно включать топливный элемент, и автомобиль может работать как электростанция, пополняя счет владельца.

         Между тем, добавление батарей к обычным гибридным автомобилям, если оно будет экономически эффективным, может заменить топливо, используемое сейчас для поездок на короткие и, возможно, средние расстояния. 

6. Колесница перемен. 

Сегодня промышленность готова начать новую революцию: перевод автотранспорта с нефти на водород. 

6.1 ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: 

      1.В топливных элементах преобразование химической энергии водорода в электроэнергию не сопровождается вредными выбросами. Поэтому электромобили не загрязняют окружающую среду. В сочетании с компактными системами рулевого управления, торможения и газа технология топливных элементов позволяет инженерам отделить шасси от просторного кузова (возможно, сменного).

      2.Появление автомобилей  на водородных  топливных элементах изменит энергетику и улучшит состояние окружающей среды без ущерба для личной мобильности людей.

      3.Замкнутый круг: для широкого распространения  ТЭ-автомобилей потребуется  легкодоступный водород.  Но необходимую  для этого инфраструктуру  трудно создать, пока на дорогах не появится достаточного количества таких авто.

         В настоящее время сложилась очень благоприятная обстановка для больших перемен. Во-первых, двигатели внутреннего сгорания на углеводородном топливе при всем совершенстве, надежности и экономичности практически достигли предела возможностей. Несмотря на неуклонное совершенствование конструкции, коэффициент полезного действия (КПД), т. е. эффективность преобразования содержащейся в топливе энергии в работу вращения колес, у сегодняшних автомобилей с двигателями внутреннего сгорания не превышает 20-25%. Автопромышленность США добилась существенного снижения концентрации вредных веществ в выхлопных газах по сравнению с 1960 г.: на 99% по углеводородам, на 96% по окиси углерода (CO) и на 95% по окислам азота. Тем не менее выбросы углекислого газа (CO2) вызывают серьезные опасения, так как могут привести к изменению климата на всей Земле.

         Несмотря на применение новых технологий, КПД двигателей внутреннего сгорания вряд ли превысит 30%, и в любом случае от выбросов углекислого газа никуда не деться. У ТЭ-автомобиля КПД вдвое выше, а значит, он может потреблять вдвое меньше энергии. Еще важнее то, что топливные элементы выделяют в атмосферу только водяной пар и тепло. Наконец, газообразный водород можно получить переработкой природного газа, этилового спирта, воды (посредством ее электролиза), а со временем - с использованием возобновляемых источников энергии. Поэтому внушительная группа автомобилестроительных компаний, в числе которых DaimlerChrysler, Ford, General Motors, Honda, PSA Peugeot-Citroen, Renault-Nissan и Toyota, начала систематические работы по созданию водородных автомобилей. 

6.2 Автомобиль - не роскошь 

          В 1960 г. автовладельцы составляли менее 4% населения Земли, двадцатью годами позже - 9%, а сегодня - целых 12%. Если темпы роста сохранятся, то к 2020 г. машины будут у 15% всех жителей планеты. Поскольку численность самого населения за эти 20 лет может вырасти с нынешних 6 млрд до 7,7 млрд, общее число автомобилей в мире увеличится с 700 млн до 1,1 млрд Этот рост будет подстегиваться бурным развитием среднего класса в развивающихся странах и увеличением среднего дохода на душу населения, которое почти напрямую связано с приобретением личного авто.

          Сегодня три четверти мирового автопарка сосредоточено в США, Европе и Японии. Однако больше 60% прироста продаж в ближайшие 10 лет придется, по прогнозам, на новые рынки: Китай, Бразилию, Индию, Корею, Россию, Мексику, Польшу и Таиланд. Это потребует создания недорогих автомобилей, которые должны быть при этом безопасными, экономичными и экологичными. 

6.3 Не нефтью единой 

         ТЭ-автомобиль по сути является автомобилем с электрической тягой. Однако двигатель получает энергию не от аккумуляторной (электрохимической) батареи, а от батареи топливных элементов (см. рис.). Электричество вырабатывается в результате отрыва электронов от атомов водорода, проходящих через мембрану топливного элемента. Возникающий электрический ток приводит в действие электродвигатель, который вращает колеса. Протоны атомов водорода соединяются затем с кислородом и электронами, в результате чего образуется вода (в виде пара). При использовании чистого водорода ТЭ-автомобиль вообще не дает вредных выбросов.

        Получение водорода реформингом молекул углеводородов или электролизом воды требует энергии. И хотя за счет высокого КПД топливных элементов энергетические затраты окупаются с избытком, энергию необходимо сначала откуда-то получить. Электростанции на природном газе, нефти или угле вырабатывают углекислый газ и другие "парниковые" газы. Атомные электростанции (АЭС) свободны от этого недостатка. Лучше всего было бы получать электроэнергию от возобновляемых источников - биомасс, гидроэлектростанций, солнечных, ветровых и геотермальных установок.

       Приняв водород в качестве топлива, транспорт сможет избавиться от нефтяной зависимости и перейти к использованию различных источников энергии. 

6.4 Первая ласточка 
 

        Компания General Motors (GM) выработала концепцию AUTOnomy и реализовала ее в начале 2002 г. Экспериментальная модель (концепт-кар) Hy-wire (hydrogen by-wire, т. е. "водородный с электрическим управлением") в сентябре 2002 г. была представлена на Парижском автосалоне.

         Основой электромобиля стало низкое шасси, напоминающее скейтборд, на котором смонтированы топливные элементы, баллоны с водородом, теплообменники, ходовые электродвигатели и электроника, а также тормозная и рулевая системы (см. рис.). Для соединения шасси с кузовом используется простой электрический разъем и несколько механических креплений. С помощью сменных кузовов машину можно легко превратить в автомобиль повышенной комфортности, семейный седан или минивэн.

Управление  осуществляется с помощью консоли X-Drive, которая напоминает руль мотоцикла. Ее можно перемещать поперек автомобиля, устанавливая в положение левого или правого руля. Отличные ходовые качества, управляемость и устойчивость модели Hy-wire достигаются за счет низко расположенного центра масс.

         Упрощение конструкции автомобиля, обеспечиваемое концепцией AUTOnomy, может оказать большое влияние на все автомобилестроение. Уменьшение количества типов деталей и их унификация приведут к значительному снижению затрат за счет больших объемов производства. Так, несмотря на разнообразие кузовов, будет всего три типа универсальных шасси - компактное, среднее и большое. Другой пример - топливная батарея. Она составляется из одинаковых элементов с плоским катодом и анодом, которые разделены мембраной из полимерного электролита. В зависимости от требуемой мощности автомобиля можно составлять батарею из большего или меньшего числа таких элементов. И хотя в сегодняшних топливных элементах применяются дорогие полимерные мембраны, а катализаторами служат драгоценные металлы, уже есть определенные успехи в уменьшении требуемого количества катализаторов и удешевлении мембран. 
 
 
 

6.5 Хранение водорода 

          Не все технические трудности создания практичных транспортных средств на топливных элементах уже преодолены. Одна из важнейших задач - разработка безопасного и эффективного способа хранения такого количества водорода, чтобы одной заправки хватало на 500 км. Топливная система должна работать в диапазоне температур от -40 до +45 °С и обладать ресурсом не менее 250 000 км, при этом заправка должна занимать несколько минут. Существуют разные подходы к хранению водорода. Оно возможно в трех формах: в виде сжатого газа, в сжиженном состоянии и в твердотельной системе. Все подходы перспективны, но у каждого из них свои технические трудности.

         Вероятнее всего, сначала будут использоваться баллоны со сжатым газом, но высокое давление, естественно, представляет собой опасность. Сегодня системы сжатого водорода позволяют использовать давление примерно до 350 бар, но для увеличения пробега автомобиля на одной заправке желательно довести рабочее давление до 700 бар. Для обеспечения безопасности нужно, чтобы баллон выдерживал ударное давление, по крайней мере вдвое превышающее рабочее давление газа. Сегодня баллоны делаются из материалов либо очень дорогих, вроде углепластика, либо очень тяжелых. Кроме того, они довольно велики, что затрудняет их размещение в автомобиле.

            Водород можно хранить также в сжиженной форме, но для охлаждения его до температуры сжижения (-253 °С) требуются большие затраты энергии. Кроме того, за каждые сутки будет выкипать 3-4% жидкости.