Бензин скоро кончится! На чем поедем?

В последние время все явственнее вырисовывается картина настоящего автомобиля будущего, который будет питаться не бензином или соляркой, а экологически чистыми источниками энергии. Если ранее основная ставка делалась на солнечные батареи, то сейчас наиболее перспективными становятся водородные двигатели. Одним из самых интересных водородных автомобилей является новый Ford Focus FCEV.

“Я твердо убежден, что водород и кислород, два элемента составляющие воду, однажды либо вместе, либо по отдельности станут неисчерпаемым источником тепла и света”.
Жюль Верн, 1874 год

Создание технологий для применения в автомобилях в качестве топлива водорода и строительство необходимой для этого инфраструктуры является основной задачей CEP (Clean Energy Partnership (Союз во благо чистой энергии)), объединения, официально поддерживаемого правительством Германии.

 

 

Союз был создан в середине 2002 года компаниями Aral, BMW, DaimlerChrysler, Ford , GM/Opel, Hydro, Linde, Vattenfall Europe и организацией Berlin Transit Authority.

В рамках программы CEP компания Ford предоставляет на тест корпоративным клиентам Ford Focus FCEV. Ford Focus FCEV с гибридным силовым агрегатом на топливных элементах Mark 902 обладает самой большой удельной мощностью (отношение мощности на единицу топлива) из всех известных силовых агрегатов такого типа и выделяет при этом только воду. Инженерам компании Ford удалось достичь такой высокой эффективности потребления топлива путем объединения двух ранее независимых систем в один сложный гибридный силовой агрегат на топливных элементах и электрической тяге.

В большинстве эксплуатационных режимов новый 92-сильный топливный элемент Ballard Mk 902 бесперебойно снабжает электрической энергией силовой агрегат Ford Focus FCEV. При этом дополнительная усовершенствованная аккумуляторная батарея способна выдать дополнительную мощность, когда это необходимо.

Топливный элемент Ballard Mk 902 является основным элементом экологически чистого силового агрегата Ford Focus FCEV. Топливный элемент весит всего 96 кг и работает на газообразном водороде.

216-волтовая батарея служит не только стартерной батареей для всей системы, но и способна придать дополнительное ускорение автомобилю при разгоне. Во всех ситуациях, когда водителю может потребоваться дополнительная мощность система распределения энергии Ford Focus FCEV переходит в режим максимальной отдачи энергии и запараллеливает аккумулятор и топливный элемент, что позволяет силовому агрегату выдать дополнительные 18 кВт (25 л.с.).

Однако эту мощность нельзя просто прибавить к мощности топливного элемента и получить возможные 117 л.с. Мощность аккумулятора используется, когда топливные элементы находятся в состоянии покоя или под частичной нагрузкой. Батарея способна резко выдать энергию, когда блок управления не позволяет этого сделать топливному элементу. Обе системы большую часть времени функционируют в оптимальных режимах. Совместно они выдают большую мощность, чем номинальные 92 л.с.

Побочными продуктами Ford Focus FCEV является только вода и небольшое количество теплого воздуха, других выбросов, таких как выхлопные газы, этот автомобиль не имеет.

Как работают топливные элементы
Существует несколько различных типов топливных элементов. В основном они различаются по типу используемого топлива и рабочим температурам. Протоновая Обменная Мембрана (ПОМ) на данный момент считается оптимальным технологическим решением для использования в автомобилях. В данный момент инженеры компании Ballard работают над новым поколением топливных элементов на основе ПОМ.

Главной составляющей топливного элемента этого типа является мембрана, пластиковая прослойка, сквозь структуру которой способны перемещаться мелкие частицы, такие как протоны (т.е. атомы водорода без связанного электрона), размер которых не превышает размеров молекул воздуха. Мембрана разделяет две газовые камеры в виде каналов внутри топливного элемента, которые заполнены газообразным водородом и влажным воздухом. Поверхность мембраны с обеих сторон покрыта проницаемым слоем из платины, нанесенной способом выпаривания. При прокачке водорода через мембрану каталитический платиновый слой возбуждает молекулы водорода и отделяет их от двух электронов. Вместе электроны, отделенные от большого количества молекул водорода образуют электрический ток, который и является выходом мощности топливного элемента.

Каждый протон водорода, который является ядром атома водорода при отсутствии своих электронов, проходит через ПОМ, вступая в реакцию с кислородом, находящимся в воздухе по другую сторону мембраны, образуя воду. На платиновом электроде с “воздушной” стороны, образующиеся молекулы воды снова поглощают два свободных электрона, после того как они отдали энергию при проходе через элемент.

В добавлении к воде, при реакции водорода и кислорода вырабатывается небольшое количество теплоты, которая повышает общую температуру топливного элемента до 85. При таких незначительных температурах азот, находящийся в воздухе не вступает в реакцию, производной которой могли бы быть вредные окиси азота. Для того чтобы привести в движение автомобиль на топливных элементах, обычно требуется 400 отдельных элементов, каждый из которых производит 1,1 вольта, связанных в одну конструкцию, которую принято называть “блок топливных элементов”.

КПД, увеличенный более чем в два раза
Высокий КПД свойственный топливным элементам является основной отличительной чертой силовых агрегатов этого типа. Современный бензиновый двигатель в лучшем случае способен превратить в энергию 30% потенциала топлива, а дизельный двигатель способен “выжать” из топлива примерно 40%.

Эти замеры верны для нагрузок и скоростей, при которых двигатели работают при максимальных нагрузках и максимальном крутящем моменте, результатом чего является максимально возможный КПД. В обычных условиях ни один автомобиль не работает в режиме постоянной акселерации. Обычными условиями эксплуатации двигателей внутреннего сгорания является движение в режиме набора скорости и остановки, а также движение в рамках скоростных ограничений. В таких условиях двигатели обычно работают с неполной нагрузкой или вообще в режиме холостого хода. Такие условия эксплуатации снижают КПД стандартных двигателей внутреннего сгорания в случае с дизельными двигателя до 20%, а в случае с бензиновыми двигателями до 15%.

Схема работы топливных элементов абсолютно другая. В большом диапазоне средних нагрузок термодинамический КПД топливного элемента составляет около 60%, а при небольших нагрузках возрастает до 80%.

Тормозная система регенеративного действия включает в себя высокотехнологичную систему “электрического” тормоза, элементом которой является электронная система управления, преобразующая давление и скорость перемещение педали тормоза в соответствующую работу гидравлической системы. В ситуациях, не требующих больших тормозных усилий электрический мотор может выступать в роли тормозного генератора, благодаря чему в 95% тормозных ситуаций энергия замедления будет использована для вырабатывания электричества, необходимой для подзарядки аккумуляторной системы. Такой подход не только снижает нагрузку на тормозную систему, но и позволяет оптимизировать энергопотребление всего автомобиля в целом.

Динамика как у 170-сильного автомобиля
Мотор Ecostar развивает максимальный крутящий в 230 Н/м. Этот показатель можно сравнить с максимальным крутящим моментом обычного 170-сильного 2-литрового двигателя устанавливаемого на Ford Mondeo. В отличие от бензинового двигателя, который развивает максимальный крутящий момент, как правило, при оборотах двигателя более 3000 об/мин, электромотор развивает максимальный момент при исключительно низких оборотах. Это означает, что такой автомобиль более резко набирает скорость из положения покоя, чем его бензиновый собрат.

Предпосылки для исследований в области топливных элементов
Длительные исследования, направленные на повышение КПД и экономии топлива, в последнее время подстегиваются резким увеличением автомобилей в мире. С другой, энергетической стороны этой проблемы, запасы нефти, от которых зависит все мировое автомобильное сообщество, все более и более истощаются. Эксперты спорят, когда именно эти ресурсы истощатся, но одно понятно уже сейчас, как бы то ни было эти ресурсы не возобновляемы и их истощение дело ближайшей исторической перспективы. Оценки специалистов относительно вероятного истощения традиционных энергоресурсов рознятся от 50 до 150 лет с сегодняшнего момента.

Для поддержания современного уровня мобильности общества необходим переход на другие виды топлива. Должно быть снижено общее потребление топлива и найдены альтернативные источники энергии. Ископаемые энергоносители должны быть заменены возобновляемыми источниками энергии. Наиболее многообещающим источником мобильным энергии будущего является водород. Водород в виде воды присутствует на планете в почти неограниченных количествах. Расщепление воды на водород и кислород происходит путем электролиза, но требует значительных энергетических затрат. Однако, если требуемая энергия вырабатывается при помощи экологически чистых технологий, таких как энергия воды, ветра и солнца, весь процесс становится абсолютно безвредным для окружающей среды. Некоторые страны, в частности, Объединенные Арабские Эмираты и Дубаи, проводят серьезные исследования в области водородной технологии получения энергии, целью которых является плавный переход от эры ископаемых энергоносителей к возобновляемым источникам энергии.

Водород пригоден для использования в качестве топлива. Он способен заменить бензин и считается многообещающим источником энергии будущего. Основным преимуществом водорода является его способность питать топливные элементы, не выбрасывая при этом вредных выхлопных газов в атмосферу. Топливные элементы могут заменить любую из существующих аккумуляторных систем, не имея при этом ни одного из их недостатков, таких как огромные размеры, большой вес и небольшой запас хода. Водород будет источником энергии в будущем, и поэтому компания Ford направила основные усилия и ресурсы на проведение исследований в области преобразования водорода для получения энергии.

Как получается чистый водород?
Широко распространенное мнение о том, что двигатели на топливных элементах вообще не имеют выбросов, только отчасти является правдой. Это зависит от способа, которым был получен водород. Преобразование воды в водород и кислород путем электролиза является абсолютно экологически чистым, только в том случае если электроэнергия, требуемая для реакции, получена в результате преобразования энергии солнца или воды или если водород получен из биомассы. Атомные электростанции сегодня сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с утилизацией отработавших радиоактивных стержней. Электростанции, работающие на газе или угле, выбрасывают в атмосферу углекислый газ и другие вредные вещества, в зависимости от технологии и качества сырья.

Даже если автомобиль, едущий по улицам города не выбрасывает в атмосферу абсолютно никаких веществ, производство топлива для него наносит вред окружающей среде. Таким образом, источником загрязнения становится следующее звено энергетической цепочки, а именно процесс выработки водорода.

Временные рамки, отведенные на разработку технологии топливных элементов
Разработчики автомобилей на топливных элементах рассчитывают предоставить покупателям автомобили с нулевым показателем выбросов в ближайшем будущем. Компания Ford прогнозирует следующие сроки в области создания автомобилей на топливных элементах:

В 2004 году: первые промышленные образцы Ford Focus FCEV появятся на дорогах для проведения испытаний в США и Европе. Часть этих автомобилей будут проходить испытания в партнерских компаниях Ford Motor Company. Будущие покупатели будут приглашены на предварительные тест-драйвы для оценки управляемости автомобиля и других его характеристик.

В 2007/2008 годах: второе поколение автомобилей на топливных элементах появятся в различных городах США, Европы и Японии.

После 2012 года: проведение маркетинговых исследований относительно коммерчески выгодного автомобиля на топливных элементах. Задача этих исследований предложить автомобили Ford на топливных элементах по приемлемым ценам. На этом этапе проекта будет определено, когда сможет быть осуществлен успешный переход от использования в обычных автомобилях Ford двигателей внутреннего сгорания на новый тип двигательной установки.