Кто бы подумал, что дело примет такой оборот? Лет 20 назад специалисты не сомневались, что легковое автомобилестроение идет к массовому применению емких и компактных аккумуляторов, которые дадут путевку в жизнь малошумным, экономичным и экологичным транспортным средствам на электротяге. У General Motors в 90-е годы даже начали было серийный выпуск 2-местных электромобилей EV-1 – для лизинга частным лицам. Однако год назад GM прекратил эксперимент и изъял машины из эксплуатации, – невзирая на энергичные протесты энтузиастов.
Облом; к началу XXI века стало ясно, что появление чудо-батарей откладывается на неопределенное время. Даже дорогостоящие никель-металлгидридные и еще более дорогие литий-ионные аккумуляторы не дают ни сколько-нибудь приличной динамики, ни нужного радиуса действия автомобиля. Вдобавок у них узко ограниченный ресурс (по числу циклов заряд-разряд), и в итоге – с учетом энергии и первичных ресурсов, нужных для производства, замены и утилизации отработанных батарей, – электромобили оказываются «по полному кругу» вовсе не такими уж экологически «дружественными», какими выглядят.
Если взглянуть трезво, ситуация крайне нездоровая. Мы энергично истощаем невосполнимые запасы природных углеводородов, – чтобы систематически отравлять окружающую нас среду. Однако есть вроде вариант, который снимает головные боли и автомобилестроителей, и защитников природы. Водород.
Топливные элементы
Особенно завораживает возможность прямого получения электроэнергии при «холодном» окислении водорода – в так называемых топливных элементах (ТЭ). Безо всякого сгорания; раз электролизом вода разлагается на водород и кислород, то при соединении двух элементов на полюсах должна – наоборот – возникать электродвижущая сила. Она и возникает; английский физик Уильям Гроув обнаружил эффект еще в 1839 году!
Никаких двигателей внутреннего сгорания – с их кривошипно-шатунным механизмом и возвратно-поступательным движением, вибрациями, шумом и износом. Чистая электроэнергия от ТЭ питает чистые тяговые электромоторы – и другие бортовые агрегаты (см., например: «Радикальный шаг», «Турбо», 2002, №7). Когда-нибудь время ТЭ придет, пока же они страшно дороги: скажем, каждая экспериментальная Honda FCX обходится в миллион долл., причем почти 90% падает на футуристический силовой агрегат. Разумеется, серийное, а затем и массовое производство ТЭ приведет к их удешевлению; к сожалению, еще не завтра.
Зато хоть сегодня на водородное топливо в принципе возможно переводить старый добрый двигатель внутреннего сгорания – с великолепными результатами. Ведь конвертируют же бензиновые моторы на нефтяной и природный газ; какая разница? Разница, конечно, есть – и немалая. Сначала о хорошем.
Вместо бензина
Как топливо для д.в.с., водород и природный газ различаются в корне. Во-первых, метан – углеводород, а водород он водород и есть; при сгорании в кислороде дает воду (H2O) – источник жизни на Земле. И никаких загрязнителей – в отличие от топлива из нефти и даже от природного газа. Нулевой выброс вредных веществ – мечта автомобиле- и моторостроителей. Углеводородное же топливо содержит, по определению, много углерода. При его сжигании неизбежно образуются угарный газ (смертельный яд), углекислота («парниковый» газ); кроме того, сгорание всегда неполное, и часть углеводородов выбрасывается в атмосферу. То есть, и горючее теряется, и окружающая среда загрязняется. Каталитические 3-компонентные нейтрализаторы подавляют основную массу вредных выбросов [Каталитические нейтрализаторы дают слабину при пуске двигателя. Пока нейтрализатор не прогреется до рабочей температуры (около 800°C), его как бы и нет вовсе. Так что каждый пуск с холодным нейтрализатором равен нормальному пробегу в сотни километров], но и того, что попадает в атмосферу, достаточно для обострения обстановки в крупных городах и мегаполисах. А дизельные двигатели еще и сажу выбрасывают, – всегда, даже когда мы не видим. Вдобавок углеводородное топливо обычно содержит примеси зловредной серы, бороться с которой очень непросто.
Да, сжигание водорода в кислородной среде означает нулевые выбросы вредных веществ – мечта автомобиле- и моторостроителей, задолбанных «зелеными» и законодателями. Однако автомобильные двигатели «дышат» не кислородом, а воздухом, где O2 всего 21%, зато почти 79% азота. Так что в цилиндрах образуется отнюдь не только водяной пар, но и крайне неприятные оксиды азота, канцерогены, – точно так же, как и с углеводородным горючим. Причем нормальные 3-компонентные нейтрализаторы не справляются с NOx; именно поэтому двигатели с «послойным» смесеобразованием (типа Mitsubishi GDI и VW FSI) приходится дооснащать особо сложными системами нейтрализации выхлопных газов.
И все же водородное горючее позволяет простыми средствами решать и задачу оксидов азота. Водород-воздушная смесь сильно обедняется – раза в 2 против стехиометрического состава. Тогда NOx образуется в десятки раз меньше, – как говорится, следы. Что характерно, для углеводородного топлива такой фокус не проходит – все из-за тех же узких пределов воспламеняемости смеси. Моторостроители изощряются и пытаются создать бензиновый (газовый) двигатель с воспламенением от сжатия – так называемый HCCI (см. «Долгий путь к себе», «Турбо», 2002, №8), – чтобы преодолеть пределы воспламеняемости сильно обедненной смеси. Очень непростая задача, а с водородом – как три рубля.
Само собой, двойное обеднение водород-воздушной смеси примерно вдвое же понижает мощность и крутящий момент двигателя, но это уже другие проблемы. Они решаются, скажем, применением нагнетателей – приводных или турбо. Не исключен и простейший прием: по городу автомобили ездят на половинной мощности – с сильным обеднением водород-воздушной смеси и практически с нулевыми выбросами вредных веществ. А за городом иной раз допустимо и прибавить – с обогащением смеси до стехиометрического состава.
Виден и вовсе экзотический вариант: в баллонах запасается не только водород, но и кислород. Тем более, что оба газа одновременно получают при электролизе воды. В нужный момент в цилиндры мотора подается кислород (вместе или вместо воздуха – до 100%): мощность и крутящий момент мгновенно повышаются в разы! Только чтобы двигатель и трансмиссия выдержали такую нагрузку.
Знаменитая пожароопасность водорода, для д.в.с. очень даже выигрышна. Водород-воздушная смесь надежно воспламеняется (от свечи зажигания) даже в сильно обедненном составе. Значит, чтобы убрать «газ», не нужно – как у бензиновых и газовых двигателей – придушивать мотор дроссельной заслонкой. Просто уменьшается подача водорода в цилиндры; самая бедная горючая смесь все равно воспламенится. Как говорят специалисты, качественное регулирование нагрузки (как у дизелей) – без дросселирования на впуске [На какие только ухищрения конструкторы ни идут, чтобы хоть как-то уменьшить пагубное дросселирование на впуске. Непосредственный впрыск бензина в камеры сгорания с «послойным» смесеобразованием (FSI, GDI), регулируемая продолжительность впуска (Valvetronic). А с водородным топливом дроссельная заслонка убирается сама собой.]. В отличие от обычного количественного регулирования, когда дроссельная заслонка приводит к значительным насосным потерям [Так, на «холостом» ходу, когда дроссельная заслонка прикрыта почти полностью, половина расхода топлива приходится на ее счет.] (см.: «Долгий путь к себе», «Турбо», 2002, №3).
Снимается один из коренных вопросов применения двигателей с искровым зажиганием на автомобилях: регулирование нагрузки. Придать «газ», прибрать «газ»; на впуске приходится ставить дроссельную заслонку, которая ограничивает количество воздуха, поступающего в цилиндры. Дросселирование на впуске – очень уж невыигрышный прием (так называемые «насосные» потери), но другого способа – до появления ГРМ Valvetronic – не знали.
Невозможно просто так изменять количество бензина (или природного газа), подаваемого в цилиндры, – как у дизельных двигателей. Углеводородное топливо в смеси с воздухом способно воспламеняться от искры только в узких пределах вокруг так называемого стехиометрического состава [Стехиометрический состав смеси для углеводородного горючего и для водорода совсем не одинаков. Скажем, правильное соотношение воздух-бензин (по массе) – 14,7, а воздух-водород -34. Причем водород надежно воспламеняется от искры при соотношении и 102, и 170; обедняй насколько нужно.]: слегка обогащенная – слегка обедненная бензин-воздушная смесь. И только; а вот водород-воздушная – практически сколько угодно в ту или в иную сторону.
Значит, д.в.с. на водороде регулируется безо всякого дросселирования на впуске: воздух в цилиндры всегда поступает по максимуму, а водорода подается как раз столько, сколько нужно – по нагрузке. Отсюда высокий эксплуатационный к.п.д. моторов на водородном горючем – без «насосных» потерь. Во-вторых, скорость горения водорода в воздухе намного выше, чем углеводородных топлив. Следовательно, опасность детонации намного меньше, открывается возможность повышения степени сжатия – и термического к.п.д. двигателя.
Мало того, водород-воздушная смесь прогорает настолько быстро, что поршень не успевает заметно сместиться из в.м.т. – даже при высокой частоте вращения вала двигателя. Тоже весьма выигрышно с точки зрения термодинамики – в пользу к.п.д. Так, по сведениям от Ford, у 2,3-литровой «четверки» экспериментального автомобиля H2RV к.п.д. достигает 52%! Никакой дизель не сравнится, – разве что спорный адиабатический. Правда, при сильном обеднении водород-воздушной смеси распространение пламени в камере сгорания заметно замедляется, так что лучше организовать двойное зажигание – с 2-я свечами. Впрочем, 2-искровое зажигание применяется и на многих бензиновых двигателях; ничего особенного.
Д.в.с. на водородном топливе легко пускается, работает необыкновенно эффективно и чисто. Даже нагара внутри никакого не образуется (если масло из картера не проникает в камеры сгорания). Так за чем же дело стало? Идиллия… Увы, трудностей немало, – даже если завтра по щучьему велению возникнет сеть водородных заправок.
Как запасать водород?
Теперь о плохом; ну нет в мире совершенства! Столь замечательное топливо, как водород, исключительно неудобно для практического применения на автотранспорте. Прежде всего, он очень легкий – наилегчайший из всех газов. А значит, и плотность запасаемой в нем тепловой энергии невелика: по сравнению с бензином объемная теплота сгорания жидкого (при температуре не выше -253°С!) водорода ниже в 3,7 раза… Иными словами, в 74 л жидкого водорода запасается столько же тепловой энергии, что и в 20-литровой канистре с бензином. Немного; представьте криогенный бак для хранения на борту 74 л жидкого водорода – при соответствующей температуре. Скажем, такой бак у экспериментального «вэна» Opel Zafira на 5 кг (70 с лишним л [Жидкий водород тоже очень легкий, его плотность в 14 раз меньше, чем воды!], по теплотворной способности эквивалентные 19 л бензина) жидкого водорода весит в комплекте с вентилями, теплообменниками и т.п. около 95 кг; замечательное соотношение. Кроме того, само по себе сжижение водорода – затратный и энергоемкий процесс; вряд ли нам нужны дополнительные издержки.
Но главная печаль в другом: жидкий водород постоянно испаряется, и его приходится стравливать – в атмосферу. Ценой немалых ухищрений удается свести потери топлива к 3-4% в сутки; заправленный водородом криогенный бак нельзя оставить – как бензобак – без внимания на месяц-другой. По оценкам, в эксплуатации автомобилей на жидком водороде следует ожидать потерь горючего на уровне 10-20%; вот так результат! Мало того, что теряется ценный ресурс; по мнению специалистов, массовые утечки водорода в верхние слои атмосферы угрожают стабильности озонового слоя, который защищает все живое на планете от губительного ультрафиолета. Есть подозрения, что водород способен наносить озону такой же ущерб, как и пресловутый фреон…
Так или иначе, 10-20-процентные потери топлива неприемлемы, и поэтому речь идет о других способах запасания водорода на борту. Если оставить в стороне футуристические приемы (скажем, графитовые нанометрические накопители и пр.), то остается водород, сжатый под высоким давлением в баллонах, – как природный газ. Так, Honda на своем экспериментальном FCX запасает сжатый водород под давлением 350 бар в 2-х баллонах (из многослойных композитных материалов) емкостью в 68 и 88 л; автомобилю со снаряженным весом в 1680 кг полной заправки хватает на 355 км крейсерского хода. Совсем неплохо, причем никаких утечек (если система в порядке). Конструкторы стремятся довести давление в баллонах до 500 и даже до 700 бар, уменьшить их емкость и габариты, увеличить пробег автомобиля. Однако сама мысль о давлении газа на борту в 500-700 атмосфер слегка напрягает…
А вот опасения насчет взрывоопасности водорода сильно преувеличены; с бензином и бутан-пропаном риска больше. Легкий водород даже при массовых утечках немедленно улетает высоко-высоко, тогда как, скажем, тяжелый нефтяной газ накапливается у земли; случайная искра, и… Чтобы водород не собирался у потолка помещения, достаточно естественной вентиляции; ну и незамысловатый датчик газа недолго поставить в верхней точке.
На ходу
Перевести д.в.с. с бензина или тем более – с природного газа – на водород не так уж и трудно. Сложнее заставить его правильно работать на экзотическом горючем, которое склонно, например, к преждевременному самовоспламенению – от горячих поверхностей камеры сгорания.
Здесь неожиданные перспективы открываются у, казалось бы, безнадежного роторно-поршневого двигателя – знаменитого «ванкеля». Лет 30 назад его сгубила крайне невыгодная конфигурация камеры сгорания – узенький вытянутый «серпик». Увеличенные потери тепла через большую поверхность камеры, значительное количество недогоревших углеводородов – по той же причине. Поскольку водород прогорает быстро, потери тепла меньше, а углеводородов здесь и вовсе нет.
Зато у «ванкеля» есть особенность, как нарочно подогнанная под водородное топливо: полости всасывания и сжатия – и камера сгорания там географически (геометрически) разнесены. Тем самым у роторно-поршневого намного меньше опасность преждевременного воспламенения водород-воздушной смеси от горячих деталей – как раскаленные выпускные клапаны у поршневых моторов. Там вполне возможно воспламенение смеси еще на такте впуска («обратная вспышка»), и приходится принимать специальные меры, чтобы избежать неприятностей. Скажем, прямой подачи водорода в надпоршневое пространство на такте сжатия – при уже закрытых впускных клапанах.
У «ванкеля» же все само собой, и других достоинств у роторно-поршневого двигателя тоже немало. Mazda уже экспериментирует: создан опытный RX-8 Hydrogen RE, bi-топливный мотор которого работает (как автомобили с привычным газобаллонным оборудованием) и на бензине, и на водороде. Баллон из многослойного композитного материала берет 74 л водорода – под давлением до 350 бар. Что характерно, максимальная мощность двигателя на сильно обедненной водород-воздушной смеси лишь 110 л.с. – против 210 на углеводородном горючем. Зато выбросы вредных веществ практически нулевые; водитель переключается с одного вида топлива на другое по обстоятельствам.
Специальные водородные форсунки (их по 2 на ротор, поскольку подавать приходится большой объем газа) размещены в полости впуска-сжатия и, тем самым, надежно защищены от температур вспышки. Бензиновые форсунки – отдельно. Все работает, и Mazda готовится к серийному выпуску версии Hydrogen.
Где добывать водород?
Остается наивный вопрос: где и как получать водород? Наиболее распространенный во Вселенной элемент номер один в периодической таблице Менделеева, самый легкий из газов. На нашей планете водорода в свободном состоянии практически нет, его приходится извлекать из тех или иных химических соединений. Например, из воды – электролизом H2O. Вот только для электролиза нужна электроэнергия, и ее придется так или иначе произвести – прежде, чем получим водород. Много ли надо электричества? Если считать, что в России эксплуатируется 24 млн легковых автомобилей, то для их питания водородным топливом нужно задействовать 10-12 таких ГЭС, как Братская. Мало не кажется?
Водород получают также (каталитическим) расщеплением природного газа, но здесь все те же заморочки с углеводородным сырьем – только перенесенные в другое место. Образуются огромные количества CO2 (а также другие загрязнители среды), расходуются невосполнимые природные ресурсы; на колу мочало… Говорят об экологически сбалансированных биологических источниках (спирт из растительного сырья, метан из биомассы), но вряд ли они дадут энергию в масштабах крупных электростанций. Так что все упирается в первичные источники энергии, а водород здесь только промежуточное звено.
В самом деле, водород – вторичное топливо. В отличие от первичного: бензина, дизтоплива, природного газа, угля. Прежде чем использовать вторичное горючее, его нужно получить – из первичных источников. В сущности, первичную энергию можно запасать либо в электроаккумуляторах, либо в водородном топливе. А то еще в «ультрамаховиках» или другими столь же экзотическими способами. И все же, как запасать вторичную энергию, – вопрос вторичный. А коренной – таков: где и как вырабатывать первичную (электро)энергию? Ветровые, геотермальные, приливные и солнечные электростанции, похоже, лишь отвлекают внимание общественности от сути дела. А радикальное решение даст только «термояд»: экологичная и безопасная термоядерная энергетика. Вот тогда и дешевый водород станем получать – хоть залейся, и способы его удобного хранения, транспортировки и запасания на борту автотранспортных средств подойдут. Термоядерно-водородная энергетика – светлое, но не безнадежное будущее человечества.
А вообще-то каждый из нас может наладить получение водорода хоть дома – электролизом воды из-под крана на кухне. Установка нехитрая – не сложнее самогонного аппарата. Водородные баллоны на крыше «ушастого» – и вперед. Но лучше не надо…