Почти все эти виды топлива менее опасны для окружающей среды, чем бензин, но выхлоп автомобиля все равно не делается безвредным.
Кардинально решить проблему загрязнения атмосферы автотранспортом мог бы при определенных условиях электромобиль. Для этого экологически чистыми должны стать не только эксплуатация источника его энергии, но и изготовление этого источника и даже утилизация отходов. Пока же этим требованиям обычно применяемый в электромобилях аккумулятор не отвечает.
«И все же, — как пишет в журнале «Наука и жизнь» К. Климов, — в последние годы электромобиль применяется гораздо шире. Благодаря разработкам крупнейших автомобильных фирм мира недостатки аккумулятора — вес, габариты, необходимость частых подзарядок — несколько уменьшились. Недавно, например, германская фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Для разгона этой машины с места до скорости 96 километров в час требуется, по утверждению фирмы, всего 20 секунд, максимальная скорость — 130 километров в час, а пробег между подзарядками достигает 270 километров. Но массового применения в транспорте такой электромобиль не найдет, поскольку рабочая температура серно-натриевого аккумулятора составляет около 350 градусов Цельсия. И сама эта температура, и необходимость поддерживать ее во время работы аккумулятора при помощи специальных подогревателей делают его взрыво- и пожароопасным».
«Электрических» машин на дорогах общего пользования с каждым годом все больше, а сообщения о новых разработках в этой области не сходят со страниц журналов и газет.
До недавнего времени развитие электромобилей сдерживалось низкими параметрами источников тока. Многие годы в этом качестве служила традиционная свинцово-кислотная батарея. Помимо других серьезных недостатков, она ограничивала пробег машины до подзарядки примерно 150 километрами. В результате модернизации батарею удалось облегчить и заменить кислоту в жидком виде на менее опасный гель. И все же прорыва на этом направлении ждать не приходится, плотность «упаковки» энергии и мощность кислотных батарей почти достигли теоретического предела. А вот заменив свинец никелем, удалось создать целую гамму новых аккумуляторов — никель-кадмиевых, никель-водородных и никель-цинковых. Они выгодно отличаются от свинцово-кислотных батарей. Им присущи долговечность, нечувствительность к морозам, возможность быстрой подзарядки. Правда, они подороже, и воду в некоторые типы батарей все же приходится периодически доливать.
Наиболее перспективными на сегодняшний день признаются никель-металлогидридные системы. Именно у них максимальные удельные показатели, да и саморазряд приемлемый: пятьдесят процентов емкости за месяц. С тех пор как эти батареи впервые применили в автомобилестроении, прошло шесть лет. За это время экспериментальные электромобили прошли по дорогам миллионы километров, доказав свою пригодность к эксплуатации при температурах от минус двадцати пяти до плюс пятидесяти градусов.
Вот что пишет журнал «За рулем»: «К очевидным плюсам никель-металлогидридных систем, в первую очередь, можно отнести увеличенный почти вдвое по сравнению со свинцовой кислотной батареей пробег до следующей подзарядки — до 250 километров. А в 1996 году был зафиксирован и рекорд: автомобиль "Солектрия-Санрайз", приводимый в движение только электромотором на никель-металлогидридных батареях, преодолел на "одном дыхании" более 600 километров! Еще одно неоспоримое достоинство — быстрота подзарядки: всего за 10 минут такую батарею можно "заправить" на 80 процентов емкости! В ходе испытаний выяснилось, что никель-металлогидридные системы выдерживают более 80000 циклов зарядки-разрядки, что сопоставимо с пробегом 160000 километров.
Все это покупателю с удовольствием расскажут, например, в автосалонах фирмы "Тойота" в США и тут же предложат прокатиться на новеньком вседорожнике "RAV-4EV". Под полом его спрятаны 24 никель-металлогидридные батареи, питающие электромотор мощностью 67 л.с. Этого хватает для достаточно резвого разгона (0–100 км/ч — 18 секунд), а максимальную скорость пришлось ограничить 125 км/ч. Понравилось — "RAV-4EV" можно тут же купить за 42000 долларов. Что-то не устраивает? Не стоит огорчаться — ведь выбор электромобилей "Тойотой" не ограничивается. Тут и "Хонда-EV Плюс", и "Форд-Рейнджер EV", и "Ниссан-Алтима EV" — список можно продолжать. Европейцам пришлись по душе "Пежо-106 Электрик" и "Ситроен-AX Электрик", а импонировать модной молодежи призван микромобиль "Бомбардье NV", за который просят едва ли не меньше, чем за некоторые ВАЗы».
Электромобили, кроме всего прочего, дали жизнь новому, чрезвычайно перспективному направлению — так называемым гибридным машинам.
Гибридная схема — это сочетание двигателя, работающего на привычном топливе (бензине или газе, но чаще на солярке), и электромотора. Типичный представитель именно этой группы — «Тойота-Приус» — один из самых успешных с коммерческой точки зрения примеров. В прошлом году этой модели отдали предпочтение более десяти тысяч покупателей, а такое, согласитесь, уже кое-что значит.
В США, дабы стимулировать автоиндустрию к активному поиску новых решений, принят закон, предписывающий каждой фирме к 2003 году иметь в своей программе хотя бы одну модель электромобиля. Иначе — запрет на торговлю.
В числе основных претендентов на титул «главного конкурента двигателям внутреннего сгорания» сегодня называют автомобили с топливными элементами.
Топливный элемент впервые увидел свет в 1839 году, когда английский физик Уильям Грув получил ток в результате электрохимической реакции водорода с кислородом. Тему стали интенсивно разрабатывать в 1960-е и 1970-е годы, когда двигатели с топливными элементами впервые применили в космической промышленности.
Как обычно проходит преобразование химической энергии топлива в электрическую на тепловых электростанциях? Сначала тепловая энергия, выделяющаяся при горении, превращается в кинетическую энергию пара. Затем энергия пара на роторе турбины преобразуется в механическую энергию вращения. И, наконец, в обмотках генератора механическая энергия становится электрической. На каждом этапе неизбежны потери.
В топливном элементе химическая энергия топлива сразу трансформируется в электрическую. Топливный элемент, или электрохимический генератор, — это техническое устройство, где протекает реакция окисления топлива, в ходе которой вырабатывается электроэнергия. Топливом могут служить водород, спирт, аммиак и углеводороды (природный газ, нефть), а окислителем (горение есть реакция окисления) — кислород, азотная кислота и др.
Конструкция топливного элемента проста. Это сосуд с электролитом (водным раствором кислоты или щелочи), двумя пористыми электродами (анодом и катодом, как в аккумуляторной батарее) и трубками для подачи топлива (на анод) и окислителя (на катод). На аноде молекулы водорода распадаются на атомы, которые теряют свои электроны, становятся положительными ионами и уходят в электролит. Потерявший ионы анод приобретает отрицательный заряд по отношению к другому электроду, и свободные электроны движутся к последнему по внешней цепи. Там они соединяются с атомами кислорода — образуются отрицательные ионы. Последние проходят через электролит и соединяются с положительными ионами водорода. Так возникает замкнутая цепь, по которой идет электрический ток, и топливный элемент становится электрическим генератором. Кроме электроэнергии в нем образуется еще и побочный продукт — дистиллированная вода.
Одиночный топливный элемент создает напряжение около 1,5 В. Чтобы получить более высокое напряжение, элементы последовательно соединяют друг с другом в батареи.
Время непрерывной работы батареи зависит от запасов топлива, окислителя и износа (окисления) материалов электродов и составляет в действующих установках 1000 часов. Поэтому их сейчас используют только для электроснабжения автономных потребителей, таких как глубоководные аппараты или околоземные космические станции.
Сегодня чаще всего применяют водородно-кислородные топливные элементы. Однако значительно более эффективны воздушно-алюминиевые топливные элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом воздуха, анодом — пластина из алюминиевого сплава. Окисление идет с коэффициентом полезного действия восемьдесят процентов, и «сгоревший» при комнатной температуре килограмм алюминия способен выдать во внешнюю цепь примерно столько энергии, сколько дает килограмм каменного угля, сгорая на воздухе при очень высокой температуре.
«Достоинств у таких источников электроэнергии много: и простота конструкции, и полная безопасность эксплуатации, и хорошие удельные энергетические характеристики, — пишет в своей статье в журнале «Наука и жизнь» К. Климов. — А недостаток, в основном, один — дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом энергоемкостью процесса производства. Недостаток этот должен, однако, со временем уменьшаться, а благодаря последним разработкам Института металлургии имени А.А. Байкова Российской академии наук будет, вполне возможно, и вовсе устранен, и притом в самом ближайшем будущем.
Специалисты института разработали новый и весьма эффективный метод так называемых многокомпонентных химических реакций. В специально подобранной среде, обладающей одновременно ионной и электронной проводимостью, возникают при определенной температуре множественные и равномерно распределенные в объеме реактора микроэлектродные (так их называют) электрохимические реакции. С их помощью можно получать в чистом виде многие из известных элементов, в том числе металлы, и в частности — алюминий. Это делают уже сегодня, но пока в лабораторных условиях, а в качестве сырья используют обычную грунтовую глину или любое рудное сырье, содержащее глинозем.