Исследование Калифорнийского технологического института показало, если водород станет популярным автомобильным топливом, то его количество в атмосфере значительно увеличится. Это может привести к уничтожению озонового слоя, защищающегося Землю от ультрафиолетового излучения, глобальному изменению климата и активному размножению опасных микробов. Кроме того, водородные двигатели в процессе работы выделяют намного больше газов, разрушающих озоновый слой Земли (в частности, оксидов азота), чем современные модели традиционных бензиновых автомобилей. К этому выводу в 2003 году пришли исследователи Массачусетского технологического института.
Добывать водород из воды очень дорого, поэтому в США 95% водорода производятся из природного газа (метана). Это, в свою очередь, делает водородное топливо дороже, чем наиболее дешевый сегодня энергоноситель – природный газ. Впрочем, технологические и экологические препятствия использования водорода в качестве топлива не являются чем-то уникальным. Некогда похожие проблемы были у природного газа, бензина и солнечной энергии. К примеру, прошло более двух десятилетий с момента начала производства солнечных батарей до вывода их на уровень коммерческой окупаемости.
В качестве основного источника энергии в таких автомобилях используется ДВС, а в качестве пикового ее источника — тяговая электрохимическая батарея (ТЭБ) или накопитель (батарея электрических конденсаторов, сверхкомпактный маховик и т. п.).
Гибриды вчера
В недалеком прошлом гибридными называли агрегаты, способные работать на нескольких видах горючего топлива. Одним из простейших и ярких примеров подобных силовых установок можно считать мотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один — гибридный, представляющий собой работающие вместе ДВС и электродвигатель. Почему-то в большинстве справочников он не указан, и создается ощущение, что данная технология родилась совсем недавно. Тем не менее, известная поговорка «все новое — это хорошо забытое старое» и в этот раз сработала на 100%.
Как оказалось, «первые ласточки» появились на рубеже XIX—XX-го веков. Более того, некоторым разработчикам удалось перейти от проектов к мелкосерийному производству. Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago «гибридные» грузовики сходили до 1940 года.
Почему же тогда идея электродвигателей и гибридов не прижилась?
На первую часть этого вопроса еще в 30-х годах прошлого века ответил академик Е. А. Чудаков. Проведенное им сопоставление характеристик моторов различных типов выглядит так: бензиновый занял первое место по скорости и намного превзошел электрический по запасу хода, зато по надежности и КПД бензиновый ДВС проиграл. Стоит заметить, что ресурсные и экологические проблемы в те времена еще не рассматривались. Продвижению же гибрида «в массы» тогда помешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности и непомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей).
Гибриды сегодня
Совершенствование двигателей внутреннего сгорания едва-едва поспевает за предъявляемыми к ним требованиями. С одной стороны, потребители с мечтами об одновременно мощном и экономичном моторе, с другой — экологи, ужесточающие нормы токсичности. А в завершение — геологи, все настойчивее напоминающие об истощении запасов «черного золота».
Сегодня смело, можно сказать: эпоха ДВС как основного источника энергии на автомобиле подходит к логическому завершению. Подтверждение этому уже не опытные, а серийные модели с гибридными силовыми установками.
Рассмотрим схемы гибридных силовых установок:
Последовательная схема
В данном случае ДВС приводит в движение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питает электродвигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называют потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД. Это позволит стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.
Параллельная схема
Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий от двух источников, распределяется в соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса. Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею.
Последовательно-параллельная схема
Уже по названию можно догадаться, что эта схема объединяет в себе две предыдущие. Здесь, в зависимости от условий движения, используется тяга электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости, система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом, достигается максимальная эффективность силовой установки.
Несмотря на все видимые преимущества, автомобили с гибридными силовыми установками имеют ряд недостатков. Кроме того что они имеют усложненную конструкцию, требуется наличие специального оборудования для их обслуживания и ремонта, а так же становится необходима подготовка специалистов не только для обслуживания таких двигателей, но и для оказания помощи в случае попадания такого автомобиля в аварию.
Электрические двигатели проходят испытание во многих странах. Первые образцы электромобилей были созданы еще в конце XIX века. Это была огромная машина с ваннами, заполненными серной кислотой, с очень маленькой скоростью. Однако с приходом XXI века и появлением свежих идей многие производители автомобилей дают электромобилю второй шанс. Проблем здесь, по существу, лишь две: найти накопитель энергии, способный обеспечить транспортному средству запас хода, соизмеримый с запасом хода обычного автомобиля, и создать соответствующую инфраструктуру (сеть зарядных станций и т. п.). Однако эти проблемы — чрезвычайной сложности. Особенно первая. Достаточно напомнить, что многие специалисты (электрики, химики, материаловеды и др.) весь прошлый век работали над созданием электрических аккумуляторов большой емкости, но так и не сумели получить приемлемые для автомобилестроителей и других потребителей результаты по запасу хода электромобиля, поскольку, ни один из аккумуляторов по удельной энергоемкости не смог конкурировать ни с жидким, ни даже с газовым топливом. Другими словами, при переходе с ДВС на батареи электрических аккумуляторов приходится жертвовать либо грузоподъемностью, либо запасом хода автомобиля.
Несмотря на то, что, во-первых, работы по электромобилям во многих странах получили государственную (в том числе финансовую) поддержку, во-вторых, поддержку общественную (судя по опросу, в Европе уже сегодня 1,3 % потребителей, т. е. -200 тыс. чел., готовы стать владельцами электромобилей. Действует "Ассоциация европейских городов, заинтересованных в использовании электромобилей", в-третьих, разработкой электромобилей занимаются практически все автомобилестроительные фирмы, данный транспорт остается скорее специальным, чем массовым: его применяют в аэропортах, на атомных станциях, территориях морских портов, выставок и т. п. Попытки же организовать крупномасштабное производство пока малоуспешны.
Преимущества электромобиля:
· отсутствие вредных выхлопов;
· простота конструкции и управления, высокая надёжность и долговечность экипажной части (до 20—25 лет) в сравнении с обычным автомобилем;
· КПД электродвигателя составляет 90 %—95 %.
Недостатки электромобиля:
· аккумуляторы за полтора века эволюции так и не достигли характеристик, позволяющих электромобилю на равных конкурировать с автомобилем по запасу хода и стоимости, несмотря на значительное усовершенствование конструкции. Имеющиеся высокоэнергоёмкие аккумуляторы либо слишком дороги из-за применения драгоценных или дорогостоящих металлов (серебро, литий), либо работают при слишком высоких температурах (рабочая температура натрий-серного аккумулятора >300 °С). Кроме того, такие аккумуляторы отличаются высоким саморазрядом. Одним из перспективных направлений стала разработка никель-металгидридных аккумуляторов с оптимальным соотношением энергоёмкости и себестоимости, перспективными считаются и аккумуляторы на основе полипропилена, однако, фактически по экономическим соображениям на электромобилях, как и век назад применяются свинцово-кислотные АКБ. Впрочем, энергоёмкость таких АБК увеличилась за 20 век в 4 раза (до 40—45 Вт·ч/кг) и они не требуют обслуживания в течение всего срока службы. Значительно повысить отдачу от аккумуляторов позволило применение электронных систем оперативного контроля над состоянием и зарядкой-разрядкой АКБ.