Влияние строительства автомобильной дороги на окружающую среду (стр. 10 из 11)

Электромобили. Весьма перспективным для городов является проект массового перехода от автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями на электромобили, которые действуют от батарей-аккумуляторов, периодически подзаряжаемых на станциях.

Электромобили бездымны, бесшумны, компактны, их выделения не токсичны, они просты в управлении, а эксплуатация значительно экономичнее, особенно в городах. Этому способствуют большой среднесуточный пробег автомобилей в городе, ско рости и возможность организации сети зарядных станций для батарей-аккумуляторов.

Любопытна история создания электромобиля. Первый электрический экипаж с первичным (без подзарядки) химическим источником тока (ХИТ) был создан еще в 1837 г., а уже в 1880 г. был изготовлен первый в мире аккумуляторный электромобиль. Его 28 свинцовых аккумуляторов обеспечивали автомобилю скорость 13 км/ч. В следующем году во Франции начал действовать пятиместный электромобиль коммерческого назначения. В Англии электромобиль появился в 1888 г., он оказался способным пройти около 9 тыс. км со средней скоростью 12 км/ч. В 1900 г. в Германии начали эксплуатироваться электробусы. В 1902 г. был создан микроэлектробус на 12 мест с запасом хода 140 км, способный развить скорость до 36 км/ч. Известно, что в 1912 г. во всем мире было около 30 тыс. электромобилей. Однако электромобили того времени, характеризуясь низкими эксплуатационными показателями и конструкционными недостатками, были быстро вытеснены автомобилями с двигателями внутреннего сгорания.

Главными недостатками современного электромобиля, особенно со свинцово-кислотньши аккумуляторными батареями, являются: ограниченный ресурс пробега, большая масса, малый срок службы источника тока и общая высокая стоимость. Так, чтобы иметь запас хода электромобиля в 400 км, на нем необходимо разместить батарею массой 1250—1500 кг.

Для электромобиля, соответствующему современному массовому автомобилю с ДВС, необходима мощность двигателя около 15 кВт, что обеспечивает аккумуляторная батарея массой порядка 300 кг. Она позволит выполнить до перезарядки батареи пробег до 80 км со скоростью 40-60 км/ч. Автомобиль же с ДВС с одной заправкой 40 кг бензина проходит легко 500 км со скоростью 80—100 км/ч. Это обусловлено тем, что энергоемкость бензина равна около 11 тыс. Вт-ч/кг, а свинцово-кислотного аккумулятора — 35-50 Вт-ч/кг. Таким образом, экономика электромобиля определяется энергоемкостью установленных батарей, их стоимостью и сроком службы. Кроме того, полный бак с жидким топливом составляет лишь 3 % массы автомобиля, а под аккумуляторную батарею электромобиля отводится 20—40 % массы. Наконец, продолжительность заряда в сотни раз больше времени заправки автомобиля с ДВС.

После жесткого мирового энергетического кризиса 1973 г. во многих странах мира развернулись исследования с целью разработки перспективных типов батарей, которые превосходят по энергоемкости наиболее распространенные свинцово-кислотные, а также создания новых накопителей энергии — ультраконден-заторов и топливных элементов. Электромобиль на спиральных гидридно-никелевых батареях прошел несколько лет назад без подзарядки 601 км.

В табл. 9.7 приведены сравнительные характеристики различных накопителей энергии.

Требования к указанным ХИТ изменяются в зависимости от назначения электромобиля, его типа, а также от оценки перспектив и масштабов их применения. Так, Департамент энергетики США установил систему целевых параметров батарей для электромобилей на ближайшее будущее, способных обеспечить запас хода 4-местного автомобиля в городских условиях 100 миль (161 км) и ускорение от 0 до 48 км/ч за 8 с. При этом основные целевые параметры на ближайшие 5 лет таковы: 1) КПД — 50 %, наработка 800 циклов (за 3-10 лет эксплуатации); 2) разряд 2-4 ч, заряд — 1-6 ч; 3) удельная энергия 140 Вт-ч/кг; 4) удельная мощность пиковая (в течение 15 с) — 200 Вт/кг: 5) объемная удельная энергия 200 Вт-ч/л; 6) стоимость $50 за 1 кВт-ч. Здесь удельная энергия определяет запас хода, а удельная мощность — время разгона и пределы применения рекуперативного торможения. Очевидно, чем больше срок службы, тем меньше затраты на эксплуатацию автомобиля.

Кроме перечисленных требований, имеют значение: простота конструкции, безопасность и надежность, низкий саморазряд, быстрая перезаряжаемость, работоспособность в широком диапазоне температур ОС, малые размеры и легкость замены отработавшего свой ресурс источника тока.

В ряде случаев перспективно для получения электричества использовать электрохимические генераторы (ЭХГ) или топливные элементы (fuel cells), которые способны химическую реакцию окисления водорода кислородом на катализаторе преобразовывать в электрическую, но без сгорания. Они практически не выделяют вредных веществ и обладают относительно небольшой массой. Еще одно достоинство двигателя на топливных элементах — высокий КПД. Для обычных двигателей, которые работают на бензине и дизельном топливе, он составляет 25—45 %, КПД же топливных элементов — 70 % и выше. До недавних пор топливные элементы конструировали только для специальных целей, например космических исследований.

По мнению специалистов, применение топливных элементов, обладающих высокой удельной энергией и достаточно большим сроком службы, позволит устранить наиболее существенный недостаток электромобиля — малый запас хода

Развернувшиеся широким фронтом в 60-х годах исследования с целью создания ЭХГ с щелочным, кислотным и твердым полимерным электролитом привели к резкому улучшению их характеристик. Однако широкому внедрению их на транспорте препятствует ряд обстоятельств. С одной стороны, необходимость создания приемлемых средств накопления и хранения водорода или средства его получения непосредственно на электромобиле, а также развития соответствующей инфраструктуры, а с другой стороны — высокая стоимость. Ожидается, что стоимость электромобилей, например, с водородно-воздушным ЭХГ в случае мелкосерийного производства будет превышать на 40 % стоимость обычного автомобиля, а при массовом выпуске — на 6 %.

В то же время технико-экономические оценки, которые были выполнены при условии промышленного производства водорода из пропана, выявили приемлемость электробусов, электрофургонов и электромобилей общего назначения с ЭХГ уже в настоящее время. Примером может служить 2-местный легковой электромобиль фирмы «Фольксваген» с ЭХГ, который имеет номинальную мощность 15 кВт, максимальную — 22,5 кВт и скорость 88,5 км/ч. Параллельно к ЭХГ подключена аккумуляторная батарея энергоемкостью 3 кВт-ч для работы в пиковых нагрузках и для приема энергии рекуперативного торможения. Топливные элементы, которые входят в батарею ЭХГ фосфорнокислого типа, работают на смеси воды с метанолом и характеризуются плотностью тока 1300 А/м² при напряжении 0,6 В.

Ныне несколько десятков тысяч электромобилей эксплуатируются в ряде стран, в т. ч. и России для доставки продуктов питания, почты, небольших грузов и т. п. Десятки типов экспериментальных электробусов для перевозки пассажиров действуют в Великобритании, Франции, США и других странах.

Перспективы массового применения электромобилей определяются успехами в решении проблем увеличения запаса хода (пробег между зарядами аккумулятора или заменой реагентов), снижения стоимости, повышения экономичности и создания системы сервисного их обслуживания. Укажем также на необходимость резкого увеличения резервных мощностей электростанций, поскольку они недостаточны, если потребуется в перспективе ежедневная подзарядка многих миллионов электромобилей.

В то же время отметим определенный парадокс. Электромобили, использующие, казалось бы, экономически чистые двигатели, могут явиться в перспективе косвенными виновниками загрязнения природной среды. Так, для того чтобы оснастить все автомобили батарейными электродвигателями, необходимо многократно увеличить производство в мире свинца и никеля. А это, в свою очередь, будет сопровождаться усилением загрязнения ОС в глобальном масштабе. Но в отдельно взятых городах, особенно курортных применение подобных двигателей на автомобилях может резко улучшить экологическую обстановку.

Солнечный электромобиль. Он представляет собой комплекс, включающий электрическую систему и солнечный коллектор, который обеспечивает перезарядку аккумуляторной батареи во время его движения или стоянки. Солнечный коллектор поглощает солнечное излучение и превращает его в электричество. Оно «хранится» в батарее до тех пор, пока не потребуется для приведения в действие электродвигателя.

Солнечные автомобили уже сейчас имеют характеристики, которые вполне привлекательны для потребителей. Например, автомобиль «Санрайдер» (г. Кардифф, Великобритания) весит всего 90 кг, развивает скорость до 30 км/ч и использует электричество, вырабатываемое 300 солнечными батареями.

С теоретической точки зрения солнечный автомобиль должен бы двигаться очень долго, так как единственным необходимым для него топливом является солнечный свет. Однако серьезным недостатком остается невозможность движения ночью или днем в условиях сплошной облачности.

Автомобиль с инерционным двигателем. В качестве накопителя энергии здесь используется не аккумулятор, а маховик. Такое нововведение позволяет обойтись без двигателя, коробки скоростей, радиатора, стартера и выхлопной трубы. Электроток от стационарного источника используется для раскрутки супермаховика из легких, но прочных на разрыв углеродных волокон. Когда он наберет обороты, напряжение отключается. Однако вращение продолжается несколько часов, поскольку супермаховик заключен в герметичную капсулу, из которой выкачан сопротивляющийся воздух, а магнитный подвес устраняет трение в подшипниках. Эксперименты в этой области показывают, что автомобиль с супермаховиком способен разгоняться до 96,5 км/ч всего за 6,5 с. Пробег без подзарядки также обещает быть впечатляющим — до 600 км.