Использование автомобильного транспорта в жизнедеятельности человека стало неотъемлемой частью общественного развития. Однако моторизация общества выдвигает ряд серьезных социальных проблем, среди которых экология и сохранение природных ресурсов. Автомобили - основные потребители энергии и одни из главных источников загрязнения атмосферы. Наиболее энергоемким и экологически опасным компонентом автомобиля является его энергетическая установка. Главные направления совершенствования автомобильных энергоустановок в настоящее время определяются двумя важнейшими социально-экономическими проблемами:
- рациональное использование топлива нефтяного происхождения, в том числе замена его альтернативными энергоносителями;
- снижение вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду.
Рис. 1. Сравнительная оценка влияния альтернативных видов топлива на экологические показатели автомобильного двигателя с принудительным воспламенением: 1 – бензин; 2 – бензин + продукты его конверсии; 3 – бензин + Н2; 4 – сжиженный нефтяной газ; 5 – сжатый природный газ; 6 – метанол; 7 – метанол +Н2; 8 – синтез – газ (Н2 + СО); 9 – водород (Н2).
Постоянно ужесточающиеся международные требования по ограничению выброса вредных веществ автотранспортными средствами (АТС) и экономии энергоресурсов требуют от производителей разработки принципиально новых энергетических установок, работающих на новых экологически чистых видах топлив ненефтяного происхождения. На рис. 1 приведена сравнительная оценка влияния различных видов топлива на экологические показатели автомобильного двигателя с принудительным воспламенением относительно традиционного топлива – бензина.
Из приведенных гистограмм видно, что одним из лучших решений может быть использование водорода или синтез-газа с большой концентрацией водорода как альтернативного топлива для энергетической установки АТС.
Очевидным преимуществом водорода является его неисчерпаемые ресурсы в природе и возможность получения из возобновляемых сырьевых источников. Водород обладает чрезвычайно высокой энергоёмкостью (почти в три раза больше, чем у традиционных нефтяных топлив), уникальными кинетическими характеристиками. Кроме этого, продукты сгорания водорода практически не содержат вредных компонентов на основе углерода (оксида и диоксида углерода, углеводородов и альдегидов).
Работы в области водородной транспортной энергетики условно разделяют на три этапа: актуальные, со средне- и дальнесрочной перспективами.
К актуальным разработкам следует отнести разработку двигателей внутреннего сгорания полностью или частично (с добавкой к основному топливу) работающих на водородном топливе, синтезируемом на борту транспортного средства из альтернативных энергоносителей (метанол или метан) или хранящемся на нем в компримированном, либо жидком состоянии. Достоинствами данных решений является их быстрая реализация в серийном производстве, использование существующей транспортной инфраструктуры (в случае синтеза водорода на борту АТС), значительное (до 45%) снижение выбросов вредных веществ и улучшение экономичности (до 15-20%) автомобиля. К недостаткам подобных схем следует отнести отсутствие инфраструктуры заправки автомобилей жидким или газообразным водородом, что, в принципе, является общим для всех этапов развития транспортной водородной энергетики.
Среднесрочными перспективными разработками являются автомобили с комбинированными энергоустановками на базе двигателя внутреннего сгорания, работающего на водородном топливе, синтезируемом на борту АТС. В этом случае двигатель работает на режимах близким к стационарным, что обеспечивает уменьшение выбросов токсичных компонентов с его отработавшими газами (до 60% по отношению к традиционному бензиновому двигателю), улучшает условия работы системы синтеза водорода, и, как следствие, снижение расхода топлива (до 40 - 45% по отношению к традиционному бензиновому двигателю). При разработке такого автомобиля должна быть создана электромеханическая трансмиссия и источники накопления энергии на борту автомобиля (буферные накопители – тяговые аккумуляторы).
К дальнесрочным проектам следует отнести автомобили с энергоустановками на базе топливных элементов. Их дальнесрочность определяется, в первую очередь, отсутствием компактных топливных элементов в Российской Федерации, с характеристиками, приемлемыми для автомобильного транспорта. Однако, автомобиль с комбинированной энергоустановкой на базе водородного ДВС, является основой для АТС с топливным элементом. Его элементы – электромеханическая трансмиссия, буферные накопители, система получения водорода – являются универсальными для автомобилей с КЭУ, т.е. при разработке топливного элемента отечественной промышленностью, он может явиться заменой водородному двигателю. Опыт зарубежных исследователей показывает, что такой элемент может быть создан не ранее, чем через 10-15 лет, а цена за 1 кВт его энергии в размере 100 дол. США (двукратная по отношению к 1 кВт энергии традиционного двигателя) – обеспечена не ранее, чем через 20-25 лет. Основным достоинством подобных энергоустановок является отсутствие токсичных компонентов в её отработавших газах, обусловленное низкотемпературными реакциями горения водорода.
Авторы: Ипатов А.А., Каменев В.Ф., Хрипач Н. А
ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»
Автомобили с комбинированными энергоустановками на базе двигателя внутреннего сгорания, работающего на водородном топливе, синтезируемом на борту АТС, обеспечивают уменьшение выбросов токсичных компонентов с его отработавшими газами до 60% по отношению к традиционному бензиновому двигателю.
Как следствие улучшения условий работы системы синтеза водорода снижается расход топлива до 40 - 45% по отношению к традиционному бензиновому двигателю.
Прогнозная оценка деятельности и направления потоков инвестиций наиболее экономически развитых государств и корпораций, позволяет сделать вывод о формировании в ближайшие десятилетия водородной экономики и энергетики. Автомобиль, на сегодняшний день, является наиболее массовым продуктом промышленности, что, в свете сказанного выше, делает необходимым и его скорейшую «оводородоризацию».
