К чему они, эти еще недавно неведомые, получаемые в мизерных количествах и дорогие в обретении альтернативные источники энергии, в какой бы ипостаси их ни представляли? Экология? Безусловно. Но, кажется, не только заботой о чистоте воздуха мы обязаны всем этим пляскам вокруг солнцемобилей, водородных проектов, электро- и гибридных технологий. В обывательских СМИ не встретишь этой информации, однако и без них понятно: поскольку нефть — невозобновляемый энергоресурс, когда-нибудь наступит тот момент, когда из нефтяного крана, где бы он ни находился, вытечет последняя капля черного золота. Как скоро это произойдет, и каким образом человечество к этому готовится? А наша страна?
Как скоро... Ответ на этот вопрос сродни гаданию на кофейной гуще. Несмотря на то, что потребление нефти в мире растет постоянно, ежегодный анализ ее запасов не всегда корректируется в сторону уменьшения. Открываются новые месторождения, совершенствуются технологии анализа имеющихся залежей, появляются передовые методы добычи. В конце концов, существует теория так называемого абиогенного (в противовес биогенному — из органики) происхождения нефти, гласящая: она продукт неорганических веществ, трансформирующихся в условиях высокого давления и температуры. Последнее лишь осторожное (и оптимистичное) предположение, не находящее подтверждения в широких научных кругах. Что же до прикидок оставшихся запасов (разведанных и неразведанных), а точнее, сроков их исчерпания, то они лежат в очень широких пределах — от 50 до 100 лет. Более реалистичные прогнозы отмеряют углеводородной энергетике 40–60 лет. При этом такой анализ сильно разнится по странам. Например, Россия способна вычерпать свои недра за 20–35 лет.
Впрочем, как мы понимаем, энергетика, завязанная на углеводороды — это не только нефть. По газу прогнозы оптимистичнее. Отпускают его нам едва ли не на век, а с учетом сложных источников получения (сланцевый газ или метан угольных пластов) — даже на 2,5 века. Безусловно, при таких запасах и развитии технологии добычи это топливо будущего. Вот только не в любой стране оно есть, тем более в нужных количествах. Россия, кстати, в наилучшем положении: по залежам природного газа и различным данным делит первое-второе место с Ираном, по угольному же метану впереди планеты всей. К сожалению, все это богатство еще нужно достать — с меньшими энергозатратами, чем получаемый энергоноситель, и по соответствующей цене. А пропан-бутан (сжиженный газ) вообще привязан к нефти — его получают при ее перегонке из попутных газов. Впрочем, пока газ — что природный (метан), что синтезируемый — дешевле черного золота. И он тоже невозобновляемый ресурс. В тех же странах Европы, за редким исключением, его вообще не было и нет. Как и нефти. Как и в Японии. И именно эти государства, между прочим, особенно заботящиеся об экологии, находятся на острие развития альтернативных источников «автомобильной энергии».
Начнем с газа и будем кратки. Недавно вышел материал, посвященный ГБО. Поэтому лишь обобщим сказанное, сделав упор на природный газ. Ведь он дешевле пропан-бутана, чище его по выхлопу, хотя и сложен в хранении. Жидкостью становится при минус 160, в баллонах содержится под давлением в 200 атм. (для сравнения: давление пропан-бутан в емкостях всего 10–16 атм.). Оттого толстостенные стальные баллоны очень тяжелые, а металлопластиковые или композитные — дорогие. Дороже, чем пропан-бутановый и весь комплекс оборудования, подающего газ в цилиндры. Тем не менее в Европе, где лишь несколько стран обладают мизерными запасами метана, автомобили, работающие на природном газе, не просто в ходу — предлагаются на этом топливе самими производителями. Можно говорить как минимум о VW, Mercedes, Ford, Opel, Fiat, Volvo.
Больше все же удивляет применение метана в качестве автомобильного топлива в странах, далеких от передовых технологий. И если серьезный автопарк на природном газе в Иране поддается объяснению (напомним, его запасы в этой стране сравнимы с российскими), то «газификацию» Пакистана, Индии, Бразилии, Аргентины еще нужно постараться растолковать. У каждого из этих государств по отдельности метана в недрах в десятки раз меньше, чем в РФ. При этом машин на CNG больше полутора миллионов, двух с лишним, трех... В России около 100 тысяч... Парадокс? Замкнутый круг! Автопроизводители (отечественные, если не считать грузовиков и ГАЗели, которую, похоже, сняли с производства, не выпускают; зарубежные в РФ Ecofuel-версии официально не предлагают) ссылаются на то, что в стране не развита сеть заправок. А те, кто может их создавать, сетуют на отсутствие достаточного количества клиентов. В итоге на всю Россию с учетом Крыма на начало прошлого года насчитывалось всего 250 АГЗС. От Иркутской области и восточнее в регионах их единицы. Для сравнения: в Пакистане — более 3300.
Идея использования солнечной энергии для движения не нова. Считается, что впервые фотоэлементы, преобразующие поток фотонов в электрический ток, приводящий электродвигатель, применили более полувека назад. Амбициозный проект американского инженера так и остался утопией, которую спустя 30 лет повторил его австралийский коллега.
А уже в 1987-м стартовало первое и до сих пор самое масштабное «экоралли» — World Solar Challenge (сейчас называется Global Green Challenge). Это точка приложения сил и средств не только автокомпаний, но и различных университетов, научных организаций, в том числе из аэрокосмической области. Результаты соответствующие. Лидеры в абсолюте — это болиды с углепластиковыми кузовами весом порядка 140–200 кг, способные развивать до 150–160 км/ч и поддерживать на протяжении 3000 км среднюю скорость в 90–100 км/ч.
Энергия солнца как никакой другой вид «топлива» зависит от сторонних факторов, порой противоречивых, и на данный момент особенно сильно завязана на развитие технологий. Рассчитывая выходную мощность фотоэлементов, нужно учитывать интенсивность солнечного излучения. А она разнится от региона и погодных условий. Считается, что в Европе при облачности это может быть 100 Вт на квадратный метр, но в ясную погоду значение способно вырастать впятеро. Больше оно в Австралии, где не зря проводится WSC, и в других уголках земного шара. Вместе с тем, солнечные батареи не любят перегрева, от которого снижается их КПД. Что же до технологий, а именно эффективности преобразования фотоэлементами потока фотонов в электрический ток, то пока на тех же спортивных болидах удается достигать 22–30%. Прикинуть получаемую мощность можно самостоятельно. Чтобы двигать сверхлегкие конструкции, их покрывают солнечными батареями площадью 6–8 кв. м. Эксперименты с различными материалами (кремний, германий, индий, галлий, органика) позволили в лабораторных условиях добиться почти 45% КПД. Большие надежды возлагаются на так называемые наноантенны, которые могут поднять эффективность фотоэлементов до 85%. Но все это не более чем перспективы.
Словом, если солнце и можно в будущем рассматривать непосредственно как движущую силу транспорта, то только в отдельно взятых регионах. Впрочем, уже сейчас в ряде стран гелиоэнергетика активно используется в комплексе с автомобилями, имеющими минимальные или нулевые выбросы.
Водород (обозначается символом H) — вот что в какой-то мере можно называть топливом будущего. На планете, пусть и в связанном виде, его много. Опыты с ним как с горючим веществом начались еще в самом начале XIX века. А чуть позже было доказано, что соединение молекул водорода и кислорода происходит с выделением тока. В общем, хоть в двигателе жги, хоть электричество вырабатывай, что, кстати, с 60-х годов делается на борту орбитальных станций. Но не все так идеально, как кажется с первого взгляда.
Использовать водород или его смесь для питания мотора начали еще во времена первых изобретателей ДВС. В блокадном Ленинграде водород скачивали из аэростатов заграждения и при недостатке бензина заправляли им двигатели ЗИСов–ГАЗов. В наше время наиболее плодотворной работой с ним отметился BMW, который с конца 70-х и вплоть до 2008 года нет-нет да и представлял то прототипы, то мелкосерийные модели, чьи моторы питались H. Оказалось — утопия. Чтобы сделать выхлоп на водороде чище, чем на бензине, смесь приходилось обеднять, отчего серьезно (от 10 до 45%) падала мощность двигателя. Была и другая проблема: обладая хорошей текучестью, водород попадал в масло, окислялся, образуя воду, и мог приводить к коррозии внутренних деталей двигателя.
В общем, как топливо для ДВС, по крайней мере, автомобильных, водород себя не проявил. Иное дело получение с помощью него электрического тока. Как говорилось выше, этот процесс (обратный электролизу, то есть расщеплению воды под воздействием тока на водород и кислород) был открыт давно, уже в наше время применялся в космонавтике и только с конца 90-х начал прописываться под капотами автомобилей. Происходит это так. На топливный элемент, состоящий из двух пластин (анода и катода), с одной стороны подается водород, с другой кислород (например, в виде набегающего потока воздуха или с помощью компрессора). Благодаря катализаторам (платине, кобальту) молекулы соединяются, образуя на выходе воду и электрический ток. Последовательно объединенные эти топливные элементы уже становятся электрохимическим генератором, способным выдавать до 100–120 кВт — крутить электромотор и запасать энергию в аккумуляторах.
Идеальный носитель энергии? Увы, водород тоже еще надо получить. В промышленных условиях это делается из любого углеводородного топлива — природного газа, пропан-бутана, метанола, этанола, даже бензина, солярки или нефти. Но где здесь экология и уход от невозобновляемого топлива? А для получения водорода из воды путем электролиза необходимо много электроэнергии, недорогой и «чистой», которую... Не проще ли пустить на зарядку аккумуляторов электромобилей?
Само собой, дорог водород и в розницу. Скажем, в Германии он стоит 9,5 евро за кг, а 95-й бензин всего 1,13 евро за литр. На 500 км первого нужно чуть больше 6 кг, второго, если говорить о двигателе объемом 1,5–1,6 л, — литров 40. Все равно традиционное топливо выходит дешевле. Так и сами машины — на примере Clarity и Mirai — с учетом их класса и размеров баснословно дороги. Honda стоит $63 500, Toyota — $60 000. И при этом над инфраструктурой заправок еще работать и работать, поскольку сейчас по всему миру их меньше тысячи. Правда, уже есть АГНКС, где функционируют установки электролиза воды — питаясь от солнечных батарей или ветряных станций. Вот это уже реально экологически чистая энергия. И опять же — пока дорогая из-за стоимости таких комплексов. Не зря же первое поколение Clarity разошлось тиражом всего лишь в несколько сотен экземпляров, которые предоставляли в лизинг, после чего компания изучала мнения. Впрочем, планы по Mirai уже 2–3 тысячи автомобилей в год. К 2020-му собирается иметь минимум одну водородную модель BMW. В Европе компаниями Daimler, BMW, Hyundai, Honda и Toyota создан консорциум Hydrogen for Innovative Vehicles, в задачах которого обмен технологиями и популяризация автомобилей на водороде. Наконец, есть подвижки и по части развития сетей АГНКС. За водородом — будущее? Вспомним, что еще 15 лет назад производители вдохновенно говорили о том, что еще немного, еще чуть-чуть, и водород подвинет углеводородное топливо. Во всяком случае, займет какой-то значительный процент во всем топливном энергообороте.
Пневмодвигатели — это вообще экзотика, место которой в небольших городских машинках, любимых французами или индусами. По типу эти моторы могут быть поршневыми, лопастными, роторными. Один из таких можно посмотреть на видео.
Запас воздуха (обычно около 80 кг) из баллона, где он хранится под давлением в 350 атм., подается к системе клапанов, обеспечивающей его доступ к цилиндрам или камерам с лопастями либо поверхностями ротора. «Лошадок» выходит порядка 5-10. Вполне достаточно для того, чтобы разогнать 220–350-килограммовый пластиковый автомобильчик до 70-110 км/ч, а в крейсерском режиме проехать до 200 км.
И все-таки пневмопривод может быть жизнеспособным. Не так давно французы опять удивили своим пристрастием к воздуху.
К чему придумывать новые двигатели/принципы получения энергии или продолжать опустошать недра планеты, если необходимое топливо можно получить сельскохозяйственным способом? Надо отметить, что искусственный бензин — из каменного угля — научились синтезировать еще перед Первой мировой войной, в Германии. Чем Третий рейх активно пользовался во Вторую мировую. Как вы понимаете, это не то...
Из растительных культур топливо, а конкретно биоэтанол — попросту спирт — получали еще в начале XIX века. Сравнительно масштабное его производство началось в 70-х годах минувшего столетия, толчком послужил топливный кризис. На передовые роли тогда вышла Бразилия. Теперь же в лидерах США, активно развивают биотопливо в Германии, Франции, Аргентине. Правда, речь не всегда идет об одном и том же виде топлива.
В Южной Америке, где автопарк в основном бензиновый, производят биоэтанол и биобутанол. Основная культура здесь сахарный тростник, хотя биобутанол можно получать из свеклы, кукурузы, пшеницы и всего целлюлозосодержащего. Биометанол, как и биодизель, синтезируют преимущественно из водорослей, которые, само собой, выращиваются в искусственных условиях. Впрочем, определяющим тут выступает приспособленность культуры к данным условиям и количество масла (сырья), получаемого с гектара посадок. Поэтому в Европе больше популярен рапс, в Индии ятрофа, в Южной Америке сахарный тростник, в странах Тихоокеанского региона — определенные виды пальм.
Тем не менее растительное топливо вовсе не панацея. Его противники отмечают, что для посадки соответствующих культур вырубаются зеленые массивы, которые бы принесли больше пользы поглощением углекислого газа. Основной же мотив критики — нельзя из продуктов питания делать горючее. И нельзя занимать под него сельхозплощади, на которых «растет еда». Вот и президент РФ как-то высказывался в схожем тоне, мол, продукты питания подорожают. Но, позвольте, в России полно отходов лесопереработки, из которых также можно производить биотопливо. Разговоры об этом ведутся с середины 2000-х. И где результат? Что же до всего остального мира, то сейчас на повестке дня переход на биотопливо так называемого второго поколения — полученного из промышленных и сельскохозяйственных отходов, а также из водорослей.
Что в результате? Представьте себе, цена нефти уже не так влияет на развитие программ, связанных с альтернативным топливом, как это было 30–50 лет назад. Проблемы с экологией и понимание того, что углеводороды рано или поздно закончатся, не толкает к отказу от непривычных ранее источников энергии, когда баррель бьет исторический минимум. Поэтому в развитых и не особо странах есть долгосрочные бизнес- и правительственные проекты по внедрению и распространению альтернативных видов топлива. Чему отдается предпочтение? Электромобилям, которых мы в этом материале не касались (поскольку не так давно им была посвящена отдельная статья). Но и их нельзя воспринимать в отрыве от целого энергетического комплекса, призванного продлить наше существование на этой планете. Именно сочетание различных видов энергетики — недорогой, чистой или восполняемой — должно обеспечить максимальную эффективность при сохранении экологии и... привычной для нас цивилизации.
А что в России касательно автомобилей? О природном газе мы сказали. Солнцемобили, если за высшую точку их развития принимать участие в World Solar Challenge, у нас «в загоне». Российская команда выступала в этом соревновании лишь однажды, в 1993-м, и заняла последнее место. Правда, в нашей стране есть предприятия, выпускающие фотоэлементы. Но какой-то связи этой отрасли с колесным транспортом не прослеживается.
Проект автомобиля на топливных элементах — вспомним Ниву «Антэл» и другие вазовские концепты — похоже, свернут. Во всяком случае, информации о его развитии больше не поступает. Биотопливо же в РФ выпускать нерентабельно. Получаемый из всяких опилок биоэтанол облагается акцизом подобно алкогольной продукции. В 2015 году это было 93 рубля с литра. Пить с таким акцизом спиртные напитки можно, однако заправлять автомобили... Минфин лишь предлагает 2016-м, 2017-м или 2018 году сделать акциз на биотопливо нулевым. На Украине, например, подобное решение было принято шесть лет назад...