<<
>>

§ 8. Разработка альтернативных видовавтотранспорта для города

К таковым относятся прежде всего электромобиль, солнечный электрический автомобиль, автомобиль с инерционным двигателем, автомобиль с гибридным двигателем.

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, скорости 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-кислотными 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 — ультраконденсаторов 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.

Таблица 9.7

Сравнительные характеристики накопителей электроэнергии

Типы накопителей энергии

Удельная

энергоемкость,

Вт-ч/кг

Удельная

мощность,

Вт/кг

Ресурс,

циклы

заряда

Аккумуляторные батареи: свинцово-кислотные

35-50

250-400

500

никель-кадмиевые

50-65

200

1000

никель-металлгидридные

70-90

200

1000

натрий/никель-хлоридные

90-100

130

1000

литий-ионные

100-150

300

1200

натриево-серные

100

120

800

Ультраконденсаторы

4

8000

gt;100000

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 (рис. 9.8).

Рис.

9.8. Автобус «Электрован» фирмы «Дженерал Моторе» с ЭХГ фирмы «Юнион Карбайд»:

1 — бак для жидкого водорода; 2 — бак для жидкого кислорода;

3 — батарея топливных элементов (ЭХГ); 4 — бак для электролита; 5 — теплообменник; 6 — конденсатор; 7 — преобразователь;

8 и 9 — мотор переменного тока с контрольной аппаратурой

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.

Автомобили с гибридными двигателями. Предпринимаются активные усилия по устранению недостатков электромобилей и солнечных автомобилей путем создания так называемых гибридных автомобилей.

Идея одного из таких проектов состоит в следующем. Бензин из бензобака попадает в подогреваемый испаритель, а потом сгорает в первом реакторе. Благодаря ограниченному доступу воздуха топливо частично окисляется, образуя водород и оксид углерода СО. Во втором промежуточном реакторе СО взаимодействует с водяным паром и в присутствии катализатора превращается в диоксид углерода С02 и дополнительный водород. А завершается процесс реформинга в третьем реакторе. В результате из бензина получается водород, преобразуемый топливными элементами в электричество, а попутно — диоксид углерода, воду и азот. Рабочая температура системы 80 °С, избыточное тепло удаляется обычным автомобильным радиатором. Расход бензина не должен превышать 3 л на 100 км.

В Швеции создан 15-тонный грузовик, в двигателе которого соединены электромотор и газовая турбина. Электромотор используется на улицах города, чтобы не загрязнять атмосферу, а турбина — на загородных шоссе. Двигатель достаточно мощный — 170 л. с., что позволяет грузовику развивать скорость 110 км/ч. Газовая турбина работает на этаноле, вредность выхлопных газов при этом в 10 раз меньше, чем от машин с поршневым мотором. В качестве горючего могут быть использованы также метанол, бензин, дизельное горючее, рапсовое масло и природный газ.

Другой гибридный автомобиль «Вольво ЕСС» использует солярку на пригородных шоссе, причем водитель при необходимости может использовать и смешанную тягу: бортовой компьютер включает газотурбинную установку, как только запас энергии в аккумуляторе упадет до 20 %. А поскольку с турбиной соединен мощный электрогенератор, он тотчас начнет подзаряжать батарею. Для этой же цели можно использовать энергию, получаемую при торможении автомобиля или при движении под уклон. Таким образом, при одной заправке бака 33 л солярки «Вольво ЕСС» способен преодолеть 670 км. Максимальная скорость — 175 км/ч, причем разгон с места до 100 км/ч занимает 13 с. Если использовать лишь электромотор, динамика и прочие показатели оказываются несколько хуже. Так, пробег без подзарядки аккумулятора составляет 150 км. Но эффективность новой конструкции ее создатели видят как раз в гибридности.

В Зеленограде группа энтузиастов под руководством А. Кноха создала гелиомобиль, приближающийся по своим характеристикам к лучшим зарубежным моделям. Его вес — 1170 кг, габариты 4,5x1,5x0,8 м, площадь панелей солнечных батарей — 6 м2.

Гелиомобиль имеет два двигателя. Один, мощностью 0,375 кВт, питается энергией солнечных батарей и в солнечный день обеспечивает движение со скоростью 15 км/ч. Второй, мощностью 1,1 кВт, работает от аккумулятора. При одновременной работе двигатели позволяют развивать скорость до 53 км/ч.

Ведущие фирмы по производству автомобилей все более энергично продвигают на мировой рынок автомобили с гибридными двигателями. Так, концерн «Тойота» (Япония) планирует построить в Китае завод по производству 500 тыс. автомобилей с бензоэлектрическими двигателями. Предполагается к 2010 г. довести выпуск таких автомобилей до 1 млн штук. Компания «Форд» (США) сообщила о намерении в течение ближайших 4 лет довести выпуск гибридных автомобилей до 250 тыс. штук, что составит около 8 % от всех выпускаемых автомобилей. 

<< | >>
Источник: Под ред. проф. В. В. Денисова. Экология города: Учебное пособие. 2008

Еще по теме § 8. Разработка альтернативных видовавтотранспорта для города:

  1. § 8. Разработка альтернативных видовавтотранспорта для города