Удивительная механика - Нурбей Гулиа

С помощью гибридных силовых агрегатов расход топлива снижается в 2-2,5 раза, да и всем экологическим требованиям такие агрегаты соответствуют. Тогда задам, казалось бы, риторический вопрос: почему гибридные силовые агрегаты, раз они так хороши, на автомобилях до сих пор широко не используются?

Ответ на этот вопрос таков. Во-первых, автомобили с гибридами, хоть малыми сериями, но производятся и оправдывают все ожидания. Супермаховики, энергоемкостью порядка 1 кВт·ч, требуемые для этого, никакой проблемы не представляют, необходимая автоматика тоже. Проблему представляет привод от супермаховика на колеса, вернее, на главную передачу автомобиля. Этот привод должен, во-первых, иметь диапазон 20—25, не меньше, о чем уже говорилось; во-вторых, КПД его должен быть предельно высоким. Почему же «предельно», а не просто высоким? Просто высокого КПД, то есть порядка 0,9, хватило бы для привода автомобиля только от двигателя; кстати, и диапазона 6-8 тоже вполне хватило бы, и не нужно этих фантастических показателей – 20—25. Но если про необходимость большого диапазона мы уже говорили, то про необходимость предельно высокого КПД пока еще ничего не сказали.

По сравнению с обычным приводом автомобиля от двигателя, в гибриде мощность постоянно циркулирует по трансмиссии, допустим, по вариатору – от колес до супермаховика, и обратно. Когда тяговое усилие автомобиля направлено вперед, мощность идет от супермаховика через вариатор на колеса. При спуске или торможении двигателем мощность меняет свое направление на обратное. И если в обычном автомобиле эта направленная вспять мощность гасится, принудительно прокручивая двигатель, то в гибриде происходит процесс рекуперации. Энергия снова возвращается в супермаховик, значительно, процентов на 30, повышая экономичность автомобиля. Поэтому значение КПД привода нужно принимать как бы в «квадрате», умножая само на себя. Например, при КПД привода 0,9, циркуляция мощности снизит его до 0,92, то есть до 0,81. А это уже недопустимо мало! Вот 0,98, даже 0,97, пожалуй, хватило бы – тогда реальный КПД при рекуперации был бы не менее 0,95, что еще допустимо. Но таких приводов, кроме супервариатора, просто нет. Поэтому и используется в гибридах чаще всего электропривод, который позволяет обеспечить достаточный диапазон регулирования, правда, за счет сильного снижения КПД. Еще бы – механическую энергию двигателя нужно переводить в электрическую, а потом – обратно, чтобы подавать на колеса. Да и тяговые двигатели очень тяжелы и неэкономичны – как-никак крутящий момент нужно менять раз в 20—25, если использовать их для гибридов. Но все равно, и такие электромеханические гибриды дают большую экономию топлива. А супервариаторы пока на стадии опытных образцов. Что ж, подождем!

Мифы и правда об электромобиле

Честно говоря, я не понимаю людей, которые авторитетно пишут и говорят: «Вот придумают емкий и эффективный аккумулятор энергии, и тогда придет конец автомобилям – будут одни электромобили!» Да полноте, господа хорошие, знаете ли вы, сколько сейчас в мире автомобилей и какова суммарная мощность их двигателей? Точное число, конечно, назвать трудно, но каждый год в мире выпускают 40—50 млн автомобилей, только половина из которых идет на замену износившегося парка. Получается, что в мире эксплуатируются сотни миллионов автомобилей. Если заменить их на аккумуляторные электромобили, то от чего заряжать-то их будем? Ведь суммарная мощность всех автомобильных двигателей многократно превышает мощность всех электростанций мира. А электроэнергии и так не хватает – про «веерные» отключения, надеюсь, не забыли? Из-за перегрузки электросетей отключаются крупные районы даже в благополучных странах. И подключение на зарядку сотни-другой миллионов электромобилей – не более чем кошмарный сон энергетика. Если речь идет только о городском транспорте, об электрокарах или микроэлектромобилях для обслуживания пресытившихся игроков в гольф – то в этом случае, энергетики могут еще спать спокойно. Много говорят об экономичности аккумуляторных электромобилей. Дескать, прожорливый двигатель не сравнить с экономичным аккумулятором. «Не верю!» – как любил говорить К. С. Станиславский, давайте убедимся сами, какой путь проходит электроэнергия от электростанции до аккумулятора электромобиля.

Газ, уголь или мазут на тепловых электростанциях, а их подавляющее большинство производят электроэнергию со средним КПД около 40—45 %. Можно спорить о теплофикации и других способах использования бросового тепла, но ведь и на автомобилях есть печки, потребляющие бросовое тепло двигателя. Так что давайте считать по-крупному. После электростанций ток идет на повышающие трансформаторы, затем на линии электропередач разной дальности с различными потерями энергии в них. Потом напряжение должно снова понижаться – один или несколько раз, после чего энергия поступает уже в городскую сеть, где часть ее снова теряется. Затем зарядная станция с выпрямителем еще возьмет свой налог; да и КПД при зарядке аккумуляторов тоже не блещет своей величиной. А в результате в батарее аккумуляторов электромобиля накопится весьма небольшая часть энергии сгоревшего топлива, КПД будет соизмерим с нынешним на обычных автомобилях. И экономичность электромобилей, по крайней мере, вдвое меньше, чем у автомобилей с гибридными силовыми агрегатами. Поэтому не будем возлагать столь большие надежды на массовый электромобиль или автомобиль, чья работа основывалась бы на использовании того или иного вида накопителя энергии, будь то электрохимическая батарея, конденсатор или супермаховик, ибо никакая революция в энергетике не способна обеспечить то количество энергии, что сейчас вырабатывается в двигателях автомобилей. Так что автомобили с автономными двигателями еще долго будут служить нам. А если эти автомобили станут еще и гибридными, то и заменять их электромобилями на аккумуляторах вообще не имеет смысла – первые и экономичнее, и экологичнее вторых.

Но есть еще один тип электромобилей, который потенциально способен заменить все автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Это – электромобиль на топливных элементах, или, как еще его называют, электромобиль на электрохимических генераторах. Вот кого должен опасаться автомобиль!

Правда, у топливных элементов есть серьезные недостатки, которые мешают им конкурировать с обычными двигателями. Прежде всего следует вспомнить уже описанные цинко-воздушные элементы. В режиме работы гальванических элементов цинковый анод просто окисляется кислородом воздуха, а катод из пористого никеля практически не расходуется. Попросту говоря, цинковые аноды здесь являются топливом, и их приходится заменять, отправляя получаемые окислы цинка на переработку. Нельзя сказать, чтобы цинковое топливо было очень удобным или дешевым, но плотность энергии в цинко-воздушных элементах очень уж велика – она почти рекордная для химических батарей. Да и плотность мощности достаточна для привода электромобиля. Но рассматривать цинк как топливо для автомобилей всерьез все-таки вряд ли кто отважится. И хлопот не оберешься с утилизацией этих окислов цинка – у нас, например, эту «кашу» будут просто выбрасывать, и запасы цинка быстро иссякнут, по крайней мере на территории России.

Гораздо большую перспективу представляют топливные элементы на основе водорода, о которых тоже говорилось ранее. При этом совершенно необязательно заправлять автомобили с такими топливными элементами чистым водородом и кислородом. Первое время, во всяком случае. Заправка таких автомобилей будет производиться так же, как и обычных, – сжиженным или сжатым газом, бензином или соляркой. Уже на самой машине это топливо будет проходить через особый конвертор, вырабатывающий водород. Кислород же будет забираться из воздуха. Конечно же, у таких топливных элементов КПД будет ниже, чем у тех, что работают на чистом водороде и кислороде. Да и переработка топлива в конверторе тоже даром не обходится – и КПД топливного элемента падает с 70 до 56 %. Но все равно, даже у таких топливных элементов экономичность огромна, она вдвое выше, чем у бензиновых двигателей, работающих в оптимальном режиме. Но вот плотность мощности – сегодня около 60 Вт/кг при оптимуме КПД – совершенно неприемлема для автомобилей. Посудите сами, чтобы развить мощность 100 кВт, которую мы обычно принимали для двигателя легкового автомобиля, пришлось бы возить с собой более полутора тонн топливных элементов. Существуют проекты, основанные на «симбиозе» топливных элементов с конденсаторами, но такие проекты не кажутся мне удачными: уж очень мала плотность энергии конденсаторов, и по-прежнему сохраняется необходимость в использовании тяжелых и дорогих тяговых электродвигателей.