Двигатель на ископаемых топливах — самый популярный, но вряд ли самый перспективный вид силового агрегата. Вот краткий обзор технологий, которые могут стать обыденным делом в будущем. На какую бы вы поставили?
Электромобили
Описание. Первые самоходные коляски были электромобилями, но до массового распространения дело не дошло до сих пор. А схема простейшая: электромотор, передача, блок управления, аккумуляторы...
Плюсы. Главное достоинство - локальная экология, ведь электромобиль не гадит там, где ездит. Он бесшумен, отличается хорошей энергетической эффективностью в городском цикле и приспособлены к работе на самом универсальном виде энергии — электрической. Если в будущем удастся создать недорогой восполняемый источник электричества, ценность электромобилей увеличится.
Минусы. Стоимость батарей пока сопоставима с ценой самой машины. Проблемой является и малый пробег на зарядке (обычно — до 160 км в оптимальных условиях), и скорость пополнения энергии (обычно 6-8 часов, иногда — сутки). Громоздкие батареи накладывают ограничения на компоновку машины. Электромобили чувствительны к похолоданию, а бытовые электросети не приспособлены для питания большого количества электротранспорта.
Резюме. Сегодня проекты электромобилей есть в закромах почти всех именитых фирм, но объемы продаж пока ничтожны в масштабах рынка – слишком дороги и непрактичны. В большинстве стран их продажи субсидируются. Наиболее перспективным выглядит продукция компании Tesla, однако Model S – это электромобиль премиум-класса, что позволяет завуалировать некоторые типично электромобильные недостатки. Единственная страна, где электромобили играют на равных с обычными машинами - это Норвегия (подробнее).
Автомобили на сжатом газе
Описание. Во многом их можно сравнить с электромобилями, где вместо электрического аккумулятора — пневматический (баллон со сжатым воздухом или азотом), а вместо электромотора — пневмомотор или гидромотор.
Плюсы. Пневмомобили могут обеспечить большую скорость зарядки, а их баллоны дешевле, долговечнее и надежнее, чем капризные литий-ионные батареи.
Минусы. Чтобы обеспечить более-менее приемлемый пробег на зарядке, нужны огромные давления сжатия, а значит — тяжелые, громоздкие, толстостенные баллоны. В отличие от электромобиля, зарядка возможна от специализированной станции, сети которых пока нет.
Баллон для сжатого азота занимает изрядную часть жилого пространства, а это всего лишь гибрид
Резюме. Над проектом «воздухомобиля» работает Peugeot-Citroen, планируя использовать пневмобаллон в качестве элемента гибридной установки. Honda в 2011 году показывала прототип автомобиля, корпус которого играет роль баллона для сжатого газа, но, очевидно, что это не более чем инженерная фантазия. Серийных образцов пока нет, и вряд ли появятся до изобретения дешевого, сверхлегкого и сверхпрочного материала для баллонов.
Махомобили
Описание. Накопление энергии в раскрученном до высочайших скоростей маховике — одна из концепций аккумулятора будущего. Теоретически маховичная часть и электрический преобразователь могут быть объединены в один компактный узел. Для снижения трения используется вакуум и магнитные подвески.
Победитель "24 часов Ле Мана" 2014 года - гибрид Audi с маховичным накопителем энергии на 2 МДж. Схема была выбрана в том числе за счет лучшей надежности и ресурса маховика в сравнении с электрическим аккумулятором
Плюсы. В отличие от литий-ионных аккумуляторов маховичные накопители почти вечны. Они допускают быструю зарядку, дешевы в обиходе и почти не чувствительны к температуре окружающего воздуха.
Минусы. Реальные образцы маховичных накопителей уступают литий-ионным батареям по удельной плотности энергии. Ограничением является прочность материалов, поскольку частота вращения (и запас энергии) зависят от того, насколько хорошо материал сопротивляется центробежным силам. Кроме того, маховик теряет энергию за счет сил внутреннего трения, поэтому подходит в основном для кратковременного накопления в качестве элемента гибридной установки.
Резюме. В Швейцарии одно время ездил так называемый Gyrobus – по сути, троллейбус, который мог проезжать несколько километров на маховичной тяге. В автоспорте маховичные накопители используются в качестве альтернативы электрическим аккумуляторам. Говорить о полноценном махомобиле пока не приходится, но как элемент гибридной системы маховик – интересное решение.
Автомобили на водороде
Описание. Смесь водорода с воздухом — гремучий газ — прекрасно горит. Идея водородомобиля витает в воздухе.
Плюсы. При оксислении водорода получается водяной пар (в теории) и никакого парникового газа (СО2). Водород обладает высокой калорийностью на один килограмм массы — в три раза выше, чем у бензина.
Минусы. Сжигать водород в ДВС не так уж полезно: выхлоп будет состоять не только из воды, но и очень токсичных окислов азота, которых при горении водорода получается особенно много. Водород крайне взрывоопасен, а хранить его сложно. Очевидный способ - под давлением — требует слишком больших и толстостенных баллонов, а литровая плотность энергии все равно будем заметно ниже, чем у бензинов. Есть перспективная технология хранения водорода в кристаллических решетках специальных материалов, но она гораздо сложнее. Получать энергию из водорода можно в топливных элементах: в результате окисления, выделяется вода и электрический ток. Но пока это сложно и дорого. Кроме того, водород практически не встречается на Земле в свободном виде: для его получения, например, из воды, нужно затратить больше энергии, чем получится потом при сгорании.
Резюме. Водород не выглядит самым перспективным топливом будущего – скорее, его могут использовать как промежуточное звено для получения более удобных синтетических топлив. Некоторые компании в рекламных целях спекулируют «изобретением автомобиля на воде», но чаще всего речь о довольно бессмысленном превращении воды в водород прямо на борту автомобиля, что требует постороннего источника энергии.
Биотоплива
Описание. Любое традиционное топливо — это смесь углеводородов. Такую смесь можно получать не только из нефти или природного газа, но и из того, что растет на земле: сахарного тростника, рапса, подсолнухов. Масла растений или спирт биологического происхождения вполне пригодны для сжигания в ДВС, и даже навоз можно приспособить для получения горючих газов.
Плюсы. Запасы биотоплив восполнимы и поддаются контролю. Сжигание биотолив не добавляет в атмосферу парникового газа — СО2 — поскольку растения поглощают ровно столько углекислого газа, сколько выделяется при сжигании их продуктов. Существуют перспективные проекты получения топлив из быстро размножающихся водорослей.
Минусы. Себестоимость таких топлив сильно зависит от региона, наличия плодородных почв и климата. В масштабе Земли переход на биотоплива пока не представляется возможным из-за дефицита пахотных земель.
Резюме. Биотолива получили большое распространение в Южной Америке, где этому способствует климат и плодовитость сахарного тростника. На био-спиртах ездит три четверти автопарка в Бразилии и Аргентине. Небольшой процент «био-мобилей» есть в США. Кроме того, в развитых странах используются традиционные дизтоплива с добавкой небольшого (обычно 15%) количества биотоплив или бензинов с примесью спирта природного происхождения.
Синтетические топлива
Описание. Углеводороды можно получать искусственно в результате реакций, которые фактически являются способом консервации энергии (например, электрической или тепловой) в химической форме. Например, Audi работает над проектом превращения электрической энергии ветрогенераторов в водород (электролизом воды), а затем превращение водорода в чистый метан, пригодный к использованию в автомобилях на газовом топливе. Углерод, необходимый для реакции, берется из углекислого газа в окружающем воздухе.
Плюсы. Коль скоро хранить в автомобиле большие запасы электричества или водорода сложно, дорого и опасно, разумнее превратить и электричество, и водород в форму, более пригодную для транспортировки. Помимо метана таким образом можно получать и жидкие топлива, например, искусственное дизтопливо Blue Crude.
Минусы. Себестоимость синтетического топлива выше, чем природного, а главной проблемой является источник электрической (или другой) энергии, который позволяет выделять водород и углерод, а затем превращать их в нужные компоненты топлива. Без удешевления «зеленой» энергии (ветрогенераторы, солнечные батареи) или появления термоядерного синтеза такой способ не имеет большого смысла, поскольку львиная доля электричества на Земле вырабатывается путем сжигания ископаемых топлив.
Резюме: возможно, за синтетическими топливами будущее, но проблема в том, что они не самодостаточны. Их плюсы можно реализовать только в случае создания недорого и эффективного источника энергии, тогда как химия процесса - это уже детали.
Гибриды
Описание. Пока ни одна из альтернатив моторам на ископаемых топливах не представляется полноценной: все идеи слишком дороги и сложны. Гибриды — это попытки «подмешать» к традиционному ДВС немного достоинств от другой концепции. Здесь под гибридами я понимаю целый класс решений, например, использования комбинированного топлива, состоящего отчасти из биологических продуктов. Наибольшее распространение получили бензо-электрические гибриды.
"Приус" был и остается самым успешным гибридом в истории
Плюсы. Гибриды позволяют нивелировать наиболее явные минусы традиционных двигателей. Например, высокий расход топлива автомобилей в городском цикле чаще всего обусловлен низкой эффективностью ДВС на режиме холостого и малого хода. В случае гибрида электрическая часть может сократить или даже исключить эти режимы, повысив общую эффективность транспортного средства. Кроме того, гибриды позволяют рекуперировать энергию и обходиться ДВС меньшего объема.
Минусы. Гибриды сложнее, а их эксплуатация дороже, поэтому зачастую они не несут экономических выгод владельцу в длительной перспективе (или эти выгодны несущественны).
Резюме. Экологическое лобби вынуждает производителей искать альтернативы ДВС, и поскольку других практичных вариантов пока нет, многие делают акцент на гибриды: стоит ожидать рост и поголовья в ближайшие годы. Сегодня наибольшую популярность гибриды имеют в Японии — около 20% рынка.
Инфографика Bosch показывает, что мир бесконечно далек от того, чтобы отказаться от бензина
Вывод
Не верьте пресс-релизам, что «изобретено новое топливо или принципиально другой двигатель». В основном это рекламные обещания и рассказы о технологиях, время которых в лучше случае придет лет через 20-30. Пока стоимость ископаемых топлив существенно ниже, чем любых других источников энергии, а потому в масштабах планеты у нас нет мотивации на поиск альтернативы двигателям, сжигающим то, что дают недра.
Большое влияние на поиск таких альтернатив оказывает экологическое лобби, особенно сильное в Европе и США, однако даже оно не делает рентабельными идеи, сложнее гибридов, ДВС или КПП новой конструкции.
Много плюсов дал бы переход на двигатели, работающие на природном (сжатом) газе – метане. Он обладает высоким октановым числом, очень дешев и чист при сгорании: даже выбросы парникового СО2 меньше, не говоря об углеводородах, СО и саже. Но недавние события ясно показали – тема природного раза слишком политизирована. Развитый мир не будет переходить на него, чтобы не попасть в зависимость от той же России, а Россия не перейдет на метан, потому что нефтеперерабатывающая промышленность пополняет бюджет.
Вопрос встанет ребром, когда киловатт энергии, выработанной из нефти/угля/газа, окажется дороже, чем энергия какого-то другого практичного источника, например, термоядерного синтеза или волнового генератора, но это – отдаленная перспектива. Никакие волевые решения не заставят людей отказаться от классических топлив и классических ДВС, пока они дешевле.
Миром управляют деньги.
| 
