Новые транспортные энергосистемы для экологически чистого будущего
В странах Европейского Союза, США и Японии интенсивно ведутся работы по созданию новых бортовых энергоустановок на топливных элементах (ТЭ) для транспортных средств. Выделены 3 основные направления:
- создание гибридных энергоустановок за счет комбинирования традиционных приводов с использованием электродвигателей и силовых энергоустановок на ТЭ;
- использование компактных энергоустановок на ТЭ для питания собственных нужд транспортного средства и специального оборудования в автомобиле в режиме движения и стоянки;
- создание энергоустановок на ТЭ для полного обеспечения энергией автомобилей и автобусов.
Создание бортовых энергоустановок на ТЭ в странах Европейского Союза осуществляется в рамках VI рамочной программы ЕС, программы «Fuel-cell powered vehicles» и др. В них задействованы специалисты из автомобилестроительных фирм Daimler-Chrysler, FIAT (CRF), Ford, GM/Opel, PSA, Renault, Volkswagen, Volvo и др. В большинстве автомобилестроительных фирм реализуются собственные программы создания основного и вспомогательного оборудования для транспортных средств на топливных элементах (1).
В США разработка транспортных средств на ТЭ осуществляются по программам Департамента энергетики США, FreedomCAR, PowerMichigan и Калифорнийского партнерства по топливным элементам (California Fuel Cell Partnership).
Программа «Топливные элементы» Департамента энергетики США отвечает требованиям Акта энергетической политики США 1992г. (U.S. Energy Policy Act of 1992 — EPACT), который разрешил разработку транспортных средств на ТЭ. В 1993г. с целью увеличения конкурентоспособности автомобильной промышленности США по инициативе государственных и промышленных организаций из 7-ми федеральных агентств и автопроизводителей Chrysler, Ford, General Motors сформировалось Партнерство для нового производства автомобилей (Partnership for a New Generation of Vehicles — PNGV). Кроме принятия законодательных актов разработка новых автомобильных систем стимулируется усилением международной конкуренции в Северной Америке, Японии и Европе. Так, например, в июле 2002г. впервые в истории автотранспортных средств автомобиль на ТЭ Honda PCX, использующий батарею полимерных ТЭ, которые работают на чистом водороде, был сертифицирован Агентством защиты окружающей среды США (Environmental Protection Agency) и Палатой воздушных ресурсов Калифорнии (California Air Resources Board) для использования на общественных дорогах США как автомобиль с нулевыми выбросами. Подобного результата начали добиваться и другие автомобилестроительные организации.
(Рисунок 1: Схема работы автомобиля на полимерных топливных элементах при использовании водорода).
Цель программы «Топливные элементы» Департамента энергетики США — разработка бортовых энергетических установок для автомобильного транспорта, работающих с минимальными или близкими к нулю вредными выбросами в окружающую среду. Программа предусматривает создание новых бортовых энергетических систем для автотранспорта с увеличением их эффективности в 2-3 раза по сравнению с существующими на данный момент автомобильными системами. Применение новых экологически чистых энергетических систем должно позволить в 100 раз снизить вредные выбросы в окружающую среду по сравнению с принятыми в США стандартами на выбросы автомобильного транспорта (Federal EPA Tier II Emissions Standards). Программой планируется использовать в качестве топлива для новых автомобилей водород, метанол, этанол, природный газ и бензин. Также в ней предусмотрено, что новые бортовые энергетические системы должны выйти по стоимостным показателям на доступный рядовому потребителю уровень и по потребительским характеристикам соответствовать требованиям, предъявляемым к традиционным системам автомобильного транспорта (по темпу изменения нагрузки, времени набора крейсерской скорости, удобству, надежности и безопасности).
Таблица 1:
Параметры силовых блоков топливных элементов Ballard Mark 700 и Mark 900
***
таблица в бумажной версии издания
Основные задачи программы следующие: уменьшение размера и веса новых систем, быстрый запуск и изменение мощности, разработка систем конверсии и подготовки топлива, снижение стоимости производства, полная интегрируемость элементов систем, демонстрация долговечности и надежности. С целью коммерциализации новых бортовых энергетических систем для автотранспорта необходимо создание альтернативной топливной инфраструктуры, понимание потребителя, внедрение промышленных стандартов для массового производства и обслуживания, а также новые правила техники безопасности.
(Рисунок 2: Схема работы автомобиля на полимерных топливных элементах при использовании метилового спирта).
Стратегия программы «Топливные элементы» Департамента энергетики США основывается на объединении работы под эгидой Национального альянса топливных элементов (National Fuel Cell Alliance) производителей автомобильного транспорта, поставщиков комплектующих, разработчиков топливных элементов, национальных лабораторий, инвесторов и промышленников топливно-энергетического комплекса. На первом этапе создания бортовых энергетических систем на ТЭ Департамент энергетики США решает фундаментальные проблемы и задачи, связанные с топливными элементами и вспомогательным оборудованием. В результате исследований и разработок реализуются новые подходы и решения по созданию новых бортовых энергетических систем. Американские автомобилестроители при этом имеют одинаковые возможности доступа к информации по технологиям и изделиям. Объединение в Национальный альянс топливных элементов позволяет реализовать все выгоды программы как Департаментом энергетики, так и автомобилестроителями США (2).
В 1999г. в Калифорнии (США) было создано объединение автомобильных и энергетических фирм, а также государственных организаций с целью разработки и демонстрации автомобилей на ТЭ. В объединение вошли нефтеперерабатывающие корпорации (British Petroleum, Shell и Texaco), автомобильные корпорации и фирмы (Ford, DaimlerChrysler, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota и Volkswagen), фирмы-производители энергоустановок на полимерных топливных элементах (Ballard Power Systems и International Fuel Cell), "а также государственные учреждения (US Department of Energy, US Department of Transportation, California Air Resources Board, California Energy Commission, South Coast Air Quality Management District). Специалисты корпораций и фирм, выпускающих традиционные автомобили и автобусы, считают, что массовое производство автотранспорта на ТЭ начнется после 10-ти лет эксплуатации этих транспортных средств (3).
Батареи полимерных топливных элементов Ballard Power Systems наиболее часто используются на автомобилях и автобусах ведущих автомобилестроительных фирм (Daimler-Chrysler, Ford, Honda, Nissan и др.). В Таблице 1 приведены основные параметры 2-х силовых блоков полимерных топливных элементов фирмы Ballard Power Systems — Mark 700 и Mark 900 [4]. Из Таблицы 1 видно, что силовой блок полимерных ТЭ Mark 900 в 2 раза меньше и на 30% легче своего предшественника (Mark 700). Кроме того, силовой блок Mark 900, работающий на метаноле и водороде, может эксплуатироваться при температурах ниже -25°С.
В Таблице 2 показано сравнение вредных выбросов автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и автомобиля на полимерных топливных элементах, из чего следует, что автомобиль на топливных элементах практически не имеет вредных выбросов (7).
На Рисунке 1 показана обобщенная схема структурных единиц автомобиля на ТЭ, который эксплуатируется на водороде. В его состав входят: бак с водородом, система топливных элементов, компьютер, аккумуляторная батарея (или ультраконденсатор), контроллер электромотора, электромотор и дисковый редуктор. Топливный бак разрабатывается в 3-х модификациях с целью хранения водорода: в сжатом состоянии при высоком давлении, в жидком состоянии при низкой температуре с использованием изоляции и в химически связанном состоянии в металлогидридах или другом твердом топливе. Система топливных элементов генерирует постоянный электрический ток путем взаимодействия водорода с кислородом. В автомобилях и автобусах часто устанавливаются инверторы с целью электропитания асинхронных двигателей переменного тока. Компьютер предназначен для определения необходимого направления электроэнергии на электромотор или на зарядку аккумулятора (или ультраконденсатора). В аккумуляторных батареях хранится электроэнергия, которая применяется во время пуска автомобиля. Для быстрого запуска вместо аккумуляторной батареи используются ультраконденсаторы.4 Контроллер электромотора позволяет плавно и эффективно регулировать подачу электроэнергии на электромотор и управляется педалью акселератора. В случае установления системы регенеративного торможения контроллер служит для перевода работы электромотора в режим генератора с целью возврата электроэнергии в аккумулятор (или ультраконденсатор). Дисковый редуктор передает механическую энергию на колеса через дифференциал и в некоторых случаях — через трансмиссию.
Таблица 2
Сравнение показателей автомобиля с ДВС и двигателем на ТЭ по вредным выбросам
***
таблица в бумажной версии издания
На Рисунке 2 показана схема рабочих узлов автомобиля, работающего на метиловом спирте (метаноле). В составе автомобиля следующие системы: баки с метанолом и водой, топливный процессор, батарея топливных элементов, система управления воздухом, система энергорегулирования. Из бака основной поток метанола поступает через теплообменники в риформер, часть метанола — также и в камеру сгорания. Вода из бака через испарительные и пароперегревательные поверхности направляется в риформер, а воздух из турбокомпрессора - в камеру сгорания, в дожигатель СО, и через теплообменник — на катоды ТЭ. Продукты сгорания из камеры сгорания поступают в риформер, где происходит конверсия метанола в водород, СО и С02. Снижение концентрации СО в полученном синтез-газе осуществляется в реакторе водяного сдвига и дожигателе СО. Синтез-газ, состоящий из водорода и углекислого газа (Н2 — 75%, С02 — 25%), направляется на аноды ТЭ, продукты неполной конверсии синтез-газа с анодов ТЭ — на дожигание в камеру сгорания, а продукты конверсии с катода — в газовую турбину турбокомпрессора. В системе энергорегулирования автомобиля задействованы: контроллер энергетических условий, аккумуляторная батарея, инвертор и электромотор/генератор переменного тока (5).
Использование бензина, несмотря на сложность и многоступенчатость процесса, решает проблемы заправок, основное требование — отсутствие в нем серы. Сначала при 400°С он испаряется, затем пары топлива при вводе воздуха подвергаются в окислителе неполному окислению (окислительному риформингу) с образованием водорода, оксидов углерода и азота. В процессе реакций температура поднимается до 700-1100°С. Полученная смесь направляется в реактор водяного сдвига, в который подается водяной пар. Далее посредством селективного окисления СО воздухом синтез-газ окисляется до углекислого газа и газовая смесь из водорода, двуокиси углерода и остатков окиси углерода (<10 ррт) поступает в топливные ячейки (Рисунок 3). Для моментальной готовности автомобиля к движению используется батарея тяговых аккумуляторов (6).
Как уже отмечалось, некоторые фирмы разрабатывают компактные бортовые энергетические установки на полимерных и твердооксидных ТЭ для питания и собственных нужд транспортного средства, и специального оборудования в автомобиле в режиме движения и стоянки. BMW, Renault, Delphi Automotive Systems, Freightliner и др. сконцентрировали свое внимание на создании независимых энергетических установок в автомобилях для электроснабжения кондиционеров, водяных насосов, обогрева кабины, компьютера и т.д.
Так, например, Национальный центр США US Army Tank Automotive & Armament Commands National Automotive Center, компания Freightliner, фирма Ballard Power Systems и университет штата Алабама (США) разработали энергетическую установку питания электрической энергией цифровых систем связи типа Global Positioning Satellite Communications (GPS) и устройств получения 3-мерных картографических изображений. Энергоустановки такого типа размещены на грузовых автомобилях Freightliner Class 8. Их отличительными особенностями являются: высокая эффективность, бесшумность в работе и пренебрежительно малые признаки теплового излучения. Электрическая мощность энергоустановки - 5 кВт. Топливные элементы генерируют постоянный ток напряжением 42 В, затем при помощи инвертора он преобразуется в переменный ток напряжением 120 В. Кроме прочего, в университете штата Алабама в рамках создания новой энергоустановки был проведен комплекс работ по математическому моделированию вибраций для снижения уровня шума при трении колес грузовика о дорогу (8).
Автомобилестроительные корпорации(4) и фирмы DaimlerChrysler, General Motors, Ford, Toyota, Honda, Nissan, Mitsubishi, MAN, Renault, Peugeot, Citroen, Volkswagen, FIAT, Volvo, Hyundai и АвтоВАЗ — сконцентрировали свое внимание на разработке автомобилей с использованием бортовых энергоустановок на ТЭ для полного обеспечения энергией автомобилей и автобусов в режиме движения [9, 10]. В качестве примеров остановимся на автомобильном транспорте на ТЭ, разрабатываемом европейской корпорацией DaimlerChrysler, которая имеет свои подразделения в США, и американской корпорацией General Motors, имеющей свои подразделения в Европе. Выбор для анализа работы этих корпораций в области ТЭ позволит не только представить общую картину состояния дел, но также проследить динамику изменения концепций разрабатываемого автотранспорта на ТЭ.
(Рисунок 4 Автомобили на полимерных топливных элементах корпорации DaimlerChrysler: a) NECAR-4, б) NECAR-5).
Корпорация DaimlerChrysler показала свой первый автомобиль на ТЭ NECAR-1 (New Electric Car) в 1994г. Силовая установка весила около 800 кг и занимала грузовой отсек фургона Mercedes-Benz, оставляя место только для кресел водителя и переднего пассажира. В 1996г. силовая установка уже размещалась на крыше минивэна Mercedes V-класса (NECAR-2). В автомобиль помещалось 6 пассажиров. Машина развивала скорость до 110 км/ч и имела запас хода 250 км [11]. В сентябре 1998г. был представлен автомобиль NECAR-3, базировавшийся уже на компактном А-классе. Впервые он работал не на водороде, а на жидком топливе — метаноле с использованием риформера. При емкости бака 38 л запас хода составил 400.км. Выхлопы С02 составили 30% от выхлопов бензинового автомобиля. NECAR-1 питали 12 блоков ТЭ мощностью 50 кВт, а NECAR-3 — только 2. Отличительной особенностью этой модели было отсутствие батарей для хранения энергии. Процесс в системе происходил напрямую: при нажатии на педаль акселератора около 90% максимальной мощности достигалось меньше чем за 2 сек. Вследствие чего обеспечивалась хорошая разгонная динамика машины, сопоставимая с обычными дизельными или бензиновыми моделями. Процесс заправки автомобиля не отличался от заполнения бака бензином [12]. Весной 1999г. корпорация представила автомобиль NECAR-4 (Рисунок 4), который являл собой полноценный 5-местный автомобиль на базе А-класса. Работая на жидком водороде, он выделял только чистый водяной пар, т.е. имел нулевую эмиссию. Максимальная скорость достигала 145 км/ч, запас хода составил 450 км. 160 топливных элементов были скомпонованы в 2-х блоках, каждый из которых обеспечивал мощность 35 кВт. Вместе со вспомогательным оборудованием они были размещены в многослойном днище машины.
Разработанный корпорацией DaimlerChrysler автомобиль NECAR-5 (Mercedes-Benz A Class) на ТЭ (Рисунок 4) продемонстрировал надежность и безопасность систем в середине 2002г. в течение 13-ти суток в автомобильном пробеге на 4800 км — от Сан-Франциско до Вашингтона. В автомобиле использовался силовой блок ТЭ Ballard Mark 900. Топливом для автомобиля NECAR-5 служил метанол [13]. В машине была применена система топливных элементов мощностью 75 кВт. Достигаемая скорость — 150 км/ч. Батарея топливных элементов стала эффективнее по использованию метанола на 25% и мощнее на 50% по сравнению с предшественником — автомобилем NECAR-3, работающем на метаноле.
Зимой 1999г. был представлен автомобиль Jeep Commander корпорации DaimlerChrysler, разработанный специалистами США, с гибридным двигателем, у которого источником тока служили ТЭ фирмы Ballard, а топливный бак заправлялся обычным бензином. В соответствии с проектом топливная экономичность транспортного средства должна была быть увеличена на 50%, расход топлива снижен до 3 л на 100 км, а выбросы вредных веществ уменьшены на 90% [6]. В 2002г. после ряда усовершенствований батарей топливных элементов, систем подготовки топлива и регулирования была представлена новая версия автомобиля Jeep Commander 2, работающего на метаноле.
На выставке в Штудгарте в мае 1998г. фирма Daimler-Benz показала свой первый линейный автобус NEBUS. Запас хода до подзарядки составил 250 км, стоимость эксплуатации не превышала 90% по сравнению с другими типами автобусов (14). В качестве базового был использован известный автобус 0405 N со значительными конструкторскими изменениями, затронувшими практически все системы, а также салон с целью предоставления пассажирам значительных удобств. Слева и справа в электробусе было размещено по асинхронному электродвигателю мощностью 75 кВт, каждый из которых мог самостоятельно включаться в привод, что значительно удобнее и экономичнее одного дизеля мощностью 147,2 кВт (200 л.с.). Автобус при длине 12 м имел ширину 2,5 м и высоту 3,5 м. В салоне располагалось 34 посадочных места, а также 24 места для проезда стоя. Вес электробуса составил 18т, что на 2,9 т меньше веса автобуса с дизельным двигателем. На крыше были установлены 7 баллонов вместимостью по 150 л с 45 тыс. л водорода, сжатого под давлением 30 МПа. В городских условиях эксплуатации автобус проходил расстояние до 250 км (в рабочие дни, как правило, пробег автобусов такого класса составлял в среднем 170 км). Используемые ТЭ непрямая передача двигателя обеспечивали питание двигателя напряжением 600 В. От ТЭ питались насосы (380 В) и базовое оборудование автобуса (24 В) (14).
Впоследствии на основе проведенных испытаний был создан новый автобус на полимерных ТЭ Citaro (Рисунок 5). С 2003г. по программе ЕС 30 автобусов Citaro на ТЭ проходят испытания в 10-ти городах Европейского Союза [15].
Салон автобуса Citaro рассчитан на 70 мест, запас хода на одной заправке в городском цикле эксплуатации составляет 200-250 км. Его скорость - до 80 км/ч, длина — 12м, вес — 15т. В автобусе используются батареи полимерных ТЭ Xcells электрической мощностью свыше 200 кВт. Максимальная емкость водорода в баллонах — 44 кг (1,89 тыс. л), степень чистоты водорода — 99,999%, максимальное давление в водородных баллонах —35 МПа. Стоимость первых образцов автобусов Citaro — $1,2 млн. за каждый.
(Рисунок 5: Городской автобус Citaro корпорации DaimlerChrysler:
а) общий вид, б) размещение оборудования бортовой энергоустановки)
Для заправки автобуса водородом корпорацией British Petroleum разработаны и изготовлены специальные заправочные станции. В Великобритании при испытаниях автобуса на ТЭ используется водород, полученный как побочный продукт на нефтеперерабатывающем заводе в Kwinana, который по специальному магистральному газопроводу через станцию очистки и компрессии поступает на заправочные станции.
Корпорация General Motors (GM) впервые испытывала ТЭ еще в 1964г. по космической программе энергоснабжения спутников, а первый автомобиль со щелочными топливными элементами был создан в 1968г. Автомобиль EV1 Fuel Cell, созданный в конце 90-х годов, был оборудован стандартным электродвигателем с системой регенеративного торможения, металлникельгидридными батареями, находящимися посередине машины, и мог перевозить 4-х человек. Задний отсек у него был занят метанольным риформером и контейнером с топливными элементами. При работе двигателя автомобиля оксид углерода после риформера доокислялся до углекислого газа с помощью каталитического нейтрализатора (дожигателя). Технические характеристики автомобиля EV1 Fuel Cell следующие: мощность электромотора - 101 кВт, запас хода на одной заправке — 400 км, расход метанола в городском цикле движения -3,5 л на 100 км, максимальная скорость - 130 км/ч, масса в снаряженном состоянии — 1377 кг (16).
Кроме того, GM разработала свой питающийся водородом силовой агрегат для высокоэффективного концепта Precept. Машина, созданная 2-мя дочерними предприятиями GM в США и Европе, была представлена в январе 2000г. на Детройтском автошоу и в 2001г. на Женевском автосалоне. Электроэнергия вырабатывалась блоком из 400 ячеек, которые при напряжении 260-340 В развивали мощность 100 кВт и давали соотношение мощность к весу свыше 1 кВт/кг. Водород содержался в баке с металгидридным накопителем. Температура внутри накопителя соответствовала температуре внутри ТЭ. Использование металгидридного накопителя обеспечивало почти в 2 раза больший пробег автомобиля на ТЭ по сравнению с традиционным карбюраторным автомобилем при одинаковых размерах водородного накопителя и бака с бензином.
Подразделение GM/Opel представило свой первый автомобиль на ТЭ в 1998г. на Парижском автосалоне (17). Концепция автомобиля была разработана на базе модели Zafira. Компактный фургон служил исследовательской платформой для специалистов в центре Global Alternative Propulsion Center (GAPC) в Руссельсхайме (Германия) [18]. В концептуальном автомобиле Zafira использовался метанол, его запас хода был сопоставимым с запасом хода традиционного автомобиля. Батарея ТЭ генерировала мощность 50 кВт для привода передних колес через одноступенчатую передачу. Zafira с электродвигателем, аккумуляторными батареями и управляющей электроникой весил 1850 кг. В приводе была использована возможность регенерации энергии при торможении. Максимальная скорость — 120 км/ч, объем бака с метанолом — 54 л, бака с водой — 20 л. Блок ТЭ, система преобразования топлива и бак с метанолом были размещены в задней части автомобиля (19).
Global Alternative Propulsion Center подготовил также прототип нового автомобиля Hydrogen 1 [19, 20], который работал на чистом водороде (Рисунок 6). Под капотом Hydrogen 1 находился блок размером 590x270x500 мм, состоящий из 200 ТЭ электрической мощностью 80 кВт. При температуре 80°С в батарее ТЭ водород и кислород превращались в воду, при этом в зависимости от нагрузки генерировался постоянный ток напряжением от 125 В до 200 В. В инверторе постоянный ток преобразовывался в переменный. Переменный ток напряжением от 250 В до 380 В поступал на асинхронный электродвигатель 3-фазного тока мощностью 55 кВт, который служил для привода передних колес автомобиля. Крутящий момент 251 Н м развивался уже при неподвижном якоре тягового электродвигателя. При такой величине крутящего момента для передачи энергии не потребовалось традиционной многоступенчатой коробки передач, вместо этого использовалась 1-ступенчатая угловая передача, которая вместе с двигателем весила 68 кг. Автомобиль Hydrogen 1 при полной массе 1,6 тыс. кг разгонялся с места до 100 км/ч за 16 сек и развивал максимальную скорость 140 км/ч. Стальной бак при температуре -253°С имел емкость 75 л сжиженного водорода и вес 5 кг, а также теплоизоляцию из нескольких слоев специального стекловолокна. Запас хода автомобиля на одной заправке составил 400 км.
(Рисунок 6: Автомобили на ТЭ корпорации Opel/GM: a) Hydrogen 1, б) Hydrogen 3).
9 ноября 2003г. в г. Мальме (Швеция) была открыта первая в Скандинавии экологически чистая водородная заправочная станция, в которой использовались ветровая энергоустановка и электролизер для производства водорода из дистиллированной воды. Эксплуатируют новую заправочную станцию энергетическая компания Sydkraft и газовая компания E.ON AG. Ее производительность -700 нм3 водорода в сутки. Такого объема хватает для полной заправки приблизительно 250-ти автомобилей на ТЭ Hydrogen 3 compressed 700 корпорации GM/Opel.
Автомобиль Hydrogen 3 compressed 700 (Рисунок 6) разработан на базе платформы минивэна Zafira с использованием баллона с водородом под давлением 70 МПа. Емкости баллона достаточно для 270 км пробега на одной заправке. Батарея полимерных топливных элементов бортовой энергетической установки 60 kW/82 hp состоит из 200 полимерных ТЭ. Для демонстрации надежности и долговечности узлов в различных условиях (при перепадах температур свыше 40°С в условиях горных дорог Альп и дождливого климата в странах Средиземноморья) корпорация Opel/GM подготовила автомобиль Hydrogen 3 для марафона протяженностью 10 тыс. км через 14 стран Европы, который стартовал в г. Хаммерфест (север Норвегии), а финишировал в г. Лиссабоне (Португалия). Спонсоры пробега — Linde AG и Shell Hydrogen B.V. (21).
Следует отметить, что показанные выше бортовые энергоустановки на ТЭ в зависимости от используемой мощности пригодны для эффективного и экологически чистого применения не только в автомобилях и автобусах, а также в мотороллерах, мотоциклах, тепловозах, корабельном транспорте, вертолетах, самолетах и др. видах транспортных средств.
Для успешной коммерциализации автомобильного транспорта на ТЭ важным остается решение проблем обеспечения развитой топливной инфраструктуры и сервисного обслуживания. Специалисты компании Ford считают, что для крупномасштабного выхода на рынок автомобилей на ТЭ необходимо, чтобы доля заправок автомобильного транспорта водородом составляла 10-15% всего количества АЗС (22).
Из-за мелкосерийного производства бортовых энергетических установок, их стоимость остается на достаточно высоком уровне. В настоящее время цена силовой установки на ТЭ при электрической мощности 60-90 кВт составляет примерно $25 тыс. По утверждениям специалистов фирмы Hyundai Motors, для серийного производства автомобилей на ТЭ необходимо снижение стоимости такой энергоустановки до $3-4 тыс. (23). На сегодняшний день стоимость дизельных двигателей составляет $3-3,5 тыс., а карбюраторных - $2 тыс. При крупносерийном производстве автомобилей на ТЭ и стоимости установленной электрической мощности энергоустановки 60 кВт в $50 распределение стоимости по компонентам составит: 40% - ТЭ, 40% — компоненты силовой установки и 20% - - электрический привод и трансмиссия.
В Украине пока не принята к рассмотрению Национальная программа «Топливные элементы». В ближайшем будущем должна быть подготовлена программа Национальной академии наук «Технологии топливных элементов».
Интерес к технологиям топливных элементов не раз был проявлен со стороны* государственных организаций Украины. С 2000г. в Комитете по вопросам науки и образования Верховной Рады Украины было проведено 5 совещаний по топливным элементам, в которых приняли участие депутаты Верховной Рады, представители Министерства промышленной политики Украины, Министерства топлива и энергетики Украины, Министерства науки и образования Украины и Национальной академии наук. Инициаторы Национальной программы принимали участие в Научно-техническом совете Министерства промышленной политики Украины. В отделении физико-технических проблем энергетики Национальной академии наук было организовано 3 заседания с целью определения задач, стратегии и тактики развития технологий топливных элементов в нашей стране. В Национальном техническом университете Украины «КПП» был проведен семинар, посвященный топливным элементам.
Проблемами разработки технологий на основе топливных элементов заняты научно-технические организации Украины/среди которых — Институт угольных энерготехнологий НАН Украины и Минтопэнерго Украины, Институт проблем материаловедения НАН Украины, Институт общей энергетики НАН Украины, Институт электросварки НАН Украины, Институт биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины, Институт электродинамики НАН Украины и др. (24-27).
В Институте угольных энерготехнологий НАН Украины при поддержке Министерства топлива и энергетики Украины был создан стенд для испытания топливных элементов с полимерным, расплавленным карбонатным, твердооксидным и фосфорно-кислотным электролитами с использованием водорода, природного газа, бензина и украинского высокозольного угля. Стенд рассчитан для испытания ТЭ электрической мощностью до 3 кВт, на котором разработаны и испытаны первые образцы ТЭ с расплавленным карбонатным электролитом. В 2002г. Институт угольных энерготехнологий НАН Украины за стенд для испытания топливных элементов был награжден дипломом I Специализированной выставки Украины «Химические источники тока», которая проводилась Украинской ассоциацией производителей химических источников тока. В 2003г. по решению Департамента энергетики США и Коалиции промышленников США в результате конкурсного отбора технология испытания ТЭ Института угольных энерготехнологий представлялась на конференции и выставке высоких технологий «Партнерство для процветания и безопасности» в Филадельфии (Пенсильвания, США).
В результате совместной работы в рамках подготовки определения стратегии развития энергетики Украины до 2030г. Институтом общей энергетики НАН Украины и Институтом угольных энерготехнологий НАН Украины и Минтопэнерго подготовлены основные положения развития энергосистем с использованием ТЭ.
Институтом проблем материаловедения НАН Украины, Институтом угольных энерготехнологий НАН Украины и Минтопэнерго Украины и другими государственными и коммерческими организациями подготовлены основные положения Национальной программы «Топливные ячейки». Институтом проблем материаловедения Национальной академии наук Украины в результате обобщения многолетнего опыта работ в области материаловедения была разработана технология изготовления ячеек топливных элементов с твердооксидным электролитом, и первые образцы были продемонстрированы в работе в 2002г. В 2004г. в Киеве Институтом проблем материаловедения НАМ Украины в рамках работы по программе NATO была проведена конференция по полимерным и твердооксидным ТЭ, на которой выступили ведущие специалисты из США, Европейского Союза, России и Украины.
В Институте электродинамики Национальной академии наук на базе платформы автомобиля «Таврия» с использованием российских комплектующих были созданы первые электромобили на аккумуляторных батареях.
Решением фундаментальных научных вопросов в области электрохимии занято Межведомственное отделение электрохимической энергетики Украины. В Университете технологий и дизайна на кафедре электрохимии разработаны образцы ультраконденсаторов.
В Институте биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины разработаны мембраны для полимерных ТЭ и идет подготовка к созданию полимерных ТЭ.
В Институте электросварки им. Е. Патона разработана технология электролучевого осаждения материалов, которая используется совместно с корпорацией UTC (США) для создания твердооксидных топливных элементов.
***
Выводы
1. Практически в каждой ведущей автомобилестроительной корпорации или компании имеются подразделения, которые занимаются разработкой бортовых энергетических установок на топливных элементах, что объясняется высокой эффективностью, экологической чисто-той и повышенными потребительскими свойствами новых транспортных систем по сравнению с традиционными системами энергоснабжения автомобилей и автобусов.
2. В высокоразвитых странах осуществляется государственная поддержка и законодательное регулирование проектов создания новых транспортных средств на ТЭ с использованием государственных и корпоративных стратегических программ для скорейшей коммерциализации последних научно-технических достижений в области ТЭ и увеличения конкурентоспособности национальных производителей автотранспорта.
3. В США консолидирующую роль играет программа Департамента энергетики США «Топливные элементы», стратегия которой базируется на объединении работы под эгидой Национального альянса топливных элементов (National Fuel Cell Alliance): производителей автомобильного транспорта, поставщиков комплектующих, разработчиков топливных элементов, национальных лабораторий, инвесторов и промышленников топливно-энергетического комплекса. На первом этапе разработки бортовых энергетических систем на топливных элементах Департамент энергетики США решает фундаментальные проблемы и задачи, связанные с топливными элементами и вспомогательным оборудованием. В результате партнерства в области проведения исследований и реализации разработок находятся новые подходы и решения для создания эффективных и экологически чистых бортовых энергетических систем.
4. В настоящее время автотранспорт на топливных элементах использует бортовые энергетические установки, работающие на водороде, метаноле и бензине.
5. Анализ разработок автомобилей и автобусов в транснациональных корпорациях DaimlerChrysler и General Motors показал, что за последние 15 лет удалось снизить вес бортовых энергетических установок на 50%, повысить эффективность их работы на 25%, увеличить их долговечность в 3-5 раз, а также повысить комфортность, надежность и безопасность работы всех систем. Благодаря этому удалось подготовить автотранспорт на ТЭ для сертификации, тестирования и показа автотранспорта в различных климатических условиях при длительных автомобильных прогонах.
6. С внедрением новых сетей водородных автозаправочных станций, на которые водород может поставляться как с нефтеперерабатывающих заводов, так и генерироваться непосредственно на станции (за счет использования в электролизерах электроэнергии ТЭС, АЭС и нетрадиционных возобновляемых источников), в Европе и США складываются все необходимые условия для создания новой эффективной и экологически чистой топливно-энергетической инфраструктуры поставок водорода на автотранспорт, работающий с нулевыми выбросами в окружающую среду.
7. В результате генерации электроэнергии с использованием национальных запасов ядерного и органического топлива и развития сетей электролизных автозаправочных станций промышленно-развитые страны могут в перспективе стать независимыми от поставок нефти и газа из стран ОПЕК, что особенно важно в связи с ростом цен на бензин.
8. Значимость развития технологий топливных элементов в Украине неоднократно подчеркивалась на заседаниях Комитета Верховной Рады Украины по вопросам науки и образования, научно-техническом совете Министерства промышленной политики Украины, заседаниях отделения физико-технических проблем в энергетике Национальной академии наук Украины, семинаре Национального технического университета Украины «КПП» и др., которые показали, что в нашей стране имеется необходимый научно-технический потенциал для реализации как национальных, так и отраслевых программ развития эффективных и экологически чистых технологий на основе топливных элементов.
Литература:
1. J.W. Biermann Activities and Strategies of European Vehicle Manufacturers//Prociedings of 2nd EU-Cluster-Workshop «Land Transport by Fuel Cell Technology». - 2001. - 15 p.
2. Inventors. Fuel Cell Program//About. A PRI-MEDIA Company. - 2004. - 6 sections.
3. Топливные элементы в автомобилях//Автомобилестроение за рубежом. - 2002. - N7. -С. 3-9.
4. Новый топливный элемент/силовой блок компании Ваllаrd//Автомобилестроение за рубежом. - 2001. - N9. - С. 18.
5. Fuel Cell System Development. - Aachen: FEV Motorentechnik GmbH. - 12 p.
6. Топливные элементы на водороде из бензина//Автомобилестроение за рубежом. -1999. - N2. -С. 14-16.
7. Аваков Б.Б., Зинин В.И., Кулаков Г.В. и др. Пути разработки и перспективы создания экономичной экологически чистой энергетики на топливных элементах//Российский химический журнал. - 1994. - Том 38. - N3. - С. 55-60.
8. Энергоустановка для армии США//Автомобилестроениеза рубежом. - 2003. - N11. - С. 14.
9. Дудник А. Экологически чистый транспорт на топливных элементах//Вiсник Нацiонального университету «Львiвська полiехнiка». - Теплоенергетика. Iнженерiя довкiлля. Автоматизацiя. - 2002. - N452. - С. 248-252.
10. Энергетические установки с топливными элементами как привод автомобилей и автобусов (Обзор)// Корчевой Ю.П., Дудник А.Н., Зварич В.Н.//Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2002. - N1. - С. 9-21.
11. NEBUS - der Bus ohne Emissionen/ Hucho W.-H.//Autofachmann. - 1997. - N3. - P. 20, 23.
12. Бегищев Д. Прощай, ДВС!//Motor News. - 2000. - N5. - С. 32-35.
13. Ballard Powers DaimlerChryslers Fuel Cell Vehicle on a 3,000 Mile Drive Across the United States//News Release. - June 4, 2002.
14. Nach dem Erdolzeitalter//Bus-Fahrt. - 1997. - v. 45. - N6. - P. B4-B6.
15. Однометровый автомобиль и автобус Citaro на топливных элементах//Автомобилестроение за рубежом. — 2003. - N5. - С. 3.
16. Голубовский Ю. Четверка борцов за экологию или Будущее глазами СМ//Сигнал. - 1998. - N7.
17. Концепция развития топливных элементов для автомобилей//Автомобилестроение за рубежом. - 2001. - N8. - С. 17-18.
18. Альтернатива двигателю внутреннего сгорания//Автомобильный транспорт. - 1999. - N10. - С. 34.
19. «Опель Цафира» с топливными элементами//Автомобильный транспорт. - 1999. -N5. - С. 57.
20. Балабаева И. Экспериментальный автомобиль с топливными элементами//Автомобильный транспорт. - 2001. - N1. - С. 36-37.
21. «Opel Fuel Cell Marathon!: 10,000 km Across Europe With Fuel Cell Vehicle. GM - Press Release//Fuel Cell Today. - 26 April 2004.
22. Ford Focus на топливных элементах//Автомобилестроение за рубежом. - 2003. - N6. - С. 12.
23. Автомобиль на топливных элементах HYUNDAI Мо1ог5//Автомобилестроение за рубежом. - 2002. - N9. - С. 8.
24. Dudnik A, Korchevoy Y., Maystrenko A., Onischenko S. Installation for research of fuel cells//Conference proceedings POWER-GEN97 Europe, June 17-19, 1997, Madrid, Spain, Utrecht: PennWell Conference & Exhibitions. - Vol. IV. - p. 487-494.
25. Dudnik A., Korchevoy Y., Maystrenko A., Onischenko S. PCFB-FC Project//Conference proceedings POWER-GEN98 International, December 9-11, 1998, Orlando, Florida, USA, PennWell Conference & Exhibitions. - 1998. -Vol. С. -РарегЗ. -10 p.
26. Васильев О.Д., Бурдин В.В. Паливнi комiрки//Електроiнформ. - 2004. - N1. - С. 10-12.
27. Dudnik A. Fuel Cell Test Installation//Conference proceedings Partnership for Prosrerity & Security, Hydrogen Tech Fuel Cell Section, November 5-6, 2003, Philadelphia, PA, USA-17 p. - Materials on CD. ЯШ
***
фото:
