Первый электромобиль был создан в 1841 году и представлял собой тележку с электрическим мотором.
Данная разработка в то время скорее демонстрировала потенциал человеческого разума и не была направлена на практическое применение. Зато сейчас машины на электротяге производятся в таких количествах, что многие автопроизводители уже подумывают о том, чтобы полностью прекратить разработку авто с ДВС. Сегодня мы рассмотрим виды топлива, которые могут стать полноценной заменой бензину в обозримом будущем (спойлер: их предостаточно и без электричества).
Водород
Разработка водородного двигателя увенчалась успехом даже раньше, чем электрического, – в 1806 году. С тех пор технология совершенствовалась и находила практическое применение. Сегодня водородные двигатели выпускают такие бренды, как Audi, BMW, General Motors, Ford, Honda, Hyundai, Toyota.
Автомобили с таким типом двигателя заправляются на специальных заправках сжатым водородом. Любопытно, что сегодня водород – самое энергоемкое топливо в мире. Калорийность одной весовой части чистого газообразного водорода превосходит бензин в 2,5 раза. Это означает, что весовой запас данного топлива в баллоне может быть во столько же раз меньше, а его сгорание может происходить в обычном поршневом двигателе.
Процесс преобразования водорода в автомобильное топливо не особенно сложен. Так, в топливной системе есть мембрана, разделяющая камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, во вторую – кислород из воздухозаборника.
Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего платиной), в результате чего водород начинает терять отрицательно заряженные частицы (электроны). В это время через мембрану к катоду проходят положительно заряженные частицы (протоны). Они соединяются с электронами, образуя на выходе водяной пар и электричество.
Как видим, принцип работы агрегатов водородного автомобиля схож с электромобильными. При этом емкость водородного аккумулятора в 10 раз больше емкости литий-ионного: заправка баллона с 5 кг водорода занимает около 3 минут, а хватает его на 500 км.
Сложности у такой технологии тоже имеются. К примеру, из-за высокой температуры горения водорода блок цилиндров силового агрегат необходимо усиливать керамикой, что непросто и накладно.
Альтернативным вариантом здесь стали катализаторы – силовые установки беспламенного горения водорода. Однако им требуется баллонный кислород, стоимость которого высока: при окислении водорода в катализаторе вырабатывается электрический ток. Работает такая установка бесшумно и с высоким КПД.
Увы, высокая стоимость данного топлива (1 кг водорода обходится почти втрое дороже галлона бензина), применение драгоценных металлов, проблемы с инфраструктурой и не самое экологичное производство сводят на нет все плюсы данной технологии. В настоящее время водородные автомобили являются примером дорогостоящей альтернативы транспорту с ДВС. Возможно, перспективы развития будут пересмотрены, когда запасы ископаемого топлива подойдут к концу.
Сжатый воздух
Об автомобилях, работающих на сжатом воздухе, писал еще Жюль Верн в 1860 году. В действительности идея использования энергии сжатого воздуха в качестве движущей силы транспортного средства получила практическое применение в конце XIX века. На таком топливе работали автомобили, трамваи, локомотивы (духоходы) и т.д.
К сожалению, когда производители автомобилей выбрали двигатель внутреннего сгорания основным силовым агрегатом, все прочие разработки в этой сфере оказались лишены перспектив. Пневматический привод в транспорте сохранился лишь у вспомогательных механизмов: тормозных, дверных и всех прочих, не требующий затрат большого количества энергии.
Существующие сегодня пневмомобили представляют собой либо экспериментальные прототипы, либо спецтранспорт, работающий в условиях, при которых использование других видов двигателей затруднено, например, в цехах с повышенной пожароопасностью. При этом некоторые крупные автобренды симпатизируют технологии пневмодвигателя.
Так, в 2012 году индийский концерн Tata Motors и компания MDI представили амбициозный проект AirPod – серию городских авто, работающих на сжатом воздухе. В 2014 году на Парижском автосалоне состоялась премьера автомобиля Citroën C4 Cactus Airflow 2L с аэрогибридным силовым агрегатом, позволявшим проехать 100 км лишь на 2 литрах бензина. А двумя годами позже компания Peugeot обнародовала разработку кроссовера 2008 с похожей системой Hybrid Air.
Работает пневмомобиль на энергии, запасаемой от нагнетания сжатого воздуха в баллоны. Через систему распределения воздуха «топливо» попадает в пневмодвигатель и приводит автомобиль в движение.
Основным недостатком пневмомобиля является небольшой запас хода. Повышается дальнобойность таких авто за счет увеличения давления сжатого воздуха, но такой способ существенно усложняет производство как самих баллонов, так и систем воздухораспределения.
Метанол и этанол
Китайская экономика одна из самых быстрорастущих в мире. В ней очень популярны нестандартные решения. К примеру, последние несколько лет производство электрокаров в этой стране увеличилось в несколько раз и составляет около 50% всего производимого транспорта.
Но использования одних автомобилей на электрической тяге для самой многочисленной страны мира недостаточно. Поэтому часть китайского автопарка было решено перевести на метиловый спирт. Только в 2019 году от бензина отказались машины китайского правительства, такси и грузовики служб доставки.
К слову, самый богатый опыт применения спирта в качестве топлива имеет Бразилия. После мирового нефтяного кризиса 1973-1975 годов в этой стране была принята программа «Топливо на основе этанола». Поэтому в 1990-х годах в Бразилии этиловый спирт служил горючим более чем для 7 млн машин, а его смесь с бензином (газохол) – еще для 9 млн авто. Этанол в этой стране изготавливают из сахарного тростника, а продают через заправочную сеть, насчитывающую 25 тысяч станций.
Вторым мировым лидером по использованию этанола в автотранспорте являются США. Здесь также реализуется программа замены бензина спиртом, который получают при переработке излишков кукурузы и других зерновых культур. Чистый этанол в этой стране используется как горючее в 21 штате, а на бензоэтаноловую смесь приходится 10% топливного рынка США. Применение спирта в качестве топлива получило поддержку и в некоторых европейских странах, в частности, во Франции и Швеции.
Стандартный двигатель внутреннего сгорания не нужно переделывать для работы на смеси бензина и спирта. Существует два способа применения спирта в качестве горючего для автомобильных моторов – частичная (до 20%) и полная замена бензина и дизельного топлива.
Среди достоинств спиртового топлива стоит выделить высокие антидетонационные свойства, высокое октановое число, отсутствие серных выбросов, низкую токсичность. Все это повышает КПД силового агрегата, работающего на таком топливе.
Из недостатков, препятствующих массовому применению спиртов в качестве топлива для ДВС, нужно отметить малую теплоотводность, высокую гигроскопичность и повышенное содержание альдегидов.
Биотопливо
Биодизельное топливо – прекрасный пример совмещения заботы о чистоте экологии нашей планеты с переработкой пищевых отходов. Данное жидкое моторное биотопливо представляет собой смесь моноалкильных эфиров жирных кислот. Биодизель получают из триглицеридов (реже из свободных жирных кислот) реакцией переэтерификации (этерификации) одноатомными спиртами (метанол, этанол и др.). Источником триглицеридов могут служить различные растительные масла или животные жиры.
В зависимости от вида сырья, используемого для его производства, биотопливо разделяют на поколения. Так, биодизель 1-го поколения получают из различных сельскохозяйственных культур; биодизель 2-го поколения – из жиросодержащих отходов, биодизель 3-го поколения – из липидов микроводорослей.
Биотопливо используется для автотранспорта в чистом виде и в виде различных смесей с дизельным топливом. В США смесь дизельного топлива с биодизелем обозначается литерой B, а число после нее означает процентное содержание биодизеля: В2 (2% биодизеля, 98% дизельного топлива), В100 (100% биодизеля). Аналогичная система маркировки топлива была введена в ЕС в 2018 году. Применение смесей не требует внесения изменений в двигатель.
Среди главных достоинств данного вида топлива стоит выделить хорошие смазочные характеристики – немецкий грузовик даже установил мировой рекорд, проехав более 1,25 млн км на биодизельном топливе со своим оригинальным двигателем. Кроме того, биотопливо отличается более высоким цетановым числом и высокой температурой воспламенения (топливо на рапсовом масле воспламеняется при температуре 320°С). А еще побочным продуктом производства биотоплива является глицерин, имеющий широкое применение в промышленности.
Недостатки такого топлива – малый срок его хранения (около трех месяцев) и необходимость подогрева в холодное время года. А еще сырье, из которого производится биодизель, требует обширных сельскохозяйственных площадей.
***
Очевидно, что, выкачав все нефтяные ресурсы планеты, мы все же не останемся без транспортных средств, благо альтернативных источников питания даже сейчас предостаточно. А если учесть, что разработки в этой сфере ведутся как никогда активно, у нас есть все шансы получить дешевое и экологичное топливо уже в этом столетии. Главное – не обмануться в ожиданиях.
