Хорошо  известны процессы получения водорода с помощью угля. Чаще таким путем  вырабатывают не чистый водород, а его  смесь с монооксидом углерода – синтез-газ и искусственные энергоносители. Совершенствование этих процессов должно принести к снижению затрат на получение водорода и синтез-газа и к их применению в районах крупных угольных месторождений.

     Важным  свойством водорода как энергоносителя является то, что в результате его  сгорания образуется водяной пар  – рабочее тело паротурбинных установок. Поэтому использование водорода в энергетике потребует усовершенствования современных энергопроизводящих систем, но не коренной их перестройки.

     В каком виде можно применять водород? Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой емкости. Более реальный вариант – использование жидкого водорода. Правда, в этом случае необходима установка дорогостоящих криогенных баков со специальной термоизоляцией. Возможно хранение водорода в твердой фазе в составе металлогидридов, что безопаснее хранения бензина в цистернах. Связывать водород при определенных условиях могут интерметаллические соединения на основе редкоземельных металлов, титана, железа и ряда других металлов. В Институте металлургии РАН разработан интерметаллический сплав на основе никеля и редкоземельного металла – лантана. Благодаря своей структуре сплав обладает некоторыми свойствами неметаллов и может поглощать (сорбировать) и удерживать газы, а при нагревании до 150°С выделять их. При этом объем сорбируемого водорода в 500 тысяч раз превышает объем самого интерметалла.

     Процесс накопления и обратного выделения  зависит не только от емкости «поглотителя», но и от его конфигурации – чем больше поверхность, тем быстрее происходит сорбирование и, соответственно, обратное выделение водорода. Скорость можно регулировать, меняя температуру нагрева. Это позволяет осуществлять достаточно простое управление подачей горючего в двигатель. Кроме того, в процессе накопления и отдачи водорода сохраняется первоначальная эффективность при многократном повторении. Фактически интерметалл представляет собой компактный аккумулятор водорода, который может стать основой взрывобезопасного «топливного» бака.

     В Институте водородной энергетики и  плазменных технологий разработана принципиальная новая схема водородного автомобиля. Окисление происходит не в двигателе внутреннего сгорания, а в электрохимическом генераторе, где и вырабатывается электрическая энергия, вращающая основной вал двигателя. Трансформация энергии водорода в электроэнергию с помощью электрохимического генератора, основанная на полимерных мембранах, позволяет это делать при температуре кипения воды, что исключает синтез окислон-азота из воздуха, неизбежно возникающий при высоких температурах в других системах. В итоге на выхлопе – чистая вода.

     Ученые  разработали систему водородной безопасности – так называемые дожигатели, которые нейтрализуют водород при малейшей его утечке, сигнализируя водителю о неисправности.

     Автомобильный концерн «Даймлер-Бенц» (Германия) и энергетическая компания «Бэллард пауэр системс» (Канада) договорились о слиянии операций по технологическому развитию, производству и маркетингу топливных элементов. Совместное предприятие «Ди-Ди-Бифьюэт сеппз эндтинэ», в котором «Даймлер-Бенц» контролирует 2/3 капитала, определенного в 450 млн долларов, ставит перед собой задачу стать первым в мире производителем топливных элементов для легковых автомобилей и автобусов.

     Топливные элементы – это прорыв в технологии на пути к экологически чистому автомобильному двигателю. Основным горючим является водород – его пропускают через полимерные мембраны с катализаторами, которые вызывают химическую реакцию с кислородом воздуха: водород превращается в воду, а химическая энергия его сгорания – в электрическую. Еще одно достоинство двигателя на топливных элементах – высокий КПД. Для обычных двигателей, работающих 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. В настоящее время их начинают применять на стационарных и передвижных электростанциях, внедрять в качестве силовых установок на надводных судах и подводных лодках.

     Топливные элементы – энергетический рынок будущего. По мнению экспертов, он способен конкурировать даже с природным газом.

     В настоящее время к промышленному  производству различных видов топливных  элементов приступили такие крупнейшие фирмы, как «Мицубиси хэви индатриз», «Тойота», «Фудзи», «Саньо», «Тошиба», «Эленко Эйч-Би», «Энерджи партнере» (в альянсе с «Фордом»), «Эйч-Пауэр» (в сотрудничестве с «Дюпон»), «Интернэшнл фыоэп-селл», «БМВ», «Симменс» и «Линде».

     В 2000 г. фирма «Опель» представила  в Пекине автомобиль, работающий на водородных топливных элементах. Электродвигатель имеет мощность 75 л. с. и способен развивать скорость до 140 км/ч. Одной емкости водорода хватает на 400 км.

     8. Электромобиль

     Только  с 60-х гг. (особенно после энергетического  кризиса 1973 г.) возник интерес к их массовому использованию. Это было вызнано не только энергетическими, но и серьезными экологическими проблемами: электромобиль не загрязняет и не подогревает воздух, он не такой шумный.

     С 2003 г. в Калифорнии (США) вступает в действие закон, предусматривающий обязательный выпуск национальными производителями не менее 2% автомобилей с «нулевым выхлопом», прежде всего – электромобилей,

     В 2008 г. фирма «Дженерал моторс» построила самый дорогостоящий электромобиль. Его начинка – 44 никель-металлогидридные батареи, топливные ячейки и трехфазный электромотор мощностью 137 л. с, разгоняющий машину весом 1300 кг до 150 км/ч с общим пробегом 500 км от одной зарядки. Исходным топливом для электромобиля служит технический спирт – метанол. Смешиваясь с водой, спирт разлагается в испарителе на водород и двуокись углерода. Водород поступает в топливные ячейки и после ионизации вырабатывает электроэнергию, подпитывающую батареи. Данные ионы окисляются кислородом, содержащимся в воздухе, и превращаются в воду, которая используется на первой стадии цикла. Таким образом решается масса проблем, которые прежде делали автомобиль на электротяге столь непривлекательным: батареи не нужно заряжать от сети, а баки – заправлять взрывоопасным водородом. Правда, здесь есть одно «но». Аналогичные установки американцы используют в космосе. И цена их столь заоблачная, что о «гражданском» применении таких установок пока не может быть и речи.

     В Швеции создан 15-тонный грузовик, который  назвали машиной будущего. В его  двигателе 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 ПО км/ч. Газовая турбина работает на этаноле, вредность выхлопных газов при этом в 10 раз меньше, чем от машин с поршневым мотором. А в качестве горючего могут быть использованы также метанол, бензин, дизельное горючее, рапсовое масло и природный газ.

     Словом, поиск идет повсюду. Страна, которая первой выйдет на мировой рынок с электромобилем, не уступающим автомобилю с бензиновым двигателем, окажется лидером в гонке за транспорт XXI в.

     Опередив  в очередной раз остальные  страны, Япония вступает в эру электромобилей. В Осаке постоянно действует первая на планете сеть скоростных подстанций, которым необходимо всего лишь 30 мин, чтобы «заправить» экологически чистый автомобиль, обещающий уже в недалеком будущем составить серьезную конкуренцию привычным машинам с двигателем внутреннего сгорания. До сих пор на подзарядку батарей уходило не менее 10 ч, что было одним из главных сдерживающих факторов широкого распространения электромобилей в мире. Однако с вводом в Осаке первых семи скоростных «электрозаправок» машины смогут свободно курсировать по городу. Они могут вернуться назад до того момента, как у них иссякнет вся энергия. Учитывая также, что последние модели электромобилей способны развивать скорость до 140 км/ч, зона их применения еще более расширяется.

     Японская  компания «Тойота» может стать первым в мире массовым производителем легковых автомобилей с двойной или «гибридной» системой энергоснабжения. Новая машина оснащена традиционным бензиновым двигателем, а также источниками энергопитания – аккумуляторными батареями, электромотором и электрогенератором.

     Технология  двойного питания, позволяющая водителям  свободно переходить с одной системы  на другую, в той или иной форме  разрабатывалась практически всеми  крупными автомобильными компаниями с  целью повышения экологической  безопасности своей продукции. Однако реализация проектов в большинстве случаев откладывалась в связи с высокими производственными расходами, которые неизбежно приводят к подорожанию автомобилей для покупателей. Если «Тойоте» удастся преодолеть проблему и запустить в производство экологически безопасную модель, это станет серьезным поводом для беспокойства ее американских и европейских конкурентов.

     Пока  представители «Тойоты» не раскрывают данных о планируемом объеме производства и возможной рыночной цене машины. Однако известно, что «гибкие» модели будут незначительно дороже традиционных. Успех предприятия во многом зависит от расценок и объемов производства.

     Новая модель «Тойоты» будет оснащена двигателем внутреннего сгорания объемом 1500 см³, обеспечивающим возможность развития высокой скорости на автомагистралях. В городе же водитель может переключиться на экологически безопасную систему питания. Конструкция машины предусматривает подзарядку аккумуляторных батарей от бензинового двигателя. Таким образом должна быть преодолена проблема длительных простоев, которые вынуждены совершать автомобили, работающие на электричестве. Новая система также значительно более экономична в отношении расхода бензина.

     Более 4000 экологически чистых электромобилей ездит по дорогам Германии – это 0,01% от общей численности автопарка страны. Количество электромобилей в 2007 г. увеличилось на 2,5%. Они заняты в основном на доставке мелких партий товаров в небольшие магазины. В этой связи эксперты полагают, что в Германии нашлось бы применение как минимум для 10 млн электромобилей. При этом потребление электроэнергии возросло бы на 5%, что потребовало бы строительства новых электростанций.

     В настоящее время в России только Волжский автомобильный автозавод, не считая мелких опытно-конструкторских  фирм, выпускает электромобили. В его арсенале «Ока электро», длиннобазная «Нива» ВАЗ-2131Э, «Пляжный «Эльф» и показанный на Парижском автосалоне 2009 г. оригинальный электромобиль «Рапан». Электрическая «Ока» весьма уверенно чувствует себя в плотном городском потоке, свободно разгоняясь до 100 км/ч. Запаса хода полностью заряженной машины хватает на 100 км при движении по городу. Главная проблема в несовершенстве аккумуляторных батарей. Создано и эксплуатируется несколько десятков аккумуляторов, в том числе никель-кадмиевые, никель-серные, серебряно-цинковые и др. Большинство имеет короткий срок службы, незначительную энергоемкость и высокую стоимость, сопоставимую порой со стоимостью всего автомобиля. Кроме того, для их подзарядки требуется немало времени. Та же «Ока электро», оснащенная никель-кадмиевой батареей, заряжается не менее 6-7 ч.

     Перезарядка воздушно-алюминиевых батарей не требует использования электросети, а сводится к механической замене отработанных алюминиевых анодов новыми, на что уходит не более 15 мин. Еще проще и быстрее происходит замена электролита для удаления из него осадка гидроокиси алюминия. На заправочной станции отработанный электролит подвергают регенерации и используют для повторной заправки электромобилей, а отделенный от него гидроксид алюминия направляют на переработку. Автомобильная энергоустановка 92ВА-240 пока выпускается в опытных партиях.

     В 2001 г. в Москве начали использоваться аккумуляторные электромобили «Муравей», предназначенные для уборки тротуаров  и пешеходных зон. Эти экологически чистые машины работают только от электроэнергии и заряжаются от обычной розетки в 220 вольт в течение восьми часов. Продолжительность их работы без перезарядки – около четырех-пяти часов.

     Маленькие желтые машинки высотой около  полутора и длиной в два метра были созданы конструкторским бюро «Тетр». Электромобиль «Муравей» получил бронзовую медаль на Первом международном салоне инноваций и инвестиций. Недавно российские ученые предложили принципиально новый подход к решению проблемы: вырабатывать электроэнергию на борту электромобиля непосредственно из бензина (без теплового двигателя и генератора). Компактные электромоторы установлены прямо в колесах (рис. 1). Это так называемый механотронный узел, который не только экономит электроэнергию и во много раз снижает вес электромобиля. Компьютер управляет всеми колесами: тут и антиблокировочная система и система курсовой устойчивости. Под днищем машины установлены блоки топливных элементов – автономные электростанции суммарной мощностью 40 кВт. Дополнительно в цепь включен буфер из суперконденсаторов – для мгновенного повышения мощности. Заправиться можно бензином на обычной бензоколонке, но эффективнее использовать метанол, который можно синтезировать из угля или природного газа. Пойдет и водород и даже спирт. Расход топлива для автомобиля класса «Волга» составляет 3,5 л метанола на 100 км. 

     Рис. 5. Схема российского электромобиля 

     Механотронные узлы на электромобилях – дело будущего. Наука еще не подошла к созданию миниатюрных и достаточно мощных узлов. Для этого нужно решить проблему сверхпроводимости.

     Топливными  элементами Россия уже располагает. Оборонная промышленность выпускает  самые дешевые мембраны для топливных  элементов. Электронную начинку  дешевле покупать за рубежом. Таким  образом, в России создан электромобиль нового поколения. Многие зарубежные специалисты проявили интерес к российской технологии производства топливных элементов. В 2008 г. создана Российская ассоциация электрических транспортных