Аналитики и ученые дискутируют, когда будут исчерпаны запасы нефти и газа. Оценки различаются в разы: кто-то говорит о 30-40 годах, кто-то — о 70 и более. Сходятся они только в одном — что запасы все-таки закончатся и нужно уже сейчас снижать расход топлива. Концерн BMW, работая над сбережением энергии настоящего, думает об энергии будущего. Уже сегодня BMW выпускает автомобили, которые заправляются водородом, одним из самых вероятных видов топлива второй половины ХХI века.
Быстрее, легче, лучше
В этом году автомобильная промышленность может отметить юбилей. Полвека назад в штате Калифорния появились первые нормы по составу отработавших автомобильных газов. С тех пор стандарты постоянно ужесточались, и конструкторы автомобилей так или иначе им подчинялись. В итоге сегодняшние автомобили выбрасывают во много раз меньше вредных веществ и углекислого газа, чем 50 лет назад.
Развитие конструкций автомобилей идет сразу по нескольким направлениям, и все они в той или иной степени предполагают повышение экономичности. То есть возможность выжать больше из того же рабочего объема. Сегодня любой узел автомобиля проектируется с целью снижения расхода топлива. Начиная с мотора и заканчивая шинами. Шины должны обеспечивать минимальное сопротивление, кузовные детали должны быть как можно легче, чтобы снизить вес автомобиля, мотор должен работать так, чтобы каждая капля горючего сгорала с максимальной эффективностью. Появление новых моделей на автомобильном рынке — это всегда шаг вперед. Новые машины эффективнее, экономичнее, лучше предыдущих. Кажется, предела совершенству нет. Однако каждое новое достижение дается с все большими и существенными затратами. И сегодня речь идет уже о необходимости качественного перехода в автомобильной промышленности, связанного не с совершенствованием моторов, а со сменой топлива.
Элементарный ход
Решить проблему с продуктами сгорания в корне может только принципиальное изменение конструкции двигателя. Много лет человечество возлагало большие надежды на электропривод. У электромобиля никакого выхлопа не бывает в принципе. Но перевести весь транспорт мира на электротягу нереально — просто не хватит электричества всех станций планеты. К тому же многие из них и сами загрязняют атмосферу: до сих пор большая часть энергии вырабатывается путем сжигания ископаемого топлива. Правда, уголь и мазут для электростанций стоят дешевле, чем бензин и солярка для автомобилей.
Так или иначе, сегодня наиболее перспективным видом топлива считается водород. Это самый распространенный элемент во Вселенной, и запасы его неисчерпаемы. При сгорании водорода получается просто водяной пар, так что вопрос загрязнения окружающей среды тоже решен в корне.
Использовать водород можно различными способами. Компания BMW, которая занимается этим вопросом не первый десяток лет, исследовала все возможности. Даже самые футуристические, связанные с созданием автомобилей на топливных элементах. В них водород взаимодействует с кислородом без сгорания, при этом вырабатывается электрический ток. Батареи топливных элементов можно компоновать в различные формы и размещать в любом подходящем объеме автомобиля. А привод осуществляется с помощью электромоторов. BMW в свое время построила несколько концепт-каров, работающих на топливных элементах. Однако и на данный момент эта технология даже не завтрашнего дня, а послезавтрашнего. Для того чтобы такие автомобили стали массовыми, надо, чтобы топливные элементы также выпускали в массовом порядке. То есть должна появиться целая новая отрасль промышленности.
Гораздо ближе к реальности другой метод использования водорода — применение его в качестве топлива в обычных двигателях внутреннего сгорания. Сами моторы при этом нуждаются в некоторых переделках, но они не так уж и существенны. А самое главное — такой автомобиль можно сделать двухтопливным. То есть он может работать и на водороде, и на бензине. Вопрос ведь не только в автомобилях — им необходимо где-то заправляться. Число водородных заправок растет, но какой смысл их строить, если потребность в таком топливе минимальна? Всеядность автомобилей позволит нормально эксплуатировать бензиново-водородный автомобиль в любых районах. В общем, решение BMW выглядит идеальным для переходного периода.
Народный-водородный
Мир несовершенен, и столь привлекательный водород также не лишен недостатков. Его много в природе, но не в той форме, в которой он необходим автомобилям. Для использования как в топливных элементах, так и в двигателях внутреннего сгорания он нужен в довольно концентрированной форме. То есть его надо выделить из воды, где он чаще всего встречается на Земле, превратить в газ и затем доставить в автомобиль. Причем либо в сжатой, либо в сжиженной форме. BMW выбрала для своего роскошного седана BMW Hydrogen 7 жидкий водород. Он позволяет сохранять в том же объеме на 75% больше энергии. А даже для большого автомобиля вопрос компактности узлов достаточно важен — лучше предоставить больше места пассажирам. Бак автомобиля поддерживает необходимую для хранения жидкого водорода температуру -253°C. Конечно, проблем здесь больше, чем с бензином, не столь требовательным к температуре. Именно поэтому BMW уделила особе внимание вопросам безопасности. Бак был испытан на стойкость к различным ударам, а уровень теплоизоляции проверяли длительным нагреванием. Бак без всяких проблем выдержал нагрев до 1000 градусов в течение 70 минут. Такие критические нагрузки практически исключены даже при очень серьезных ДТП. Для иллюстрации эффективности теплоизоляции бака BMW сообщает, что если бы в него залили горячий кофе, то его температура упала вдвое лишь через 80 дней. Конечно, жидкий водород в баке все-таки испаряется, но за его состоянием следит специальная система. Она отводит излишки через катализатор, в котором водород окисляется до состояния водяного пара — так полностью исключается какой бы то ни было риск.
Пришлось поработать и с системами заправки. Для обеспечения гарантий безопасности участие человека в процессе заправки сведено только к стыковке "пистолета" и горловины. Все остальное происходит полностью автоматически. BMW всерьез заботится о том, чтобы водород стал действительно повсеместно распространенным топливом, поэтому и сами заправки, и конструкции горловины разработаны в рамках стандартов, которые согласованы с поставщиками топлива и другими автопроизводителями.
Двигатель BMW Hydrogen 7 вполне соответствует статусу автомобиля и его пользователей — это V-образный 12-цилиндровый мотор объемом 6 литров, который выпускается на заводе BMW в Мюнхене параллельно с обычными силовыми агрегатами. Если он работает на водороде, то развивает 260 л. с. и обеспечивает разгон до 100 км/ч за 9,5 сек. Запаса топлива в 8 кг сжиженного водорода хватает примерно на 200 км пробега. А 74-литровый бензобак обеспечит еще 500 км, если водородной заправки нет поблизости. Унификация с обычными автомобилями позволила сохранить характерные для всех BMW удовольствие от управления и комфорт.
Но путь к абсолютному успеху непрост, и даже использование водорода не гарантирует успеха. Для сжигания водорода используется кислород воздуха, однако воздух состоит в основном из азота. При высоких температурах в двигателе некоторое количество азота тоже окисляется, и его оксиды не очень полезны для окружающей среды. Если в обычном двигателе это всего лишь один из видов загрязнения, то для экологически чистого водородного мотора эта "мелочь" становится главной проблемой. Но инженеры BMW умеют с этим бороться. Процесс сгорания водорода в двигателе Hydrogen 7 устроен таким образом, что заметные количества оксидов азота образуются только в некоторых режимах. Да и в этом случае их улавливает каталитический нейтрализатор.
Что интересно, отказавшись от топливных элементов в качестве основного источника энергии, BMW не бросила эту идею совсем. В Hydrogen 7 топливные элементы используются для питания бортовой сети. В обычном автомобиле для этого используют присоединенный к двигателю генератор. Его работа требует некоторого расхода топлива, то есть электричество получается все-таки из топлива, но довольно сложным путем. Топливные элементы исполняют ту же функцию, но путь от водорода до электроэнергии спрямлен до предела.
Сейчас такие автомобили не продают — ту сотню, которую сделали, предоставляют в пользование как политическим деятелям, так и известным деятелям культуры. Если бы не надписи снаружи, отличить Hydrogen 7 от обычного седана седьмой серии можно было бы только по дополнительной горловине водородного бака и полному отсутствию запаха отработавших газов.