Не секрет, что неизбежный рост энергопотребления в мире в ближайшие десятилетия приведет - и уже приводит! - к пагубным последствиям экологического и климатического характера. При этом известно, что около 90 процентов энергии в мире производится на основе сжигания углеродного природного топлива (рост ~ 2% в год), а 25 процентов энергии производится (и потребляется) транспортом (рост ~ 3,2% в год). 90 процентов загрязнения атмосферы (и 30 процентов общего загрязнения) в мегаполисах и крупных городах – это следствие автомобильных выбросов. Проблема вполне конкретна, ее надо решать.
Один из способов борьбы с загрязнением атмосферы транспортом государству и обществу предлагает Президент Союза развития наукоградов России доктор технических наук Анатолий Долголаптев. Речь идет о новых типах транспортных средств, использующих альтернативные виды энергосиловых комплексов. И это не взгляд в будущее, и, тем более, не фантастика, но одна из уже поставленных и решаемых задач.
- Анатолий Васильевич, известно, что группой предприятий Москвы и Подмосковья под руководством ОАО «Корпорация «Компомаш» начаты работы по созданию нового поколения «безвыбросных» транспортных средств. Прежде всего, речь идет о таких загрязнителях атмосферы как автобусы, маршрутные такси, грузовой муниципальный транспорт. Плюс так называемый внутриобъектовый транспорт для спортивных, парковых, курортных и других подобных зон, где транспортные средства также должны минимально загрязнять окружающую среду (а по возможности вообще исключить такие загрязнения). Насколько успешно задача решается?
- Чтобы справиться с нею, упомянутая группа отечественных предприятий опирается на ряд научно-технических достижений, основанных на результатах работ в ракетно-космической отрасли. Эти достижения, в сочетании с использованием ряда импортных комплектующих изделий, позволяют создать принципиально новые эффективные «безвыбросные» энергосиловые комплексы для экологически чистых транспортных средств. При этом предполагается создание двух основных типов транспортных средств: электронакопительных (ЭТС) и водородных (ВТС).
Такие транспортные средства созданы, но в настоящее время из-за ряда технических, экономических, организационных ограничений и трудностей их применение весьма ограничено.
- Каковы главные препоны?
- Их достаточно. К техническим я бы отнес ограничения по массе и габаритам, лимитирующие запас энергии на борту ТС (емкости электрических батарей и количество водорода), что в свою очередь снижает эксплутационные характеристики (пробег между заправками, пассажировместимость и грузоподъемность, затраты на тонно-километр и т.д.). Не стоит забывать и о повышенной пожаровзрывоопасности ВТС, использующих свободный молекулярный водород. Кроме того, зарядка аккумуляторов ЭТС происходит достаточно долго.
Плюс экономические ограничения. К ним относятся неконкурентная стоимость ЭТС и ВТС вследствие высоких цен на основные агрегаты ТС, аккумуляторные батареи и топливные элементы, а также высокие затраты на потребляемые водород, электроэнергию. Дорогостояще и создание новой инфраструктуры обслуживания.
Есть и организационные трудности внедрения. Пока что отсутствуют системные предложения по сферам, масштабам и механизмам продвижения ЭТС и ВТС как элемента развития транспортной системы, доступные центры обеспечения ЭТС и ВТС энергоресурсами. Прямо скажем, пока что нет и стимулов для потребителей к переходу на ЭТС и ВТС.
- Что же делать?
- Сначала о технических ограничениях. Их возможно преодолеть за счет имеющихся и проводимых разработок мирового уровня в следующих областях. Во-первых, в области безопасных и технически приемлемых способов хранения (получения) водорода на борту ВТС. Во-вторых, в области бортовых водородных энергосистем, энергосберегающих электроприводов,
электронакопителей на основе суперконденсаторов, а также системного подхода к созданию и развитию транспортных систем на базе ЭТС и ВТС.
Предполагаемый к использованию способ хранения водорода базируется на безопасном водородном топливе (ВТ) с наиболее высоким из достигнутых показателем аккумуляции водорода (превышающим 6 процентов от массы топлива), отделяемого путем каталитического дегидрирования непосредственно на транспортном средстве. При этом отработанное водородное топливо, из которого выделен водород, многократно способно к последующему восстановлению (гидрированию) и дальнейшему использованию. В этом случае стоимость ВТ определяется в основном затратами на водород. Весьма существенно, что это топливо является нелетучей, трудновоспламеняемой, нетоксичной жидкостью, пригодной к использованию на существующем оборудовании автозаправочных комплексов после его некоторой доработки.
На основе этих результатов возможно создание ВТС с показателями пожаровзрывобезопасности, которые превзойдут существующие ныне для транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания.
Важнейшим элементом предлагаемых к разработке ВТС и ЭТС является энергосберегающий электропривод на основе «мотор-колеса» и электрорекуперации на импульсных суперконденсаторах. Кстати, показатели эффективности нашего ЭПМК на 30-40 процентов выше, чем у самых передовых разработок за рубежом. Важно, что один и тот же электропривод может использоваться как в ЭТС, так и в ВТС без существенных доработок. Блок-схема предлагаемых ЭТС и ВТС представлена на рисунке.
Тяговые суперконденсаторы хотя и уступают аккумуляторам по энергонакоплению, но имеют примерно в 10 раз меньшее время заряжания, что делает перспективным их применение в легких (до 500 кг) ЭТС.
Необходимая инфраструктура обеспечения ВТС водородным топливом состоит из систем производства водородного топлива (локальных установок гидрирования отработанного ВТ) и заправок, доработанных под ВТ и осуществляющих как заправку транспортных средств, так и сбор от них отработанного водородного топлива для последующего повторного гидрирования и использования.
Получение водорода, необходимого для гидрирования, требует затрат энергии. Часть этой энергии возможно получить на основе использования излишков энергии энергогенерирующих столичных предприятий, образующихся вследствие сезонной, недельной и суточной цикличностей энергопотребления. Но при этом важно отметить, что при гидрировании выделяется большое количества тепла, и установки по производству ВТ могут быть использованы в качестве локальных теплогенерирующих центров, компенсирующих дефицит тепла в отдельных районах города.
По всем ключевым техническим новациям (водородное топливо, процесс дегидрирования, мотор-колесо, импульсные и тяговые суперконденсаторы) оформлены исключительные права, позволяющие (как и вновь получаемые результаты) удерживать российский приоритет в дальнейших разработках.
Преодоление экономических ограничений обеспечивается, помимо применения упомянутых российских технических решений, происходящим снижением стоимости других основных комплектующих (зарубежных): литиевых аккумуляторных батарей (от 50 до 120% в год по мере увеличения массовости производства) и топливных элементов.
Применение оригинального энергосберегающего электропривода повышает КПД транспортных средств не менее, чем в 2 раза по сравнению с ТС с двигателями внутреннего сгорания, и не менее, чем на 30 процентов по сравнению с другими электроприводами, что снижает удельные затраты на тонно-километр, требования к бортовым источникам энергии и соответственно их стоимость.
Поэтому ЭТС на основе нашего электропривода в ближайшие 2-5 лет для условий города станут конкурентоспособными с транспортными средствами, работающих на двигателях внутреннего сгорания.
Массогабаритные и ценовые характеристики ВТС после 2012-2015 годов будут приближаться к показателям традиционных транспортных средств и ЭТС.
- Пути решения проблем как будто намечены. И как, по-Вашему, электронакопительные и водородные транспортные средства будут входить в нашу практическую повседневную жизнь?
- Решение организационных проблем внедрения ЭТС и ВТС возможно путем поэтапного создания системы экологически чистого городского транспорта на основе тиражирования самодостаточных с точки зрения функционирования локальных комплексов, первый из которых – пилотный – будет создан к 2012 году. Эти комплексы на начальном этапе должны создаваться на базе управляемых властями города автотранспортных предприятий и включать в себя: во-первых, парк ЭТС плюс электрозарядные станции для ЭТС; во-вторых, парк ВТС плюс производство водородного топлива плюс автозаправочные станции водородного топлива для ВТС.
По мере увеличения числа локальных комплексов и их возможностей по обслуживанию транспортных средств появляется возможность расширения процесса внедрения ЭТС и ВТС.
Первоначальным этапом создания транспортных средств нового поколения будет разработка и организация производства легкого электронакопительного транспортного средства в двух вариантах (пассажирский - на 8 человек и грузовой - грузоподъемностью 0,8 т). Одновременно будут решаться задачи как отработки новых технических решений, так и обеспечения экологически чистыми легкими транспортными средствами природоохранных объектов, в том числе при проведении в 2014 году зимних Олимпийских игр в Сочи.
Одним из перспективных также является унифицированное семейство малотоннажных (около 3-4 тонн) ЭТС и ВТС в виде модификаций микроавтобусов на 12-14 пассажиров и грузовиков в полторы тонны с колесной формулой 4х4 на основе единого ЭПМК пиковой мощностью 20 кВт (ЭПМК-20). На базе ЭПМК мощностью 40 кВт возможна также разработка низкопольного автобуса на 30-50 человек и пятитонного грузовика с колесной формулой 4х4.
- А если заглянуть в еще более дальние перспективы?
- Описанное выше направление деятельности является одним из приоритетов для Правительства Москвы, в ближайшее время предполагается подготовка и утверждение соответствующей городской программы. Она будет предусматривать финансовые вложения для ее реализации как из городского бюджета, так и от частных инвесторов. Также предусмотрено создание технопарка на базе участников проекта и вновь привлекаемых предприятий и организаций, при этом в нем будут вестись целенаправленные разработки не только транспортных средств нового поколения, но и других энерготехнологий на основе водорода, водородного и других видов топлива, а также отрабатываться возможные боковые «ветви»: применение отдельных составных частей, разрабатываемых для транспортных средств нового поколения. В частности, видится перспективным применение водородных и электронакопительных энергосиловых комплексов на мотор-колесах для стационарных установок, железнодорожных локомотивов и т.д. Отдельный интерес представляет уже упомянутый ранее процесс полезного использования тепла, получаемого при гидрировании водородного топлива, и утилизация избытка производимой электростанциями электроэнергии в провалах графика нагрузки.
Все это станет реальностью при условии, что при решении проблем государственные структуры объединятся с частными предпринимателями. На основе возможностей научно-промышленного комплекса столичного мегаполиса частно-государственное партнерство обеспечит экономике Москвы новое конкурентное качество, а жителям города – чистый воздух и здоровье.