Криоавтомобиль: будем ездить на азоте?

Как известно, автотранспорт с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) является главным загрязнителем атмосферы крупных городов. В Украине «вклад» автотранспорта в общее загрязнение воздуха составляет: для Киева – до 78%, для Одессы – до 62%, для Харькова – до 68%. В густонаселенных районах США, Японии, стран Европы эта проблема стоит настолько остро, что назрела необходимость внедрения автотранспорта с малыми или нулевыми выбросами вредных веществ. К примеру, в США в штате Калифорния принята программа (LEV), предусматривающая, начиная с 2003 года, производство 10% экологически чистых автомобилей (с нулевой эмиссией) от общего их числа на каждом автомобильном заводе штата (примерно 110 тыс. автомобилей в год).

В последнее время наблюдаются и другие существенные проблемы, связанные с эксплуатацией традиционного транспорта с двигателями внутреннего сгорания, – глобальное потепление климата на планете, угрожающее таянием льдов на полюсах и затоплением обширных территорий, растущая стоимость добычи и транспортировки нефти и природного газа, ограниченные их запасы (по научным прогнозам, этих запасов осталось менее чем на 70 лет), экономическая зависимость некоторых государств от стран-экспортеров топлива.

Существуют ли реальные возможности организовать производство альтернативных видов автотранспорта, лишенных перечисленных недостатков?

Поиск путей создания экологически чистого транспорта, использующего альтернативные источники энергии, привел в последние три года к разработке в США первых образцов криогенных (низкотемпературных) автомобилей и стимулировал их исследования в Украине.

Энергию для движения они получают за счет так называемой «конверсии холода», запасенного в криогенных аккумуляторах. Такой аккумулятор представляет собой бак-криостат с жидким (при температуре около – 200 0С) негорючим азотом. Сжиженный азот получают на специальных воздухоразделительных установках из окружающей атмосферы. При этом на получение 1 кг жидкого азота в среднем требуется затратить около 1 кВт/ч электроэнергии. Производство его широко освоено в индустриально развитых странах (в частности, в Украине его могут производить более чем на 10 металлургических и химических предприятиях). Поэтому жидкий азот является легкодоступным и относительно дешевым источником энергии по сравнению, например, с жидким водородом.

Особенностью криогенных газов является их способность кипеть при температуре окружающей среды, т.е. создавать пар, в том числе высокого давления. Пар подогревается в теплообменном устройстве и подается в пневматический двигатель. В этой части такой автомобиль похож на паровой, известный с начала века, с той разницей, что для производства пара не требуется топлива. Энергия для парообразования берется из окружающей среды.

В жидком состоянии азот может храниться при нормальном атмосферном давлении, не требует применения тяжелых баллонов высокого давления и занимает достаточно малый объем. Учеными и инженерами Физико-технического института низких температур (ФТИНТ) НАН Украины в г. Харькове накоплен большой опыт по созданию и эксплуатации резервуаров с жидким азотом при малом его испарении.

К настоящему времени в двух университетах США – университете штата Северный Техас и Вашингтонском университете созданы экспериментальные образцы криоавтомобилей, способные вмещать 124 л жидкого азота.

Полная масса снаряженного автомобиля составляет 700 кг. В силовой установке используется пневмодвигатель мощностью 13 кВт, работающий на давлении порядка 10 атм. Автомобиль содержит два параллельных теплообменника для нагревания азота до температуры окружающей среды (0 0С). Испытания показали, что максимальная скорость такого криоавтомобиля составляет 58 км/ч при дальности пробега на одной заправке до 24 км. Отметим, что экспериментальный образец строился впервые для демонстрации принципиальной возможности создания криоавтомобиля на жидком азоте, разработан с применением пневмодвигателя низкого давления и имеет далеко не оптимальную конструкцию. Однако даже при таких условиях характеристики автомобиля оказались вполне приемлемыми для городского цикла езды.

Отметим, что сейчас в университете штата Северный Техас (США) разрабатывается пожаробезопасный азотный криоавтомобиль для работ на территории космодрома им. Кеннеди во Флориде. А в ближайшее время планируется создать криоавтомобиль (UNT Goals), позволяющий развивать скорость до 100 км/ч при дальности пробега до 240 км на одной заправке жидкого азота.

Основное преимущество криоавтомобиля – его абсолютная экологическая чистота, поскольку он использует в качестве рабочего тела безвредный и химически нейтральный газ азот, являющийся основным компонентом нашей атмосферы (составляет 78% по массе и его запасы практически неограничены). Азот извлекается из атмосферы для ожижения и возвращается в атмосферу после завершения рабочего цикла в двигательной установке криоавтомобиля. При этом температура азота не превосходит температуры окружающей среды на любом из участков рабочего цикла, что исключает образование вредных окислов азота.

Расчеты показывают, что при изотермическом рабочем цикле может быть получена механическая работа до 0,4 МДж на каждый килограмм жидкого азота (или около 100 Вт/ч на килограмм). Эта величина в несколько раз больше, чем у современных электрохимических аккумуляторов, применяемых в электромобилях, хотя и существенно уступает (приблизительно в 20 раз) энергоемкости ДВС. Однако если учесть относительно низкую стоимость 1 кг жидкого азота по сравнению со стоимостью 1 кг бензина (к примеру, в США жидкий азот в 10 раз дешевле) и вред, наносимый человеку и природе сжиганием углеводородного топлива, то использование криогенных источников энергии с пневмодвигателем уже сейчас является экономически оправданным.

Необходимо также учесть, что криоавтомобиль является пожаробезопасным видом транспорта, а это может обусловить, кроме обычных, ряд его специфических применений – в шахтах, на пожароопасных предприятиях, в нефтегазовой и оборонной промышленности. Кроме того, такой автомобиль мог бы служить прекрасным, а главное безопасным тренажером для обучения вождению в школах, техникумах и вузах.

Учитывая, что для производства жидкого азота необходима электроэнергия, а она может производиться на АЭС или ГЭС, использование такого типа аккумуляторов энергии для автомобилей делает их независимыми от ситуации на рынке нефтепродуктов.

Следует отметить еще одно преимущество бортового криоаккумулятора – жидкого азота. Его наличие в автомобиле позволяет перейти к практическому применению высокотемпературных сверхпроводниковых устройств – электромоторов, электрогенераторов, магнитных подшипников, а также индукционных накопителей энергии (SMES). Это может резко повысить КПД двигательной установки и автомобиля в целом.

В частности, по имеющимся сообщениям, некоторые немецкие фирмы уже сегодня разрабатывают магнитные сверхпроводниковые подшипники (трение в них полностью отсутствует) для современных автомобилей. Они состоят из пары высокотемпературный сверхпроводник – постоянный магнит и поддерживаются при криогенных температурах. Отличительной особенностью этих подшипников является возможность осуществления пространственной пассивной магнитной подвески без использования активных корректирующих элементов. Первые образцы таких подшипников уже созданы.

Кроме пневмодвигателя с криоаккумулятором, возможны и прорабатываются еще два типа энергоустановок для экологически чистого автомобиля – скоростной маховик на магнитных сверхпроводниковых подшипниках и индукционный сверхпроводниковый накопитель с электромоторными приводами на колеса автомобиля. Оба типа установок существенным образом используют открытое в конце 80-х годов явление высокотемпературной сверхпроводимости, существующей при температурах жидкого азота.

В перспективе эффективность новых криоавтомобилей предполагается повысить путем объединения двух типов двигателей – пневмодвигателя и инерционного маховика, используемого в качестве рекуператора механической энергии.

Более низкая удельная энергоемкость криогенного пневмодвигателя по сравнению с двигателем внутреннего сгорания приводит к необходимости иметь на автомобиле большую массу рабочего тела (например, 200-400 кг) и более часто производить дозаправку в ходе эксплуатации. При этом скорость заправки может быть сопоставимой с таковой для бензина. Конечно, обслуживание криоавтомобилей потребует создания сети азотозаправочных станций, которые, однако, даже в густонаселенных городах не будут наносить экологического ущерба.

Как показывает проведенный анализ, развитие экологически чистого автомобилестроения на базе криогенных технологий является перспективным и экономически оправданным направлением. Успешное применение криоавтомобилей позволит решить ряд серьезных экологических, энергетических и транспортных проблем Украины и других индустриально развитых государств.

В настоящее время предполагается разрабатывать криоавтомобили для использования в густонаселенных районах городов в качестве маршрутных такси, небольших грузовых автомобилей, машин-холодильников, а также специальных машин для обслуживания шахт и взрывоопасных производств.

В Украине разработкой первого образца криоавтомобиля занимается коллектив ученых и инженеров Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета (ХГАДТУ), ФТИНТ и ИПМаш НАН Украины. Работы ведутся в тесном сотрудничестве с учеными США. Сделаны первые шаги в создании нового типа экологически чистого транспорта. В октябре 2000 года в ХГАДТУ состоится международная научная конференция «Автомобильный транспорт и дорожное хозяйство на рубеже третьего тысячелетия», где несколько пленарных докладов посвящено данному направлению в автомобилестроении.