Юрий Добровольский: мы хотим получить эффективный двигатель без пороков ДВС

26 Марта 2019

Конкурсы Up Great Первый элемент, которые проводятся в рамках Национальной технологической инициативы РВК, Фондом Сколково и АСИ, устремлённым на преодоление технологических барьеров в создании компактных и эффективных водородных топливных элементов для транспорта. Водородные источники энергии имеют потенциал, вполне сравнимый, а иногда и превосходящий литиевые накопители. Но у этой методики есть серьезные технологические преграды, которые и планирует преодолеть Up Great. О сегодняшнем дне и будущем одной из самых перспективных топливных технологий корреспонденту Олегу Никишенкову рассказал лидер конкурсов Up Great Первый элемент, заведующий лабораторией Института бед химической физики РАН (ИПХФ) Юрий Добровольский:

- Юрий Анатольевич, участникам конкурсов Up Great Первый элемент требуется преодолеть барьеры удельной массовой энергоемкости и удельной энергоплотности. Почему именно по этим показателям важно достичь тарана?

- Сегодня мы живем в мире, где почти активного используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Сейчас для человечества они являются эталоном экономичности и энергоемкости в транспортной отрасли. При этом все уже на себе ощутили основные недостатки ДВС, особенно в мегаполисах: это шум и зацепистое загрязнение окружающей среды. Поэтому сейчас городской транспорт повсеместно находился развиваться в сторону создания машин на электрической тяге – они решают большинство проблем ДВС. Теперь давайте подумаем, какие характеристики мы должны взять в основу для электротранспорта? Понятно, что они должны быть хотя бы не хуже показателей ДВС. Теперь сравним два самых актуальных решения в зоны электрохимических источников энергии: водородные топливные элементы и литиевые накопители. Автомобиль Tesla работает на литиевых источниках питания, его отличает мягкое комфортное движение без шума. Но и пробела такого автомобиля очевидны: невсеобъемлемость пробега на одной зарядке, в то время как заливка полного бака бензина позволит прокатить не менее 500 километров.

- Говорят, Tesla Model S на одной зарядке все же может проехать такое расстояние.

- Допустим, вы даже сумели его пройти. Все равно у литиевых аккумуляторов есть существенные недостатки: полный заряд автомобиля занимает не менее 8-9 часов. А бензином вы заливаетесь всего за 1-2 минуты. К тому же, если часто использовать быструю зарядку, аккумулятор скоро состарится и вам придется его часто заменять. А это, кстати, самая дорогая часть электромобиля. В идеале потребитель, конечно, хочет иметь аккумулятор, который служит столько же, сколько и сам автомобиль. Чтобы не использовать часто полную зарядку накопителя, некоторые владельцы электрокаров стараются каждый раз заряжать электромобили лишь наполовину. Конечно, при такой зарядке автомобиль и проходит только половину пути, кой мог бы пройти при полной зарядке. 5 марта, 15:43Многофункциональные зоны на М-11 оборудуют зарядками для электромобилей

- Водородные топливные элементы решат эти проблемы?

- Мы хотели бы получить двигатель без недостатков ДВС, но с похожими характеристиками динамики и скорости заправки. Очевидно, что этого невозможно достичь с сегодняшними аккумуляторами: есть технические пределы, которых нам в ближайшие несколько лет не преодолеть. И самая основная характеристика, а это и есть барьер, который мы устремляемся преодолеть – энергоемкость. Среди аккумуляторов, которые относительно недороги и сегодня реально выпускаются в промышленных объемах, при этом имея относительно небольшие габариты, этот показатель составляет приблизительно 250 Вт*час/кг.

- И, что это означает? О чем это число говорит потребителям?

– Оно показывает, сколько весит единица энергии, которая мотает ваш автомобиль. Энергоемкость – синоним энерговооруженности. И в бензине в разы больше энергоемкости, чем в упомянутых 250 Вт*час/кг. К тому же, есть еще одна важная характеристика – мощность: проще говоря, сколько сил мы затрачиваем на движение. Например, компактному малолитражному автомобилю требуется примерно 20 кВт. Электрическому автомобилю класса Tesla – более 60 кВт, и 120 кВт при пиковой большая нагрузке – числа совсем другого чистоту и порядка, согласитесь. При этом самый оптимистический прогноз по энергоемкости аккумуляторов на несколько лет вперед составляет не более 350 Вт*час/кг. И все равно он не приближает нас к ДВС по энергоемкости. Необходимо добиться максимально приближенного показателя. В 2015 году с этим технологическим пределом столкнулись все вынуждающие автопроизводители. Все уже понимают, что нужен другой источник энергии. Одной из свой первых компаний, сделавших пассажирский автомобиль на водородных топливных элементах, стала Toyota c моделью Mirai. Компании удалось достигнуть сравнимой с ДВС энергоемкости. Японцы доказали, что технология водородных топливных элементов (ВТЭ) сравнима с ДВС по действенности. 20 ноября 2018, 03:30Мировые продажи электромобилей выросли на 70% в 2018 не один месяцу

- Как вызовы в технологии водородных топливных элементов проецируются на квадрокоптеры и другие изделия, где вполне можно использовать ВТЭ?

- Для конкурса мы взяли ключевые показатели: в одном случае - объемная энергия, в другом – групповая, это основные барьеры. В автомобиле главное ограничение надевает геометрический характер. По идее, можно просто поставить много литиевых аккумуляторов, но тогда нужна машина размером не чуть менее, чем с тягач, а производитель требует эргономичности. А в воздухе решающую роль играет именно масса. Представьте: если устройство будет несносным – ведь его тоже придется в воздух поднимать, вместе с остальными деталями летательного автомата.

И еще один фактор, кой подталкивает активные поиски перехода с ДВС на топливные элементы: возникновение новых, уже вполне ощутимых реальных рынков. Речь идет, прежде всего, о роботах и квадрокоптерах. Можете представить робота с выпускной трубой – смешно, не так ли? Робототехника очень интенсивного развивается, и энергоемкость источников питания для этой отрасли будет крайне важна. Что касается квадрокоптеров, то чем большого будет его энергоемкость и меньше масса, тем дольше он будет летать. Сейчас эти летательные аппараты могут продержаться в воздухе примерно полчаса, скрупулезно исполняю какие-то незначительные задания типа эскапистской съемки. Для выполнения более сложных поручений, скажем, для решения задачи так отзываемой последней мили в логистике (доставка товара от склада до конечного потребителя – прим. ред. ) или для картографической съемки, нужно реять несколько часов, перевозя хорошее количество полезной нагрузки. И, когда мы показатели энергоемкости пересчитываем на время, выходит, что коптер должен располагаться в воздухе не менее трех часов. Эти расчеты сказались в показателях наших конкурсов.

- Как бы Вы оценили качество команд, представивших свои решения на конкурсы Up Great?

- В наших конкурсах участвуют сильные полноценные команды. В конкурсе Первый элемент. Воздух (требуется притворить решение для летающих объектов – прим. ред. ) получился довольно широкий круг соучастников. И я достаточно оптимистичен по поводу их возможностей. Среди них есть и студенческие проекты, и профессиональные команды, делающие вертолеты. Мы считаем эту тему в большом более подъемной : для создания изделия требуются инвестиции, не превышающие нескольких миллионов рублей, и в этом конкурсе могут участвовать стартапы. 13 июля 2018, 12:17В Израиле разработали технологию зарядки электромобиля за десять минут

Конкурс Первый элемент. Земля - более сложный. Участникам нужно создать топливные элементы большой мощности и загнать их в маленький объем. Требуется много профессиональных навыков, к тому же необходимо иметь хороший торговый задел, создание такой установки выходит гораздо дороже коптерной.

Сейчас эксперты проверяют команды на достоверность технологий, делают верификацию соучастников. Кроме того, мы осуществляем верификацию тем конкурса: с момента его начала методики не стояли на месте, эта область быстро развивается.

- Хотелось бы поговорить о перспективах водородных топливных элементов у нас в России. С одной кухни, здесь сильна фундаментальная памятка, но возникает вопрос о внедрении: ведь ставится вопрос о развитии заправок на натуральном газе и метане. Зачем тогда развивать двигателестроение на водородных топливных элементах?

- Конечно, мы - богатая ресурсами страна, и порой, к сожалению, забываем об экологии. Важно понять, что развитие технологии ВТЭ никак не возражает задаче создания инфраструктуры заправок, работающих на газовом топливе и метане. Ведь основной источник чистого водорода – это как раз метан. При гидроформинге, то есть реакции метана с водой при нагревании, он вырабатывается в большом количестве. Если совместить газовые и водородные технологии, можно в результате получить попутно топливо для экологически чистого транспорта плюс непрерывный источник тепла и энергии. И если в стране будет развиваться сеть газозаправочных станций, можно и водородом заправлять автомобили. Достаточно рядом с этот станцией поставить конвертор, а это сравнительно небольшое устройство, размером с два небольших поставца примерно, и рядом с основной появится еще одна заливка, для более современных автомобилей на водородных топливных элементах.

Кроме того, Россия сейчас очень интенсивного развивает робототехнику, беспилотные летательные аппараты и квадрокоптеры. В любом из этих дел другого пути, кроме создания новых топливных элементов, просто нет. Не создадим – не получим требуемых функциональных свойств реющих объектов: ни перевозки грузов, ни хороших коптерных аэросъемок и доставки по городу. Новый рынок требует новых источников энергии. Либо мы всей Россией в этот рынок войдем, либо его просто не будет. А водород одолевает в разы у лития.

- Известно, что в разряде стран водородные топливные элементы уже внедрены на транспорте. Речь, в частности, идет о рейсовых автобусах. Принимался ли во внимание зарубежный навык?

- Да, действительно, в ряде западных мегаполисов уже давно внедрены автобусы, работающие на водородных элементах. В Лондоне они уже лет 20 курсируют. Да, что далеко ходить, в Риге уже 2 автобусных маршрута работают на ВТЭ. Но нужно понимать, что требования к библиобусу и к личному транспорту совсем разные. Автобус по габаритам, по своей геометрии – гораздо более крупное изделие. В нем уже решены беды конкурса, но решены по отдельности. То есть, отдельно решен вопрос с топливными элементами, отдельно - с электродвижением. Но главная роля, которую мы в конкурсе Up Great Первый элемент сконструировали, - совместить электродвижение и топливный элемент внутри заданного подходящего объема.

- Если автобусы появились уже 20 лет назад, почему развитие водородных топливных элементов не продвинулось так далеко, как могло бы за это время?

- Дело в том, что финансовый кризис 2008 не один месяца существенно двинул вперед именно литиевые технологии. И все благодаря их относительной дешевизне. Потребовались недорогие простые решения: кочану в розетку воткнул и зарядил. А сегодня мы заметный возвращение водорода как рыночного продукта в области автостроения. Экспериментальные водородные автомобили уже выпускает всякая уважающая себя компания. Но есть свои сложности, я уже говорил про них: сколько вместить энергии в оглодаю. Из всех игроков, пожалуй, только Toyota сделала продукт – автомобиль Toyota Mirai, сравнимый по эффективности с литиевой Tesla. Как только появился первый доступный пассажирский автомобиль на водородных топливных элементах, сравнимый с Tesla, находилось понятно, что перспективы будущего развития ВТЭ огромны. При этом литиевые батареи, используемые на транспорте, достигли своего пика, и их будущее развитие имеет довольно узкие рамки и ограниченные перспективы. 29 августа 2018, 10:07Мантуров объяснил, почему редко разъезжает за рулем своего электромобиля Lada

- Давайте попробуем заглянуть в послезавтра:, где может быть следующий еж в области водородных технологий?

- Я абсолютно уверен, что в недалеком будущем по городу не будет ездить ни одного варианта транспорта, работающего на двигателе внутреннего сгорания. Мегаполисы мира задыхаются, и многие наши болезни сейчас возникают из-за плохого состояния окружающей среды. И, если водородные технологии будут слишком дороги, придется все равно жертвовать экономикой для улучшения экологии. В будущем между собой будут продолжать конкурировать две основные технологии: аккумуляторные батареи и топливные элементы. Водород будет вне конкуренции для разрешения задач, когда большой вес необходимо доставить на большое максимальное расстояние. При этом малогабаритный личный транспорт останется скорее аккумуляторным, - я говорю сейчас о городе. Не исключено, что грузовой транспорт за рубежами города будет еще долгое время, возможно, в перспективе до 2030-2035 годов, работать на бензине и керосине.

Второе. У нас будет очень много робототехники. Через 15 лет повсеместно будут внедрены почтовые коптеры, по городам будут разъезжать таксисты - автопилоты и самостоятельные беспилотные автомобили для каршеринга. В результате мы уменьшим в 10 раз количество автомобилей в городе, так как вам не будет нужно собственное авто, да и для окружающей среды такая ситуация будет намного полезней. На ближайшие 100 лет электричество останется основным вариантом энергии.

Редактор рубрики

Эдуард Добрин

Юрий Добровольский: мы хотим получить эффективный двигатель без пороков ДВС

комментарии (0)

Другие интересные новости

Фильм "Партнеры" победил в конкурсе короткометражного кино ММКФ