Антэл
Антэл
Автомобиль на топливных элементах – так расшифровывается это название (придуманное, кстати, Г. Мирзоевым).
Сами топливные элементы как таковые не являются чем-то новым. Первый такой элемент (вернее, его действующая модель) был собран ещё в 1839 году британским судьёй Уильямом Гроувом (William Grove), который всё свободное время отдавал изобретательству.
Он обнаружил, что знакомый всем нам ещё со школы процесс электролиза воды с разложением на водород и кислород является, как ни странно, обратимым.
При наличии соответствующего катализатора (у Гроува это была платина) водород и кислород могут соединяться в молекулы воды с выделением электрического тока. Каждая такая топливная ячейка выдаёт напряжение до 1V, однако их можно объединять в батареи, получая довольно большие мощности.
Процесс сопровождается образованием воды и выделением некоторого количества тепловой энергии.
Энергетический кпд водородных топливных элементов значительно выше, чем у традиционных энергоустановок, и может достигать 90%.
Килограмм водорода по калорийности эквивалентен примерно 4,5 литра бензина.
Почему же человечество почти два века не использовало столь заманчивый и практически бездонный источник энергии?
Дело в том, что топливные элементы (далее в тексте ТЭ) получались очень дорогими – прежде всего из-за стоимости катализаторов (это в основном платина и палладий).
Хотя это и не стало препятствием для создателей лунников и челноков – и советских, и американских. Здесь ТЭ оказались незаменимыми и прошли первую технологическую и практическую доводку и обкатку.
Только как спустить их из космоса и приспособить для земных нужд?
И в конце XX века созданием реальных, предназначенных для продажи автомобилей, использующих энергию водородного цикла, занялись крупнейшие автопроизводители: GM, Ford, Volkswagen, BMW, Toyota, Honda и другие.
Появилась ещё одна многообещающая альтернатива электромобилям, столь резво в своё время начавшим, но так и остающимся пока весьма ограниченными в применении.
А вот появлением ТЭ на нашем заводе мы обязаны энергии и настойчивости Г. Мирзоева (главного конструктора с 1976 по 1998 год).
Ему и предоставим слово.
Г. Мирзоев.
Узнали мы, что ещё в доперестроечные времена несколько институтов АН СССР работали над проблемами водородной энергетики – в основном по оборонно-космической тематике.
Начались поиски путей доступа к этим ТЭ.
Где-то к маю 99-го года выяснилось, что нужные нам устройства применяются в Буране. Диапазон поисков сузился до ракетно-космической корпорации (РКК) Энергия имени Королёва.
Используя все свои связи, через третьи-пятые руки узнали фамилии и телефоны, созвонились:
– Мы с ВАЗа, хотели бы поговорить о совместной работе.
– А откуда вы о нас узнали?
В конце концов удалось получить согласие на встречу.
– Ладно, приезжайте.
– А куда приезжать?
Объяснили. Но предупредили:
– У нас режимное предприятие, провести вас внутрь мы не сможем. Давайте встретимся у проходной, а дальше что-нибудь придумаем.
Встретились у проходной.
– А теперь куда пойдём?
– Есть тут у нас берёзовая роща, в ней и погуляем, и поговорим, чтобы чужих ушей рядом не было.
Хорошо, пошли в рощу. Их трое, нас трое. Часа полтора бродили кругами, разговаривали. Любое слово, любой показатель из них приходилось клещами вытягивать.
Такой была первая встреча. Потом состоялась вторая, третья… Мы уже узнали, что в Королёве делали только саму энергоустановку, а батареи топливных элементов они получали с Уральского электрохимического комбината (УЭХК, г. Новоуральск).
Пришлось пробиваться туда.
– Мы с ВАЗа, хотели бы сотрудничать.
Сначала знакомая осторожная задумчивость во взглядах: пускать – не пускать, разговаривать – не разговаривать? Тем не менее пустили, даже устроили встречу со своими ведущими специалистами. Собралось человек восемь.
– А вы знаете, что такое топливный элемент?
– Весьма приблизительно.
– А вы знаете, сколько это стоит?
– И сколько?
– Только разработка потребует 5 миллионов долларов ежегодно, в течение 15 лет.
– Тогда извините за беспокойство, вы нас не за тех принимаете. У нашего завода таких денег нет.
Словом, не нашли понимания. Через два часа нас в гостинице разыскивают:
– Давайте завтра ещё встретимся.
Короче, заключили договор. С первичной стоимостью для нашей стороны (не поверите!) 7 миллионов. И даже не долларов, а рублей!
За эти 7 миллионов мы сделали Антэл-1. И через несколько месяцев уже не мы за этими секретными учёными-разработчиками-изготовителями ходили и их упрашивали, а они нам о себе напоминали. Потому что мы вернули им любимую работу!
Знаете ведь, чем история с Бураном закончилась? Его приспособили в аттракцион для московского парка культуры и отдыха.
Так уральцы готовы были, мне кажется, работать с нами даже бесплатно (признаюсь, ВАЗ не по всем счетам ещё с ними расплатился).
Почему крупнейшие фирмы мира так активно занялись проблемами ТЭ лишь сейчас?
Время поджимает. Потребление энергии, хотим мы или не хотим, экономим или нет, с каждым годом растёт. Основным её источником остаётся углеводородное, ископаемое сырьё, и оно, увы, не бесконечно.
А ТЭ позволяют в принципе снять многие проблемы, открыть поистине безграничный источник энергии.
Да, пока они очень дороги. Но вспомните, сколько средств вложено за минувшие сто с небольшим лет в двигатель внутреннего сгорания, как совершенствовался, удешевлялся углеводородный цикл.
В настоящее время стоимость 1 кВт мощности энергоустановки на топливных элементах достигает 3 тысяч долларов.
А для её экономической эффективности нужно опуститься на уровень 100 – 200 долларов.
Президент Буш поставил перед США цель: к 2020 году все автомобили должны быть переведены на новые двигатели. На эту задачу из бюджета выделяется около 3 миллиардов долларов, и ещё в 3-4 раза больше вкладывают частные инвесторы.
Мы показали Антэл-1 на пятом Московском автосалоне в 2001 году.
По большому счёту, назвать это настоящим автомобилем было трудно. Это скорее ходовой макет, ХМ – есть у нас в автостроении такой специальный термин. По сути, смонтировали всё на машину, чтобы посмотреть: что – к чему – почём?
Окончательная сборка Антэл-1 происходила не в Тольятти, а в подмосковном Королёве, в РКК Энергия. Мы привезли туда автомобиль 2131 без силовой установки и стали его начинять с помощью местных специалистов – ведь опыта работы с водородом у нас не было.
Не скрою, было страшновато. Баллоны с водородом, с кислородом, все трубки из особой нержавейки.
Одним из главных достижений было то, что основное водородное оборудование, снятое с Бурана (начиная с баллонов и кончая самой энергетической установкой), уместилось в багажнике длинной Нивы. У других фирм в начале это оборудование полсалона занимало.
Самый напряжённый момент – первый запуск. Сначала всех отогнали подальше. Произвели заправку и попытались поехать.
Первым место за рулём занял ведущий инженер проекта от Энергии В. Никитин, следующим сел вазовец С. Ивлев.
И никаких сбоев! Ездили по внутреннему дворику примерно час, по очереди. Некоторые даже начали лихачить, так что пришлось этот спектакль прекратить.
На следующий день переехали на главную площадь ракетно-космического комплекса, там, где установлена их первая ракета, поднявшаяся в космос.
Явилось всё высшее начальство, во главе с генеральным директором Энергии Ю. Семёновым. Приехал В. Каданников. Пригласили космонавтов, представителей Главкосмоса. И все они поочерёдно катались по площади вокруг этой исторической ракеты.
А ещё через несколько дней (почему мы и торопились) машину отправили на Московский автосалон, где она сразу стала одной из изюминок. Это был 2001 год.
Шуму, интереса, расспросов было много. Специалисты, понимающие суть, спрашивали: «А где же вся установка? Салон же свободный!». – «Всё в багажнике!».
Японцы, те допытывались: «Это вы всё сами сделали?».
Вопрос мне тоже был понятен: японцы до самого последнего времени закупали водородные генераторы в Канаде, на фирме Ballard Power Systems, по миллиону, кстати, долларов за штучку. А уж дальше обвязку-привязку делали сами.
2001 год. Первый образец переднеприводного автомобиля 2131ТЭ Антэл-1н а топливных элементах. Электрохимический генератор (ЭХГ) размещён в багажном отсеке, плотно закрытом шторками от любопытных глаз. Силовая установка (электродвигатель с редуктором и главной передачей) размещены в моторном отсеке, пятиместный салон – свободный.
Принципиальная схема устройства Антэл-1.
Рентгеновский снимок автомобиля Антэл-1.
Г. Мирзоев и ведущий конструктор проекта С. Ивлев (на нижнем снимке справа) демонстрируют электрохимический генератор Антэла-1 генеральному директору ВАЗа А. Николаеву (вверху) и губернатору области К. Титову (2001 г.).
Образец 2111ТЭ Антэл-2, где вместо кислорода используется воздух. Всё оборудование удалось разместить под полом и в моторном отсеке. В результате, кроме свободного салона, имеется нормальное багажное отделение.
Принципиальная схема устройства Антэл-2.
Рентгеновский снимок автомобиля Антэл-2.
Внешне Антел-2 ничем, кроме надписей, не отличается от обычного 2111.
Зато под капотом – совершенно другая начинка.
Багажный отсек тоже вроде бы ничем не отличается (вверху). И только при снятой крышке лючка видны расположенные под полом водородные баллоны.
В целом размещение элементов оборудования на Антэл-2 получилось гораздо компактнее, чем на Антэл-1.
Г. Мирзоев объясняет министру промышленности В. Христенко принцип действия электрохимического генератора. Сзади – К. Титов, В. Вильчик и Н. Головко.
После расспросов начиналась оценка, разбор по элементам, по характеристикам. И все удивлялись, что на первом образце мы достигли неплохих показателей.
После закрытия Московского автосалона я пригласил всех журналистов в Дмитров, на автополигон. Приехали многие – поближе познакомиться, что это за чудо-юдо. И всех желающих катали на Антэле.
На Московский автосалон 2003 года мы представили уже Антэл–2, который был значительно усовершенствован по сравнению со своим предшественником. Он был выполнен на базе универсала 2111.
Энергоустановка Антэл-1 работала на водороде и кислороде, имела мощность 17 кВт и вырабатывала ток напряжением 120 V.
У Антэл-1 ёмкость баллонов для водорода и кислорода составляла соответственно 90 и 36 л, давление газов – 250 атм.
Но с самого начала было понятно, что возить в непосредственной близости баллоны с водородом и кислородом опасно, к тому же они занимают много места и требуют заправки.
Задача перевести работу ЭХГ с кислорода на воздух ни у кого не вызывала сомнений. Антэл-2 был укомплектован первым отечественным щелочным водородно-воздушным генератором на топливных элементах напряжением 240 V и мощностью 25 кВт.
На Антэл-2 вместо кислородного баллона был использован компрессор. Давление газа в баллонах Антэл-1 составляло 250 атм; теперь же водород находится в баллоне под давлением 400 атм.
Зато пробег автомобиля на одной заправке увеличился с 200 до 350 км. Максимальная скорость также возросла с 80 до 100 км/ч.
Энергоустановка, система управления, тяговый двигатель – всё разместилось под капотом. По сравнению с базовой моделью 2111 масса автомобиля увеличилась на 250 кг.
Появилось и ещё одно новшество. Раньше на то, чтобы закачать водородом 90-литровый баллон Антэл-1, уходило 2 часа. Но если не закачивать газ в баллон, а дать ему перетечь туда под определённым давлением, на всю процедуру уйдёт 5 – 10 минут. Именно такая технология и была внедрена на Антэл-2.
Работа с Антэл-1 показала, что на достаточно быстрый разгон автомобилю не хватает мощности. Чтобы исключить эту проблему, решили в Антэл-2 использовать буферную аккумуляторную батарею.
Была разработана никель-металлогидридная аккумуляторная батарея с высокой удельной энергоёмкостью (10 А/ч) и напряжением 240 V.
Она позволила кратковременно увеличивать мощность при разгонах почти в два раза и использовать энергию, принятую при торможении – эффект рекуперации.
Тормозная система тоже претерпела изменения. На Антэл-2 установлен компактный электроусилитель тормозов, благодаря чему управлять автомобилем стало гораздо легче.
Антэл-2 проезжает без подзарядки 350 км.
На его борту предусмотрена система хранения и подачи водорода, оснащённая тремя сверхлёгкими и прочными баллонами по 30 л. Водород в них находится под давлением 400 атм.
В Антэл-1 очень много времени уходило на запуск установки. Чтобы автомобиль тронулся с места, нужно было ждать около полутора часов, пока генератор разогреется до 60 градусов (на полную мощность он выходит при 95 градусах).
Время запуска второй модели удалось сократить до 10-15 минут благодаря специальным нагревателям, установленным непосредственно в генераторе.
Ещё для Антэл-2 был разработан новый тяговый электродвигатель переменного тока максимальной мощностью 60 кВт, напряжением до 300 V, с КПД более 90% и массой 30 кг (электродвигатель Антэл-1 имел показатели соответственно: 25 кВт, 120 V, 75% и 68 кг).
Остаётся отметить, что Антэл-2 представляет собой 5-местный универсал с полноразмерным багажником (базовой моделью послужила Лада 111), а все узлы и системы энергоустановки разместились под полом и в подкапотном пространстве.
Единственно, что не изменилось, – на Антэл-2 продолжает работать батарея топливных элементов с космического Бурана.
Мы, правда, уже переделали её до предела возможностей: повысили напряжение с 200 до 240 V, перевели её с кислорода на воздух, увеличив при этом мощность до 25 кВт и т.д. – то есть она по конфигурации осталась та же, но начинка там абсолютно новая.
Уральский электрохимкомбинат теперь в числе наших активных друзей-помощников, мы для них тоже новые перспективы открываем.
Были у нас задумки по Антэл-3 и Антэл-4, где водород для топливных элементов получается либо из природного газа, либо из бензина прямо на борту автомобиля. Главное достоинство: автономность от систем дозаправки водородом.
К сожалению, осуществить эту заманчивую идею пока не удаётся.
Создание экологически чистых автомобилей является во всём мире государственной политикой и субсидируется в той или иной степени. Глядишь, и Россия до этого дойдёт.
Мы вплотную подходим к чистому автомобилю: никаких вредных выбросов – ни углекислого газа, ни тепловых загрязнений, не говоря уже о букете ядовитых углеводородов.
Конечно, вся работа в этом направлении ещё впереди. Автомобилей с двигателями внутреннего сгорания в мире ежегодно выпускается порядка 50 миллионов штук.
И в один день изменить это нельзя: необходимо создать мощности, перейти на выпуск автомобилей на топливных элементах, образовать всю инфраструктуру обслуживания.
Процесс будет длительным и постепенным. Но в любом случае никуда не уйдёшь от требований экологии, от всё более ужесточающегося дефицита углеводородного сырья.