" Я верю, что водород и кислород в виде воды будет использован как неисчерпаемыйц источник тепла и света" Жюль Верн, Загадочный остров, 1874".

Эти слова великого фантаста ХIХ века взяты в качестве эпиграфа для брошюры, выпущенной к экспозиции BMW Group в Мюнхене в 2000 году.

Топливо будущего - водород. Это обусловлено возможностью обеспечения практически полностью закрытого цикла обращения "вода(-Е)Н2+О(+Е)вода". Т.е., теоретически требуется привлечь энергию для разложения воды и получить энергию в механическом видн при синтезе воды путем сгорания водорода в ДВС.

Тема альтернативных углеводородным источников топлива возникла достаточно давно ввиду того, что запасы нефти, газа и угля все-таки невосполнимы и должны когда-нибудь закончиться. Кроме того, сам факт горения углерода представляет собой негатив ввиду образования СО и СО2. Окись углерода - ядовитое соединение, загрязняющее атмосферу, а двуокись - ответственна за глобальное потепление и парниковый эффект.Причем, в мире существует четкая тенденция к увеличению потребления топлива . Год от года в атмосферу Земли выбрасывается все большее количество СО2.

Естественно, что работы в области создания водородного топлива, его получения, доставки, подачи потребителю BMW ведет не из чистого альтруизма. В случае успеха Концерн будет лидером в этой области, держателем основных технологий и решений. Это позволит настолько далеко опередить ближайших конкурентов, что благополучие BMW будет обеспечено на многие десятилетия.

Пока же BMW AG активно и настойчиво призывает правительства наиболее развитых стран принять участие в создании инфраструктуры для применения водородного топлива, лоббирует на всех уровнях водородную программу. А что касается успехов, то они очевидны и неоспоримы. И сегодня мы имеем право сказать, что водородный проект BMW вполне состоялся, живет и развивается..

Октябрьская экспозиция 2000 г. в Pavillon BMW Group в Мюнхене посвящена применению в автомобиле водорода в качестве топлива, и называлась "The 5-th Element".

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДА В ДВС - решения от BMW.

Как всегда, в BMW к решению проблемы подошли комплексно. Получение водорода должно производится в идеале с помощью солнечной энергии, получение механической энергии - с помощью сгорания водорода в двигателе. Пока получение водорода для ДВС происходит централизованно, но имеет перспективу разработка систем фотосинтеза, при котором для разложения воды используется энергия Солнца.

Адаптация топливной системы (ТС).

Подача топлива к двигателю.Здесь особенных трудностей не возникает. Газовые автомобильные системы достаточно хорошо проработаны, и в плане реализации ТС газ гораздо удобнее жидкости, т.к. газ подается к двигателю собственным давлением, определяемым редуктором. Управление смесеобразованием так же облегчено, т.к. не требуется распылять жидкость и применять устройства для организации жидкостно-воздушной смеси, а достаточно лишь перемешать атмосферный воздух с водородом.

Облегчается устройство форсунок, отпадает необходимость иметь жидкостный топливный насос и т.д. В отличие от бензинового двигателя, двигатель на водороде работает на обедненной смеси.
В плане образования окислов азота, образующихся при горении топлива на бедных смесях (для непосвященных - азот составляет большую половину состава атмосферы Земли) водородная топливная система отрегулирована так, что охлаждение поршня и камеры сгорания (в бензиновых двигателях осуществляется бензином) осуществляется воздухом, подающимся в гораздо более избыточных количествах.

Сам же принцип работы топливной системы нисколько не изменяется, точность дозирования газа гораздо выше, чем бензина.Благодаря избыточному воздуху, полностью исчезает детонация - неконтролируемое горение. В бензиновых двигателях эта возможность регулируется как раз недостатком воздуха в смеси.Из-за бедной смеси энергия, получаемая в камере сгорания, получается гораздо меньше, чем при горении бензина. Поэтому, расход водорода для обеспечения той же мощности и пробега получается выше, чем жидкого топлива.

Отсюда была сформулирована задача обеспечения пробега автомобиля не менее 400 километров с полной заправки. Именно при этом автомобиль становится приемлемым на рынке

Согласно расчетам и проведенным испытаниям топливный бак должен иметь емкость 140 литров, что соответствует 400 км пробега (250 миль), что соответствует, в свою очередь, 40 литрам бензина. Топливный бак расположен за задними сиденьями автомобиля и представляет собой термоизолированный сосуд типа дьюара.

Основная проблема с водородом - топливный бак и его безопасность.

И все, что с этим связано - АЗС, заправка автомобиля, хранение водорода и обеспечение безопасности.

Как известно, водород наряду с гелием - самые легкие элементы таблицы Менделеева. Соответственно, их перевод в жидкое состояние и хранение в этом виде весьма затрудненыДля того, чтобы хранить водород в виде жидкости, необходима емкость с внешним охлаждением до -253С, или емкость, способная выдерживать давление в сотни атмосфер.Равновесное состояние водорода "газ-жидкость" лежит в области низких температур (-253С). В случае же утечки водород образует с кислородом воздуха самовоспламеняющуюся гремучую смесь. Т.е., должна была быть решена задача обеспечения безопасности, одинаковой с бензиновыми системами.

BMW удалось решить эту задачу. При этом было принято, что одна полная заправка используется в течение не более 3 дней. Вообще, тесты водородных баков и их испытания проводились многие годы. Бак представляет собой, как уже говорилось, термоизолированную емкость с очень прочными стенками, со сверхтеплоотражающим внутренним покрытием, вакуумной прослойкой и предохранительными клапанами, обеспечивающими постепенное безопасное испарение водорода в случае его неиспользования в течение 3 дней.

После того, как в результате повышения температуры в баке образуется газообразный водород, предохранительный клапан обеспечивает его плавное стравливание. Работы велись в сотрудничестве с Magna Steyr, австрийской дочерней компанией канадской Magna International, и Linde AG, Германия.

BMW были проведены серии тестов на безопасность водородных баков при авариях. Исследовались все возможные ситуации, в т.ч., возникновение пожаров. Созданный в итоге топливный бак выдерживает нагрев 1000С в течение 70 минут. В серии тестов на внешние воздействия бак с заглушенными клапанами был раздавливался высоким внешним механическим давлением. При этом конструкция бака обеспечивает плавную безопасную утрату водорода.

В итоге был создан топливный бак, не взрывающийся ни при каких мыслимых условиях.

Отношение к водороду, обычно настороженное, теперь должно будет поменяться, т.к. в исполнении BMW водородный автомобиль ничуть не опаснее бензинового. Особенно учитывая тот факт, что водород ввиду летучести горит в воздухе, а бензин, разлившийся при аварии, горит на жемле, сжигая все вокруг.

АЗС и заправка автомобиля.

В принципе, газовые заправки существуют уже давно, т.е., имеется опыт работы с газом.

Но температура -250С предполагает применение особых технологий и материалов для оборудования АЗС. Низкая температура предполагает использование криогенных материалов и технологий при доставке жидкого водорода (LH) на АЗС и его подачу в автомобиль. Если технологии для жидкого азота (-180С) используются достаточно давно и хорошо отработаны, то для температур LH требовались новые испытания. Задача, кроме конструкторской, еще и материаловедческая, что связано с особой летучестью водорода. В итоге таки были подобраны материалы, исключающие диффузию водорода и позволяющие применять их для транспортировки и подачи LH.

Сама процедура наполнения бака тоже имеет особенности. Ведь в пустом баке содержится газообразный водород, который не может быть вытеснен, а давление необходимо как-то сбросить. В версии BMW при заправке водородного бака на стенках его вначале разбрызгиваются "затравочные" капли жидкогго водорода, которые, испаряясь, понижают температуру. Это и вызывает конденсацию газа в баке, падение давления и выравниванию давления при наполнении жидким водородом. С точки зрения водителя заправка производится при минимальном участии водителя, т.к. не приходится открывать крышку бака и т.д.(что, в принципе, невозможно при таких температурах и высоком внутреннем давлении). Был разработан специальный стыковочный узел "пистолет-бак", где водитель лишь только должен более-менее правильно подъехать и дать команду на заправку.

	Все остальное - стыковка и наполнение бака - делается роботизированной системой. Выходить из автомобиля не нужно. В итоге была создана автоматизированная АЗС, обеспечивающая безопасную заправку жидким водородом без его испарения в атмосферу. Процедура заправки занимает три минуты - стандарт для заправки полного бака бензинового двигателя. Первая такая АЗС заработала в Мюнхенском аэропорту.
Водородный BMW на Odeons Platz, Мюнхен

Топливно-энергетические ячейки.

Совершенно новое направление, которое начали разрабатывать в BMW, - топливно-энергетические ячейки. Эти разработки представляет собой неоценимый вклад Концерна в мировую науку и технику. Принцип действия ТЭЯ состоит в получении электричества при окислении водорода кислородом воздуха в полимерной электролитной мембране. Набор ячеек обеспечивает необходимое напряжение и мощность. Система топливно-энергетических ячеек смонтирована в багажнике и обеспечивает электрической энергией все системы автомобиля - от освещения до кондиционирования. При этом отпадает необходимость иметь генератор. Т.е., реализована идея ПРЯМОГО преобразования энергии топлива в электричество. Для того, чтобы было понятнее - в обычных авто на бензине электричество получается тоже от сгорания топлива - двигатель вращает генератор, сжигает бензин. КПД составляет менее 20%.

При прямом преобразовании КПД гораздо выше. Емкость же, силовые характеристики ТЭЯ превосходят электрохимические аккумуляторы, в т.ч. по срокам использования.

Самое же привлекательное состоит в том, что выработка электроэнергии происходит без участия двигателя!!! Т.е., двигатель не работает, но все электросистемы и кондиционирование полностью работоспособны!!!Особенно интересен принцип работы системы кондиционирования. В обычном кондиционере охлаждение происходит при испарении хладагента в теплообменнике. Для конденсации хладагента применяется компрессор.

В случае же ТЭЯ охлаждение происходит за счет испарения самого топлива - водорода. Для теплового же обмена используется вентилятор.

Система ТЭЯ использует воду для охлаждения. Цикл использования является почти закрытым. Использование воды является недостатком ТЭЯ. При низкой температуре вода в ячейке может замерзнуть, и ячейка выключится. Данная проблема технически так же была решена BMW.

Энергия из космоса.

Название абзаца - почти шутка. Речь идет о том, чтобы получать кислород прямым электрохимическим разложением воды с использованием солнечной энергии. В настоящее время технически процесс осуществляется с применением фотоэлементов. Ввиду сложности задачи BMW разрабатываются и тестируются системы фотоэлектрического разложения воды.

Развитие проекта Clean Energy. Вполне понятно, что для развития рынка водородных автомобилей необходимо иметь инфраструктуру- систему автозаправок, производство и обслуживание водородных систем, заводы по производству сжиженного водорода. Основа для реализации проекта уже есть - производство топливной аппаратуры и аппаратуры АЗС для сжиженного природного газа. Однако, сжиженный ПГ тмеет температуру около -160С, в то время как жидкий водород - -250С. Понятно, что переход на водород требует новых технических решений.

Сравнение различных источников энергии

Для привлечения новых идей, разработок участников BMW основала Союз "Hydrogen Forum - 2000". Задача участников форума - в организации перехода на водород как топливо в 21 столетии.

Итак, что мы имеем на сегодняшний день?

BMW 760hl	Mini Cooper h

Имеем проработанные автомобили с водородными двигателями - 760hl и малый автомобиль "Mini Cooper h". Имеем проработанную систему производства жидкого водорода, систему доставки на АЗС и устройства дозирования и подачи LH потребителю в топливный бак. Что ж. Пожелаем успеха BMW AG в дальнейшем развитии водородного пректа!

---

2001 год. Всемирный BMW Tour "BMW Clean Energy" (BMW CleanEnergy World Tour 2001)

В 2001 году BMW организовал Мировой тур - автопробег на водородных автомобилях по всему миру.

se_bmw

Использованы материалы:

Current Factbook “Hydrogen Drive” © BMWAG, AK-2,May 1999 и

"BMWCleanEnergy The Hydrogen Age has begin. Das Wasserstoff-Zeitalter hat beginnen", 2000г.