Будущее без бензина. Это вообще возможно?

Германия решила к 2030 году запретить двигатели внутренного сгорания

В октябре бундесрат Германии принял резолюцию о запрете на производство автомобилей с двигателями внутреннего сгорания с 2030 года. Это не первая подобная инициатива в Европе — запрет двигателей обсуждают Норвегия и Нидерланды, но именно она может изменить отношение мира к вредным выбросам в атмосферу. И дело тут не только в том, что Германия — экономический лидер ЕС, но и в том, что именно в ФРГ производятся основные европейские автомобили. По просьбе «Медузы» журналист Василий Сычев напоминает историю двигателя внутреннего сгорания и рассказывает о его основных конкурентах.

Конкуренты с середины XIX века

История автомобильного транспорта началась в конце XVIII века, когда появились первые паровые установки. В начале 1770-х годов французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо разработал и продемонстрировал публике свой паровой тягач для артиллерийских орудий. Это была громоздкая тележка с массивным паровым котлом. Тягач мог передвигаться чуть быстрее пешехода и был крайне неповоротлив. Своим проектом Кюньо не смог заинтересовать военных, и вскоре работы над тягачом были прекращены.

В начале XIX века начали появляться первые машины с двигателями внутреннего сгорания. Это были экспериментальные образцы с двигателями, работающими на газовой смеси. Например, двигатель швейцарского инженера Франсуа Исаака де Рива функционировал на смеси водорода и кислорода. Долгое время двигатели внутреннего сгорания оставались лишь плодом экспериментов: они имели небольшую мощность, были ненадежны, потребляли много топлива и нуждались в регулярной замене деталей.

Параллельно в Европе активно развивался новый тип автомобилей, использующих для передвижения электрическую тягу. Эти машины выгодным образом отличались от коптящих, «чихающих» и «хлопающих» собратьев с газовыми двигателями. Электромоторы развивали хороший крутящий момент, могли разгонять самоходные повозки до впечатляющих 15–17 километров в час. Электрические автомобили по дальности хода не уступали, а то и превосходили своих газовых собратьев, были существенно тише и проще в эксплуатации. А еще они реже требовали ремонта.

Все изменилось в 1870-х годах, когда был изобретен и испытан двигатель на жидком бензиновом топливе. Первый такой образец не имел впечатляющих характеристик, но был компактнее паровых установок и имел более простую конструкцию, чем газовые двигатели. Спустя 15 лет после этого изобретения немецкий инженер Карл Бенц развернул серийное производство первых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания на жидком топливе. После этого конструкция бензиновых (а чуть позже и дизельных) двигателей начала совершенствоваться бешеными темпами. Очень быстро автомобили с такими силовыми установками стали легкими и скоростными, их дальность хода уже исчислялась сотнями километров. Электромобили конкуренцию бензину проиграли.

Для работы современных двигателей используются самые разные виды топлива, производимого из нефти и газа. При сгорании такое топливо в лучшем случае образует воду и углекислый газ, а в худшем — угарный газ, опасные соединения серы и свинца, углеводород и сажу. На долю автомобильного транспорта в выбросе антропогенных парниковых газов приходятся 14 процентов, и это самый высокий показатель среди всех существующих гражданских видов транспорта. Для сравнения: на долю авиации приходятся только 4–5 процентов. Все эти выбросы, вкупе с вредными выбросами заводов и масштабным производством сельскохозяйственной продукции, по мнению экологов, сильно вредят окружающей среде, и их объемы необходимо срочно сокращать. Например, с помощью электромобилей, которые в XXI веке снова стали конкурировать с машинами, работающими на бензине.

Пока электромобили стоят намного дороже машин с двигателями внутреннего сгорания: например, довольно популярный пятиместный электромобиль Mitsubishi i-MiEV обойдется европейцу самое меньшее в 23,7 тысячи евро. Для сравнения: сопоставимый по классу автомобиль Mitsubishi Mirage с литровым бензиновым двигателем стоит 13 тысяч евро.

Именно поэтому правительства пока субсидируют покупку электромобилей. Так, с весны 2016 года в Германии действует государственная программа, по которой каждому покупателю электромобиля положена скидка в четыре тысячи евро — их автосалону платят из бюджета. Благодаря этой и другим мерам количество электромобилей в Германии стабильно растет, хотя они все еще составляют незначительную часть от общего количества авто. Так, в 2015 году в Германии было продано 3,2 миллиона новых машин, из них на гибриды и электромобили пришлось 11 тысяч. Из 45 миллионов зарегистрированных машин в ФРГ гибридов и электромобилей — меньше половины процента.

Новая резолюция, принятая бундесратом Германии в октябре текущего года, предполагает, что если с 2030 года запретить продажу новых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, то к 2050 году страна может полностью избавиться от автомобильных выхлопов. Кроме того, немцы обратились к ЕС с предложением ввести аналогичные правила и по всему ЕС. Если оно будет принято, автомобильные компании по всему миру получат новый стимул вкладываться в производство электрокаров, а бензоколонки в Европе — перепридумывать модель бизнеса.

Не только автомобили

Двигатель внутреннего сгорания используется не только в автомобилях. Так, в той же Германии из 46,5 тысячи километров железных дорог электрофицированы только около 20 тысяч. На участках, не снабжаемых электричеством, используются составы, движимые дизельными локомотивами. Их Германия в ближайшем будущем планирует заменить локомотивами на водородных топливных элементах.

Именно по заказу немецкого правительства французская компания Alstom разработала новый региональный поезд Coradia iLint, работающий на водороде. Он был представлен на выставке InnoTrans в Берлине в сентябре этого года. Серийное производство iLint начнется в середине 2017 года, а в декабре первый такой поезд начнет выполнять перевозки в Германии.

В Coradia iLint водородные топливные ячейки размещены на крыше локомотива. Они вырабатывают электричество для зарядки литий-ионных аккумуляторных батарей, питания бортовых систем и электромоторов. На полной заправке водородных емкостей состав из двух локомотивов сможет проехать до 800 километров. Поезд рассчитан на перевозку 300 пассажиров, включая 150 сидячих мест. Другие подробности о новом водородном поезде пока не раскрываются.

Есть планы и по замене двигателей в самолетах. Немецкая компания H2Fly в начале октября провела испытания четырехместного самолета HY4 с водородными топливными элементами. На его основе в перспективе планируется разработать пассажирский самолет, рассчитанный на 19 пассажиров. HY4 создан на базе словенского электрического самолета Pipistrel Taurus Electro G4, построенного по схеме с двумя фюзеляжами и одним электромотором с тянущим воздушным винтом между ними. Мощность электромотора составляет 80 киловатт. В носовой части каждого из фюзеляжей расположены кабины на два человека.

Словенский самолет дополнительно получил два бака, в которых под давлением хранится водород, низкотемпературные топливные ячейки и 45-киловаттную литий-полимерную аккумуляторную батарею. В самолете водородный топливный элемент вырабатывает электричество, которое питает бортовые системы, электромотор и подзаряжает аккумуляторы. Масса водородных баков составляет 170 килограммов, они вмещают в себя девять килограммов водорода. Масса водородного топливного элемента составляет 100 килограммов, а аккумуляторной батареи — 135 килограммов.

Масса пустого HY4 составляет 1,5 тонны. Самолет может развивать скорость до 200 километров в час и совершать полеты на расстояние до 1500 километров. Немецкий разработчик планирует использовать новые водородные самолеты для быстрой перевозки пассажиров между населенными пунктами внутри Германии.

Водородные топливные элементы были выбраны для поезда и самолета по нескольким причинам. Во-первых, их конструкция относительно проста, а сами элементы имеют небольшую массу. Во-вторых, они способны длительное время вырабатывать электричество. В-третьих, единственным продуктом работы водородных топливных элементов является дистилированная вода.

При этом получение водорода для заправки таких самолетов и поездов будет довольно дешевым. Для этого разрабатываются специальные установки, в которых при помощи электролиза на атомы кислорода и водорода будет расщепляться вода. Водород затем будет отфильтровываться, а кислород — выпускаться в атмосферу. Для электролиза планируется использовать электричество от солнечных батарей. К слову, прототип такой установки уже около полугода функционирует на базе ВМС США в Порт-Вайними в Калифорнии и примерно столько же в Федеральной политехнической школе Лозанны в Швейцарии.

Появятся в Германии и неводородные электрические летательные аппараты. Так, немецкая компания e-volo недавно обнародовала план развития на ближайшие несколько лет, согласно которому ее мультикоптеры VC200 и VC400 будут использоваться для пассажирских перевозок в пределах города с 2020 года. Это двух- и четырехместные электрические аппараты, оснащенные 18 электромоторами, каждый из которых приводит в движение двухлопастной воздушный винт.

Мультикоптер VC200 совершил первый пилотируемый полет в начале апреля текущего года. Максимальная взлетная масса летательного аппарата составляет 450 килограммов. Он способен развивать скорость до ста километров в час и подниматься на высоту двух километров. За питание электромоторов в нем отвечают литий-ионные батареи.

В настоящее время в Германии не существует стандартов сертификации электрических пассажирских летательных аппаратов, подобных VC200. E-volo параллельно разработке мультикоптеров занимается их тщательными испытаниями и сравнивает получаемые данные с данными других летательных аппаратов, полеты которых в Германии сертифицированы. Например, с легким двухместным вертолетом Robinson R22. По итогам испытаний, которые планируется завершить в 2017 году, e-volo сформирует и предложит авиационным властям Германии стандарт сертификации мультикоптеров. Какие именно требования в него будут заложены, пока неизвестно.

Многочисленные планы по переводу транспорта с двигателей внутреннего сгорания на более экологичные виды топлива пока еще далеки от воплощения, поэтому нельзя с уверенностью говорить, что эра зависимости экономики от нефти в прошлом. Тем не менее многие считают, что на дистанции в несколько десятилетий нефть немного потеряет свое значение как безальтернативный источник топлива для транспорта. Например, по данным прогноза компании BP, доля нефти в транспортной отрасли упадет к 2035 году с 93 до 88%. И значительная часть этого снижения наверняка придется именно на Германию.

Василий Сычев