Toyota Mirai. Порождающий воду

Удивительный факт: водород, являющийся самым распространенным элементом во вселенной, использовать в качестве топлива додумались еще два столетия назад на первых в истории ДВС. И только в наши дни появилась-таки надежда пустить водород в широкие массы. Знакомьтесь, перед вами Toyota Mirai — автомобиль, который может изменить ход автомобильной истории

ПРИЧИНЫ БЕСПОКОЙСТВА

Перед тем как детально изучить японскую новинку, стоит ответить на вопросы о причинах ее появления. Несложно догадаться, что главная из них кроется в экологии: например, в 2009 году именно от работы разного рода транспорта в атмосферу нашей с вами планеты производилось около 25 % выбросов углекислого газа. И по оценкам Международного энергетического агентства ситуация в ближайшие годы будет ухудшаться чуть ли не в геометрической прогрессии: по словам специалистов, уже к 2050 году упомянутый процент выбросов может удвоиться и продолжит расти по мере увеличения мирового автопарка. Если все так, то почему именно к водороду как виду топлива в последние годы вдруг стало проявляться столь пристальное внимание? Ведь, казалось бы, еще совсем недавно на водородных автомобилях был практически поставлен крест из-за нецелесообразности их внедрения, а весь интерес перешел к электро- и гибридомобилям. Начнем с азов.

По удобству заправки Mirai почти не уступает автомобилям с классическим ДВС: для заполнения двух баков емкостью 60 и 62,4 литра требуется около трех минут

ОБЪЕКТ ИЗУЧЕНИЯ

Свое имя водород (Hydrogen) получил от латинского Hydrogenium, что буквально означает «порождающий воду». Догадываться о существовании этого замечательного химического элемента, который значится в таблице Менделеева как Н2, люди стали еще в 16–17 веках. Во времена, когда химия только-только стала приобретать статус науки, ученые впервые заметили выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов. Официальным же открывателем химического элемента стал Антуан Лавуазье, который совместно с инженером Жаном Меньё в 1783 г. установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из нее получен. К этому заключению ученые пришли, осуществив анализ воды, разложив водяной пар раскаленным железом.

ПЕРВЫЕ ШАГИ

Ждать практического применения водорода по историческим меркам пришлось недолго: уже в 1807 г. французско-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Ривас построил первый поршневой двигатель, который работал на газообразном водороде. В процессе сгорания выделялись энергия и выхлопные газы в виде водяного пара и некоторого количества азота. Агрегат, часто именуемый «машиной де Риваса», стал прообразом современных ДВС, имея в своем арсенале и шатунно-поршневую группу, и искровое зажигание. Неудивительно, что попыток использовать самый распространенный элемент во Вселенной (на его долю приходится около 88,6 % всех атомов) вместо привычного бензина и дизеля за всю историю автомобилестроения предпринималось немало. Хотя более или менее успешно внедрить такой ДВС в самоходную повозку получилось только полвека спустя. Пионером здесь стал бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар: его экипаж на основе одноцилиндрового двухтактного двигателя самостоятельно проехал от Парижа до Жуинвиль-ле-Понта. Заметно позднее, уже в 20 веке, инженерами было предпринято куда большее количество попыток «приручения» непослушного элемента, но до серийных автомобилей дело так и не доходило. Чем же водород так приглянулся автомобилестроителям, и отчего процесс его освоения оказался столь долог и тернист?

Интерьер водородомобиля столь же необычен, как и его экстерьер, хотя большинство органов управления остались более-менее привычными. Управление второстепенными функциями медиасистемы и климат-контроля — сенсорное

ОСНОВНЫЕ ДОВОДЫ

Одной из причин интереса к водородному транспорту стал рост цен на энергоносители (уголь, нефть и их производные). И хотя с середины 2014 года цена барреля нефти упала почти вдвое, на российских продуктах нефтепереработки это, естественно, не отразилось: в отличие от США, цены на бензин и дизтопливо даже и не думают падать. Другая серьезная проблема — ограниченность и невозобновляемость природных ресурсов. Так, по приблизительным подсчетам специалистов при нынешних темпах потребления разведанной нефти хватит примерно на 40 лет, а неразведанной — еще на 10—50 лет. Это, конечно, не может не настораживать. Не менее значимый стимул в поисках альтернативы — стремление стран, особенно тех, что обделены данными природными богатствами, обрести энергетическую независимость. Водородное топливо здесь выгодно отличается — элемент хоть и не встречается в природе в чистой форме, может извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов. Здесь, правда, мы возвращаемся к главной проблеме: чтобы добыть Н2, в большинстве случаев требуются затраты электроэнергии, вырабатываемой за счет преобразования различных видов топлива (в России, например, доля получаемой с помощью ТЭС электроэнергии составляет 67%). Но прогресс не стоит на месте: доля современной возобновляемой энергии (гидроэнергия, энергия ветра и солнца, биоэнергетика и т. д.) растет, и в 2013 году этот показатель составил уже 21 % от общего объема. Ну и, пожалуй, последняя важная причина использования водорода — отсутствие вредных выбросов или хотя бы их минимальное наличие.

Водород в Mirai необходим вовсе не для воспламенения, а для участия в электрохимической реакции в блоке топливных элементов Toyota FC Stack. Ячейка водородного элемента по сути состоит из положительных и отрицательных электродов, разделенных электролитом

По сравнению с топливными ячейками, устанавливаемыми на концепте FCHV-adv с 2010 по 2013 год, стоимость элементов в Mirai снизилась почти в 20 раз!

ДОЛОЙ ГОРЕНИЕ!

И здесь мы, наконец, подошли к главной проблеме: как рациональнее, удобнее и эффективнее превратить водород в электроэнергию? В большинстве опытных и предсерийных автомобилей водород использовали как топливо в обычном ДВС: в этом случае мощность в сравнении с бензиновым эквивалентом снижалась до уровня 65–82 %. Теоретически мощность можно и нарастить (были случаи ее увеличения до 117 %), если внести изменения в систему зажигания. Но тогда теряется весь смысл использования этого топлива: из-за возросшей температуры воспламенения смеси сильно увеличиваются выбросы окислов азота и повышается износ деталей двигателя, сильно снижая его ресурс. Роторно-поршневые моторы такого недостатка лишены: там горючая смесь поступает в относительно холодную камеру мотора, где неконтролируемое самовоспламенение практически исключено. С серийными роторными моторами в последние годы имели дело только в «Мазде», где также экспериментировали с водородным топливом. Но особым успехом этот опыт не увенчался: проблема образования окислов NO в этом случае не решается, а повышенного расхода масла, которое, по сути, выбрасывается в атмосферу, избежать не получается. Именно поэтому более перспективным способом преобразования водорода в электроэнергию стали топливные элементы, которые только начали успешно применяться автопроизводителями. И если в случае автомобилей с ДВС водород используется в качестве замены привычному топливу, то транспортные средства с топливными элементами — это совершенно другой класс. Последние можно отчасти считать гибридными электромобилями с водородной мини-электрос танцией. И в числе пионеров, как вы уже догадались, — Toyota. Главная особенность такой системы — полное отсутствие процесса горения. А это уже совсем другое дело!

Электрический постоянный ток, выходя из топливных элементов, проходит через конвертер, в котором преобразуется в переменный ток

Силовая установка Mirai — «гибридная». Запасенное при рекуперации электричество здесь хранится в дополнительной АКБ

ЭВОЛЮЦИЯ БУДУЩЕГО

Mirai в переводе с японского означает «будущее». Что ж, не осмелюсь с этим спорить — водородная Toyota, на мой взгляд, может стать еще более успешным новатором, чем популярнейший гибрид Prius,  который прижился даже в России. И дело тут вовсе не в еще более экстравагантно-космическом дизайне кузова. Для большей наглядности, думаю, лучше просто привести некоторые характеристики: мощность силовой установки водородного седана составляет 155 л. с., разгон до сотни занимает приемлемые 9 секунд, запаса «водородного» хода должно хватить примерно на 483 км, а время полной заправки не превышает 3 минут. Неплохо, особенно если учитывать, что по размерам водородомобиль отнюдь не маленький и сопоставим с седаном D-класса — Toyota Camry! В чем же секрет этой компоновки? Принцип действия вроде бы прост, но лишь на первый взгляд. Водород, хранящийся в двух баках высокого давления емкостью 60 и 62,4 литра, и кислород, поступающий через огромные воздухозаборники, одновременно направляются в блок топливных элементов Toyota FC Stack. Здесь в результате химической реакции взаимодействия водорода и кислорода вырабатывается обычная вода (знакомая со школы реакция Н2 + О2 = Н2О) и помимо этого — электроэнергия. А коли есть энергия, есть и движение! Электрический ток, произведенный в топливных элементах, проходит через преобразователь FC Boost Converter, в котором постоянный ток преобразуется в переменный, а напряжение увеличивается до 650 вольт. Последний этап сего действа — синхронный электродвигатель, который передает момент на ведущие передние колеса. Приятная особенность такой схемы — характерный для электромобилей высокий крутящий момент, составляющий внушительные 335 Нм. Электродвигатель работает и как генератор, регенерируя энергию при торможении во вторичный аккумулятор — никель-металлгидридный, с максимальной выходной мощностью 21 кВт. Последний девайс, кстати, является больше вспомогательным: его энергия будет задействована при резком ускорении. Вся прелесть водородной схемы подобного типа — крайне высокий КПД, который составляет 83 % (для сравнения, 1,3-литровый тойотовский двигатель VVT-iE, который появился в 2014 году, на сегодня имеет самый высокий среди бензиновых моторов максимальный КПД 38 %).

Несмотря на сложную конструкцию, компоновка Mirai получилась весьма компактной

КОНЕЧНЫЙ ПРОДУКТ

В итоге у «Тойоты» получился современный автомобиль, который по характеристикам и эксплуатационным качествам может не уступать ни автомобилям с классическим ДВС, ни электромобилям. По сравнению с бензиновыми машинами здесь сохраняются сопоставимый запас хода и почти такая же мобильность (разве что в канистру водород залить не получится), а главное — быстрая заправка топливом. Это все, конечно, справедливо при условии широкого распространения водородных АЗС. С этим дела вроде бы налаживаются. Например, в Японии уже построено 17 заправочных водородных станций, к 2016-му обещают 100; в Германии 15, в 2015-м будет 50, а к 2020-му — 1000; в Корее к 2020 году должны построить 160. Про Россию пока что говорить рано. Производители электромобилей здесь могут противопоставить возможность зарядки автомобиля дома, но процесс этот зачастую медленный и не всегда удобный — поблизости должна быть электросеть. В «Тесле» пошли по другому пути и стали предлагать экспересс-замену аккумуляторов, но в таком случае исключается возможность унификации. Соответственно, нужно будет искать специализированную зарядную станцию (в ближайшем будущем компании вряд ли согласятся производить одинаковые АКБ). Что до электромобилей, то от них в водородомобиле Mirai — одни плюсы.

Для гибрида объем багажника вполне приемлем и составляет 361 литр

Главные из них — возможность рекуперации энергии, высокий крутящий момент электродвигателя, низкий центр тяжести и отсутствие шумного и хлопотного в обслуживании классического ДВС. Ну и, конечно же, нулевой выброс. Еще один аргумент в пользу водорода — множество способов добычи, вплоть до извлечения из мусора и навоза! Забыл упомянуть еще один забавный «бонус»: Toyota Mirai можно использовать в качестве… передвижного электрогенератора мощностью 9 кВт! По словам создателей, одной заправленной до максимума «Тойоты» может хватить, чтобы в течение недели обеспечивать электроэнергией загородный дом.

Под капотом — блок управления питанием и электромотор

После всего перечисленного у читателя наверняка должен возникнуть вопрос: сколько же чудо стоит? Рекомендованная розничная цена новинки на домашнем рынке составляет 7,23 млн иен (около $ 62 200). В США продажи стартуют лишь через год, но цена уже определена и составляет $57 500 (3 млн руб.). Зато там покупатель сможет рассчитывать на дополнительные скидки от правительства, которые составят около $12 000. Дорого? На мой взгляд, для столь инновационного автомобиля не так уж и много: уверен, со временем водородомобили станут гораздо доступнее. Остается лишь гадать, какова в ближайшем будущем будет стоимость водорода — есть сомнения, что ее будут завышать, как в случае с обычным топливом. Впрочем, промежуточные результаты уже можно подвести: за первый месяц на домашнем рынке седан Mirai заказали 1500 покупателей из Японии, хотя планировалось реализовать только 400.