Автомобили на альтернативном топливе - это такие авто, которые работают на любом топливе, кроме "традиционных" нефтяных видов топлива (бензин или дизельное топливо), а также если система питания двигателя не предполагает исключительно нефть (например, электрический автомобиль, гибридные электрические транспортные средства, на солнечных батареях). Из-за сочетания ряда факторов, таких, как экологические проблемы и высокие цены на нефть, развитие более чистых альтернативных видов топлива и передовых энергетических систем для транспортных средств стало важным приоритетом для правительств многих стран и производителей автомобилей по всему миру.

Гибридные электромобили, такие как Toyota Prius на самом деле не являются автомобилями на альтернативном топливе, но за счет использования современных технологий в электрической батарее и моторе/генераторе, они делают использование нефтяного топлива более эффективным. В дргих исследованиях и разработках альтернативных методов получения энергии сосредотачиваются на разработке полностью электрического и автомобиля на топливных элементах, а также энергии сжатого воздуха.

По состоянию на 2010 во всем мире использовалось около одного миллиарда транспортных средств. Для сравнения, по состоянию на середину 2011 года, по всему миру было продано 47 миллионов транспортных средств на альтернативном топливе и передовых технологиях. Среди них:

• 25100000 flexible-fuel (по данным на июнь 2011 года): лидирует Бразилия с 14,3 млн., за ними США с почти 10 миллионами, Канада (600 000), и в Европа, с лидером Швецией (226 089).
• 12700000 на природном газе (по данным на декабрь 2010 года): лидирует Пакистан с 2,7 млн., Иран (1,95 млн.), Аргентина (1,9 млн.), Бразилия (1,7 млн.) и Индия (1,1 млн.).
• От 2,4 до 3,0 миллиона транспортных средств на этаноле до сих пор используется в Бразилии из 5,7 млн., произведенных с 1979 года.
• Более чем 3,4 миллиона гибридных электрических транспортных средств, проданных к середине 2011 года: лидирует США с более чем 2,0 млн. единиц, далее Япония с более чем 1,1 млн. и Европе около 250 тысяч штук. Во всем мире Toyota Motor Company является лидером с 3,0 млн проданных гибридов до февраля 2011 года.
• Меньше чем 100.000 plug-in электрических автомобилей, проданных к середине 2011 года, среди которых лидируют с низкой скоростью и местные электрических транспортных средств (NEVs) с более чем 45000 штук, проданных по глобальной Global Electric Motorcars (GEM); более чем 20000 электромобилей, среди которых лидирует Nissan Leaf с более чем 10 000 штук, проданных по всему миру к концу июля 2011 года, за ним Mitsubishi MiEV я с более чем 5000 штук, REVAi с более чем 4000 штук, Tesla Roadster с более чем 1500 штук, и Th!nk City с более чем 1000 штук; и около 4000 гибридов, во главе с Chevrolet Volt с более чем 3000 штук и BYD F3DM с почти 500 штук.

Концепция суперконденсатора

В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же, использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Типичная ёмкость ионистора — несколько фарад, при номинальном напряжении 2—10 вольт.

История создания ионистора

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric. Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда». Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое.

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотой конденсатор», работающий на том же принципе. Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для SRAM.

Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor».

Преимущества и недостатки суперконденсаторов

С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. Широко применяются в качестве замены батареек для хранения информации о параметрах изделия при отсутствии внешнего питания. Такие элементы имеют как несколько преимуществ, так и недостатков над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами:

Преимущества суперконденсаторов

• Высокие скорости зарядки и разрядки.
• Простота зарядного устройства
• Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда
• Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости
• Низкая токсичность материалов
• Высокая эффективность (более 95 %)
• Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «−», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе)

Недостатки суперконденсаторов

• Удельная энергия меньше, чем у традиционных источников (5-12 Вт·ч/кг при 200 Вт·ч/кг для литий-ионных аккумуляторов)
• Напряжение зависит от степени заряженности
• Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф × 2,5 В
• Большое внутреннее сопротивление по сравнению с традиционными конденсаторами (10...100 Ом у ионистора 1 Ф × 5,5 В)
• Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании

Материалы для ионисторов

Электроды выполняют, как правило, путём использования пористых материалов, таких, как активированный уголь или вспененные металлы, вместо обычных изоляционных материалов. Общая площадь поверхности, даже в тонком слое такого материала во много раз больше, чем в традиционных материалах, таких как алюминий, что позволило хранить заряд в любом объеме. Уголь не является хорошим изолятором, поэтому ионистор можно использовать только при низких потенциалах, порядка 2÷3 В.

Плотность энергии

Плотность энергии ионисторов пока еще в несколько раз меньше возможностей аккумуляторов. Например, плотность энергии ионистора BCAP3000 3000Ф x 2.7В массой 0.51 кг составляет 21.4 кДж/кг. Это в 7.6 раз меньше плотности энергии свинцовых электролитических аккумуляторов, в 25 раз меньше литий-полимерных аккумуляторов, но в десятки раз больше плотности энергии электролитического конденсатора.

Плотность мощности ионистора зависит от внутреннего сопротивления. В последних моделях ионисторов внутреннее сопротивление достаточно мало, что позволяет получать мощность, сравнимую с аккумуляторной.

В 1997 году исследователи из CSIRO разработали супер-конденсатор, который мог хранить большой заряд за счёт использования плёночных полимеров в качестве диэлектрика. Электроды были изготовлены из углеродных нанотрубок. У обычных конденсаторов удельная энергия составляет 0,5 Вт·ч/кг, а у конденсаторов PET она была в 4 раза больше.

В 2008 году индийские исследователи разработали опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоёмкостью до 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30—40 Вт·ч/кг).

В 2011 году корейские ученые под руководством профессора Чой Джунг Вук (Choi Jung-wook) разработали суперконденсатор, изготовленный с применением графена и азота, обеспечивающий удвоенную емкость по сравнению с традиционными источниками энергии того же класса. Улучшение электрических свойств элемента питания было достигнуто благодаря добавлению азота.

Области применения ионисторов

Транспортные средства

Ё-мобиль - проект автомобиля, разрабатываемый в России, использует суперконденсатор как основное средство для накопления электрической энергии. Сами эти конденсаторы пока не выпускаются серийно и разрабатываются параллельно с автомобилем.

Существуют проекты, объединяющие суперконденсатор и химический аккумулятор в едином блоке, что взаимно компенсирует недостатки тех и других. В результате получается накопитель с большим сроком службы, меньшей стоимостью и большим запасом энергии, чем при использовании обычных аккумуляторов.

Бытовая электроника

Альтернативные источники энергии

Перспективы развития суперконденсаторов

Срок службы ионисторов велик. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик. Согласно недавним заявлениям сотрудников MIT, ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счет создания туннельного эффекта. Группа учёных из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый трёхмерный углерод. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора. Обработка вышеописанного материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого количества крохотных пор, которые в сочетании с электролитом смогли хранить в себе колоссальный электрический заряд.

Распространение водородного транспорта сдерживается отсутствием инфраструктуры водородных заправочных станций. Правительства разных стран и регионов принимают программы строительства водородной инфраструктуры.

К концу 2008 года во всём мире функционировало 200 стационарных водородных автомобильных заправочных станций.

Планируется и ведётся строительство:

США

• Водородное шоссе (Калифорния) — К 2010 году 200 заправочных станций на главных шоссе штата;
• Hi Way Initiative — водородное шоссе в штате Нью-Йорк (США);
• 2H2 — водородное шоссе Иллинойса>;
• The Northern H (Канада, США) — к 2010 году планируется соединить заправочными станциями крупные города вдоль главных торговых путей Манитобы (Канада), Дакоты, Миннесоты, Айовы и Висконсина;
• New York Hydrogen Network: H2-NET (США) — 20 заправочных станций между Нью-Йорком и Буффало (штат Нью-Йорк);
• Водородное шоссе Флориды — между городами Орландо и Тампа.

The Northern H — планируется построить 12 водородных заправочных станции на расстоянии около 200 км друг от друга. Все заправочные станции будут демонстрировать различные способы производства водорода — из различных возобновляемых источников, или СО₂ нейтральные.

Предложено шесть концепций производства водорода:

• из этанола;
• из энергии ветра;
• из метана. Станции будут получать водород из метана, который в свою очередь будет производиться из биомассы;
• из угля с захватом СО₂. Станция будет построена на заводе по газификации угля в Дакоте;
• из аммиака.
• продажа произведенного промышленными методами водорода.

Строительство первой очереди сети завершится к 2012 году.

Крупнейшая в мире сеть водородных заправочных станций построена в Калифорнии. В 2004 г. губернатор штата Арнольд Шварценеггер предложил план «Видение 2010» («Vision 2010»). Планом предусмотрено строительство к 2010 году 150—200 водородных заправочных станций на главных шоссе штата через каждые 20 миль.

В конце 2006 г. в Калифорнии работало 39 водородных заправочных станций.

Канада

• Водородный коридор (Канада) — 900 км вдоль главных дорог между Монреалем и Виндзором.
• BC Hydrogen Highway — Водородное Шоссе Британской Колумбии. Построить водородную инфраструктуру от Вистлера до Ванкувера, Суррея и Виктории, а затем продолжить водородное шоссе до Сан-Диего в Калифорнии. Строительство завершится до зимней Олимпиады 2010 г.

Норвегия

• HyNor (Норвегия) — водородное шоссе между городами Осло и Ставангер (580 км.).

Первая заправочная станция построена в августе 2006 года. Закуплено 30 Toyota Prius с двигателями, модифицированными для работы с водородом.

Официальное открытие шоссе состоялось 11 мая 2009 года.

Скандинавские страны

Швеция, Норвегия и Дания создали совместное партнёрство: Scandinavian Hydrogen Highway Partnership (SHHP). Партнёрство с 2012 до 2015 года планирует вывести на дороги 100 автобусов, 500 автомобилей и 500 специализированных транспортных средств, работающих на водороде. Будет построено 15 заправочных станций, самостоятельно производящих водород, и 30 станций в сельской местности.

Евросоюз

В сентябре 2006 года энергетические компании Shell Hydrogen B.V., Total France и автомобилестроительные компании Daimler AG, Ford Motor Company, General Motors Europe AG, MAN Nutzfahrzeuge AG и Volkswagen AG приняли план под названием «Следующие Шаги для Развития Водородной Инфраструктуры Дорожного Транспорта в Европе».

План разделён на три фазы:

• Фаза 1 до 2010 года: Технологическое развитие и сокращение стоимости. Испытания водородного транспорта в одном Европейском регионе.
• Фаза 2 с 2010 примерно до 2015 года: Предкоммерческая технологическая готовность, подготовка рынка. Инфраструктура заправочных станций (жидкий водород и газообразный под давлением 700 бар). Публичная доступность водородной инфраструктуры в одном пилотном регионе и для городских автобусах в нескольких городах, или регионах Европы.
• Фаза 3 примерно с 2015 года: Коммерциализация. Организация массового производства в течение 10 лет водородных автомобилей.

План описывает критерии выбора демонстрационных городов и регионов. Первым демонстрационным городом, вероятно, станет Берлин.

В 2007 году построены две первых водородных заправочных станции по проекту Zero Regio в Ломбардии и Франкфурте.

В 2005 году в Дании был принят проект строительства водородной инфраструктуры под названием «Hydrogen Link». Первые семь заправочных станций были построены в 2008 году. В 2009 году заправочные станции будут построены в трёх городах. До 2018 года Дания планирует инвестировать в водородный транспорт €250 млн.