Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, паркетных внедорожников серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса — Lexus LS 600h.

По итогам 2006 года во всём мире было продано более полумиллиона только модели Prius. Технологию гибридного привода Toyota HSD лицензировали Ford (Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).

Массовое производство гибридных автомобилей сдерживается дефицитом никель-металл-гидридных аккумуляторов.

В 2006 году в Японии было продано 90410 гибридных автомобилей, что на 47,6 % больше, чем в 2005 году.

В 2007 году продажи гибридных автомобилей в США выросли на 38 % в сравнении с 2006 годом. Гибридные автомобили в США занимают 2,15 % рынка новых легковых автомобилей. Всего за 2007 год в США было продано около 350000 гибридных автомобилей (без учёта продаж корпорации GM).

Всего с 1999 года до конца 2007 года в США было продано 1 002 000 гибридных автомобилей.

Гибридные автобусы

Автобусы с гибридными (дизель/электричество) силовыми установками разрабатывают и производят:

• New Flyer Industries — Канада. Выпускает гибридные автобусы с 1997 года.
• DaimlerChrysler — автобус Orion VII. Гибридная схема разработана совместно с компанией BAE Systems;
• General Motors — Гибридная схема GM/Allison разработана совместно с DaimlerChrysler и BMW;
• Optima Bus Corporation (США) — Гибридная схема разработана совместно ISE-Siemens;
• Enova (США);
• First Automotive Works (FAW) (Китай) — Гибридная схема Enova;
• Solaris Bus & Coach (Польша) — Гибридная схема GM/Allison;
• APTS (Нидерланды) — Гибридная схема GM/Allison (Phileas);
• Optare Group (Великобритания) — Гибридная схема GM/Allison;
• Nova Bus (Канада) — Гибридная схема GM/Allison;
• DesignLine International Holdings (Новая Зеландия). На автобусах установлены микротурбины компании Capstone MicroTurbine и аккумуляторы;
• Beiqi Foton Bus (Китай) — Гибридная схема Eaton Corporation;
• ЛИАЗ (Россия) — автобус ЛиАЗ-5292;
• Тролза (Россия) — экобус ТролЗа-5250 с микротурбиной (топливо — природный газ, пропан, бутан) на базе троллейбуса Тролза-5265;
• Dongfeng Motor Company (Китай) — автобус Dongfeng EQ6110;
• Volvo — Volvo 7700 Hybrid;
• Hyundai Motor Company — автобус Blue-City;

Наибольшее распространение гибридные автобусы получили в Северной Америке. General Motors с 2004 года к июню 2008 года поставил более чем в 30 городов США и Канады 1000 гибридных автобусов. Компания Orion Bus Industries к сентябрю 2009 года произвела 2200 гибридных автобусов. Первые шесть гибридных автобусов в Лондоне начали эксплуатироваться в начале 2006 года First Automotive Works начала производство гибридных автобусов осенью 2005 года.

Разрабатывают гибридную схему для автобусов, состоящую из водородных топливных элементов и аккумуляторов:

• Бельгийская компания Van Hool совместно с компаниями ISE Corp (США) и UTC Power (США);
• Японские компании Toyota и Hino.

Гибридные грузовики

Гибридные схемы для грузовиков разрабатывают и производят компании:

• Azure Dynamics (США)
• Nissan совместно с ZF Friedrichshafen AG (Германия)
• Alcoa совместно с Altair Nanotechnologies (США) разрабатывают аккумуляторы для гибридных грузовиков
• Odyne Corporation (США)
• Peterbilt 386 hybrid (США) совместно с Eaton
• Oshkosh Truck Corp
• Volvo Cars и MAC
• Hino Motors (Япония)
• Caterpillar Inc. (США)

Гибридные спортивные автомобили

Все более стесненные технические регламенты гонок вынуждают конструкторов гоночных машин обращать внимание на нетрадиционные методы увеличения их эффективности. Гибридная силовая установка — один из таких методов. Впервые об их применении стали широко говорить в конце 90-х гг. когда три команды «Формулы-1» вели разработки такой системы, позволявшей заряжать аккумуляторы при торможении, чтобы затем выдать энергию в виде дополнительного разгонного импульса. Тогда ФИА запретила работу над этими системами из опасения неконтролируемого роста расходов. Однако реалии современного мира заставили вновь обратить внимание на эти системы. С 2009 г. разрешено использование таких систем в гонках Ф1. Их применение сулит много преимуществ — лучшие характеристики торможения, возможность кратковременного увеличения мощности, что может быть использовано для обгона соперников, кроме того двигатель работает в более выгодных режимах.

Кроме того, гибридный автомобиль Тойота Супра HV-R уже выиграл 24 часовую гонку в Токайчи, а в 2008 г. в гонке 24 часа Нюрбургринга участвовал гибридный Гумперт Аполло, который, правда, до финиша не добрался, два года спустя гибридный Порше с механической системой рекуперации, сошёл, лидируя, за 2 часа до финиша, из-за поломки основного мотора. В гонках на выносливость гибридный привод сулит также дополнительное преимущество в виде большой экономичности, что позволяет реже проводить дозаправки и таким образом экономить время. С 2011 г. регламент LMP1 будет допускать применение гибридных приводов, но направленных исключительно на экономию топлива, а не улучшение скоростных показателей.

Существует студенческий класс спортивных гибридных автомобилей, когда учащиеся сами создают в рамках регламента уникальные конструкции. Соревнования проходят на трассе NASCAR New Hampshire Motor Speedway в США и Формула — 1 Silverstone. Есть участники данного направления и в России — команда Формула Гибрид МАДИ(ГТУ), впервые принявшие участие в 2009 году.

Перспективы гибридного транспорта

Toyota объявляла о намерении к 2007 году увеличить объём выпуска гибридных автомобилей до 900 тысяч в год, а к 2012 году вообще перейти исключительно на выпуск гибридов.

Лондон после 2012 года будет закупать только гибридные автобусы. Будет вводиться в эксплуатацию по 5000 гибридных автобусов ежегодно.

Фирма Walmart уже сейчас закупила несколько тысяч гибридных «петербилтов» (Peterbilt 386 hybrid — первый гибрид в классе седельных тягачей).

Перспективы в России

В России группой ученых (В. В. Давыдов, А. И. Лаврентьев и др.) под руководством д.т. н. профессора Н. В. Гулиа (Московский государственный индустриальный университет) предложен метод радикального увеличения эффективности гибридного силового агрегата за счет резкого снижения потерь в трансмиссии. Применение специально разработанной дифференциальной системы разделения потоков мощности позволяет поднять КПД бесступенчатой трансмиссии гибрида до 95 % — 97 % и передавать через варьируещее звено не более 15 % от полной мощности.

Но, в качестве накопителя энергии в этой системе обязательно должен применяться маховик с механическим отбором мощности. Иначе разделение потоков мощности в трансмиссии гибрида будет неэффективным при рекуперативном торможении и разгоне автомобиля.

Ё-мобиль — проект, нацеленный на сознание в далекой перспективе автомобиля, работающего на электричестве, получаемом от генератора с газовым (бензиновым, дизельным) роторно-лопастным двигателем и ёмкостного накопителя энергии. Разработка городского гибридного автомобиля была начата силами компании ЯРОВИТ Моторс, а затем предложена Михаилу Прохорову в качестве предмета совместной деятельности. Сотрудничество ЯРОВИТ и Михаила Прохорова началось задолго до легкового гибрида — не позднее 2004 года, в котором тяжёлые грузовики «Яровит» проходили опытную эксплуатацию на предприятиях «Норильского Никеля», одним из совладельцев которого являлся Михаил Прохоров.

Применение топливных элементов: От стационарных установок до портативной электроники

Топливные элементы - это универсальная технология, которая может быть применена в различных областях, от производства электроэнергии до питания мобильных устройств.

Стационарные устройства

• Производство электрической энергии: Топливные элементы могут использоваться на электрических станциях для производства электроэнергии из различных видов топлива, включая водород, метанол и природный газ. Это обеспечивает более чистый и эффективный способ производства электроэнергии по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями.
• Аварийные источники энергии: Топливные элементы могут использоваться в качестве резервных источников энергии в случае отключения электроснабжения. Они обеспечивают непрерывное питание критически важных объектов, таких как больницы, серверные центры и сигнальные системы.
• Автономное электроснабжение: Топливные элементы идеально подходят для обеспечения электроэнергией отдаленных объектов, где нет централизованного электроснабжения, например, в сельской местности, на островах или на морских платформах.

Транспорт

• Электромобили: Топливные элементы обеспечивают высокую эффективность и низкие выбросы в атмосферу, что делает их перспективным решением для электрических автомобилей.
• Автотранспорт: Топливные элементы могут использоваться в автобусах, грузовиках и других видах автотранспорта для снижения выбросов загрязняющих веществ и повышения экономичности.
• Морской транспорт: Топливные элементы могут применяться в судах и катерах для снижения выбросов и повышения эффективности использования топлива.
• Железнодорожный транспорт: Топливные элементы могут использоваться в локомотивах и электропоездах для снижения выбросов и повышения эффективности.
• Горная и шахтная техника: Топливные элементы обеспечивают чистый и эффективный источник энергии для тяжелой техники, используемой в горнодобывающей промышленности.
• Вспомогательный транспорт: Топливные элементы идеально подходят для питания складских погрузчиков, аэродромной техники и других видов вспомогательного транспорта.

Бортовое питание

• Авиация: Топливные элементы могут использоваться в самолетах для обеспечения электроэнергией бортовых систем и снижения выбросов.
• Космос: Топливные элементы широко используются в космических аппаратах для генерации электроэнергии из водорода и кислорода.
• Подводные лодки: Топливные элементы могут использоваться в подводных лодках для обеспечения электроэнергией и кислородом.

Мобильные устройства

• Портативная электроника: Топливные элементы могут питать портативные компьютеры, телефоны, планшеты и другие мобильные устройства.
• Зарядные устройства для армии: Топливные элементы обеспечивают компактный и эффективный источник энергии для зарядки мобильных устройств в полевых условиях.
• Роботы: Топливные элементы могут питать роботов, обеспечивая им длительную автономную работу.

Проблемы топливных элементов: Путь к широкому внедрению еще не прост

Топливные элементы представляют собой перспективную технологию, способную решить проблему загрязнения окружающей среды и обеспечить энергетическую независимость. Однако, перед широким внедрением топливных элементов стоит несколько серьезных препятствий.

Отсутствие развитой водородной инфраструктуры

Основной проблемой является отсутствие развитой водородной инфраструктуры. Это порождает классическую проблему "курицы и яйца": производители не готовы массово выпускать водородные автомобили без заправочной инфраструктуры, а инвесторы не стремятся вкладываться в создание заправочных станций без достаточного спроса на водородные автомобили.

Тепловыделение и управление тепловой энергией

Топливные элементы выделяют значительное количество тепла в процессе работы. Это требует создания сложных систем утилизации тепла, таких как паровые турбины, что усложняет конструкцию и повышает стоимость топливных элементов.

Проблема отравления катализатора и долговечность мембраны

Катализаторы топливных элементов могут быть отравлены некоторыми примесями в топливе, что приводит к снижению эффективности и срока службы элемента. Протонообменные мембраны также имеют ограниченный срок службы и могут деградировать под влиянием температуры, влажности и химических воздействий.

Низкая скорость реакций и инертность

Топливные элементы характеризуются относительно низкой скоростью химических реакций, что делает их непригодными для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок. Для решения этой проблемы требуется применение дополнительных энергетических систем, таких как сверхконденсаторы или аккумуляторные батареи.

Получение и хранение водорода

Водород является перспективным топливом для топливных элементов, но его производство и хранение связаны с рядом проблем. Водород должен быть достаточно чистым, чтобы не отравлять катализатор топливного элемента. Кроме того, его производство и хранение должны быть экономически выгодными и экологически безопасными.

Примеры проблем и их решения

Отравление катализатора: Для уменьшения отравления катализатора необходимо очищать водород от вредных примесей, таких как СО и сероводород. Это можно сделать с помощью различных методов очистки, например, каталитического окисления.

Долговечность мембраны: Исследователи работают над созданием новых материалов для мембран с улучшенными характеристиками долговечности и устойчивости к температуре и химическим воздействиям.

Высокая стоимость платины: Изучаются альтернативы платиновым катализаторам, например, ферменты, которые могут быть более дешевыми и эффективными.

Перспективы и будущее топливных элементов

Несмотря на существующие проблемы, топливные элементы имеют огромный потенциал для развития и внедрения в различные сферы жизни. Интенсивные исследования и разработки в этой области приводят к постоянному улучшению характеристик топливных элементов, а также к появлению новых материалов и технологий, что обещает уменьшение стоимости и увеличение эффективности этой технологии в будущем.

Выводы

Топливные элементы - это перспективная технология, способная обеспечить чистый и эффективный источник энергии в различных сферах жизни. Несмотря на некоторые проблемы с их внедрением, успехи в исследованиях и разработках обещают широкое использование топливных элементов в будущем.

Топливные элементы: Ключ к экологически чистой энергии

Топливные элементы представляют собой уникальную технологию преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию без сжигания, что делает их очень перспективными в контексте развития экологически чистых источников энергии.

Принцип работы ТЭ

Топливный элемент - это электрохимическое устройство, в котором происходит реакция между топливом (например, водородом) и окислителем (например, кислородом), вырабатывая электричество. Процесс напоминает работу батареи, но в отличие от нее топливные элементы не требуют зарядки, поскольку они непрерывно получают топливо извне.

Ключевые преимущества топливных элементов

• Высокий КПД. Топливные элементы обладают высоким коэффициентом преобразования химической энергии в электрическую (до 80%), что значительно превышает КПД традиционных тепловых электростанций.
• Экологичность. В процессе работы топливных элементов выделяется минимальное количество вредных выбросов, как правило, только вода и углекислый газ.
• Тихая работа. Топливные элементы работают без шума и вибраций, что делает их идеальным решением для использования в жилых помещениях или в городской среде.

Митохондрия - идеальный топливный элемент!

Природа уже давно создала совершенный топливный элемент - митохондрию. Митохондрия окисляет углеводы, белки и жиры до углекислого газа и воды, вырабатывая энергию за счет разницы потенциалов на своих мембранах. Создание искусственной митохондрии, способной окислять сахар или целлюлозу, является одной из важнейших инженерных задач современности.

Принцип работы топливного элемента

В топливном элементе топливо и окислитель разделены мембраной, которая пропускает ионы, но не электроны. На аноде топливо окисляется, выделяя электроны, которые движутся по внешней цепи к катоду. На катоде окислитель восстанавливается, принимая электроны и образуя продукт реакции. В результате этого процесса генерируется электрический ток.

Типы топливных элементов

Схема топливного элемента с электролитом с протонной проводимостью

Разработано 6 основных типов топливных элементов, и все они относятся к электрохимическим системам преобразования энергии, где химическая энергия топлива непосредственно преобразуется в электрическую.

Протонообменная мембранная топливная ячейка (PEMFC)

Топливный элемент с протонообменной мембраной использует полимерную протонообменную мембрану (PEM) для проведения ионов водорода (протонов) и работает при низких температурах (50-100°C).

Преимущества:

• Высокая эффективность (около 50%).
• Низкая рабочая температура (около 80°C).
• Быстрое время запуска.

Недостатки:

• Использует чистый водород (требуется хранение и транспортировка).
• Чувствительна к загрязнению.
• Высокая стоимость материалов.

Применение: Электромобили, портативная электроника.

Прямой метанольный топливный элемент (DMFC)

Прямой метанольный топливный элемент использует метанол в качестве топлива.

Преимущества:

• Метанол - удобное топливо, легко транспортируется и хранится.
• Простая конструкция.

Недостатки:

• Низкая эффективность (около 40%).
• Низкая плотность мощности.
• Выделяет вредные продукты сгорания (CO2).

Применение: Портативная электроника, беспилотники.

Расплавной карбонатный топливный элемент (MCFC)

Расплавной карбонатный топливный элемент (MCFC) использует расплавленный карбонат в качестве электролита и работает при температурах от 650 до 750 °C.

Преимущества:

• Высокая температура (около 650°C).
• Способен использовать различные виды топлива, включая природный газ.
• Может быть использован для когенерации тепла и электроэнергии.

Недостатки:

• Высокая стоимость материалов.
• Длительное время запуска.
• Высокая коррозия.

Применение: Стационарные электростанции.

Фосфорнокислый топливный элемент (PAFC)

Фосфорнокислый топливный элемент (PAFC) использует фосфорную кислоту в качестве электролита и работает при температуре около 200 °C.

Преимущества:

• Высокая стабильность.
• Долговечность.
• Хорошо подходит для использования природного газа.

Недостатки:

• Низкая эффективность (около 40%).
• Высокая рабочая температура (около 200°C).
• Высокая стоимость.

Применение: Стационарные электростанции, когенерация.

Щелочной топливный элемент (AFC)

Щелочной топливный элемент (AFC) использует водный раствор гидроксида в качестве электролита и работает при температуре от 60 до 220 °C.

Преимущества:

• Высокая эффективность (около 60%).
• Низкая рабочая температура (около 100°C).
• Быстрое время запуска.

Недостатки:

• Чувствителен к загрязнению.
• Требует очищенного водорода.
• Имеет ограниченное время службы.

Применение: Космические приложения, портативная электроника.

Твердооксидный топливный элемент (SOFC)

Использует твердый керамический электролит и работает при высоких температурах (800-1000°C).

Важно отметить, что каждый тип топливного элемента имеет свои преимущества и недостатки. Выбор того или иного типа зависит от конкретного приложения и требований к эффективности, стоимости, размера и др.

Перспективы развития

Топливные элементы имеют большой потенциал для развития и могут быть использованы в различных сферах, включая автомобилестроение, энергетику, электронику и другие. Несмотря на то, что технология топливных элементов еще находится в стадии развития, она обещает стать ключевым элементом в переходе к более чистой и эффективной энергетике будущего.