Развенчание мифов об альтернативных видах топлива. Различные виды топлива и их характеристики

На протяжении всей истории развития человечества, люди постоянно были связаны с получением и использованием в своих целях различных видов энергии. Люди пользовались тепловой энергией в целях обогрева жилища, приготовления пищи, изготовления различных видов предметов быта и орудий труда.

С самого начала люди использовали нефть и уголь, которые при сжигании дают приличное количество тепла. На данный момент само понятие «топливо» подразумевает те вещества, которые при сжигании выделяют тепло в больших размерах. Данные вещества добываются промышленным способом и в зависимости от вида распространены на поверхности и в глубине Земли.

На данный момент самыми распространенными видами топлива являются нефть, нефтепродукты, уголь, природный газ, древесина, растительные виды топлива или отхода, торфяные соединения, горючие сланцы. Самыми сложными в использовании, но с другой стороны тепловыделяющими веществами являются вещества, которые используются на атомных электростанциях в ядерных реакторах, а также в ракетных и космических двигателях.

Вообще, все виды топлива можно классифицировать, например, по агрегатному состоянию. Т.е. получается существует твердое топливо (древесина, горючие сланцы, торф и уголь), жидкое топливо (нефть, нефтепродукты) и газообразное топливо (природный газ, водород). Возможно разделять топливо еще и по происхождению - растительное, минеральное и продукты промышленной деятельности, в частности, переработки.

Практически во всех видах топлива есть такой элемент как углерод, он может содержаться в количестве от 30-85% от общей массы вещества. В химический состав топлива могут входить также такие вещества, как водород, кислород, азот, сера, зола и вода.

Все виды топлива не могут быть одинаково эффективны и полезны. В основном это различие заключается в количестве тепла, которое выделяется при его полном сжигании. К примеру, при сжигании древесины выделяется 10,5 МДж, бензина - 45 МДж, а вот каменного угля - 20 МДж. Величина тепла, которое выделяется при полном сжигании топлива, прямо пропорционально зависит от того, сколько содержится в топливе углерода и водорода, и обратно пропорционально зависит от содержания азота и кислорода.

Также топливо можно разделить по жаропроизводительности, так, например, при сжигании бензина выделяется 2100 градусов Цельсия, при сжигании каменного угля - 2030 градусов Цельсия, а при сжигании древесина - 1600 градусов.

На сегодняшний день самым распространенным видов топлива является нефть, а до 70-х годов таким видом топлива являлся уголь. Нефть на данный момент является самым энергоэффективным топливом, и скорее всего топливо природного происхождения уже навсегда останется самым ходовым видом топлива.

Практически весь объем топлива, который сейчас добывается сжигается полностью. Только 10% из этого объема остается на переработку химической промышленностью (газ и нефть). Сейчас почти 80-90% топлива расходуется на нужды тепловых электростанций, атомных электростанций, в тепловых двигателях и на тепловые нужды. Эти нужды могут обеспечиваться потребностью в отоплении производственных помещений, жилых домов и крупных промышленных предприятий.

Крайняя медленная воспламеняемость до сих пор является основным недостатком природных видов топлива.

Посредством того, что потребности в энергетических ресурсах у человека с каждым днем растут и потребление топлива все время увеличивается, все ближе наступает день, когда энергетический кризис наступит, и это, к сожалению, неизбежно. Поэтому поиск новых видов топлива все больше заботит сегодняшних ученых и исследователей.

Благодаря научным разработкам и исследованиям, ученые сделали вывод, что не так сильно затронутыми и проработанными являются такие вещества, как вода, водород, газ и другие природные элементы. Поэтому сейчас нужно активно внедрять новые разработки в области применения энергоэффектиных продуктов и анализировать их распределение.

Россия является той страной, которая может похвастаться объемами энергетических ресурсов, уровнем их добычи и применения, поэтому на сегодняшний момент наша страна является одним из главных экспортеров энергоэффективного топлива по всему миру.

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

НОВЫЕ ВИДЫ ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Нефть «синтетическую» и газ, полученные из угля дополни­тельные углеводородные ресурсы, представленные органической составляющей горючих сланцев, битуминозных пород, топлив­ные спирты, а также водород относят к новым видам жидкого и газообразного топлива.

Уголь, горючие сланцы и битуминозные породы являются глав­ными перспективными источниками получения жидкого и газо­образного топлива. Потенциальные запасы содержащегося в них углеводородного сырья намного превосходят известные запасы нефти и природного газа.

Широко доступная и разнообразная сырьевая база и полно­стью отработанная и освоенная технология их производства яв­ляются одним из основных преимуществ энергетического исполь­зования спиртов в качестве топлива или добавки к нему. По мне­нию многих специалистов водород способен заменить ископае­мое органическое топливо в таких сферах его потребления, как авиация, автотранспорт, коммунально-бытовой сектор и т. д. При этом ресурсы водорода (если в качестве его источника рассмат­ривать воду) практически не ограничены.

Самым важным свойством водорода является универсаль­ность его использования. Он может применяться в качестве ос­новного топлива или как добавка к нефтяному при относительно небольших конструктивных переделках двигателя; энергия водо­рода может также преобразовываться в топливных элементах в электроэнергию; водород способен заменить природный газ и нефть почти во всех крупных химических производствах и т. д.

СИНТЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО ИЗ УГЛЕЙ

Большое значение имеет создание промышленной техноло­гии получения синтетических жидких топлив на базе огромных запасов бурых и каменных углей, в состав которых входят орга­нические и минеральные компоненты. Перечень и вещественное содержание этих компонентов предопределяет выбор направле­ний использования и методов комплексной переработки углей. Существенное влияние на дальнейшее расширение глубокой пе­реработки углей оказывает технический прогресс, представля­ющий собой непрерывное развитие и совершенствование орудий труда и технологических процессов в этой области.

К настоящему времени разработаны и проходят проверку но­вые технологические схемы и процессы, внедрение которых значительно расширит масштабы комплексной переработки уг­лей. К таким процессам в первую очередь относятся высокоско­ростной пиролиз, гидрогенизация и термическое растворение.

Высокоскоростной пиролиз (полукоксование) - процесс по­следовательного нагрева предварительно измельченного до пыле­видного состояния угля сначала газовым до температуры 300 °С (сушка), а затем твердым теплоносителем до температуры 650 °С (разложение с выделением основной массы паров смол и тяже­лых углеводородов). При взаимодействии с твердым теплоноси­телем происходит теплообмен с высокими скоростями. Это по­зволяет резко интенсифицировать процесс по сравнению с тради­ционными схемами полукоксования и обеспечить более чем в 2 раза выход продуктов пиролиза.

В результате такого интенсивного разложения получаются по­лукокс (68%), энергетический газ (15%) и смола (17%), которые характеризуются следующими качественными показателями:

Полукокс

Зольность,%................................. 12...20

Теплота сгорания, кДж................. 27,21 ...28,05

Насыпной вес, кг/м 3 ....................... 760

Смола, %

Карбены-карбоиды...................... .......... 5

Асфальтены.................................. .......... 5

Фенолы......................................... ......... 26

Нейтральные масла................ 47

Осмоляющиеся............................. 14

Пиридиновые основания.............. 2

Карбоновые кислоты................... 1

Энергетический газ,%

Углекислоты................................ ......... 23

Оксиды углерода......................... ..... 16,8

водорода........................ ..... 24,2

Удельные углеводороды.............. ..... 25,0

Непредельные углеводороды.. 4,7

Кислород..................................... ........ 0,5

Азот.............................................. ........ 6,2

Сероводород............................... ........ 0,3

Теплота сгорания, кДж/кг..... 20,09

Удельный нес, кг/м 3 ....................... 1,04

Исследованиями установлена возможность выделения из смо­лы до 47% дистиллятной части, из которой около 50% отгоняется в виде бензиновой фракции. Жидкие топлива из тяжелой части смолы могут быть получены при ее замедленном коксовании.

Гидрогенизация - процесс получения жидких и газообраз­ных продуктов из углей под давлением 10 МПа, при температуре 420...430 °С и объемной скорости 0,8... 1 ч " в присутствии пасто-образователя - донора водорода, катализаторов (солей железа и молибдена) и надбавок ингибиторов радикальной полимеризации.

К настоящему времени разработан ряд новых решений. В частности, это относится к предварительной сушке угля газо­вым теплоносителем в вихревых камерах, механохимической подготовке углемасляных суспензий, очистке газов низкотемпе­ратурной короткоциклонной адсорбцией, сжиганию шламов и сточных вод и регенерации катализаторов. Количество органи­ческой массы угля (ОМУ), превращаемое в жидкие и газообраз­ные продукты, составляет 90...92%. Жидкие продукты с темпе­ратурой кипения до 300 °С подвергаются переработке с примене­нием процессов гидроочистки, каталитического риформинга и гидрокрекинга с получением высокооктанового бензина и дизель­ного топлива, выход которых составляет 45...50% по отношению к исходному углю (ОМУ).

Термическое растворение - технология получения из углей тяжелых жидких экстрактов и выработки синтетической нефти и моторных топлив путем деструктивной гидрогенизации про­дуктов термического растворения. Работы ведутся в Институте горючих ископаемых, носят поисковый характер и проводятся на лабораторной аппаратуре. Процесс ведется при давлении 5 МПа, температуре 415 °С, объемной скорости 1...1,3 ч л по пасте с ис­пользованием дистиллятного растворителя с температурой кипе­ния 200...350 °С (содержащего до 33% донора водорода), в коли­честве 1,8 по отношению к углю. Последующая переработка жид-

ких продуктов включает фильтрование, коксование беззольного экстракта, гидрогенизационную переработку сырого бензина и части регенерированного растворителя. Выход продуктов состав­ляет: бензин автомобильный - 7,45%, электродный кокс - 12,45%, битум - 25,92%, газы - 12,17%, остаточный уголь - 25,92%, потери - 8,63%. Полученные предварительные резуль­таты свидетельствуют о значительно меньшем выходе моторных топлив, чем в процессе прямой гидрогенизации.

ГОРЮЧИЕ СЛАНЦЫ

Кроме России, добычу горючих сланцев и производство син­тетического топлива в промышленных масштабах осуществляют в КНР, где производство составляет 0,3 млн т в год, и в Бразилии, где производство сланцевой смолы доведено до 50 тыс т/год. На пороге промышленного освоения месторождений горючих сланцев находятся США, Марокко, Австралия. Разработаны раз­личные варианты добычи и переработки сланцев. Все они пре­дусматривают термическое разложение с получением синтетичес­ких топлив и побочных продуктов - серы, аммиака, кокса и т. д.

Перспективными способами переработки сланцев являются газификация на парокислородном дутье под давлением (Саратов­ский политехнический институт) и термическое растворение (ИГИ). Исходя из предварительных разработок при газификации, возможно получение газа с калорийностью 3000 ккал/кг в объеме 9 млн т у. т. (если газифицировать все сланцы), что позволит в перспективе в Поволжье сэкономить до 10% котельно-печного

При термическом растворении 40 млн т горючих сланцев возможно производство около 20 млн т у. т. высококипящего без­зольного экстракта и 2 млн т у. т. газа. По расчетам, целесообраз­но беззольный экстракт прямо использовать в качестве дорож­ных битумов, а высвобожденные битумы использовать в даль­нейшей переработке с производством энергетической продукции.

Большое значение для повышения экономичности исполь­зования волжских сланцев имеет выделение и утилизация попут­но залегающих полезных ископаемых, микрокомпонентов, редко­земельных металлов и серы.

Исходя из запасов, уровней подготовленности к промышлен­ному освоению и имеющегося опыта разработки сланцевых ме­сторождений возможна, начиная с 2008 г., разработка месторож­дений горючих сланцев Поволжья с доведением в перспективе до 30.. .40 млн т в год.

Глава 9

БИТУМИНОЗНЫЕ ПОРОДЫ

Значительным резервом развития в стране индустрии допол­нительного углеводородного сырья являются битуминозные по­роды. Это комплексное органоминеральное сырье, которое при термическом воздействии способно выделять органическую со­ставляющую, являющуюся заменителем нефти, а минеральные остатки, остающиеся после отделения «синтетической» нефти, являются прекрасным сырьем для строительной и дорожной ин­дустрии.

Месторождения и скопления битуминозных пород довольно многочисленны, и географическое размещение их крайне нерав­номерно. В связи с плохой изученностью прогнозные запасы «синтетического» топлива, содержащегося в битуминозных по­родах, варьируют от 20 до 30 млрд т.

Значительные разведанные запасы размещаются на террито­рии Татарстана, Ульяновской и Самарской областей, где они за­легают на глубинах до 400 м. Имеются месторождения природ­ных битумов на Северном Кавказе, Восточной Сибири, в Коми и других районах нашей страны.

За исключением Татарстана и Якутии специальных геолого­разведочных работ на битумы в стране не проводили.

Наиболее изученными считаются скопления битуминозных пород в пермских отложениях Татарстана. В соответствии с ре­шением ГКЗ в качестве основы для планирования геологоразве­дочных работ приняты запасы в размере 1,0 млрд т с битумона-сыщенностью свыше 5%. По степени разведанности эти запасы относятся к категории прогнозных.

СПИРТОВЫЕ ТОПЛИВА

Как компоненты моторных топлив спирты - метанол, эта­нол ранее в периоды острой нехватки топлива уже использова­лись. В настоящее время за рубежом наибольший практический опыт накоплен по использованию этилового спирта.

В начале 70-х годов XX в. в связи с возрастающими требова­ниями к качеству используемых топлив, необходимостью расши­рения сырьевой базы производства моторных топлив возрос ин­терес и к использованию метанола как топлива или добавки к нему. Известны такие топлива, как «газохол», «дизохол».

Значительный интерес к спиртовым топливам, особенно ме-танольному, обусловлен рядом причин, из которых главными являются: в экологическом отношении такие топлива более прием-

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

немы, чем синтетический бензин и другие не нефтяные топлива, хранение и распределение аналогично бензину, их применение дает возможность достичь повышения топливной экономичности двигателя. Все это достигается при одновременном расширении ресурсов моторных топлив нефтяного происхождения.

Технически доказана возможность использования метанола: в качестве 5 и 15% добавки к бензину; для производства высоко­октановой добавки к топливу - МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир); для производства бензина из метанола; в чистом виде.

Бензометанольная смесь, содержащая 5% метанола, ввиду расслаивания при температуре -3 °С может быть использована как летний вид топлива. Если использовать 1,5 млн т метанола в качестве такой добавки, расширение ресурсов моторных топ­лив может составить 0,8 млн т. В целом бензометанольные смеси стабильны в эксплуатации, выхлопы компонентов в отработан­ных газах значительно снижены: углеводородов на 10...20%, ок­сидов азота - на 30...35%.

В настоящее время в лабораториях проводят работы по ис­пользованию метанола в чистом виде. Однако такое использова­ние требует значительных изменений конструкций серийных дви­гателей, которые не могут быть осуществлены на современном уровне развития техники. Отрабатывают раздельную подачу ме­танола от бензина. Такие двойные топливные системы имеют ряд преимуществ. По данным ГосНИИметанолпроекта, при внедре­нии двойных топливных систем потребуется расход метанола в объеме до 10% объема бензина и он может использоваться во всех климатических зонах. Такая подача топлива позволяет так­же использовать низкооктановый бензин.

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

В настоящее время основным сырьем в России для производ­ства водорода является природный газ, из которого производят более 90% водорода.

Уже разработаны и внедряются перспективные методы извле­чения водорода из водородо содержащих газов различных произ­водств: низкотемпературная конденсация, адсорбция, абсорбция, мембранная технология. Производство водорода этими методами значительно экономичнее, чем на специальных установках паро­вой конверсии углеводородных газов, считающейся наиболее де­шевым методом производства водорода. Перспективным источ­ником является уголь. Однако в программе развития водородной

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

энергетики в стране на перспективу предусмотрено, что основ­ным сырьевым источником получения водорода станет вода, для разложения которой должно быть использовано тепло высокотем­пературного ядерного реактора (ВТЯР).

Водород обладает очень высокой теплотой сгорания: при сжигании 1 г водорода получают 28,6 кал тепловой энергии (при сжигании 1 г бензина - 11,2 кал), его можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ.

Главным преимуществом водородной энергетики является возможность экономии традиционного энергетического сырья за счет широкого использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания (как в чистом виде, так и в виде добавки) и газотурбинных двигателей (авиатранспорт, электро­энергетика).

Испытания показали, что более эффективно использовать водород в виде 5... 10% добавки к бензину, поскольку использо­вание чистого водорода ведет к нарушению рабочего процесса двигателя и выделению больших количеств NO x , а также к ус­ложнению хранения больших количеств водорода на борту авто­мобиля. Такая смесь позволяет повысить топливную экономич­ность двигателя на 20...25%, снизить эксплуатационный расход бензина на 35...40% и токсичность отработавших газов по СО в 15-20 раз, по углеводородам в.1,5-2,0 раза и окислам азота в 10-15 раз.

В связи с отсутствием товарных ресурсов водорода на началь­ном этапе перевод автомобильного транспорта на бензоводород-ные композиции целесообразно проводить по определенным ре­гионам, в которых имеются либо достаточные ресурсы вторично­го водорода, являющегося побочным продуктом химических и нефтехимических производств, либо имеются достаточные ресур­сы технологических газов, из которых может быть получен деше­вый водород.

С целью получения пиковой электроэнергии использование водорода в энергетике необходимо рассматривать одновременно с использованием электроэнергии АЭС для производства водоро­да электролизом воды с дальнейшим сжиганием его для выработ­ки электроэнергии в часы максимальных нагрузок, либо в паро­вой турбине, в парогенераторе и МГД-генераторе, либо в МГД-генераторе и парогенераторе. Расчетные значения затрат на маги­стральный транспорт водорода на большие расстояния при той же передаваемой мощности оказываются в 3-5 раз ниже затрат на транспорт электроэнергии.

9.7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВИЭ

Если в 1980 г. доля производимой электроэнергии на ВИЭ в мире составляла 1%, то по оценке Американского общества инженеров-электриков к 2005 г. она достигнет 5, к 2020 - 13 и к 2060 г. - 33%. По данным Министерства энергетики США, в этой стране к 2020 г. объем производства электроэнергии на базе ВИЭ может возрасти с 11 до 22%. В странах Европейского Союза планируется увеличение доли использования ВИЭ для производства тепловой и электрической энергии с 6 (1996) до 12% (2010). Исходная ситуация в странах ЕС различна. И если в Дании доля использования ВИЭ с 3% в 2000 г. достигла 10%, то Нидерланды планируют увеличить долю ВИЭ с 3% в 2000 г. до 10% в 2020 г. Основной результат в общей картине определяет Германия, в которой планируется увеличить долю ВИЭ с 5,9% в 2000 г. до 12% в 2010 г. в основном за счет энергии ветра, солнца и биомассы. Главными причинами, обусловившими раз­витие ВИЭ, являются:

· обеспечение энергетической безопасности;

· сохранение окружающей среды и обеспечение экологической безопасности;

· завоевание мировых рынков ВИЭ, особенно в развивающихся странах;

· сохранение запасов собственных энергоресурсов для будущих поколений;

· увеличение потребления сырья для неэнергетического ис­пользования топлива.

Масштабы роста использования ВИЭ в мире на ближайшие 10 лет представлены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

ПРОГНОЗ РОСТА УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ ВИЭ В МИРЕ, ГВт

Примечания: 1. В строке «фотоэлектричество» в скобках указано го­довое производство фотоэлементов. 2. I, II сценарии развития геотер­мальной энергетики, соответственно при ежегодном росте 10% и 15%.

Контрольные вопросы

1. Какие новые виды жидкого и газообразного топлива могут быть
использованы в перспективе?

2. Как можно получить «синтетическое» топливо?

3. Где в России размещены основные залежи сланцев и какова перспек­тива их вовлечения в ТЭБ страны?

4. Для каких целей можно использовать спиртовые топлива?

5. Каковы перспективы развития водородной энергетики?

6. Каковы перспективы развития ВИЭ?

7. Что образуется из пылеугольного топлива при высокоскоростном пиролизе?

8. Как происходит гидрогенизация углей?

9. В чем преимущества спиртовых топлив по сравнению с синте­тическими бензинами и другими не нефтяными топливами?

10. На сколько процентов можно на автомобильном транспорте при эксплуатации снизить расход бензина при использовании 5... 10% до­бавки водорода?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

L. Бурман А. П. и др. Основы современной энергетики. - М. МЭИ. 2002.

2. Безруких П. П., Арбузов Ю. Д., Борисов Г. А. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии. С.-Пб. Наука. 2002.

3. Бушу ев В. В. Об энергетической стратегии России // Вестник электроэнергетики, 1998, № 3.

4. Гриценко А. И. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии.- М.: ВНИИГАЗ. 1996.

5. Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигении топлива в котлах.- М.: М.О Гидроме-теосздат. 1985.

6. Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. Технология энергосбережения. Учебник. М.: Форум-Инфра-М. 2006.

7. Ятров С. Н., Жилина Л. В., Сибикин Ю. Д. и др. Энергосбере­гающие технологии в СССР и за рубежом в 2 т. М.: Фирма «Энергосбережение». 1993.

8. Будрейко Е. Н., Зайцев В. А. Введение в промышленную эколо­гию. М.: Профобр. 1991.

Традиционные виды топлива, по сути, получают из невозобновляемых ресурсов, а это значит, что рано или поздно они закончатся. Поэтому человечество нашло им альтернативу. Однако у каждой такой альтернатива могут быть свои преимущества и недостатки, рассмотрим их на конкретных примерах.

Возможно вас заинтересует - Солнечная энергетика в Беларуси .

Еще Рудольф Дизель, создатель дизельного двигателя, в 1900 году предложил получать топливо из растительного сырья, он даже продемонстрировал проект двигателя, который мог работать на арахисовом масле. Сегодня подтверждено, что в основу для такого топлива можно положить: рапс, сою, хлопок, ятрофу (бутылочное дерево). Кстати, использовать для производства можно даже пищевые отходы, которые скапливаются в предприятиях общественного питания.

«+»

1. сырье возобновляемое,
2. выбросы СО 2 в атмосферу ниже на 50–80% по сравнению с традиционными видами топлива,
3. в процессе получения такого биотоплива производят еще несколько полезных побочных продуктов,
4. государства, где нет собственных запасов нефти, могут за счет этого обеспечить себе топливную независимость.

«–»

1. пока что высокая себестоимость производства,
2. меньшая мощность двигателей на таком топливе, больший расход,
3. необходимость больших площадей под выращивание нужных культур.

В 2003 году корпорация DaimlerChrysler разработало первое в мире синтетическое дизельное топливо из древесных отходов. Назвали его BIOTROLL. Когда оно сгорает, углекислый газ не попадает в атмосферу. Изготавливать подобное топливо можно не только из отходов деревообработки, но и из бытового мусора, сельскохозяйственных отходов. Только пока такое своеобразное биотопливо используют в смеси с соляркой, улучшая тем самым экологические показатели двигателей.

«+»

1. низкие выбросы вредных веществ,
2. переработка отходов,
3. неисчерпаемые запасы сырья.

«–»

1. необходимы значительные финансовые вложения, чтобы организовать весь процесс: сбор и подготовку сырья, производство синтетического горючего, создание системы распространения.

Водород

Как оказалось, водород может быть альтернативным топливом, например, для тех же автомобилей. Причем использовать его можно по-разному: смешивать с традиционными видами, применять только его, использовать водород в топливных элементах.

«+»

1. высокие энергетические свойства,
2. относительная экологичность сгорания, по сравнению с бензином,
3. нелимитированная сырьевая база

«–»

1. сегодня производство водородного топлива в 4 раза дороже, чем бензина,
2. несмотря на то что углекислый газ при сгорании водорода не выделяется, некоторые ученые указывают на образование других газов, которые вредят озоновому слою,
3. сложно будет организовать «водородную инфраструктуру.

 16.10.2011 21:31

Бензин – точно не единственно возможное вещество, пригодное для приведения транспортного средства в движение. Другой вопрос, что в начале ХХ века выбор бензина как топлива для автомобилей и иже с ними, был обусловлен рядом неразрешимых тогда проблем. Это и большой размер и вес паровых двигателей, и малый запас хода, при, опять же, больших габаритах и весе батарей электромобиля. Но с тех пор прошло более ста лет, и, неужели, на сегодняшней высоте технического прогресса, мы не можем решить эти проблемы?

АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО: БЫЛЬ И НЕБЫЛЬ

Нас все чаще и чаще пугают иссякающими запасами нефти и газа на планете, глобальным потеплением, которое вызывают выхлопные газы автомобилей. Тут уместно вспомнить, что только разведанных запасов нефти хватит на 500 лет, а неразведанных (ни у кого нет сомнений, что под полярными льдами скрываются миллиарды баррелей нефти) – еще больше. В 1920х годах вообще считалось, что нефти на планете хватит не больше чем на четверть века. Глобальное потепление? Более половины теплового фона создается животными, людьми и растениями – за счет тепла своего тела, двигатели транспортных средств создают менее полутора процентов теплового фона! О каком влиянии транспорта на атмосферу может идти речь при таком раскладе?

С другой стороны – «мировой заговор» производителей, которые намеренно скрывают более эффективные и экономичные технологии.
Это уже относится к разряду паранойи.

И, все же, с момента создания автомобиля, непрерывно шли исследования в области альтернативного топливо. Удивительно, но на заре автомобилестроения большинство автомобилей были… электромобилями! Вообще, первый электромобиль был создан изобретателем Робертом Дэвидсоном в Англии в… 1838 году! То есть уже через шесть лет после открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции, и за полвека до появления первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания! В конце XIX века электромобили опережали автомобили с традиционными (в нашем сегодняшнем понимании) двигателям по скорости и объему выпуска!

Но были еще и паровые автомобили! Первый паровой автомобиль… «паровая повозка», как его тогда величали, был построен в 1769 году французом Николя Жозефом Кюньо. Его «Огненная повозка» развивала скорость в 4,5 км/ч, а запас хода составлял 12 минут, после чего приходилось доливать воду в котел. Четверть тысячелетия спустя, в начале ХХ века, паровые автомобили (фактически – уменьшенные копии паровозов), опять же превосходили автомобили с бензиновыми характеристиками. Рекорд скорость, показанный на «паровозе» французом Леоном Серполе в 1902 году в 120,8 км/ч, был тогда недостижим для традиционных в сегодняшнем понимании автомобилей. Между строк можно отметить, что Луи Рено «заболел» машинами после того, как этот же Серполе дал ему порулить паровым трициклом в 1891 году…

Все эти примеры говорят о том, что бензин – точно не единственно возможное вещество, пригодное для приведения транспортного средства в движение. Другой вопрос, что в начале ХХ века выбор бензина как топлива для автомобилей и иже с ними, был обусловлен рядом неразрешимых тогда проблем. Это и большой размер и вес паровых двигателей, и малый запас хода, при, опять же, больших габаритах и весе батарей электромобиля. Но с тех пор прошло более ста лет, и, неужели, на сегодняшней высоте технического прогресса, мы не можем решить эти проблемы?

И что же, вообще, является идеальным топливом для автомобиля? Пожалуй, от этого и стоит отталкиваться. Какими же свойствами должно обладать идеальное топливо?

1. Первый критерий, конечно, доступность топлива. В идеале оно должно находиться в природе в чистом виде, а затраты на добычу должны быть минимальны. Пожалуй, единственное, что подходит под этот критерий – дерево.

2. Высокая удельная теплота сгорания. То есть минимальный вес (или объем) топлива должен давать максимальную тепловую энергию, превращаемую в механическую. Вот здесь дрова, с теплотой сгорания 10 МДж/кг находятся в конце списка, топовая позиция принадлежит водороду – 120 МДж/кг. Бензин где-то посередине – 46 МДж/кг.

3. Токсичность. Топливо, какими бы качествами оно не обладало, должно обладать низкой токсичностью – ведь транспортные средства, порой, попадают в аварии, и даже в автоспорте, кроме «клетки безопасности», защищающей пилота, не в последнюю очередь уделяется внимания защите бензобака и предотвращению пролития топлива. Там это решается использованием резиновых баков, с «губкой» внутри. Понятно, что если капля пролитого топлива убивает все живое в радиусе пятидесяти километров – это не наш метод. В этом отношении идеальным топливом снова является древесина.

4. Токсичность продуктов сгорания. Этот показатель тесно связан с предыдущим, ведь если автомобиль, проезжая километр, выхлопными газами убивает пару сотен мух дроздофилов – это тоже не совсем экологично. Идеалом по этому показателю, казалось бы, является электричество – ведь оно вообще не дает продуктов сгорания! Впрочем, достаточно вспомнить, откуда оно берется… Опять же продукт сгорания водорода – вода. Штука тоже достаточно малотоксичная. Спирт, газ – тоже дают низкое количество продуктов сгорания. Древесина и бензин, которые дают в результате сгорания угарный газ СО, а последний еще окислы тяжелых металлов, смотрятся на фоне предыдущих примеров, мягко говоря, неказисто.

5. Потребительские характеристики. Это название, конечно условное. Не стоит забывать, что для сгорания топлива его необходимо подать в камеру сгорания, и обеспечить полноту того самого процесса сгорания. ТЭС, работающие на твердом топливе – угле, имеют цеха подготовки (разгрузки, хранения, дробления, подачи) топлива, не уступающие по размерам самим ТЭС. То есть если для организации процесса горения необходим механизм подготовки и камера сгорания таких размеров, что двухместная малолитражка превращается в сорокатонный трактор… Кому это нужно?

Теперь попробуем рассмотреть, и, по возможности, оценить, те виды топлива, которые имеют шансы появиться в обозримом будущем. Оставим в покое расщепление плазменных пучков и холодный ядерный синтез – эти технологии на сегодня слишком фантастичны для приведения в движение среднестатистический автомобиль. Кстати, забегая вперед, можно сказать, что идеальным во всех отношениях топливом является вода – самое распространенное на Земле вещество, абсолютно нетоксичное… правда, сегодня не совсем понятно какую энергию воды (кроме механической – по принципу водяной мельницы), можно превратить в механическую энергию вращения колес.

Электричество

Нас с детства учили, что автомобили будущего всенепременно будут ездить на электричестве, потому в качестве альтернативного источника энергии для автомобилей электричество напрашивается в первую очередь. И интерес к электромобилям постоянно растет – начиная с 1960х годов, когда экологи забили тревогу, после – росту популярности электромобилей способствовал энергетический кризис 1980х, сегодня причиной повышенного внимания к этим транспортным средствам служит рост цены на нефть.

Как уже было сказано выше, первый электромобиль был создан в 1836 году, а в 1910х годах в Нью-Йоркском такси работало до 70 000 электромобилей! Говоря об электромобилях невозможно обойти стороной троллейбусы – ведь это они и есть! Кстати, первым в мире сухопутным транспортным средством, преодолевшим барьер скорости в 100 км/ч стал именно электромобиль – «La Jamais Contente» (Всегда недовольная, фр.) бельгийца Камиля Женатци, показавший весной 1899 года скорость в 105,882 км/ч.

На Западе электромобили производили GM, Renault, Daimler, в Японии Mitsubishi, Toyota, Honda, даже Индию не обошла «электромобилизация» – там был создан Reva. В СССР тему электромобилей не мог обойти институт НАМИ, и, конечно, АвтоВАЗ, где были созданы экспериментальные грузовые электромобили 2702, 2802 и, на базе ВАЗ-2102 – электромобиль для развозки продуктов питания 2801. Более того – Харьковский Автодорожный Институт с успехом выступал на рекордных заездах на электрических ХАДИ-11э, -13э и так далее.

Японцы, которые вот уже несколько десятилетий держат пальму первенства производства автомобилей и электронных девайсов, пошли дальше всех, создав 640-сильный 8-колесный электромобиль Eliica (Electric Lithium-Ion Car), способный развить скорость до 370 км/ч!

И в самом деле, электромобили имеют ряд преимуществ:

— Отсутствие выхлопных газов;

— Простота конструкции – весь традиционный силовой агрегат из двигателя и трансмиссии заменяет один механизм – электродвигатель, способность которого развивать очень высокие обороты (до 15 000 об/мин), позволяет обойтись без коробки передач!

— Низкая стоимость заправки;

— Низкий уровень шумового загрязнения.

Совокупность всех плюсов позволила не только презентовать заводу ГАЗ грузовой ГАЗель-Электро, но и закупить мэрии Москвы несколько электромобилей для опытной эксплуатации. Кстати, в конце ХХ века обеспокоенность Калифорнийского Комитета Воздушных Ресурсов высокой загазованностью, едва не привела к полной электрификации автотранспорта в штате Калифорния. Так было принято решение, что в 1998 году 2 % продаваемых в Калифорнии автомобилей не должны производить выхлопов, а к 2003 году - 10 %.

Первой отреагировала на это GM, представив на рынке модель EV1, быстро снискавшую популярность в опытной партии, и GM уже готовилась к началу массовых продаж, но в 2002 году законопроект был отменен, и почти все выпущенные электромобили были изъяты у владельцев и уничтожены. Остались только электрические Toyota RAV-4. В качестве причины указывалось окончание срока службы аккумуляторов. Естественно, сразу нашлись те, кто в отмене законопроекта увидел заговор властей и нефтяных магнатов, почувствовавших угрозу от нового массового вида транспорта.

Однако не все так коррумпировано, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что электромобили имеют ряд недостатков:

— В первую очередь – малый запас хода. В среднем батареи позволяют в летнее время проехать около 100-150 км на одной зарядке, зимой – того меньше. Eliica, способная на одной зарядке проехать до 320 км является скорее исключением;

— Длительное время зарядки. В самом деле – залить полный бак топлива даже прожорливого многооконного джипа занимает от силы несколько минут, зарядить батареи электромобиля – до 10 часов!

— Экологичность этого вида транспорта скорее мнимая, чем реальная. Ведь электричество берется из розетки, а как оно попадает туда? Да, есть АЭС, ГЭЦ, ветряные электростанции, приливные, но подавляющее большинство электростанций сегодня – тепловые, сжигающие топливо для получение электроэнергии;

— Еще менее экологично производство аккумуляторов, и их последующая утилизация. Ведь они содержат ядовитые элементы – свинец, литий, и кислоты;

— Отсутствие в массовой эксплуатации заряжающих станций, строительство которых нанесет урон экологии и экономике вряд ли больший, чем эксплуатация бензиновых транспортных средств. Если допустить массовую зарядку от бытовых сетей – возрастут нагрузки на эти самые сети, что может привести к перегрузкам энергосетей, и, как следствие, локальным промышленным авариям.

Подводя итоги, можно отметить, что электричество, скорее всего, станет топливом для массового автотранспорта, но далеко не в обозримом будущем.

Древесина

Говоря о древесине, мы имеем в виду далеко не паровозный двигатель внешнего сгорания, а газогенераторный двигатель. Как и явление электромагнитной индукции, процесс превращении твердого топлива в газообразное, был изобретен еще в позапрошлом веке, а первый в мире газовый генератор был построен в Англии в 1839 году. Сама идея объединения газогенератора и двигатель внутреннего сгорания пришла уже в 1870х годах Э. Даусону. Изначально газогенераторные автомобили распространения не получили – альтернатив газогенераторному топливу было достаточно, но Первая Мировая Война заставила обратить взор сильнейших мира сего на газогенераторные установки. Первым таким автомобилем стал грузовик Берше, вставший на вооружение французской армии.

Тут стоит сделать небольшое отступление, чтобы объяснить, что такой газогенератор вообще, и как он работает. С электричеством все понятно – оно живет в проводах, невидимо, и попадает в автомобиль из розетки. Но как твердое топливо превращается в газообразное, минуя при этом жидкую стадию?

Рецепт на самом деле прост – постоянный нагрев древесины при температуре выше горения, то есть сухая перегонка. Сам же газогенератор представляет собой подобие самогонного аппарата. На схеме: 1 – топка газогенератора с загрузочным люков для дров; впускной коллектор в воздухофильтром двигателя; 3 – вентилятор для розжига газогенератора; 4 – очиститель-охладитель топочных газов от смолистых отложений и дыма; 5 – теплообменник для охлаждения газа; 6 – люк золоудаления.

В Советском Союзе момент, когда автомобилей стало больше, чем топлива, наступил с запуском завода ГАЗ в начале 1930х годов. Очень скоро на смену простейшим установкам, работавшим на древесном угле, пришли более сложные, использовавшие в качестве исходного продукта газификации древесные чурки размером 40X40X50 мм. Их применение предъявляло более жесткие требования к конструкции газогенератора. Тем не менее соблазн использовать легкодоступное сырье (для чурок годились и некондиционная древесина и даже горбыль) стал причиной, по которой многие конструкторы направили внимание на дровяные установки.

В процессе опытных работ было построено огромное количество экспериментальных установок, многие из которых нашли дорогу в жизнь. Так появились не только газогенераторные грузовики ЗИС-13 и ГАЗ-42, но и газогенераторные седаны. Так в сентябре 1938 года А. И. Пельтцер, А. Н. Понизовкин и Н. Д. Титов (эти имена еще не раз прозвучат в истории отечественного автомобилестроения и автоспорта) прошли без остановок на газогенераторном ГАЗ-М1-Г 5000 км, показав среднюю скорость 60,96 км/ч, превысив мировой рекорд, принадлежавший до этого французам!

Бесспорно, газогенераторы имеют ряд преимуществ:

— доступность и низкая стоимость топлива,

— низкая токсичность выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (но не газогенераторной установки!),

— более высокий ресурс камеры сгорания ДВС, по сравнению с традиционным топливом,

— отсутствие нагара на стенках цилиндров,

Началась повальная «газогенеризация» страны. На газогенераторное топливо переводили не только грузовики, но и трактора, а с началом Великой Отечественной – даже танки! Но и здесь все было не совсем гладко. За доступность топлива пришлось платить, принимая и минусы газогенераторов:

— высокий расход топлива – до 32 кг чурок на 100 км пути,

— вес и размеры газогенераторной установки уменьшали грузоподъемность автомобиля,

— запас дров еще больше уменьшал грузоподъемность автомобиля, для некоторых грузовых автомобилей – почти вдвое,

— низкая, по сравнению с базовыми моделями мощность,

— выхлопы газогенераторной установки в виде золы и сажи.

Так к середине 1950х годов количество газогенераторных автомобилей в СССР пошло на убыль. Но, справедливости ради, стоит отметить, что в таежных районах нашей страны до сих пор остались грузовики и трактора, работающие на газогенераторном топливе. Ну что поделать, нет в тайге АЗС через каждые полтора километра!

Но в массовом применении минусы газогенераторов заметно перевешивают плюсы, и возвращаться к ним сегодня – крайне нерационально.

Этот вид топлива тоже не является сколь бы то ни было экзотичным – сегодня на газу ездит каждая маршрутная ГАЗель. В СССР работы над газобаллонными грузовиками начались в середине 1936 года, во многом благодаря институту НАТИ (позже – НАМИ). Экспериментальные установки для автомобилей ГАЗ-ММ и ЗИС-5 содержали пропан-бутановую смесь в 6-7 баллонах под давлением около 200 кгс/см. кв., и весили 420 и 550 кг. То есть в этом плане особых преимуществ перед газогенераторами не было. Запас хода так же был не очень большим – около 100-150 км.

И, все же, газообразное топливо долгие годы использовалось в грузовых автомобилях, наряду с бензином и соляркой, и тому есть простое объяснение: термодинамический цикл работы двигателя внутреннего сгорания воспламенением сжатой смеси от постороннего источника энергии, найденный Николасом Августом Отто в 1874 году, был рассчитан именно для газообразного топлива! Да-да, изобретатель двигателя внутреннего сгорания считал именно газ идеальным топливом!

В самом деле, газ имеет ряд преимуществ:

— более полное сгорания благодаря более качественному образованию смеси в цилиндрах,

— низкая токсичность продуктов сгорания,

— низкая стоимость транспортировки газа,

— низкая стоимость топлива,

— низкий уровень шумового загрязнения атмосферы,

— невозможность хищения газообразного топлива обслуживающим персоналом,

— низкая стоимость переоборудования автомобиля.

Кстати, сегодня достаточно примеров использования газа в качестве топлива не только в грузовых автомобилях, но и легковых – BMW, Audi, ВАЗ и так далее. Более того – уже сегодня существует сеть автогазовых заправочных станций. Кто-то скажет: «а как же дизель?». И эта проблема решена с появлением газодизеля – смеси метана со взвесью дизельного топлива.

Но у газообразного топлива тоже есть обратная сторона медали:

— низкая, по сравнению с базовыми моделями мощность. Удельная теплота сгорания газа 44 МДж/кг против бензина с 46 МДж/кг,

— высокая взрывоопасность баллонов с газом при ДТП,

— высокая токсичность самого топлива. Отравление пропан-бутановой смесью вызывает эйфорию, дремоту, наркоз, удушье, сердечную аритмию.

Все же сегодня все больше и больше автомобилей переводят на газообразное топливо, в первую очередь – из-за соображений экономии. Пожалуй, именно газ можно назвать наиболее вероятной альтернативой бензину в ближайшем будущем.

Спирт

Использование спирта в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания – тоже далеко не вчерашнее изобретение. История, как и в случае с электричеством и газогенератором, относит нас на два столетия назад – в 1826 год, когда американский изобретатель Сэмюэль Мори построил двигатель, работавший на смеси спирта со скипидаром. Применение в автомобилестроении такой вид топлива нашел уже в 1896 году, когда некий Генри Форд изготовил свой первый автомобиль «Quadricycle», работавший на спирте!

Казалось бы – подумаешь, опытный образец, собранный фермером у себя в гараже… но идея использования спирта в качестве топлива пошла дальше – поступившая в продажу «Модель Т» могла работать как на бензине, так и на этаноле, и на их смеси! Возможно, именно благодаря многотопливной системе Ford T стал таким популярным и массовым. Ведь стоимость автомобиля – это одно, а стоимость его содержания – зачастую совсем другая величина. К слову, именно из экономических соображений Форд прибег к использованию этанола. С 1861 года в США действовали высокие налоги на спирт, введенные во время Гражданской войны. В 1906 году налоги на спирт были резко уменьшены, что сделало цену этанола сопоставимой с ценой бензина – 7 центов за литр.

В 1923 году американская компания Standard Oil первой начала добавлять этанол в бензин, чтобы повысить октановое число и улучшить работу двигателей, и в 1927 году на гонках Indianapolis 500 этанол был впервые использован в качестве топлива для гоночного автомобиля.

Но решающей вехой в истории спиртового топлива стали 1970е годы, и связано это с топливным кризисом. В 1973 году арабские страны ввели эмбарго на поставку «черного золота» государствам, поддержавшим Израиль. В результате, мировые цены на нефть выросли в три раза. Безусловно, это была катастрофа для всего мира, но для Бразилии, основным экспортным продуктом которой был сахар, беда пришла не одна. В 1974 году цены на сахар резко упали.

Стране повезло – президент Бразилии Эрнесто Гизель не упал духом, и инициализировал программу перевода бразильских автомобилей с бензина на этанол, решив обе проблемы одним махом – ведь спирт изготавливается из отходов сахарного производства. В результате к 1979 году производство спирта выросло на 500%, а правительство Бразилии предприняло следующий шаг – подписало соглашение с крупнейшими мировыми автопроизводителями (Fiat, Toyota, Mercedes-Benz, GM и Volkswagen),в рамках которого те были обязаны собирать в Бразилии только модели машин, способных использовать в качестве топлива 100%-й спирт. В конце 1980-х годов почти все новые автомобили, продаваемые в Бразилии, были способны использовать в качестве топлива исключительно этанол. Вообще-то это привело к новому кризису, в результате которого Бразилия была вынуждена уже импортировать этанол, а в начале 1990х годов и вовсе перейти обратно на бензин.

Бразильский эксперимент не прошел бесследно – именно ему обязаны появлением «автомобили на гибком топливе» Flexible Fuel Vehicles (FFV) , которые способны использовать смесь из 85% спирта и 15% бензина (то, что сегодня принято обозначать как Е85), равно как и обычный бензин. Смеси до 20 % содержания этанола могут применяться на любом автомобиле.

Сегодня FFV с успехом используются не только в Бразилии, но и в Японии, США, Германии, Англии и ряде других стран. Этому способствует ряд положительных качеств этанола:

— этанол нейтрален как источник парниковых газов, поскольку при его производстве путём брожения и последующем сгорании выделяется столько же CO2, сколько до этого было связано из атмосферы использованными для его производства растениями,

— низкая стоимость этанолового топлива.

По понятным причинам в СССР и России этот вид топлива распространения не получил.

Однако есть еще несколько существенных недостатков:

— этанол, повышает пропускную способность пластмассовых испарений для некоторых пластмасс (например плотного полиэтилена). Эта особенность метанола повышает риск увеличения эмиссии летучих органических веществ, что может привести к уменьшению концентрации озона и усилению солнечной радиации,

— низкая, по сравнению с базовыми моделями мощность. Удельная теплота сгорания спирта 27 МДж/кг против бензина с 46 МДж/кг.

Впрочем, плюсы этанола, как и газового топлива, намного перевешивают минусы, и его можно назвать наиболее перспективным топливом ближайшего будущего.

Рассказ об использовании спирта в качестве топлива был бы неполным без упоминания метанола, но он используется исключительно как топливо для спортивных автомобилей, поскольку метанол травит алюминий, то есть проблемным является использование алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в ДВС. Отбросить сто лет технического прогресса, и вернуться к чугунным блокам цилиндров и ГБЦ… такой ход явно не приблизит светлое будущее.

Биотопливо

В широком понимании «биотопливо» – это топливо из биологического сырья. То есть к этому виду можно отнести деревянные дрова, этанол, метан и так далее. Даже биоводород. Но первые три уже были рассмотрены, самая же снедь оставлена напоследок. И тут бы можно поставить точку, если бы не биодизель – топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Сегодня сырьем для получения биодизеля могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

Справедливости ради стоит отметить что работы по двигателям на биодизеле ведутся относительно недавно – чуть более четверти века, и само биодизельное топливо начало в странах Евросоюза в промышленных масштабах начало производиться в 1992 году.

Биодизель на самом деле обладает рядом неоспоримых преимуществ:

— высокие смазочные характеристики, что продлевает срок жизни двигателя. Например, грузовик из Германии попал в Книгу рекордов Гиннеса, проехав более 1,25 миллиона километров на биодизельном топливе со своим оригинальным двигателем.

— высокое цетановое число (для минерального ДТ – 42-45, для биодизеля – не менее 52),

— высокая температура воспламенения – более 150 гр.,

— возобновляемость ресурса,

— сохранение экологического баланса – при сгорании биотоплива выделяется столько же углекислого газа, сколько было поглощено растением за весь срок его жизни,

— низкая стоимость, во многом благодаря получению побочных продуктов производства биодизеля.

Казалось бы – проблема идеального топлива решена, и программы, обещающие перевести значительную часть автотранспорта на биотопливо к 2020 году, имеют полное право на жизнь. Но ложка дегтя есть в любой бочке меда:

— большая вязкость биодизеля, что вызывает необходимость подогревать топливо при низких температурах для обеспечения приемлемой текучести,

— малый срок хранения – около 3х месяцев.

Но, в итоге, биодизель – еще один претендент на топливо ближайшего будущего. Так ОАО РЖД, проведя испытания биодизеля в 2006-2007 годах на тепловозах Юго-Восточной железной дороги, осталось удовлетворено результатами эксперимента, и заявило о готовности использовать биодизель в промышленных масштабах на своих тепловозах.

Водород

Вот оно – самое сладкое. Водородное топливо. Топливо, имеющее удельную теплоту сгорания 120 МДж/кг – то есть самую высокую из ныне известных (если не принимать во внимание антивещество, расщепление плазменных пучков и прочую фантастику).

Первые опыты с водородными двигателями относятся… да будь оно неладно! Снова к первой половине XIX столетия! В 1806 году француз Франсуа Исаак де Риваз изобрел двигатель внутреннего сгорания, работавший на водороде, который производился методом электролиза воды. Но эти эксперименты оставались забыты почти полтора века – до Великой Отечественной Войны. В блокадном Ленинграде бензин был в дефиците, но воздушно-водородная смесь для аэростатов имелась в большом количестве. Военный техник Борис Шелищ предложил использовать ее для двигателей внутреннего сгорания лебедок аэростатов, а, когда опыт удался – перевел на водород около 600 автомобилей!

Так неужели перевести стандартный двигатель внутреннего сгорания на водород настолько легко, что это было возможно более полувека назад в кустарных условиях? Чего же мы ждем?

А вот близок локоть, да вряд ли укусишь. Водород в самом деле может использоваться в двигателях внутреннего сгорания. В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензином. Если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до 117 % в сравнении с бензиновым аналогом, но тогда значительно увеличится выход окислов азота из-за более высокой температуры в камере сгорания. Кроме того, водород при температурах и давлениях, которые создаются в двигателе способен вступать в реакцию с материалами двигателя и смазкой, приводя к более быстрому износу. Обычный ДВС для работы на водороде не подходит, т.к. водород легко воспламеняется от высокой температуры выпускного коллектора. Обычно для работы на водороде используется роторный двигатель, т.к. в нём выпускной коллектор значительно удалён от впускного. Собственно, это и объясняет, что один из существующих в настоящее время автомобилей на водороде – роторная Mazda RX-8 hydrogen, но и она – битопливная, т.е. использует и бензин и водород.

Приближенные к традиционный поршневым водородные двигатели внутреннего сгорания (Hydrogen internal combustion engine – HICE) можно увидеть на автомобиле BMW Hydrogen 7, и автобусах Ford E-450 и MAN Lion City Bus. Впрочем, все это сейчас выпускается ограниченными опытными партиями.

У водорода есть два неоспоримых плюса:

— высокая удельная теплота сгорания,

— отсутствие токсичных выхлопов. Ведь продуктом сгорания водорода является вода!

Минусов значительно больше. Впрочем, скорее всего, это только пока:

— несовершенные технологии хранения водорода. Например, в той же водородной BMW 7, водород хранится в жидкой форме при температуре минус 253 гр. Цельсия,

— высокая себестоимость водорода,

— сложный процесс получения водорода в промышленных масштабах, в процессе которого выделяется все тот же СО,

— высокая стоимость водородной силовой установки и сложность ее обслуживания,

— взрывоопасность водородно-воздушной смеси. Вспомним Цеппелины начала ХХ века – горели, как спички,

— отсутствие развитой структуры водородных заправочных станций.

Ну, кажется, на водороде, как топливе ближайшего будущего, можно смело поставить крест. Да, скорее всего он станет применяться в двигателях внутреннего сгорания, через пару-другую сотен лет.

Правда… прежде чем убирать водород в дальний ящик, давайте вернемся в полюбившийся нам XIX век. Да-да, первый в мире водородный топливный элемент был изобретен в 1939 году Вильямом Гроувом! Следуя сложившейся традиции, его работа оказалась забыта на почти полтора столетия, но в 1960х годах возник серьезный практический интерес к водородным топливным элементам для обеспечения энергией аппаратов «Gemini» и «Apollo», а затем - многоразовые корабли программы «Space Shuttle». Топливные элементы показали себя более безопасными, нежели ядерные установки, и не такими дорогими, как солнечные батареи.

Тогда, на заре космонавтки, даже там, на космических кораблях, где ценен каждый грамм, водородные топливные элементы весили сотни килограмм, сегодня такой элемент весит порядка 50 кг.

В принципе, автомобиль с водородным топливным элементом представляет собой ничто иное, как электромобиль, ведь ВТЭ вырабатывает электрический ток, но с двумя большими недостатками: сочетает в себе все опасности HICE в купе с низким КПД – порядка 45%. Впрочем, уже сегодня есть ВТЭ с КПД 57%. Однако, по сравнению со свинцовыми аккумуляторами, КПД которых составляет 70-90% такой коэффициент полезного действия все равно слишком мал, чтобы говорить о массовом применении таких батарей в ближайшем будущем.

Не без гордости среди опытных водородных автомобилей можно отметить Ниву с электрохимическим генератором «Фотон», разработанном для программы «Буран». Стоимость генератора в 300 000 долларов так же заставляет задуматься о возможности скорого использования их в гражданском автомобилестроении.

На первый взгляд наиболее перспективными выглядят пропан-бутановая смесь, этанол и биодизель. В сумме с гибридными силовыми установками они могут дать просто потрясающие результаты!

И вот теперь появляется «Опа! Неужели за более чем сто лет существования автомобильного транспорта человечество так и не нашло достойной замены бензину?». Нашло! И еще до изобретения автомобиля!

Только не пытаемся ли мы изобрести велосипед? Ведь КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания всего около 35%, а более 80% процессов, происходящих в цилиндрах, остаются неизученными и по сей день. То есть даже старый добрый, всем привычный бензиновый ДВС имеет еще огромный потенциал для изучения и его совершенствования.

Компоненты, из которых состоит органическое топливо, делятся на горючие и негорючие . Количество и качество горючих компонентов определяют тепловую ценность топлива. Негорючие компоненты "засоряют" топливо, образуя "балласт", который ухудшает качество и технологические показатели топлива, снижает его тепловую ценность, ухудшает экономические и экологические показатели котельных установок.

Любое топливо можно рассматривать как вещество, состоящее из отдельных химических элементов. Поэтому, говоря о химическом составе, часто применяют термин "элементарный состав".

Состав твердого и жидкого топлива определяется в процессе лабораторного анализа, и его принято выражать в процентах по массе. Основу элементарного состава твердого и жидкого топлива составляют пять химических элементов: углерод С, водород Н, азот N, кислород О и сера S.

Углерод - наиболее важная составляющая твердого и жидкого топлива, так как его больше всего содержится в массе топлива. Сгорая, углерод выделяет значительное количество теп лоты.

В топливе углерод находится обычно в виде соединений с другими элементами, прежде всего с водородом. Эти соединения называют углеводородными.

Водород - вторая по важности горючая составляющая твердого и жидкого топлив. По количеству теплоты, выделяемой при горении, водород в 3,5 раза ценнее углерода, но содержание водорода в топливах значительно меньше, чем углерода. Водород в топливе может находиться в виде соединений с углеродом, серой, кислородом и в свободном состоянии.

Сера , содержащаяся в топливе, может находиться в виде горючих и негорючих соединений. Органическая (S o) и колчеданная (FeS 2) сера горючие, а сульфатная (CaSo 4 , FeSO 4 и т.д.) - не горючая и входит в состав золы топлива.

Азот топлива является балластом, относится к негорючей части топлива, но при горении в условиях высоких температур может вступать во взаимодействие со свободным кислородом, образуя оксиды азота (NO х), переходящие в продукты сгорания и являющиеся веществами, оказывающими вредное воздействие на окружающую среду, особенно на живые организмы.

Кислород - нежелательная составляющая топлива. Находясь в свободном состоянии, кислород повышает способность топлива к самовозгоранию. Соединяясь с углеродом и водородом топлива, кислород образует негорючие составляющие (CO 2 , H 2 O), снижающие тепловую ценность топлива.

В действительности каждое топливо состоит из различных химических соединений этих элементов. От вида соединения зависит агрегатное состояние топлива – жидкое или твердое.

Помимо этих элементов, в топливо входят минеральные примеси, из которых в процессе сжигания топлива образуются зола А и влага W. Зола и влага составляют так называемый внешний балласт топлива. К внутреннему балласту топлива относят входящие в его состав азот и кислород.

Таким образом, в состав твердых и жидких топлив входят :

· горючие элементы: углерод С, водород Н, летучая сера S, состоящая из органической серы S ор и колчеданной S к, входящей в FeS 2 ;

· негорючие элементы: азот N и кислород О;

· балласт: зола A и влага W.

Состав твердых и жидких топлив записывают в виде знаков химических элементов:

C + H + O + N + S + A + W = 100%, (3.1)

где символы C, H, O, N, S выражают процентное содержание по массе соответственно углерода, водорода, кислорода, азота и серы, а символы A и W – содержание золы и влаги.

Газообразное топливо представляет coбой смесь горючих (СО, Н 2 , СН 4 , С m Н n) и негорючих (N 2 , О 2 , СО 2) газов, а также небольшого количества водяного пара (Н 2 О). Состав газообразного топлива принято указывать в процентахпо объему .

Химический состав газообразного топлива непостоянен. Он зависит от места добычи топлива или способа его получения. Состав горючих газов можно также характеризовать соотношением (3.1). Однако удобнее (и принято) определять состав газообразного топлива по объемному содержанию отдельных его компонентов:

CO + H 2 + CH4 + SC m H n + CO 2 + H 2 S + О 2 + N 2 +…= 100%, (3.2)

где формулы соединений выражают их процентное содержание по объему.

В качестве окислителя, содержащего кислород, необходимый для процесса горения, обычно используется воздух. Состав воздуха и некоторые его свойства приведены в приложении в таблице D.2. Обычно с достаточной точностью можно принимать, что воздух состоит из азота и кислорода, причем содержание последнего по объему и по весу соответственно 21 и 23,2%, а средний молекулярный вес сухого воздуха – 28,97.