16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/102/7831.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 10 (102) май 2008 года

Пусть бензин отдохнет

Возможность отказа от нефтяного автомобильного топлива обсуждается уже много лет. Еще два-три десятилетия назад автомобильные компании рассматривали в качестве возможной перспективы использование электрических двигателей вместо двигателей внутреннего сгорания. Работы велись как за рубежом, так и в СССР. Но дальше опытных образцов дело так и не пошло.

Еще недавно единственным источником электрической энергии были аккумуляторы, которые устанавливались на электромобили в виде больших и тяжелых батарей. Получалось, что грузоподъемность электромобилей оказывалась заведомо ниже (в лучшем случае – раза в полтора меньше, чем у машины с двигателем внутреннего сгорания), а запаса хода было достаточно разве что для перевозки товаров со склада в близлежащие магазины. О дальних поездках даже речи не шло. Вдобавок, из‑за высоких затрат на электроэнергию, традиционные бензиновые машины оказывались намного выгоднее.

Развитие аккумуляторных электромобилей продолжается и сегодня. Например, в мелкосерийное производство была запущена спортивная машина Venturi Fetish. Отличаясь неплохими разгонными характеристиками, она, тем не менее, не слишком быстра – максимальная скорость ограничена 170 км / ч. Ионно-литиевые аккумуляторы обеспечивают запас хода до 350 км, но и весят при этом 350 кг. Стоит такая машина около 450 000 евро.



Топливные элементы как альтернатива

Очевидно, что аккумуляторы – это тупиковый путь. Такие электромобили постепенно уйдут в прошлое. Их сменят машины на топливных элементах, разработка которых всячески поощряется в США. В Европе и Японии топливные элементы тоже в центре внимания автопроизводителей, и даже наш «АвтоВАЗ» демонстрировал машины на топливных элементах на базе «десятки» и «Нивы».

Топливные элементы – это класс химических источников тока со множеством разновидностей. Наиболее перспективными считаются топливные элементы на основе протонообменных мембран. Такие мембраны служат в качестве электролита и проводят только протоны, не пропуская через себя электроны. По разные стороны от мембраны расположены анод, катод и катализатор, в качестве которого чаще всего используется платина. Водород подается в топливный элемент со стороны анода и, контактируя с катализатором, распадается на два протона и два электрона. Электроны не могут пройти через мембрану и поступают во внешнюю электрическую цепь.

Протоны же через мембрану уходят на катод, где вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. Необходимые в реакции образования воды электроны поступают на катод из внешней цепи.

На первый взгляд, топливные элементы являются чуть ли не идеальным источником энергии. Их, в частности, отличают высокий (до 80%) КПД, отсутствие вредных выбросов (единственный отход – вода) и меньшая, чем у аккумуляторов, масса. Однако проблем при использовании топливных элементов тоже хватает.



Водородная «бомба»

Взять хотя бы использование в качестве топлива водорода. Этот газ чрезвычайно тяжело хранить и транспортировать. Как правило, для этого приходится использовать баллоны с давлением 350‑500 атмосфер (для сравнения: обычные российские гелиевые баллоны, из которых надувают воздушные шарики, имеют максимальное рабочее давление в 150 атмосфер). К тому же водород крайне взрывоопасен, отличается высокой текучестью и способен просачиваться сквозь самые небольшие неплотности. В этом отношении он намного хуже метана или пропан-бутановой смеси, которые также часто используются в качестве автомобильных топлив.

По сути, машина с водородным баллоном – это «бомба на колесах». И если взрывы бензиновых автомобилей встречаются чаще в боевиках, чем в реальной жизни, то с водородом все обстоит по‑другому. Чтобы предотвратить беду, системы питания водородных машин снабжают сложной запорной арматурой. Решить проблему высоких давлений в баллонах путем сжижения водорода нереально – машины придется комплектовать мощными криогенными установками, ведь при обычной температуре водород сжижить нельзя.

Есть и еще один выход. Можно заправлять машины с топливными элементами не водородом, а жидким топливом, подходящим для получения водорода: метанолом или даже обычным бензином. Однако и тут не все безоблачно: машину нужно комплектовать реактором для разложения жидкого топлива, а побочный продукт реакции – углекислый газ – вызывает парниковый эффект.

Наконец, не стоит забывать, что водород в промышленности получают из метана, а метан является исходным веществом для синтеза метанола, причем синтез этот является многостадийным. То есть водородное топливо очень дорого, да и сокращению выбросов в атмосферу оно никак не способствует: разве что виновником выбросов оказывается уже не автотранспорт, а заводы, где изготавливается топливо.

Альтернативный способ получения водорода – электролиз воды – требует огромных затрат электричества, что опять же дает в итоге увеличение вредных выбросов от электростанций.

Перспективным может оказаться получение водорода из биомассы, но такие процессы пока не покинули пределов исследовательских лабораторий.

Активно ведутся работы и над топливными элементами, работающими не на водороде, а на том же метаноле. При использовании метанола целый ряд проблем отпадает сразу, хотя за это приходится платить уменьшением КПД такого топливного элемента.



«Переходные» топлива

Впрочем, химические источники тока – не единственный способ питания электродвигателя. Существуют и другие варианты: солнечные батареи или миниатюрные ядерные реакторы. Первые пока остаются лишь экзотикой, а вторые – фантастикой, причем фантастикой опасной. Все говорит о том, что в ближайшее десятилетие электромобили массовым явлением не станут. В лучшем случае мы станем свидетелями своеобразного переходного периода. Об этом, в частности, свидетельствует постепенное распространение гибридных автомобилей, использующих и двигатель внутреннего сгорания, и электромотор.

Пионером здесь стала компания Toyota c машиной Prius; в скором будущем начнутся продажи в США «гибридов» Honda, готовят такие машины и американские производители. Основным достоинством гибридных машин является сокращение вредных выбросов, за которые приходится расплачиваться усложнением и утяжелением силового агрегата.

Однако списывать на свалку истории двигатель внутреннего сгорания тоже еще очень рано. Рост цен на нефть в последние месяцы заставил вновь заговорить об использовании в ДВС альтернативных горючих вместо бензина и дизельного топлива.

Вообще говоря, под альтернативными топливами порой подразумевают очень широкий перечень продуктов. В него, в частности, попадают сжиженные нефтяные газы (та самая пропан-бутановая смесь, которой «кормятся» такси и чуть ли не все «Газели») и сжатый природный газ – метан. Такое топливо прекрасно «чувствует себя» в современных двигателях и достаточно популярно.



Мотор -алкоголик

Однако интереснее будет поговорить о других, менее известных видах топлива. Самым популярным альтернативным топливом, безусловно, являются спирты и их смеси с углеводородами.

Без внесения модификаций в конструкцию двигателя вместо бензина можно использовать метанол или этанол – ничего нового в этом нет. Метанол давным-давно используется в спортивных автомобилях и мотоциклах, а на этаноле и его смесях с бензином (такое топливо называется газохол) ездят в Бразилии.

Впрочем, этанол для этих стран привлекателен по одной простой причине – они имеют возможность производить его в огромных количествах из растительного сырья.

Для стран, где, в отличие от Бразилии, сахарного тростника нет, этанол годится лишь как добавка к бензину. Причем в таких странах (в том числе и Россия) придется обходиться не дешевым тростниковым, но довольно дорогим синтетическим спиртом, который получают на базе нефтяного и газового сырья.

Метанол же очень ядовит. С другой стороны, если нефть, как сейчас, продолжит дорожать (не говоря уж о возможном исчерпании ее запасов), то метанол, получаемый на базе природного газа, может все‑таки стать привлекательным топливом.



Эфир – понятие техническое

Для дизельных двигателей нефтяное топливо – тоже не единственный вариант. В качестве альтернативы ему предлагаются продукты как растительного, так и синтетического происхождения. В первом случае можно использовать рапсовое масло, которым, по некоторым данным, можно хоть сейчас заправить любой современный дизельный двигатель (правда, потребуются некоторые регулировки – впрочем, не затрагивающие конструкции двигателя).

Другая альтернатива – диметиловый эфир, который уже окрестили дизельным топливом XXI века. Это газообразное при обычных условиях вещество, и для его применения двигатели придется несколько модифицировать. Использование диметилового эфира позволит повысить экологичность дизельного транспорта, устранив выбросы сернистых и других вредных соединений.

Наконец, топливом для ДВС может служить и водород, правда проблем с ним будет еще больше, чем при использовании в электромобилях. Очень высокая температура сгорания водорода неизбежно повлечет за собой повышение тепловой нагрузки на двигатель. И если моторы новейших BMW водородное топливо воспринимают «на ура», то у двигателя машины попроще запросто могут прогореть поршни и цилиндры.

Высокие температуры в двигателе могут свести на нет и безвредность выбросов от сгорания водорода. Дело в том, что при высоких температурах значительно активнее будет происходить окисление азота с образованием его оксидов, ядовитых самих по себе и вызывающих кислотные дожди.

Итак, что же в итоге? Пока ни электромобили, ни «гибриды», ни машины на альтернативных топливах не способны конкурировать с традиционными бензиновыми и дизельными автомобилями. И даже при высоких ценах на нефть использование нефтяного топлива оказывается выгоднее применения водорода или метанола. Хотя, разумеется, в будущем ситуация будет потихоньку меняться.

Наиболее многообещающим в качестве «иного топлива» пока что является все же метанол. Его можно применять как в двигателях внутреннего сгорания, так и в топливных элементах. Кроме того, перевести заправочные станции на метанол значительно проще, чем на водород. Да и вероятность взрыва тут значительно меньше.



Как продать воздух

В 2000 году многочисленные СМИ пророчили, что в начале 2002 года начнется массовое производство автомобилей, использующих воздух вместо топлива. Поводом для такого смелого заявления послужила презентация автомобиля под названием e. Volution на выставке «Auto Africa Expo-2000», которая состоялась в Йоханнесбурге. Изумленной общественности сообщили, что e. Volution может без дозаправки проехать около 200 километров, развивая при этом скорость до 130 км / час. Или же в течение 10 часов со средней скоростью 80 км / час. Было заявлено, что стоимость такой поездки обойдется владельцу e. Volution всего в 30 центов.

При этом весит машина всего 700 кг, а двигатель – 35 кг. Революционную новинку представила французская фирма MDI (Motor Development International), которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей, оборудованных двигателем на сжатом воздухе. Изобретателем двигателя является французский инженер-моторостроитель Гай Негр, известный как разработчик пусковых устройств для болидов «Формулы 1» и авиационных двигателей. Гай Негр заявил, что ему удалось создать двигатель, работающий исключительно на сжатом воздухе без каких бы то ни было примесей традиционного топлива. Свое детище француз назвал Zero Pollution.

Девизом Zero Pollution стало «Простой, экономичный и чистый»: упор был сделан на его безопасность и безвредность двигателя для экологии. Принцип работы агрегата, по словам изобретателя, таков: «Воздух засасывается в малый цилиндр и сжимается поршнем до уровня давления в 20 баров. При этом воздух разогревается до 400 градусов. Затем горячий воздух выталкивается в сферическую камеру. То есть – «в камеру сгорания», хотя в ней уже ничего не сгорает, но под давлением подается холодный сжатый воздух из баллонов; он сразу же нагревается, расширяется, давление резко возрастает, поршень большого цилиндра возвращается и передает рабочее усилие на коленчатый вал. Можно даже сказать, что «воздушный» двигатель работает так же, как и обычный двигатель внутреннего сгорания, но только никакого сгорания тут нет.

Кроме того, было заявлено, что выбросы автомобиля не опаснее углекислого газа, выделяемого при дыхании человека, двигатель можно смазывать растительным маслом, а электрическая система состоит всего лишь из двух проводов.

Представители Zero Pollution заявили, что для заправки «воздухомобиля» достаточно наполнить воздушные резервуары, расположенных под днищем автомобиля, что занимает около четырех часов. Впрочем, в будущем планировалось построить «воздухозаправочные» станции, способные наполнить 300-литровые баллоны всего за 3 минуты.

Предполагалось, что продажи «воздухомобилей» начнутся в Южной Африке по цене около $10 тысяч. Также говорилось о строительстве пяти фабрик в Мексике и Испании и трех – в Австралии. Лицензию на производство автомобиля якобы уже получили больше дюжины стран, а южноафриканская компания вроде бы получила заказ на производство 3000 автомобилей вместо запланированной экспериментальной партии в 500 штук.

Однако после громких заявлений и всеобщего ликования что‑то произошло. Внезапно все стихло, и о воздухомобиле забыли.

Есть мнение, что экологичную разработку саботировали автомобильные гиганты. Эту версию отчасти подтверждает сайт «Deutsche Welle»: «Авторемонтные предприятия и нефтяные концерны единодушно считают автомобиль с воздушным двигателем «недоработанным».

Однако и независимые эксперты были настроены скорее скептически, тем более что ряд крупных автомобилестроительных концернов (например, «Фольксваген»)  уже в 1970‑80‑х годах вели исследования в этом направлении, но затем свернули ввиду их полной бесперспективности.

«Deutsche Welle» обращает внимание на то, что в различных публикациях «описание двигателя и принципиальная схема его работы грешат неточностями и ошибками, а, кроме того, версии на разных языках не только изрядно различаются, но порой и прямо противоречат друг другу. Чуть ли не в каждом издании приводятся свои, отличные от прочих, технические параметры».

Разброс цифр столь велик, что,невольно задаешься вопросом: неужели они относятся к одному и тому же автомобилю?

Еще одна странная закономерность состоит в том, что с каждой следующей публикацией параметры автомобиля улучшаются: то мощность подрастет, то цена упадет, то масса уменьшится, то емкость баллонов увеличится. Так что сомнения тут вполне уместны и оправданы.



Как из камня сделать пар

Однако есть и еще одна странная вещь – автором в результате поисков в сети Интернет было найдено много интересного на «воздушную» тему. Любопытно, что на состоявшейся в феврале 2001 года в Нюрнберге международной ярмарке игрушек канадская фирма Spin Master предложила покупателям модель самолета, оснащенную двигателем, работающим на сжатом воздухе. Мини-резервуар можно надувать любым насосом, и пропеллеры уносят оригинальную «игрушку» в небеса. Кроме того, в одном документе одна столичная компания предлагает чиновникам «ознакомиться с предложением автомобильной фирмы MDI (Франция) о производстве в Москве абсолютно экологически чистых и экономичных автомобилей». Встречается и предложение В. А. Конощенко, который сообщает об изобретенном им автомобиле, работающем на сжатом воздухе, прилагая описание устройства, а также изобретение Р. Шаймухаметова – «Садоход», который «приводится в движение от сжатого воздуха: под капотом агрегата находится небольшой двигатель и серийный компрессор. Воздух вращает автономно друг от друга два блока (слева и справа) эксцентрических роторов (поршней). Роторы в блоке через ходовые колеса соединены гусеничной цепью.

В итоге у автора сложилось двоякое впечатление: с одной стороны, не до конца понятна история с французским «воздухомобилем», а с другой – куда более четкое ощущение, что «воздушный» транспорт давно используется, и в особенности почему‑то в России. И притом с позапрошлого века. Есть данные о том, что спроектированная самоучкой И. Ф. Александровским 33-метровая подводная лодка с двигателем, работающим на сжатом воздухе, летом 1865 года была спущена на воду, успешно прошла ряд испытаний и только после этого затонула.



Газ как соперник

Газ, как известно, агрегатное состояние вещества, в котором оно равномерно заполняет весь предоставленный ему объем.

В тридцатые годы прошлого века англичанин Барнетт получил патент на газовый двигатель, а в 1860 году француз Э. Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа. Такой выбор горючего никого не удивил – бензина еще не было. Бензин в качестве горючего был использован спустя два десятилетия, когда Г. Даймлер создал бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Бензиновый мотор заменил лошадь в первых «самодвижущихся колясках» – автомобилях.

Повсеместный рост количества автомобилей потребовал значительного увеличения объемов производства бензина. О газе как о возможном моторном топливе надолго забыли. Лишь через 100 лет после Барнетта, в конце тридцатых годов прошлого столетия, возродилась мысль о его использовании. Тогда появились первые газогенераторные автомобили. Газ вырабатывался в топке, а оттуда подавался в двигатель.

Сейчас бензин дорожает, и его пытаются заменить. И природным газом, и синтезированными газами и жидкостями (например – спиртом, который гонят из самого разного сырья: от тростника до апельсиновых корок). Все эти виды топлива менее опасны для окружающей среды, чем бензин.

Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование газа вместо бензина – вынужденная мера. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше.

Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило, нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца. В отработанных газах бензинового двигателя из‑за неполного сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) – токсичное для человека вещество. И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления.

Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества – этил и этилен, а газовый двигатель – метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен. Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает по классическому четырехтактному циклу. Газообразная смесь воздуха и топлива всасывается в цилиндр двигателя, сжимается поршнем, воспламеняется искрой, давит на поршень и двигает шатунный механизм, а затем выбрасывается из цилиндра. Чем сильнее можно сжать топливо без возникновения детонации, тем больше мощность двигателя. Антидетонационную способность топлива определяют октановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднее октановое число природного газа (105) недостижимо для любых марок бензина.

Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и распыленного топлива. Для воспламенения смеси нужна определенная концентрация топлива. Газ по сравнению с бензином горит при меньших концентрациях, то есть при более «бедных» смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, напротив, можно понизить мощность.

Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно «послушнее» бензина. Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы – в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях – ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозии металла. Несмотря на многочисленные достоинства природного газа, закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистры еще рано.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 10 (102) май 2008 года:

  • Пусть бензин отдохнет

    Возможность отказа от нефтяного автомобильного топлива обсуждается уже много лет. Еще два-три десятилетия назад автомобильные компании рассматривали в качестве возможной перспективы использование электрических двигателей вместо двигателей внутреннего сгорания. Работы велись как за рубежом, так и в СССР. Но дальше опытных образцов дело так и не пошло. Еще недавно единственным источником электрической энергии были аккумуляторы, которые у...

  • США: Возобновляемую энергетику разовьют испанцы

    Испанская энергетическая компания Iberdrola SA намерена вложить 8 миллиардов долларов в развитие в США возобновляемых источников энергии в период с 2008 по 2010 год. Такое заявление содержится в пресс-релизе компании. Iberdrola рассчитывает к 2010 году получить контроль над 15 процентами рынка ветровой энергетики. По данным Iberdrola, производительная мощность ветроэнергетики компании в США на конец марта текущего года составляла 2,4 т...

  • Золошлаковые отходы: опыт и перспективы использования

    По решению I съезда сибирских энергетиков и при поддержке РАО «ЕЭС России» в июне этого года в Новосибирске состоится Всероссийское совещание по использованию золошлаковых отходов. Данная проблема вызывает большой интерес по ряду причин. Среди промышленных отходов одно из первых мест по объемам занимают золы и шлаки от сжигания твердых видов топлива (уголь разных видов, горючие сланцы, торф) на тепловых электрических станциях. Огромные...

  • Новости тендеров

    ОАО «Московская теплосетевая компания» приглашает юридических и физических лиц к участию в открытом одноэтапном конкурсе без предварительного отбора на право заключения договора на выполнение строительно-монтажных работ для нужд ОАО «Московская теплосетевая компания». Описание предмета работ: выполнение строительно-монтажных работ по реконструкции тепловой сети 300 миллиметров: устройство байпаса, устройство проходного канала. Заказ...

  • МЭС Урала автоматизируют ключевую подстанцию Екатеринбурга

    Филиал ОАО «ФСК ЕЭС» – Магистральные электрические сети (МЭС) Урала приступил к созданию автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) на подстанции 500 кВ «Южная» в Екатеринбурге. В результате повысится надежность электроснабжения потребителей столицы Урала с населением более 1,3 миллиона человек. Стоимость работ превышает 57 миллионов рублей. АСУ ТП усовершенствует работу энергообъекта и повысит на...