28 и 29 октября. Проблемы экологии в контексте цифровой трансформации общества... Архитектура. Инженерия. Цифровизация. Экология» пройдет в...


Экотопливо

 

Эпоха двигателей внутреннего сгорания приближается к своему концу. И на это есть две существенных причины. Первая – запасы нефти неуклонно истощаются, что вызывает стабильный рост ее стоимости. Специалисты считают, что после 2020 года добыча нефти пойдет на убыль. И вторая — растущие выбросы углекислого газа, который создает в атмосфере парниковый эффект, вызывающий глобальное потепление. Поэтому ученые, а вместе с ними и автопроизводители находятся в лихорадочном поиске новых источников энергии.

 

Биоэтанол

 

 

У этого вида топлива есть как приверженцы, так и ярые противники. Неоспоримым его достоинством, которое признают все, является существенное снижение выброса вредных веществ, что позволяет укладываться с запасом во все существующие экологические нормы. Самыми крупными потребителями этанола являются США и Бразилия, в Европе – Швеция. Американцы производят его из кукурузы, бразильцы — из сахарного тростника. В этих же странах распространены и Flex-Fuel (FFV) автомобили, которые могут работать и на бензине, и на его смеси с этанолом в любом соотношении.

 

 

Этанол в автомобилях применяется не в чистом виде, а в смеси с бензином в разных пропорциях. Топливо Е-10 содержит 10% этанола и 90% бензина, топливо E-85 соответственно 85% этанола и 15% бензина. Все современные автомобили могут без переделок заправляться Е-10. При большей концентрации этанола необходимы изменения в двигателе и системе питания: другие топливный бак и топливопроводы; уплотнения, устойчивые к воздействию не только бензина, но и спирта; требуется перепрошивка блока управления; более стойкие клапана и их седла. Этанол гигроскопичен, то есть легко впитывает воду, что может привести к коррозии деталей топливной системы. Если автомобиль эксплуатируется при низких температурах, в топливной системе может образоваться лед. Поэтому FFV автомобилям необходим предварительный предпусковой подогрев топлива.

 

 

Сторонники этанола утверждают, что при его использовании работа двигателя улучшается: снижается риск детонации, так как октановое число этанола выше, чем у бензина; двигатель не перегревается; форсунки не загрязняются. Противники заявляют, что мощность двигателя, работающего на этаноле, снижается, так как при его сгорании в цилиндрах выделятся на треть меньше энергии, чем при сгорании бензина. А это значит, что неизбежно возрастет расход топлива — и экономии не выйдет, получите только «зеленый» эффект.

 

 

А возможен переход на биоэтанол в мировом масштабе? Вряд ли. Для получения такого количества топлива необходимо будет засеять дополнительно огромные площади. В Бразилии, например, для этого вырубаются леса Амазонки. А что будет в масштабе всей планеты? При производстве этанола в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа — к чему же тогда огород городить? Ну, и последний аргумент противников биоэтанола звучит более чем убедительно: если все сельское хозяйство планеты будет производить сырье для топлива, то что же тогда мы станем есть? Поэтому, скорее всего, биоэтанол останется топливом «регионального», а не мирового применения.

 

Биодизель

 

 

А что же с дизелем, спросят сторонники этого типа ДВС? Не волнуйтесь, для вас тоже существует биотопливо, которое так и называется – биодизель. Биодизель является продуктом переработки растительного масла, сырьем для которого чаще всего служат рапс, соя или подсолнечник. Немногие, кстати знают, что первые двигатели, изготовленные Рудольфом Дизелем, работали вовсе не на солярке, а на арахисовом масле.

 

 

На автомобилях биодизель применяется в смеси с соляркой. Обозначения такого топлива зависят от процентного содержания в нем биодизеля. Например: В-20 – 20% биодизеля, 80% обычного дизтоплива. В отличие от биоэтанола для применения биодизеля нет необходимости в доработке двигателя и топливной системы. Такое топливо имеет более высокое цетановое число, лучшие смазочные свойства и меньшее содержание серы, чем обычная солярка. Все эти достоинства способствуют увеличению ресурса двигателя. Ну, и главным достоинством биодизеля является снижение выбросов вредных веществ в атмосферу – ради этого ведь все и затевалось!

 

 

А недостатки? Их тоже немало. Мощность двигателя при использовании биодизеля снижается, а расход топлива увеличивается. При низких температурах в топливной системе образуются отложения воска. Биодизель более агрессивен к резиновым деталям. Срок его хранения – не более 3 месяцев, иначе он разлагается.

 

 

Но самый большой недостаток – то, что производство биодизеля существенно нагружает окружающую среду. Масличные культуры сильно истощают почву. Поэтому приходится увеличивать количество вносимых удобрений, остатки которых загрязняют подземные воды. Кроме того, как и в случае с биоэтанолом, сторонники биодизеля должны задать себе вопрос: что важнее – экологичная солярка в баке, или еда на столе?

 

Биогаз

 

 

Биогаз — это продукт переработки различных видов пищевых и сельскохозяйственных отходов, навоза и другого мусора. Не зря его еще называют «канализационный газ». Состоит биогаз из метана и углекислого газа. Для применения в автомобилях его предварительно очищают от углекислого газа и получают биометан. По своим свойствам это аналог природного метана, разница лишь в происхождении.

 

 

К достоинствам биогаза относят низкую концентрацию вредных веществ в выхлопных газах, высокую антидетонационную стойкость. Также утверждается, что газ не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, увеличивая тем самым ресурс двигателя.

 

 

Недостатки -низкая теплотворная способность, а, значит, повышенный расход; необходимость заправки в тяжелые баллоны. Поэтому основная область его применения — общественный и грузовой городской транспорт.

 

 

Водород

 

 

В теории использование водорода в качестве автомобильного топлива — идеально. Во- первых, его в природе очень много, во-вторых, при его сгорании образуется только вода. Нулевой выброс — «зеленая» мечта экологов! Но когда приступили к практическому воплощению идеи в жизнь, бурные восторги поутихли.

 

И первой проблемой оказалось получение водорода. Хотя в окружающей среде его и много, но в чистом виде нет! Этот водород надо еще каким-то образом извлечь. Задача оказалась не только трудоемкой, но и энергоемкой — затраты энергии на добычу водорода превышают то количество энергии, которое он отдает в двигателе. Вдобавок, в процессе получения водорода в атмосферу выбрасывается углекислый газ. Замкнутый круг!

 

 

Вторая проблема — хранение водорода непосредственно на автомобиле. Чтобы хранить в газообразном состоянии, его надо закачать в баллоны под давлением не менее 350 атмосфер (это обеспечит запас хода около 200 км). Для хранения в сжиженном состоянии нужны специальные баки, поддерживающие температуру -250° С. Все эти процедуры требуют дополнительных невосполнимых энергозатрат.

 

 

В процессе испытаний опытных образцов оказалось, что и в плане экологии тоже не все «чисто». Водород в цилиндрах смешивается не с кислородом, а с воздухом, состоящим на 78% из азота. Поэтому в выхлопе присутствует не только водяной пар, но и окислы азота, которые вредны не меньше, чем углекислый газ. Причем их концентрация даже больше, чем в выбросах обычного бензинового двигателя. Для снижения уровня выбросов NO приходится обеднять смесь, что приводит к существенному снижению мощности двигателя. Еще одним недостатком водородного топлива является его легкая воспламеняемость, а это увеличивает вероятность возникновения калильного зажигания.

 

Электромобили

 

 

Ни у кого не вызывает сомнений, что в будущем мы будем ездить только на электромобилях. Только вот когда оно наступит пока не ясно. Всем хорош электромобиль — бесшумен, безвреден для окружающей среды, прост по конструкции. Электродвигатель обладает идеальной моментной характеристикой, ему не нужна трансмиссия. Препятствие только одно — отсутствие достаточно емкого и компактного источника питания.

 

 

Лучшие на сегодняшний день литий-ионные батареи могут обеспечить дальность хода не более 300 км, после чего им нужна многочасовая подзарядка. И «прорыва» в создании легких и емких аккумуляторов на сегодняшний день не предвидится. Но даже если все проблемы с аккумуляторами будут решены, неизбежно появятся другие вопросы: необходимо будет создавать сеть зарядных станций, резко возрастет потребность в электрической энергии. А откуда ее брать?

 

 

Перспективным источником питания для электромобилей считаются топливные элементы, успешно применямые в космической отрасли. В топливном элементе происходит соединение кислорода с водородом. В результате реакции электролиза возникает разность потенциалов, выделяется вода и тепло. То есть внешне все выглядит так: заправляем машину водородом, едем, из выхлопной трубы идет водяной пар. Поэтому некоторые люди путают использование водорода в качестве топлива для ДВС (о чем написано в предыдущем разделе), и использование водорода для получения электрической энергии в топливных элементах. Батарея топливных элементов питает электродвигатель, который и вращает колеса.

 

 

Препятствием для широкого применения топливных элементов является их дороговизна и упомянутые выше проблемы с получением и хранением водорода.

 

Прогноз

 

 

Первый шаг к чистому небу уже сделан — с 1997 года гибридные автомобили выпускаются серийно. Причем, если в современных гибридах «первую скрипку» играет ДВС, а электродвигатель является вспомогательным средством, то в ближайшем будущем они, вероятно, поменяются ролями. Автомобиль будет двигаться на электротяге, а ДВС будет использоваться только для вращения генератора.

 

 

Следующим шагом может стать переход на водородные двигатели — для этого нужно, чтобы ведущие страны мира изыскали средства на реорганизацию топливной инфраструктуры. Если же удастся снизить стоимость топливных элементов, то и приход электромобилей будет не за горами.

 

 

А пока с уверенностью можно сказать, что в силу указанных в начале статьи причин мы рано или поздно будем ездить на «зеленых» автомобилях.

 

www.avtonov.svoi.info