Содержание
Введение
Растущий интерес к альтернативным
видам топлива для легковых и грузовых
автомобилей обусловлен тремя существенными
соображениями: альтернативные виды топлива,
как правило, дают меньше выбросов, усиливающих
смог, загрязнение воздуха и глобальное
потепление; большинство альтернативных
видов топлива производится из неисчерпаемых
запасов; использование альтернативных
видов топлива позволяет любому государству
повысить энергетическую независимость
и безопасность.
Закон об энергетической политике
США от 1992 г. определяет восемь альтернативных
видов топлива. Некоторые из них уже широко
используются, другие еще не повсеместно
доступны или находятся в экспериментальной
стадии. Но все обладают потенциалом для
обеспечения полной или частичной замены
бензина и дизельного топлива. К таким
видам топлива относят: спирт, биотопливо,
газ, водород, топливные элементы, электричество.
1. Природный газ
Природный газ представляет
собой альтернативный вид топлива, которое
полностью сгорает и уже сейчас повсеместно
доступно потребителям многих стран за
счет снабжения природным газом домов
и производственных объектов. При использовании
в транспортных средствах, работающих
на природном газе (автомобилях и грузовиках
со специально спроектированными двигателями),
природный газ дает значительно меньше
вредных выбросов, чем бензин или дизельное
топливо.
На газе (светильном) поршневые двигатели
внутреннего сгорания работали еще в доавтомобильную
эпоху. Теперь для питания автомобильных
двигателей используют два различных
типа газообразного топлива - метан или
пропан-бутановую смесь.
Сжатый газ (метан, природный газ, биогаз) достаточно
давно используется как горючее для ДВС.
Метан - это тот самый природный газ, который
по магистральным газопроводам поступает
в крупные города и сгорает в конфорках
бытовых газовых плит. Так как запасы метана
практически неограниченны, он очень дешев.
Возможно переоборудование для работы
на метане практически любых бензиновых
двигателей (карбюраторных, инжекторных)
и даже дизельных (хотя объем доработок
последних существенно выше и это не всегда
экономически целесообразно). Кроме традиционной
добычи газа, метан можно получать при
переработке органических отходов (биогаз).
Но при использовании метана в качестве
моторного топлива возникает одна проблема
- компактно его можно хранить только в
сжатом виде под давлением в 250 атмосфер,
для чего нужны очень прочные баллоны.
Если делать их из стали, то придется возить
с собой батарею баллонов весом до полутора
тонн - такой балласт могут взять на борт
только грузовики и автобусы, да и то ценой
существенного уменьшения грузоподъемности.
А ведь при малейших утечках есть еще и
проблемы взрывобезопасности.
Плюсы:
- Значительные запасы и возможность
получения из возобновляемых
источников;
- Меньше токсичность выхлопных
газов;
- Конструктивные изменения в
бензиновых автомобилях незначительные,
но больше, чем при переоборудовании
на сжиженный газ.
Минусы:
- Большие, тяжелые и дорогостоящие
газовые баллоны;
- Более высокая по сравнению
с преоборудованием на сжиженный
газ стоимость работы;
- При транспортировке природного
газа возможны его утечки;
Сжиженный газ
Этот вид моторного газообразного топлива
распространен куда шире. Это пропан-бутановая
смесь - сопутствующий газ, который получают
при добыче и переработке нефти (продукты
стабилизации газового конденсата, попутный
газ при добыче нефти и природный газ (при
его переработке). Пропан-бутан можно хранить
в сжиженном виде под давлением в 16 атмосфер,
а стальной баллон емкостью 50-80 л, который
вполне подойдет для обычного легкового
автомобиля, весит не более 40-70 килограммов.
Как и дизельное топливо, пропан-бутановая
смесь бывает летней и зимней, и вызвано
это разделение тоже особенностями сезонной
эксплуатации. Дело в том, что пропан испаряется
при -45°С, а бутан - при -0,5°С. Летом смесь
на 75% состоит из бутана, а на 25% - из пропана,
и при низких температурах она просто
не сможет перейти в газообразное состояние.
Поэтому зимний состав пропан-бутановой
смеси содержит 75% пропана и 25% бутана.
Запуск карбюраторного двигателя на газе
возможен и при отрицательных температурах.
Однако специалисты рекомендуют при температуре
воздуха ниже +5°С пускать двигатель на
бензине и переходить на газ спустя некоторое
время. Кроме того, даже летом нужно давать
двигателю хоть иногда поработать на бензине
- для промывки карбюратора. Если этого
периодически не делать, то его жиклеры
забиваются смолами и грязью, которые
неизбежно сопровождают плохо очищенный
отечественный газ. Кстати, в соответствии
с сезонной сортностью немного изменяется
и антидетонационная стойкость газовой
смеси.
Пропан имеет октановое число 110, а бутан
- 95, поэтому октановое число пропан-бутана
может варьироваться от 99 до 106. Еще одним
видом сжиженного газа является диметиловый
эфир, который, в ближайшие годы, может
стать основной альтернативой дизельному
топливу. Диметилэфир - это сжиженный газ,
который вырабатывается из природного
метана. Он характеризуется высоким цетановым
числом (55-60 против 40-55 у нефтяного дизельного
топлива) и полным отсутствием сажи в выхлопе.
Для использования этого вида топлива
не придется создавать новую инфраструктуру
АЗС - достаточно сделать их двухтопливными,
а на машину поставить комплект газовой
аппаратуры. Кстати, эфир вдвое дешевле
солярки, но расход его вдвое выше.
Плюсы:
- Цены ниже, чем на бензин (но
выше, чем на сжатый газ);
- Возможно переоборудование практически
любых бензиновых двигателей
внутреннего сгорания;
- Наличие дополнительной топливной
системы;
- Меньше токсичность отработавших
газов.
Минусы:
- При температуре ниже 0°С (т. е.
зимой) необходим запуск и прогрев
на бензине;
- Запасы ограничены;
- Дополнительные расходы на установку
и обслуживание.
2. Электричество
Электричество может использоваться
в качестве альтернативного вида топлива
для транспортных средств с питанием от
аккумуляторных батарей, или работающих
на топливных элементах. Работающие от
батарей электрические транспортные средства
накапливают энергию в батареях, которые
заряжаются путем подключения транспортного
средства к стандартному источнику питания.
Транспортные средства на топливных элементах
работают на электрической энергии, которая
вырабатывается за счет электрохимической
реакции, имеющей место при соединении
водорода и кислорода. Топливные элементы
производят электроэнергию без внутреннего
сгорания и загрязнения окружающей среды.
Компания Бэйкер начала производить
автомобили с электроприводом в 1897 году,
но после слияния в 1914 году с компанией
Paуx и Ланг отказалась от их производства.
В изображенной здесь модели 1902 года Voiturette,
которая имела длину примерно 2,4 м, конструкторы
Бэйкер использовали прогрессивные технические
новинки. Запас хода этой модели был очень
ограничен, так как батареи необходимо
было подзаряжать каждые 6-8 часов. На основе
этой модели был разработан вариант со
стреловидной формой корпуса для спортивных
гонок - так называемая Торпедо Кид, которая
выиграла несколько национальных гонок.
Чем привлекателен электромобиль, наверно,
представляет каждый. Тем не менее, мы
еще раз напомним об этом. В первую очередь,
он почти не дает выброса вредных веществ.
Ядовитых газов, попадающих в атмосферу
при зарядке и разрядке аккумуляторных
батарей, несравненно меньше, чем при работе
двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Чтобы отапливать электромобили зимой,
на них устанавливают автономные обогреватели,
потребляющие бензин или дизельное топливо.
Но они, понятно, не загрязняют атмосферу
так сильно, как ДВС. Второе преимущество
- простота устройства. Электродвигатель
обладает очень привлекательной для транспортных
средств характеристикой: на малых скоростях
вращения у него большой крутящий момент,
что очень важно, когда нужно тронуться
с места или преодолеть трудный участок
дороги. ДВС же развивает максимальный
крутящий момент при средних оборотах,
поэтому, если требуется большое усилие
на малых, его приходится увеличивать
с помощью коробки передач. Троллейбусы,
например, в таком агрегате не нуждаются.
Не требуется он и электромобилю, поэтому
управлять им проще, чем автомобилем с
механической коробкой передач.
Третье преимущество вытекает из второго.
Электромобиль не требует столь тщательного
ухода, как обычное авто: меньше регулировок,
не потребляет много масла, проще система
охлаждения, а топливная (если не считать
отопитель) вообще отсутствует.
И все же электромобиль устроен не так
просто, как может показаться: ему необходимы
сложные преобразователи напряжения и
много тяжелых и громоздких аккумуляторов,
которые трудно разместить. Да и с экологией
дело обстоит не столь блестяще, как это
представляется с первого взгляда.
Главный же недостаток, который сдерживает
внедрение электромобилей, - малая энергоемкость
батарей. Бак с бензином малолитражки
весит около 50 кг, обеспечивая запас хода
более полутысячи километров. Батареи
весят обычно больше 100 кг (а то и несколько
сотен), а пробег не превышает 100 км, причем
при движении с небольшой скоростью.
3. Водород
Водород можно смешивать с природным
газом для создания альтернативного вида
топлива для транспортных средств, в которых
используются некоторые виды двигателей
внутреннего сгорания. Водород также используется
в транспортных средствах с топливными
элементами, работающими на электричестве,
вырабатываемом в результате реакции,
которая происходит при соединении водорода
и кислорода в топливной ячейке.
Тезис "водород - топливо
будущего" звучит всё чаще. Большинство
крупных автопроизводителей проводит
опыты с топливными элементами. Такие
экспериментальные автомобили в большом
количестве мелькают на выставках. На
данный момент существуют два вида применения
водорода в автомобилях. Первый - это топливные элементы.
Эта технология считается самой прогрессивной.
По большому счету - получение электричества
из воздуха.
Ещё один путь внедрения водорода
на автотранспорте - сжигание его в ДВС.
Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские
и немецкие инженеры видят в этом свои
преимущества. BMW и Mazda предлагают сохранить
в автомобиле возможность ездить на бензине
(по аналогии с распространёнными ныне
двухтопливными машинами "бензин/газ").
Кроме того, перевод на водород обычных
ДВС (при соответствующих настройках)
не только делает их чистыми, но и повышает
термический КПД и улучшает гибкость работы.
Ближе к серийному производству
топливные системы с баками, в которых
водород хранится в газообразном виде
под высоким давлением (300-350 атмосфер),
либо в жидком виде, при сравнительно невысоком
давлении, но низкой (253 градуса Цельсия
ниже нуля) температуре. Соответственно,
в первом случае нам нужен баллон, рассчитанный
на высокое давление, а во втором - мощнейшая
теплоизоляция.
Первый вариант более опасен,
но зато в таком баке водород может сохраняться
долго. Во втором случае безопасность
куда выше, но на неделю-другую водородный
автомобиль на стоянку не поставишь. Точнее,
поставишь, но водород хоть медленно, но
будет нагреваться. Давление вырастет,
и предохранительный клапан начнёт стравливать
дорогое топливо в атмосферу. Mazda выбрала
вариант с баком высокого давления, BMW
- с жидким водородом.
Немцы понимают все недостатки
своей схемы, но сейчас BMW уже экспериментирует
с необычной системой хранения, которую
будет ставить на следующие свои водородные
машины. Пока автомобиль эксплуатируется,
из окружающей атмосферы вырабатывается
жидкий воздух и закачивается в промежуток
между стенками водородного бака и внешней
теплоизоляцией. В таком баке водород
почти не нагревается, пока испаряется
жидкий воздух во внешней "рубашке".
С таким устройством, говорят в BMW, водород
в бездействующей машине может сохраняться
почти без потерь примерно 12 дней. Итак,
BMW и Mazda нанесли двойной удар по стану
сторонников топливных элементов. Хотя
стоимость последних постоянно снижается,
а технологии совершенствуются, не исключено,
что именно серийные ДВС на водороде откроют
новую эру на дорогах планеты. Вот прогноз
баварцев. В последующие три года водородные
заправки (хоть по одной) построят во всех
западноевропейских столицах, а также
на самых крупных трансъевропейских магистралях.
До 2010 года первые двухтопливные авто
появятся в магазинах. В 2015-м на дорогах
их будет уже несколько тысяч. В 2025 году
четверть мирового автопарка будет питаться
водородом. Какую пропорцию среди водородных
машин составят машины с ДВС и авто на
топливных элементах - деликатные немцы
уточнять не стали.
4. Пропан
Пропан, также называемый сжиженным
нефтяным газом, представляет собой побочный
продукт переработки природного газа
или сырой нефти. Он уже широко используется
в качестве топлива при приготовлении
пищи и для отопления; пропан также является
распространенным альтернативным видом
топлива для транспортных средств. При
использовании пропана производится меньше
вредных выбросов в атмосферу, чем при
использовании бензина, кроме того, имеется
высокоразвитая инфраструктура для транспортировки,
хранения и распространения пропана.
5. Биодизельное
топливо
Биодизельное топливо представляет
собой альтернативный вид топлива на основе
растительных масел или животных жиров,
даже тех, которые остаются в ресторанах
после приготовления пищи. Двигатели транспортных
средств можно модифицировать так, чтобы
можно было сжигать биодизельное топливо
в чистом виде; биодизельное топливо можно
также смешивать с углеводородным дизельным
топливом и использовать в неадаптированных
двигателях. Биодизельное топливо безопасно,
поддается биохимическому разложению
и снижает содержание веществ, загрязняющих
воздух таких как, твердые примеси, монооксид
углерода и
углеводороды.
Технологий производства биотоплива
несколько. Одна из них - это переработка сельскохозяйственных
отходов в топливо. Сырьем, для этого
процесса, могут служить и куски древесины,
и солома, и навоз... Производство именно
такого топлива, получившее название SunDiesel,
начала немецкая химическая компания
Choren Industriers при поддержке концернов DaimlerChrysler
и Volkswagen. После сушки отходы нагреваются
до 400-500°С, выделившийся газ проходит ряд
превращений в присутствии катализатора
- и на выходе из реактора получается дизельное
топливо без содержания серы и других
вредных примесей. Кроме того, биодизельное
топливо «СО2-нейтрально» по отношению
к окружающей среде - при его сгорании
в атмосферу возвращается та углекислота,
что была поглощена растениями при росте.
Чистота такой биосолярки тоже играет
положительную роль - испытания показали,
что она позволяет выполнять нормы токсичности
Евро 4 даже тем двигателям, которые рассчитаны
только на Евро 3. Конечно, пока литр «солнечной»
солярки дороже обычной. По оценкам авторов
проекта, нынешние возможности сельского
хозяйства Европы способны обеспечить
таким топливом от половины до 80% всех
легковых дизелей.