Альтернативные виды топлива. Перспективы развития

Высокая температура  воспламенения. Еще один технический показатель, интересный для организаций, хранящих и транспортирующих ГСМ: точка воспламенения. Для биодизеля ее значение превышает 100°С, что позволяет назвать биогорючее относительно безопасным веществом. Тем не менее, это не означает, что к нему можно относится с халатностью.

Ныне стоимость автомобильного биотоплива зависит от страны-производителя. Цена зависит от «калорийности» сельскохозяйственных культур, стоимости рабочей силы, эффективности процесса переработки и пр. К примеру, этанол в Бразилии стоит дешевле, чем в США: в частности, потому что бразильский сахарный тростник более удобен для производства спирта, чем американская кукуруза. Ныне технология позволяет производить 1 литр биодизельного топлива примерно из 1,2 литра соевого масла. Стоимость этого топлива ныне примерно равна стоимости бензина.

По прогнозу Международного Энергетического Агентства, к 2020 году мировое производство биотоплива, как минимум, учетверится и достигнет 120 млрд. литров в год. К 2010 году мировой автопром выпустит, как минимум, 2 млн. единиц автомобилей, способных работать на спирте и биодизельном топливе. Пока же доля «биологических» автомобилей в автопарке США незначительна, несмотря на то, что с конца 1970-х годов федеральные власти и власти некоторых штатов приняли ряд законов, устанавливающих налоговые льготы для производителей подобного топлива, механических устройств для его использования (автомобили, системы хранения и распределения и пр.) и для покупателей подобных автомобилей.

Однако перспективы  у подобных автомобилей можно признать радужными. Значительные средства, вложенные в научные исследования по использованию биологического топлива, постепенно начали приносить результат. Косвенным свидетельством этого являются данные Национальной Лаборатории по Изучению Возобновляемой Энергии (National Renewable Energy Laboratory): число выданных патентов на изобретения в этой сфере в 1998 году выросло в 25 раз по сравнению с уровнем 1981 года. Кроме того, заметно изменились настроения американских потребителей, многие их них серьезно рассматривают возможность приобретения более экономичного автомобиля, в том числе такого, который не использует в качестве топлива нефтепродукты.

Водородное топливо.

В современной «нефтяной» экономике производство водорода представляет собой отдельную самостоятельную  индустрию. В настоящее время 48% водорода производится из природного газа, 30% из нефти, 18% из угля, 4% посредством электролиза, то есть разложения воды на водород и кислород под действием электрического тока. Множество современных технологий получения водорода, основанных на переработке углеводородных топлив, осуществляются при высоких температурах и весьма далеки от совершенства с точки зрения охраны окружающей среды. Альтернативным методом получения водорода, не связанным с использованием ископаемых топлив, является электролиз, для реализации которого необходима лишь вода и электроэнергия. Однако поскольку электричество намного дороже, чем природный газ, то такой процесс является неэкономичным для крупномасштабного производства. Существенно улучшить экономические показатели этого процесса и сделать его конкурентным с широко применяемыми ныне технологиями переработки органического топлива помогут дальнейшие исследования в области так называемого высокотемпературного электролиза. В качестве дешевого источника электроэнергии, которая требуется для химических процессов получения водорода или высокотемпературного электролиза, может быть использована солнечная энергия. Еще одна чистая технология связана с возможным использованием в производстве водорода ядерной энергии. Наконец, в долгосрочной перспективе наиболее многообещающей технологией может оказаться прямое получение водорода в процессе фотосинтеза. Но это напрямую связано с дальнейшим развитием нанотехнологий. 
По сравнению с другими газами хранить водород или транспортировать его обычными методами очень дорого. Хранение газообразного водорода требует наличия больших емкостей. Повышение давления газа в емкости способствует росту плотности энергии, а следовательно, сокращению размеров этой емкости, тогда как вес ее увеличивается. Сжатие газа требует дополнительной энергии на работу компрессора. Чем выше давление, тем больше затраты энергии на сжатие. В качестве альтернативы может быть использован жидкий водород, обладающий более высокой объемной энергией. Однако жидкий водород представляет собой криогенную жидкость, которая способна существовать только при очень низких, так называемых криогенных температурах. При более высокой температуре жидкий водород превращается в пар, то есть становится газообразным. Таким образом, сжижение газообразного водорода также требует огромных энергетических затрат на его охлаждение. Более того, емкости для жидкого водорода должны быть хорошо изолированы от возможного нагревания. Если произойдет нарушение изоляции, то емкость покроется снаружи толстым слоем инея и льда, что может вызвать коррозию материала, из которого она изготовлена. Поэтому изоляция для водородных емкостей требует дорогих материалов и бережного отношения. В связи с этим трубопроводы для перекачки жидкого водорода обойдутся значительно дороже, чем, скажем, высоковольтные линии электропередачи или нефте- и газопроводы. Вместо хранения и использования чистого водорода в качестве носителей водорода можно использовать металлогидриды. Разные гидриды в разной степени обладают способностью поглощать водород и отдавать его обратно. Одни гидриды представляют собой жидкости, существующие при температурах и давлениях окружающей среды, другие представляют собой твердые тела, из которых можно делать таблетки. Гидридное хранение водорода могло бы стать одной из наиболее перспективных технологий для использования водородного топлива в автомобилях. 
Возможно, более дешевой и рациональной технологией, с которой можно было бы начать постепенный переход на водородное топливо и водородную экономику, является использование водорода непосредственно в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Основополагающим условием перехода на водородную экономику является замена двигателей внутреннего сгорания и турбин электрических станций  на топливные элементы (ТЭ), представляющие собой инженерное воплощение новой технологии превращения химической энергии топлива в электрическую как для автомобильных, так и для энергетических нужд. Хотя топливные элементы пока еще очень дороги, активные исследования в этой области, проводимые практически во всех развитых странах, рано или поздно приведут к снижению их стоимости. Топливные элементы могут работать как на чистом водороде, так и на углеводородном топливе. Когда топливные элементы по своей стоимости станут конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания, они непременно придут им на смену. ТЭ являются более эффективными по сравнению с ДВС и не загрязняют окружающую среду. При снижении себестоимости топливные элементы могут успешно применяться в более совершенных гибридных автомобилях. Пока источником водорода служит метан (природный газ), топливные элементы в автомобилях могут работать непосредственно на запасенном в баках сжатом метане. Такая система работает более эффективно, выбрасывает в атмосферу меньше углекислого газа, и не требует особых изменений в инфраструктуре. Еще одно преимущество использования метана заключается в том, что по сравнению с водородом метан намного легче транспортировать и хранить. Поскольку технология применения метана в двигателях внутреннего сгорания уже достаточно хорошо разработана, связана с меньшим количеством выбросов и способствует увеличению срока действия двигателя, то, возможно, в самой краткосрочной перспективе в качестве автомобильного топлива будет использоваться именно сжатый метан. Технологию, основанную на использовании топливных элементов, ждет, по-видимому, более отдаленное, но, несомненно, большое будущее.

Водород считается самым  экологичным видом топлива, именно водороду уделяют большое внимание многие автопроизводители. Так ли это?

Начнем с того, что  для производства этого топлива  необходимо затратить энергии больше, чем мы получим в результате его  сгорания, и этот показатель   тем  выше,  чем большее значение будет иметь электролиз и электроэнергия вообще. В итоге, суммарный выброс энергии при производстве и   потреблении  водорода будет выше, нежели сейчас, в расчете на тот же объем работы. Следовательно, тепловое загрязнение атмосферы, а возможно и гидросферы, заметно возрастет.

Вторая сторона - химическое загрязнение. В принципе, бензин - "экологически чистое" топливо: в результате его сгорания получаются вода и углекислый газ. Но вот технологически осуществимый и экономически приемлемый способ - совсем другое дело. Не получится ли то же с водородом? Быть может экономически оправданный способ производства горючего и его использования, так же будет отличаться от идеальней схемы, как и реальный     процесс сгорания углеводородов в цилиндрах двигателей отличается от схемы. Правда, водород, вероятно, неисчерпаемое топливо, и над совершенствованием технологии здесь больше смысла трудиться, чем, например, над усовершенствованием ядерных реакторов. Но представляется трудноразрешимым еще один аспект проблемы: если в городах и в будущем будет применяться такое же множество двигателей и печей, как сегодня, их воздух станет поистине "мокрым". Априори мы не можем сказать,   какие процессы будет стимулировать повышенная влажности, поэтому   вряд ли уже сейчас следует возлагать на водород безоговорочно радужные надежды.

Частично избежать этих неприятностей можно, если производить водород прямо на автомобиле, заменив процесс сгорания  процессом производства электроэнергии в топливных ячейках. Производство водорода для топливных ячеек непосредственно на борту машины из обычного бензина — одно из направлений внедрения водородной энергетики на транспорте. Такой цикл, в теории, позволяет добиться большего КПД, чем сжигание бензина в ДВС. Массовому внедрению новых силовых агрегатов мешают не только проблемы с топливными элементами, но и большая инерционность топливных реформеров, преобразующих бензин в водород. Для этого в числе прочих вариантов используют паровое преобразование, в котором углеводороды реагирует с паром при высоких температурах в присутствии катализатора. Ранее такие установки начинали выдавать водород через 15 минут после начала разогрева, что было неприемлемо для применения в автомобилях. Теперь создали экспериментальный паровой реформер, в сердцевине которого расположены десятки тончайших каналов. Он способен выдать поток водорода уже через 12 секунд после запуска.

 

Металл. Ученые из штата Теннесси утверждают, что металл должен стать новым, революционным видом автомобильного топлива.

Они считают, что из порошкового  железа или алюминия при определенных условиях высвобождается огромное количество энергии. Для этого нужно лишь сделать частицы размером примерно в нанометр и добавить воспламеняющий элемент. По словам исследователей, энергия от сгорающего порошкового железа в два раза превысит энергию от сгорания бензина. Металлическое "нано-топливо", как его называют ученые, не дает выброса углекислого газа и оксидов азота, а при добавлении водорода наночастицы можно использовать даже по несколько раз.

Принцип работы здесь, грубо говоря, схож с запуском ракеты: порошковый металл используется при запуске космических Шаттлов и военных торпед. Для автомобильной промышленности здесь существует лишь одна проблема - что делать с оксидами, которые образуются при контакте металла с воздухом.

Ученые, придумавшие новый  вид топлива, говорят, что его в первую очередь можно использовать для двигателей внешнего сгорания (или двигателях Стирлинга), которые сейчас делают только для грузовых автомобилей или судов. В таких двигателях топливо сжигается в форсунках (горелках), пламя которых направлено на трубки нагревателя. Горение происходит с большим избытком воздуха, вследствие чего в продуктах сгорания содержится значительно меньше токсичных веществ, чем в продуктах сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Такой двигатель может работать на любом топливе, включая ядерное.

 

 

Выводы

 

В заключение уделим несколько  слов будущему альтернативных топлив. Их применение, за исключением углеводородных газов, уже использующихся на практике, — пока еще далекая перспектива. В данный момент на очереди спирты и диметиловый эфир. На 2007 год запланирована реализация на опытно-конструкторском уровне результатов их исследований как топлив, хотя более развитые в технологическом отношении страны уже готовы принять новые технологии. Так Ford обещает переделать американские АЗС на торговлю более дешевым спиртосодержащим автомобильным топливом E85, состоящим из 85% алкоголя и 15% бензина. Переоборудованием АЗС займется фирма VeraSun Corp., которая уже имеет опыт такой переделки в южных штатах США и в Швеции. Сегодня из 180,000 АЗС в США только 500 приспособлены к розливу спиртосодержащего горючего E85. Для обеспечения спроса на E85 никаких особых мероприятий на транспорте проводить не потребуется благодаря дальновидной политике Ford, который уже давно делает машины с универсальными системами питания под бензин и спирт. По данным компании, на дорогах США уже сейчас эксплуатируется как минимум 1 миллион "всеядных" автомобилей. А в будущем году Ford планирует выпустить еще 250,000 самых популярных пикапов серии F-150, которые будут ездить на бензине и на спирте. Спирт в США производится главным образом из пшеницы, а спиртосодержащее горючее E85 при нынешних ценах на нефть получается вдвое дешевле обычного бензина.

Не стоит забывать, что темпы внедрения экологических технологий на транспорте во многом обуславливаются политикой государства и являются показателем высокой технической и экологической культуры нации.

 

Библиографический список:

 

1. www.zr.ru - сайт журнала "За рулем".

2. www.autogazeta.com - электронный автомобильный еженедельник.

3. www.bioethanol.ru - инфрмационный рекламный производителей биоэтанола.

4. www.autoreview.ru - сайт автомобильной газеты "Авторевю"

5. www.agronews.ru - сайт газеты "Крестьянские ведомости".

6. www.trans.maximedia.ru - журнал "Транссервис"

7. Bowman. L., and E. Geiger. 1984. Optimization of fermentation conditions for  alcohol production. Biotechnology and Bioengineering.