В последнее время большое количество зарубежных научно-исследовательских центров моторостроительных фирм проводят исследования, направленные на экономию топлива и замену традиционных жидких углеводородных топлив новыми видами.
Альтернативные виды топлива можно классифицировать следующим образом:
- по составу: углеводородно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры, водородные топлива с добавками;
- по агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;
- по объемам использования: целиком, в качестве добавок;
- по источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего газа, электроэнергии и др.
Рассмотрим каждый из наиболее распространенных видов альтернативного топлива более подробно.
Топливные элементы
Топливный элемент - устройство, не имеющее движущихся частей, в котором происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является выделяемое тепло и некоторое количество воды. На рис.1. приведена принципиальная схема действия топливных элементов.
Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах.
Принцип действия ТЭ был открыт еще в 1839 году. Тогда английский физик сэр Уильям Гроув обнаружил, что процесс электролиза, при котором вода с помощью электрического тока разлагается на составляющие ее водород и кислород, обратим. Нужно лишь подобрать соответствующий катализатор, и водород с кислородом будут соединяться в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электрического тока. Конструкций ТЭ множество, но далеко не все годятся для бортового использования на автомобилях. Одни обладают высоким КПД, но требуют только чистых водорода и кислорода. Другие способны питаться природным газом, но при работе нагреваются до 900°С. Пока для автомобилей наиболее подходят топливные элементы на так называемых протонообменных мембранах, разработанные в середине 80-х годов. На одну сторону такой мембраны подается водород, другая сторона омывается забортным воздухом. И этого достаточно, чтобы при реакции «холодного горения» мембрана выдавала напряжение от 0,7 до 1 В, нагреваясь при этом всего до 80°С. Последовательно соединяя такие мембраны в батареи, можно создать достаточно мощный источник энергии для современного автомобиля.
Автомобиль, работающий на топливных элементах, – это фактически электромобиль, который вместо подзарядки от электросети заправляется водородом на специальных заправочных станциях. Широкому распространению таких машин пока мешает высокая стоимость топливных ячеек, баков для хранения водорода на борту и отсутствие развитой сети водородных заправок.
Электричество
С первой половины XIX века стало широко использоваться преимущество электропривода автомобилей на базе заряжаемых батарей: никаких вибраций, выхлопных газов, теоретический коэффициент полезного действия почти 90 процентов в сравнении с 25 процентами у двигателя внутреннего сгорания.
Первоначально усилия были направлены на поиски альтернативного источника тяговой силы для сильно шумящих и дымящих железнодорожных локомотивов, но уже скоро эксперименты сосредоточились на автомобилях. Первый экземпляр электродвигателя для легкого электромобиля построен англичанином Старлеем в 1888 году. Однако удовлетворительные результаты были получены Жанто и Раффордом лишь в 1893 году. Они построили автомобиль, в задней части которого находились две батареи емкостью 200 ампер-часов каждая и общим весом 420 кг. Мощность двигателя составляла 2,5 кВт при 1300 об/мин.
Истинной причиной прекращения экспериментов с электроприводом в 1910 году стала невозможность решения основной проблемы электроавтомобиля - ограниченного запаса хода, а вовсе не быстрый прогресс двигателя внутреннего сгорания. Да и поиск других источников тяговой силы не казался актуальным.
Запас хода модели 1897 года - при максимальной скорости до 24 км/час и весе 1100 кг (из них батареи весили лишь 350 кг) - составлял примерно 60 км.
Спустя два года появился еще более мощный автомобиль с двумя двигателями по 6 л.с., способный пройти 90 км без подзарядки батарей. Большой успех электромобили имели в США, где в 1888 году Фред М. Кимбелл изготовил первый экземпляр этого типа автомобилей. Компания Electric Carriage And Wagon в Филадельфии первой начала их серийное производство и в 1897 году снабдила Нью-Йорк несколькими электротакси. К 1912 году насчитывалось 20 тысяч легковых автомобилей с электроприводом. Но интересы и потребителей, и производителей все больше склонялись в пользу двигателя внутреннего сгорания. Только он давал возможность осуществлять длительные поездки.
Чем привлекателен электромобиль, наверно, представляет каждый. 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.
Водород
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 двух-топливными 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.
Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси. И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.
Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина. Над системами питания немцам и японцам пришлось поломать голову. Но результат того стоил. Показанные BMW и Mazda водородные автомобили сочетают привычную для владельцев обычных авто высокую динамику с нулевым выхлопом.
А главное - они куда лучше приспособлены к массовому производству, чем "ультраинновационные" машины на топливных элементах. Как и для авто на топливных элементах, которым предрекают скорый рассвет, создателям машин с водородным ДВС нужно было сперва решить, каким способом хранить водород в автомобиле.
Самый перспективный вариант - металл-гидриды - ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Так достигается самая высокая безопасность хранения и самая высокая плотность упаковки топлива. Но это и самый хлопотный, и дальний по срокам массовой реализации вариант.
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.
Биотопливо
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.
Еще один способ получения биологического дизельного топлива - растительное сырье. Тем более идея получать его из растительного сырья была озвучена еще Рудольфом Дизелем! В 1900 году он даже продемонстрировал двигатель, работавший на горючем из арахисового масла.
Основой для биодизельного топлива служат различные компоненты, чаще всего соя, рапс, хлопок, а в последнее время ятрофа – это южноамериканское растение еще называют бутылочным деревом. Технология в общих чертах такова: семена растений проходят через маслобойку, в которой масло отделяется от шрота – отходов маслоэкстракционного производства. Затем масло смешивают с метанолом, применяя в качестве катализатора метоксид натрия. Полученную смесь очищают – горючее готово. На рис.3. представлена схема получения “биодизеля”.
В процессе производства «биодизеля» из сырья выжимают масло, очищают от вкраплений; полуфабрикат нагревают, охлаждают и дистиллируют.
В данный момент наиболее предпочтительным сырьем для производства биодизеля является рапс, который как сорняк растет где угодно, единственный нюанс - его надо вовремя собрать. Урожайность рапса достигает 20-25 центнеров с гектара. Но пока его только добавляют в дизельное топливо, поскольку рапсовое масло в чистом виде как топливо не используется. Из-за более высокой вязкости (почти в 20 раз выше по сравнению с дизельным горючим) требуется другая топливная аппаратура и изменение камеры сгорания. Масло смешивают с метанолом и получают метиловый эфир, иначе называемый «маслометанольная смесь». Из тонны получается 350 килограммов такой смеси. Для получения биодизеля в солярку добавляют 30% маслометанольной смеси. Вместо ядовитого метилового спирта рапсовое масло можно смешивать с этиловым (пищевым) спиртом.
Интересно, что в ходе переработки масла в биодизель получают ряд дополнительных продуктов, пользующихся спросом (например, глицерин, сульфат калия).
ПЛЮСЫ:
• Экономический аспект. Страны, где нефти нет либо крайне мало, готовы платить зеленым сырьем (а не долларом) за энергетическую независимость!• «Биодизель» практически не содержит серы и канцерогенного бензола;• Разложение этого топлива происходит в естественных условиях без вреда для природы, а в процессе сгорания в двигателе выбросы в атмосферу СО2 на 50–80% ниже, чем при работе на традиционном минеральном дизтопливе;• Растительное топливо отличает хорошая воспламеняемость, поскольку его цетановое число достигает 58, тогда как этот показатель для традиционной солярки не превышает 52. Иными словами, зажечь биодизельное топливо легче, но, увы, сгорает оно с меньшей теплоотдачей ;• Запасы сырья могут возобновляться ежегодно, культура не требует особого ухода в процессе выращивания;• В ходе переработки масла получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия);
МИНУСЫ:
• Себестоимость производства выше, чем бензина и дизтоплива;• Требуются дополнительные площади сельскохозяйственных земель;• Эфиры рапсового масла обладают значительной коррозионной активностью. Это чревато потерей стойкости резиновых прокладок и сальников, образованием твердых отложений в форсунках и жиклерах, забитыми топливными фильтрами и отказавшими насосами высокого давления;• Высокое содержание в «растительном» выхлопе окиси азота NOx. Содержание NOx в выхлопе в сравнении с обычным дизельным топливом на 10% больше, а в ходе эксперимента инженеры Volvoдоказали, что эта разница может достигать 40%;• Борьба с токсичностью приводит и к потере мощности, а ее компенсирует больший расход топлива;
Но технологии не стоят на месте. Так, норвежские компании–производители газетной бумаги планируют построить в течение пяти-шести лет завод по переработке древесных опилок и получать чистую «биосолярку» нового поколения.
Оригинальное направление выбрали американские ученые из университета Айовы, намеревающиеся привлечь нанотехнологии. Они предложили использовать мельчайшие частицы – наносферы, которые отличает пористая структура. В ходе химической реакции поры заполняет катализатор, что ускоряет процесс, а необходимая обычно процедура очищения становится лишней.
Третий вид биологического топлива - синтетическое горючее.
Современные технологии переработки углеводородов позволяют производить синтетическое дизельное топливо и синтетический бензин. В качестве сырья используются отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства и даже бытовой мусор. Особенности разработанных технологических процессов заключаются в том, что из одного и того же сырья могут получаться различные виды топлива.
Еще во время Второй мировой войны немцы учились не зависеть от нефти. С помощью синтеза Фишера-Тропша они добывали из каменного угля синтетическое топливо. Уголь измельчали, помещали в воду и нагревали до 800 градусов, после чего проводили каталитическую реакцию и конденсировали газообразные углеводороды в ректификационной трубе.
А еще во время войны ездили грузовики на дровах. Дрова, сгорая в условиях высокой влажности и недостатка кислорода, выделяли «синтезгаз», который и приводил в движение дизельные моторы. Но после войны производство заморозили из-за нерентабельности - нефть тогда была дешевой.
Первое в мире синтетическое дизельное топливо, в 2003-м году, разработала корпорация DaimlerChrysler.
Новое топливо, которое разработчики назвали BIOTROLL, производится из древесных отходов, а при его сгорании в атмосферу вообще не выбрасывается углекислый газ.
Биотопливо можно смешивать с обычной соляркой, улучшая экологические показатели дизельных двигателей, однако пока не получены точные данные о том, возможна ли эксплуатация современных дизельных двигателей только на новом виде топлива без проведения каких-либо доработок.
Первая заправка, на которой можно пополнить баки новым топливом, уже функционирует в Штутгарте.
ПЛЮСЫ:
• Можно получить требуемые характеристики топлива;• В синтетическом дизтопливе отсутствует сера;• Выбросы вредных веществ ниже, чем при использовании «нефтяного» горючего;• Запасы сырья неограниченны;
МИНУСЫ:
• Высокие затраты энергии для производства горючего;• Необходимы значительные вложения средств для создания предприятий по выпуску синтетического топлива и создание структуры накопления, поставки и подготовки сырья;
СПИРТ
Этанол в качестве топлива для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в 1876 году применял немецкий изобретатель Николаус Отто, а в 1908 году Генри Форд предложил покупателям «жестянку Лиззи» Ford T с двигателем, работающим на этаноле, бензине или их смеси.
Биоэтанол
Этанол, или этиловый спирт, более известен как сырье для изготовления алкогольных напитков. Биоэтанол – это обезвоженный этиловый спирт, изготовленный из биологически возобновляемого сырья.
Есть три способа получения этилового спирта: сбраживанием пищевого сырья (переработкой содержащегося в сырье сахара в спирт при помощи дрожжей), гидролизом растительного сырья и гидратацией этилена (синтетический спирт). Энергетическая ценность спирта почти в полтора раза ниже, чем у бензина.
Как получают этанол?
Первый этап - это получение целлюлозы. Например, в древесине ее содержится до 60%, а в бумажных отходах - все 90%. Затем целлюлозу в присутствии катализатора подвергают гидролизу (или «осахариванию»), в результате которого получается техническая глюкоза. После этого глюкозу в присутствии дрожжей (обычных, как в тесте) заставляют бродить. И на выходе образуется этиловый спирт - С2Н5ОН.
В качестве автомобильного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем гораздо меньше примесей (например, серы), а октановое число по исследовательскому методу достигает 125 единиц. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку - например, «девяносто второй» бензин с десятью процентами этанола становится «девяносто пятым» (схожее горючее, Е-10, используют в Таиланде). Однако теплотворная способность этанола существенно ниже «бензиновой» (21,2 кДж/л против 31,9 кДж/л) - отсюда и более высокий расход топлива. Кроме того, этанол очень гигроскопичен - при контакте с водой он «вымывается» из состава смеси, нарушая ее характеристики.
Опытная станция в Орнскольдсвике вырабатывает этанол из древесины. Опилки из контейнеров (1) поступают в автоклав (2), где подогреваются паром, и оказываются в реакторе (3). В нем опилки «осахариваются», разлагаясь на техническую глюкозу и лигнин. Затем в баке (4) в процессе детоксификации глюкоза лишается примесей и отправляется на брожение в колонны (5), где превращается в этанольное «сусло». Завершает процесс дистилляция, по окончании которой товарный этанол скапливается в баке (6)
Плюсы:
- Запасы сырья разнообразны и практически неограниченны;
- Есть богатый опыт эксплуатации двигателей, работающих на спирте (Бразилия, Австралия);
- Ниже токсичность выхлопных газов;
Минусы:
- Нужно вносить конструктивные изменения в систему питания;
- Мощность двигателя снижается, а расход горючего увеличивается;
- Из-за гигроскопичности спирта могут ухудшаться пусковые свойства двигателя;
- Дорогостоящее производство биоэтанола;
Метанол
Более известен как метиловый (или древесный) спирт. Процесс получения основан на каталитической конверсии углеводородов природного, коксового и других углеводородсодержащих газов с водяным паром. Как самостоятельное горючее и в качестве добавок к бензину применяется редко и только для двигателей спортивных мотоциклов, не рассчитанных на длительную эксплуатацию. В то же время достаточно широко используется как сырье, из которого автомобили на топливных элементах черпают водород.
Плюсы:
- Позволяет решить проблему хранения водорода и извлечения его по мере надобности;
- Запасы сырья практически неограниченны;
- Может использоваться как сырье для производства синтетического бензина;
Минусы:
- Очень токсичен (смертельная доза для человека – 30 миллилитров);
- Вызывает коррозию деталей;
Газ
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
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 практическинеограниченны, 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;
