Неисчерпаемый энергоресурс, идеальный энергоноситель и перспективы их использования
Человечество осваивает новый энергоресурс. Ресурс очень перспективный: неисчерпаемый и возобновляемый, не выделяющий при его использовании вредных веществ и тепла. Его добыча не зависит от погодных условий, а значит использовать его можно и в пасмурную и безветренную погоду, что определяет его преимущества перед ветрогенерацией и солнечной энергетикой. Более того, практически равны нулю затраты на его добычу. Он везде вокруг нас, практически в неограниченном количестве. Это обычный атмосферный воздух!
Ну вот, скажете Вы: еще один прожектер! И скажете напрасно. Уже более века десятки инженеров пытаются эффективно использовать данный энергоресурс. А многие десятки изобретателей предлагают различные виды двигателей, работающие на сжатом атмосферном воздухе, т.н. пневмодвигателей.
Впервые в роли двигателя пневматический привод выступил еще в конце 19-го века. Тогда во французском городе Нант на линию общественного транспорта был выпущен трамвай, который приводился в движение энергией сжатого под высоким давлением воздуха. Первый экспериментальный легковой «воздушный» автомобиль был представлен в Лос-Анджелесе в 1932 году. К этой разработке быстро охладели, поскольку об экологии тогда мало кто задумывался, тем более что пневмодвигатели с бензиновыми моторами тогда конкурировать не могли.
К сожалению, все эти предложения объединены одним общим недостатком: низким КПД предлагаемых двигателей, что не позволяет рассматривать их, как полноценную замену ДВС.
Пневматический двигатель Николая Пустынского
В конце восьмидесятых главный конструктор Заволжского моторного завода Н. Пустынский разработал свой пневматический двигатель для автомобиля. Главное отличие этого мотора от похожих разработок заключалось в том, что Пустынский создал пневмодвигатель из обычного ДВС с сохранением 95% его деталей.
Общий принцип работы пневмодвигателя был сохранен. Сжатый под давлением 300 бар воздух подавался в рабочую камеру, где расширяясь, толкал поршень и выходил наружу. Однако у автомобилестроителей двигатель на сжатом воздухе по ряду причин большого интереса не вызвал, и сенсации не случилось. Но пневматическая установка применение все же нашла. На некоторых промышленных предприятиях электрокары были заменены дешевыми и практичными пневмокарами, оснащенные двигателями Пустынского.
Пневмодвигатель Гая Негре
До 1991 года инженер-испытатель Гай Негре был одним из ведущих конструкторов двигателей в Формуле-1. На разработку своего пневматического двигателя им было потрачено более 10 лет. Основанная с группой единомышленников компания стала называться Motor Development Internation. Ее первоначальный проект не был пневмомобилем в полном смысле этого слова. Первый двигатель Гая Негре мог работать не только на сжатом воздухе, но также на природном газе, бензине и дизеле. В моторе MDI процессы сжатия, воспламенения горючей смеси, а также сам рабочий ход проходят в двух цилиндрах разного объема, соединяющихся меж собой сферической камерой.
Испытывали силовую установку на хетчбэке Citroen AX. На низких скоростях (до 60 км/ч), когда потребляемая мощность не превышала 7 кВт, автомобиль мог передвигаться только на энергии сжатого воздуха, но при скорости выше указанной отметки силовая установка автоматически переходила на бензин. В этом случае мощность двигателя вырастала до 70 лошадиных сил. Расход жидкого топлива в шоссейных условиях составил всего 3 литра на 100 км — результат, которому позавидует любой гибридный автомобиль.
То, что пневмомобили смогут стать полноценной заменой бензиновому и дизельному транспорту, пока вызывает сомнения. В традиционном понимании пневмодвигатель — это машина, с помощью которой энергия сжатого воздуха превращается в механическую работу. При использовании сжатого воздуха в качестве энергоносителя из-за низкой плотности энергии (это основная характеристика энергоносителя, определяющая количество энергии образующейся при использовании данного энергоносителя), к сожалению, невозможно создать двигатель, который по своим техническим характеристикам мог на равных конкурировать с ДВС.
И вот теперь мы переходим к самому интересному.
Мы знаем на примере природного газа, что возможно использование разных форм энергоносителей: газообразная и жидкая. В зависимости от задач, которые решаются используется та или иная форма. Если необходимо оптимально решить вопросы логистики, используется СПГ, так как он занимает объем в сотни раз меньше, чем газообразная форма. При использовании трубопроводной транспортировки или в качестве газомоторного топлива технологически удобнее использовать газообразную форму данного энергоресурса.
Точно так же и с атмосферным воздухом. Можно в качестве энергоносителя использовать сжатый воздух в газообразной форме, а можно сжиженный в виде жидкости. Плотность энергии сжиженного атмосферного воздуха в десятки раз выше, чем у сжатого воздуха, что позволяет при его использовании создавать инновационные агрегаты и механизмы с высоким КПД.
В последние годы в ряде стран проводятся исследования по использованию жидкого воздуха при создании систем для хранения энергии,
позволяющих аккумулировать излишки электроэнергии при избыточной генерации и отдавать энергию в сеть в периоды пиковой нагрузки.
Ирен Доносо Мартин, один из исследователей группы из Высшей технической Школы инженерного и промышленного дизайна (ETSIDI) Мадридского политехнического университета отмечает, что «хранение энергии с помощью жидкого воздуха или LAES (Liquid Air Energy Storage) является многообещающей технологией для баланса спроса и предложения на электроэнергию.
В Великобритании уже имеется первая в мире установка по хранению возобновляемой энергии на жидком воздухе. Она расположен в Пилсворте и принадлежит компании Highview Power.
____________
Настоящий технологический прорыв в этой области совершили российские ученые.
Группа исследователей компании Унифарм из Краснодара разрабатала экологически чистый двигатель для различных видов транспорта в котором вместо горючего топлива используется сжиженный воздух. Работа двигателя обеспечивается способностью сжиженных газов при испарении в замкнутом объеме создавать избыточное давление более 800 атмосфер. Принцип работы двигателя ДВИ подобен принципу работы любого дизельного двигателя с одним принципиальным отличием: в цилиндрах двигателя вместо процесса сгорания органического топлива происходит процесс испарения жидкого воздуха. В цилиндр засасывается наружный воздух, где он сжимается поршнем, в результате чего разогревается, затем в цилиндр в пространство над поршнем через форсунки впрыскивается сжиженный воздух, где он смешиваясь с горячим воздухом, мгновенно испаряется, создавая избыточное давление на поршень, передающий усилие на коленвал двигателя. Двигатель внутреннего испарения (ДВИ), как назвали его создатели почти в 2 раза превосходит по КПД и развиваемой мощности аналогичные двигатели внутреннего сгорания, работающие на традиционном горючем топливе при полном отсутствии загрязняющих выхлопов.
Полезная мощность сжиженного воздуха в ДВИ обеспечивается большой плотностью энергии на единицу объёма и высокой скоростью её распространения, которая обеспечивается при подаче распыленного сжиженного воздуха в цилиндр двигателя с нагретым до нескольких сот градусов сжатым воздухом.
В настоящее время завершаются инжиниринговые работы по системе подачи топлива ДВИ, которая требует некоторой адаптации под новый энергоноситель. Рабочий двигатель на сжиженном воздухе планируется создать уже в следующем году. Пожелаем удачи нашим Кулибиным!
Очень хочется дышать чистым воздухом и хоть немного охладить нашу многострадальную матушку Землю!