Альтернативные виды топлива

Введение

    До конца XX столетия двигатель внутреннего сгорания остаётся основной движущей силой автомобиля. В связи с этим единственный путь решения энергетической проблемы автомобильного транспорта это создание альтернативных видов топлива. Новое горючее должно удовлетворить очень многим требованиям: иметь необходимые сырьевые ресурсы, низкую стоимость, не ухудшать работу двигателя, как можно меньше выбрасывать вредных веществ, по возможности сочетаться со сложившейся системой снабжения топливом и др. 
В значительно больших масштабах в качестве топлива для автомобилей будут использоваться заменители нефти: метанол и этанол, синтетические топлива, получаемые из углей. Их использование поможет существенно снизить токсичность и отрицательное воздействие автомобиля на окружающую среду. 
Среди альтернативных видов топлива в первую очередь следует отметить спирты, в частности метанол и этанол, которые можно применять не только как добавку к бензину, но и в чистом виде. Их главные достоинства высокая детонационная стойкость и хороший КПД рабочего процесса, недостаток пониженная теплотворная способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает расход топлива в 1,5-2 раза по сравнению с бензином. Кроме того, из-за плохой испаряемости метанола и этанола затруднён запуск двигателя. 
Использование спиртов в качестве автомобильного топлива требует незначительной переделки двигателя. Например, для работы на метаноле достаточно перерегулировать карбюратор, установить устройство для стабилизации запуска двигателя и заменить некоторые подверженные коррозии материалы более стойкими. Учитывая ядовитость чистого метанола, необходимо предусмотреть тщательную герметизацию топливоподающей системы автомобиля. 
Сделать двигатель «чистым» нетрудно. Надо лишь перевести его с бензина на сжатый воздух. Но эта идея не выдержала критики, когда речь заходит об автомобильных двигателях: далеко на таком «горючем» не уедешь. И американские специалисты предложили заменить сжатый воздух жидким азотом. Они даже разработали конструкцию автомобиля, в котором азот, расширяясь при испарении, будет толкать три поршня двигателя. А чтобы процесс испарения шёл активнее, азот предлагают впрыскивать в особую подогревательную камеру, где сжигается небольшое количество дизельного топлива. Такая схема при достаточной мощности обеспечит запас хода до 500 км. 
Уголь является самым распространённым из невозобновляемых источников энергии. Ещё в 30-е годы в Германии было налажено производство синтетического автомобильного топлива из угля. Был даже период, когда за счёт него удовлетворялось около 50% потребности страны в бензине и дизельном топливе. Однако к 1953 году почти все установки по получению синтетического топлива в Европе были закрыты из-за нерентабельности, что объяснялось низкими ценами на импортируемую нефть. В настоящее время интерес к синтетическому топливу из угля проявляется во многих странах. 
В последнее время широкое распространение получила идея использования чистого водорода в качестве альтернативного топлива. Интерес к водородному топливу объясняется тем, что в отличие от других это самый распространённый в природе элемент. 
Водород один из главных претендентов на звание топлива будущего. Для получения водорода могут быть применены различные термохимические, электрохимические и биохимические способы с использованием энергии Солнца, атомных и гидравлических электростанций и т.д. 
Экологические преимущества водорода доказаны в ходе различных испытаний. Например, проведённые фирмой «Дженерал Моторс» сравнительные испытания 63-х экспериментальных автомобилей, работающих на всевозможных видах топлива, выявили, что у водородного «Фольксвагена» отработавшие газы менее вредные, чем всасываемый двигателем воздух. 
В каком виде можно применять водород? Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой массы. Более реальный вариант использование жидкого водорода. Правда, в этом случае необходимо устанавливать дорогостоящие криогенные баки со специальной термоизоляцией.

1. Транспортные средства на альтернативных видах топлива

      1.1 Состав

Предлагаемые  транспортные средства используют такие  альтернативные виды топлива как  сжатый природный газ, сжиженный  нефтяной газ и криогенное топливо (сжиженный природный газ и  водород). Работы ведутся в двух направлениях: создание собственно транспортных средств и наземной инфраструктуры.

1.2 Назначение, основные функциональные показатели

Цель  разработки транспортных средств на газовых видах топлива - замещение  традиционного топлива недефицитным, более дешевым и экологически чистым. Его применение характеризуется эффективностью, уменьшением вредных выбросов в атмосферу, увеличением ресурса двигателей, работающих на нем. Проведенные исследования показали, что локомотивы, использующие в качестве моторного топлива сжатый и сжиженный природный газ, вертолеты, работающие на нефтяном газе, самолеты, использующие криогенное топливо, выбрасывают в атмосферу в 2-3 раза меньше вредных веществ, при этом экономится дефицитное жидкое топливо, а ресурс двигателей увеличивается на 30-40%.

1.3 Область применения

Данные  транспортные средства могут применяться  на всех видах грузовых и пассажирских перевозок (воздушным, железнодорожным, речным и автомобильным транспортом). Наиболее эффективно их использование  в нефте- и газодобывающих районах  России.

      1.4 Основания для выбора

Природный газ и водород перспективны в  качестве альтернативного моторного  топлива ввиду имеющихся больших  природных запасов (в отличие  от традиционных ресурсов), экологической  чистоты и повышенной эффективности  работы двигателей.

      1.5 Состояние и тенденция развития

В настоящее  время ведется создание опытных  и опытно-промышленных образцов самолета Ту-156 с двигателями, работающими  на криогенном топливе, вертолета Ми-8ТГ на сжиженном нефтяном газе, магистральных  и маневровых тепловозов, использующих сжатый и сжиженный природный газ, и ряда других транспортных средств. В данной области Россия имеет большой научный задел и занимает по ряду направлений ведущие позиции в мире. Часть проектов имеет высокую степень готовности ( вертолет, газотепловоз). Особое внимание уделяется разработке наземных систем для хранения и заправки транспортных средств криогенным топливом. В перспективе большая часть транспорта России и стран СНГ будет переведена на использование экологически чистого газомоторного топлива. В США принята программа расширения использования сжатого природного газа на автомобильном транспорте и начата эксплуатация тепловозов на криогенном топливе. В Германии прошли испытания маневрового тепловоза, работающего на сжатом природном газе. Для того, чтобы ускорить этот процесс в Российской Федерации, необходимо расширение НИОКР в области транспортных средств на альтернативных видах топлива и инфраструктуры для них.  
 
 
 
 
 

2. Применение альтернативных топлив в автотранспорте

С момента  появления самодвижущихся экипажей и по сей день стоит вопрос, как  снизить содержание вредных веществ  в выхлопных газах, которые отравляют  окружающую среду, а сегодня еще  и без того сложную экологическую  обстановку во всем мире. Автомобили заполнили улицы наших городов, на которых стало уже трудно дышать. Вдыхаемая нами ядовитая смесь, вырабатываемая автомобилями, попадая в наш организм, приводит к негативным последствиям для самого человека и его потомства. В плохой экологической обстановке кроется причина появления и развития различных болезней, таких как аллергия, бронхиальная астма и другие болезни, связанные с ослаблением иммунной системы, до недавнего времени считавшихся редкими. Уменьшить концентрацию ядовитых веществ в выхлопных газах автомобилей можно несколькими способами: модернизировать двигатель внутреннего сгорания (этот способ имеет свой предел, к которому мы почти подошли); поменять вид топлива на более экологически чистый (разработки в этом направлении ведутся); либо вообще отказаться от двигателя внутреннего сгорания, что на данной ступени развития техники почти невозможно. В последнее время необходимость смены вида топлива обострилась тем, что залежи нефти на нашей планете в ближайшем времени иссякнут.

Таким образом, чтобы избежать полного разграбления недр Земли, всемирного топливного краха и хоть немножко улучшить экологическую обстановку во всем мире, необходимо искать альтернативу бензину и другим видам топлива, основу которых составляет нефть. Хотя попытки замены бензина на другой вид топлива и имели место в истории, но они были связаны не со скорым началом всемирного топливного краха и уж тем более не экологической обстановкой на планете. В наше время же появились виды топлива, такие как электроэнергия, водород и спирт, у которых есть неплохие шансы заменить нефтепродукты.

Конечно же и у электроэнергии, и у водорода, и у спирта есть не только преимущества, но и недостатки по сравнению с  нефтепродуктами. Недостатки этих видов  топлива можно условно разделить  на две группы: экономическую и экологическую. Наиболее оптимальной альтернативой на сегодня является спирт. Однако, применение спирта как топлива может натолкнуться на некоторые проблемы, но если учесть эти нюансы, возможно разработать программу плавного перехода на спирт.

Возможно  это единственный выход из пока еще  не начавшегося всемирного топливного краха и способ заметно улучшить экологическую ситуацию в мире.

3. Что придет на смену бензину?

На фоне мрачных прогнозов о том, что  запасы нефти могут иссякнуть  уже в первой половине нынешнего столетия, все чаще возникает вопрос - какая судьба ожидает автомобиль, без которого не может функционировать мировая цивилизация?

Такой вопрос встает перед человечеством  далеко не в первый раз - в 70-е годы прошлого века, когда цена на нефть внезапно учетверилась, начались первые серьезные попытки выработать альтернативы двигателю внутреннего сгорания или сделать его более экономичным.

С тех  пор ученые и инженеры определили основные направления, по которым должны идти эти поиски. Их выбор не так широк, как казалось в прошлом, и далеко не все они представляются достижимыми в обозримом будущем.

3.1 Топливные элементы побывали в космосе

Наиболее  перспективной технологией в  этом плане представляется топливный  элемент, идея которого была впервые сформулирована еще 40-е годы XIX века. По сути дела, это вывернутая наизнанку идея электролиза воды.

Как известно, при воздействии на воду сильного заряда электричества она разлагается  на водород и кислород. А вот  если при определенных условиях добиться синтеза кислорода и водорода, то побочными продуктами этой реакции будут вода и электричество.

Первые  работоспособные топливные батареи  были созданы в 60-е годы прошлого века в рамках программы "Аполлон" американского космического агентства  НАСА. Однако они оказались тяжелыми и капризными, как показала авария корабля "Аполлон-13", направлявшегося к Луне.

Несмотря  на сотни миллионов долларов, вложенные  в исследования в области топливных  элементов, они по-прежнему обладают этими недостатками.

Кроме того, никто еще не предложил решение другой проблемы - как именно добывать огромные количества электроэнергии, необходимые для получения водорода из воды. Пока что на это тратятся те же нефть и газ - либо в качестве топлива для электростанций, либо в качестве углеводородного сырья, которое преобразуется в водород.

3.2 "Гибриды" покорили Голливуд

В последние  два-три года приходится все чаще слышать о появлении на автомобильных  рынках новых моделей так называемых "гибридных" автомобилей. Они обладают двумя двигателями - как правило, маломощным низкооборотным бензиновым двигателем, который работает в постоянном режиме, вырабатывая электричество, которое запасается в емкой батарее, и куда более мощным и приемистым электродвигателем, питаемым той же батареей.

Эта схема  в разных вариантах используется в автомобилях японских компаний Honda и Toyota, которые сейчас вышли на рынок и даже получили поддержку многих голливудских звезд. Однако они обходятся почти в полтора раза дороже обычных машин просто потому, что потребителю приходится платить за второй двигатель.

Кроме того, они не решают проблему нехватки нефти достаточно радикально - ведь исходным материалом для получения  электричества в таких гибридах по-прежнему является нефть.

3.3 Спирт можно не только пить

Еще в  начале 50-х годов, когда бензин в Британии продавался по талонам и был очень дорогим, фермер Харолд Бейт из Девона приспособил свой грузовичок к использованию газа метана, который он добывал у себя на ферме из навоза свиней и коров.

Тогда на это изобретение почти не обратили внимание, потому что нужда в экономии отпала. Однако сейчас идея использования биотоплива в качестве альтернативы бензину и дизтопливу привлекает все больше энтузиастов и практиков.

Во Франции  в некоторые сорта бензина  уже сейчас добавляют этанол, то есть технических спирт, полученный путем ферментации биологических отходов сельхозпроизводства. Пионером на этом пути стала Бразилия, где производство биоэтанола из сахарного тростника и початков кукурузы налажено уже давно и все более расширяется.

Мысль об использовании биологических добавок к солярке настолько очевидна, что то и дело находятся люди, которые внедряют ее в практику, не считаясь с законами.

Год назад  такое поветрие началось на севере Англии и в Шотландии, где некоторые  водители машин с дизельными двигателями стали добавлять в топливо отработанное растительное масло для жарки, которое они покупали по дешевке в местных ресторанах.

Таких хитрецов стала отлавливать полиция, потому что они обходили закон  о выплате акциза на автомобильное  топливо.

Однако  и тут есть свои подводные камни. Многие эксперты считают, что получать биотопливо из растительного сырья  достаточно рентабельно можно только за счет использования генетически  модифицированных растений, что влечет за собой опасность нанесения  непоправимого ущерба биосфере.

3.4 Прообраз - заводные игрушки

Время от времени появляются сообщения  о попытках использовать в качестве альтернативного источника энергии  сжатый воздух. Такие автобусы ходят  на некоторых маршрутах в Мехико и Кейптауне, где благодаря им удалось уменьшить загрязненность воздуха.