Металлы и цены

Бензин — это наше все

Статья опубликована в номере 13 (190)-2009

Поиск по статьям

Углеводородные источники топлива имеют ограниченный запас. При этом получить энергию можно массой других способов. Исследования ведутся многими странами мира и тот, кто первым получит доступ к дешевым видам топлива — получит все.

Электромотры как альтернатива двигателям внутреннего сгорания
Использование аккумуляторов

Перспектива использования электрических двигателей вместо двигателей внутреннего сгорания а автомобилестроении не нова. Главная проблема — в аккумуляторах, которые пока не удается сделать достаточно малыми по размеру и весу. Кроме этого, не решена проблема дальних поездок — все разработки позволяют двигаться автомобилям на небольшие расстояния, дальше требуется продолжительная по времени подзарядка.

Развитие аккумуляторных электромобилей продолжается. Например, не так давно в мелкосерийное производство была запущена спортивная машина Venturi Fetish с максимальной скоростью 170 км/ч. Аккумуляторы обеспечивают запас хода до 350 км, но и весят при этом 350 кг. Стоит такая машина около 450000 евро.

Топливные элементы на водороде

Разработка топливных элементов поддерживается во многих странах с развитой экономикой. Даже «АвтоВАЗ» демонстрировал машины на топливных элементах на базе «десятки» и «Нивы».
Топливные элементы — это класс химических источников тока со множеством разновидностей. Наиболее перспективными считаются топливные элементы на основе протонообменных мембран. Такие мембраны служат в качестве электролита и проводят только протоны, не пропуская через себя электроны. По разные стороны от мембраны расположены анод, катод и катализатор. Водород подается в топливный элемент и, контактируя с катализатором, распадается на два протона и два электрона. Электроны не могут пройти через мембрану и поступают во внешнюю электрическую цепь.

На первый взгляд, топливные элементы являются чуть ли не идеальным источником энергии. Их, в частности, отличают высокий (до 80%) КПД, отсутствие вредных выбросов (единственный отход — вода) и меньшая, чем у аккумуляторов, масса. Однако проблем при использовании топливных элементов тоже хватает.

Использование в качестве топлива водорода затрудняет сложность его хранения и транспортировки. Как правило, для этого приходится использовать баллоны с давлением 350‑500 атмосфер. К тому же водород крайне взрывоопасен, отличается высокой текучестью и способен просачиваться сквозь самые небольшие неплотности. Системы питания водородных машин требуется снабжать сложной запорной арматурой.

Есть и еще один выход. Можно заправлять машины с топливными элементами не водородом, а жидким топливом, подходящим для получения водорода: метанолом или даже обычным бензином. Однако и тут не все безоблачно: машину нужно комплектовать реактором для разложения жидкого топлива, и решать проблему утилизации побочного продукта реакции — углекислого газа.
Водородное топливо очень дорого в производстве, и сокращению выбросов в атмосферу оно никак не способствует: виновником выбросов оказывается не автотранспорт, а заводы, где изготавливается топливо.

Альтернативный способ получения водорода — электролиз воды — требует огромных затрат электричества и пока экономически не оправдан.

Перспективным может оказаться получение водорода из биомассы, но такие процессы пока не покинули пределов исследовательских лабораторий.

Активно ведутся работы и над топливными элементами, работающими не на водороде, а, к примеру, на метаноле. Но и здесь возникает целый ряд вопросов. Кроме экологических задач возникают проблемы, связанные с уменьшением КПД такого топливного элемента.

Химические источники тока — не единственный способ питания электродвигателя. Существуют и другие варианты: солнечные батареи или миниатюрные ядерные реакторы. Первые пока остаются лишь экзотикой, а вторые — фантастикой. Пока же постепенно распространяются гибридные автомобили, использующие и двигатель внутреннего сгорания, и электромотор.

Пионером здесь стала компания Toyota c машиной Prius; в скором будущем начнутся продажи гибридов Honda, готовят такие машины и американские производители. Основным достоинством гибридных машин является сокращение вредных выбросов, за которые приходится расплачиваться усложнением и утяжелением силового агрегата.

Альтернатива бензину — спирт

Двигатель внутреннего сгорания еще послужит человечеству. Ведутся разработки для использования в ДВС альтернативного топлива вместо бензина и дизельного топлива.
В качестве топлива уже давно используется пропан-бутановая смесь, газ метан.

Одним из популярных видов топлива готовятся стать спирты и их смеси с углеводородами.

Без внесения модификаций в конструкцию двигателя вместо бензина можно использовать метанол или этанол, это давно известно. Метанол используется в спортивных автомобилях и мотоциклах, а на этаноле и его смесях с бензином (газохол) ездят в Бразилии.

Этанол привлекателен по причине возможности его производства из растительного сырья.

Однако для стран, где, в отличие от Бразилии, сахарного тростника нет, этанол годится лишь как добавка к бензину. Причем в таких странах (в том числе и Россия) придется обходиться не дешевым тростниковым, но довольно дорогим синтетическим спиртом, который получают на базе нефтяного и газового сырья.

Для дизельных двигателей в качестве альтернативы предлагаются продукты как растительного, так и синтетического происхождения. Можно использовать рапсовое масло, диметиловый эфир. Использование диметилового эфира позволит повысить экологичность дизельного транспорта, устранив выбросы сернистых и других вредных соединений.

Топливом для ДВС может служить и водород, правда проблем с ним будет еще больше, чем при использовании в электромобилях. Очень высокая температура сгорания водорода неизбежно повлечет за собой повышение тепловой нагрузки на двигатель. Высокотехнологичные моторы концерна BMW с такими проблемами справляются, но сможет ли с ними справиться «АвтоВаз» — пока не ясно.

Но высокие температуры в двигателе могут свести на нет и безвредность выбросов от сгорания водорода — в этих условиях значительно активнее будет происходить окисление азота с образованием его оксидов, ядовитых самих по себе и вызывающих кислотные дожди.

Сжатый воздух

Еще в начале 2002 года проходила презентация автомобиля под названием e. Volution на выставке «Auto Africa Expo-2000» в Йоханнесбурге. Сообщалось, что e. Volution может без дозаправки проехать около 200 километров, развивая при этом скорость до 130 км/ч. Или же в течение 10 часов двигаться со средней скоростью 80 км/ч. Было заявлено, что стоимость такой поездки обойдется владельцу e. Volution всего в 30 центов.

При этом машина весила всего 700 кг, а двигатель — 35 кг. Революционную новинку представила французская фирма MDI (Motor Development International), которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей, оборудованных двигателем на сжатом воздухе. Представители компании заявляли, что для заправки «воздухомобиля» достаточно наполнить воздушные резервуары, что занимает около четырех часов. Впрочем, в будущем планировалось построить «воздухозаправочные» станции, способные наполнить 300-литровые баллоны всего за 3 минуты.
Предполагалось, что продажи «воздухомобилей» начнутся в Южной Африке по цене около $10 тысяч. Также говорилось о строительстве пяти фабрик в Мексике и Испании и трех — в Австралии. Однако после всеобщего ликования что‑то произошло. Внезапно все стихло, и о воздухомобиле забыли.

Есть мнение, что экологичную разработку саботировали автомобильные гиганты. Эту версию отчасти подтверждает сайт «Deutsche Welle»: «Авторемонтные предприятия и нефтяные концерны единодушно считают автомобиль с воздушным двигателем «недоработанным».

Однако и независимые эксперты были настроены скорее скептически, отмечая расхождения и неточности в цифрах, представляемых публике в разное время. Тем более что ряд крупных автомобилестроительных концернов (например, «Фольксваген») уже в 1970‑80‑х годах вели исследования в этом направлении, но затем свернули ввиду их полной бесперспективности.
Однако на тему «воздушных» двигателей у изобретателей разных стран в свое время возникало масса идей. Например, есть данные о том, что спроектированная самоучкой И. Ф. Александровским 33-метровая подводная лодка с двигателем, работающим на сжатом воздухе, летом 1865 года была спущена на воду, успешно прошла ряд испытаний и только после этого затонула.

Альтернативой бензину может стать... алюминий!

Возможно, в этом, казалось бы абсурдном на первый взгляд утверждении, и есть здравый смысл. Оказывается, энергии в алюминии, если брать условную единицу объема, заключено в 2,5 раза больше, чем в бензине. Этим, кстати, объясняется использование алюминиевой пудры в составе некоторых взрывчатых веществ.

Другой пример энергоемкости алюминия заключается в выделении водорода. А именно: если под водой поскоблить поверхность алюминия или использовать щелочи — то начнет выделяться водород, который ранее содержался в воде. Реализуется следующая химическая реакция: Al+3H2O => Al (OH)3 + 3/2H2.

На таком способе получения водорода может быть основано применение алюминия в двигателях: как уверяют специалисты, использование водорода совместно с кислородом воздуха и электроприводом обеспечивает суммарный КПД энергоустановки на топливе в виде алюминия выше КПД использования нефтепродуктов.

В то же время гидроокись алюминия, которая образуется в результате реакции, — это чистейшее сырье для воспроизводства металла, оно может заменить бокситы.

Н. Александров
По материалам Энергетика и промышленность России