Транспортная энергетика

Вступление

Н ефть закончится уже в обозримом будущем. То, что её запасов хватит ещё на 60 лет, вовсе не говорит о том, что она будет столько лет добываться. Дело в том, что для добычи и перевозки нефти также используется топливо. И если его расходуется столько же, сколько добывается, добывать его просто нет смысла независимо от того, сколько денег вы готовы за это заплатить. И произойдёт это не через 60 лет, а гораздо раньше. Некоторые специалисты говорят, что в 2020-м. Я всё-же надеюсь, что лет на 15-20 позже.

Кстати, и урана на Земле осталось на 60 лет. А ведь для его добычи нужны бульдозеры, экскаваторы, грузовики. К вашему сведению – содержание урана в руде около 0,05%. Т.е., чтобы добыть килограмм урана, нужно переработать 2 тонны руды (без учёта вскрышных работ и проходческих выемок). А ведь для загрузки только одного реактора необходимо порядка 100 т урана.

Не пора ли пойти на запасный путь и очистить от ржавчины заботливо сбережённый нашими дедами паровоз? Как сказал один из арабских шейхов: "Мой отец ездил на верблюде, у меня сейчас автомобиль, мой сын водит реактивный самолет, а его сын будет ездить на верблюде". Жаль, что у нас нет верблюдов – ведь угледобывающая промышленность не самодостаточна. Ей тоже нужны автомобили, тепловозы и т.п. А уголёк нынче приходится добывать на глубинах около километра – простым кайлом тут не обойдёшься. Впрочем, это присказка, сказка – впереди.

Основные варианты транспортных средств можно разделить на три типа по способу получения энергии для движения:

• источник энергии находится на транспортном средстве

• энергия во время движения поступает из внешнего источника

• энергия для движения берётся из периодически пополняемого внешней энергией накопителя

Возможны также комбинированные варианты.

Двигатель внутреннего сгорания

Э то самый распространённый в настоящее время тип двигателей. Чем он хорош? Тем, что отлично подходит к имеющемуся в настоящее время топливу – бензину, газу, солярке. Кроме того, конструкция за долгие годы отработана: рассчитать, спроектировать и построить двигатель с необходимыми параметрами не составляет особого труда. Однако, недостатки тоже имеются: низкий КПД, сложность конструкции, высокая шумность и вибрации, большая стоимость, высокий уровень загрязнения воздуха.

КПД бензинового двигателя составляет около 25-30%, дизельных двигателей 30-35% и только на стационарных мощных дизелях достигается КПД до 40% и выше. Увы ! Эти цифры относятся к работе двигателей на оптимальных режимах. Транспортные двигатели вынуждены работать в изменяющихся и неоптимальных режимах, поэтому их КПД в большинстве случаев гораздо ниже максимального – 10-15%.

Сложность конструкции типичного ДВС даже не нужно объяснять – достаточно заглянуть под капот современного автомобиля. Сколько там всяких вспомогательных агрегатов! А ведь в школьном учебнике физики ДВС выглядит очень просто и понятно. К сожалению, практика оказалась весьма далека от теории. И вместо того, чтобы просто использовать двигатель другого типа, целый век продолжают «совершенствовать» ДВС, пытаясь ликвидировать или хотя-бы уменьшить его врождённые недостатки.

Впрочем, не о том сейчас речь. А о том, что ископаемое топливо скоро закончится. Сейчас автомобили стараются перевести «на газ», т.к. он дешевле бензина. Думаю, что скоро начнётся и массовый выпуск автомобилей, работающих только на газе. Действительно, зачем возить внутри автомобиля занимающий немало места бензобак и, кроме того, ещё уменьшать объём багажника газовыми баллонами? Да и бензиновый двигатель при переключении на газ ухудшает свои характеристики – лучше уж сразу поставить мотор, оптимизированный под метан. Хотя, небольшой резервный бензобак на всякий случай можно и оставить – если газ закончится в чистом поле, из канистры ведь не заправишься.

Поскольку газ тоже закончится, да и не ко всем странам подведены магистральные газопроводы, делаются попытки заменить бензин и солярку другими источниками топлива: растительным маслом, спиртом, синтетическим моторным топливом из угля.

Наивно полагать, что растительное масло сможет заменить нефть: человечество и так стоит на пороге всемирного голода – население растёт, а количество пригодных для ведения сельского хозяйства земель стремительно сокращается. Конечно, количество выращиваемого на топливо рапса и прочих масличных культур увеличивается, но это происходит потому, что производить обычную сельхозпродукцию на некоторых полях невыгодно по разным причинам. К тому-же, на развитие биотоплива государство обычно выделяет дотации.

Разумеется, само по себе масло не может использоваться в качестве моторного топлива. Для этого его подвергают реакции взаимодействия с метиловым спиртом и получают диметиловый эфир (ДМЭ). Но для работы на чистом ДМЭ нужна переделка двигателя, поэтому применяется смесь B 30 – 30% ДМЭ и 70% обычного дизтоплива. На такой смеси может работать без переделки обычный дизельный двигатель.

Этиловый спирт (этанол), производимый из сельскохозяйственных отходов – хороший вариант. Но только для тех стран, где много таких отходов. Причём не каких угодно, а желательно – достаточно влажных частей растений (стебли кукурузы или сахарного тростника). К тому-же, теплотворная способность этанола гораздо ниже, чем у бензина. Поэтому на обычных двигателях его можно применять только в качестве добавки к топливу. Для работы на чистом спирте нужно переделывать двигатель, но он при этом не сможет работать на бензине. Понятно, что такое имеет смысл всего в нескольких странах мира. В настоящее время применяются топливные смеси бензина с примесью этанола Е10 и Е85 (10 и 85% этанола соответственно). Такие топливные смеси даже получили собственное название – газохол.

Метиловый спирт (метанол). В принципе, его можно относительно недорого получать из чего угодно – угля, газа, нефти, опилок, с/х отходов. Но для работы на чистом метаноле двигатель также необходимо переделывать. А кроме того, ещё и топливную систему. К тому-же, метанол - достаточно агрессивная жидкость и весьма желательно применять специальные материалы. Не говоря уж о том, что метанол – сильный яд.

Синтетическое моторное топливо. А вот это, в самом деле, неплохой вариант ! Технологии давно отработаны – ещё во вторую мировую войну Германия воевала на синтетическом топливе. А после войны наибольшее развитие эта технология получила в ЮАР, которая осталась без нефти из-за международного эмбарго, вызванного политикой апартеида. Правда, сейчас в ЮАР работает только один завод, да и то на дотации государства – при присутствии на рынке нефти эта технология совершенно неконкурентноспособна. А вот когда нефти не станет – деваться будет некуда. Впрочем, не всё так безоблачно. В мире сейчас добывается в год около 5 млрд. тонн угля и 4 млрд. тонн нефти. Причём, добывать уголь становится всё труднее: увеличивается глубина шахт, уменьшается толщина пластов, горизонтальные пласты вырабатываются, остаются крутопадающие. В общем, чем дальше, тем сложнее и дороже. А ведь для производста тонны синтетического топлива нужны 4 тонны угля. Т.е. чтобы заменить 4 млрд. тонн нефти, нужно дополнительно добывать 16 млрд. тонн угля. Фактически – увеличить добычу угля в 4 раза !

В любом случае, на ближайшие десятилетия двигатель внутреннего сгорания останется основным типом двигателей для наземных транспортных средств.