5.4. Новые виды топлива и транспорта

К таковому обычно относят различные спирты (метанол и этанол) и водород.

Спирты. В ряде стран, особенно располагающих обширными план­тациями сахарного тростника, все в большей степени заменяют бен­зин на спиртсодержащее топливо.

В Бразилии, например, серийно выпускаются и широко эксплуа­тируются автомобили, использующие в качестве топлива чистые спир­ты. Их эксплуатация показала, что в выхлопных газах резко снижено содержание оксидов азота и углеводородов. Вскрылись и особенности применения таких топлив. Так, плотность метанола несколько больше плотности бензина, но его энергоемкость в 2 раза меньше. Поэтому для сохранении дальности пробега по топливу бак для метанола должен быть в 2 раза больше по объему. Важное каче­ство метанола состоит в том, что в выхлопных газах в 2–3 раза меньше токсичных компонентов, чем при использовании бензина. Этанол имеет энергоемкость на 25–30% выше, чем метанол, и, следовательно, требу­ет пропорционально менее вместительного топливного бака. Экологи­ческие характеристики этанола близки к метанолу.

С начала 90-х гг. XX в. на метаноле работает часть общественного транспорта Швеции. В результате снизился в 5 раз не только выброс вредных веществ, но и спектр токсичности компонентов несравненно уменьшился.

Все шире внедряются так называемые комбинированные автомо­бильные топлива: смеси на основе бензина и спиртов (метанола, эта­нола). При содержании в топливе до 10% спирта не требуется изме­нять конструкции двигателей внутреннего сгорания. Более того, вве­дение спирта способствует повышению октанового числа с 88 до 94 при одновременном снижении содержания оксидов азота и углеводо­родов в выхлопных газах.

Водород. Весьма перспективным заменителем традиционного топ­лива для автомобилей является водород. Двигатель, работающий на жидком водороде, не дает никаких запахов, не выделяет таких токсич­ных веществ, как свинец, оксиды азота, углерода. Жидкий водород почти в десять раз легче бензина. Водородный двигатель в ряде случа­ев может быть примерно на 50% эффективнее бензинового, посколь­ку работает на обедненной смеси, имеет более высокую степень сжа­тия, очень небольшое опережение зажигания и полное сгорание, дает в качестве выхлопа водяной пар.

Еще в 1979 г. на выставке в японском городе Окаяма был проде­монстрирован легковой автомобиль, оснащенный двухтактным ДВС, использующим в качестве горючего жидкий водород. Автомобиль был способен передвигаться со скоростью до 120 км/ч. Несколько позже на одном из международных автомобильных конкурсов первое место занял «фольксваген», для которого топливом служила водородно-кислородная смесь. Удивительно, но его выхлопные газы были чище го­родского воздуха, засасываемого в карбюратор.

При использовании жидкого водорода необходима установка дорогостоящих криогенных баков со специальной термоизоляцией. Вполне возможно хранение водорода в твердой фазе в составе металлогидратов , что безопаснее хранения бензина в цистернах. Также могут связывать водород при определенных условиях и интерметаллические соединения на основе редкоземельных металлов титана, железа и ряда других металлов.

В Институте водородной энергетики и плазменных технологий (Россия) разработана принципиально новая схема водородного автомобиля. Окисление происходит не в двигателе внутреннего сгорания, а в элек­трохимическом генераторе (ЭХГ), где и вырабатывается электричес­кая энергия, вращающая основной вал двигателя. Трансформация химической энергии водорода в электроэнергию с помощью ЭХГ позво­ляет это делать при температуре кипения воды, что исключает синтез оксидов азота из воздуха, неизбежно протекающий при высоких тем­пературах в других системах. В итоге на выхлопе выделяется чистая вода.

Ученые разработали систему водородной безопасности — так на­зываемые дожигатели, которые нейтрализуют водород при малейшей его утечке, сигнализируя водителю о неисправности.

Признается перспективным автомобиль с размещенным на его шасси химическим реактором, в котором вырабатывается водород из углеводородов. Расчеты показали, что иметь такой реактор на машине экономичнее, нежели возить это топливо в специальных баллонах.

Преградами на пути широкого внедрения водорода в качестве топ­лива для автомобильных двигателей является сложность получения его в достаточно больших количествах и необходимость обеспечения вы­сокого уровня безопасности при осуществлении процесса горения водорода.

Жидкий азот. В США создан двигатель, в котором вместо бензина используется жидкий азот. Бак с охлажденным до жидкого состояния азотом соединен с испарителем, окруженным «рубашкой», в которой циркулирует воздух. Жидкий азот, попадая в испаритель, превращает­ся вследствие быстрого повышения температуры в газ, который выхо­дит под большим давлением из испарителя и приводит в действие элек­трогенератор. Вырабатываемый последним ток после выпрямления подается для питания электродвигателей, установленных на колесах. Выхлопные газы такого автомобиля состоят из чистого азота, кото­рый, естественно, не загрязняет атмосферу.

Разработка альтернативных видов автотранспорта

К таковым относятся прежде всего электромобиль, солнечный электрический автомобиль, автомобиль с инерционным двигателем, автомобиль с гибридным двигателем.

Электромобили. Весьма перспективным является проект массово­го перехода от автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателя­ми на электромобили, которые действуют от батарей-аккумуляторов, подзаряжаемых на станциях.

Электромобили бездымны, бесшумны, их выделения не токсичны, они просты в управлении, а эксплуатация значительно экономичнее, особенно в городах. Этому способствует большой среднесуточный про­бег автомобилей в городе, скорости и возможность организации сети зарядных станций для батарей-аккумуляторов. Такой автомобиль – идеальный для городов вид транспорта.

Любопытна история создания электромобиля. Первый электричес­кий экипаж с первичным химическим источником тока (ХИТ) был создан еще в 1837 г., а уже в 1880 г. был изготовлен первый в мире акку­муляторный электромобиль. Его 28 свинцовых аккумуляторов обес­печивали автомобилю скорость 13 км/ч. В следующем году во Фран­ции начал действовать пятиместный электромобиль коммерческого назначения. В Англии электромобиль появился в 1888 г., он оказался способным пройти около 9 тыс. км со средней скоростью 12 км/ч. В 1900 г. в Германии начали эксплуатироваться электробусы. В 1902 г. был создан микроэлектробус на 12 мест с запасом хода 140 км, способ­ный развить скорость до 36 км/ч. Известно, что в 1912 г. во всем мире было около 30 тыс. электромобилей.

Однако электромобили того времени, характеризуясь низкими эксплуатационными показателями и конструкционными недостатками, были быстро вытеснены автомо­билями с двигателями внутреннего сгорания.

Главными недостатками современного электромобиля, особенно со свинцово-кислотными аккумуляторными батареями, являются: ог­раниченный ресурс пробега, большая масса, малый срок службы ис­точника тока и общая высокая стоимость.

Для электромобиля, соответствующему современному массовому автомобилю с ДВС, необходима мощность двигателя около 15 кВт, что обеспечивает аккумуляторная батарея массой порядка 300 кг. Она по­зволит выполнить до перезарядки батареи пробег до 80 км со скорос­тью 40—60 км/ч.

После мирового энергетического кризиса 1973 г. во мно­гих странах мира развернулись исследования с целью разработки пер­спективных типов батарей, которые превосходят по энергоемкости наиболее распространенные свинцово-кислотные, а также создания новых накопителей энергии – ультраконденсаторов и топливных эле­ментов (или электрохимических генераторов ЭХГ).

Требования к указанным ХИТ изменяются в зависимости от на­значения электромобиля, его типа, а также от оценки перспектив и масштабов их применения. Так, Департамент энергетики США уста­новил систему целевых параметров батарей для электромобилей на ближайшее будущее, способных обеспечить запас хода 4-местного автомобиля в городских условиях 100 миль (161 км) и ускорение от 0 до 48 км/ч за 8 с

В ряде случаев перспективно для получения электричества исполь­зовать электрохимические генераторы (ЭХГ) или топливные элемен­ты, которые способны химическую реакцию окисления во­дорода кислородом на катализаторе преобразовывать в электрическую, но без сгорания. Они практически не выделяют вредных веществ и обладают относительно небольшой массой.

Еще одно достоинство двигателя на топливных элементах — вы­сокий КПД. Для обычных двигателей, которые работают на бензине и дизельном топливе, он составляет 25–45%, КПД же топливных эле­ментов – 70% и выше.

По мнению специалистов, применение топливных элементов, об­ладающих высокой удельной энергией и достаточно большим сроком службы, позволит устранить наиболее существенный недостаток элек­тромобиля — малый запас хода.

Перспективы массового применения электромобилей определяют­ся успехами в решении проблем увеличения запаса хода (пробег меж­ду зарядами аккумулятора или заменой реагентов), снижения стоимо­сти, повышения экономичности и создания системы сервисного их обслуживания. Укажем также на необходимость резкого увеличения резервных мощностей электростанций, поскольку они недостаточны, если потребуется в перспективе ежедневная подзарядка многих мил­лионов электромобилей.

Солнечный электромобиль. Он представляет собой комплекс, вклю­чающий электрическую систему и солнечный коллектор, который обеспечивает перезарядку аккумуляторной батареи во время его дви­жения или стоянки. Такие автомобили постоянно совершенствуются, отдельные модели существенно отличаются по конструкции, дизайну и рабочим характеристикам. Все они имеют солнечный коллектор, который поглощает солнечное излучение и превращает его в электри­чество. Оно «хранится» в батарее до тех пор, пока не потребуется для приведения в действие электродвигателя.

Солнечные автомобили уже сейчас имеют характеристики, кото­рые вполне привлекательны для потребителей. Например, автомобиль «Санрайдер» (г. Кардифф, Великобритания) весит всего 90 кг, разви­вает скорость до 30 км/ч и использует электричество, вырабатываемое 300 солнечными батареями.

С теоретической точки зрения солнечный автомобиль должен бы двигаться очень долго, так как единственным необходимым для него топливом является солнечный свет. Однако серьезным недостатком остается невозможность движения ночью или днем в условиях сплош­ной облачности.

Автомобиль с инерционным двигателем. В качестве накопителя энер­гии используется не аккумулятор, а маховик. Такое нововведение по­зволяет обойтись без двигателя, коробки скоростей, радиатора, стар­тера и выхлопной трубы. Электроток от стационарного источника ис­пользуется для раскрутки супермаховика из легких, но прочных на разрыв углеродных волокон. Когда он наберет обороты, напряжение отключается. Однако вращение продолжается несколько часов, по­скольку супермаховик заключен в герметичную капсулу, из которой выкачан сопротивляющийся воздух, а магнитный подвес устраняет трение в подшипниках. Эксперименты в этой области показывают, что автомобиль с супермаховиком способен разгоняться до 96,5 км/ч всего за 6,5 с. Пробег без подзарядки также обещает быть впечатляющим — до 6000 км.

Автомобили с гибридными двигателями. Предпринимаются актив­ные усилия по устранению недостатков электромобилей и солнечных автомобилей путем создания так называемых гибридных автомобилей.

Идея одного из таких проектов состоит в следующем. Бензин из бензобака попадает в подогреваемый испаритель, а потом сгорает в первом реакторе. Благодаря ограниченному доступу воздуха топливо частично окисляется, образуя водород и оксид углерода СО. Во вто­ром промежуточном реакторе СО взаимодействует с водяным паром и в присутствии катализатора превращается в диоксид углерода СО₂ и дополнительный водород. А завершается процесс реформинга в тре­тьем реакторе. В результате из бензина получается водород, преобра­зуемый топливными элементами в электричество, а попутно — диок­сид углерода, вода и азот. Рабочая температура системы 80° С, избы­точное тепло удаляется обычным автомобильным радиатором. Расход бензина не превышает 3 л на 100 км.

В Швеции создан 15-тонный грузовик, в двигателе которого соединены электромотор и газовая турбина. Электромотор используется на улицах города, чтобы не загрязнять атмосферу, а турбина — на загородных шоссе. Двигатель достаточно мощный — 170 л. с, что позволяет грузовику развивать скорость 110 км/ч. Газовая турбина работает на этаноле, вредность выхлопных газов при этом в 10 раз меньше, чем от машин с поршневым мотором. А в качестве горючего могут быть использованы также метанол, бензин, дизельное горючее, рапсовое масло и природный газ. Ведущие фирмы по производству автомобилей все более энергично продвигают на мировой рынок автомобили с гибридными двигателями. Так, концерн «Тойота» (Япония) планирует построить в Китае, где относительно дешевая рабочая сила, завод по производству 500 тыс. автомобилей с бензоэлектрическими двигателями. Предполагалось к 2010 г. довести выпуск таких автомобилей до 1 млн. штук. Компания «Форд» (США) сообщила о намерении в течение ближайших 4-х лет довести выпуск гибридных автомобилей до 250 тыс. штук, что составит около 8% от всех выпускаемых автомобилей.