методичка экология ПроЭкол Москва
.pdfВыполнение заданий по охране атмосферы позволило снизить выбросы от стационарных источников почти на 4 % за 10 лет, а
от передвижных источников только за 2000-2001 гг. уменьшить на 20 %. Но проблемы остаются: степень очистки выбросов от вредных веществ (прежде всего – газовых) остаётся невысокой – чуть больше трети.
5.6. Об улучшении экологических характеристик топлива
Определяющее влияние транспорта на состояние окружаю-
щей среды требует особого внимания к применению новых эко-
логически чистых видов топлива. К ним, как отмечалось в п. 5.5,
относится, прежде всего, сжиженный или сжатый газ. Важность этого вопроса для России подтверждается тем, что на уровень федерального закона вынесен законопроект «Об использовании природного газа в качестве моторного топлива», вызвавший очень большой интерес не только у специалистов транспорта, но
иу экологов.
Вмировой практике в качестве моторного топлива наиболее широко используется сжатый природный газ, содержащий не ме-
нее 85 % метана. По энергоёмкости 1 м3 природного газа при нормальных условиях эквивалентен 1 л бензина марки А-76.
Природный газ можно также хранить и использовать в ожижен-
ном виде (при глубоком охлаждении). Сжиженный природный газ – криогенная жидкость с температурой кипения 112 К, со-
стоящая на 98 % из метана.
В меньшей степени распространено применение попутного нефтяного газа, представляющего собой смесь, в основном, про-
пана и бутана. Эта смесь может находиться в жидком состоянии при обычных температурах под давлением до 1,6 МПа. Для за-
мещения 1 л бензина требуется 1,3 л сжиженного нефтяного газа,
а экономическая эффективность его по эквивалентным затратам на топливо в 1,7 раз ниже, чем у сжатого газа. Следует отметить,
что природный газ, в отличие от нефтяного, нетоксичен.
Исследования экологических преимуществ газовых топлив ведутся многими организациями России (ВНИИГАЗ, ГНЦ
НАМИ, ВНИИЖТ, РГУПС и др.) и за рубежом. Они свидетельст-
вуют о несомненных выгодах применения таких топлив на транспорте. В табл. 5.4 приведено сопоставление удельных вы-
бросов в процентах для ДВС автомобилей при условии, что вы-
бросы от ДВС на неэтилированном бензине приняты за 100 %.
Анализ показывает, что применение газа сокращает выбро-
сы: окислов углерода – в 3 4 раза; окислов азота – в 1,5 2 раза;
углеводородов (не считая метана) – в 3 5 раз; частиц сажи и дву-
окиси серы (дымность дизельных двигателей) – в 4 6 раз. При работе на природном газе с коэффициентом избытка воздуха
α = 1,1 выбросы образующихся в двигателе при сгорании топлива и смазочного масла ПДВ (включая бенз(а)пирен) составляют
10 % от выбросов при работе на бензине.
Таблица 5.4
Содержание токсичных компонентов в выхлопных газах ДВС, %
Вид топлива |
Токсичные компоненты выхлопных газов |
||||
|
|
|
|
|
|
|
СО |
СnHm |
NOx |
Сажа |
Бенз(а) |
|
|
(без ме- |
|
|
пирен |
|
|
тана) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бензин |
100 |
100 |
100 |
нет |
100 |
|
|
|
|
|
|
Бензин |
25–30 |
10 |
25 |
нет |
50 |
(двигатели с |
|
|
|
|
|
нейтрализа- |
|
|
|
|
|
торами) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дизельное |
10 |
10 |
50–80 |
100 |
50 |
топливо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Газ + дизто- |
8–10 |
8–10 |
50–70 |
20–40 |
30–40 |
пливо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пропан |
10–20 |
50–70 |
30–80 |
нет |
3–10 |
бутан |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Газ природ- |
5–10 |
1–10 |
25–40 |
нет |
3–10 |
|
|
|
|
|
|
ный сжатый
Двигатели, работающие на природном газе, уже сегодня удовлетворяют всем современным нормам по содержанию газо-
образных и твёрдых составляющих в выхлопных газах.
Особо следует остановиться на выбросах углеводородов, ко-
торые претерпевают в атмосфере фотохимическое окисление под действием ультрафиолетового облучения (ускоряющееся в при-
сутствии NOx). Продукты этих окислительных реакций образуют так называемый смог. В бензиновых двигателях основное коли-
чество углеводородных выбросов приходится на этан и этилен, а
вгазовых – на метан. Это связано с тем, что эта часть выбросов бензиновых двигателей образуется в результате крекинга паров бензина в несгорающей части смеси при высоких температурах, а
вгазовых двигателях несгорающий метан никаким преобразова-
ниям не подвергается.
Легче всего под воздействием ультрафиолетового облучения окисляются непредельные углеводороды, такие, как этилен. Пре-
дельные углеводороды, включая метан, более стабильны, т. к.
требуют для фотохимической реакции более жёсткого (коротко-
волнового) излучения. В спектре солнечного излучения состав-
ляющая, инициирующая окисление метана, имеет столь малую интенсивность по сравнению с инициаторами окисления других углеводородов, что практически окисление метана не происхо-
дит. Поэтому в ограничительных стандартах автомобильных вы-
бросов ряда стран углеводороды учитывают без метана, хотя пе-
ресчёт ведётся на метан.
Таким образом, несмотря на то, что сумма углеводородов в выхлопных газах двигателей, использующих газомоторное топ-
ливо, оказывается такой же, как и у бензиновых двигателей, а в газодизеле часто и выше, эффект загрязнения воздушного бас-
сейна этими компонентами при газовом топливе в несколько раз меньше, чем при жидком.
Очень важно, что газовое топливо практически для всех ва-
риантов его получения имеет несомненные экономические пре-
имущества в России перед другими топливами передвижных транспортных средств. Важно иметь в виду, что при применении газового топлива увеличивается моторесурс двигателя в 1,4 1,8
раза; срок службы свечей зажигания – в 4 раза и моторного масла
– в 1,5 1,8 раза; межремонтный пробег – в 1,5 2 раза. При этом снижаются уровень шума на 3 8 дБ и время заправки. Всё это обеспечивает быструю окупаемость затрат на перевод транспорта на газомоторное топливо.
Внимание специалистов привлекают вопросы безопасности использования газомоторного топлива. В целом взрывоопасная смесь газовых топлив с воздухом образуется при концентрациях,
в 1,9 4,5 раза (верхний и нижний пределы) больших, чем с бен-
зином и дизельным топливом, что снижает опасность образова-
ния такой смеси.
Однако определённую опасность представляют утечки газа через неплотность соединений. В этом отношении наиболее опа-
сен сжиженный нефтяной газ, т.к. плотность его паров больше,
чем воздуха, а для сжатого – меньше (3 : 1 и 5 : 0,5 соответствен-
но). Следовательно, утечки сжатого газа после выхода из неплот-
ностей поднимаются вверх и улетучиваются, а сжиженного – об-
разуют местные скопления и, подобно жидким нефтепродуктам, «разливаются», что при возгорании увеличивает очаг пожара.
Отечественный и мировой опыт эксплуатации автомобилей на газомоторном топливе не позволяет считать их более опасны-
ми, чем автомобили на бензине. Если к этому добавить имею-
щийся в России на сегодня комплекс технических средств, обес-
печивающих применение газа на транспорте (комплектов обору-
дования, сети заправочных станций, контрольной и измеритель-
ной аппаратуры, опытных и серийных образцов не только авто-
мобилей, но и тепловозов, судов), то необходимо признать, что переход на газомоторное топливо – вопрос ближайшего времени.
Он диктуется экономическими, экологическими и технологиче-
скими соображениями.
Кроме сжиженного или сжатого газа, многие специалисты предрекают большое будущее жидкому водороду как практиче-
ски идеальному, с экологической точки зрения, моторному топ-
ливу. Ещё несколько десятилетий назад применение жидкого во-
дорода в качестве горючего казалось достаточно отдалённым. К
тому же трагическая гибель в канун второй мировой войны на-
полненного водородом дирижабля «Гинденбург» настолько под-
мочила общественную репутацию «топлива будущего», что на-
долго вычеркнула его из каких-либо серьёзных проектов.
Быстрое развитие космической техники вновь заставило об-
ратиться к водороду, на этот раз уже жидкому, как почти идеаль-
ному горючему для исследования и освоения мирового простран-
ства. Сегодня члены мирового космического клуба – США, Рос-
сия, Западная Европа, Япония и Китай – являются главными по-
требителями жидкого водорода. Помимо серии американских программ «Шаттл», а также советской ракеты «Энергия» и про-
граммы «Буран», здесь следует отметить такие перспективные западноевропейские космические проекты, как «Ариан-5», «Гер-
мес» и «Зингер», использующие жидководородное горючее. Тем не менее, по-прежнему не исчезли сложные инженерные пробле-
мы, связанные со свойствами самого водорода и его производст-
вом. Как горючее для транспорта водород удобнее и безопаснее применять в жидком виде, где в пересчёте на 1 кг он превосходит по калорийности керосин в 6,7 раза и жидкий метан в 1,7 раза. В
то же время плотность жидкого водорода меньше, чем у кероси-
на, почти на порядок, что требует значительно больших баков. К
тому же водород должен храниться при атмосферном давлении при очень низкой температуре (минус 253 градуса Цельсия). От-
сюда необходимость соответствующей теплоизоляции баков, что также тянет за собой дополнительный вес и объём. Высокая тем-
пература горения водорода приводит к образованию значитель-
ного количества экологически вредных окислов азота, если окис-
лителем является воздух. И, наконец, пресловутая проблема
безопасности. Она по-прежнему остаётся серьёзной, хотя и счи-
тается теперь значительно преувеличенной.
Отдельно следует сказать о производстве водорода. Почти единственным сырьем для получения водорода служат на сегодня те же горючие ископаемые: нефть, газ и уголь. Поэтому истин-
ный перелом в мировой топливной базе на основе водорода мо-
жет быть достигнут лишь путём принципиального изменения
способа его производства, когда исходным сырьём станет вода, а
первичным источником энергии – Солнце или сила падающей воды. Водород принципиально превосходит все ископаемые виды горючего, включая и природный газ, в своей обратимости, т.е.
практической неисчерпаемости. В отличие от горючих, добывае-
мых из-под земли, которые после сгорания теряются безвозврат-
но, водород добывается из воды и сгорает опять в воду. Разуме-
ется, чтобы получить водород из воды, нежно затратить значи-
тельно большую энергию, чем можно использовать затем при его сгорании. Но это не имеет существенного значения, если так на-
зываемые первичные источники энергии будут, в свою очередь,
неисчерпаемыми и экологически чистыми.
В работах профессора А.А. Силина приводятся две концеп-
ции, которые уже сегодня поставлены на практические рельсы.
По поручению комиссии экономического сотрудничества Гер-
манским фондом «Людвиг Белков Систем-техник», Оттобрун,
поддерживается программа «Евро Квебек гидроводород». Про-
грамма предусматривает следующую последовательность работ.
Избыточные гидроэнергетические ресурсы Канады вводятся в
действие на первой стадии для получения электроэнергии. По-
следняя используется затем для разложения воды на водород и кислород. Полученный водород сжижается, переливается в спе-
циальные танкеры и доставляется через Атлантический океан в Европу. С этой целью в местечке Финкенвердер в районе Гам-
бурга будет сооружён первый в Европе терминал по приёму с моря жидкого водорода. В дальнейшем предполагается развозить водород потребителям в жидком виде в специальных цистернах.
По уже принятому в Германии законодательству ёмкость таких цистерн может достигать 42 тыс. л. вторая возможность транс-
портировки уже газообразного водорода – специально приспо-
собленные для этого обычные газовые сети.
Разрабатывается и второй проект, где в качестве источника первичной энергии используется Солнце. Подсчитано, что на широтах ± 30 40 градусов наше светило греет примерно в 2 3
раза сильнее, чем в более северных широтах. Это объясняется не только более высоким положением Солнца на небе, но и несколь-
ко меньшей толщиной атмосферы в тропических регионах Земли.
Однако почти вся эта энергия быстро рассеивается и пропадает.
Получение с помощью её жидкого водорода – наиболее естест-
венный способ аккумуляции солнечной энергии с последующей доставкой её в северные районы планеты. И не случайно научно-
исследовательский центр, организованный в Штуттгарте, имеет характерное название «Солнечный водород – источник энергии будущего». Установки, аккумулирующие солнечный свет, пред-
полагается, согласно указанному проекту, разместить в Сахаре.
Сконцентрированное таким образом тепло будет использовано для привода паротурбин, вырабатывающих электроэнергию.
Дальнейшие звенья схемы те же, что и в Канадском варианте, с
той лишь разницей, что жидкий водород доставляется в Европу через Средиземное море. Принципиальное сходство обоих проек-
тов в том, что они экологически чисты на всех стадиях, включая даже перевозку сжиженного газа по воде, поскольку танкеры ра-
ботают опять-таки на водородном топливе. Уже сейчас всемирно известные немецкие фирмы «Линде» и «Мессергрисхейм», рас-
положенные в районе Мюнхена, производят всё необходимое оборудование для получения, сжижения и транспортировки жид-
кого водорода, за исключением разве что криогенных насосов.
Громадный опыт по использованию жидкого водорода в ракетно-
космической технике накоплен фирмой «МББ», расположенной в Мюнхене и принимающей участие практически во всех престиж-
ных программах Западной Европы по освоению космоса. Научно-
исследовательское оборудование фирмы в области криогеники используется также на американских космических челноках ши-
роко известная немецкая авиакомпания «Дейче Эрбас» разраба-
тывает первый в мире аэробус, летающий на жидком водороде.
Помимо экологических соображений применение жидкого водо-
рода в обычной и сверхзвуковой авиации предпочтительно и по другим причинам. Так, примерно на 30 % при прочих равных ус-
ловиях снижается взлётный вес самолёта. Это позволяет, в свою очередь, сократить разбег и сделать взлётную кривую более кру-
той. В результате снижается шум – этот бич современных аэро-
портов, расположенных зачастую в густонаселённых районах. Не исключена также возможность снижения лобового сопротивле-
ния его носовых частей, встречающих поток воздуха. Программа,
учитывая её выдающееся экологическое значение, поддержана не только федеральным правительством Германии, но и обществен-
ными фондами, поощряющими защиту окружающей среды.
Следует учитывать также, что сертификационные нормы на выброс в атмосферу вместе с выхлопными газами экологически вредных продуктов становится всё более жёсткими, что подкреп-
ляется и налоговой политикой. В Германии и ряде других стран Запада и Востока подобная политика коснулась в первую очередь автомобильного транспорта, способствуя установке на выхлоп-
ных трубках катализаторов, нейтрализующих вредные вещества.
Швеция, насколько известно, стала первой страной, которая вве-
ла ограничения на выхлопные газы самолётов. Значительные штрафы, которые вынуждены платить теперь авиакомпании, в
том числе и «Дейче Эрбас», стимулировали не только усовер-
шенствование авиадвигателей, но и обращение к альтернатив-
ным, экологически чистым видам горючего. Тем более, что шведскому примеру намерены последовать в самое ближайшее время Германия и ряд других стран.
В 1980-х гг. в Советском Союзе был создан, а в 1989 г. впер-
вые продемонстрирован за рубежом пассажирский самолёт, спо-
собный летать помимо авиационного керосина также на сжижен-
ном водороде или жидком метане. Экспериментальная машина
такого типа была создана на базе серийного Ту 154 под руково-
дством А. Туполева с двигателем Н. Кузнецова. Неудивительно,
что в поисках партнёров при создании серийного выпускаемого пассажирского криоплана немецкие разработчики обратились в первую очередь к специалистам указанных советских фирм.
Картина была бы неполной, если не сказать об инициативе ведущих немецких автомобильных компаний по созданию авто-
машин на жидком водороде. Здесь имеется в виду модель 230
фирмы «Мерседес-Бенц» и модель 745 не менее известной ком-
пании «БМВ». Спроектирован также оригинальный топливный бак для жидкого водорода, предназначенный для грузовых авто-
машин. По оценкам экспертов фирмы «МББ» производство жид-
кого водорода в Германии в ближайшие годы резко возрастёт.
При этом ракетно-космический комплекс перестанет быть глав-
ным потребителем этого вида горючего. Указанная роль перейдёт к гражданской авиации, доля которой составит 75 %, а также ав-
тотранспорту, потребности которого превысят 20 %. В общем энергетическом балансе Германии тенденция также прослежива-
ется вполне отчётливо. По оценкам Штуттгартского центра в
1987 г. доля потребляемой в стране энергии «Cолнце–водород» составила всего 2,6 %; к 2000 г. она возросла до 6 %; к 2020 г.
достигнет 28 % и, наконец, к 2050 г. выйдет на уровень 72 %. Ин-
тересно, что немецкие специалисты предусматривает снижение национального расхода энергии за счёт экономии к 2000 г. при-
мерно на 10 % по сравнению с 1987 г., а к 2020 г. уже на 35 % с
сохранением этого уровня до 2050 г. Такова альтернатива, позво-
ляющая резко затормозить выброс углекислого газа и других вредных продуктов в атмосферу.
Всё изложенное выше позволяет сделать вывод, что переход на водородное топливо, в первую очередь в авиации, а затем и в наземном транспорте, станет реальностью уже в первые годы ХХI в. К этому времени будут преодолены технические пробле-
мы, окончательно ликвидировано недоверие к водороду как че-
ресчур опасному виду горючего и создана необходимая инфра-
структура. К сожалению, в заявлениях официальных лиц, ответ-
ственных за будущее нашей энергетики, отсутствует слово «во-
дород» в прогнозах на ближайшие десятилетия. Главная надежда возлагается, как правило, на природный газ, запасы которого в стране достаточно велики. Но, располагая мощной ракетно-
космической техникой, мы имеем солидную базу для производ-
ства, сжижения и хранения жидкого водорода, опытный и высо-
коквалифицированный персонал. Они могут быть использованы в качестве основы для развития водородно-топливной структуры ближайшего будущего с ориентацией на гражданскую авиацию, а
затем и на наземные виды транспорта. Появление на междуна-
родных авиалиниях криогенных аэробусов, о чём говорилось выше, позволит нашей стране с её огромной территорией прини-
мать и заправлять подобные самолёты на своих аэродромах с большой экономической и экологической выгодой.
Это обстоятельство предопределяет и следующий аргумент в пользу отечественной водородной энергетики. Он состоит в не-
обходимости глобального подхода к решению подобных про-
блем.
Тенденция к всеобщей интеграции торгово-экономической системы сегодня такова, что требует анализа мирового рынка для подавляющей номенклатуры товаров и услуг. В этих условиях Россия уже не может быть вырвана из глобальных промышлен-
ных и торгово-экономических связей. Нельзя не считаться, не не-
ся при этом крупных материальных и моральных потерь, со всё более жёсткими экологическими требованиями, закрепляемыми международным и национальными законодательствами. Закон «О
чистом воздухе», принятый Конгрессом США, уже упомянутые выше ужесточения на химический состав выхлопных газов воз-
душного и наземного транспорта в Западной Европе и других ре-
гионах планеты, а также ряд других законодательных мер служат,
по существу, основой для Глобального экологического кодекса.
Назрела необходимость создания национальной концепции ис-
пользования водорода в топливной базе страны как экологически чистого горючего для воздушного и наземного транспорта. Такая