Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

методичка экология ПроЭкол Москва

.pdf
Скачиваний:
65
Добавлен:
07.06.2015
Размер:
2.71 Mб
Скачать

Выполнение 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