Вопрос перспективности различных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания с точки зрения экологии продолжает беспокоить автопроизводителей. Главная на сегодня задача – значительно сократить выбросы углекислого газа в атмосферу. Идей в этом направлении не так уж много, хотя есть среди них и весьма интересные.
Вопрос перспективности различных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания с точки зрения экологии продолжает беспокоить автопроизводителей. Главная на сегодня задача – значительно сократить выбросы углекислого газа в атмосферу. Идей в этом направлении не так уж много, хотя есть среди них и весьма интересные.
Вопрос перспективности различных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания с точки зрения экологии продолжает беспокоить автопроизводителей. Главная на сегодня задача – значительно сократить выбросы углекислого газа в атмосферу. Идей в этом направлении не так уж много, хотя есть среди них и весьма интересные.
Существует несколько реальных способов снизить выбросы СО2: поощрять водителей ездить медленно; создавать более экономичные автомобили; применять альтернативные виды топлива или транспортные средства, которые обеспечивают меньшие или нулевые выбросы углекислого газа (СО2).
Наиболее разрекламированное направление – автомобили, использующие в качестве топлива водород. Но некоторые эксперты отдают предпочтение метанолу (CH3OH).
Необычные идеи
Существуют и весьма оригинальные идеи. Некоторые ученые изучают возможные пути улавливания углекислого газа в выпускном тракте автомобиля, перед тем как он оказывается в атмосфере. Еще одна уникальная идея – отделять углерод от углеводородного топлива до того, как оно попадет в двигатель, тогда при работе не выделяется СО2. Подобная технология разрабатывается в США профессором Андреем Федоровым. Углерод удаляется из топлива перед его поступлением в двигатель, а в камере сгорания сжигается оставшийся водород – в результате выделяются тепло, вода и азот. По словам Федорова, катализатор в этом случае легко справляется с небольшим количеством окиси азота, а сама система может работать как с бензином, так и с метанолом.
Сердце системы – специальный реактор, который отделяет водород от топлива и оставляет побочный продукт, богатый СО2. Затем СО2 сжимается до жидкого состояния (сжиженный газ) и хранится в отдельном баке. Эти отходы, по словам Федорова, могут извлекаться из машины на автозаправочной станции, пока водитель заправляет бак топливом, и храниться в подземных резервуарах или повторно преобразовываться в топливо метанол путем добавления в него водорода.
А вот идею улавливания соединения СО2 из состава выхлопных газов Федоров отклонил уже в начале своих исследований. Объяснение простое – для отбора СО2 нужно очень много энергии и большие резервуары для хранения этого соединения.
По утверждению Федорова, его разработка могла бы уже через 2-3 года внедряться в серийные автомобили, но пока недоступна из-за дороговизны установки для изъятия СО2 из топлива и необходимости создания новой сети газовых заправок с хранилищами углекислого газа.
Lotus – за метанол
В другом направлении работают в подразделении компании Lotus Engineering, которая занимается доводкой двигателей внутреннего сгорания, разработкой технологий использования альтернативных топлив и созданием электро- и гибридных силовых установок для автомобилей. Ее главный конструктор Джейми Тернер – сторонник использования метанола.
Преимущество метанола в том, что топливо может изготавливаться из отходов деревообрабатывающей промышленности (биотопливо), создаваться путем добавления водорода (Н) к углероду (СО2), собираемому в окружающем воздухе (синтетический метанол). У последнего направления большая перспектива, так как обеспечивается снижение содержания углерода в атмосфере. Используя синтетический метанол, автомобили могут быть углеродо-нейтральными, как и с топливными элементами. И в отличие от топливных элементов, для автомобилей на метаноле не нужно создавать новую инфраструктуру заправочных станций.
У метанола есть еще одно преимущество – после того, как в недрах нашей земли закончатся нефть и газ, все существующие автомобили с двигателями внутреннего сгорания могут быть легко модернизированы и оснащены установками по производству метанола непосредственно на борту.
На данный момент Lotus Engineering продолжает внедрять в жизнь трехтопливную концепцию. Первая ласточка в этом направлении – модель Exige 270E, оснащенная бензиновым мотором, который может работать на бензине, на метаноле и на этаноле. Для работы на трех видах топлива конструкция мотора лишь немного изменяется:
- устанавливаются датчики обнаружения алкоголя (метанол – спирт);
- в ЭБУ двигателя записано несколько программ для работы на разных видах топливах;
- устанавливаются топливопроводы и бак, не боящиеся спирта, а также более производительный топливный насос и форсунки.
Все остальное – как в обычном автомобиле и даже топливный бак общий, так как бензин смешивается с метанолом и этанолом.
Синтетический метанол обладает лучшими характеристиками, соответственно, повышается КПД двигателей внутреннего сгорания. Это очень важно, так как прибавка энергии повышает эффективность работы нагнетателей воздуха (турбо- и механические компрессоры), что в итоге позволяет уменьшить рабочий объем и соответственно вес двигателей. А все это – экономия топлива.
Природный и биогаз
Еще одно направление внедрения и развития альтернативных видов топлива – природный (метан, сжатый) газ и биогаз, которые по сравнению с бензином при сгорании выделяют на 20% меньше СО2.
Наиболее «продвинуты» в использовании биогаза на автотранспорте такие страны, как Швеция и Швейцария, где создана сеть газовых заправок (compressed natural gas – CNG), большая часть из которых предлагает автовладельцам биогаз. В Германии и Австрии биогаз даже используют в бытовых газовых сетях.
В Германии автомобили, эксплуатируемые на природном газе, до 2018 года имеют самое низкое налогообложение. В перерасчете затрат на эксплуатацию автомобиля в Европе получается, что затраты на газообразное топливо ниже более чем на 50% по сравнению с бензином и приблизительно на 30% по сравнению с дизелем. Пока сеть метановых заправок в Европе не такая уж и большая, но уже ведутся работы по ее увеличению. Так, в ближайшее время в Германии планируют построить около 150 газовых заправок.
В Украине ГБО под сжатый газ позволяет снизить затраты на топливо на 50–60%.
Но на пути расширения массового использования метана и биогаза есть одна серьезная проблема – для его хранения на борту автомобиля в необходимом количестве ранее применяли большие и тяжелые стальные баллоны. Именно поэтому до недавнего времени данный вид системы питания чаще всего использовался в минивенах, где больше места для размещения баллонов.
Сдвинуться с мертвой точки решилась компания Audi, инженеры которой сделали модификацию седана A5 в газовом исполнении 2,0Т-CNG. Они нашли наиболее свободные объемы в кузове автомобиля, использовали место, где находились большой и средний глушители, и разместили в них четыре баллона общим объемом 130 л для заправки 21 кг газа CNG. Бензобак уменьшили в объеме до 14 литров, чего достаточно для пробега 180 км. Баллоны изготовлены из современного углеволоконного материала с добавками алюминия, поэтому их вес – всего 90 кг, что в несколько раз меньше, чем при использовании стальных баллонов. Запас хода с таким объемом газа составляет 420 км.
Для повышения КПД двигателя применили технологию TFSI (турбонаддув плюс непосредственный впрыск), которую внедрили в двухлитровый мотор, полученный путем модернизации 1,8-литрового. В результате 163-сильный агрегат выдает одинаковую мощность как при работе на бензине, так и на газе. Более того, после газификации не ухудшились динамические характеристики машины, разгон до «сотни» занимает всего 8,9 с, а максималка достигает 228 км/ч. Максимальный крутящий момент 260 Нм мотор развивает при 1500 об/мин. Выбросы СО2 у газовой модификации TFSI также на 20% ниже, чем у бензинового TFSI.
Справка
Биогаз – газ, получаемый в результате брожения (разложения) биомассы под под воздействием нескольких видов бактерий, в том числе и метанообразующих. Биомассой могут служить навоз, зерновая и меласная послеспиртовая барда, водоросли, пивная дробина, свекольный жом, отходы рыбного и забойного цехов, трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов и производства биодизеля, соков, картофеля, и т. д.
В состав биогаза входят метан (55–75%), углекислый газ (25–45%) и некоторые примеси. В процессе очистки биогаза от СО2 получают биометан – аналог природного газа, который отличается только происхождением. Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, который еще сильнее (в 21 раз) способствует парниковому эффекту.
История
Человечество применяет биогаз очень давно. Во II тысячелетии до н. э. в Европе уже работали примитивные биогазовые установки. Алеманы, населявшие заболоченные земли бассейна Эльбы, полагали, что горючий газ, скапливающийся в ямах на болотах, – это дыхание Дракона. Они шили из кожи тенты, накрывали болото, а по кожаным трубам отводили газ к жилищам, используя его для обогрева и приготовления пищи.
В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет горючий газ. А в 1776 году Алессандро Вольта пришел к выводу, что есть зависимость между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году Хэмфри Дэви в биогазе обнаружил метан.
Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Индии, в городе Бомбее, в 1859 году. В 1895 году биогаз использовался для освещения английских улиц. А в 1930-м были найдены бактерии, участвующие в процессе производства газа.
Преимущества метанола и этанола
- Восстанавливаются из отходов сельского хозяйства.
- Синтезируются из СО2 путем соединения с водородом.
- Представляют собой жидкости при атмосферных температурах и давлениях.
- Выделяют меньше энергии, чем бензин, но больше, чем водород.
Баллоны для водорода претендуют на значительную часть полезных для автовладельцев объемов автомобиля. |
Недостатки водородного топлива
- Водород очень легкий, поэтому для транспортировки и хранения его необходимо сжимать или охлаждать до –253°С.
- На сжатие водорода затрачивается 10% энергии, а на превращение его в жидкость требуется тратить еще 30–40%. Эта энергия безвозвратно теряется при обратном превращении жидкого водорода в газообразный.
- При сжигании 1 литра бензина выделяется в 2900 раз больше энергии, чем при сжигании литра газообразного водорода при 1 атм.