Альтернативные виды топлива

Электроэнергия

Это наиболее лоббируемая альтернатива бензину и солярке. Основным аргументом «за» является отсутствие выбросов в атмосферу вредных веществ во время работы электродвигателя. Это вызывает симпатию у многочисленных экологических организаций и поддерживающих их идеи политиков.

В России доступны серийные модели подобных авто — Mitsubishi i-MIEV и E-Car GD04B.

Массовое распространение сдерживает дороговизна сегодняшних моделей и отсутствие надежных, емких, стойких к морозам и компактных аккумуляторных батарей. Следует также отметить, что для массового перехода на электромобили потребуется существенное увеличение выработки электроэнергии, которая нужна для подзарядки аккумуляторных батарей.

В настоящее время преобладающая часть всей электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, работающих на углеводородах и выбрасывающих в атмосферу огромное количество вредных веществ.

maxresdefault

В основе изобретения лежит система, работающая по принципу искусственного листа. Неорганический катализатор так называемого «бионического листа» заставляет солнечный свет расщеплять воду на водород и кислород. Далее водород подается в биореактор, где под воздействием бактерий вместе со вступившим с ним в реакцию диоксидом углерода (углекислым газом) преобразуется в жидкое топливо — изопропанол (изопропиловый спирт). Всего за два года исследований ученым почти удалось достичь 1-процентной эффективности перевода солнечного света в биомассу, что соответствует результативности природного фотосинтеза. Следующий этап — добиться 5%-ной производительности своей установки. Полученный таким образом изопропанол можно использовать по мере необходимости, в том числе для заправки автомобилей будущего чистым спиртовым горючим или его смесью с бензином или дизельным топливом.

Водород как альтернативное топливо

В связи с повышенным вниманием, уделяемым в последнее время электромобилям, забылся такой вид топлива, как водород. А ведь лет пять тому назад, больше разговоров было о перспективах именно водорода, как альтернативного топлива

С автомобилями, использующими топливные ячейки, в свое время экспериментировал и АвтоВАЗ.

Многие крупные автопроизводители не посчитали водород тупиковой идеей и продолжают работы, полагая, что именно за машинами на водороде – будущее.

Из сдерживающих факторов отметим дороговизну предлагаемых технологий и разработанных на сегодняшний день серийных образцов. Также отсутствует и необходимая инфраструктура. Невысок пока и КПД у водородных движков.

Заправка-розетка

Конечно, не забудем упомянуть и электромобили. Многие считают, что будущее именно за этим видом транспорта. Он-де экологически безвреден, и особая заправочная инфраструктура ему не нужна — достаточно простой розетки. И сегодня уже каждый уважающий себя автоконцерн выпускает по несколько моделей электрокаров или гибридов. Есть даже компания, специализирующаяся исключительно на электромобилях, — Tesla Motors, созданная небезызвестным миллиардером-новатором Илоном Маском.

И все же преимущества электромобилей далеко не бесспорны. Во-первых, они все еще слишком дороги, поскольку дорогими остаются их огромные аккумуляторы. Во-вторых, безвредность этих машин весьма относительна, опять же, из-за аккумулятора: он представляет собой настоящую «экологическую бомбу», которая при аварии или неграмотной утилизации грозит серьезным загрязнением окружающей среды. Кроме того, заправка такого автомобиля — дело очень долгое, особенно если использовать обычную розетку. Специализированные «электрозаправки» ускоряют процесс, но их пока мало. И, конечно, аккумуляторы не любят мороз, поэтому, например, в нашей стране широкое распространение электромобилей маловероятно.

20150422_87846115346825605

После этого она поставляется на ректификационный завод, где из нее получают уже конечный продукт — синтетический e-diesel. Пока углекислый газ, необходимый для производства, поставляет специальное биогазовое предприятие. В дальнейшем он будет частично забираться прямо из окружающей среды на радость борцам с парниковыми газами. Кроме того, защитников природы порадует и экологическая чистота синтетического дизельного топлива. Ведь оно не изготавливается из ископаемой нефти, а значит, не содержит серы и при сгорании образует меньше загрязняющих веществ. К тому же, как отмечают изобретатели, двигатели на этом топливе работают тише. Синтетическое дизельное топливо можно использовать как в чистом виде, так и в смеси с обычной соляркой.

В ближайших планах компаний Audi и Sunfire построить завод, способный выпускать e-diesel в промышленных масштабах. По предварительным прогнозам, стоимость нового топлива составит от 1 до 1,5 евро за литр, что в целом соответствует или немного превышает текущую рыночную цену на солярку в Европе.

Залить в бак или выпить?

Есть машины, которые употребляют то, что запрещено их водителям, — спирт. Биоэтанол, добываемый из сельскохозяйственных культур, содержащих большой процент сахара, получил уже довольно широкое распространение в качестве топлива. В Бразилии, являющейся мировым лидером по производству биоэтанола, его гонят из сахарного тростника, а в США, занимающих второе место, — из кукурузы. Этанол, как правило, добавляют в бензин в определенных пропорциях (от 5% до 85%), что позволяет удешевить топливо, снизить его расход и вредные выбросы. Использование топлива с определенной долей этанола требует соответственной переделки двигателя, однако существуют и «всеядные» автомобили, которые могут ездить на любой смеси бензина с этанолом: на них, как правило, красуется надпись FlexFuel — «гибкий выбор топлива».

Есть также «сельскохозяйственная» замена для дизельного топлива — это биодизель, изготовляемый из масличных культур — сои, рапса, подсолнуха. Он обладает теми же достоинствами по сравнению с углеводородным аналогом, что и биоэтанол.

В принципе, можно перевести на биотопливо хоть весь мировой автопарк — это не нанесет ущерба экономике, а природе принесет пользу. Вот только чем будут питаться люди, если все сельхозугодия будут заняты выращиванием «топливных культур»?

Отчасти ситуацию может спасти использование синтетического биотоплива (как ни парадоксально звучит это словосочетание) — диметилового эфира (ДМЭ). Это горючее вещество, получаемое из целлюлозной биомассы, с очень хорошими топливными характеристиками и низким уровнем вредных выбросов (отвечает требованиям «Евро-5»). На ДМЭ делает ставку в своих разработках, в частности, концерн Volvo.

1423828112eve

Компания Celtic Renewables Ltd. совместно с учеными из Эдинбургского университета создала технологию по извлечению из переработанного сырья для виски спиртов — бутанола и этанола. Но в промышленных масштабах производитель намерен вырабатывать именно бутанол, который предполагается использовать не только для заправки автомобилей, но и в качестве топлива для воздушных и морских судов. Преимуществ у бутанола несколько: он на 25% энергоэффективнее по сравнению с этанолом, безопаснее в использовании, хорошо перемешивается с другими видами горючего, не требует изменения системы подачи топлива автомобиля, а также характеризуется низким уровнем выброса парниковых газов в атмосферу при сгорании. Но самое главное, бутанол признан властями Великобритании как биотопливо. По заверениям инноваторов, оригинальное биогорючее с шотландским акцентом станет доступным для британских водителей всего через три года. Ввиду экологической значимости проекта правительство Туманного Альбиона уже выделило на строительство завода в Шотландии грант в размере 11 млрд фунтов стерлингов.

На голубом газу

Итак, начнем с того, что уже давно опробовано на практике, — с газа. Кто же не знает, что на автомобили можно устанавливать газобаллонное оборудование (ГБО)? Однако газ для авто бывает разный, и оборудование тоже.

Наиболее распространенным вариантом является сжиженный углеводородный (нефтяной) газ, или попросту пропан-бутан. Его можно использовать в обычном бензиновом двигателе, требуется установить под капот лишь несколько небольших дополнительных агрегатов. Ну и, конечно, приткнуть куда-то весьма объемистый баллон. Цена вопроса — около 350 долларов (наиболее продвинутая версия ГБО обойдется в 500), которые, впрочем, легко окупятся при больших пробегах автомобиля, учитывая, что газ на российском рынке почти вдвое дешевле бензина. 

Немаловажно знать, правда, что на литре газа ваша машина пройдет путь, на 15—20% меньший, чем на литре бензина. Но при этом мотор будет работать ровнее и тише, поскольку газ сгорает в цилиндрах медленнее, чем бензин

И, кстати, не оставляет нагара. К достоинствам пропан-бутана относится также его экологичность: выхлопы автомобиля, ездящего на газу, содержат гораздо меньше вредных веществ, чем бензиновые. Кроме того, использование такого топлива способствует решению проблемы утилизации попутного нефтяного газа, из которого оно производится. То есть чем больше машин перейдет на газ, тем меньше факелов на нефтяных месторождениях будут зазря подогревать атмосферу Земли. К недостаткам газового топлива можно отнести некоторое снижение мощности двигателя и повышенный износ деталей блока цилиндров из-за того, что температура сгорания газа выше, чем бензина.

Другой вариант использования газового топлива более сложный. Это переход на компримированный (сжатый) природный газ метан. Здесь уже требуется переделка всего двигателя, а точнее — просто другой движок. И толстостенные баллоны, поскольку этот газ находится под очень большим давлением. Такая система редко применяется на легковых авто — это в основном удел грузовиков и общественного транспорта.

Газ используется как автомобильное топливо очень давно, однако, несмотря на все его достоинства и технические наработки (например, пять поколений «пропанового» ГБО), большого распространения на авторынке так и не получил. Во всем мире газ потребляют не более 1% автомобилей. 

Периодически разные страны принимают программы по «газификации» автопарка, но успехи, как правило, скромные. Недавно Германия поставила себе задачу к 2021 году довести число «газомобилей» до 1 миллиона, что составит 4% от общего числа авто. 

Это довольно амбициозная цель, учитывая, что сейчас в стране их в 10 раз меньше. Но шансы на успех есть: оптимизм вселяет уже тот факт, что Германия является лидером в Европе по числу газозаправочных станций — их там почти тысяча. А ведь доступность заправки — это залог успеха в таком деле, как переход на новое топливо!

Виды топлива

Альтернативное топливо, несмотря на свое разнообразие, является дорогостоящим и скорее экспериментальным. Поэтому потребители используют привычное, относительно недорогое горючее: дизтопливо, бензин и т.д. А топливные карточки позволят водителю оптимизировать затраты используемого топлива и проконтролировать его потребление.

Ученые очертили следующие виды топлива.

  • Природный газ. Такое топливо сгорает полностью и дает меньше выбросов, загрязняющих окружающую среду. Для использования газа в автомобиле специально перепроектируются двигатели. Природный газ, как топливо, может применяться в виде сжатого газа, так и в виде жидкого газа.
  • Электричество. Автомобиль работает от батарей, заряжающихся при его подключении к обычному источнику питания. Электричество – самый дешевый вид топлива.
  • Водородное топливо – эффективный аккумулятор энергии. Водород опасен, поэтому используется в сочетании с другими видами топлива.
  • Сжиженный нефтяной газ (пропан). Такой газ используется в двигателе после небольших его модификаций. Газ полностью сгорает и его выбросы меньше загрязняют природу по сравнению с бензином.
  • Биодизельное топливо, изготовленное на основе растительных масел (подсолнечное, соевое, рапсовое) и животных жиров. Любое транспортное средство с дизельным двигателем может работать на биодизельном топливе.
  • Метанол (древесный метиловый спирт), который может использоваться в транспортных средствах с метаноловыми двигателями.
  • Этанол (этиловый спирт), получаемый в результате брожения кукурузы, пшеницы, ячменя и дистилляции. Его смешивают с бензином, в результате чего выхлопные газы, полученного таким образом топлива, практически не загрязняют атмосферу.
  • Виды топлива серии Р – это соединение этанола, природного газа и метилтетрагидрофурана. Относительно чистое топливо с высоким октановым числом.

Как альтернативное экспериментальное топливо используются жидкий азот, солнечная энергия, биогаз, газовый конденсат, водяной пар (паровые автомобили), аммиак, диметиловый эфир и т.д.

Некоторые виды альтернативного топлива уже применяются на автозаправочных станциях для заправки автомобилей наряду с бензином и дизтопливом. На АЗС осуществляется заправка по безналу и за наличные.

Компания «РусПетрол» предлагает услуги по оформлению топливных карт для возможности приобретения горючего на выгодных условиях и контроля расхода топлива.

Электричество

Старая, как сам автомобиль, идея приводить транспортное средство в движение электричеством получила новый виток развития. Преимущества налицо — не нужно никакого топлива, нет выхлопа, отсутствует опасность возгорания, стоимость эксплуатации машины снижается до минимально возможных сумм. Единственный недостаток заключается в необходимости откуда-то брать альтернативную энергию. Для этого используются достаточно крупные батареи, которые сейчас называют единственным препятствием к производству массовых электромобилей.

Однако наука, занимающаяся альтернативными видами топлива, не стоит на месте — уже давно громоздкие и неэффективные свинцовые либо никель-металлгидридные аккумуляторы заменены компактными литий-ионными, подобными тем, что применяются в телефонах и ноутбуках. Кроме того, китайская компания BYD недавно заявила о новом прорыве в альтернативной энергии, представив литий-фосфатные батареи. Ёмкость их немного меньше, однако ресурс выше в несколько раз, эффект памяти отсутствует, устойчивость к перегреву и воздействию низких температур также на высоте. Ведётся доработка гелевых источников питания и прочих источников энергии, способных заменить традиционное топливо в автомобилях — поэтому электромобили могут быть намного ближе, чем мы предполагаем.

Альтернативный источник энергии используется также гибридными автомобилями, в которых двигатель внутреннего сгорания дополнен электрическим приводом. Подобная компоновка позволяет экономить топливо даже без доступа к внешнему источнику питания. Если же гибридный автомобиль подзаряжать от стационарной электросети (схема Plug-in), можно добиться феноменальных результатов. Альтернативная энергия используется и другим видом гибридов, находящимся ближе к электромобилям. Они называются Extended Range, поскольку двигатель, использующий нефтяное топливо, используется только для подзарядки аккумуляторов в крайнем случае.

20150422_368792303887019

Вода и воздух, а точнее углекислый газ (диоксид углерода) — вот и все, что потребовалось компании Audi совместно с немецким стартапом Sunfire, чтобы создать практически из ничего экологически чистое дизельное топливо e-diesel. В апреле 2020 года на экспериментальном заводе в Дрездене была получена первая партия синтетической солярки нового поколения. Это знаковое для автомобильного мира событие не прошло мимо немецкого правительства. Йоханна Ванка, министр образования и научных исследований Германии, лично залила несколько литров «свежайшего» дизельного топлива в свой Audi A8, чтобы проверить его на деле.

Для производства e-diesel за основу берется так называемая голубая нефть-сырец. Зарождается она с генерации электричества из природных возобновляемых источников энергии: ветра, солнца или воды. Добытая таким образом энергия используется для извлечения из воды, нагретой до парообразного состояния, водорода путем высокотемпературного электролиза. Затем водород смешивается с CO 2, который в результате двух химических реакций преобразуется в СО (угарный газ). А путем дальнейших процессов на выходе образуется жидкость, состоящая из длинноцепочечных углеводородов. Это и есть та самая «голубая нефть».

Сжатый воздух

Пневмоавтомобили, передвигающиеся на сжатом воздухе, выпускаются рядом компаний. Машина приводится в движение за счет потока воздуха из баллона, давление в котором может достигать 300 атм. Полуоси автомобиля приводятся в движение за счет конвертации сжатого воздуха пневматическим мотором. Пока проходимость подобного пневмотранспорта после заправки невелика. Также существуют требования к противопожарной безопасности, обязательные для пользования таким автомобилем.

Эти ограничения приводят к созданию лимитированной коллекции пневмотранспорта, задействованной в работе в специфических условиях: на складах, в производственных помещениях с максимальным соблюдением уровня пожарной безопасности.

1425573420Celtic_renewables_013

Шотландцы недолго думая решили использовать для получения биотоплива свой излюбленный алкогольный напиток, а точнее — основные побочные продукты его производства: жидкие дрожжевые отходы, так называемый «эль из чана» и остатки зерна. Благо ежегодно их набирается огромное количество — 1,6 млрд литров жидких и 500 тыс. тонн твердых отходов. Ведь в процессе изготовления виски 90% всех принимающих участие в этом священнодействии ингредиентов — вода, дрожжи и зерно — превращаются в биологический мусор, который в лучшем случае применяют как удобрение или корм для скота, а в худшем сваливают в море.

И немного экзотики

За недолгий автомобильный век человечество успело наработать немало экзотических «топливных» решений. Например, использование сжатого воздуха для приведения в движение поршней двигателя. Это абсолютно безопасно, поскольку под капотом ничего не горит, не взрывается и нет ядовитых газов. Но насколько эффективно — вопрос. Ведь сжатый воздух поступает из компрессора, который, в свою очередь, потребляет электричество. А это значит, что нужны, опять же, громоздкие и дорогие аккумуляторы.

Правда, воздух в этой схеме можно заменить азотом. Он хранится в сжиженном виде, а поступая в двигатель, переходит в летучее состояние, сильно расширяясь и приводя в движение поршни. Совсем недорого и тоже никакого загрязнения окружающей среды! Вот только хранится сжиженный азот под очень большим давлением, что делает заправку «азотомобиля» технически сложным и опасным процессом. Да и заправочная инфраструктура обойдется недешево.

Наконец, на новом витке истории человеческая мысль вновь возвращается к паровой машине. Только теперь она работает не на угле, а на атомной энергии. Американская компания Laser Power Systems работает над проектом, предполагающим использование в качестве энергоносителя тория — вещества с низкой радиоактивностью, нескольких граммов которого хватит, чтобы обеспечить автомобиль энергией «пожизненно». Принцип работы очень прост: ториевый лазер кипятит воду, а пар приводит в действие серию мини-турбин. Но вот вопрос: насколько безопасно размещать под капотом АЭС в миниатюре?

* * *

49_raps1_

Рапсовое поле Рапсовое поле

Наши исследователи тоже не лыком шиты и не теряют времени даром. Ученые из Иркутского национального исследовательского технического университета и Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН наглядно доказали, что можно не только сжигать солярку на полях во время посевной и уборочной, но и превратить зеленые нивы в возобновляемые экологически чистые источники биодизтоплива. В ходе экспериментов ученые сделали ставку на выращивание масличных растительных культур как наиболее подходящих, по их мнению, для производства биологического горючего. Горчица, рапс, масличная редька, крамбе, сурепица и рыжик — все эти растения (а точнее, масла, извлеченные из них) в скором времени могут превратиться в горючее, на котором поедут российские автомобили. По предварительным оценкам, стоимость такого топлива составит не больше 20 руб. за литр. Теперь дело за предпринимателями, которые смогут воплотить это изобретение в жизнь.

***

Многие страны могут похвастаться своими разработками альтернативного топлива. Так, в Латвии научились производить бутанол из борщевика, злостного и к тому же ядовитого сорняка, доставляющего массу проблем жителям сельской местности. Уникальность созданной латышскими учеными установки в том, что для расщепления биомассы они применяют не химические вещества, а энзимы, извлеченные из грибов. Во Вьетнаме придумали, как делать горючее из скорлупы кокосовых орехов. А еще можно вырабатывать топливо из водорослей, древесной щепы, отработанного пищевого масла, бытового мусора и много чего еще. Так что в случае истощения нефтяных запасов топливный коллапс человечеству точно не грозит.

Конец эры бензина: что будем заливать в баки в будущем — шесть альтернатив

На дровах

Для определенного типа ДВС «подкидывать дровишки» — вовсе не метафора, а нормальный процесс заправки. Речь идет о машинах с газогенератором — дополнительным агрегатом с трубой. В этой чудо-печке действительно горят (точнее, тлеют) дрова, брикеты или уголь, но сгорают как бы не до конца: выделяющийся из них газ еще обладает горючестью, и он-то дожигается в двигателе, приводя в движение автомобиль. 

Такие машины, кстати, вовсю выпускали в нашей стране в середине 30-х годов прошлого века (ЗИС-13, ЗИС-21, ГАЗ-42), их с успехом использовали во время войны в условиях нехватки бензина. Сейчас этот тип двигателя не вызывает особого энтузиазма у автопроизводителей ввиду громоздкости его конструкции и необходимости возить с собой поленницу дров или вагончик угля.

На расщепленной воде

Еще более эффективным топливом является другой газ — водород. И запасы его практически безграничны: ведь, как известно, из него и кислорода «сделана» вся наша вода. Но вот беда: добывать водород из воды — дело сложное и затратное. 

Производится он методом электролиза с использованием дорогостоящих катализаторов из платины и иридия. Лишь в конце 2015 года американские ученые из Стэнфордского университета создали более дешевую установку на базе оксида железа и никеля. Может быть, расщеплять воду в промышленных масштабах наконец-то станет выгодно. Ведь до сих пор на добывание из нее водорода уходило больше энергии, чем он мог дать при сгорании. Поэтому сейчас водород получают в основном из метана или из угля, которые и сами по себе неплохие энергоносители.

В любом случае добывать водород — это только полдела. Нужно еще грамотно и безопасно получать энергию из этого чрезвычайно летучего и взрывоопасного газа. В принципе, можно впрыскивать его непосредственно в цилиндры двигателя, вместе с парами бензина или вовсе без них. Такая схема используется в автомобилях BMW Hydrogen, Mazda RX8, «водородных» моделях Mercedes и Opel (все они выпускаются малыми партиями). Причем большинство таких машин заправляются сжатым газом, и лишь некоторые производители (BMW) делают ставку на сжиженный водород.

Однако использование водорода в обычном ДВС либо снижает его мощность, либо сопряжено с перенастройкой системы зажигания, в результате чего повышается температура в цилиндрах. А это, в свою очередь, ведет к ускорению износа деталей двигателя. Кроме того, водород обладает очень высокой летучестью: он умудряется испаряться из закрытых баллонов и проникать сквозь патрубки. А при смешивании с кислородом образует «гремучую смесь», так что водородные двигатели потенциально очень взрывоопасны.

Учитывая эти факторы, многие эксперты считают более перспективными разработки так называемых топливных элементов (или ячеек — Fuel Cell) — установок, преобразующих энергию химической реакции в электричество. Это, по сути, те же гальванические элементы, только подпитываемые извне веществами, участвующими в реакции. 

В нашем случае это водород и кислород, которые подаются, соответственно, на анод и катод, соединяясь в воду и вырабатывая электричество. Этот процесс еще называют «холодным горением» — в нем энергия не расходуется на выделение тепла.

Топливные ячейки ставят под капотом своих самых футуристических моделей компании Toyota, Honda и Mazda. Так, недавно Toyota представила публике свою новую FCV Plus, которая может работать на чистом водороде. Ну а в нашей стране опытный образец водородного движка был смонтирован еще в далеком 1982 году на РАФ (был такой советский микроавтобус) и в 2003 году на ВАЗ-2131 (пятидверной «Ниве»). Правда, дальше опытов у нас, как водится, дело не пошло, тогда как японцы вовсю запускают свои FC в серию.

По мере того как автомобили с водородными двигателями получают распространение, расширяется и сеть водородных заправок. В Японии, США и некоторых странах ЕС реализуются программы «Водородное шоссе», предусматривающие создание водородной инфраструктуры вдоль отдельных магистралей.

И все же пока даже в самых развитых странах человек, покупающий «водородный автомобиль», должен сознавать, что он сильно переплачивает «за прогресс» (такие авто стоят не меньше 50 тысяч долларов) и вынужден привязывать все свои маршруты к «водородному шоссе». Проходить «точку невозврата» к заправке не рекомендуется, так как залить водород из канистры невозможно.

Впрочем, есть и другой вариант «доставки» водорода к топливной ячейке — в составе метанола, древесного спирта. В этом случае нужно возить с собой не взрывоопасные баллоны, а бак со спиртом. Из него в топливном элементе выделяется водород, а кислород заимствуется из воздуха, и получается то же самое электричество. Правда, эта технология еще толком не коммерциализирована.