169901 (Основные направления повышения экологической безопасности автомобилей), страница 3

Ввиду прогрессирующего роста цен на нефть и неизбежного глобального энергетического и экологического кризиса, есть смысл чаще возвращаться к самым различным способам экономии топлива, пусть несколько подзабытым, но, с привлечением современных технологий, открывающих многообещающие перспективы.

2.2 Применение альтернативных топлив.

Перспективы альтернативного топлива таковы, что уже сегодня мировые автопроизводители говорят о внедрении к 2010 году порядка 50 различных моделей, работающих на альтернативном виде горючего. В Европе, к примеру, особенно активны в этой области компании Mercedes-Benz, BMW, MAN. А к 2020 году, согласно резолюции ООН, нацелившей страны Европы на переход автомобилей на альтернативные виды моторного топлива, ожидается увеличение «альтернативщиков» до 23% всего автопарка, из них 10% (порядка 23,5 млн. единиц) – на природном газе.

Так что, судя по всему, Европу ожидают топливные перемены, над подготовкой к которым уже сегодня активно работают автомобильные разработчики. Но, как говорится, зачастую новое – это хорошо забытое старое. То, что сегодня кажется достаточно экзотичным и пока малоиспользуемым, как это ни покажется странным, таковым не считалось еще на заре автомобилестроения. Так, Генри Форд в свое время высказывал идею, что этанол станет горючим будущего, предлагая покупателям Ford T с двигателем, работающим на этаноле, бензине или их смеси. Сам же этанол производился из бобов сои, кукурузы или конопли. Рудольф Дизель, создав в 1890г. дизельный мотор, работающий на арахисовом масле, успешно реализовал идею биодизеля.

Биотопливо - использование биотоплива, например этанола (этилового спирта) или дизельного топлива (биодизеля), полученного из специально выращенных растений, обычно рассматривают как важный шаг к сокращению выбросов углекислого газа (СО₂) в атмосферу. Конечно, при сжигании биотоплива углекислый газ попадает в атмосферу совершенно так же, как и при сжигании ископаемого топлива (нефти, угля, газа). Разница в том, что образование растительной массы, из которой было получено биотопливо, шло за счет фотосинтеза, то есть процесса, связанного с потреблением СО₂. Соответственно, использование биотоплива рассматривается как «углерод-нейтральная технология»: сначала атмосферный углерод (в виде СО₂) связывается растениями, а потом выделяется при сжигании веществ, полученных из этих растений. Однако стремительно расширяющееся производство биотоплива во многих местах (прежде всего в тропиках) ведет к уничтожению природных экосистем и утере биологического разнообразия.

Двигатели, работающие на биотопливе, используют энергию солнечного света, запасенную растениями. Энергия ископаемого топлива — это на самом деле тоже когда-то давно (десятки и сотни миллионов лет тому назад) связанная энергия солнечного света, а выделяющийся при сжигании ископаемого топлива углекислый газ когда-то был изъят из атмосферы (и вод океана) растениями и цианобактериями. Казалось бы, биотопливо ничем не отличается от обычного ископаемого топлива. Но разница есть, и определяется она временной задержкой, лагом между связыванием СО₂ в ходе фотосинтеза и выделением его в процессе сжигания углеродосодержащих веществ. Если этот лаг очень большой (как в случае использования горючих ископаемых), то состав атмосферы мог за это время существенно измениться. Кроме того, если связывание углекислого газа происходило в течение очень длительного времени, то высвобождение происходит очень быстро. В случае же использования биотоплива временной лаг совсем небольшой: месяцы, годы, для древесных растений — десятилетия.

При всех плюсах использования биотоплива быстрое увеличение его производства чревато серьезными опасностями для сохранения дикой природы, особенно в тропиках. В последнем номере журнала Conservation Biology появилась обзорная статья (пока еще только в предварительной, онлайновой версии), посвященная вредным последствиям использования биотоплива. Ее авторы, (Martha A. Groom), работающая в рамках Междисциплинарной программы наук и искусств Вашингтонского университета в Ботелле (США), и ее коллеги Элизабет Грэй и Патрисия Таунсенд, проанализировав большой массив литературы, предложили ряд рекомендаций по тому, как сочетать получение биотоплива с минимизацией отрицательного воздействия на окружающую среду, с сохранением биоразнообразия окружающих природных экосистем.

Так, по мнению Грум и ее коллег, вряд ли заслуживает одобрения принятая во многих странах, и прежде всего в США, практика использования кукурузы как сырья для получения этанола. Культивирование кукурузы само по себе требует большого количества воды, удобрений и пестицидов. В результате, если учесть все затраты на выращивание кукурузы и производства из нее этанола (они ведь тоже связаны с потреблением энергии, со сжиганием топлива), то окажется, что в сумме количество СО₂, выделяющегося при изготовлении и использования такого биотоплива, почти такое же, как при использовании традиционного ископаемого топлива! Для этанола из кукурузы коэффициент, оценивающий выделение парниковых газов на определенный энергетический выход (в кг СО₂ на мегаджоуль,10⁶ джоулей, полученной энергии), равен 81–85. Для сравнения, соответствующий показатель для бензина (из ископаемого топлива) составляет - 94, а для обычного дизельного топлива — 83. При использовании сахарного тростника результат уже существенно лучше — 4–12 кг СО₂/МДж.

Но, настоящий положительный скачок наблюдается при переходе к использованию многолетних трав, например одного из видов дикого проса — так называемого проса прутьевидного, обычного растения высокотравных прерий Северной Америки. Благодаря тому, что значительная часть связанного углерода запасается многолетними травами в их подземных органах, а также накапливается в органическом веществе почвы, территории, занятые этими высокими (порой выше человеческого роста) травами, функционируют как места связывания («стока») атмосферного СО₂. Показатель эмиссии парниковых газов при получении биотоплива из проса характеризуется отрицательной величиной:

–24 кг СО₂/МДж (то есть СО₂ становится меньше в атмосфере).

Еще лучше удерживает углерод многовидовой растительный покров прерий. Показатель эмиссии парниковых газов в этом случае также отрицательный:

–88 кг СО₂/МДж. Правда, скорость прироста (продуктивность) таких многолетних трав относительно низкая. Поэтому и количество топлива (выраженное в количестве бензина в литрах), которое может быть получено с естественной прерии, составляет всего около 940 л/га. Для проса эта величина достигает уже 2750–5000, для кукурузы — 1135–1900, а для сахарного тростника — 5300–6500 л/га.

Эффективным оказывается и использование быстро растущих деревьев, например разных тополей и ив. В целом ряде районов земного шара, прежде всего в тропиках, широкое внедрение культур, используемых для получения биотоплива, связано с вырубкой лесов. В Индонезии и в Малайзии огромные территории, еще недавно занятые дождевыми тропическими лесами — экосистемами, характеризующимися не только очень высокой первичной продукцией, но и максимальным видовым разнообразием растений и животных, — превращены теперь в плантации масличной пальмы и других растений, пригодных в качестве сырья для биотоплива. В Бразилии плантации сахарного тростника замещают интереснейшие, также характеризующиеся высоким видовым разнообразием, болотные экосистемы. Особенно интенсивно этот процесс идет в последние годы после подписания соглашения между Бразилией и США о крупных поставках этанола.

Очевидно, что замещая ископаемое топливо и снижая таким образом рост СО₂ в атмосфере, биотопливо на самом деле может угрожать многим природным экосистемам, прежде всего тропическим. Дело, конечно, не в самом биотопливе, а в неразумной, «недружественной по отношению к природе» политике его производства. В уничтожении богатых видами природных экосистем и заменой их крайне упрощенными экосистемами сельскохозяйственных угодий. Большие надежды авторы возлагают на использование в качестве сырья для биотоплива массы микроскопических планктонных водорослей, которые можно выращивать в прудах (порой даже с солоноватой водой) или в специальных биореакторах. Выход полезной продукции на единицу площади при этом значительно выше, чем в случае наземной растительности.

В любом случае, необходимо оценить тот риск, который возникает для природных экосистем при культивировании растений, используемых в качестве сырья для биотоплива.

Сжатый природный и сжиженный нефтяной газы, а также метанол- приоритетность газа, как наиболее перспективного экологически чистого моторного топлива, очевидна для многих стран мира. В Канаде, Новой Зеландии, Аргентине, Италии, Голландии, Франции и других странах успешно действуют национальные программы перевода автотранспорта, в первую очередь городского, на газомоторное топливо. Для этого разработана соответствующая нормативно-законодательная база: ценовая, налоговая, тарифная, кредитная. В результате налицо явный прогресс.

Уже сейчас в Нидерландах порядка 50% автомобилей работают на природном газе, а каждый десятый автомобиль - на сжиженном. 95% автобусного парка Вены и 87% парка Дании также работают на газу. И совокупный процент потребителей растет с каждым годом. В Великобритании, например, действует специальная программа перехода на другие виды энергии (Power Shift Programs): покупателю компенсируется до 75% расходов, которые он несет по переоснащению автомобиля на газ. В Германии владельцам автомобилей на природном газе предоставляются льготы: ежегодные единовременные компенсации при норме токсичности «Евро-4» и снижение размера налога. При страховании автомобиля законодательством введен специальный экологический тариф, составляющий 15% от обычных ставок.

Поэтому, в настоящее время единственным путем повышения экологичности автотранспорта является его перевод на природный газ, что обеспечит сокращение вредных выбросов в окружающую среду двигателями автомобилей до уровня, отвечающего жестким европейским нормам. 

Водород. Ричард Кэммак, автор исследования «Водород как топливо», считает, что водород потенциально может стать идеальным топливом. В частности потому, что в природе существует подобный механизм – известны бактерии, использующие водород в качестве единственного источника энергии. Из водорода можно произвести в три раза больше энергии, чем из аналогичного количества бензина. Водород очень взрывоопасен, но, по данным организации National Hydrogen Association(США), вероятность взрыва водорода не выше вероятности взрыва бензина. За последние три десятилетия на исследования в этой области государственные и частные организации США затратили более 15 млрд долл.

Исследования водородного топлива ныне активно проводят автомобилестроительные компании . Honda Motor, General Motors, Ford Motor, Mazda, Toyota, DaimlerChrysler начали выпуск экспериментальных автомобилей, работающих на водородных двигателях. Единственным выбросом, образующимся в результате работы подобных двигателей, является вода. Современный уровень развития технологий не позволяет использовать водород эффективно. Изготовление водородного топлива для автомобилей ныне в четыре раза дороже, чем производство автомобильного бензина в количестве, достаточном для производства аналогичного количества энергии. Кроме того, остается проблемой создание «водородной инфраструктуры» – сети заправочных станций и сервисных центров необходимых для обслуживания автомобилей работающих на водородном топливе. По оценкам Аргоннской национальной лаборатории, в масштабах США для этого требуется затратить более 600 млрд долл.

Кроме того, водород требует особо внимательного обращения. В 2001 году Массачусетский технологический институт опубликовал результаты исследования, согласно которым хранение и транспортировка водородных автомобильных двигателей в сто раз дороже, чем их бензиновых аналогов.

Исследование Калифорнийского технологического института показало, если водород станет популярным автомобильным топливом, то его количество в атмосфере значительно увеличится. Это может привести к уничтожению озонового слоя, защищающегося Землю от ультрафиолетового излучения, глобальному изменению климата и активному размножению опасных микробов. Кроме того, водородные двигатели в процессе работы выделяют намного больше газов, разрушающих озоновый слой Земли (в частности, оксидов азота), чем современные модели традиционных бензиновых автомобилей. К этому выводу в 2003 году пришли исследователи Массачусетского технологического института.

Добывать водород из воды очень дорого, поэтому в США 95% водорода производятся из природного газа (метана). Это, в свою очередь, делает водородное топливо дороже, чем наиболее дешевый сегодня энергоноситель – природный газ. Впрочем, технологические и экологические препятствия использования водорода в качестве топлива не являются чем-то уникальным. Некогда похожие проблемы были у природного газа, бензина и солнечной энергии. К примеру, прошло более двух десятилетий с момента начала производства солнечных батарей до вывода их на уровень коммерческой окупаемости.

2.3 Автомобили с комбинированной (гибридной) энергетической установкой (КЭУ) .

В качестве основного источника энергии в таких автомобилях используется ДВС, а в качестве пикового ее источника — тяговая электрохимическая батарея (ТЭБ) или накопитель (батарея электрических конденсаторов, сверхкомпактный маховик и т. п.).

Гибриды вчера

В недалеком прошлом гибридными называли агрегаты, способные работать на нескольких видах горючего топлива. Одним из простейших и ярких примеров подобных силовых установок можно считать мотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один — гибридный, представляющий собой работающие вместе ДВС и электродвигатель. Почему-то в большинстве справочников он не указан, и создается ощущение, что данная технология родилась совсем недавно. Тем не менее, известная поговорка «все новое — это хорошо забытое старое» и в этот раз сработала на 100%.

Как оказалось, «первые ласточки» появились на рубеже XIX—XX-го веков. Более того, некоторым разработчикам удалось перейти от проектов к мелкосерийному производству. Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago «гибридные» грузовики сходили до 1940 года.

Почему же тогда идея электродвигателей и гибридов не прижилась?

На первую часть этого вопроса еще в 30-х годах прошлого века ответил академик Е. А. Чудаков. Проведенное им сопоставление характеристик моторов различных типов выглядит так: бензиновый занял первое место по скорости и намного превзошел электрический по запасу хода, зато по надежности и КПД бензиновый ДВС проиграл. Стоит заметить, что ресурсные и экологические проблемы в те времена еще не рассматривались. Продвижению же гибрида «в массы» тогда помешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности и непомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей).

Гибриды сегодня