Альтернативные экологичные виды топлива для автомобилей. Водород — экологически чистое то­пливо». «Водородная энергетика — дело ближайшего будущего» Наиболее чистое топливо

Об экологической опасности

Все углеводородные топлива, как известно, в большей или в меньшей степени являются экологически опасными. Наибольшей экологической опасностью обладают жидкие ракетные топлива, а наименьшей – угли. Экологическая опасность углеводородных топлив обусловлена выделением из них токсичных и ядовитых химических веществ, соединений и элементов, являющихся опасными загрязнителями окружающей среды.

Экологически опасные компоненты выделяются из топлива при хранении, транспортировке и перекачке. На этих этапах использования горючего, кроме газообразных углеводородов (например, этана и метана), топливные загрязнители могут быть представлены самим топливом, загрязненными углеводородами водами, топливным отстоем, угольной пылью и другими. Эти загрязнители попадают в окружающую среду в результате утечек, протечек, разливов, аварий и т. д.

В процессе непосредственного сжигания топлива формируются новые экологически опасные газообразные, жидкие и твердые загрязнители, представляющие собой производные химических элементов, соединений и веществ, содержащихся как в составе исходного топлива, так и в составе атмосферного воздуха, поступающего на горение. Химические элементы, соединения и вещества топлива и воздуха взаимодействуют между собой и, пройдя определенные термические превращения, выбрасываются в составе продуктов сгорания в окружающую среду.

Что такое экологическая чистота топлива

Для топлива как продукта общественного труда экологическая чистота является сложным комплексным свойством, проявляющимся при хранении, транспортировке, перекачке и непосредственно в процессе сжигания.

Под свойством топлива «экологическая чистота», по мнению авторов, следует понимать такое состояние горючего, при котором на всех этапах своего жизненного цикла оно не оказывает или оказывает минимальнодо пустимое негативное воздействие на окружающую среду и не создает угрозы жизни и существованию людей, фауне и флоре.

Сложным и комплексным данное свойство топлива является потому, что в одних условиях использования, например при хранении, транспортировке и перекачке, в окружающую среду поступают одни загрязнители, в то время как при сжигании топлива  образуются и выбрасываются другие загрязнители. В связи с чем экологическую чистоту топлива следует условно рассматривать как две взаимосвязанные составляющие: до и во время сжигания, при этом последняя составляющая является более значимой.

Посмотрим ГОСТы и ТУ

В настоящее время в Российской Федерации действует большое количество ГОСТов и ТУ на углеводородные газы, нефтяное топливо и уголь. Следует напомнить, что ГОСТ – это государственный нормативный документ на продукцию, обязательный для исполнения всеми предприятиями страны. ГОСТы создавались для всех отраслевых промышленных предприятий, подтягивая их техническую базу и технологическое оборудование, а следовательно, и качество выпускаемой продукции, до одного уровня.

С 2000 года вместо новых государственных стандартов выпускаются технические условия. В отличие от ГОСТа, технические условия – это нормативный документ на продукцию для одного или нескольких предприятий, разработанный с учетом их технической базы и технологического оборудования. Поскольку база и оборудование даже на однопрофильных предприятиях различны, то и технические условия на одну и ту же продукцию, а следовательно, и ее качество, отличаются.

Анализ нормативных документов, определяющих качество углеводородного топлива, показывает, что ни один из них не содержит сведений о таком свойстве топлива, как «экологическая чистота», в связи с чем не нормируется и ее численное значение (т. е. показатель). Справедливости ради следует констатировать, что отдельные косвенные показатели, по которым можно судить об экологической чистоте используемого топлива, в этих нормативных документах все же присутствуют. Так, для углеводородных топлив указывается химический состав горючей части, и нормируются содержание в них вредных примесей и минеральных включений. В настоящее время для газового топлива нормируется содержание сероводорода (H 2 S) и азота (N 2); для жидких нефтяных топлив – серы (S 2), углерода (С), ванадия (V), кислот и щелочей, кроме того, для бензинов – марганца (Mn) и свинца (Pb), а для углей – вредные компоненты в минеральной части.

Очевидно, что существующие ГОСТы и ТУ необходимо корректировать с учетом реально сложившейся экологической обстановки, ухудшению которой способствует неуклонное повышение объемов потребления углеводородного топлива, а следовательно, и увеличение количества вредных выбросов.

При чем здесь октановое число?

Известно, что в Российской Федерации с января 2009 года должен вступить в силу Федеральный закон, который обяжет граждан, владеющих автомобилями с карбюраторными и инжекторными двигателями, использовать бензин с октановым числом не ниже 95 (АИ-95). Данный закон РФ широко пропагандируется в СМИ и у наших граждан формируют мнение, что бензин АИ-95 более экологически чистое автомобильное топливо, чем используемые сегодня бензины АИ-80 или АИ-92.

Необходимо отметить, что показатель октанового числа автомобильного бензина является лишь количественной характеристикой устойчивости к детонации (самопроизвольному взрыву) топлив, применяемых в двигателях внутреннего сгорания. Октановое число нормируется для легких углеводородных топлив, имеющих температуру кипения от +300 °С до +230 0 °С, каковыми и являются бензины. Похожим показателем для средних углеводородных (дизельных и моторных) топлив, имеющих температуру кипения от +2500 °С до +360 0 °С, является цетановое число, отражающее способность данного вида горючего к самовоспламенению.

Октановое и цетановое числа светлых топлив характеризуют только способ распространения пламени (взрывной или равномерно непрерывный) при протекании цепной реакции горения, а не механизм или качество протекания этого процесса. В связи с чем показатели октанового числа бензинов и цетанового числа дизельных топлив не могут применяться для объективной оценки экологической чистоты указанных видов углеводородных горючих.

Возможно, эта оплошность допущена разработчиками данного Федерального закона по причине отсутствия консультантов – специалистов по топливоподготовке и топливоиспользованию.

Как оценивать экологическую чистоту

Содержание отдельных примесей и минеральных включений углеводородного топлива, отраженное их численными значениями в действующих нормативных документах, не может полностью характеризовать экологическую чистоту топлива. Однако для предварительной оценки экологической чистоты топлива можно использовать численные значения показателей химических элементов, содержащихся в горючей части топлива. Если топливо имеет большее содержание водорода (Н 2) или в составе его горючей части присутствует связанный кислород (О 2), например как у биологического топлива, то это горючее является более экологически чистым. Объективная же оценка экологической чистоты того или иного вида топлива может быть проведена только по результатам качественного и количественного анализов дымовых (выхлопных) газов в процессе его сжигания, а также анализа зольной части горючего после его сжигания. По своей значимости первостепенными являются, безусловно, результаты анализов дымовых, выхлопных и прочих газов, образующихся при сгорании топлива, поскольку именно они оказывают наибольшее негативное воздействие на окружающую природную среду и поражают значительные территории.

Очевидно, что для объективной оценки такого важного свойства топлива, как экологическая чистота, необходимо еще разработать критерий, то есть правило, по которому этот показатель изменяется. По мнению авторов, данный критерий должен представлять собой аддитивную свертку наиболее экологически опасных компонентов, например CO, CO 2 , H 2 S, NO x , N 2 , S 2 , S x O y , C x H y , сажа и т. д., количественное ранжирование которых в продуктах сгорания того или иного топлива может отражаться численным значением коэффициента значимости, соответствующего доле каждого компонента в составе дымовых газов. Представленный критерий является объективным, поскольку через качество протекания цепной реакции горения количественно отражает механизм формирования вредных выбросов. Численное значение показателя экологической чистоты топлива должно находиться в пределах от 0 до 1,0, при этом топливо является экологически чистым при показателе, близком к 0, а экологически опасным, соответственно, к 1,0.

Что за рубежом

В странах Западной Европы, Северной Америки и Японии экологические проблемы, связанные, в том числе, и с использованием углеводородных топлив, начали решать с начала 60‑х годов прошлого столетия. На начальном этапе улучшение экологической обстановки пытались добиться исключительно реализацией административных мер. А, именно, введением и ужесточением природоохранного законодательства, введением и повышением штрафов за загрязнение природной среды, ограничением количества и регламентацией времени работы источников загрязнения, в том числе и автотранспорта, запрещением использования тех или иных продуктов и т. д. и т. п. Однако попытка решения экологических проблем исключительно административными мерами потерпела неудачу.

И только через 30 лет, в середине 1990‑х годов представленные выше комплексные мероприятия, в том числе модернизация технологической базы нефтеперерабатывающих заводов и совершенствование автомобильных двигателей и их топливных систем, были реализованы, после чего на топливный рынок экономически развитых стран поступил в качестве товарного топлива высокооктановый бензин. Несмотря на позитивные тенденции качественного улучшения природной среды в развитых странах мира, проблема загрязнения, в том числе и продуктами сгорания углеводородного топлива, на сегодняшний день полностью не устранена и требует своего дальнейшего решения.

Вместо выводов

По мнению авторов, более экологически чистые продукты общественного труда должны быть дешевле своих менее экологически чистых аналогов. Это полностью относится и ко всем видам углеводородного горючего. Государство обязано взять на себя часть расходов, связанных с повышением экологической чистоты топлива, поскольку использование экологически опасных топлив приносит огромный ущерб флоре, фауне и здоровью граждан через нарушение качества их естественной среды обитания. В противном случае государство вынуждено будет нести дополнительные расходы на природоохранные мероприятия и здравоохранение, значительно превышающие прибыль от продаж экологически чистых топлив.

До сих пор мы рассматривали так назы­ваемые первичные энергоносители, но есть ещё и вторичный энергоноситель - водород, при горении которого получается вода, что и обусловило широко распространённое пред­ставление о водороде как экологически чи­стом топливе. В действительности дело обстоит существенно сложнее. Сам по себе водо­род и в самом деле относительно чист в эко­логическом плане. Правда, следует учесть, что при использовании водорода в качестве го­рючего для автомобилей в цилиндрах двига­теля развивается очень высокая температура, при которой начинает окисляться азот воз­духа, и поэтому в выхлопе присутствует не­большое количество оксидов азота.

Основные же экологические проблемы возникают ещё при получении водорода - ведь водород в чистом виде на Земле отсут­ствует, его надо синтезировать из воды или углеводородов. Отсюда следует, что для реализации красивой и заманчивой идеи под названием «водородная энергетика» водород следует получить, т. е. затратить энергию. Причём получить его экономически оправ­данным способом, чтобы стоимость энергетического эквивалента этого энергоносителя была соизмерима со стоимостью традицион­ных энергоносителей и того энергоносителя, что использовали для производства водорода.

Первая и главная задача водородной энер­гетики декларируется как замена водородом нефти, природного газа и угля. Но на сегод­няшний день мир не знает технологии, удо­влетворяющей всем требованиям этой гло­бальной задачи. Все известные сегодня спо­собы получения водорода далеки от совершенства: во-первых, они энергозатратны, во-вторых, получение водорода из углеводо­родов сопровождается выделением огромно­го количества диоксида углерода и других токсичных веществ. И если сейчас вклад угле­кислого газа в увеличение концентрации пар­никовых газов в атмосфере ещё относительно невелик и вызывает только беспокойство, то переход на водородное топливо, которое бу­дут получать, например, из метана, приведёт к увеличению выбросов углекислого газа в десятки раз.

Получение водорода электролизом воды с использованием традиционных источников энергии, естественно, приходится отвергнуть, поскольку в результате будет затрачено не­сколько больше энергии, чем получено при сжигании водорода. Поэтому ведутся интен­сивные исследования по разработке мате­риалов, расщепляющих воду под действием солнечного света. Параллельно проводятся работы, направленные на создание полупроводниковых фотоэлементов для превращения солнечной энергии в электричество, исполь­зуемое далее для электролиза воды. Перспек­тивы этих исследований пока неясны, но в случае их успеха речь пойдёт о создании новой отрасли промышленности со всеми вы­текающими отсюда последствиями. Экологические проблемы в водородной энергетике возникнут и при разработке ма­териалов для трубопроводного транспорта водорода - он взрывоопасен, обладает высо­кой диффузионной подвижностью (легко просачивается через обычные конструкцион­ные материалы), значит, потребуются мате­риалы и технологии нового поколения, кото­рые вряд ли будут экологически чистыми.

Пока далека от решения и задача хранения водорода. Департамент энергетики США сфор­мулировал требования к материалу, аккумулирующему водород: он должен содержать не менее 5,5% водорода по массе при комнатной температуре, процесс сорбции-десорбции во­дорода должен быть обратимым при темпера­туре не выше 120 °С, система должна быть безопасной и сохранять рабочее состояние не менее чем в течение 5000 разряд-зарядных циклов. Сегодня нет ни одного материала, даже приблизительно отвечающего этим тре­бованиям. Сорбенты, поглощение которыми водорода основано на физической адсорбции, не способны, в силу природы явления, при­близиться к этим требованиям, так как для них относительно высокое содержание адсорбата достижимо только при низкой температуре (77 К). Наоборот, для гидридов металлов и интерметаллидов при высоком содержании водорода требуются высокие же температуры для его выделения и связывания. Это не толь­ко усложняет технические решения при реа­лизации задачи, но и резко повышает опас­ность использования системы в целом.

Опять-таки можно надеяться, что со вре­менем задача хранения и аккумулирования водорода будет решена, но рассчитывать на полную экологическую безопасность разра­ботанных промышленных технологий не приходится.

Научно-технические проблемы водород­ной энергетики, по-видимому, будут преодо­лены, хотя на это потребуется, по разным прогнозам, от 10 до 50 лет, но экологические трудности в любом случае останутся. Поэто­му об экологической чистоте водородной энергетики говорить не приходится - водо­родная энергетика не является экологически чистой.

«Электромобили - экологически чи­стый транспорт».

Ещё один чрезвычайно живучий миф свя­зан с электромобилями: переход автомобиль­ного транспорта на электрическую тягу якобы обеспечит чистоту атмосферы. Для начала попробуем разобраться, что произойдёт, если сегодня значительную часть автомобильных двигателей внутреннего сгорания заменить электромоторами. Как известно, электромо­торы не дают никаких выбросов в атмосферу и к тому же имеют высокий КПД - выше 90%. К сожалению, в настоящее время единствен­ный источник энергии для автомобильных электромоторов - аккумуляторы. Их надо постоянно заряжать и, следовательно, ис­пользовать энергию, вырабатываемую дей­ствующими электростанциями. Но примерно 80% электричества вырабатывают тепловые электростанции (табл. 1), использующие в качестве топлива нефть, газ или уголь - эко­логически грязные виды топлива. Значит, выбросы двигателей будут заменены пример­но тем же объёмом выбросов электростанций, т. е. произойдет перенос экологических проблем из одного района в другой.

Тема урока: Экологическая характеристика видов топлива.

Цель: Сформировать понятие об экологической характеристике видов топлива.

Задачи: Образовательная- сформировать понятия о видах топлива, создать условия для анализирования преимуществ и недостатков различных альтернативных видов автомобильных топлив ;

Развивающая- развивать умения самостоятельно решать поставленные задачи, познавательный интерес, умение обобщать, анализировать, сравнивать, формировать ключевые компетенции ;

Воспитательная- формирование мотивов, потребностей и привычек экологически целесообразного поведения и деятельности; воспитание активности, увлеченности, целеустремленности, настойчивости, наблюдательности, волевых качеств, интуиции, сообразительности, самостоятельности.

Оборудование, наглядные пособия: презентация

Тип занятия: урок изучения нового материала

Методы занятия: словесный, наглядный, практический.

Ожидаемый результат: знание экологической характеристики видов топлива.

Ход занятия:

1.Организационно- психологический настрой

2.Актуализация знаний и умений:

Разминка:

Взаимовыгодное сожительство организмов Симбиоз .

Наука, изучающая взаимосвязи живых организмов между собой и окружающей средой Экология.

Организм, часто являющийся первым звеном в цепи питания Растение.

Воздушная оболочка Земли Атмосфера.

Группа особей одного вида, длительно обитающая на определенной территории, относительно обособленно от представителей этого же вида Популяция.

Сообщество живых организмов Биоценоз.

Организм, нападающий, убивающий и поедающий свою жертву Хищник.

Листья сосны. Хвоя

Искусственное насаждение вдоль дорог. Лесополоса

Сосновый лес. (Бор)

Плод дуба. (Желудь)

«Плач» березы весной. (Сокодвижение)

Защитный экран Земли. (Озоновый слой)

Токсичный туман. (Смог)

Совокупность условий, в которых живет организм. (Среда обитания)

Дубовый лес. (Дубрава)

Ядовитый металл, содержащийся в выхлопных газах автомобильного транспорта. (Свинец)

Дополнительные вопросы:

Отличие агроценоза от биоценоза

Что такое экосистема?

Что изучает аутэкология?

Способна ли атмосфера к самоочищению? Каким образом?

Законодательная база охраны ОС в РК

Составить цепи питания:

Цапля, лягушка, комар (Комар – лягушка – цапля)

Рыба, водоросли, медведь (Водоросли – рыба – медведь)

Пшеница – мышь полевка – сова (пшеница – мышь полевка – сова)

Заяц- трава-лиса (Трава – заяц – лиса) слайд 1

7.Распределить: сова, куница , лягушка, паук, прыткая ящерица , лягушка, бабочка, зеленые плоды, цветковые, кора, бактерии, листья и семена, грибы. слайд 2

Продуценты-

Консументы-

Редуценты-

3.Формирование новых знаний и умений:

Вопросы:

Какие компоненты содержаться в автомобильных выхлопных газах?

(Смесь примерно 200 веществ. В них содержатся углеводороды–не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива)

На каком виде топлива работает подавляющее большинство современных автомобилей? ( автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине или дизельном топливе, получаемых из нефти) .

3.В чем причина поиска замены традиционного топлива на альтернативные? ( резкое подорожание нефти в последнее время в сочетании с озабоченностью ростом вредных выбросов, которые производят автомобили, загрязняя атмосферу, привела к мысли правительства многих стран и автомобильные компании искать замену традиционному топливу)

4.Что такое цетановое число дизеля?

Цетановое число - характеристика воспламеняемости дизельного топлива, определяющая период задержки воспламенения смеси (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения).

5.Чем ниже содержание в топливе «вредных» ароматических углеводородов, тем цетановое число будет больше или меньше ( больше /выше ).

(цель, тема)

Человек успел за короткий срок сделать условия жизни на Земле невыносимыми. И только от него зависит, станет ли на Земле, лучше или хуже. Серьезную проблему представляет выброс в воздух загрязняющих веществ автотранспортом.

В последние годы в связи с ростом плотности движения автомобилей в городах резко увеличилось загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей. При горении углеводородного топлива происходит образование токсичных веществ, связанное с условиями горения, составом и состоянием смеси.

Подавляющее большинство автомобилей до сих пор - это автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине или дизельном топливе, получаемых из нефти.

Сейчас за один день нефти сжигается столько, сколько природа с помощью солнечной энергии способна выработать за тысячу лет. По прогнозам ученых запасов нефти в мире осталось немного. Сложившаяся ситуация не является тайной. Научно-исследовательские организации многих стран мира ищут адекватную замену топливу, получаемому при переработке нефти. Задача достаточно сложна, и единого решения до сих пор нет, хотя автомобили, работающие на альтернативных видах топлива, производили и успешно эксплуатировали не только в нынешнем веке, но и в XX, и даже в XIX веке. Однако резкое подорожание нефти в последнее время в сочетании с озабоченностью ростом вредных выбросов, которые производят автомобили, загрязняя атмосферу (особенно остро эта проблема стоит в крупных городах) привела к мысли правительства многих стран и автомобильные компании искать замену традиционному топливу

Задание: Расшифруйте А-95.

Задача достаточно сложна, и единого решения до сих пор нет, хотя автомобили, работающие на альтернативных видах топлива, производили и успешно эксплуатировали не только в нынешнем веке, но и в XX, и даже в XIX веке. Первая в мире газовая самобеглая повозка «Гиппомобиль» была создана Жаном-Этьеном Ленуаром еще в 1862. В нашей стране в 1930-х годах выпускали газогенераторные автомобили, которые «топили»... березовыми чурками, торфом или углем. Дрова термически разлагались при относительно низкой температуре, превращаясь в газ, который сгорал в цилиндрах двигателя. Широко известная немецкая авиакомпания «Дейче Эрбас» разрабатывает первый в мире аэробус, летающий на жидком водороде.

Задание: Заполнить таблицу « Сравнительные показатели различных видов топлив »

вид

Достоинства

Недостатки

газообразное

Более полное сгорание благодаря более качественному образованию смеси в цилиндрах,

Низкая токсичность продуктов сгорания,

Низкая стоимость и транспортировки газа

Низкий уровень шумового загрязнения атмосферы,

Невозможность хищения топлива обслуживающим персоналом,

Низкая стоимость переоборудования автомобиля.

высокая токсичность самого топлива

высокая взрывоопасность баллонов с газом при ДТП,

Электроэнергия

Экологическая безопасность (отсутствие выхлопных газов)

Простота конструкции

– низкая стоимость заправки

– низкий уровень шумового загрязнения

– лёгкость в управлении, надёжность

– эксплуатация электромобиля обходится дешевле, чем традиционной

– малый запас хода

– длительное время зарядки,

– проблема утилизации аккумуляторов

– отсутствие заряжающих станций

– большинство электростанций – тепловые, сжигающие топливо для получение электроэнергии, вредные компоненты.

Биотопливо

– имеет неограниченные запасы сырья (возобновляемость ресурса)

– меньшее количество вредных веществ в отработавших газах

– высокие смазочные характеристики, что продлевает срок жизни двигателя

– высокое цетановое число

Высокая температура воспламенения

Низкая стоимость

– большая вязкость биодизеля, что вызывает необходимость подогревать топливо при низких температурах для обеспечения приемлемой текучести,

Малый срок хранения – около 3х месяцев.

Спирт

– нейтрален как источник парниковых газов

– низкая стоимость

– повышает риск увеличения эмиссии летучих органических веществ, это приводит к уменьшению концентрации озона и усилению солнечной радиации,

– низкая, по сравнению с базовыми моделями мощность

Водород

– сгорает полнее

– высокая удельная теплота сгорания,

– отсутствие токсичных выхлопов

– можно получать буквально из всего: из природного газа, океанской воды, биомассы, воздуха

– обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси

– несовершенные технологии хранения водорода

– высокая себестоимость водорода,

– сложный процесс получения водорода в промышленных масштабах, в процессе которого выделяется все тот же СО,

– высокая стоимость водородной силовой установки и сложность ее обслуживания,

– взрывоопасность водородно-воздушной смеси – отсутствие развитой структуры водородных заправочных станций.

Просмотр видео

Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% "летит на ветер". К тому же камера сгорания автомобильного двигателя-это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже не винный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые оксиды азота.
Основными токсичными веществами, загрязняющими атмосферу, в отработанных газах двигателей с воспламенением от искры являются: оксид углерода, оксиды азота и углеводороды. Особое место занимают канцерогенные вещества, основным представителем которых в отработанных газах является бенз(а)пирен.

Вследствие глобального загрязнения окружающей среды свинцом, он стал вездесущим компонентом любой растительной и животной пищи и кормов. Растительные продукты в целом содержат больше свинца, чем животные.

Причина летнего листопада - высокое содержание свинца в воздухе. Но, концентрируя свинец, деревья тем самым очищают воздух. В течение вегетативного периода одно дерево обезвреживает соединения свинца, содержащиеся в 130 л бензина. Наименее восприимчивым к свинцу является клен, а наиболее восприимчивы орешник и ель.

Сторона деревьев, обращенная к автомобильным магистралям, на 30 – 60% «металличнее». Хвоя ели и сосны обладает свойствами хорошего фильтра по отношению к свинцу. Она его накапливает и не обменивает с окружающей средой. Растительность суши вовлекает в биологический круговорот ежедневно 70 – 80 тыс. т. свинца

Чтобы автомобиль с полным основанием можно было назвать экологически чистым, должно быть экологически чистым топливо. И газ отвечает этому требованию. Применение газа заметно снижает по сравнению с бензином суммарную токсичность отработавших газов. Более чем втрое уменьшается количество токсичной окиси углерода СО (угарный газ), в 1,6 раза - содержание канцерогенных углеводородов СН, состоящих из частиц несгоревшего топлива. Концентрация окиси азота NO и двуокиси NO2 образующихся в процессе горения смеси кислорода и азота (безвредный азот, попадая в камеру сгорания из атмосферы, превращается в ядовитое соединение - оксиды азота), при работе двигателя на газе снижается в 1,2 раза. Соединения же свинца и различные ароматические полимеры,содержащиеся в бензине и также являющиеся опасными канцерогенами, в газовом топливе совершенно отсутствуют.Дымность выхлопа при работе на газовом топливе втрое ниже, чем при работе на бензине.

Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование газа вместо бензина - вынужденная мера. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше. Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило, нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца. В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) - токсичное для человека вещество. И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов.Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления.
Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества - этил и этилен, а газовый двигатель - метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен. Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам, которые на химическом уровне разрушают детали камеры сгорания, каталитический нейтрализатор и лямбда зонд.

Вопрос: Какими же свойствами должно обладать идеальное топливо?

4.Закрепление изученного материала

Вопросы

Вид топлива используется в автомобилях. Дешевое, экологически чистое, по многим свойствам превосходите бензин, его использование не требует изменения конструкции автомобиля.

Вещество, из которого с помощью определённой реакции может быть получена тепловая энергия.

Итальянский физик, химик и физиолог; открыл метан при исследовании болотного газа. Его именем названа единица измерения электрического напряжения.

Сжатый природный газ (без цвета и запаха) является основным компонентом природного газа. Взрывоопасный, часто называют «болотным». Имеет высокую детонационную стойкость - его октановое число более 100 ед. При сгорании он практически не оставляет вредных продуктов.

Природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых др. органических соединений. Используется для получения из неё технически ценных продуктов, главным образом моторных топлив, растворителей, сырья для химической промышленности, её подвергают переработке.

Экологически чистое топливо, продуктом его сгорания является вода. Выделяет больше тепла, чем любой вид традиционного ископаемого топлива.

Спирт, может быть получен путем ферментации биомассы, содержащей крахмал, сахар либо целлюлозу. Используется как топливо, ДВС в чистом виде, в качестве растворителя и как наполнитель в спиртовых термометрах.

Масличная культура используется в качестве корма скоту, хорошее зеленое удобрение, великолепный медонос; масло этой культуры используется в кулинарии, в металлургии для закалки стали, как сырье для производства эластичных материалов и в производстве биотоплива.

Альтернативный источник энергии для автомобилей. Автомобили, работающие на этом источнике появились существенно раньше работающих на бензине, были широко распространены в конце 19 - начале 20 в. Они не шумящие и не дымящие, в отличие от бензиновых или паровых машин, пользовались популярностью у аристократии.

Органическое соединение, являющееся производным углеводородов и содержащее в молекуле одну или несколько OH (гидроксильных) групп. Образуется при брожении сахаристых веществ, при окислении предельных углеводородов. В последнее время его роль растет, как топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Вид топлива подходит под критерий доступность и низкая токсичность. На автотранспорте в настоящее время не используется.

Важнейшее свойство дизельного топлива, оценивается цетановым числом. По её показателю можно судить о количественном составе вредных компонентов СО и СН в выработанных газах дизеля.

Высококачественное полноценное топливо для автомобильных двигателей. Охлажденный до -160 °С природный газ. Его основные компоненты - пропан и бутан.

Горючая смесь лёгких углеводородов, предназначена для применения в качестве топлива для карбюраторных и инжекторных двигателей, а также при производстве парафина, чистке тканей. Получают путем разгонки и отбора фракций нефти.

Ответы

1

а

2

л

3

ь

4

т

5

е

6

р

7

н

8

а

9

т

10

и

11

в

12

н

13

ы

14

е

5.Домашнее задание дополнительный материал, привести примеры различных автомобилей, работающих на экологических видах топлива.

6.Итог урока (рефлексия, выставление оценок)

В настоящее время Корпорация Топливные Технологии осуществляет разработку всех видов топлив, в том числе разработку и выпуск высокооктанового топлива для гоночных моторов. Мы производим изучение новых принципов теории горения и осуществляем поиск возобновляемого сырья, что немаловажно с экологической точки зрения.

Нашей компанией выпускаются различные виды гоночного топлива и присадки дл серийных видов бензина, позволяющие существенно снизать вредные выбросы в атмосферу. Наши специалисты всегда подробно Вас проинформируют обо всех особенностях того или иного вида топлива, выпускаемого нашей компанией.

ТОТЕК - это топливно-информационные технологии, экология и экономия, корпорация созданная при непосредственном участии учеными, разработчиками ракетных и космических топлив. В работе нашей компании задействованы самые лучшие научно-технические разработки в области топливных технологий.

ТОТЕК - это поиск, разработка и внедрение в жизнь экологически чистых видов топлив и экологически чистых производств данного топлива, таких, как современные топливные технологии и прочее. Нефть - это отходы древней жизни, мы же можем превратить отходы современной жизни в новое топливо.

Газированные напитки могут стать экологически чистым топливом

Американские ученые создали батарейку, работающую на безалкогольных напитках в рамках проекта по разработке экологически чистого вида топлива.

Новое устройство, которое работает от почти любого вида сахара, может использоваться как портативное зарядное устройство для мобильных телефонов. Исследователи из университета Сент-Луис в Миссури полагают, что их изобретение может, в конечном счете, заменить литий в батарейках многих небольших электронных приборов, включая компьютеры.

Разлагаемая микроорганизмами жидкость содержит ферменты, которые преобразовывают топливо - в этом случае сахар - в электричество, оставляя воду как главный побочный продукт.

В ближайшей перспективе прогнозируется повышение роли угля в топливно-энергетическом балансе страны, что обусловлено его крупными запасами. Однако экологические ограничения (особенно после ратификации Киотского протокола) требуют разработки и внедрения новых экологически чистых угольных технологий, обеспечивающих высокую полноту использования топлива при максимально низкой вредной нагрузке на окружающую среду.

Применение суспензионного угольного топлива является реальной возможностью замены не только «грязного» угля и малоэффективных методов его сжигания в слоевых топках, но и дефицитных жидких и газообразных видов топлива.

Особенно остро стоит проблема в угольных регионах России, где вокруг угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий в гидроотвалах и отстойниках скапливается большое количество добываемого угля, представленного в виде тонкодисперсных угольных шламов. Указанная проблема решается, как правило, наиболее примитивным образом. Воды шахтного притока, технологические воды обогатительных фабрик с мелкими угольными частицами сбрасываются в поверхностные отстойники, которые периодически чистятся механо-гидравлическим способом, и повторно добытые угольные шламы либо сбрасываются в отработанные выработки шахт, либо в ближайшие овраги и водоемы. В отдельных случаях производится обезвоживание отходов флотации и их складирование на свободных площадях.

Перевод шламов в транспортабельное и технологически удобное суспензионное водоугольное топливо (ВУТ) позволит получить существенный экономический эффект и резко улучшить экологическую обстановку в регионах. При этом получаемое топливо и технологии его использования должны отвечать жестким требованиям современного рынка: экономическая конкурентоспособность и минимально возможное опасное экологическое воздействие на окружающую среду при его получении и использовании.

Учитывая, что в себестоимости вырабатываемой тепловой энергии стоимость топливной составляющей составляет от 40 до 70%, снижение стоимости топлива или его удельного расхода является важным фактором получения экономического эффекта.

Водоугольное топливо (ВУТ) представляет дисперсную систему, состоящую из тонкоизмельченного угля, воды и реагента-пластификатора: состав ВУТ: уголь (кл. 0-500 мкм) - 59-70%, вода - 29-40%, реагент-пластификатор - 1% температура воспламенения - 450-650°C; температура горения - 950-1050°С;

обладает всеми технологическими свойствами жидкого топлива: транспортируется в авто- и железнодорожных цистернах, по трубопроводам, в танкерах и наливных судах, хранится в закрытых резервуарах;

сохраняет свои свойства при длительном хранении и транспортировании;

взрыво- и пожаробезопасно.

Стратегическими целями при внедрении суспензионного угольного топлива являются:

минимизация затрат на реконструкцию существующих систем теплоэнергетики;

повышение экономической и экологической эффективности систем теплоэнергетики и создание экономической мотивации для отказа от использования топочного мазута, природного газа и угля со слоевым сжиганием;

повышение надежности и гарантированной работоспособности систем теплоэнергетики;

повышение энергобезопасности конечных потребителей.

С целью широкого внедрения экологически чистого водоугольного топлива, а также организации производства угольных брикетов и брикетных установок было подписано соглашение о сотрудничестве между НПЦ «Экотехника», «Сибэкотехника» (г. Новокузнецк) и Беловским заводом горношахтного оборудования (БЗГШО).

Были поставлены задачи - разработать и обеспечить по заказам предприятий производство модульных установок приготовления ВУТ на основе угля и угольных шламов и технологических комплексов по получению доступной тепловой и (или) электрической энергии при его сжигании. Одновременно, с учетом того, что на БЗГШО уже была создана брикетная установка по производству брикетного топлива из угля и угольных шламов, решаются задачи организации изготовления необходимого комплекса оборудования для комплектации модульных установок приготовления ВУТ, брикетных установок и технологических комплексов, поставки сопутствующего оборудования, сборки разработанных комплексов и обучения эксплуатационного персонала.

автотранспорт экологический загрязнитель топливо

На первом этапе на заводе смонтирован и запущен в эксплуатацию пилотный демонстрационный технологический комплекс по приготовлению ВУТ и его сжиганию.

В настоящее время суспензионное угольное топливо из угольных шламов гидродобычи готовится также на опытно-промышленной установке при котельной шахты «Тырганская». На совместное сжигание рядового угля и ВУТ переведен котел КЕ-10-14С. Излишки топлива отгружаются в котельную ОАО «Хлеб» (г. Новокузнецк), где на ВУТ переведен газомазутный котел КП-0,7. Полученный эксплуатационный опыт работы различных котлов на суспензионном топливе как в летнее, так и в зимнее время (при температуре до - 42°С) показал высокую эффективность использования нового вида жидкого топлива из угля.

Экологические преимущества ВУТ перед другими видами топлива были высоко оценены представительной комиссией при проведении в 2005 году Первого всероссийского конкурса русских экологических инноваций. Проект «Экологически чистая технология комплексной утилизации шламов и отходов флотации углеобогатительных фабрик методом сжигания суспензионного топлива», представленный ЗАО НПП «Сибэкотехника», занял первое место.

Внедрение в энергетику более эффективных и экологически чистых технологий сегодня является одной из приоритетных задач. Связано это как с необходимостью всемерной экономии энергоресурсов, так и с защитой окружающей среды - проблемой, которая еще более обострится в связи с ожидаемым сокращением подачи природного газа на электростанции России и возрастанием потребления ими угля. Этим вопросам были посвящены доклады, представленные на 5-й секции международной научно-практической конференции «Экология энергетики-2000».

Планируемое сокращение подачи газового топлива на электростанции России в ближайшие годы вынуждает энергетиков начать широкомасштабную работу по замене природного газа углем и другими видами твердого топлива, внедрению новых технологий, в том числе связанных с использованием возобновляемых источников энергии. Рост потребления угля на ТЭС, особенно при традиционных методах его сжигания, неизбежно повлечет за собой негативные экологические последствия; переход к возобновляемым источникам энергии потребует больших первоначальных затрат, хотя, как полагают специалисты, они могут достаточно быстро окупиться. При такой альтернативе представляют интерес разработанные отечественной наукой и техникой малозатратные методы и технологии для энергетики, а также мировой опыт в этих вопросах.

Доклады, представленные на конференции по указанной в заголовке статьи тематике, можно разделить на две группы:

• - посвященные технологиям получения, подготовки к сжиганию и собственно сжиганию топлив;
• - посвященные новым источникам энергии и методам ее преобразования.

Из докладов первой группы внимание участников секции привлек, в частности, доклад Е.А. Евтушенко и др. «Новая технология использования твердого топлива в энергетике» (Новосибирский государственный технический университет, «Новосибирск-энерго»). Авторами доклада предложена и испытана оригинальная технология приготовления и сжигания жидкого композита, состоящего из смеси угля и торфа. По этой технологии специально приготовленная суспензия угольной пыли в воде направляется в диспергатор-кавитатор, после которого смешивается с водной суспензией измельченного торфа, также предварительно обработанной в диспергаторе-кавитаторе. В обоих случаях содержание жидкой фазы в суспензиях должно быть не менее 15% по объему. При необходимости в полученную смесь можно также добавлять нефть или мазут. Таким образом, за счет вариации компонентов, интенсивности обработки каждого из них и композиции в целом получают экологически чистое жидкое топливо заданного качества. Оно может быть использовано и как основное топливо, и в качестве растопочного. Опыт сжигания композитного топлива оказался весьма успешным.

В докладе Г.Н. Делягина «Экологически чистое топливо ЭКОВУТ - путь резкого улучшения экологической ситуации в энергетике России» (ГУП «Научно-производственное объединение «Гидротурбопровод», Москва) предложено в эксплуатируемых ныне котлах ТЭС и котельных взамен природного газа использовать водоугольное топливо, создаваемое на основе угля, со свойствами, необходимыми потребителям. Топливо ЭКОВУТ - это дешевое, экологически чистое топливо, технология производства которого создана в последнее десятилетие в НПО «Гидротрубопровод». В процессе производства этого топлива, в результате механохимической активации его начальных компонентов, практически полностью разрушается структура угля как природной «горной» массы. Уголь распадается на отдельные органические и минеральные компоненты с высокой химической активностью поверхности, образующейся при такой обработке твердого топлива. Исходная вода, имеющая ассоциированную структуру, при производстве ЭКОВУТА также претерпевает ряд превращений, в результате чего образуется дисперсионная среда, насыщенная ионными компонентами. Таким образом, топливо ЭКОВУТ - это высокостабильное топливо, взрыво- и пожаробезопасное; при длительном его хранении в емкостях-хранилищах никогда не образуется плотного осадка.

При сжигании ЭКОВУТА в продуктах сгорания отсутствуют монооксид углерода, вторичные углеводороды, сажа и канцерогенные вещества; резко сокращается образование и выброс микронных твердых частиц, оксидов серы и оксидов азота. Уровень выбросов оксидов азота, как правило, не превышает 0,08-0,1 г/МДж, что составляет 50-60% от допустимого уровня. Цена топлива ЭКОВУТ существенно зависит от цены исходных сырьевых компонентов (угля, воды, химреагентов). Доля исходного угля (в расчете на 1 т у.т.) в стоимости топлива ЭКОВУТ составляет 40-60%. Итоговая стоимость (в расчете на 1 т у.т.) топлива ЭКОВУТ, готового к употреблению и не требующего какой-либо подготовки у потребителя, превышает цену исходного угля (также в расчете на 1 т у.т.) всего на 5-18%. По данным за 1999 г., при цене исходного каменного угля у потребителя, равной 300 руб./т (460 руб./т у. т.), цена топлива ЭКОВУТ составит от 290 до 325 руб. за 1 т (480-540 руб./т у.т.). Технология приготовления и сжигания ЭКОВУТА отработана на ряде ТЭС России, в том числе на Иркутской ТЭЦ-11, Семипалатинской ТЭЦ-2 и др. Способ сжигания топлива ЭКОВУТ в кипящем слое отработан на отопительном котле НР-18 котельной в п. Ульянино Московской области. Котел, работающий на топливе ЭКОВУТ, сдан в постоянную эксплуатацию.

Сжигание топлива в кипящем слое было рассмотрено в ряде докладов. Опыту сжигания углей и горючих отходов на экспериментальном промышленном котле УГТУ с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) было посвящено сообщение сотрудников Уральского государственного технического университета (УГТУ) А.П. Баскакова, С.В. Дюкина и др. Котел с ЦКС УГТУ тепловой мощностью 11,6 МВт рассчитан на сжигание в режиме ЦКС ряда видов углей: березовского Б-2, кузнецкого Т, буланашского Г, отходов обогащения богословского угля. Полученные при опытном сжигании данные были использованы при разработке проекта реконструкции котла КВТС-10. Разработан малогабаритный котел с кипящим слоем мощностью 1 МВт, специально предназначенный для установки в существующих слоевых котельных для дожигания шлака и уноса, выходящих из топки основного котла.

О проблемах экологической безопасности при сжигании низкосортных топлив и утилизации горючих отходов в топках с кипящим слоем говорилось в докладе сотрудников Уральского государственного технического университета Б.В. Берга и др. Приведены экспериментальные зависимости концентрации оксидов азота в дымовых газах от температуры кипящего слоя и коэффициента избытка воздуха при сжигании нерюнгринского и кизеловского каменных углей. Установлено, что концентрация оксидов азота в дымовых газах возрастает с увеличением температуры кипящего слоя. В то же время присутствие серы в топливе заметно снижает выход оксидов азота, так как одновременно с их образованием они расходуются на доокисление оксидов серы:

• 2NO + 2SO2 = N2 + 2SO3;
• 2NO + SO2 = N2O + 2SO3.

Использование технологии низкотемпературного кипящего слоя позволяет в значительной степени решить проблему снижения выбросов оксидов серы в атмосферу. Для этого в кипящий слой вводят соответствующие присадки (известняк или доломит), связывающие серу в сульфат по реакциям:

CaCO3 = CaO + CO2; CaO + SO2 + 0,5O2 = СaSO4.

Были рассмотрены возможности с помощью кипящего слоя подавить образование диоксинов. Средние выбросы диоксинов от тепловых электростанций, по данным авторов, составляют 2,5 нг/м3, что в 2,5 раза выше допустимых. Однако необходимо отметить, что по общим объемам выбросов диоксинов тепловые электростанции стоят на четвертом месте среди различных источников (устройств индивидуального отопления, старых мусоросжигательных установок и автотранспорта) и доля их составляет 0,13% (без учета энергопредприятий, сжигающих различные отходы). По мнению авторов доклада, низкий уровень содержания диоксинов в продуктах сгорания можно получить при одноступенчатом сжигании топлива (и отходов) в топках с кипящим слоем, но для этого необходимо обеспечить такой режим, при котором увеличилось бы время пребывания продуктов горения в пределах слоя.

Новая технология сжигания углей с высокотемпературным предварительным подогревом угольной пыли, разработанная в Сибирском теплотехническом научно-исследовательском институте (ОАО «СибВТИ»), была представлена в докладе В.В. Белого и др. По этой технологии достигается снижение выбросов оксидов азота за счет предварительного подогрева угольной пыли до 850 град. С в условиях восстановительной среды, когда азот переходит в свободное состояние (N2), с последующим ступенчатым сжиганием горячей угольной пыли. На основании полученных опытных данных спроектирован опытно-промышленный котлоагрегат на Минусинской ТЭЦ, который должен иметь следующие показатели по выбросам (мг/нм3): оксиды азота - до 200, оксиды серы - до 300, зола - до 50, т.е. укладываться и в старые, и в новые нормы, а также соответствовать лучшим международным стандартам. Опытно-промышленный котлоагрегат Минусинской ТЭЦ предназначен для отработки и демонстрации данной новой технологии сжигания топлива и очистки газов. При успешном его освоении предложенная технология может получить широкое распространение на тепловых электростанциях.

Об экологически чистой ТЭС с каталитическим сжиганием газового топлива шла речь в докладе А.И. Поливоды и др. (МЭИ, УТЕХ). В ЭНИН и в МЭИ выполнен большой объем научно-исследовательских работ, направленных на разработку экологически чистой каталитической теплоэлектростанции (КТЭС), обеспечивающей полное исключение выбросов вредных веществ в воздушный бассейн благодаря сжиганию топлива в присутствии катализатора. Применение катализаторов позволяет проводить беспламенное глубокое окисление топлива при температурах в реакторе в пределах 600-800 град. С.

Каталитические реакторы можно подразделить на два типа: первый - с фиксированным катализатором и теплопередачей к рабочему телу посредством инфракрасного излучения и второй - с псевдоожиженным кипящим слоем. Фиксированные катализаторы применяют преимущественно для топливно-воздушных смесей, содержащих газовое и парообразное топливо. В реакторах с псевдоожиженным кипящим слоем окисление газообразного или жидкого топлива происходит кислородом воздуха во взвешенной массе гранул диаметром 2-4 мм. В качестве материала гранул применяют гамма-оксид алюминия. В настоящее время ведутся опытно-конструкторские работы по сооружению первой экспериментальной КТЭС мощностью 2 МВт для электротеплоснабжения автономного микрорайона Куркино в Москве. Применение каталитических электростанций вместо низкоэффективных старых котельных позволит значительно улучшить экологическую обстановку в городе.

Вторая группа докладов, относящаяся к тематике «Экологически чистые технологии при использовании возобновляемых источников энергии» - охватывала: геотермальные энергетические технологии (доклад О.В. Бритвина, О.А. Поварова и др. от РАО «ЕЭС России», НУЦ «Гео» МЭИ, АО «Геотерм»); совместное скоординированное использование солнечной и геотермальной энергии (Г. Эрдманн и Я. Хинрихсен - Берлинский технический университет); использование тепловых насосов для теплоснабжения автономных потребителей (Г.В. Ноздренко и др. - НГТУ, ОАО «Новосибирскэнерго»).

На данной секции конференции были сделаны доклады и сообщения также по ряду других вопросов и проблем, связанных с экологией энергетики, в том числе по совершенствованию энергетических вихревых горелок (Б.В. Берг и др. - УГТУ); охране окружающей среды при транспортировке и хранении твердого топлива на тепловых электростанциях (В.В. Демкин и В.И. Казаков - РАО «ЕЭС России» и УралВТИ); способам утилизации энергии транспортируемого природного газа без выбросов вредных веществ в окружающую среду (В.С. Агабабов и др. - МЭИ, ТЭЦ-21 «Мосэнерго», Мосэнергопроект); оценке эффективности технологических природоохранных мероприятий для газомазутных котлов (Л.Е. Егоров и др. - МЭИ); альтернативным системам хранения природного газа в абсорбированном состоянии (Л.Л. Васильев и др. - Институт тепломассообмена им. Лыкова); совершенствованию методов эксплуатационного контроля технического состояния оборудования турбоустановок для снижения пережога топлива и вредных выбросов ТЭС (Е.В. Дорохов и др. - МЭИ).

Одна из шеффилдских автоконструкторских фирм занялась разработкой новой экономичной и экологически чистой топливной системы для автомобилей, работающей на водороде. Представители компании ITM Power утверждают, что по окончании разработок водородное топливо впервые можно будет воспроизводить в домашних условиях.

По официальному заявлению компании, новый вид топлива может использоваться в транспортных средствах с бензиновым двигателем для поездок на расстояния до 25 миль. Причем, для более длинных поездок предусмотрена возможность обратного переключения на бензиновый вариант. Первый опытный образец был сконструирован на базе Ford Focus.

Разработчики компании ITM Power говорят, что до сих пор единственным фактором, препятствующим более широкому распространению таких автомобилей, была стоимость оборудования, преобразующего воду, платину и электричество в водород.

В настоящее время в мире существуют единицы авто, работающих на водородном топливе. Также невелико и количество автозаправочных станций, способных обслуживать такие машины. Кроме того, существующие сейчас транспортные средства работают на жидком водороде, который трудно хранить. В качестве альтернативы приходится использовать готовые взаимозаменяемые топливные элементы или электродвигатели.

Прототип компании ITM Power на базе Ford Focus буде снабжен топливной системой, позволяющей сжигать водород в обычном бензиновом двигателе.

Специалистам из ITM Power потребовалось восемь лет, чтобы разработать новый, относительно дешевый способ получения водорода. Их запатентованная станция дозаправки использует уникальный дешевый материал, который позволяет снизить потребности в платине, а затраты на его производство составляют примерно 1% от стоимости традиционной, ранее используемой технологии.

Новая система позволит получать водород в домашних условиях. Ожидается, что в случае производства такой станции на конвейере, ее стоимость будет равносильна покупке обычного котла для нагрева воды. Также предполагается, что как только новая технология получит широкое распространение, водородный эквивалент бензина будет стоить примерно 80 центов.

Основным элементом системы будет так называемый "электролизер", который и будет преобразовывать воду и электричество в чистый водород и кислород. Для того, чтобы сделать производство полностью экологически безопасным, предлагается получать электричество, используя энергию ветра, приливов и отливов, солнца, а также посредством гидроэлектростанций.

Специалисты разных стран ведут исследования в области применения новых видов топлива и источников энергии на автомобильных транспортах. Это связано со значительным ростом численности автотранспортных средств и все большим загрязнением окружающей среды окружающей среды.

К наиболее эффективным и перспективным видам моторного топлива следует отнести природный газ, водород, пропан-бутановую смесь, метанол и др.

Перспективное автомобильное топливо -- это любой химический источник энергии, использование которого в традиционных или разрабатываемых автомобильных двигателях позволяет в какой-то степени решить энергетическую проблему и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Исходя из этого формулируются пять основных условий перспективности новых источников энергии:

наличие достаточных энергосырьевых ресурсов;

возможность массового производства;

технологическая и энергетическая совместимость с транспортными силовыми установками;

приемлемые токсичные и экономические показателипроцесса использования энергии;

безопасность и безвредность эксплуатации.

Существует несколько различных классификаций перспективных автомобильных топлив. Большой практический интерес представляет энергетическая классификация, в основу которой положена калорийность традиционного жидкого углеродного топлива.

У традиционного жидкого углеводородного топлива самая высокая энергоплотность, поэтому автомобиль, работающий на нем, имеет небольшие размеры и массу топливного бака и топливной аппаратуры и не требует сложной системы заправки и хранения топлива. Углеводородные газы и водород обладают более высокой массовой энергоемкостью, но из-за малой плотности у них значительно худшие объемные энергетические показатели. Поэтому использование этих топлив возможно только в сжатом или сжиженном состоянии, что в ряде случаев значительно усложняет конструкцию автомобиля.

Водородное топливо. Большие надежды возлагаются на водородное топливо как на топливо будущего. Обусловлено это его высокими энергетическими показателями, отсутствием большинства токсичных веществ в продуктах сгорания и практически неограниченной сырьевой базой. Именно с водородом связывают перспективное развитие энергетики.

По массовой энергоемкости водород превосходит углеводородные топлива примерно в 3 раза; спирты -- в 5--6 раз. Но из-за очень малой плотности его энергоплотность низка. Водород обладает рядом свойств, сильно затрудняющих его использование: сжижается при 24К; обладает высокой диффузионной способностью; предъявляет повышенные требования к контактирующим материалам, взрывоопасен. Однако несмотря на это, ученые многих стран ведут работы по созданию автомобилей, работающих на водородном топливе. Многочисленные схемы возможного его применения в автомобиле делятся на две группы: водород как основное топливо и как добавки к современным моторным топливам. Основной трудностью при использовании водорода в сжиженном состоянии является его низкая температура. Обычно жидкий водород транспортируется в криогенных резервуарах с двойными стенками, пространство между которыми заполнено изоляцией. Для безопасной эксплуатации жидкого водорода необходимы полная герметизация топливоподающей системы и обеспечение сброса избыточного давления.

Водородная технология, водородная энергетика -- о них говорят все настойчивее по той причине, что этот химический элемент -- основа единственного известного сегодня топлива, не образующего при сгорании пресловутого угарного газа и потому экологически наименее вредного. К тому же запасы его в природе практически неисчерпаемы. Вот почему уже много лет предпринимаются попытки использовать водород для двигателей внутреннего сгорания. В этом направлении еще в 30-е годы работали Московский автомеханический институт, МГТУ имени Баумана и ряд других институтов.

Во время Великой Отечественной войны идею водородного топлива практически применили для автомобилей в войсках противовоздушной обороны на Ленинградском фронте.

В послевоенные годы академик Е. А. Чудаков и профессор И. Л. Варшавский использовали водород для питания одноцилиндрового двигателя в Автомобильной лаборатории АН СССР. Занимались этой проблемой академик В. В. Струминский и другие исследователи. Однако эксперименты тогда не получили широкого размаха. Они стали более актуальными и возобновились позднее. Только в США к 1976г. по этой теме вели исследования 15 экспериментально-конструкторских групп, которые создали 42 разновидности «водородных» двигателей. Аналогичные поиски развернуты учеными ФРГ и Японии.

Столь большой интерес к водороду как к топливу объясняется не только его преимуществами экологического характера, но и физико-химическими свойствами: теплота сгорания у него втрое выше, чем у нефтепродуктов, воспламеняемость смеси с воздухом имеет широкие пределы, водород обладает высокой скоростью распространения пламени и низкой энергией воспламенения -- в 10--12 раз ниже, чем бензин.

В нашей стране обширные работы по использованию водорода для автомобильных двигателей активно ведут многие научные центры.

Метод получения этого химического элемента с применением так называемых энергоаккумулирующих веществ детально разработан Институтом проблем машиностроения АН Украины, который проводит также фундаментальные исследования процессов сгорания водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесей, разрабатывает принципиальные схемы силовой установки автомобиля при различных методах хранения нового горючего на борту.

Водород как моторное топливо имеет некоторые особенности, обусловленные его свойствами. Широкие пределы воспламеняемости позволяют лучше регулировать протекание рабочего процесса двигателя. В результате удается повысить экономичность при частичных нагрузках -- режиме, в котором автомобильный двигатель «живет» довольно долго. Теплотворность однородной смеси водорода с воздухом ниже, чем у бензина. Поэтому мощность двигателя на водороде в большей степени, чем при использовании бензина, зависит от способа смесеобразования.

Исследования детонационной стойкости бензоводородовоздушных и водородовоздушных смесей показали, что их склонность к детонации в значительной степени зависит от коэффициента избытка воздуха. И в этом отношении при использовании водорода в качестве топлива выявлены иные закономерности, чем для бензина. Изучение работы двигателей на водородовоздушных и бензоводородовоздушных смесях показало высокую стабильность рабочего процесса. Сравнивая пределы изменения оптимального угла опережения зажигания при работе на водороде и бензине, можно заметить, что в первом случае он существенно зависит от коэффициента избытка воздуха. При обогащении смеси наивыгоднейший угол опережения зажигания значительно уменьшается. Поэтому при работе на водороде двигателю нужны иные регулировки этого параметра.

Наконец, при сгорании водорода отработавшие газы не содержат таких вредных компонентов, как СО, углеводороды, РЬО. Остается только один токсичный компонент в выхлопе -- NО (и то в меньших количествах, чем при работе на бензине). При использовании водорода в качестве добавки содержание вредных компонентов резко сокращается благодаря полноте сгорания. Кроме того, уменьшается необходимость использования вредных антидетонационных свинцовых присадок к бензинам.

Эксперименты показали, что двигатели внутреннего сгорания могут с успехом работать как на чистом водороде, так и на смеси его с парами бензина. Любопытно, что уже 10-процентная добавка (от массы расходуемого топлива) водорода может оказать существенное влияние, снижая токсичность отработавших газов и улучшая экономические показатели. Она намного расширяет пределы воспламеняемости смеси, что создает условия для эффективного регулирования процесса сгорания. Практически это означает возможность устойчивой работы на очень бедных бензоводородовоздушных смесях с большим коэффициентом избытка воздуха, чем обеспечивается значительная экономия бензина. Учитывая то обстоятельство, что двигатель в городских условиях до 30% времени работает на холостом ходу или режимах неполной нагрузки, можно представить себе, какие экономические выгоды несет использование водорода. А работа двигателя при высоких коэффициентах избытка воздуха сопровождается почти полным сгоранием смеси, и, следовательно, в отработавших газах нет токсичных компонентов. В Институте проблем машиностроения АН Украины уже разработаны автомобильные силовые установки, действующие на водородном топливе. Для них водород получают из воды (с применением энергоаккумулирующих веществ, в основе которых лежат окислы металлов), а также из гидридов -- веществ, способных при охлаждении поглощать водород, а при нагревании -- отдавать его.

Связывать водород гидридами необходимо в интересах безопасности, так как при утечках из баллонов он образует, смешиваясь с воздухом, взрывчатую смесь, которая легко воспламеняется (вспомните частые аварии дирижаблей с емкостями, заполненными водородом). Но важнее тот факт, что гидриды являются более рациональным методом хранения водорода на борту автомобиля по объемным показателям.

Общая схема силовой установки топлива: водородное топливо, получаемое в результате взаимодействия энергоаккумулирующих веществ с водой, подается системой питания в двигатель. Мощность двигателя регулируется компонентами, подаваемыми в реактор для освобождения связанного водорода.

Силовая установка может быть выполнена как по открытому, так и закрытому циклу. В первом случае на борту автомобиля размещаются только емкости для энергоаккумулирующих веществ и воды, а продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. При замкнутом цикле дополнительно вводятся теплообменник и конденсатор, позволяющие использовать пары воды из выхлопных газов. Поступающая в реактор с энергоаккумулирующими веществами вода снова служит источником для получения водорода. Так при замкнутом цикле «носителем» топлива служит вода, а энергией -- энергоаккумулирующие вещества. Водородное топливо при обоих циклах может использоваться в чистом виде или в качестве добавок (5--10% по массе). В последнем случае на машине сохраняется система питания бензином. «Извлечение» водорода из воды происходит в реакторе, содержащем энергоаккумулирующие вещества. Наиболее простым является реактор постоянного действия, в котором давление поддерживается регулировкой подачи компонентов в зону реакции.

Процесс получения в нем топлива происходит не мгновенно, т. е. он обладает некой инерцией. Выделяющийся в реакторе водород поэтому должен поступать к мотору через редуктор-регулятор, поддерживающий оптимальное давление перед форсунками подачи.

По разработанным методикам для испытаний с применением энергоаккумулирующих веществ на основе оксидов металлов, а также с использованием гидридов были апробированы серийные легковые автомобили «Москвич» и «ВАЗ».

Первый эксперимент (применение энергоаккумулирующих веществ -- автомобиль «Москвич») -- система питания бензином оставлена без изменения. На машине смонтированы два реактора 1, обеспечивающие получение водорода из воды, и редуктор 5, предназначенный для дозирования подачи топлива на разных режимах работы двигателя.

Реакторы периодического действия имеют постоянную загрузку энергоаккумулирующих веществ на основе кремния или алюминия с регулируемой подачей воды. Насосы высокого давления 4, приводимые электродвигателем, подают воду из бака через подогреватель и фильтр к реактору, где ее распыляют форсунки. В водяной системе установлены обратные клапаны, предотвращающие проникновение туда водорода при прекращении подачи воды. Кроме того, в ней предусмотрен кран 3, который переключает подачу воды с одного реактора на другой. Все агрегаты этой экспериментальной установки смонтированы на общей раме и помещены в багажнике.

Установка с применением энергоаккумулирующих веществ для питания двигателя водородом: 1 -- реакторы периодического действия; 2 -- бак для воды; 3 -- кран подачи воды в реактор; 4 -- блок насосов с электроприводом; 5 -- редуктор в системе подачи водорода

Водород от реакторов поступает к крану, установленному на приборной панели, которым водитель соединяет работающий реактор 1 с системой подачи водорода. Последняя состоит из понижающего редуктора, влагоотделителя, газового счетчика и редуктора регулирования подачи водорода (управляется специальной педалью). Топливо вводится во впускной трубопровод, непосредственно перед впускным клапаном.

Для работы на водороде, получаемом из гидридов, система питания бензином также сохранена и дополнительно установлена система хранения и подачи водорода (автомобиль «ВАЗ»). Она состоит из гидридного бака 1, нагреваемого отработавшими газами, редуктора со всережимным вакуумным регулятором 9 расхода водорода и смесителя 8, сделанного на базе серийного карбюратора. Скорость выделения водорода гидридом система регулирует автоматически (блок управления 10, реле давления 2, заслонка с электромагнитным приводом 7 на выпускной трубе), поддерживает постоянным, независимо от режима двигателя, давление водорода в системе. Гидридный бак при зарядке охлаждается водой.

Установка с применением гидридов: 1 -- гидридный бак; 2 -- реле давления; 3 -- вентиль заправки; 4 -- выхлопной патрубок гидридного бака; 5 -- глушитель; 6 -- бензиновый бак; 7 -- электромагнитный привод заслонки; 8 -- смеситель; 9 -- регупятор давления и расхода водорода; 10 -- блок электронного управления

Применение водорода в качестве дополнительного топлива для карбюраторных двигателей открывает возможность принципиально нового подхода к организации рабочего процесса. При минимальной модификации двигателя, касающейся в основном системы питания, можно достичь значительного повышения его топливной экономичности (эксплуатационный расход бензина снижается на 35--40%) и уменьшить токсичность отработавших газов.

Таблица 13 Токсичность отработавших газов,

Водотопливные эмульсии. Применение воды в рабочем процессе двигателя внутреннего сгорания не является новинкой последних лет. Впрыск воды использовался для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания на низкооктановых топливах еще в 30-е годы.

Сейчас основное внимание при использовании воды в качестве добавки к топливу уделяется возможности повышения экономичности и снижения токсичности отработавших газов автомобиля.

Водотопливные эмульсии -- это жидкое топливо с мельчайшими каплями равномерно распределенной по объему топлива воды. Эмульсия приготовляется непосредственно на автомобиле. Для предотвращения расслоения эмульсии в топливо добавляется эмульгатор в количестве 0,2--0,5%. Содержание воды в водотопливной эмульсии может достигать 30--40%.

Применение водотопливных эмульсий возможно как в карбюраторном, так и дизельном двигателе. Но в карбюраторном двигателе применение водотопливных эмульсий в ряде случаев приводит к ухудшению некоторых показателей (в частности, топливной экономичности), отказам при полном открытии дроссельной заслонки, перебоям при движении с низкой скоростью. Наилучшие результаты дает использование водотопливных эмульсий на дизельных двигателях. Подача в камеру сгорания воды обеспечивает дополнительное распыление топлива за счет дробления перегретыми парами воды. Удельный расход топлива при этом снижается на 4--10%.

Добавка воды к топливу позволяет снизить содержание некоторых токсичных веществ в отработавших газах за счет уменьшения максимальных температур в камере сгорания, величина которых определяет количество NОх. При применении водотопливных эмульсий количество NOх может снизиться на 40-- 50%. Снижается также дымность отработавших газов, так как сажа при наличии паров воды взаимодействует с ними с образованием углекислого газа и азота. Выделение СО остается практически неизменным по сравнению с работой двигателя внутреннего сгорания на топливе без добавки воды, а выделение СпНш несколько увеличивается. Этот вид топлива пока не нашел широкого применения на автомобильном транспорте, поскольку усложняется конструкция автомобиля, возникает ряд проблем при эксплуатации в зимний период, недостаточно изучено влияние воды на условия работы и долговечность двигателя внутреннего сгорания.

Синтетические спирты. В качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания автомобилей нашли применение метанол и этанол как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных смесей.

Наибольшее распространение автомобили, работающие на спиртовом топливе, получили в Бразилии, которая ввозит 80--85% нефтепродуктов, расплачиваясь за них валютой. Расходы на горючее растут из года в год и исчисляются миллиардами долларов. Поэтому в стране с энтузиазмом был встречен объявленный президентом в 1975г. проект «алкоголизации транспорта». Топливные баки бразильских автомобилей заправляются смесью спирта и бензина в пропорции 1:4.

Со временем предполагается перевести весь автопарк на использование этилового спирта вместо бензина. Спирт получают из сахарного тростника (Бразилия -- крупнейший в мире производитель этой культуры). Возможно получение до 80 т биомассы с 1га в год. Плантаций, занимающих 2% территории страны, будет достаточно, чтобы обеспечить потребность в новом горючем.

По расчетам специалистов 1л спирта обходится на 30-- 35 % дешевле бензина.

Мексика, вторая по численности населения страна Латинской Америки, готова последовать бразильскому примеру. В США также проявляется интерес к производству топливного спирта из древесных, сельскохозяйственных и иных отходов.

С энергетической точки зрения преимущество спиртовых топлив заключается в высоком КПД рабочего процесса и высокой антидетонационной стойкости топлива, но теплота сгорания спиртов примерно вдвое ниже, чем у бензинов. Низкая энергоемкость спиртов ведет к увеличению удельного расхода топлива.

Использование спиртов требует сравнительно небольшого изменения конструкции автомобиля. Основные мероприятия сводятся к увеличению объема топливных баков и установке устройств, обеспечивающих стабильный пуск двигателя в любую погоду. Требуется также замена некоторых металлов и прокладочных материалов, в частности облицовка пластмассой метанольного бака. Это связано с высокой коррозийной активностью спиртов и необходимостью более тщательной герметизации топливоподающей системы, поскольку метанол является нервно-сосудистым ядом. Применение бензометанольной смеси выдвигает ряд других специфических требований. В частности, ужесточаются требования к давлению насыщенных паров бензина, поскольку даже с 5 %-ной добавкой метанола оно значительно увеличивается. Чтобы избежать расслоения смеси, при ее хранении, транспортировке и применении необходимо соблюдать определенную температуру и не допускать попадания в нее воды. Некоторые синтетические материалы, используемые в системах подачи топлива и в автомобильных системах питания, оказались нестойкими к бензометанольной смеси. При переводе автомобиля с бензина на бензометанольную смесь пришлось изменить пропускную способность жиклеров, при этом несколько увеличился общий расход топлива. Вместе с тем установлено, что смесь с содержанием метанола до 15 % не ухудшает основных технико-эксплуатационных показателей грузовых автомобилей. Высокие антидетонационные показатели спиртов позволяют повышать степень сжатия двигателя внутреннего сгорания до 14--15 единиц.

Использование спиртовых топлив снижает содержание токсичных веществ в отработавших газах, что объясняется более низкой температурой горения спиртового топлива.

С начала 70-х годов, когда резко обострилась энергоэкологическая ситуация, практически все промышленно развитые страны развернули широкий поиск альтернативных энергоносителей, способных заменить бензин и дизельное топливо. Среди альтернативных топлив особое внимание уделяется водороду: его использование для двигателей внутреннего сгорания позволяет решить как сырьевую, так и экологическую проблемы, причем сделать это без коренной перестройки технической базы современного двигателестроения. В частности, исследования показали, что применение водорода в качестве основного или дополнительного топлива для двигателей с принудительным воспламенением заряда повышает их топливную экономичность на 30--40% и резко снижает токсичность отработавших газов, так как моторные свойства позволяют двигателям работать на бедных смесях при качественном регулировании мощности. За рубежом работы по созданию автомобильных «водородных» двигателей внутреннего сгорания ведутся передовыми развитыми странами уже давно и довольно успешно. В частности, автомобильная компания «Даймлер--Бенц» (Германия) изготавливала легковые автомобили и микроавтобусы на базе серийных моделей, двигатели которых питаются как бензином с добавкой водорода, так и «чистым» водородом. Из трех приемлемых для автотранспортных средств способов аккумулирования водорода -- в сжатом до 20 МПа, сжиженном при температуре 20К или химически связанном в металлогидридах состоянии -- на экспериментальных автомобилях фирмы «Даймлер--Бенц» применялся последний.