Об улучшении экологических характеристик топлива

Определяющее влияние транспорта на состояние окружающей среды требует особого внимания к при­менению новых экологически чистых видов топлива. К ним относится, прежде все­го, сжиженный или сжатый газ.

В мировой практике в качестве моторного топлива наиболее широко используется сжатый природный газ, содержащий не менее 85 % метана.

В меньшей степени распространено применение по­путного нефтяного газа; представляющего собой смесь, в основном — пропана и бутана. Эта смесь может нахо­диться в жидком состоянии при обычных температу­рах под давлением до 1,6 МПа. Для замещения 1 л бензина требуется 1,3 л сжиженного нефтяного газа, а экономическая эффективность его по эквивалентным затратам на топливо в 1,7 раз ниже, чем у сжатого газа. Следует отметить, что природный газ, в отличие от не­фтяного газа, не токсичен.

Анализ показывает, что применение газа сокращает выбросы: окислов углерода — в 3—4 раза; окислов азо­та — в 1,5—2 раза; углеводородов (не считая метана) — в 3—5 раз; частиц сажи и двуокиси серы (дымность) дизельных двигателей — в 4—6 раз.

При работе на природном газе с коэффициентом из­бытка воздуха а=1,1 выбросы ПАУ, образующихся в двигателе при сгорании топлива и смазочного масла (включая бенз(а)пирен), составляют 10 % от выбросов при работе на бензине. Двигатели, работающие на природном газе, уже сейчас удовлетворяют всем современ­ным нормам по содержанию газообразных и твердых составляющих в выхлопных газах.

Содержание токсичных компонентов в выхлопных газах ДВС, %

Особо следует остановиться на выбросах углеводоро­дов, которые претерпевают в атмосфере фотохимичес­кое окисление под действием ультрафиолетового облу­чения (ускоряющееся в присутствии NO_x). Продукты этих окислительных реакций образуют так называемый смог. В бензиновых двигателях основное количество уг­леводородных выбросов приходится на этан и этилен, а в газовых — на метан. Это связано с тем, что эта часть выбросов бензиновых двигателей образуется в резуль­тате крекинга паров бензина в несгорающей части сме­си при высоких температурах, а в газовых двигателях несгорающий метан никаким преобразованиям не под­вергается.

Легче всего под воздействием ультрафиолетового облучения окисляются непредельные углеводороды, такие, как этилен. Предельные углеводороды, вклю­чая метан, более стабильны, т.к. требуют для фотохимической реакции более жесткого (коротковолнового) излучения. В спектре солнечного излучения составля­ющая, инициирующая окисление метана, имеет столь малую интенсивность по сравнению с инициаторами окисления других углеводородов, что практически окис­ление метана не происходит. Поэтому в ограничитель­ных стандартах автомобильных выбросов ряда стран углеводороды учитывают без метана, хотя пересчет ве­дется на метан.

Таким образом, несмотря на то, что сумма углево­дородов в выхлопных газах двигателей, использую­щих газомоторное топливо, оказывается такой же, как и у бензиновых двигателей, а в газодизеле часто и выше, эффект загрязнения воздушного бассейна этими ком­понентами при газовом топливе в несколько раз мень­ше, чем при жидком.

Важно также иметь в виду, что при применении газового топ­лива увеличивается моторесуры двигателя — в 1,4— 1,8 раза; срок службы свечей зажигания — в 4 раза и моторного масла — в 1,5—1,8 раза; межремонтный пробег — в 1,5—2 раза. При этом снижаются уровень шума на 3—8 дБ и время заправки. Все это обеспечива­ет быструю окупаемость затрат на перевод транспорта на газомоторное топливо.

Внимание специалистов привлекают вопросы безо­пасности использования газомоторного топлива. В це­лом взрывоопасная смесь газовых топлив с воздухом образуется при концентрациях, в 1,9—4,5 раза. Однако определенную опасность представляют утеч­ки газа через неплотность соединений. В этом отноше­нии наиболее опасен сжиженный нефтяной газ, т.к. плотность его паров больше, чем воздуха, а для сжато­го — меньше (соответственно, 3:1,5:0,5). Следователь­но, утечки сжатого газа после выхода из неплотностей поднимаются вверх и улетучиваются, а сжиженного — образуют местные скопления и, подобно жидким неф­тепродуктам, «разливаются», что при возгорании уве­личивает очаг пожара.

Кроме сжиженного или сжатого газа многие специ­алисты предрекают большое будущее жидкому водоро­ду, как практически идеальному, с экологической точ­ки зрения, моторному топливу. Еще несколько десяти­летий назад применение жидкого водорода в качестве горючего казалось достаточно отдаленным. К тому же трагическая гибель в канун второй мировой войны на­полненного водородом дирижабля «ГинденбурТ» настоль­ко подмочила общественную репутацию «топлива бу­дущего», что надолго вычеркнуло его из каких-либо серьезных проектов.

Быстрое развитие космической техники вновь зас­тавило обратиться к водороду, на этот раз уже жидко­му, как почти идеальному горючему для исследования и освоения мирового пространства. Тем не менее, по-прежнему не исчезли сложные инженерные проблемы, связанные как со свойствами самого водо­рода, так и его производством. Как горючее для транс­порта водород удобнее и безопаснее применять в жид­ком виде, где в пересчете на один килограмм он пре­восходит по калорийности керосин в 8,7 раза и жидкий метан в 1,7 раза. В то же время плотность жидкого водорода меньше, чем у керосина почти на порядок, что требует значительно больших баков. К тому же во­дород должен храниться при атмосферном давлении при очень низкой температуре — 253 градуса Цельсия. От­сюда необходимость соответствующей теплоизоляции баков, что также тянет за собой дополнительный вес и объем. Высокая температура горения водорода приво­дит к образованию значительного количества экологи­чески вредных окислов азота, если окислителем является воздух. И, наконец, пресловутая проблема безо­пасности. Она по-прежнему остается серьезной, хотя и считается теперь значительно преувеличенной. Отдельно следует сказать о производстве водорода. Почти един­ственным сырьем для получения водорода служат на сегодня те же горючие ископаемые: нефть, газ и уголь. Поэтому истинный перелом в мировой топливной базе на основе водорода может быть достигнут лишь путем принципиального изменения способа его производства, когда исходным сырьем станет вода, а первичным ис­точником энергии — Солнце или сила падающей воды. Водород принципиально превосходит все ископаемые виды горючего, включая и природный газ, в своей об­ратимости, то есть практической неисчерпаемости. В отличие от горючих, добываемых из-под земли, кото­рые после сгорания теряются безвозвратно, водород добывается из воды и сгорает опять в воду. Разумеется, чтобы получить водород из воды, нужно затратить энер­гию, причем значительно большую, чем можно исполь­зовать затем при его сгорании. Но это не имеет суще­ственного значения, если так называемые первичные источники энергии будут в свою очередь неисчерпае­мыми и экологически чистыми.

Разрабатывается и второй проект, где в качестве источника первичной энергии используется Солнце. Подсчитано, что на широтах ± 30—40 градусов наше светило греет примерно в 2—3 раза сильнее, чем в бо­лее северных широтах. Это объясняется не только бо­лее высоким положением Солнца на небе, но и несколько меньшей толщиной атмосферы в тропических регио­нах Земли. Однако почти вся эта энергия быстро рассе­ивается и пропадает. Получение с помощью ее жидкого водорода — наиболее естественный способ аккумуляции солнечной энергии с последующей доставкой ее в север­ные районы планеты. И не случайно научно-исследова­тельский центр, организованный в Штутгарте, имеет характерное название «Солнечный водород — источ­ник энергии будущего». Установки, аккумулирующие солнечный свет, предполагается, согласно указанному проекту, разместить в Сахаре. Сконцентрированное та­ким образом небесное тепло будет использовано для привода паротурбин, вырабатывающих электроэнергию. Дальнейшие звенья схемы те же, что и в канадском варианте, с той лишь разницей, что жидкий водород доставляется в Европу через Средиземное море. Прин­ципиальное сходство обоих проектов, как видим, в том, что они экологически чисты на всех стадиях, включая даже перевозку сжиженного газа по воде, поскольку танкеры работают опять-таки на водородном топливе. Уже сейчас такие всемирно известные немецкие фир­мы, как «Линде» и «Мессергрисхейм», расположенные в районе Мюнхена, производят все необходимое обору­дование для получения, сжижения и транспортировки жидкого водорода, за исключением разве что криоген­ных насосов. Громадный опыт по использованию жид­кого водорода в ракетно-космической технике накоп­лен фирмой «МББ», расположенной в Мюнхене и при­нимающей участие практически во всех престижных программах Западной Европы по освоению космоса. Научно-исследовательское оборудование фирмы в об­ласти криогеники используется также на американс­ких космических челноках. Широко известная немец­кая авиакомпания «Дейче Эрбас» разрабатывает пер­вый в мире аэробус, летающий на жидком водороде. Помимо экологических соображений применение жид­кого водорода в обычной и сверхзвуковой авиации пред­почтительно и по другим причинам. Так, примерно на 30 % при прочих равных условиях снижается взлет­ный вес самолета. Это позволяет, в свою очередь, со­кратить разбег и сделать взлетную кривую более кру­той. В результате снижается шум — этот бич современ­ных аэропортов, расположенных зачастую в густо­населенных районах. Не исключена также возможность снижения лобового сопротивления самолета путем силь­ного охлаждения его носовых частей, встречающих поток воздуха.

Все изложенное выше позволяет сделать вывод, что переход на водородное топливо, в первую очередь в авиа­ции, а затем и в наземном транспорте станет реальнос­тью уже в первые годы нового века. К этому времени будут преодолены технические проблемы, окончатель­но ликвидировано недоверие к водороду как чересчур опасному виду горючего и создана необходимая инфра­структура.