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, %
| Токсичные компоненты выхлопных газов | |||||
| Вид топлива | СО | CnHm (без метана) | NOх | Сажа | Бензапирен |
| Бензин | нет | ||||
| Бензин (двигатели с нейтрализат.) | 25-30 | нет | |||
| Дизтопливо | 50-80 | ||||
| Газ+дизтопливо | 8-10 | 8-10 | 50-70 | 20-40 | 30-40 |
| Пропан-бутан | 10-20 | 50-70 | 30-80 | нет | 3-10 |
| Газ природ, сжатый | 5-10 | 1-10 | 25-40 | нет | 3-10 |
Особо следует остановиться на выбросах углеводородов, которые претерпевают в атмосфере фотохимическое окисление под действием ультрафиолетового облучения (ускоряющееся в присутствии NOx). 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.