Использование альтернативных топлив

Экологический эффект, который можно реализовать при использовании альтернативных топлив, можно оценить, сравнивая результаты испытаний автомобиля Volkswagen, работающего на разных топливах (табл. 2) [[10]].

 

Таблица 2

Результаты испытаний легкового автомобиля, работающего на различных топливах.

Вид топлива	Относительное изменение выбросов, %
CO	CH	NOx
Бензин
Дизельное топливо
Этанол
Метанол
СНГ
СПГ
Водород

Метанол из угля часто рассматривается как возможная альтернатива бензину, благодаря его высокому октановому числу и низкой токсичности выхлопов. Однако использование угольного метанола требует больших затрат при добыче, производстве, транспортировке и хранении, а также приводит к большим сульфатным загрязнениям и выделению большого количества CO₂, способствующему возникновению "парникового эффекта".

Другая альтернатива нефтяному топливу - природный газ. Тем не менее, следует отметить, что молекулы метана, который представляет главный компонент несгоревших углеводородов, имеет очень высокую сопротивляемость окислению, что затрудняет процесс нейтрализации, а также являются в 25 раз более эффективным адсорбентом инфракрасного излучения, чем СО₂, т.е. в значительной степени способствуют образованию "парникового эффекта".

На перспективу в качестве "идеального" автомобильного топлива следует рассматривать водород. Имея теплоту сгорания почти в три раза большую, чем нефтяные моторные топлива, коэффициент диффузии в 8 раз больший (0.63 см²/с), температуру кипения 253^оС, водородное топливо обеспечивает формирование высокогомогенной смеси в двигателе и исключает образование жидкой фазы в смеси. Широкие пределы воспламенения, высокие скорости сгорания водородовоздушной смеси оказывают положительное влияние на эффективность рабочего процесса, позволяют организовать качественное его регулирование (в двигателе Отто) и снизить насосные потери, что в сочетании с другими факторами (улучшением полноты сгорания, стабильностью состава смеси по цилиндрам) приводит к повышению эффективного КПД водородного двигателя.

Высокие температуры цикла и наличие свободного кислорода в камере сгорания на режимах полных нагрузок способствует интенсивному образованию окислов азота, однако на частичных нагрузках за счет качественного регулирования (при a>1.5) эмиссия No_x резко снижается. Концентрация других токсичных компонентов в ОГ водородного двигателя крайне мала. Значительные преимущества использования водорода перед углеводородным топливом в транспортной энергетике возникнут при использовании солнечной энергии для получения водорода в промышленных масштабах, например из воды. В этом случае кроме экономии органического топлива исключаются и выбросы СО₂ в атмосферу.

Другой альтернативой использования водорода в качестве энергоносителя для транспорта является его применение в так называемых топливных элементах или электрохимических генераторах, которые характеризуются очень высоким КПД - около 70-80%, т.е. в 2-2.5 раза превышающими КПД тепловых двигателей [[11]]. В этих устройствах используется уникальная способность водорода к каталитическому окислению при низких температурах с прямым преобразованием химической энергии окисления в электрическую.

Однако все проблемы и неприятности начинаются с того, что водорода в свободном состоянии на Земле нет, и для его получения необходимы доступное сырьё и первичные источники энергии.

В настоящее время существует два основных промышленных метода получения водорода. Один из них, действительно экологически чистый, основан на электролизе или электрохимическом разложении воды либо водяного пара. В этом случае первичным источником энергии является генератор электрического тока. Электролизный водород используется для получения водорода чистого и высокочистого (с содержанием примесей менее 0.1% по объему).

Реакция электролиза воды обратна реакции окисления водорода в топливном элементе или электрохимическом генераторе энергии:

У топливного элемента и в особенности электролизера КПД отличны от 100%, поэтому лишь 45-50% энергии, затраченной на производство водорода, может быть потрачено "с пользой".

Принципиальным недостатком топливных элементов является необходимость применения платиновых металлов при изготовлении электродов, на которых происходит каталитическое окисление водорода.

Другой промышленный метод получения водорода использует в качестве первичного источника энергии различные виды невозобновляемого органического топлива. В настоящее время свыше 95% водорода производится путем восстановления водяного пара природным газом (методы паровой конверсии метана):

CH₄+2H₂O®CO₂+4H₂

и около 2-3% - восстановлением водяного пара твердыми горючими ископаемыми (каменным и бурым углем или торфом):

C+2H₂O®CO₂+4H₂.

Нетрудно заметить, что экологическая чистота конверсионного водорода как энергоносителя оказывается весьма условной, поскольку при его производстве образуется такое же количество СО и СО₂ (около 7-8 т на 1 т водорода в реальных технологических процессах), как и при прямом сжигании углеводородного топлива.

Методы паровой конверсии метана или восстановления водяного пара углем позволяют получать, строго говоря, не водород, а промышленный водородсодержащий газ, в котором водорода лишь от 50 до 75 об.%. Выделение из таких газов чистого водорода является дорогостоящей операцией и поэтому в настоящее время не применяется.

Технический конверсионный водород может служить топливом для любого теплового двигателя, однако в электрохимических генераторах должен использоваться только высокочистый водород, т.к. примеси отравляют катализатор.

Среди причин, сдерживающих использование водородного топлива в автомобильных двигателях, следует отметить проблемы хранения его на борту АТС, значительные затраты на его производство, отсутствие инфраструктуры и прежде всего сети заправочных станций.