Альтернативы бензину: к миру возобновляемой энергии
Природный газ — реальная альтернатива
Природный газ, состоящий в основном из метана, уже давно используется в качестве альтернативного топлива для автомобилей. Он дешевле и экологичнее, чем бензин или дизель. Автомобили на природном газе называют метановыми.
Сам природный газ негорюч, но при сжатии (компримировании) до давления 200—220 атмосфер он сжижается и превращается в компримированный природный газ (КПГ), который хранится в специальных баллонах на автомобиле. Такие авто называют газобаллонными.
По сравнению с бензином, КПГ на 15-20% экономичнее по расходу топлива, при этом выбросы вредных веществ сокращаются в несколько раз. Автомобили на КПГ также тише по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
Однако есть и недостатки: заправочная инфраструктура КПГ пока недостаточно развита, а газовые баллоны занимают объем багажника. Кроме того, газовое оборудование увеличивает стоимость автомобиля.
Тем не менее, КПГ — один из наиболее реальных и доступных вариантов альтернативного топлива для легкового и коммерческого транспорта. По мере развития заправочной инфраструктуры, газомоторное топливо будет играть все более заметную роль.
Спиртовое топливо: этанол и метанол
Еще одной популярной альтернативой традиционному бензину являются спирты — этанол и метанол. Они могут использоваться в чистом виде или в смеси с бензином.
Этанол производится путем ферментации сахаросодержащего сырья — зерновых культур, свеклы, тростника. Он менее токсичен, чем метанол. Автомобили на чистом этаноле (E100) пока редкость, чаще применяются смеси Е85 (85% этанола и 15% бензина) или Е15.
По сравнению с бензином, этанол уменьшает выбросы парниковых газов на 60-90%. Однако этаноловое топливо энергоемкостью уступает бензину, расход топлива выше на 30%.
Метанол получают из природного газа или биомассы. Он еще менее энергоемкий, чем этанол, зато дешевле в производстве. Используется только в низких концентрациях, до 3% в бензине.
Главная проблема спиртовых топлив — высокая гигроскопичность и коррозионная активность. Требуются дорогостоящие модификации топливной системы автомобиля.
Тем не менее, спирты остаются наиболее простым и дешевым видом альтернативного топлива. При господдержке производства биоэтанола они могут составить конкуренцию бензину.
Биодизель из растительного масла
Биодизель — это альтернативное дизельному топливу биотопливо, которое производится из растительных масел и жиров животного происхождения.
В качестве сырья чаще всего используется рапсовое, соевое, пальмовое или подсолнечное масло. Из них методом трансэтерификации получают метиловые или этиловые эфиры жирных кислот — биодизель.
По сравнению с дизтопливом, биодизель менее токсичен, быстрее разлагается в окружающей среде. Выбросы парниковых газов сокращаются на 80%. Однако у биодизеля ниже энергоемкость, он более вязкий и имеет худшие низкотемпературные свойства.
Биодизель может использоваться в чистом виде (B100) или в смеси с дизельным топливом, например B20 (20% биодизеля). Двигатель при этом не требует модификаций, только замены некоторых резинотехнических изделий.
Главная проблема биодизеля — ограниченность и дороговизна сырья. Его производство рентабельно только при господдержке. Тем не менее, биодизель — одно из самых экологичных альтернативных топлив для дизельных двигателей.
Водород — топливо будущего
Водород считается одним из самых перспективных экологически чистых видов топлива для автомобилей. При сгорании водорода образуется только водяной пар.
Однако использовать водород в чистом виде пока сложно из-за его низкой плотности. Поэтому водород либо сильно сжимают, либо замораживают до жидкого состояния, чтобы получить приемлемый запас хода. Но это требует сложных и дорогих систем хранения.
Более перспективно использование водорода в топливных элементах, где он электрохимически соединяется с кислородом, вырабатывая электроэнергию для тягового электродвигателя.
Такие водородные автомобили практически бесшумны, не создают вредных выбросов, имеют высокий КПД. Но пока слишком дорогая стоимость топливных элементов и неразвитая инфраструктура водородных заправок сдерживают их массовое распространение.
Тем не менее, водород уже сегодня находит применение в автомобилях с гибридными силовыми установками. А в будущем, водород может стать dominating видом «зеленого» топлива для транспорта.
Электромобили: от аккумуляторов к водородным топливным элементам
Электромобили, использующие энергию от аккумуляторов или топливных элементов, — еще одно перспективное направление «зеленого» транспорта.
Современные литий-ионные или литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают электромобилям запас хода до 500 км. Они экологичны, практически бесшумны. Но пока высокая стоимость и недостаточная зарядная инфраструктура сдерживают их распространение.
Более далекую перспективу имеют электромобили на топливных элементах. Водород «заправляется» быстрее, чем заряжаются аккумуляторы. Дальность хода уже сейчас доходит до 650 км. Однако стоимость топливных элементов очень высока.
Гибриды, сочетающие аккумулятор и ДВС, — промежуточный вариант. Они позволяют снизить расход топлива и уровень вредных выбросов.
По мере совершенствования технологий и снижения стоимости, электромобили станут конкурентоспособной альтернативой автомобилям с ДВС в городских условиях.
Гибридные двигатели для экономии топлива
Гибридные автомобили, сочетающие двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, позволяют значительно снизить расход топлива и вредные выбросы.
В таких автомобилях электродвигатель используется для разгона и движения на малых скоростях, а ДВС — на высоких скоростях. Электроэнергия вырабатывается генератором при торможении за счет рекуперации.
Благодаря оптимальному распределению нагрузки между двумя типами двигателей, гибридный привод повышает топливную эффективность на 30-50% по сравнению с обычными автомобилями.
Существуют гибриды с подзарядкой аккумуляторов от электросети (plug-in hybrids). Это позволяет проезжать на одном электроприводе до 50 км.
Несмотря на более высокую стоимость, гибридные автомобили — реальный путь к снижению потребления нефтепродуктов и вредных выбросов уже в обозримой перспективе.
Сжатый воздух — простое и экологичное решение
Использование сжатого воздуха в качестве топлива для автомобилей -одна из старейших идей, вновь обретающая популярность.
В пневмомобилях воздух под высоким давлением поступает в пневмодвигатель, который преобразует энергию сжатого воздуха в механическую энергию вращения коленчатого вала.
Главное преимущество таких автомобилей — экологичность. Пневмодвигатели не создают вредных выбросов. Кроме того, сжатый воздух — бесплатное и повсеместно доступное топливо.
Однако запас хода пневмомобилей пока невелик из-за низкой плотности энергии сжатого воздуха. Кроме того, его сжатие требует затрат электроэнергии.
Несмотря на недостатки, автомобили на сжатом воздухе могут найти применение на небольших маршрутах, особенно в экологически чувствительных зонах городов.
Сжиженный нефтяной газ (СНГ, LPG)
Сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан) также рассматривается как один из вариантов альтернативного топлива для автомобилей.
По сравнению с бензином, СНГ имеет более высокое октановое число, что позволяет увеличить степень сжатия и коэффициент полезного действия двигателя.
Автомобили на СНГ немного уступают бензиновым по мощности, зато выбросы вредных веществ снижаются на 70-90%. Топливная экономичность выше на 15-20%.
Однако СНГ хранится в баллонах под давлением, что уменьшает объем багажника. Инфраструктура автогазозаправок пока недостаточно развита.
Тем не менее, использование СНГ на коммерческом транспорте вполне оправдано экономически и экологически. А по мере расширения заправочной инфраструктуры автомобили на СНГ могут получить широкое распространение.
Синтетическое жидкое топливо из природного газа
Еще одним перспективным направлением является производство синтетического жидкого топлива из природного газа.
В процессе газохимического синтеза из метана получают смесь углеводородов, аналогичную нефтяному топливу. Такое синтетическое топливо может использоваться в двигателях внутреннего сгорания.
Преимущества синтетического топлива — высокое октановое число, чистота химического состава, отсутствие серы и ароматических углеводородов. Это повышает экологичность и эффективность работы двигателя.
Однако процесс производства достаточно энергоемкий и дорогой. Для рентабельности требуются низкие цены на природный газ и господдержка.
В перспективе синтетические топлива могут стать альтернативой нефтепродуктам, особенно при использовании возобновляемых источников энергии для их производства.
Солнечная энергия для автомобилей
Использование солнечной энергии — еще одно перспективное направление развития альтернативного топлива для автотранспорта.
Установка солнечных батарей на крыше и корпусе электромобиля позволяет непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрическую для зарядки аккумуляторов. Это увеличивает запас хода.
Для автомобилей с ДВС возможно использование солнечной энергии для получения водорода путем электролиза воды. Водород затем применяется в топливных элементах.
Также избыточную солнечную энергию можно использовать для производства электроэнергии, которая пойдет на получение синтетических жидких топлив из воды и CO2.
Несмотря на пока высокую стоимость, использование солнца как источника энергии для транспорта безусловно имеет большое будущее в условиях истощения нефтяных ресурсов.
Топливо из водорослей — перспективное биотопливо
Водоросли рассматриваются как один из наиболее перспективных возобновляемых источников биотоплива для автомобилей.
Из микроводорослей методами переработки можно получать различные виды жидкого биотоплива — биодизель, биоэтанол, биобутанол и другие. Преимущества — возобновляемость сырья, низкий уровень выбросов парниковых газов.
Культивирование водорослей возможно практически на любых неиспользуемых сельскохозяйственных землях, а также на соленой и сточной воде. Это снимает проблему конкуренции за пахотные земли.
Однако пока стоимость производства биотоплива из водорослей достаточно высока. Требуются дальнейшие исследования по повышению эффективности и снижению затрат на культивирование и переработку.
Тем не менее, водорослевое топливо имеет большой потенциал стать одним из ключевых видов альтернативного топлива в будущем.
Топливные элементы на метаноле
Одним из перспективных направлений развития альтернативных видов топлива являются топливные элементы, работающие на метаноле.
В отличие от водородных топливных элементов, здесь в качестве топлива используется не водород, а метанол. При пропускании метанола через катализатор, он разлагается на водород и углекислый газ.
Полученный водород поступает на анод топливного элемента и вступает в электрохимическую реакцию с кислородом с образованием воды. Вырабатываемая электроэнергия используется для питания электродвигателя.
Преимущества метанола — относительная простота хранения и транспортировки по сравнению с водородом. Метанол можно производить из природного газа, биомассы, a также CO2 и водорода из возобновляемых источников.
Топливные элементы на метаноле — многообещающая технология для автомобилей будущего.
Моторы Стирлинга: возрождение старой идеи
Моторы Стирлинга, изобретенные еще в 19 веке, в последнее время переживают свое второе рождение как экологичный источник энергии для автомобилей.
В отличие от двигателей внутреннего сгорания, мотор Стирлинга работает по замкнутому циклу за счет разности температур между горячим и холодным источниками. Обычно в качестве нагревателя используется сжигание топлива.
Моторы Стирлинга отличаются очень высоким КПД, тихим ходом и минимальными выбросами вредных веществ. Но раньше их широкому применению мешали технические сложности.
Современные технологии позволили преодолеть эти недостатки. Уже разработаны опытные образцы автомобилей на моторах Стирлинга. В будущем они могут стать весьма эффективной альтернативой двигателям внутреннего сгорания.
Пневмомобили: движение от сжатого воздуха
Пневмомобили, использующие энергию сжатого воздуха, — еще одно потенциальное решение для экологичного транспорта будущего.
В пневмомобиле воздух под высоким давлением запасается в баллонах и подается в пневмодвигатель. Расширяясь, воздух приводит в движение поршни или лопасти турбины, вращающие коленчатый вал.
Основными преимуществами таких машин являются экологичность (отсутствие вредных выбросов), простота и надежность конструкции, низкий уровень шума.
Однако пока пневмомобили имеют небольшой запас хода и медленный разгон из-за низкой удельной энергоемкости сжатого воздуха. Кроме того, его сжатие требует затрат энергии.
Тем не менее, по мере совершенствования технологий хранения сжатого воздуха, пневмомобили могут занять свою экологичную нишу на дорогах.
Термоэлектрические генераторы: тепло в электричество
Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) — еще одно многообещающее направление по использованию альтернативных источников энергии в автомобилях.
Принцип действия ТЭГ основан на прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую благодаря эффекту Зеебека.
Установка ТЭГ-модулей на выхлопной системе позволяет утилизировать часть тепла отработавших газов для выработки дополнительной электроэнергии.
Эта энергия может использоваться для подзарядки аккумуляторов, питания вспомогательных систем автомобиля. Это снижает нагрузку на основной генератор и расход топлива.
Хотя КПД ТЭГ пока невысок, но в сочетании с другими технологиями они могут дать заметный эффект в повышении энергоэффективности автомобиля.
