Перерасход топлива. Диалог диагноста с клиентом #6

Есть такая наука философия. Она утверждает, что человек – самая адаптивная система, то есть он самый живучий, ко всему приспособится. Говорят,что самые живучие крысы или какие–то насекомые, бактерии. Ничего подобного – человек сможет жить там, где ни одно другое живое существо невыживет.

Судя по отзывам автолюбителей, тема «о перерасходе топлива» оказалась не только актуальной, но и интересной.

В предыдущих частях диалога мы беседовали о неисправных датчиках кислорода, токсичных выхлопных газах, об алчных торговцах некачественным, но постоянно дорожающем автомобильном топливе и прочем. Если вдуматься, то это был в большинстве своем «негатив», которого и так предостаточно в нашей повседневной жизни. А можно ли в такой теме, как «перерасход топлива» найти «позитив»? То есть поговорить о чем-то «хорошем, добром, светлом». Да, можно. Диалог продолжается! Только теперь это будет это диалог диагноста с читателями.

Население Земли недавно достигло 7 миллиардов. Точное количество автомобилей на нашей планете, наверное, никто не подсчитывал. Я предполагаю, что различных транспортных средств на Земле порядка одного миллиарда. Большинство этих транспортных средств – автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Как известно, в традиционных ДВС сгорает углеводородное топливо: бензин, солярка, газ и др. При сгорании этих видов топлива образуется углекислый газ, вода и небольшое количество других газов и твердых выбросов. Этот самый миллиард автомобилей потребляет огромное количество углеводородного топлива и, следовательно, выбросы продуктов сгорания в атмосферу нашей планеты тоже колоссальны. Российский космонавт Геннадий Стрекалов рассказывал: «Из космоса атмосфера выглядит, как тонкая пленочка, покрывающая Землю». Воздушная оболочка  Земли чувствительна и ранима.

Проблема токсичных выбросов (угарный газ, окислы азота и серы, сажа, несгоревшие углеводороды и прочие; всего 45 компонентов) успешно решается: современный двигатель уже почти не отравляет атмосферу токсичными выбросами (примеч. в тех странах, где реально борются за чистоту воздуха). Оказывается, что самым опасным компонентом автомобильного выхлопа является углекислый газ.  Это не токсичный газ; пьем же мы газированную воду. В воздухе содержится 0,2 % углекислого газа. Зеленые растения питаются углекислым газом, преобразуя его в древесную массу посредством процесса фотосинтеза в зеленых листьях. То есть растения преобразуют СО2 в углерод и возвращают в атмосферу кислород. Но дышат растения все-таки кислородом. Вообще, большинство живых существ, в том числе и люди вдыхают О2, а выдыхают СО2. Также углекислый газ выбрасывается в атмосферу при извержениях вулканов, из разломов земной коры на дне океанов, при пожарах. Процессы гниения – это медленное окисление с выделением углекислого газа. С другой стороны, на планете варварски вырубаются леса, сокращается число зеленых насаждений. То есть, в результате деятельности 7-миллиардного населения Земли баланс содержания углекислого газа в атмосфере нарушается. Однако даже небольшое повышение содержания в атмосфере диоксида углерода СО2 вызывает «парниковый эффект». Углекислый газ, как одеяло, удерживает тепло, препятствуя отражению солнечных лучей от поверхности Земли. А это  ведет к повышению температуры атмосферы, и, как следствие, таянию ледников, подъему уровня мирового океана, изменению климата, погодным катаклизмам и многим другим  нежелательным и опасным последствиям.

Приходится задумываться над тем, как ограничить и даже полностью исключить выбросы углекислого газа в атмосферу. Во многих странах уже введены ограничения на выбросы «парникового газа». Количество углекислого газа,  образующегося при сгорании, прямо пропорционально количеству сгоревшего топлива. Следовательно, один из путей уменьшения выбросов парникового газа – повышение топливной экономичности автомобиля. Этого можно добиться путем снижения массы транспортного средства, уменьшением объема и совершенствованием двигателя, оптимизацией трансмиссии и др. Но даже, если уменьшить выбросы СО2 до предельно возможного минимума, то все равно это не решит проблему накопления в атмосфере «парникового газа». Автомобилей на Земле миллиард и их становится все больше и больше: мировой автопром работает производительно и ритмично. Надо что-то делать уже сейчас, а не потом. Влияние парникового эффекта мы  реально почувствовали в виде погодных катаклизмов последних лет. По некоторым прогнозам ученых, уже через 10 – 20 лет, вследствие парникового эффекта, температура атмосферы повысится настолько, что возникнет угроза всему живому на нашей Планете. Единственный возможный способ решения этой проблемы – полностью отказаться от использования углеводородного (нефтепродукты, природный газ) и углеродного (уголь, торф, дрова, мусор) топлива на транспорте, в энергетике, промышленности и в других сферах. Задача не из легких, но начинать придется все-таки с автомобилей. Однако невозможно взять и запретить разом использование всех транспортных средств, оснащенных бензиновыми или дизельными двигателями.

Рассмотрим возможные пути решения проблемы. Первый этап – уменьшение потребления углеводородного топлива. Например: Лада Калина весом 960кг с объемом двигателя 1,4 литра выбрасывает  в атмосферу в 4 раза меньше СО2, чем трехтонный Land Cruiser 200 с двигателем  5,6 литра. То есть, как уже говорилось выше, уменьшения выбросов в атмосферу достигается за счет снижения веса и объема двигателя автомобиля. Но не каждый автолюбитель добровольно и сознательно согласится пересесть с Круйзера не Калину.

Уже давно производятся гибридные автомобили, например: Toyota Prius Hybrid или Lexus Hybrid. Кстати,  Toyota – не единственный производитель, серийно выпускающий гибридные автомобили (к примеру,гибрид есть у Honda), а уж экспериментальные разработки имеются почти у всех крупных автокомпаний. Но и автомобили с гибридной силовой установкой, хоть и в меньших объемах, выбрасывают в атмосферу «парниковый газ».

Вообще не загрязняют атмосферу электромобили. Во многих странах, в том числе и в России, уже разрабатываются, испытываются и серийно выпускаются автомобили с электрическим приводом. Успешно решаются вопросы совершенствования аккумулирования и преобразования электроэнергии в  транспортных средствах будущего: «электромобилестроение» – одно из самых перспективных направлений автомобильной отрасли. Хотя мы знаем, что электрическая тяга уже давно используется в трамваях, троллейбусах, электропоездах. Так, в Новосибирске ходит «гибридный» троллейбус № 401 из центра города в аэропорт. При езде по городу он питается от контактной сети и при этом еще подзаряжает литий-ионные батареи. Выехав за город, красивый и комфортабельный троллейбус «поджимает» токоприемники и весело катит, используя энергию мощных аккумуляторов. Кстати эти литий-ионные батареи производят в нашем городе, а не где-то «юго-восточнее». Есть еще такая отличная штука – электровелосипед: вес 27 кг, запас хода 60км при скорости 40 км/ч. За ночь аккумулятор электровелосипеда полностью заряжается от бытовой электросети, на всякий случай есть педали. Я сам катался на электровелосипеде – здорово! Новосибирский завод « Сибвелз» уже собирает две модели «электровеликов».

Да, чуть не забыл: обычный педальный велосипед или веломобиль тоже не имеют выхлопной трубы, но и здесь не все так просто.  В Китае, например, велосипед – основной вид транспорта. Вникнем  в проблему чуть глубже. Велосипедист профессионал во время гонки развивает мощность до 4-х лошадиных сил. При интенсивной физической работе человек вдыхает воздуха в 10 раз больше, чем при спокойной ходьбе. Как известно, человек выдыхает углекислый газ. При быстрой езде на велосипеде  человек будет тоже выдыхать «парникового газа» в 10 раз больше. Похоже на шутку, но представьте себе: миллиард китайцев на велосипедах… . Однако, в том же Китае выпускается больше всего электровелосипедов, но, «к сожалению» и по количеству производимых автомобилей «Поднебесная» вышла на первое место в мире, обогнав США.

Очень интересны проекты автомобилей на солнечной энергии и транспортных средств, использующих потенциальную энергию раскрученного маховика. И все-таки, трудно придумать в качестве силовой установки для любых транспортных средств, что-либо, более эффективное, надежное и удобное, чем двигатель внутреннего сгорания. Новое – это хорошо забытое старое. Автомобиль на водородном топливе – вот  самый перспективный транспорт будущего! Как известно, при сгорании водовода образуется чистая вода: 2 Н2 + О2  = 2 Н2О. Двигатель на водородном топливе – абсолютно экологически чистый агрегат, не выбрасывающий в окружающую среду углекислый газ, который оказался столь опасным для атмосферы Земли.

Но, не все так просто с использованием водорода в качестве автомобильного топлива. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Водород, как топливо, уже давно применяется в ракетной технике. Работы над проблемой использования водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей ведутся уже не один десяток лет, как у нас в стране, так и за рубежом. Первые отечественные исследования были проведены еще в 1968 году в Новосибирске под руководством академика В. В. Струминского.  У нас в стране и в ряде стран мира успешно испытывались автомобильные двигатели, работающие на чистом водороде. Это были специально построенные  или оборудованные под водородное топливо серийные автомобили.

Что же представляет собой водород как топливо, каковы его достоинства и в чем недостатки? Прежде всего, в единице веса водород содержит почти в три раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Водород самый легкий элемент, с него начинается периодическая система Д. И. Менделеева. Даже в жидком состоянии он примерно в 14 раз легче воды. То есть для размещения одного килограмма жидкого водорода нужна специальная емкость объемом 14 литров. Другая важная особенность водорода проявляется при его горении. Он чрезвычайно быстро смешивается с другими газами, в частности с воздухом атмосферы. Прекрасно горит в ней и при этом процессе образуются,  пары дистиллированной воды и никаких других токсичных и «парниковых» выбросов.

Другие достоинства водорода, как универсального топлива для всей многогранной деятельности человека на земле и в космосе:

– в самом деле: запасы водорода на земле практически безграничны. Примеч. запасы ископаемого топлива рано или поздно закончатся;

– оказывается, что водород чрезвычайно удобно хранить, и в частности в гигантских емкостях естественного происхождения (на бывших газовых месторождениях);

– в газообразном виде водород чрезвычайно удобен для транспортировки по обычным газопроводам на огромные расстояния; в этом случае потребуется лишь несколько модернизировать существующие компрессорные станции;

– интересный расчет: стоимость транспортировки водорода по трубопроводам  в несколько раз ниже, чем передача  электрической энергии по мощным ЛЭП.

Вроде бы очевидно, что водород – универсальное, экологически чистое, практически идеальное топливо. Но водород химически активен и  в чистом виде почти не существует. В  воздухе содержание Н2 – сотые доли процента. Как известно, водовод входит в состав воды и ископаемых  углеводородов. Основной метод получения водорода – электролиз воды: 2Н2О > 2Н2 + О2 . Это процесс энергоемкий и поэтому  дорогой. Не нарушая экологическое равновесие, можно использовать энергию солнца, ветра, воды и атомных электростанций. Есть способ прямого одностадийного получения водорода из воды, например посредством окисления железных опилок в паровой струе с последующим восстановлением их в потоке угольной пыли. Несколько дешевле получать водовод посредством перегонки ископаемых жидких углеводородов. При современном развитии техники и химических технологий, получение водорода в больших количествах – не проблема.

Что же сдерживает применение водорода, как топлива для двигателей внутреннего сгорания? Конечно, надо преодолеть предубеждение по поводу опасности применения водорода в качестве топлива для автомобилей. Многим это предубеждение было внушено еще со школьной скамьи в виде взрыва гремучего газа. Что ж, при всей стремительности, с которой развивается наука и техника, в ее истории есть повторяющиеся ситуации. В свое время нашлись люди, которые предупреждали об опасности путешествия по железной дороге из Петербурга в Москву: на первый рейс из-за отсутствия желающих пришлось привлечь гвардейское подразделение. Позднее нашлись специалисты, посчитавшие взрыв бензина в автомобильном баке настолько реальным и опасным, что они настояли на том, чтобы впереди движущегося автомобиля шел человек и размахивал красным флагом. Чем-то подобным являются сейчас разговора об опасности водорода. Смесь газообразного водорода с кислородом воздуха в широком диапазоне концентраций образует гремучий газ. В закрытых емкостях или помещениях эта смесь, действительно горит очень быстро, вызывает значительное повышение давления и может привести к взрыву и разрушениям. В открытых объемах  процесс горения гремучей смеси происходит также очень интенсивно, но при количествах водорода, используемых в автомобилях, оно не будет связано с повышением давления и не станет сопровождаться никакими взрывами и разрушениями. В открытых объемах даже струя газообразного водорода горит спокойно бесцветным пламенем и образует очень мало лучистой энергии. Особо отмечу, что в жидком и твердом состоянии водород не горит. Он горит только в газообразном состоянии при температуре свыше 500 градусов. Вывод: по многим свойствам водород как топливо не более опасен, чем бензин и даже керосин.

Наибольшее значение для транспорта имеет жидкий или твердый водород. В жидком состоянии он находится при температуре ниже минус 253 С, в твердом – ниже минус 258 С. Многие известные мировые автопроизводители  создали экспериментальные автомобили с двигателями, работающими, как на жидком, так и на твердом водороде. Они решили вопросы хранения водорода в автомобиле при низкой температуре (твердый) и при высоком давлении (жидкий); созданы специальные баки. Теперь надо создавать сеть специальных «водородных заправок». Ведутся научные и практические разработки по использованию металл-гидридов для размещения водорода на автомобиле. При этом способе водород «впитывается» в кристаллическую решетку аккумулирующего компонента и высвобождается при нагревании.

Конструктивно традиционный двигатель внутреннего сгорания подвергается некоторым доработкам с учетом особенностей сгорания водородно-воздушной смеси. Хотя проблем и здесь не мало, но они успешно решаются.  Ведущие автопроизводители не жалеют сил и средств на разработку и совершенствование автомобильных двигателей на водородном топливе. В ближайшие 5 -10 лет будут серийно выпускаться автомобили, использующие в качестве топлива чистый водород. В дальнейшей перспективе бензиновые и дизельные двигатели должны быть полностью заменены ДВС на водороде и электромобилями. Также водородное топливо будет гораздо шире использоваться в авиации, энергетике, в промышленности и в других сферах деятельности человека. Постоянно совершенствуются и изыскиваются новые способы получения чистого водорода. Предполагается, что при современном уровне развития техники и технологий производимый водород скоро будет не дороже бензина. Переход на экологически абсолютно  чистое и не вызывающее «парникового эффекта топливо, то есть  водород – необходимое условие сохранения жизни на нашей Планете. Как будет происходить этот процесс: поживем – увидим.

Научно – технический прогресс развивается стремительно. Думаю, что недалек тот день, когда мы продолжим «диалог о перерасходе водородного топлива».