CC BY
13т
'"ооии»«^
Биотоплива и другие энергоносители для колесных транспортных средств
В.К. Азаров,
магистр ФГУП «НАМИ»,
B.Ф. Кутенев,
профессор, зам. генерального директора по научной работе ФГУП «НАМИ», д.т.н.,
А.С. Теренченко,
зав. лабораторией ФГУП «НАМИ», к.т.н.,
C.В. Ягупов,
инженер-исследователь ФГУП «НАМИ»
В статье рассматриваются проблемы современных и альтернативных топ-лив, а также новых энергоносителей для колесных транспортных средств (КТС). Приводятся прогнозы потребления топлив и развития силовых установок с учетом их комплексной энергоэффективности.
Ключевые слова: энергосбережение, энергетическая установка, эколо-го-экономические показатели, альтернативные топлива, энергоносители, криогенная силовая установка, возобновляемые источники энергии.
Biofuels and other energy carriers for wheeled vehicles
V.K. Azarov, V.F. Kutenev, A.S. Terenchenko, S.V. Yagupov
The paper deals with the problems of modern and alternative fuels, as well as new energy sources for transportation in the future. Provides projections of consumption of fuels and the development of power plants based on their comp rehensive energy efficiency.
Keywords: energy saving, power plant, environmental and economic performance, alternative fuel, energy, cryogenic power plant, renewable energy sources.
На фоне значительного роста цен на нефть проблема получения моторных топлив из возобновляемых источников энергии - одна из самых популярных тем в обсуждениях перспектив развития альтернативной энергетики на базе возобновляемых источников сырья. Однако в публикациях и высказываниях прослеживается неоднозначная оценка реальных стоимости и возможностей альтернативных источников энергии, особенно связанных с биологическим воспроизводством, - так называемых биоресурсов.
На рис. 1 представлен прогноз потребления моторных топлив на транспорте в Российской Федерации до 2050 г.
Мировой прогноз развития производства энергетических установок для
КТС (рис. 2) обещает, что к 2020 г. около 20 %, а к 2050 г. 50...60 % производимых автомобилей будут оснащены
комбинированными энергетическими установками на базе двигателей внутреннего сгорания (КЭУ ДВС) или заменены электромобилями (КЭУ ЭМ).
При разработке новых и модернизации существующих силовых установок КТС с ДВС их производители сегодня ориентируются на создание модификаций, способных работать на различных традиционных и альтернативных жидких и газообразных топли-вах.
Существующие технологии производства и задачи по расширению применения альтернативных топлив для энергетических установок КТС определяются эффективностью применения этих топлив с учетом КПД энергетических установок КТС в полном жизненном цикле от производства до реального использования (рис. 3).
Сегодня в мире объемы тепловых выбросов автомобильным транспортом более чем в 2 раза превышают таковые от работы промышленных предприятий и неавтомобильного транспорта, потребляющих электроэнергию.
Установлено, что на фоне увлечения созданием водородных и альтернативных топлив (а в настоящее время - комбинированных силовых установок) в Европе, США и России потерян контроль над гипермасштабным ростом парка автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями, насчитывающего уже 800 млн машин в мире и 40,5 млн - в России. В результате тепловые выбросы, сопровождаемые и токсичными, достигли в мире 3,5 млрд. кВт.
2005 2010 2015 2020 2025
-♦-ДМЭ -Ш-КПГ
■ число автомобилей ■ бензин
биотопливо —•— этанол
Рис. 1. Прогноз потребления моторных топлив (млн т) на транспорте (млн шт.) в РФ
I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.
В настоящее время всеми ведущими автомобильными фирмами активно проводятся научно-исследовательские и конструкторские работы по следующим направлениям:
• разработка классификации энергоносителей для колесных транспортных средств по их энергетической эффективности не только при реальной эксплуатации, но и с учетом энергозатрат на их производство и утилизацию, то есть в их полном жизненном цикле;
• совершенствование рабочих процессов ДВС для улучшения топливной экономичности и снижения токсичности двигателей, использующих традиционные и альтернативные топлива, а также работающих на водородосодер-жащих газах, получаемых на борту автомобиля;
• рассмотрение и анализ потенциальных возможностей снижения выбросов С02 в полном жизненном
Однако использовать пищевые растительные продукты для производства биотоплив нецелесообразно, во-первых, из гуманных соображений, когда в мире недоедают более 2 млн человек, а во-вторых, получение биотоплив из пищевых растений менее эффективно, чем из целлюлозы (рис. 4). Следует планировать их массовое производство из отходов сельскохозяйственной деятельности, лесной промышленности и т.д.
В нашей стране в качестве одного из основных ресурсов для производства биотоплив рассматриваются неиспользуемые сельскохозяйственные земли, площади которых в России, по различным источникам, оцениваются в 18...20 млн га. Стоит отметить, что эти земли, в основном в восточных и северных регионах, - весьма нестабильный, экономически невыгодный ресурс, выведенный из оборота в
Рис. 4. Относительная величина поглощения углекислого газа 1/С02, по данным различных авторов, в полном жизненном цикле биоэтанола и биодизельного топлива
цикле различных биотоплив, полученных из растительного сырья.
Рис. 3. Суммарный КПД (%) топлив (энергоносители) при использовании в различных ДВС: 1 - бензин; 2 - сжиженный природный газ; 3 - метанол; 4 - дизельное топливо; 5 - сжатый природный газ; 6 - ДМЭ; 7 - синтетическое дизельное топливо; 8 - сжатый водород; 9 - сжиженный водород
связи с его малой продуктивностью. Восстановление продуктивности этих земель - капиталоемкая и неэффективная задача. Однако потребность в сельскохозяйственной продукции растет, и этот ресурс в конечном итоге будет задействован по прямому назначению - для производства продуктов питания и кормов для скота.
Производство моторных топлив из продуктов растениеводства как любой химический процесс требует стабильности и по количеству поступающего сырья, и по временному (сезонному) фактору. Останавливать этот процесс даже на короткое время, не говоря уже о зимних месяцах, нельзя [1].
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.
m
'"ооии»«^
Показатели Энергоноситель
Бензин Водород (газ) Электроаккумулятор (литий-ионный) Азот (жидкий)
Возможность использования Ограниченная Неограниченная Сильно ограниченная Неограниченная
Безопасность Взрывоопасен Взрывоопасен Малоопасен Безопасен
Производство Вредное Вредное Вредное Безвредное
Утилизация Вредная Ограниченно вредная Вредная Безвредная
Потери при хранении и транспортировке, %/сут. Менее 1 Нет Нет Менее 3
Промышленное производство Освоено Освоено Ограниченно освоено Освоено
Сжигание кислорода и образование примесей Высокое Среднее Нет Нет
Энергоемкость, МДж/кг 44 142 0,54 0,77
Затраты на производство, МДж/кг 18 232 12,36 1,6
Полезная работа, МДж/кг 6,6 21,3 0,432 0,42
Затраты руб./км 2 156 19,6 36
Одновременно с описанными направлениями ведется интенсивная разработка силовых установок взамен поршневому агрегату, включая поиск новых экологичных и эффективных энергоносителей.
В последние годы в качестве альтернативы разрабатывается и концепция автомобилей с энергетическими установками, работающими на криогенных жидкостях, в частности, на водороде или азоте. При этом энергия криогенной жидкости преобразуется в механическую работу при расширении в пневмомашине.
Криогенный двигатель с точки зрения локальной экологии можно считать идеальным. Он превосходит по расчетам даже электромобили при оценке энергозатрат на их производство и предотвращенного экологического ущерба при оценке по полному
жизненному циклу вследствие использования экологически чистого энергоносителя азота, имеющегося в неограниченных объемах (75 % массы воздуха) и возвращаемого обратно в атмосферу [2]. Основные сравнительные характеристики наиболее перспективных энергоносителей по предварительной оценке, сделанной в 2000-2003 гг., представлены в таблице [3].
Несмотря на очевидность предпринимаемых шагов многими странами (Япония, США, Китай, ЕС) по внедрению экологичных транспортных средств и наличие национальных и международных программ, в России сегодня отсутствуют региональные и федеральные программы по разработке и внедрению экологичного транспорта.
Серьезный переход на возобновляемые (солнечная, водно-ветровая
энергия) энергоносители, имеющиеся в неограниченных объемах, произойдет не ранее 2035-2040 гг., и нужно быть готовым к этому революционному переходу (рис. 5). Для объективной оценки эколого-экономических показателей перспективных энергоносителей и энергетических установок КТС необходимо вести их анализ комплексно по всем составляющим полного жизненного цикла транспортного средства.
Литература
1. Зленко М.А., Кутенев В.Ф., Лукшо
B.А. Ресурсы, техническая возможность и экономическая целесообразность получения и использования альтернативных топлив из биомассы сельхозпроизводства. Тр. НАМИ / ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». - Вып. № 243: Производство энергии и биотоплив второго поколения из непищевой биомассы: VII Международный автомобильный научный форум (21-22.10.2009, сб. докл.) - М., 2010.
- 176 с.
2. Кутенев В.Ф., Азаров В.К., Ягупов
C.В., Буриков В.С. К вопросу об экономической целесообразности и технической возможности создания экологически чистого транспорта с нулевым выбросом вредных веществ и парниковых газов // Журнал автомобильных инженеров. - 2011.
- № 1 (66). - С. 44-46.
3. Кудрявцев И.Н., Пятак А.И. и др. Эффективное использование пневмодви-гателя в автомобиле // Альтернативная энергетика и экология. - 2005. - № 2 (22).
- С. 24-27.
2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
-возобновляемые источники ---традиционная биомасса
— — нефть и газ -уголь
-ядерное топливо
Рис. 5. Мировая эволюция перераспределения использования энергоносителей на базе появления новых технологий их получения
НИ ЙЯЯЯЙР Л Фв вя# J^tefet Щ фЩ
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.
