CC BY
212
стение. На первом этапе можно использовать только зеленую массу: скашивать несколько раз в процессе роста, что позволяет равномерно обеспечивать хозяйство кормами и сохранять возможности формирование клубней.
Отмечено, что животные с удовольствием едят как зеленую массу топинамбура, так и корнеплоды.
В ИП «Глава КФХ Строева Е.И.» на протяжении нескольких лет выращивается топинамбур с использованием зеленой массы на корма. Для снижения себестоимости и улучшения качества молочной продукции использовать в рационах коров в качестве энергетического корма топинамбур: в летний период зеленая масса растений составляет 30 %;
в зимний период рассыпная травяная мука — 10 % или силос — 30 % общей питательности рациона.
Список литературы
1. Картофель и топинамбур — продукты будущего / Д.Д. Королёв, Е.А., Симаков В.И. Старовойтов [и др.]. — М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. — 292 с.
2. Многофункциональное адаптивное кормопроизводство: средообразующие функции кормовых растений и экосистем // Сб. трудов ВНИИК им. В.Р. Вильямса. — М., 2014. — 138 с.
3. Топинамбур — инновационный ресурс в развитии экономики России / В.И. Старовойтов, О.А. Старовойтова, П.С. Звягинцев [и др.] // Пищевые ингредиенты. Сырье и добавки. — 2013. — № 2. — С. 30-33.
УДК 62-63
Е.В. Быкова, канд. техн. наук А.В. Гемонов А.В. Лебедев
Российский государственный аграрный университет — МСХА им. К.А. Тимирязева
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНОГО ЭТИЛОВОГО СПИРТА НА ТРАНСПОРТЕ
Значительная часть мирового энергопотребления приходится на транспорт, прежде всего автомобильный. Мировой парк насчитывает более 800 млн автомобилей, на его долю приходится почти половина всех вредных выбросов в атмосферу, а в крупных городах — до 85...90 % [1-7]. Решение многих проблем возможно только через развитие и внедрение энергосберегающих и экологически чистых транспортных технологий. Наиболее активно эти технологии развиваются и внедряются в странах, в которых запасы нефти и газа сильно ограничены, а также там, где постоянно ужесточаются требования по охране окружающей среды, а национальная политика ориентирована на применение более экологически чистых видов моторного топлива (США, Япония, Европа). Производители транспортных средств поставлены перед необходимостью постоянно внедрять в эксплуатацию все более энергетически эффективные и экологически чистые способы приведения их в движение, например, использование альтернативных видов топлива, к которым относятся спиртовое топливо, в частности топливный этанол.
Автомобили, способные работать как на бензине, так и на спиртобензиновых смесях, в США называют Flex-Fuel Vehicle, или FFV. В Бразилии такие автомобили называют гибридными.
Спирты — это производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов
водорода замещены на функциональную группу ОН. Этанол (этиловый спирт, метилкарбинол, винный спирт, гидроксид пентагидродикарбо-ния, часто в просторечии просто «спирт» или «алкоголь») — С2Н5ОН или СН3—СН2—ОН, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. Это легковоспламеняющаяся, бесцветная жидкость с характерным запахом, закипающая при температуре 78,3 °С. Основным источником получения этанола в настоящее время служит возобновляемое растительное сырье (сахарный тростник, сахарная свекла, картофель, кукуруза и др.).
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным воспламенением могут работать на чистом спирте. Однако в настоящее время все большее развитие получают двигатели, работающие на бензоспиртовых смесях, в которые для предотвращения расслоения при хранении добавляют соответствующие присадки высоких спиртов [1—3, 5].
За рубежом товарное топливо, состоящее из смеси бензина и этанола, имеет буквенно-чис-ловое обозначение: буква Е и число. Число обозначает процентное содержание этанола. Например, Е85 означает смесь из 85 % этанола и 15 % бензина.
Основные свойства этанола, бензоспирто-вой смеси Е85 в сравнении с бензином приведены в табл. 1 [1, 6, 7].
При малом содержании в бензине спирта последний выполняет лишь функцию антидетонаци-
онной присадки и его объемное содержание ставится в зависимость от климатических условий эксплуатации, влияющих на пусковые характеристики двигателя, от степени решения проблемы расслоения смеси топлива, желаемой степени снижения токсичности отработавших газов. Кроме того, бензоспиртовые смеси повышают экологические характеристики двигателей (табл. 2 и 3).
Сравнивая физико-химические свойства спиртовых и нефтяных видов моторного топлива, можно сделать некоторые общие заключения. Близкие значения массовой теплотворности смеси стехиометрического состава для рассмотренных видов топлива, несмотря на существенно более низкие значения теплоты сгорания спиртов по сравнению с бензином, указывают на то, что использование в качестве топлива спиртов не должно оказать заметного влияния на мощностные показатели двигателей.
Наличие значительного количества кислорода в составе спиртов предопределяет заметное уменьшение теоретически необходимого количества воздуха для сжигания 1 кг спирта по сравнению с бензином, вследствие чего приспособление двигателей к работе на спиртах потребует внесения соответствующих изменений в топливоподающую систему и увеличенных емкостей для их хранения.
Высокая скрытая теплота испарения спиртовых видов топлива, особенно метанола, вызывает затруднения при холодном пуске двигателей. Так, холодный пуск двигателей, работающих на спирте, затруднен уже при температуре ниже 10 °С при карбюраторном питании и ниже 5 °С при использовании систем впрыска. Проблема в известной степени решается добавлением в спиртовые виды топлива низкомолекулярных ароматических углеводородов или эфиров. Для устойчивости работы в режиме прогрева использование спирта требует более высокой энергии искрового разряда в свечах зажигания, чем использование бензина.
Низкая вязкость спиртов затрудняет смазку топливоподающей аппаратуры, а относительно высокая электропроводность совместно с высоким содержанием в спиртах кислорода вызывают необходимость решения проблем, связанных с коррозией и химическим разрушением материалов, контактирующих со спиртовым топливом [1, 2, 5, 6].
Таблица 1
Сравнительные свойства бензина, этанола и Е85
Свойство Этанол Бензин (ОЧ 85) Е 85
Химическая формула С2Н5ОН С4 С12 -
Содержание, % по массе: С/Н/О 52/13/35 85.88/12.15/- 57/13/30
Октановый индекс (ОИ) 98...100 86.94 96
Цетановое число 8 12.14 10
Низшая теплота сгорания, кДж 26 000 44 000 -
Бензиновый эквивалент, галлон 1,5 1 1,4
Пробег на 1 галлон, % 70 100 72
Потребное увеличение бака к бензиновому 1,5 1 1,4
Пределы воспламенения смеси, % объемного содержания топлива при 20 °С 3.19 1.8 2.14
Температура воспламенения, °С 363.404 255.370 -
Плотность, кг/м3 при 20 °С 789,3 720.770 -
Вероятность запуска двигателя при температурах ниже 0 °С Низкая Высокая Удовлетворительная
Изменение мощности двигателя +5 % - +3.5 %
Стехиометрический состав смеси 1:9 1:14,7 1:10
Скрытая теплота испарения, кДж/кг 840 330.350 -
Температура вспышки, °С 13 -27.39 -
Температура кипения, °С 78,4 - -
Примечание. ОИ = (ОЧИ + ОЧМ) / 2, где ОЧИ — октановое число, определенное исследовательским методом, ОЧМ — октановое число, определенное моторным методом.
Таблица 2
Концентрация спирта для повышения октанового числа топлива (смесь спирт—бензин) на одну единицу ОЧ смеси, % по массе
Спирт Бензин (ОЧ 92) Бензин (ОЧ 95) Бензин (ОЧ 98)
Метанол 1,19 2,0 2,46
Этанол 1,07 1,44 1,64
Пропанол 1,25 2,0 2,14
Бутанол 2,00 5,29 4,11
Изобутанол 1,72 4,11 -
Таблица 3
Сравнение бензоспиртовых смесей Е10 и Е85 с бензином по токсичности выбросов
Компоненты отработанных газов Много меньше Меньше Одинаково Больше
СО Е10 - - 85
SO2 Е85 Е10 - -
N0* - - Е10, Е85 -
Летучие компоненты - Е85 - Е10
СО2 Е85 Е10 - -
Основы технологии были созданы компанией FORD в 80-е годы прошлого века. Двухтопливные автомобили могли работать на смеси бензина и спирта в любой пропорции, используя одни и те же компоненты топливной системы (бак, топливопроводы, топливодозирующие элементы). Материалы, применяемые для элементов топливной системы, должны обладать повышенной устойчивостью к коррозии, так как этанол более коррози-онно активен, чем бензин.
Как показала практика, спиртобензиновые виды топлива, содержащие до 15...20 % этанола, могут применяться в любом бензиновом ДВС. Смеси, содержащие более 20 % этанола, требуют внесения изменения в топливную систему и систему управления режимами работы двигателя.
К середине 1980-х годов был создан относительно дешевый и надежный датчик, позволяющий анализировать состав отработавших газов. К этому же времени развитие в области микроэлектроники позволило настолько удешевить производство микросхем, что на их основе стало возможно производство доступных для массового пользования блоков управления различными системами автомобиля (АБС, подушки безопасности, системы питания и зажигания). На основе датчика кислорода (лямбда зонда) и микропроцессорного блока управления режимами работы двигателя был разработан блок, анализирующий состав поступающей в цилиндры двигателя смеси и управляющий ее составом посредством изменения количества подаваемого топлива в зависимости от пропорции спирта и бензина в нем.
Таблица 4
Пути повышения эффективности двигателей, работающих на бензоспиртовых (спиртобензиновых) смесях
Преимущества этанола по сравнению с бензином Технологии, позволяющие реализовать преимущества
Высокое октановое число Турбонаддув высокого и низкого давления
Высокая скрытая теплота сгорания Повышение степени сжатия более 14
Широкий диапазон пределов воспламенения смесей Непосредственный впрыск; применение обедненных смесей; применение нейтрализаторов NOx
Таблица 5
Влияние степени сжатия на характеристики ДВС
Год выпуска Степень сжатия Мощность двигателя, % Крутящий момент, % Топливная экономичность, %
2003 10,1 +3 +2 -25.35
2008 12,5 +7 +5 -25.30
2012 13,5 +9 +7 -20.25
Основные отличия автомобиля FFV от бензинового незначительны:
а) общие элементы топливной системы (топливный бак, топливопроводы, фильтрующие элементы), повышенная антикоррозионная стойкость применяемых материалов. Как правило, в качестве материалов применяются пластмассы или металлы, покрытые пластиковыми материалами;
б) топливодозирующие элементы — форсунки, работающие на повышенном давлении и с большей пропускной способностью.
В крупнейших научных центрах продолжаются исследования по повышению эффективности применения бензоспиртовых смесей в современных и перспективных двигателях. Основные направления их развития приведены в табл. 4.
Хорошо известно положительное влияние степени сжатия на увеличение термического кпд и других характеристик двигателя. В табл. 5 показано влияние повышения степени сжатия ДВС, произведенных в Бразилии, на их технико-экономические характеристики [3, 5].
Развитие спиртовых автомобилей в Бразилии началось во времена нефтяного кризиса 1970-х годов. Проектированию и производству автомобилей, работающих на спирте, способствовали субсидии правительства в рамках программы Ргоа1соо1. В рамках этой программы в штате Сан-Паулу весь парк бензиновых автомобилей перевели на спиртовое топливо [4, 7].
При этом возник ряд серьезных проблем, среди которых коррозия элементов топливной системы, плохая карбюризация и проблемы с пуском двигателя. С переходом от карбюраторов к впрыску топлива эти вопросы были сняты.
В 1970-е годы спирт добавлялся к бензину в процентном соотношении 20...25 %. Субсидии, представленные правительством, и высокие цены на нефть привели к тому, что стоимость литра спирта стала ниже, чем бензина. В результате в 1980-е годы 100 % автомобилей работали на спирте. В 1984 году 94,4 % проданных автомобилей были предназначены для работы на чистом спирте [4].
В 1986 году цены на нефть упали. К этому времени более 20 млрд долл. были вложены в сотни заводов по производству спирта, более 5 млн автомобилей потребляли этанол, была создана соответствующая инфраструктура. В 1989 году произошло сокращение производства спирта из-за нестабильности на мировом рынке сахарной продукции. Программе Ргоа1соо1 был нанесен серьезный удар, и, хотя официально она не была закрыта, начиная с 1998 года субсидии на ее поддержку стали уменьшаться.
Главные цели программы были достигнуты, так как с начала ее введения Бразилии удалось избежать импорта нефти на сумму более 20 млрд долл. в год. Сегодня Бразилия является крупнейшим произво-
дителем и экспортером этанола. Этанол составляет более 20 % от общего объема топлива, потребляемого в этой стране. Достигнутый прогресс, прежде всего, связан с тем, что бразильский этанол имеет самую низкую себестоимость в мире. С одного гектара плантаций сахарного тростника в Бразилии получают 4.6 тыс. л этанола, а, например, в США кукурузный гектар дает всего около 2 тыс. л [3]. Таким образом, было доказано, что при государственной поддержке, регулировании и стимулировании рынка энергоносителей можно существенно уменьшить зависимость от импортируемой нефти.
Когда утверждалась программа Proalcool, критики указывали на ее негативное влияние на экологию и повышение стоимости побочных затрат в будущем. Среди прочих недостатков программы назывались: обострение проблем на рынке труда, загрязнение водных ресурсов, увеличение выбросов при традиционном сгорании отходов и обострение конкуренции с продуктами питания и сельского хозяйства. Многие из них были постепенно сняты за счет применения более современных технологий.
Переход к применению альтернативного топлива был в то время вызван стратегическими и экономическими факторами, поскольку в середине 1970-х годов еще не столь остро стоял вопрос уменьшения выбросов парниковых газов. Это был один из первых серьезных шагов на пути использования возобновляемого топлива вместо ископаемого.
Этанол более экологичен, чем нефть. При его сгорании в двигателе выделяются меньше окислов углерода (СО), а при выращивании тростника происходит абсорбция СО2, относящегося к парниковым газам [4, 5]. Опыт программы Proalcool показал, что в Сан-Паулу значительно сократилось загрязнение воздушного бассейна.
В 1994 году бразильский филиал компании Robert Bosch Group начал продвигать разработку и реализацию двигателей по технологии FFV в Бразилии, отказавшись от производства двигателей, работающих только на спиртовом топливе. Возможность применения и бензина, и спирта в двигателях открывала дополнительные возможности для потребителей, а производителям автомобилей не пришлось создавать два разных конвейера для выпуска спиртовых и бензиновых автомобилей. На конец 2008 года в Бразилии автомобили FFV выпускали три основных производителя: Fiat, GM и Volkswagen. Уже в 2003 году эти компании представили авторынку страны 12 моделей автомобилей (23 версии), которые активно продавались. Только за первые 6 мес. 2004 года в Бразилии было продано 119 925 автомобилей FFV. В июне продажа достигла 31 183 шт. [4, 7].
Как и ожидалось, автопроизводители прекратили производство автомобилей, работающих только на спирте, так как потребители стали предпочитать автомобили FFV, удовлетворяющие широким уров-
ням эксплуатации. Автопроизводители, предвидя огромный потенциал роста продаж, делали большие инвестиции в технологии FFV. Почти три десятилетия эксплуатации автомобилей на спиртовом топливе позволили поднять технологии FFV на высокий уровень. Автомобили FFV по эксплуатационным характеристикам сравнимы с бензиновыми и даже имеют лучшие результаты по ускорению и максимальной скорости, но меньший пробег на одну заправку (потребление спирта почти на 30 % больше, чем бензина).
Переход к технологиям FFV в других странах потребует создания соответствующей инфраструктуры, внесения изменений в технологию производства на существующих заводах. Важно также отметить, что общие затраты при производстве двигателей FFV не сильно отличаются от производства обычных бензиновых двигателей и автомобилей. Так, уже сейчас большинство ведущих автопроизводителей, стремясь снизить массу автомобиля, широко используют пластмассы, в том числе и при изготовлении элементов топливной системы (баки, топливопроводы, топливная рампа).
Несмотря на широкие перспективы, дальнейшее наращивание производства FFV-автомобилей без больших капитальных вложений и поддержки автомобильных компаний добиться положительных результатов невозможно.
Распространение технологии FFV будет зависеть от следующих факторов: а) развитие заправочных станций; б) заинтересованность существующих и новых производителей в выпуске автомобилей по данной технологии; в) снижение стоимости топливного этанола; г) ужесточение экологических стандартов для топлива и двигателей.
Правительства ряда стран (Китай, США, Южная Африка, Австралия, Швеция, Таиланд, Индия, Канада) стимулируют продвижение FFV-техноло-гии за счет предоставления производителям субсидий и налоговых льгот. Это позволяет инновационным компаниям вместе с дистрибьюторами топлива расширять использование этой технологии в мире.
В 2005 году в США более 5 млн автомобилей были оборудованы FFV-двигателями. В конце 2006 года в США эксплуатировалось 6 млн FFV-ав-томобилей. Общий мировой парк FFV к 2008 году составлял более 20 млн автомобилей [5].
Неуклонно растет и сеть заправочных станций. Во всем мире в 2008 году насчитывалось более 36 000 заправок, предлагающих спиртосодержащее топливо. Из них более 1900 заправочных станций продают Е85 в США (по данным на январь 2009 года). В целом в стране автомобильное топливо продают около 170 000 заправочных станций [5]. Растет и количество бензоспиртовых заправок в Европе. Например, в Швеции их около 1200. В Бразилии около 39 000 заправочных станций продают этанол (конец 2008 года).
Опыт применения спиртов в Сан-Паулу и Рио-де-Жанейро показал, что возможно значительно улучшить состояние воздушной среды в мегаполисах. Развитие технологии FFV является одним из этапов перехода к экологически чистым транспортным технологиям на основе топливных элементов, которые пока находятся на начальной стадии коммерциализации. Переход к применению технологии FFV в других странах может существенно отличаться от бразильского опыта. Могут потребоваться большие усилия для их развития: дополнительные инвестиции в развитие заводов по производству относительно дешевых спиртов, строительство сети заправочных станций и обучение персонала, формирование общественного мнения и т. д.
В России для производства топливных спиртов имеется достаточно серьезная сырьевая, технологическая и промышленная база. В 2004 году введен в действие ГОСТ Р 52201-2004 на этаноло-вое моторное топливо (бензанолы). Уже пять нефтеперерабатывающих заводов отрасли провели все необходимые исследования и испытания для выпуска бензина АИ-92, содержащего в своем составе 5 % этанола, и получили соответствующие разрешения Госстандарта России (допуск к производству и применению).
Развивая технологии FFV в России, можно одинаково успешно решить комплекс социально-экономических задач, среди которых следующие: а) диверсификация энергоносителей; б) развитие сельского и лесного хозяйства; в) повышение занятости населения; г) оздоровление воздушного бассейна в крупных городах; д) дальнейшее увеличение экспорта нефти и газа.
Можно отметить основные факторы, стимулирующие распространение этанола в качестве топлива массового потребления: а) этанол — проверенное практикой топливо для мобильных транспортных средств, одобренное как в чистом виде, так и в каче-
стве добавок к бензинам для повышения их экологических и антидетонационных свойств; б) производство этанола возможно из любого органического сырья, что в дальнейшем может привести к снижению его себестоимости; в) этанол содержит больше энергии, чем требуется для его производства; г) этанол — биоразлагающееся вещество, способное к разложению как в воде, так и в почве; д) производство этанола способствует развитию экономики и занятости населения в аграрных районах; ж) эффективное применение топливного этанола потребует значительного повышения уровня технического состояния средств хранения и транспортирования горючего, заправки техники; з) этанол повышает конкурентоспособность через развитие новых технологий. Использование в качестве сырья лигнинов и других органических отходов деревообрабатывающей и сельскохозяйственной промышленности может в перспективе повысить энергетическую безопасность и значительно сократить выбросы парниковых газов.
Список литературы
1. Беляев С.В., Беляев В.В. Топлива для современных и перспективных автомобилей. — Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2005. — 236 с.
2. Макаров Б.В., Петрышкин А.А. Спирты как добавки к бензину // Автомобильная промышленность. — 2005. — № 8. — С. 24-26.
3. Brusstar M. Sustainable Technology Chooses for Alternative Fuels. USAF XV // International symposium on Alcohol Fuels. September 2005. — Режим доступа: http://www.epa.gov
4. Alternative Fuel in Brazil Flex-Fuel Vehicles. — Режим доступа: http://www.cse.unc.edu
5. Launder K. From promise to purpose: opportunities and constraints for ethanol-based transportation fuels // MSU. DRD. — 2001. — P. 49.
6. Macdonald Th. Alcohol fuel flexibility — progress and prospects // CEC-600-2005-308. September 2005.
7. Swartz A. An Introduction to Fuel Ethanol // Briefing to the Sao Paulo Sugar Cane Agroindustry Union, Sao Paulo, Brasil, February 2005.
УДК 556.16
А.В. Перминов, канд. техн. наук М.А. Смирнова
Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева
ОЦЕНКА ВНУТРИГОДОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЧНОГО СТОКА В БАССЕЙНЕ ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ
В
опрос о распределении стока внутри года яв- ния каждого из них учесть в полной мере практи-
ляется довольно сложным. При его исследо- чески не возможно. вании необходимо принимать в расчет целый ряд Если рассматривать речной сток внутри года,
взаимосвязанных факторов, однако степень влия- то совершенно очевидно, что факторы, действую-
30 -
