До чого вони, ці ще недавно невідомі, одержувані в мізерних кількостях і дорогі в набутті альтернативні джерела енергії, в якій би іпостасі їх представляли? Екологія? Безумовно. Але, здається, не тільки турботою про чистоту повітря ми зобов'язані всім цим танцям навколо солнцемобилей, водневих проектів, електро- і гібридних технологій. У обивательських ЗМІ не зустрінеш цієї інформації, однак і без них зрозуміло: оскільки нафта - не поновлюваний енергоресурс, коли-небудь настане той момент, коли з нафтового крана, де б він не знаходився, витече остання крапля чорного золота. Як скоро це станеться, і яким чином людство до цього готується? А наша країна?
Як скоро ... Відповідь на це питання схожі на гадання на кавовій гущі. Незважаючи на те, що споживання нафти в світі зростає постійно, щорічний аналіз її запасів не завжди коригується в бік зменшення. Відкриваються нові родовища, удосконалюються технології аналізу наявних покладів, з'являються передові методи видобутку. Зрештою, існує теорія так званого абіогенного (на противагу біогенного - з органіки) походження нафти, яка говорить: вона продукт неорганічних речовин, схильних до трансформації в умовах високого тиску і температури. Останнє лише обережне (і оптимістичне) припущення, не знаходить підтвердження в широких наукових колах. Що ж до спроб запасів, що залишилися (розвіданих і нерозвіданих), а точніше, термінів їх вичерпання, то вони лежать в дуже широких межах - від 50 до 100 років. Більш реалістичні прогнози відміряють вуглеводневої енергетиці 40-60 років. При цьому такий аналіз сильно різниться по країнах. Наприклад, Росія здатна вичерпати свої надра за 20-35 років.
Мабуть, нерозумно сумніватися в тому, що для нафтових компаній всі ці альтернативні джерела енергії як кістка в горлі. Однак певні і значні зрушення у відмові від традиційного палива в наявності. Відзначимо, що основними постачальниками нафти на світовий ринок виступають країни Близького сходу, Росія, США, Канада, Венесуела, Мексика, Бразилія. В Європі нафту добувають Норвегія, Великобританія, Данія, Італія та Румунія. І якщо перші три країни Старого світу ще щось імпортують, то інші забезпечують вуглеводнями тільки себе. Ці обсяги - крапля в морі. При цьому в Європі подейкують про відмову від дизелів до 2020 року, а до 2050-го Німеччина, Нідерланди, та ж Норвегія і Англія взагалі збираються відмовитися від автомобілів на вуглеводневому паливі. Toyota заявляє, що до середини століття викиди від автомобілів концерну повинні знизитися на 90%. Інші японські виробники готові поступово згортати розробку нових дизелів
Втім, як ми розуміємо, енергетика, зав'язана на вуглеводні - це не тільки нафту. По газу прогнози оптимістичніші. Відпускають його нам чи не на століття, а з урахуванням складних джерел отримання (сланцевий газ або метан вугільних пластів) - навіть на 2,5 століття. Безумовно, при таких запасах і розвитку технології видобутку це паливо майбутнього. Ось тільки не в будь-якій країні воно є, тим більше в потрібних кількостях. Росія, до речі, в найкращому становищі: за покладами природного газу і різними даними ділить перше-друге місце з Іраном, по вугільному ж метану попереду планети всієї. На жаль, все це багатство ще потрібно дістати - з меншими енерговитратами, ніж одержуваний енергоносій, і за відповідною ціною. А пропан-бутан (зріджений газ) взагалі прив'язаний до нафти - його отримують при її перегонці з попутних газів. Втім, поки газ - що природний (метан), що синтезується - дешевше чорного золота. І він теж не поновлюваний ресурс. У тих же країнах Європи, за рідкісним винятком, його взагалі не було і немає. Як і нафти. Як і в Японії. І саме ці держави, між іншим, особливо піклуються про екологію, знаходяться на вістрі розвитку альтернативних джерел «автомобільної енергії».
Наздогнати ... Пакистан
Почнемо з газу і будемо короткі. нещодавно вийшов матеріал, присвячений ГБО . Тому лише узагальнимо сказане, зробивши наголос на природний газ. Адже він дешевше пропан-бутану, чистіше його по вихлопу, хоча і складний в зберіганні. Рідиною стає при мінус 160, в балонах міститься під тиском в 200 атм. (Для порівняння: тиск пропан-бутан в ємностях всього 10-16 атм.). Тому товстостінні сталеві балони дуже важкі, а металопластикові або композитні - дорогі. Дорожче, ніж пропан-бутановий і весь комплекс обладнання, що подає газ в циліндри. Проте в Європі, де лише кілька країн мають мізерними запасами метану, автомобілі, що працюють на природному газі, не просто в ходу - пропонуються на цьому паливі самими виробниками. Можна говорити як мінімум про VW, Mercedes, Ford, Opel, Fiat, Volvo.
Мабуть, найбільш активно CNG (Compressed natural gas, стиснений природний газ), або метан, використовується в Старому світі. Окрім наведених марок, є інформація, що такі версії пропонуються і французькими компаніями, і BMW. Широке застосування природного газу як палива для легкових автомобілів стало можливим при використанні балонів з композитних матеріалів. До цього метан в важких (до центнера) металевих ємностях був долею вантажівок і автобусів. Тепер же Бітоплівние системи можна зустріти на 1,4-1,6-літрових моделях. Відрізнити їх можна за назвою, в якому присутня добавка CNG, NGT, Ecofuel, Ecoflex, Bifuel, Natural Power. Зазвичай мова йде про близько 20 кг (або 30 куб. М) метану і 30 л бензину (хоча тут можуть бути варіанти). Подібного запасу вистачає на 700-900 км. Це більше, ніж якщо б двигун «харчувався» зрідженим газом (пропан-бутаном), оскільки виділення енергії при згорянні того ж обсягу у метану вище і мотор на ньому економічніше
Більше все ж дивує застосування метану в якості автомобільного палива в країнах, далеких від передових технологій. І якщо серйозний автопарк на природному газі в Ірані піддається поясненню (нагадаємо, його запаси в цій країні можна порівняти з російськими), то «газифікацію» Пакистану, Індії, Бразилії, Аргентини ще потрібно постаратися розтлумачити. У кожного з цих держав окремо метану в надрах в десятки разів менше, ніж в РФ. При цьому машин на CNG більше півтора мільйонів, двох з гаком, трьох ... В Росії близько 100 тисяч ... Парадокс? Замкнуте коло! Автовиробники (вітчизняні, якщо не брати до уваги вантажівок і ГАЗелі, яку, схоже, зняли з виробництва, не випускають; зарубіжні в РФ Ecofuel-версії офіційно не пропонують) посилаються на те, що в країні не розвинена мережа заправок. А ті, хто може їх створювати, нарікають на відсутність достатньої кількості клієнтів. У підсумку на всю Росію з урахуванням Криму на початок минулого року налічувалося всього 250 АГЗС. Від Іркутської області і на схід від в регіонах їх одиниці. Для порівняння: в Пакистані - понад 3300.
У низькій популярності метану в Росії є причина. Особливості зберігання природного газу і закачування його в балони, коли для оперативності цього процесу використовуються блоки ресиверів з накопиченим заздалегідь метаном, роблять АГНКС (автомобільну газонаповнювальну компресорну станцію) дорогим задоволенням. Дозволити їх собі можуть тільки багаті оператори. У РФ близько 200 заправок належить «Газпрому» ... Але чому ж тоді в не особливо багатих і, як нам здається, не надто розвинених Аргентина, Бразилія, Пакистані бізнес може дозволити собі довгострокові вкладення?
сонцепоклонники
Ідея використання сонячної енергії для руху не нова. Вважається, що вперше фотоелементи, що перетворюють потік фотонів в електричний струм, що приводить електродвигун, застосували понад півстоліття тому. Амбіційний проект американського інженера так і залишився утопією, яку через 30 років повторив його австралійський колега.
А вже в 1987-му стартувало перше і досі наймасштабніше «екоралі» - World Solar Challenge (зараз називається Global Green Challenge). Це точка докладання зусиль і коштів не тільки автокомпаній, а й різних університетів, наукових організацій, в тому числі з аерокосмічної галузі. Результати відповідні. Лідери в абсолюті - це боліди з вуглепластиковим кузовами вагою близько 140-200 кг, здатні розвивати швидкість до 150-160 км / год і підтримувати протягом 3000 км середню швидкість в 90-100 км / ч.
Болід Sunraycer (зліва), створений GM і переміг в 1987 році, і Tokai Challenger (в центрі) від однойменного японського університету, який виграв WSC в 2011-му, уособлюють собою дві епохи солнцемобилей. У них багато спільного. Так, навіть майже 30 років тому для виготовлення зовнішніх панелей використовувався кевлар, надлегкої була несуча конструкція, кузов виконувався з урахуванням законів аеродинаміки. Але якщо Sunraycer важив 265 кг, то Tokai Challenger вже 160 кг. Батареї першого були з оксиду срібла, другого - літій-іонні. Максимальна швидкість американського боліда сягала 121 км / год, а середня на дистанції - 67 км / ч. Результати у японців - 160 і 100 км / год. Занадто незначну перевагу з урахуванням майже четвертьвековой різниці в часі створення? У цій області прогрес ще більш степенен, ніж по відношенню до ДВС. До речі, досліди з Sunraycer дозволили GM в 1990-му пред'явити світові спочатку концепт Impact (праворуч), а через шість років вже серійний електромобіль EV1
Енергія сонця як ніякий інший вид «палива» залежить від сторонніх чинників, часом суперечливих, і на даний момент особливо сильно зав'язана на розвиток технологій. Розраховуючи вихідну потужність фотоелементів, потрібно враховувати інтенсивність сонячного випромінювання. А вона різниться від регіону і погодних умов. Вважається, що в Європі при хмарності це може бути 100 Вт на квадратний метр, але в ясну погоду значення здатне виростати уп'ятеро. Більше воно в Австралії, де не дарма проводиться WSC, і в інших куточках земної кулі. Разом з тим, сонячні батареї не люблять перегріву, від якого знижується їх ККД. Що ж до технологій, а саме ефективності перетворення фотоелементами потоку фотонів в електричний струм, то поки на тих же спортивних болідах вдається досягати 22-30%. Прикинути одержувану потужність можна самостійно. Щоб рухати надлегкі конструкції, їх покривають сонячними батареями площею 6-8 кв. м. Експерименти з різними матеріалами (кремній, германій, індій, галій, органіка) дозволили в лабораторних умовах домогтися майже 45% ККД. Великі надії покладаються на так звані наноантени, які можуть підняти ефективність фотоелементів до 85%. Але все це не більше ніж перспективи.
Словом, якщо сонце і можна в майбутньому розглядати безпосередньо як рушійну силу транспорту, то тільки в окремо взятих регіонах. Втім, вже зараз в ряді країн геліоенергетика активно використовується в комплексі з автомобілями, що мають мінімальні або нульові викиди.
Якщо на сонці не можна «їздити», то їм можна заряджати plug-in гібриди або електромобілі. Адже електрику, що виробляється для чистого транспорту, саме далеко не завжди володіє тим же якістю - іноді виходить за допомогою спалювання вугілля, газу і т. Д. А якщо все це «електрогосподарство» ще й посадити на сонячну енергію, вироблювану батареями на фотоелементах ... виходить ідеальна система, в якій немає місця шкідливим викидам. Перші такі заправки з'явилися в Європі ще на початку 90-х. Зараз є вже цілі мережі подібних пунктів, що належать різним операторам, навіть автокомпаніям (як, наприклад, Honda). Іноді їх доповнюють «вітряками», підстраховувати сонячні батареї при погодних колізіях
H'а на всі ваші бензини
Водень (позначається символом H) - ось що в якійсь мірі можна називати паливом майбутнього. На планеті, нехай і в зв'язаному вигляді, його багато. Досліди з ним як з горючою речовиною почалися ще на самому початку XIX століття. А трохи пізніше було доведено, що з'єднання молекул водню і кисню відбувається з виділенням струму. Загалом, хоч в двигуні пали, хоч електрику виробляй, що, до речі, з 60-х років робиться на борту орбітальних станцій. Але не все так ідеально, як здається з першого погляду.
Використовувати водень або його суміш для харчування мотора почали ще за часів перших винахідників ДВС. У блокадному Ленінграді водень скачували з аеростатів загородження і при нестачі бензину заправляли їм двигуни зисів-ГАЗів. У наш час найбільш плідною роботою з ним відзначився BMW, який з кінця 70-х і аж до 2008 року раз у раз і представляв то прототипи, то дрібносерійні моделі, чиї мотори харчувалися H. Виявилося - утопія. Щоб зробити вихлоп на водні чистіше, ніж на бензині, суміш доводилося збіднювати, чому серйозно (від 10 до 45%) падала потужність двигуна. Була й інша проблема: володіючи гарною плинністю, водень потрапляв в масло, окислявся, утворюючи воду, і міг призводити до корозії внутрішніх деталей двигуна.
Якщо з воднем зберігати той же стехіометричний склад суміші, що і на бензині, то неминуче і значно в вихлопі виросте зміст окислів азоту - через більш високої температури горіння цього газу. А на збідненої суміші падає потужність. Інша особливість водню - його хороша займистість, чому високий ризик гартівного запалення. У цьому сенсі краще для роботи на ньому підходить роторний двигун, де суміш надходить в камеру без свічок. Mazda якийсь час бавилася з моделлю RX-8, але в 2008-му проект, судячи з усього, закрили
Загалом, як паливо для ДВС, по крайней мере, автомобільних, водень себе не проявив. Інша річ отримання за допомогою нього електричного струму. Як говорилося вище, цей процес (зворотний електролізу, тобто розщеплення води під впливом струму на водень і кисень) був відкритий давно, вже в наш час застосовувався в космонавтиці і тільки з кінця 90-х почав прописуватися під капотами автомобілів. Відбувається це так. На паливний елемент, що складається з двох пластин (анода і катода), з одного боку подається водень, з іншого кисень (наприклад, у вигляді набігаючого потоку повітря або за допомогою компресора). Завдяки катализаторам (платині, кобальту) молекули з'єднуються, утворюючи на виході воду і електричний струм. Послідовно об'єднані ці паливні елементи вже стають електрохімічним генератором, здатним видавати до 100-120 кВт - крутити електромотор і запасати енергію в акумуляторах.
На цьому малюнку показано, як працює паливний елемент
Ідеальний носій енергії? На жаль, водень теж ще треба отримати. У промислових умовах це робиться з будь-якого вуглеводневого палива - природного газу, пропан-бутану, метанолу, етанолу, навіть бензину, солярки або нафти. Але де тут екологія і відхід від невідновлюваної палива? А для отримання водню з води шляхом електролізу необхідно багато електроенергії, недорогий і «чистої», яку ... Чи не простіше пустити на зарядку акумуляторів електромобілів?
Chevrolet S10 Gen зразка 2002 року, на відміну від попередніх моделей, що не заправлявся воднем. На його борту був так званий ріформер - установка для отримання водню з вуглеводнів. В даному випадку з бензину
Honda FCX Clarity 2008 року (зліва) стала першим серійним водневим автомобілем на паливних елементах. Седан довжиною 4845 мм мав електрохімічний генератор (ЕХГ) в 100 кВт і такої ж потужності електромотор. Друге покоління, представлене в кінці минулого року під назвою Clarity Fuel Cell (в центрі), на 50 мм додало в довжину. Ефективність ЕХГ залишилася колишньою, але потужність електромотора збільшилася до 130 кВт. Toyota Mirai (праворуч), представлена в кінці 2014-го, це теж седан, довжиною 4890 мм і, до речі, масою 1850 кг, що на 215 кг більше, ніж у Honda. Зате у Toyota віддача ЕХГ 114 кВт і потужність двигуна 113 кВт. Ще одна принципова відмінність - батареї у Honda літій-іонні, у Toyota нікель-металогідридні
Само собою, доріг водень і в роздріб. Скажімо, в Німеччині він коштує 9,5 євро за кг, а 95-й бензин за все 1,13 євро за літр. На 500 км першого потрібно трохи більше 6 кг, другого, якщо говорити про двигун об'ємом 1,5-1,6 л, - літрів 40. Все одно традиційне паливо виходить дешевше. Так і самі машини - на прикладі Clarity і Mirai - з урахуванням їх класу і розмірів надзвичайно дороги. Honda коштує $ 63 500, Toyota - $ 60 000. І при цьому над інфраструктурою заправок ще працювати і працювати, оскільки зараз по всьому світу їх менше тисячі. Правда, вже є АГНКС, де функціонують установки електролізу води - харчуючись від сонячних батарей або вітрових станцій. Ось це вже реально екологічно чиста енергія. І знову ж таки - поки дорога через вартість таких комплексів. Не дарма ж перше покоління Clarity розійшлося тиражем всього лише в кілька сотень примірників, які надавали в лізинг, після чого компанія вивчала думки. Втім, плани по Mirai вже 2-3 тисячі автомобілів в рік. До 2020-го збирається мати мінімум одну водневу модель BMW. В Європі компаніями Daimler, BMW, Hyundai, Honda і Toyota створений консорціум Hydrogen for Innovative Vehicles, в задачах якого обмін технологіями і популяризація автомобілів на водні. Нарешті, є зрушення і в частині розвитку мереж АГНКС. За воднем - майбутнє? Згадаймо, що ще 15 років тому виробники натхненно говорили про те, що ще трохи, ще чуть-чуть, і водень посуне вуглеводневе паливо. У всякому разі, займе якийсь значний відсоток у всьому паливному енергообороте.
на видиху
Пневмодвигатели - це взагалі екзотика, місце якої в невеликих міських машинках, улюблених французами або індусами. За типом ці мотори можуть бути поршневими, лопатевими, роторними. Один з таких можна подивитися на відео.
Запас повітря (зазвичай близько 80 кг) з балона, де він зберігається під тиском в 350 атм., Подається до системи клапанів, що забезпечує його доступ до циліндрів або камерам з лопатями або поверхнями ротора. «Коней» виходить близько 5-10. Цілком достатньо для того, щоб розігнати 220-350-кілограмовий пластиковий автомобільчик до 70-110 км / ч, а в крейсерському режимі проїхати до 200 км.
І все-таки пневмопривід може бути життєздатним. Не так давно французи знову здивували своєю пристрастю до повітря.
Toyota, здається, збирається застовпити всі напрямки розвитку альтернативної енергетики. Або вже зробила це. Болід Ku: Rin з пневмодвигуном розігнався до 129 км / год
Паливо з грядки
До чого придумувати нові двигуни / принципи отримання енергії або продовжувати спустошувати надра планети, якщо необхідне паливо можна отримати сільськогосподарським способом? Треба відзначити, що штучний бензин - з кам'яного вугілля - навчилися синтезувати ще перед Першою світовою війною, в Німеччині. Чим Третій рейх активно користувався під час Другої світової. Як ви розумієте, це не те ...
З рослинних культур паливо, а конкретно біоетанол - просто спирт - отримували ще на початку XIX століття. Порівняно масштабне його виробництво почалося в 70-х роках минулого століття, поштовхом послужив паливна криза. На передові ролі тоді вийшла Бразилія. Тепер же в лідерах США, активно розвивають біопаливо в Німеччині, Франції, Аргентині. Правда, мова не завжди йде про одне й те ж виді палива.
У Південній Америці, де автопарк в основному бензиновий, виробляють біоетанол і біобутанол. Основна культура тут цукрова тростина, хоча біобутанол можна отримувати з буряка, кукурудзи, пшениці і всього целюлозовмістні. Біометанол, як і біодизель, синтезують переважно з водоростей, які, само собою, вирощуються в штучних умовах. Втім, визначальним тут виступає пристосованість культури до даних умов і кількість масла (сировини), одержуваного з гектара посадок. Тому в Європі більше популярний рапс, в Індії ятрофа, в Південній Америці цукрова тростина, в країнах Тихоокеанського регіону - певні види пальм.
Проте рослинне паливо зовсім не панацея. Його противники відзначають, що для посадки відповідних культур вирубуються зелені масиви, які б принесли більше користі поглинанням вуглекислого газу. Основний же мотив критики - не можна з продуктів харчування робити пальне. І не можна займати під нього сільгоспугідь, на яких «росте їжа». Ось і президент РФ якось висловлювався в подібному тоні, мовляв, продукти харчування подорожчають. Але, дозвольте, в Росії повно відходів лісопереробки, з яких також можна виробляти біопаливо. Розмови про це ведуться з середини 2000-х. І де результат? Що ж до всього іншого світу, то зараз на порядку денному перехід на біопаливо так званого другого покоління - отриманого з промислових і сільськогосподарських відходів, а також з водоростей.
Штучні водорості - один з перспективних напрямків отримання біометанолу і біодизеля. Для їх селекції немає необхідності виділяти придатні сільгоспземлі. Підійде пустельна, навіть посушлива і спекотна місцевість. Водорості ростуть в солоній, не виключено, брудній воді. А вихід кінцевого продукту, тобто масла, у них в рази більше, ніж у культур, які ростуть в грунті. З них же, а крім того з різного роду відходів, в тому числі побутового сміття, можна отримувати і водень
Що в результаті? Уявіть собі, ціна нафти вже не так впливає на розвиток програм, пов'язаних з альтернативним паливом, як це було 30-50 років тому. Проблеми з екологією і розуміння того, що вуглеводні рано чи пізно закінчаться, чи не штовхає до відмови від незвичних раніше джерел енергії, коли барель б'є історичний мінімум. Тому в розвинених і не дуже країнах є довгострокові бізнес- і урядові проекти з впровадження та розповсюдження альтернативних видів палива. Чому віддається перевага? Електромобілів, яких ми в цьому матеріалі не торкалися (оскільки не так давно їм була присвячена окрема стаття ). Але і їх не можна сприймати у відриві від цілого енергетичного комплексу, покликаного продовжити наше існування на цій планеті. Саме поєднання різних видів енергетики - недорогий, чистої або заповнювати - має забезпечити максимальну ефективність при збереженні екології та ... звичної для нас цивілізації.
А що в Росії щодо автомобілів? Про природний газ ми сказали. Солнцемобили, якщо за найвищу точку їх розвитку брати участь в World Solar Challenge, у нас «в загоні». Російська команда виступала в цьому змаганні лише одного разу, в 1993-му, і зайняла останнє місце. Правда, в нашій країні є підприємства, що випускають фотоелементи. Але якийсь зв'язок цієї галузі з колісним транспортом не простежується.
Проект автомобіля на паливних елементах - згадаємо Ниву «Антел» та інші вазовские концепти - схоже, згорнутий. У всякому разі, інформації про його розвиток більше не надходить. Біопаливо ж в РФ випускати нерентабельно. Одержуваний з будь-яких тирси біоетанол обкладається акцизом подібно алкогольної продукції. У 2015 році це було 93 рубля з літра. Пити з таким акцизом спиртні напої можна, однак заправляти автомобілі ... Мінфін лише пропонує 2016 м, 2017-го або 2018 року зробити акциз на біопаливо нульовим. На Україні, наприклад, подібне рішення було прийнято шість років тому ...
Екологія?Як скоро це станеться, і яким чином людство до цього готується?
А наша країна?
Парадокс?
Але чому ж тоді в не особливо багатих і, як нам здається, не надто розвинених Аргентина, Бразилія, Пакистані бізнес може дозволити собі довгострокові вкладення?
Занадто незначну перевагу з урахуванням майже четвертьвековой різниці в часі створення?
Але де тут екологія і відхід від невідновлюваної палива?
Чи не простіше пустити на зарядку акумуляторів електромобілів?
За воднем - майбутнє?
І де результат?
