ГОРЮЧЕЕ - КАКИМ ЕМУ БЫТЬ?

Александр Идин

(Окончание. Начало в № 2-5 - 2006)

Весь мир следит за сводками с торгов нефтью, которые стали напоминать фронтовые. Малейшее изменение ее стоимости становится новостью номер один всех информационных агентств, а вслед за колебаниями цен на нефть начинают раскачиваться курсы валют. Но человек, желая жить в комфорте (особенно в промышленно развитых странах), все же идет на рост энергопотребления, впрочем, с оглядкой на экологические проблемы. Анализ информации, поступающей со всех уголков планеты, позволяет сделать вывод о том, что покрытие дефицита энергии и постепенное замещение традиционных источников энергии (нефти, газа, угля и т.д.) будет осуществляться путем изготовления горючего из биомассы. В мире ежегодно образуется 170…200 млрд т биомассы (древесины, сельхозпродукты, отходы сельского хозяйства и т.д., что эквивалентно 70…80 млрд т нефти). Специалисты предполагают, что уже через 20 лет из биомассы будет вырабатываться до 25% энергии, потребляемой в мире. Основанием для такого вывода может служить, с одной стороны, динамика роста цен на нефть, а с другой - сведения о росте производства и потребления горючего из биотоплива. В августе 2005 г. в США был принят закон об энергетической безопасности и потребительском выборе, в соответствии с которым к 2015 г. двигатели всех автомобилей в стране должны работать как на традиционном горючем, так и на горючем из биотоплива.

В США для производства этанола будет использовано около 25 % урожая кукурузы. Сейчас этот показатель составляет 14 %, что позволяет производить около 15 млрд литров биотоплива в год. Согласно закону об энергетической политике, к 2012 г. производство этанола должно выйти на уровень 28,4 млрд литров. Ожидается, что с помощью биотехнологий удастся увеличить содержание крахмала в кукурузе, а также усовершенствовать саму технологию производства спирта. Планируется, что благодаря этому удастся увеличить выход этанола (сейчас из тонны кукурузы удается получить около 413 л этанола). Помимо кукурузы в США планируют использовать для производства этанола и другие виды сырья, в частности, отходы сельского и лесного хозяйства. Кроме того, США импортируют спирт: в среднем ежемесячно ввозится около 95 млн литров бразильского этанола.

Бразилия является крупнейшим в мире производителем этанола. Этанол изготавливается по технологии ферментации и дистилляции сахарного тростника. Спирт заправляется в топливные баки все большего числа бразильских автомобилей. В настоящее время 7 из 10 новых автомобилей, которые приобретают покупатели в Бразилии, способны работать как на этаноле, так и на бензине.

Компьютерные датчики, установленные в двигатели, управляют созданием оптимальной смеси как при заправке этанолом, так и при использовании традиционного бензина или смеси этанол-бензин. На всех автозаправочных станциях в Бразилии имеются колонки с этанолом. Более того, на обычных бензозаправках бензин продается только в смеси с 25 % этанола.

Если стоимость одного барреля (159-литровая бочка) нефти будет около $70, то производство горючего из биотоплива становится рентабельным при использовании современной технологии. Но темпы поисковых работ в этой сфере столь велики, что каждые три месяца происходит появление на свет нового горючего или нового источника для его получения. Что же касается технологий, то они постоянно совершенствуются.

По дорогам США в конце 2005 г. уже бегало почти шесть миллионов автомобилей, которые заправлялись горючим Е85 (85 % этанола и 15 % бензина). Только с конвейеров компании Ford сошло 1,5 млн автомобилей с "всеядными" двигателями. Для повышения заинтересованности покупателей в приобретении экологически более чистых машин компания General Motors дарит покупателю машины карточку на $1 тыс. для заправки горючим Е85. Продажа Е85 на автозаправках США растет, и в 2005 г. она составила 30 % общего количества проданного горючего. Тогда в США было произведено 10 млрд литров этанола, 10-процентная добавка которого в бензин снижает на 30 % токсичные выбросы. В результате суммарные выбросы от автотранспорта в США сократились на 7,8 млн т.
Машины, рассчитанные на использование биотоплива, выпускают и в Европе, но больше всего на Востоке (Mazda, Nissan, Isuzu). Чтобы еще больше стимулировать продажи таких машин правительствами разных стран предоставляются налоговые льготы, как покупателям, так и производителям и продавцам горючего Е85. Если сейчас себестоимость этанола Е85 пока выше, чем у бензина, то с расширением сети производства и продаж непременно произойдет снижение себестоимости Е85 и, следовательно, снижение цены. Уже сейчас в некоторых странах, например, в Швеции смесь этилового спирта и бензина на 25 % дешевле чистого бензина. Таким горючим может заправляться SAAB 9-5 FFV BioPover, двухлитровый двигатель которого на этой смеси развивает 180 л.с., что на 30 л.с. больше, чем при работе на бензине.

В Германии продажи авто с двигателями, работающими на Е85, до недавнего времени сдерживались почти полным отсутствием этого горючего на заправках. Но в 2005 г. немцы продали 2 % такого горючего, а к 2010 г. они расширят его продажу до 5…6 %. Популярности Е85 непременно будет способствовать решение немецкого правительства о налоговых льготах на этот вид горючего.
В Британии этанол сначала делали только из пшеницы. Затем специально для автомобилей Ford Focus FFV, принадлежащих полиции и муниципальным службам в графстве Сомерсет, было решено построить завод с годовым объемом производства до 131 млн л этанола. Спирт решено изготовлять из сахарной свеклы, пшеницы и кукурузы. Одновременно будет открыто более 100 заправок, продающих Е85 в Великобритании.

Исходным материалом для расширенного производства биотоплива в Европе может стать растение miscanthus (слоновья трава), достигающее высоты четырех метров и при этом активно поглощающее из атмосферы углекислый газ. Эта трава, выращенная на 10 % пахотных полей в Европе может дать 9 % всей необходимой электроэнергии. Сверхурожайный гибрид miscanthus обеспечивает получение 60 т биомассы с гектара, что эквивалентно 180 баррелям (28,6 т) нефти. Британское министерство окружающей среды и сельского хозяйства уже выделило средства на программу по выращиванию miscanthus и переводу электростанций на биотопливо.
Источником производства биотоплива может служить не только простая трава, но и морская. Море выбрасывает на берег громадные массы водорослей, которые с трудом удается утилизировать. В Японии нашли ферменты, перерабатывающие водоросли в метан, на котором работают газотурбинные двигатели сравнительно небольших по мощности электростанций. Даже в Австралии начали вырабатывать метан… из некондиционных бананов, которых ежегодно образуется порядка 20 тыс. т.

В России уже давно проводятся исследования возможности применения диметилового эфира. Это горючее используется в дизельных двигателях ЗИЛ 5301 "Бычок". Важнейшим достоинством такого топлива считается отсутствие выбросов сажи (как известно, сажа, в изобилии вылетающая из выхлопных труб дизельных двигателей грузовиков и автобусов, является сильным канцерогеном). КАМАЗ также приступил к переделке своих двигателей для работы на диметиловом эфире. В некоторых странах (Япония, Корея и др.) уже построены заводы по производству диметилового эфира, в основном из природного газа. А вот в Швеции диметиловый эфир планируют получать путем переработки биомассы и отходов бумажного производства.

Для дизельных двигателей существует свое альтернативное горючее. Например, жидкость В5, содержащая наряду с обычным дизельным горючим 5 % биотоплива. Для выработки биодизельного горючего ("биодизеля") используют растительное масло: подсолнечное, рапсовое, соевое, пальмовое, хлопковое и т.д. Наиболее выгодным оказалось рапсовое масло. Во-первых, с одного гектара посева рапса можно получить до 15 т биотоплива. Во-вторых, при работе двигателя на рапсовом масле снижаются выбросы в атмосферу углеводорода, сажи и оксидов азота, отсутствует сера и ароматические углеводороды - канцерогенные вещества, присущие обычному дизельному горючему. Но имеются у рапсового масла и отрицательные стороны. Оно обладает повышенной вязкостью (что затрудняет работу при низких температурах), через определенное время работы цилиндры и поршни покрываются углеродистыми отложениями, а форсунки закоксовываются. Оптимальной оказалась смесь 20 % рапсового масла и 80 % дизельного горючего. На таком горючем современный дизель может работать без переделок.

Взвесив все "за" и "против", Малайзия с 2007 г. намерена полностью отказаться от использования нефтяного дизельного горючего и перейти на использование биотоплива. Новый вид горючего станет обязательным для продажи на всех автозаправочных станциях страны. Закон коснется как малайзийских нефтяных компаний, так и компаний из других стран, которые должны будут перейти на продажу биодизельного горючего в течение пяти месяцев после вступления закона в силу. Уже появилась первая партия автомобилей с двигателями, работающими на биотопливе. Эти машины были переданы государственным организациям и ведомствам. После того, как в следующем году все транспортные средства, принадлежащие правительственным структурам, перейдут на новое горючее (В5), в Малайзии начнется широкомасштабная кампания и среди населения.

Широким фронтом ведутся исследования, направленные на внедрение водородного горючего. В предыдущей части статьи рассказывалось, что применение водорода способствует улучшению экологических показателей автомобильного двигателя. Желая использовать это свойство, специалисты канадской компании Canadian Hydrogen Energy занялись разработкой бортового электролизера, в котором из дистиллированной воды получают водород и кислород. Горючее (бензин, солярка или природный газ) перед тем, как попасть в цилиндры, насыщалось этими газами. В результате расход горючего снизился на 10 %, улучшились экологические характеристики двигателя, а также его к.п.д.

Оказалась чрезвычайно интересной еще одна идея, подсмотренная у природы. Как известно, в клетках растений под действием света расщепляется СО2, в результате чего углерод идет на "постройку" растения, а кислород возвращается в атмосферу; благодаря чему, кстати, мы и живем. Если бы удалось наладить подобным образом получение водорода из воды (или другого вещества), то, вероятно, была бы решена энергетическая проблема человечества. Как в средние века алхимики искали философский камень, так и сейчас химики, физики и биологи ищут способ получения водорода простым и дешевым способом. Группа японских специалистов, вспомнив, что для осуществления некоторых реакций необходимо присутствие катализатора, решила найти такой для получения водорода. Поиск завершился успехом: оказалось, что в присутствии рутения совместно с некоторыми сульфидами - ZnS (цинковым), CuInS2 (медно-индиевым), AgInS2 (серебряно-индиевым) был получен водород из воды под действием световой энергии.

Одновременно другая группа ученых, на этот раз американских, проводит исследования, связанные с получением водорода из водорослей напрямую, минуя стадию синтеза метана. Они надеются, что выход водорода будет на порядок больше, чем по "традиционной" технологии.

Да, ученые, инженеры и просто любители не оставляют попыток создать такое горючее, которое бы решило все проблемы автотранспорта. Но горючее не существует само для себя. Оно сжигается в конкретном двигателе или в ДВС, входящем в силовую установку (теперь в машинах устанавливается не только ДВС, но и электродвигатель, и системы рекуперации, запасающие энергию во время торможения машины). Для выбора той или иной схемы силовой установки машины необходимо учитывать большое число параметров, в том числе и реальный к.п.д. использования горючего в конкретной машине с учетом затрат на его выработку, транспортировку и т.д. Появление машин с гибридными силовыми установками, а также машин, в которых установлены только электродвигатели, требует учета затрат на выработку электроэнергии (добычу угля, получение электроэнергии и ее доставку к потребителям).

По мнению ряда ученых, будущее - за водородными авто на топливных элементах, а не за легковушками с ДВС, сжигающими водород вместо бензина. По пути создания топливных элементов для легкового автомобиля пошли, в частности, BMW и Mazda. Дело в том, что к.п.д. у топливных элементов вдвое больше, чем у ДВС, и, следовательно, потенциально они обеспечивают вдвое больший пробег на каждый килограмм водорода.