Альтернативные виды топлива: краткая характеристика новейших разработок

Газ, бензин и дизель: умное управление топливом

Классические виды топлива в будущем вряд ли полностью исчезнут — по крайней мере в России. Но со временем они станут более экологичными и энергоэффективными. На рынке уже распространены гибриды, например, range-extenders — электрокары со встроенным ДВС, который продлевает запас хода, если батарея садится. Вероятно, именно такие гибридные модели выйдут на передний план в будущем.

Развитие подключенных автомобилей и телематики также позволит сократить расход топлива и более эффективно отслеживать его потребление. Современные системы уже помогают мониторить топливную статистику, а в будущем они смогут оптимизировать затраты ресурсов.

Исследования показывают, что умный мониторинг поведения водителя с последующей аналитикой может сократить количество выбросов на 5-20%. В первую очередь, добиться этого помогают системы, которые препятствуют внезапному торможению. Водитель делает меньше резких маневров —  расходуется меньше топлива.

Еще один вспомогательный инструмент — продвинутая система навигации, которая подбирает не только самый короткий, но и наименее «энергозатратный» маршрут, а также помогает быстрее находить свободные парковочные места.

Подключенные системы оптимизируют работу не только легкового, но и грузового транспорта. Например, грузовые «конвои» способны на треть сократить затраты топлива. Использование машинного обучения и нейросетей в будущем еще больше упростит задачу — полуавтономные системы будут работать в фоновом режиме, минимизируя расход бензина или дизеля.

Развитие беспилотного транспорта и каршеринга, вероятно, тоже приведет к сокращению потребления топлива — машины будут меньше простаивать на стоянках и использоваться более эффективно.

Экономика шеринга

Экономика шеринга в 30 цифрах и фактах

Автомобильный сектор в силу своей специфики достаточно консервативен — автопроизводитель не может за пару месяцев переформатировать конвейер на заводе или перенастроить цепочку поставок. Поэтому переход на новые виды топлива займет больше времени, чем полагают аналитики. Цифровые решения, например, системы умного мониторинга, внедрить намного проще — это не требует так много времени и ресурсов. Поэтому топливная революция начнется с аналитики и развития подключенных систем, а не с футуристичных топливных элементов или биодизеля на основе водорослей.

Подписывайтесь также на Telegram-канал РБК Тренды и будьте в курсе актуальных тенденций и прогнозов о будущем технологий, эко-номики, образования и инноваций.

↑ Автомобили на «традиционном» альтернативном топливе

Постоянно усиливающаяся проблема с ростом цен на топливо и загрязнением окружающей среды заставляет производителей активнее разрабатывать силовые установки, работающие на альтернативном топливе. Среди этих этих разработок уже выделились достаточно «традиционные» направления. Среди них:

1) «Биоэтанол»

. Ну, это обычный этиловый спирт, а «био» — потому, что его производят из растительного сырья. Этот вид топлива в двигателях внутреннего сгорания пробовали применять ещё в конце 19 века. Однако тогда этанол не выдержал конкуренции с бензином — он даёт меньше энергии при сгорании, а значит — уменьшается мощность двигателя. Сейчас к идее вернулись, отчасти благодаря постоянно дорожающей нефти, отчасти ради заботы об окружающей среде — в отличие от бензина, автомобили, работающие на этаноле, своими выбросами куда менее вредят атмосфере.

Однако, помимо меньшей энергоёмкости, ещё одной проблемой являются затраты на производство этанола. Сейчас этанол в тех странах, где пытаются на него переходить, получают из зерна или сахарной свеклы, т. е. пищевых продуктов. И растительного сырья нужно много — так, например, одна заправка спортивного автомобиля может съесть до 250 кг. кукурузы. На фоне подступающего мирового продовольственного кризиса планы США по производству биотоплива из растительного сырья (а там на этанол пускают уже где-то 25% выращиваемой кукурузы) многие подвергли резкой критике. Ринулись переходить на альтернативное топливо и в Швеции — компания Saab недавно продала уже стотысячный автомобиль, работающий на этаноле.

2) «Биодизель»

. Ещё одна разновидность топлива из растительного сырья, возможность использования которого использовали ещё в начале 20 века. Наиболее предпочтительным сырьём для производства этого вида топлива является рапс, можно использовать также сою, хлопок и т. п.

3) Природный газ

. В общем-то, этот вид топлива уже давно используется в качестве «альтернативного» и в настоящее время газ является самым популярным альтернативным топливом. Газ дешевле и запасов его в мире больше, машины, работающие на природном газе, меньше загрязняют окружающую среду, однако за счёт того, что для хранения газа нужны тяжёлые и прочные баллоны, для небольших автомобилей использование газа не очень выгодно.

4) Водород

. У этого вида топлива как альтернативы традиционному в будущем очень много сторонников. Использование водорода в качестве топлива, с одной стороны, достаточно привлекательный вариант — он при сгорании совершенно не загрязняет атмосферу, не выбрасывая, в отличие от других «альтернативных топлив», даже углекислого газа, вызывающего парниковый эффект. Кроме того, его энергия сгорания весьма высока. Автомобили, работающие на водороде, уже выпущены, и ряд корпораций планирует выпустить ещё больше автомобилей, работающих на водороде, в ближайшее время.

Автомобиль , работающий на водороде

Однако, есть немало проблем. Во-первых, водород очень взрывоопасен, и хранить его неудобно и дорого. Во-вторых, само получение водорода требует затрат энергии, и имеет смысл, очевидно, только в том случае, если для его получения будет использоваться «даровая» энергия ветра или Солнца, иначе никакого выигрыша с точки зрения охраны окружающей среды получено не будет. В-третьих, переоборудование автомобиля для работы на водороде приведёт к усложению и утяжелению конструкции.

В конструктивном плане есть два варианта получения энергии из водорода — это использование т. н. топливных элементов, либо использование водорода в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания. У обоих вариантов есть плюсы и минусы, сторонники и противники.

Этот автомобиль, выпущенный , может работать аж на 5 различных видах топлива. Это биоэтанольная смесь E85, сжатый природный газ, биогаз, бензин и газовая смесь Hythane (10% водорода и 90% природного газа метана)

Электричество

На сегодняшний день электрокары нельзя назвать редкостью. Почти каждый из производителей-гигантов регулярно выпускает такого вида модели. Считается, что за ними будущее, так как источников электричества на планете предостаточно.

Достоинствами электромобилей являются:

• отсутствие выхлопных газов;
• зарядка аккумуляторных батарей от обычной электросети;
• низкий уровень шума;
• высокий КПД двигателя.

Но есть и недостатки:

• цена на такие автомобили пока остается высокой по сравнению с обычными;
• слабо развито сервисное обслуживание, так как присутствует нехватка квалифицированного персонала.

Биодизельное топливо на растительных маслах

Для получения биодизеля используют рапсовое, соевое и подсолнечное масла. Это экологическое топливо, которое полностью разлагается и практически не содержит серы, производится по технологии этерификации. Все виды горюче-смазочных материалов проходят стандартизацию. Попадая в почву или в воду, такое топливо под действием микроорганизмов разлагается за 28 дней, не нанося вреда окружающей среде.

Выпускают как моновариант горючего, целиком состоящего из биодизельного топлива, так и составные материалы, которые выполняются из смеси бензина с производными рапсового или соевого масла. На АЗС Франции, Бельгии, Норвегии заправиться таким горючим можно также легко, как купить топливную карту «Газпромнефть» в России. Биодизель свободно продается физическим лицам и корпоративным клиентам. Во Франции практически все горючее на 5% состоит из этого топлива.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал , что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Зеленая экономика

Водородная энергетика России и Европы: перспективы рынка на $700 млрд

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» , которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

1. Лобби со стороны развитых государств: в США , ЕС , Японии , России и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
2. Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
3. Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets , к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Топливо, его виды и характеристики

На протяжении всей истории развития человечества, люди постоянно были связаны с получением и использованием в своих целях различных видов энергии. Люди пользовались тепловой энергией в целях обогрева жилища, приготовления пищи, изготовления различных видов предметов быта и орудий труда.

С самого начала люди использовали нефть и уголь, которые при сжигании дают приличное количество тепла. На данный момент само понятие «топливо» подразумевает те вещества, которые при сжигании выделяют тепло в больших размерах. Данные вещества добываются промышленным способом и в зависимости от вида распространены на поверхности и в глубине Земли.

На данный момент самыми распространенными видами топлива являются нефть, нефтепродукты, уголь, природный газ, древесина, растительные виды топлива или отхода, торфяные соединения, горючие сланцы. Самыми сложными в использовании, но с другой стороны тепловыделяющими веществами являются вещества, которые используются на атомных электростанциях в ядерных реакторах, а также в ракетных и космических двигателях.

Вообще, все виды топлива можно классифицировать, например, по агрегатному состоянию. Т.е. получается существует твердое топливо (древесина, горючие сланцы, торф и уголь), жидкое топливо (нефть, нефтепродукты) и газообразное топливо (природный газ, водород). Возможно разделять топливо еще и по происхождению – растительное, минеральное и продукты промышленной деятельности, в частности, переработки.

Практически во всех видах топлива есть такой элемент как углерод, он может содержаться в количестве от 30-85% от общей массы вещества. В химический состав топлива могут входить также такие вещества, как водород, кислород, азот, сера, зола и вода.

Все виды топлива не могут быть одинаково эффективны и полезны. В основном это различие заключается в количестве тепла, которое выделяется при его полном сжигании. К примеру, при сжигании древесины выделяется 10,5 МДж, бензина – 45 МДж, а вот каменного угля – 20 МДж. Величина тепла, которое выделяется при полном сжигании топлива, прямо пропорционально зависит от того, сколько содержится в топливе углерода и водорода, и обратно пропорционально зависит от содержания азота и кислорода.

Также топливо можно разделить по жаропроизводительности, так, например, при сжигании бензина выделяется 2100 градусов Цельсия, при сжигании каменного угля – 2030 градусов Цельсия, а при сжигании древесина – 1600 градусов.

На сегодняшний день самым распространенным видов топлива является нефть, а до 70-х годов таким видом топлива являлся уголь. Нефть на данный момент является самым энергоэффективным топливом, и скорее всего топливо природного происхождения уже навсегда останется самым ходовым видом топлива.

Практически весь объем топлива, который сейчас добывается сжигается полностью. Только 10% из этого объема остается на переработку химической промышленностью (газ и нефть). Сейчас почти 80-90% топлива расходуется на нужды тепловых электростанций, атомных электростанций, в тепловых двигателях и на тепловые нужды. Эти нужды могут обеспечиваться потребностью в отоплении производственных помещений, жилых домов и крупных промышленных предприятий.

Крайняя медленная воспламеняемость до сих пор является основным недостатком природных видов топлива.

Посредством того, что потребности в энергетических ресурсах у человека с каждым днем растут и потребление топлива все время увеличивается, все ближе наступает день, когда энергетический кризис наступит, и это, к сожалению, неизбежно. Поэтому поиск новых видов топлива все больше заботит сегодняшних ученых и исследователей.

Благодаря научным разработкам и исследованиям, ученые сделали вывод, что не так сильно затронутыми и проработанными являются такие вещества, как вода, водород, газ и другие природные элементы. Поэтому сейчас нужно активно внедрять новые разработки в области применения энергоэффектиных продуктов и анализировать их распределение.

Россия является той страной, которая может похвастаться объемами энергетических ресурсов, уровнем их добычи и применения, поэтому на сегодняшний момент наша страна является одним из главных экспортеров энергоэффективного топлива по всему миру.

Биоэтанол

У этого вида топлива есть как приверженцы, так и ярые противники. Неоспоримым его достоинством, которое признают все, является существенное снижение выброса вредных веществ, что позволяет укладываться с запасом во все существующие экологические нормы. Самыми крупными потребителями этанола являются США и Бразилия, в Европе – Швеция. Американцы производят его из кукурузы, бразильцы — из сахарного тростника. В этих же странах распространены и Flex-Fuel (FFV) автомобили, которые могут работать и на бензине, и на его смеси с этанолом в любом соотношении.

Этанол в автомобилях применяется не в чистом виде, а в смеси с бензином в разных пропорциях. Топливо Е-10 содержит 10% этанола и 90% бензина, топливо E-85 соответственно 85% этанола и 15% бензина. Все современные автомобили могут без переделок заправляться Е-10. При большей концентрации этанола необходимы изменения в двигателе и системе питания: другие топливный бак и топливопроводы; уплотнения, устойчивые к воздействию не только бензина, но и спирта; требуется перепрошивка блока управления; более стойкие клапана и их седла. Этанол гигроскопичен, то есть легко впитывает воду, что может привести к коррозии деталей топливной системы. Если автомобиль эксплуатируется при низких температурах, в топливной системе может образоваться лед. Поэтому FFV автомобилям необходим предварительный предпусковой подогрев топлива.

Сторонники этанола утверждают, что при его использовании работа двигателя улучшается: снижается риск детонации, так как октановое число этанола выше, чем у бензина; двигатель не перегревается; форсунки не загрязняются. Противники заявляют, что мощность двигателя, работающего на этаноле, снижается, так как при его сгорании в цилиндрах выделятся на треть меньше энергии, чем при сгорании бензина. А это значит, что неизбежно возрастет расход топлива — и экономии не выйдет, получите только «зеленый» эффект.

А возможен переход на биоэтанол в мировом масштабе? Вряд ли. Для получения такого количества топлива необходимо будет засеять дополнительно огромные площади. В Бразилии, например, для этого вырубаются леса Амазонки. А что будет в масштабе всей планеты? При производстве этанола в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа — к чему же тогда огород городить? Ну, и последний аргумент противников биоэтанола звучит более чем убедительно: если все сельское хозяйство планеты будет производить сырье для топлива, то что же тогда мы станем есть? Поэтому, скорее всего, биоэтанол останется топливом «регионального», а не мирового применения.

Альтернативное топливо

Альтернативное топливо для автомобилей — это топливо из к го сырья и основной целью исследований в этой области является расширение сырьевой базы в энергоснабжении автотранспорта.
 

Альтернативное топливо, резко снижающее загрязнение окружающей среды — этиловый и другие спирты.
 

Среди альтернативных топлив видное место занимают такие кислородсодержащие продукты ( табл. 1), как спирты и эфиоы.
 

Среди альтернативных топлив видное место занимают такие кислородсодержащие продукты ( табл. 1), как спирты и эфиоы. Один из з фиров — метил-грег-бутиловый эфир — оказался эффективным компонентом автомобильных бензинов. Введение его в бензин улучшает важнейшее эксплуатационное свойство — детонационную стойкость. Этот эфир прошел все испытания с положительными результатами, и во многих странах сейчас строятся установки по производству метил-грет-бутилового эфира в промышленных масштабах.
 

Из газообразных альтернативных топлив для двигателей следует упомянуть водород.
 

К альтернативным топливам относятся продукты ненефтяного происхождения. Состав топлив, получамых из газоконденсатов и тяжелых нефтей, гидрогенизацией углей, близок к составу топлив из нефтяного сырья и может исследоваться теми же методами.
 

Однако многие альтернативные топлива плохо испаряются в условиях, характерных для процесса смесеобразования бензиновых двигателей; не всегда возможно их воспламенение в камерах сгорания этих двигателей при сравнительно невысоких температурах конца сжатия и низких значениях коэффициента избытка воздуха. Дизельные двигатели ( далее — дизели) более приспособлены к работе на топливах с различными физико-химическими свойствами. Сгорание альтернативных топлив в дизелях при высоких степенях сжатия и больших коэффициентах избытка воздуха более эффективно, чем в двигателях с принудительным воспламенением. Поэтому при использовании альтернативных топлив в дизелях, как правило, достигаются близкие к необходимым показатели работы двигателя.
 

Широкому внедрению альтернативных топлив в нашей стране способствует особенность энергетического рынка России, заключающаяся в значительно большей разнице цен на газ и уголь, с одной стороны, и на моторное топливо — с другой, по сравнению с мировыми ценами. Эта тенденция подтверждается и динамикой роста цен на основные энергоносители.
 

Для классификации альтернативных топлив применительно к автомобильному транспорту отличительные признаки могут быть сгруппированы по следующим составляющим цикла энергопотребления.
 

Представлены виды альтернативных топлив, которые могут быть использованы в транспортных дизельных двигателях, и проведен анализ их физико-химических свойств. Рассмотрены проблемы организации рабочих процессов, возникающие при работе дизельных двигателей на природном газе и других альтернативных топливах. Показаны возможность снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей при использовании альтернативных топлив и необходимость корректирования характеристик топливо-подачи в зависимости от режима работы дизельного двигателя и свойств топлива. Даны практические рекомендации по выбору характеристик такого корректирования топливоподачи. Представлены конструкции топливопо-даюгцих систем и устройств управления топливоподачей, применяемых в дизельных двигателях, работающих на альтернативных топливах.
 

Одними из наиболее реальных альтернативных топлив для дизелей являются спирты и их производные ( изомеры) — эфиры, получаемые при воздействии неорганических кислот на соответствующие спирты.
 

Хотя ВМС представляет собой перспективное альтернативное топливо для двигателей внутреннего сгорания, в литературе отсутствуют сведения о коррозионной стойкости конструкционных материалов в системе бензин-мстанол-вода.
 

Преимуществами этого вида альтернативного топлива являются высокое цетановое число, соизмеримое с цетановым числом штатных дизельных топлив, и хорошие экологические качества двигателей, работающих на димети-ловом эфире.
 

Альтернативные виды топлива: сравнение

Потребление альтернативных видов топлива на 2011 год

Сравнение потребления альтернативных видов топлива и традиционных (бензин и дизель)

Альтернативные виды топлива в России

Уже не первое десятилетие в России пытаются применить идею альтернативного топлива. Среди успешных проектов — использование электричества и газа. Помимо этих альтернатив в исследовательских центрах тестируются биодизель, сжатый воздух, солнечные батареи. Главная проблема замены традиционных топливных источников — внедрение. Чтобы хотя бы частично отказаться от дизеля или бензина, необходимо модернизировать двигатели и конструкцию автомобилей, установить новые заправки, обеспечить бесперебойную доставку нового топлива. Транспортные компании в Алматы, Казахстана также ищут способы оптимизации затрат на топливо через переход на альтернативные его виды.

Самый популярный вариант — газомоторное топливо

Газ использовался в качестве альтернативы еще во времена СССР. Тогда предпочтение отдавалось пропану. Им заправляли грузовики, автобусы и другие крупногабаритные авто, потребляющие много энергии. В наше время большей популярностью пользуется метан. Для удобства потребителей в интернете есть карты с отметками расположения метановых заправок. Самое большее их количество сосредоточено в центре и на юго-востоке страны, а также на границах с Украиной и Казахстаном. В дальневосточном направлении метановых заправок почти нет. Такое неравномерное покрытие отпугивает потенциальных потребителей, особенно тех, кто привык путешествовать на дальние дистанции и нуждается в экономии средств на заправке авто.

Главный плюс метана — отсутствие необходимости в дорогой и кардинальной модификации машины. Если человек решит перейти на газ вместо бензина, ему не нужно покупать новый автомобиль или менять двигатель. Достаточно обратиться в сервис, где машину любой модели быстро модернизируют. Однако, если за модернизацией обратиться не к официальному дилеру, можно потерять заводскую гарантию — водители вынуждены действовать на свой страх и риск. Сразу с заводским газобалонным оборудованием в РФ можно приобрести такие марки авто: ЗАЗ Sens, Renault Logan, Renault Sandero, Logan MCV, Great Wall H3, Wingle 5 и Wingle 6, Volkswagen Passat, Volkswagen EcoFuel.

Государство активно стимулирует интерес к использованию газа как альтернативы. С 2014 по 2018 ежегодно выделяется 5 млрд. рублей для закупки оборудования для ЖКХ и транспорта на газу. В 2017 г. жилищно-коммунальные и транспортные компании смогли приобрести больше трех тысяч транспортных средств, оснащенных ГБО. Развитием заправочной инфраструктуры занимаются компании «Газпром» и «Роснефть». Минэнерго РФ планирует удвоить количество газонаполнительных станций к 2020 году.

Электричество — абсолютно экологичное топливо

Электричество хорошо отсутствием вредных выбросов. По этой причине за внедрение электромобилей ратуют организации по защите окружающей среды. В России разработкой электромобиля занимался проект «Ё-мобиль», но в серийное производство модели не запустили. Сейчас на рынке РФ можно приобрести электромобили Mitsubishi i-MIEV, Renault Twizy, BMW i3, E-Car GD04B. С выходом Tesla электромобили превратились в тренд, но о массовом потреблении пока говорить не приходится.

Главные сложности по запуску электричества как альтернативного вида топлива в России — дороговизна машин и отсутствие налаженной инфраструктуры зарядных станций. Еще одна проблема — климат. Авто, работающие на электричестве, не любят холода. Массовая доля их продаж приходится на теплые страны и регионы. К тому же Россия — огромная страна, и расстояния между городами здесь тоже немалые. Чтобы электромобиль «дотянул» до зарядки на ближайшей станции, ему необходимо преодолеть колоссальный путь. А значит, аккумулятор у таких авто должен быть крайне емким.

Для перехода на электромобили России необходим технологический рывок. Например, создание аккумулятора, способного продержаться тысячу километров и при этом быстро зарядиться. Свою роль играет и вопрос «цены/качества». Среднестатистический электромобиль обойдется потребителю в 1,5 млн рублей. Это серьезное вложение для авто, которое реально заправить далеко не на каждой АЗС и которое быстро заглохнет в холодную погоду.