Шанс на друге народження

Альтернативне паливо на залізничному транспорті — досить близька перспектива. Розробки в цій галузі активно ведуть луганські вчені.

Кабінет Міністрів затвердив Транспортну стратегію України до 2020 року. Результатом двомісячного обговорення документа зацікавленою громадськістю стала величезна кількість зауважень і пропозицій, з яких в ухвалений варіант потрапили зовсім не всі. Особливо розчаровані екологи. І все-таки декілька концептуальних моментів, пов’язаних із підвищенням екологічності транспорту, у стратегії прописані. Зокрема, задекларовані  стимулювання переходу на альтернативні види палива й розвиток відповідної інфраструктури.

Для більшості видів транспорту основна проблема сьогодні — ефективність згоряння палива й, відповідно, підвищення ККД двигуна, а також зменшення шкідливих ви­­­­­­­­­­­­­кидів. Навіть за ретельно­ відпрацьованого процесу двигун на багатьох режимах не використовує цілком енергетичні ресурси — їхні втрати часом становлять 10 —15%. Відкритість питання тим більш дивна, що процес згоряння — предмет безперервних досліджень із моменту створення двигуна.

— Двигуни внутрішнього­ згоряння досягли у своїй­ ­еволюції досить високого­ тех­­­нічного рівня, — говорить­ ­де­кан­ факультету­ систем рей­­ко­вих комунікацій ­Схід­но­­­­­українського націо­наль­но­­го університету­ імені­ Володимира­ Даля професор Валентин ­Могила. — Найпростіші технічні заходи себе вже вичерпали. Подальший розвиток двигунобудування­ можливий за допомогою більш тонких і складних рішень: усунення нерівномірності розподілу горючої суміші по циліндрах, зменшення механічних втрат, застосування багато­ступінчастого впорскування­ палива, оптимізація форми камери згоряння, поліпшення сумішоутворення шляхом різної обробки паливоповітряної суміші.

А от резерви зі зміни характеристик палива ще досить значні. Вони полягають у зміні його складу й використанні присадок. Луганським фахівцям удалося одержати декілька перспективних видів альтернативного палива із застосуванням домішок — водню й озону.

«Аш два»…

Використання водню в транс­­­портній сфері не нове. Цей газ упевнено проникає в автомобілебудування, зокрема, у вигляді паливних елементів. Його широке застосування на залізничному транспорті поч­неться, схоже, теж невдовзі.

У принципі, водень може стати універсальним паливом. Однак є декілька пере­шкод. По-перше, він дорогий  і наразі добувається переважно із природного газу, рідше — із нафти й вугілля. По-друге, для переходу на водневе паливо потрібні газо­розподільні станції та інші елементи інфраструктури. Це стосується не тільки водню, а й будь-якого іншого нестандартного палива. Наприклад, у 80-ті роки Луганський завод ім. Жовт­невої революції (нині ХК «Луганськтепловоз») запропонував газодизельний тепловоз 2Т10Г, що працює на скрапленому природному газі. Однак на двох дослідних зразках тоді все й скінчилося. Нові перспективи відкриваються сьогодні: задекларована державою підтримка розвитку інфраструктури дає вченим і конструкторам надію на швидкий розвиток водневої енергетики.

Поки ж поїздка в поїзді, оснащеному баком зі скрапленим газом, викликає в пасажирів небезпідставні побоювання. Розміщення запасу водню на транспортному засобі — дійсно серйозна технічна й економічна проб­лема. Для зберігання його в газо­подібному стані потрібні­ дуже великі резервуари, а для скрапленого водню необхідні дорогі кріогенні установки. Тому найбільшу увагу привертають системи із проміжними носіями. Наприклад, цей газ може зберігатися у вигляді гідридів металів та їхніх сплавів. Головні пере­ваги методу — можливість підвищення енергетичної густини водню й безпека експлуатації.­ Носіями можуть бути вуглеводневі сполуки, наприклад метанол, які розкладаються за підвищених температур у присутності каталізатора з виділенням водню.

Однак усі наявні реакторні установки малопродуктивні й енергоємні. Видобуток водню з їхньою допомогою економічно не виправданий. Напевно, це основна перешкода для широкого використання цього газу в енергетиці.

Методика, розроблена фахівцями кафедри залізничного транспорту ВНУ імені ­Володимира Даля, передбачає одержання водню «на місці» і без залучення сторонніх енергетичних джерел — за рахунок викидної енергії гальмування.

— На тепловозах з електро­­динамічним гальмуванням­ є­­ реальна можливість періо­дич­но добувати водень, щоб надалі використовувати­ його як дизельне паливо,­ — пояс­­­нює­ Валентин Могила.­ — Під час гальмування тягові­ електро­двигуни тепловоза­ пере­­­во­­дяться в генераторний­ ре­­­­­­­­жим, виробляючи елект­ри­ч­­ний струм. Ця електрич­на­ енергія зрештою пере­творюєть­ся­ на теплову й на нинішньому етапі розвитку ­локомотивобудування просто викидається в атмосферу. Ми ж пропонуємо використовувати її для одержання водню.

Джерелом водню в схемі луганських винахідників є перегріта водяна пара, яка утворюється внаслідок­ нагрівання води стінками електролізної або реакторної установки під час їхнього охолодження. Попри те, що йдеться лише про невеликі домішки водню до основ­ного — дизельного — палива, виграш цілком відчутний. Цьому є просте пояснення. Водень значно відрізняється за властивостями від дизпалива, зокрема, у нього набагато вища теплота згоряння. Тому додавання лише 0,1% водню до палива знижує його витрату в середньому на 5 — 7%. Крім того, не можна забувати про ще один важливий момент: будь-яке зменшення споживання дизельного палива позитивно позначається на екологічності двигуна, адже на секрет, що ДВЗ відчутно забруднюють атмосферу продуктами згоряння. Та 0,1-відсоткова домішка водню до дизельного палива, про яку йдеться, — це зниження викидів оксидів азоту на 30—40%, а сажі — на 30—50%.

…і «О три»

Якщо сьогодні вже всі говорять про застосування водню на транспорті, то використання озону — напрям порівняно новий. Точніше, у цивільній сфері: дослідження із застосування цього газу як окислювача ракетного палива почалися ще в 50-ті роки й були успішно втілені в життя. Через кілька десяти­­літь озон почали розглядати як потенційний окислювач і для моторного палива замість традиційної повітряної суміші. Дослідження в цьому напрямку проводилися наприкінці 80-х — початку 90-х років як у нашій країні, так і за кордоном.

Сьогодні луганські фахівці­ пропонують використовувати озон як паливну домішку. Отриманий у генераторі газ насичує дизельне паливо. Під час експериментальних досліджень на стендовій установці з дизелем 148,5/11 з перед­камерою зафіксоване зниження витрати палива на 2%. На 17% зменшується димність, викиди вуглеводнів, альдегідів,­­ бенз-а-пірену, а також тепло­напруга й нагароутворення­ деталей циліндропоршневої групи двигуна.

Звичайно, скептики можуть помітити, що виграш у 2% не вартий свічок. Але не треба поспішати з висновками. За даними відомого російського геолога, віце-президента РАН академіка Миколи Лавьорова,­ споживання енергоресурсів у світі в XX столітті збільшилося в 15 разів і становило 15 млрд тонн умовного палива на рік. Із них на нафтопродукти припадає основна частина — 40% (27% дає вугілля,­ 23% — газ, 7% — атомна енергія й лише 3% — поновлю­вані джерела: вода, сонце, вітер). Україна сьогодні споживає­ близько 16 млн тонн нафто­продуктів на рік: по 5 млн тонн дизпалива й бензину й ­­6 млн тонн мазуту. Тож скорочення витрат палива нафтового походження навіть на 2% призвело б до значної економії коштів.

Крім того, 2% — це тільки перші результати. Наприклад, експериментальні дослідження на стенді з дизелем 6Ч13/14 з тороїдною камерою згоряння довели можливість зниження витрати палива на 5%, а димності — на 40%.

— Механізми, покладені­ в основу поліпшення процесу згоряння озонованого палива, вивчені поки дуже мало, — коментує різницю­ в цифрах асистент кафедри залізничного транспорту ВНУ імені­­ ­Володимира Даля Олена­ ­Ноженко, яка проводила стен­дові випробування. — Вплив озону на процес горіння у разі його мікродомішок до палива пояснюється ланцюговим радикальним механізмом хемо­деструкції пероксидних сполук, які викликають детонацію в зоні горіння. Час існування радикалів обмежений, тому тривале зберігання озонованого палива приводить до синтезу в ньому кислот і знижує здатність до повного згоряння. Це вдається підтвердити експериментально: за тривалого (близько 2 годин) озонування палива спостерігається випадання кислотного осаду. Ось чому зараз надзвичайно важливо крім суто практичних розробок проводити серйозні фундаментальні дослідження в цьому напрямку…

І такі дослідження ведуться.­ Приміром, одне з найважли­віших завдань під час розроб­лення системи озонування палива — визначення­ залежності між фізи­ко­­-хімічними характеристиками палива, з одного боку, і концентрацією в ньому озону й часом зберігання палива — з іншого. Фахівці ВНУ імені Володимира Даля досліджують процес насичення палива озоном: проводять озонування в барботажній камері, подаючи газ у різних концентраціях і протягом різних проміжків часу. Цей підготовчий етап дуже важливий, бо ефективність згоряння палива багато в чому залежить саме від способу його підготовки. Дослідники переконані: удосконалення процесу згоряння паливоповітряної суміші шляхом управління її фізико-хімічними властивостями дозволить із мінімальними витратами на модернізацію досягти поліпшення економіко-екологічних показників двигунів внутрішнього згоряння.