Шанс на второе рождение
Альтернативные топлива на железнодорожном транспорте – вполне обозримая перспектива. Разработки в этой области активно ведут луганские ученые.
Кабинет Министров утвердил Транспортную стратегию Украины до 2020 года. Результатом двухмесячного обсуждения документа заинтересованной общественностью стала масса замечаний и предложений, из которых в принятый вариант попали далеко не все. Особенно разочарованы экологи. Но все-таки ряд концептуальных моментов, связанных с повышением экологичности транспорта, в стратегии прописан. В частности, задекларированы стимулирование перехода на альтернативные виды топлива и развитие соответствующей инфраструктуры.
Для большинства видов транспорта основная проблема сегодня — эффективность сгорания топлива и, соответственно, повышение КПД двигателя, а также снижение вредных выбросов. Даже при тщательно отработанном процессе двигатель на многих режимах полностью не использует энергетические ресурсы – их потери порой составляют 10—15%. Открытость вопроса тем более удивительна, что процесс сгорания — предмет беспрерывных исследований с момента создания двигателя.
— Двигатели внутреннего сгорания достигли в своей эволюции довольно высокого технического уровня, — говорит декан факультета систем рельсовых коммуникаций Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля профессор Валентин Могила. – Простейшие технические мероприятия себя уже исчерпали. Дальнейшее развитие двигателестроения возможно с помощью более тонких и сложных решений: устранение неравномерности распределения горючей смеси по цилиндрам, уменьшение механических потерь, применение многоступенчатого впрыскивания топлива, оптимизация формы камеры сгорания, улучшение смесеобразования путем различной обработки топливовоздушной смеси.
А вот резервы по изменению характеристик топлива еще весьма значительны. Они сводятся к изменению его состава и использованию присадок. Луганским специалистам удалось получить ряд перспективных видов альтернативного топлива с применением добавок – водорода и озона.
«Аш два»…
Использование водорода в транспортной сфере не ново. Этот газ уверенно проникает в автомобилестроение, в частности, в виде топливных элементов. Его широкое применение на железнодорожном транспорте, похоже, тоже не за горами.
В принципе, водород может стать универсальным топливом. Однако есть ряд препятствий. Во-первых, он дорог и в настоящее время добывается в основном из природного газа, реже — из нефти и угля. Во-вторых, для перехода на водородное топливо нужны газораспределительные станции и прочие элементы инфраструктуры. Это касается не только водорода, но и любого другого нестандартного топлива. Например, в 80-е годы Луганский завод им. Октябрьской революции (ныне ХК «Лугансктепловоз») предложил газодизельный тепловоз 2Т10Г, работающий на сжиженном природном газе. Однако дальше двух опытных образцов дело тогда не пошло. Новые перспективы открываются сегодня: задекларированная государством поддержка развития инфраструктуры дает ученым и конструкторам надежду на скорое развитие водородной энергетики.
Пока же поездка в поезде, оснащенном баком со сжиженным газом, вызывает у пассажиров справедливые опасения. Размещение запаса водорода на транспортном средстве – действительно серьезная техническая и экономическая проблема. Для хранения его в газообразном состоянии требуются очень большие емкости, а для сжиженного водорода необходимы дорогие криогенные установки. Поэтому наибольшее внимание привлекают системы с промежуточными носителями. Например, этот газ может храниться в виде гидридов металлов и их сплавов. Главные преимущества метода — возможность повышения энергетической плотности водорода и безопасность эксплуатации. В качестве носителей возможно применение углеводородных соединений, например метанола, которые разлагаются при повышенных температурах в присутствии катализатора с выделением водорода.
Однако все существующие реакторные установки малопродуктивны и энергоемки. Добыча водорода с их помощью экономически не оправдана. Наверное, это основное препятствие для широкого использования этого газа в энергетике.
Методика, разработанная специалистами кафедры железнодорожного транспорта ВНУ имени Владимира Даля, предполагает получать водород «на месте» и без привлечения сторонних энергетических источников – за счет бросовой энергии торможения.
— На тепловозах с электродинамическим торможением существует реальная возможность периодически добывать водород, чтобы в дальнейшем использовать его как дизельное топливо, — объясняет Валентин Могила. — При торможении тяговые электродвигатели тепловоза переводятся в генераторный режим, производя электрический ток. Эта электрическая энергия в конечном счете превращается в тепловую и на нынешнем этапе развития локомотивостроения просто выбрасывается в атмосферу. Мы же предлагаем использовать ее для получения водорода.
Источником водорода в схеме луганских изобретателей является перегретый водяной пар, образующийся вследствие нагрева воды стенками электролизной или реакторной установки при их охлаждении. Несмотря на то, что речь идет лишь о небольших добавках водорода к основному — дизельному — топливу, выигрыш вполне ощутим. Этому есть простое объяснение. Водород значительно отличается по свойствам от дизтоплива, в частности, у него намного выше теплота сгорания. Поэтому добавление всего 0,1% водорода в топливо приводит к снижению его затрат в среднем на 5—7%. Кроме того, нельзя забывать о еще одном важном моменте: любое уменьшение потребления дизельного топлива положительно сказывается на экологичности двигателя, ведь не секрет, что ДВС ощутимо загрязняют атмосферу продуктами сгорания. Та 0,1-процентная добавка водорода в дизельное топливо, о которой идет речь, – это снижение выбросов оксидов азота на 30—40%, а сажи – на 30—50%.
…и «О три»
Если применение водорода на транспорте сегодня уже у всех на слуху, то использование озона – направление сравнительно новое. Точнее, в гражданской сфере: исследования по применению этого газа как окислителя ракетного топлива начались еще в 50-е годы и были успешно воплощены в жизнь. Спустя несколько десятилетий озон стали рассматривать как потенциальный окислитель и для моторного топлива взамен традиционной воздушной смеси. Исследования в этом направлении проводились в конце 80-х — начале 90-х годов как в нашей стране, так и за рубежом.
Сегодня луганские специалисты предлагают использовать озон в качестве топливной добавки. Полученный в генераторе газ насыщает дизельное топливо. При экспериментальных исследованиях на стендовой установке с дизелем 1Ч8,5/11 с предкамерой зафиксировано снижение расхода топлива на 2%. На 17% падает дымность, уменьшаются выбросы углеводородов, альдегидов, бенз-а-пирена. Снижаются также теплонапряжение и нагарообразование деталей цилиндропоршневой группы двигателя.
Конечно, скептики могут заметить, что выигрыш в 2% не стоит свеч. Но не надо спешить с выводами. По данным известного российского геолога, вице-президента РАН академика Николая Лавёрова, потребление энергоресурсов в мире в XX веке увеличилось в 15 раз и составило 15 млрд тонн условного топлива в год. Из них на нефтепродукты припадает основная часть — 40% (27% дает уголь, 23% — газ, 7% — атомная энергия и всего 3% — возобновляемые источники: вода, солнце, ветер). Украина сегодня потребляет около 16 млн тонн нефтепродуктов в год: по 5 млн тонн дизтоплива и бензина и 6 млн тонн мазута. Так что сокращение затрат топлива нефтяного происхождения хотя бы на 2% привело бы к значительной экономии средств.
Кроме того, 2% – это только первые результаты. Например, экспериментальные исследования на стенде с дизелем 6Ч13/14 с торроидной камерой сгорания доказали возможность снижения расхода топлива на 5%, а дымности — на 40%.
— Механизмы, лежащие в основе улучшения процесса сгорания озонированного топлива, изучены пока очень слабо, — комментирует разницу в цифрах ассистент кафедры железнодорожного транспорта ВНУ имени Владимира Даля Елена Ноженко, проводившая стендовые испытания. — Влияние озона на процесс горения при его микродобавках в топливо объясняется цепным радикальным механизмом хемодеструкции пероксидных соединений, которые вызывают детонацию в зоне горения. Время существования радикалов ограничено, поэтому длительное хранение озонированного топлива приводит к синтезу в его объеме кислот и снижает способность к полному сгоранию. Это удается подтвердить экспериментально: при длительном (около 2 часов) озонировании топлива наблюдается выпадение кислотного осадка. Вот почему сейчас крайне важно помимо сугубо практических разработок проводить серьезные фундаментальные исследования в этом направлении…
И такие исследования ведутся. К примеру, одна из важнейших задач при разработке системы озонирования топлива – определение зависимости между физико-химическими характеристиками топлива, с одной стороны, и концентрацией в нем озона и временем хранения топлива – с другой. Специалисты ВНУ имени Владимира Даля исследуют процесс насыщения топлива озоном: проводят озонирование в барботажной камере, подавая газ в различных концентрациях и в течение различных промежутков времени. Этот подготовительный этап очень важен, так как эффективность сгорания топлива во многом зависит именно от способа его подготовки. Исследователи убеждены: совершенствование процесса сгорания топливовоздушной смеси путем управления ее физико-химическими свойствами позволит с минимальными затратами на модернизацию достичь улучшения экономико-экологических показателей двигателей внутреннего сгорания.
