Мировая цена на нефть бьет рекорд за рекордом: еще недавно баррель нефти стоил $24, теперь — $33. В Европе — многочасовые очереди за бензином, США вскрывают свой нефтяной стратегический запас, Евросоюз готовится это сделать. Некоторые аналитики считают, что нынешний скачок цен целиком на совести спекулянтов, нефть скоро подешевеет и ситуация нормализуется. Может быть и так. Но в любом случае сегодня мы являемся свидетелями начала конца эпохи бензиновых и дизельных двигателей. Разведанных нефтяных запасов хватит не более чем на 30 лет — и все это время цена традиционного топлива будет расти. Ему необходимо найти достойную альтернативу.
Хорошо знакомое новое
В России альтернативное автомобильное топливо — это главным образом пропан-бутановая смесь: газ, побочный продукт крекинга нефти. Переделать под пропан-бутан можно двигатель любой отечественной машины --это обойдется примерно в $200-250. Стоит пропан-бутан 3-3,5 руб. за литр (для сравнения — бензин А-92 на заправках обходится примерно в 8 руб. за литр). Тем не менее альтернативность его достаточно условна — коль скоро сырьем для производства этой смеси служит нефть. Запасы ее ограничены, и цена топлива будет расти. Александр Седых, начальник управления науки, новой техники и экологии ОАО "Газпром": Совсем недавно в России производство пропан-бутана составляло 10 млн. тонн в год. Сегодня его производят в два раза меньше.
Более перспективным в этом плане считается метан, на котором сегодня работают 1,3 млн автомобилей во всем мире. Разведанные природные запасы этого газа — 42 млрд тонн (масса разведанных запасов нефти в пять раз меньше), причем России принадлежит 40% этих залежей. Некоторые специалисты считают его топливом XXI века. Выхлоп метанового двигателя в три-четыре раза менее токсичен, чем у бензинового или дизельного. Метан очень дешев — кубический метр, эквивалентный по энергетической ценности литру бензина, стоит 2,8 руб. Как и пропан-бутан, его можно использовать в автомобильных двигателях после незначительной их переделки (в Москве такая операция обойдется в $350-420). К тому же это безопасное топливо: температура самовоспламенения метана значительно выше, чем у бензина, дизтоплива и пропан-бутановой смеси. Метан легче воздуха, и потому при утечке не скапливается, как пропан-бутан, в салоне автомобиля, а улетучивается.
Широкому использованию метана в качестве автомобильного топлива в России мешает только отсутствие соответствующей инфраструктуры. Анатолий Морев, директор научного центра по применению газа НИИ автомобильного транспорта: В России сейчас всего 200 заправочных метановых станций — большинство из них было построено еще во времена СССР, когда метан рассматривали в качестве топлива на государственном уровне (была разработана госпрограмма по переводу на метан 500 тыс. автомобилей.— "Деньги"). В Москве таких заправок всего 12, причем все находятся на МКАД. Зачем автолюбителю переходить на метан, если заправляться приходится ездить за двадцать километров? С другой стороны, инвесторы не хотят строить новые станции (стоимость такой станции --около $200-240 тыс.— "Деньги") до тех пор, пока нет государственной системы поощрения перехода на экологически чистые виды топлива и законодательной базы для этого.. Юрий Пашин, заместитель начальника отдела по проектированию двигателей ОАО АвтоВАЗ: Мы давно ведем работы по созданию автомобилей, способных работать на метане. Как только правительство договориться с "Газпромом" о развитии полноценной сети заправочных станций, мы приступим к выпуску таких моделей.
Спиртоход
Впрочем, далеко не все специалисты согласны с тем, что метан — идеальный заменитель традиционного топлива. Василий Звонов, заместитель генерального директора государственного научного центра РФ по автомобильной технике (НАМИ): У метана есть серьезный недостаток: он — газ. Поэтому внедрение метана как автотоплива в России, да и в мире идет со скрипом — газовые заправки очень сложные и дорогостоящие. Более перспективным топливом является метанол и его производное — диметилэфир.
Государственные метанольные программы существуют в Японии, Китае, Европе, США (кстати, спиртом заправляют болиды в американских гонках "Индианаполис-500"). В странах Евросоюза доля спиртов в общем объеме топлива к 2010 году должна увеличиться до 8%, а, например, в Бразилии этиловой спирт, получаемый из сахарного тростника, уже сегодня — основной вид топлива. Существовала такая программа и в СССР — в начале 80-х годов были проведены крупномасштабные испытания автомобилей с бензометанольными двигателями, а в районе Канско-Ачинского угольного бассейна планировали построить крупный завод по производству метанола из каменного угля.
Василий Звонов: Метанол по своей энергоемкости примерно в два раза уступает бензину и дизтопливу. С другой стороны, из-за его более низкой температуры сгорания образуется меньше токсичных окислов азота. Метанол и диметилэфир можно использовать в качестве добавки к традиционному топливу. Но самое главное — производство спирта не ограничено ничем. Метанол можно производить из метана, угля, горючих сланцев, отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. По стоимости метанол уже сопоставим с обычным бензином. Два литра метанола, соответствующие по своей энергоемкости литру бензина, стоят $0,26, литр бензина в России — около $0,3.
Наладить выпуск двигателей, способных работать на спирте и традиционных видах топлива, можно в самое ближайшее время — специалисты ГНЦ НАМИ активно работают в этом направлении. Единственное серьезное препятствие здесь — высокая токсичность метанола. Известна масса случаев, когда его путали с этиловым, неядовитым, спиртом — кончалось все трагически.
Маслом дизель не испортишь
В настоящее время за рубежом в качестве дизельного топлива все чаще используется метиловый эфир жирных кислот, который получают из растительного масла. Например, в Германии рапсовый метиловый эфир продается уже более чем на 800 заправочных станциях.
Дизель может работать и на обычном растительном масле. Вольфган Блаубе, (Volfgan Bloubae) сотрудник германского журнала Autobild: Я купил 160 бутылок рапсового масла, залил полный бак своего дизельного Golf и отправился в курортный городок Аликанте на юге Испании. Мотор шумел сильнее обычного, но мне удавалось разгонять автомобиль до 171 км/ч. Таким образом 6047 км я проехал на 390 л масла, расход составил 6 л на 100 км. Правда, потом двигатель пришлось ремонтировать.
Сергей Девятин, заместитель директора по научной работе НПП "Агродизель": Для того чтобы дизель без ущерба для себя работал на растительном масле, нужно его несколько переделать. НПП "Агродизель" совместно с кафедрой двигателей внутреннего сгорания Российского университета дружбы народов занимается этим уже несколько лет, уже созданы действующие образцы. В принципе при наличии заказов мы готовы предоставить промышленный образец в течение года. Но не думаю, что в России растительное масло будут активно применять в качестве топлива в течение ближайших десяти лет — пока масло стоит намного дороже обычного дизтоплива. Но сельхозпредприятия, выращивающие масличные культуры и, соответственно, имеющие доступ к дешевому сырью, могут смело добавлять масло в дизтопливо хоть сегодня — вплоть до соотношения 50:50 специальной переделки двигателя не требуется.
Водородная бомба
Если говорить об экологичности, то всем перечисленным выше альтернативным видам топлива далеко до водорода. Однако говорить о создании двигателей внутреннего сгорания, работающих на чистом водороде, пока не приходится. Производство водорода в объемах, необходимых для повсеместного использования в двигателях, пока экономически не оправдано. Кроме того, водород крайне взрывоопасен и требует особых условий доставки и хранения (хранить необходимо при температуре -220° C).
Риска можно избежать, если вырабатывать водород "на борту" автомобиля, непосредственно перед подачей в камеру сгорания. И речь идет вовсе не об электролизе воды (этот способ получения водорода в данном случае признан нерациональным). Владимир Каменев, профессор Института автомобильных технологий и управления: Водород можно получать из углеводородного сырья, этим занимаются во всем мире. Мы — в том числе. Принципиальная схема такова. Автомобиль заправляется метанолом, который в специальном реакторе разлагается на оксид углерода и водород. И потом эта смесь — она называется синтез-газом — поступает в камеру сгорания. При соответствующем финансировании мы сможем завершить эти работы в течение нескольких лет.
Другое направление, которым занимается профессор Каменев,— водородные присадки к обычному углеводородному топливу. Их использование позволяет снизить выброс вредных веществ, а также увеличить топливную экономичность примерно на 10%. Здесь большого количества водорода не требуется (присадки составляют 3-4% от объема топливной смеси), а значит, в качестве источника хранения водорода можно использовать металл-гидридные аккумуляторы водорода — газ хранится в межатомных промежутках кристаллической структуры металла.
Автомобиль третьего тысячелетия
Электромобиль чаще всего рисуется воображением в виде автомобильчика для гольфа или, например, электротележки на вокзале. Первая действующая модель электромобиля появилась на девять лет раньше автомобиля с двигателем внутреннего сгорания — машина, созданная в 1851 году англичанином Чарльзом Пейджем (Charly Page) развивала скорость более 30 км/ч. Электромобили по-прежнему выпускают, но в качестве источника энергии в них используются различные гибридные установки: использовать в этом же качестве одни лишь аккумуляторы считается бесперспективным — из-за их низкой емкости и значительного веса. ("Вы еще потребуйте от американок, чтобы каждый пятидесятый ребенок был рожден после непорочного зачатия!" — так отреагировал представитель известной автомобильной компании на принятие в 1998 году в Калифорнии закона, согласно которому к 2010 году 10% всех автомобилей штата должны быть электрическими.)
Большинство крупных производителей регулярно представляют на автосалонах "дизель-электроходы". Например, Volvo FL6 — его электродвигатель работает от дизель-генераторов, которые, кроме того, подзаряжают аккумуляторные батареи. Когда FL6 передвигается за пределами города, электромотор работает от дизель-генератора, в городе же энергия поступает только от аккумуляторов — чтобы не загрязнять атмосферу выхлопными газами.
Но будущее — и это признают все эксперты — принадлежит электромобилям, оснащенным так называемыми топливными элементами (fuel cell), принцип действия которых был открыт английским физиком Уильямом Гроувом еще в 1839 году. На специальную мембрану подается водород с кислородом, в результате химической реакции получается вода и вырабатывается электроэнергия — своего рода электролиз наоборот. КПД топливного элемента приближается к 70%, поэтому созданием электромобилей с такими силовыми установками заняты все крупные автомобильные компании. А в прошлом году DaimlerChrysler, Ford Motor, Honda Motor, Nissan Motor и Volkswagen даже образовали альянс, который получил название "Калифорнийское товарищество по разработке топливных клеток" (California fuell Cell Partnership). DaimlerChrysler планирует запустить модель с топливными элементами в серию уже через два года, Honda — в 2003 году, Chrysler — в 2005-м. Кстати, над топливными элементами работают и в России — Российский научный центр "Курчатовский институт" и АвтоВАЗ.
По смелым прогнозам компании Opel, через десять лет каждое десятое транспортное средство будет электромобилем с топливными элементами. Все остальные автомобили в ближайшие два-три десятилетия будут ездить на метане или смесях традиционного топлива (бензин, дизтопливо) с метанолом, эфирами и т. п.
АЛЕКСЕЙ ХОДОРЫЧ, ДМИТРИЙ ТИХОМИРОВ, АЛЕКСЕЙ МАЛАХОВСКИЙ
УЖЕ СЕГОДНЯ МЕТАНОЛ СТОИТ ДЕШЕВЛЕ БЕНЗИНА. ТОЛЬКО ЭТОТ ЯДОВИТЫЙ СПИРТ ЧАСТО ПУТАЮТ С ЭТИЛОВЫМ И УПОТРЕБЛЯЮТ ВНУТРЬ
БУДУЩЕЕ ПРИНАДЛЕЖИТ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯМ, ОСНАЩЕННЫМ ТОПЛИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ. НО САМЫМ МАССОВЫМ ВИДОМ ТОПЛИВА В ПЕРВЫЕ 100 ЛЕТ ТРЕТЬЕГО ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ БУДУТ МЕТАН И МЕТАНОЛ
ЛЕСНЫЕ ДАЛИ
Автомобиль на дровах
Двигатель внутреннего сгорания по своей природе всеяден. Например, во время первой мировой войны появились автомобили, работающие на дровах. То есть на самом деле они работали на угарном газе (СО), который получали, пережигая дрова при ограниченном доступе кислорода в специальном газогенераторе, установленном на машине. Выделявшийся угарный газ поступал сначала в специальный охладитель, а затем в цилиндры двигателя.
Мощность двигателя, переведенного на газ, резко снижалась. Например, у советской бензиновой "полуторки" ГАЗ-ММ выпуска 1938 года мощность была 50 л. с., а у ее газогенераторного варианта ГАЗ-42 едва дотягивала до 40. Соответственно, уменьшались скорость — с 70 до 50 км/ч — и полезная грузоподъемность: громоздкие газогенератор и охладитель плюс запас дров весили немало (машина потребляла только хорошо высушенные древесные чурки небольшого размера). Наибольшее распространение газогенераторные авто получили в годы второй мировой. В СССР и Германии производились газогенераторные грузовички, а во Франции — даже легковые машины. После войны во всем мире от использования таких машин постепенно отказались, но в Советском Союзе выпуск грузовиков "Урал-352" для районов, богатых лесами, был прекращен только в 60-х годах.
Дровяная тема в отечественном автомобилестроении развивалась и в другом направлении. Паровой автомобиль НАМИ-012, разработанный в 1948 году, предназначался для эксплуатации на лесозаготовительных и лесоперерабатывающих предприятиях. В нем располагались паросиловая установка с котельным агрегатом, бункерами с топливом и вспомогательным оборудованием, а также паровой двигатель. Полная масса НАМИ-012 составляла 14,34 т, максимальная скорость — 42 км/ч, а запас хода не превышал 100 км. Каждая заправка водой и топливом занимала 7-10 мин. Серьезное преимущество парового автомобиля заключалось в величине крутящего момента двигателя. По этому показателю он в пять раз превосходил бензиновый мотор ЯАЗ-200 при практически одинаковой с ним мощности. Несмотря на то что топливная эффективность парового грузовика была на 11% выше, чем у бензиновых автомобилей, и на 125% выше, чем у газогенераторных, в серию он не пошел.
НА КРАЮ НАУКИ
Изобретательская энергия
Американец Стюарт Уилкинсон (Stuart Wilkinson) из университета Южной Флориды (South Florida University) сконструировал 12-колесный гастроробот Chew Chew, работающий на мясе. Мясо, которым питается робот, расщепляется бактериями, обитающими в специальных топливных элементах. При этом происходит химическая реакция, во время которой вырабатывается электроэнергия. Ее хватает для работы электродвигателя Chew Chew.
Главный конструктор по проблемам конверсии Института оптико-физических измерений Владимир Романовский придумал пневматический двигатель, который работает на сжиженном азоте. Азот, испаряясь, вращает турбину или толкает поршни и таким образом выполняет полезную работу. "Жидкий азот очень дешев — 2 рубля за литр,— говорит Романовский.— Мои расчеты показывают, что на 200 кг азота автомобиль весом в тонну может проехать 200 км при скорости 50 км/ч".
Еще одно необычное изобретение — двигатель, работающий на смеси бензина с водой. Водно-топливная эмульсия сгорает с меньшей температурой, соответственно, уменьшается выделение окислов азота и снижается расход топлива. В Китае в 60-х годах речной флот единовременно перевели на такую эмульсию. Через некоторые время он целиком вышел из строя. Причина — эрозия двигателей. Тем не менее эту технологию с незначительными изменениями используют до сих пор. Например, несколько кораблей Балтийского и Мурманского пароходств до сих пор ходят по морю на эмульсии. А вот у специалистов к ней отношение по большей части скептическое. Станислав Мещериков, профессор кафедры экологии Академии нефти и газа: Десятилетиями различные рационализаторы смешивают одно с другим. Ну что я могу сказать? Определенная экономия имеется, но по большому счету овчинка выделки не стоит. Как бы то ни было, немецкий исследователь Рудольф Ганнерман (Rudolf Gunnerman), придумавший вещество, "склеивающее" воду с дизтопливом намертво (эмульсия не расслаивается, и ее можно хранить сколько угодно), заработал на этом открытии $1 млрд.
В 1991 году американские газеты наперебой сообщали, что изобретатель Стэнли Мейер (Stanley Meyer) создал электрическую камеру, способную разлагать обычную воду на водород и кислород при использовании гораздо меньшего (на порядок) количества энергии, чем при обычном электролизе. "Потребители смогут использовать в автомобиле обычную водопроводную воду вместо бензина!" — кричали газеты. Многие специалисты охотно свидетельствовали, что камера Мейера разлагала воду с использованием тока силой, измеряемой в миллиамперах, в то время как для обычного электролиза нужны многие амперы. Мейер даже начал разрабатывать автомобильный двигатель, работающий на энергии его чудо-камеры. А в 1996 году в СМИ появилось сообщение, что суд штата Огайо признал изобретателя мошенником, введшим в заблуждение инвесторов. Эксперты, привлеченные судом, установили, что чудо-камера — не что иное, как емкость для обычного электролиза. Газета Sunday Times сообщила, что провести экспертизу автомобиля, построенного на основе двигателя Мейера, "не представилось возможным, так как машина не смогла сдвинуться с места".
Подписи
Заместитель гендиректора Государственного научного центра РФ по автомобильной технике (НАМИ) Василий Звонов работает над вопросом внедрения метанола в качестве автомобильного топлива с 1976 года
Заместитель директора по научной работе НПП "Агродизель" Сергей Девятин уже создал дизельный двигатель, работающий на растительном масле