?Многообещающие Движки ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

УДК 669.85/86+502.7

БУДУЩЕЕ АВТОТРАНСПОРТА — Другие Горючего И КАНЦЕРОГЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

П.М. Канило, доктор, д.т.н., М.В. Сарапина, помощник, к.т.н., ХНАДУ

Инструкция. Проанализированы перспективы внедрения синтетических углеводородных моторных топлив и водорода в качестве как главных, так и дополнительных энергоэлементов. Показано, что внедрение других топлив не только лишь отлично замещает нефтяные горючего, да и обеспечивает существенное понижение загрязнения среды супертоксикантами — канцерогенно-мутагенными ингредиентами.

Ключевики: окружающая среда, автотранспорт, синтетические горючего, природный газ, водород, ароматичные и полиароматические углеводороды, переработанные газы, канцерогенные углеводороды, бенз(а)пирен, оксиды азота, твердые частички, экоканцерогенная опасность.

МАЙБУТНЄ АВТОТРАНСПОРТУ — АЛЬТЕРНАТИВНІ ПАЛИВА І КАНЦЕРОГЕННА БЕЗПЕКА

П.М. Каніло, професор, д.т.н., М.В. Сарапіна, асистент, к.т.н., ХНАДУ

Анотація. Проаналізовано перспективи застосування синтетичних вуглеводневих моторних палив і водню в якості як основних, так і додаткових енергоносіїв. Показано, що використання альтернативних палив не тільки ефективно заміщає нафтові палива, але й забезпечує істотне зниження забруднення навколишнього середовища супертоксикантами — канцерогенно-мутагенними інгредієнтами.

Ключові слова: навколишнє середовище, автотранспорт, синтетичні палива, природний газ, водень, ароматичні і поліароматичні вуглеводні, відпрацьовані гази, канцерогенні вуглеводні, бенз(а)пірен, оксиди азоту, тверді частки, екоканцерогенна небезпека.

THE FUTURE OF MOTOR TRANSPORT — ALTERNATIVE FUEL AND CANCEROGENIC SAFETY

P. Kanilo, Professor, Doctor of Technical Science,

М. Sarapina, assistant, Candidate of Technical Science, KhNAHU

Abstract. Prospects of application of synthetic hydrocarbonic motor fuels and hydrogen as the basic and additional energy carriers are analysed. It is shown that the use of alternative fuels does not only effectively replaces oil fuel, but also provides essential decrease of environmental contamination by supertoxic substancses, namely cancerogenic and mutagen.

Key words: environment, motor transport, synthetic fuel, natural gas, hydrogen, aromatic and polyaromatic hydrocarbons, exhaust gases, cancerogenic hydrocarbons, benzo(a)pyrene, nitric oxides, particulate pollutant, ecological and carcinogenic danger.

Введение

В мире эксплуатируется около 1 миллиардов тс с движками внутреннего сгорания (ДВС) и их количество безпрерывно вырастает. Население земли не сумеет решить топливно-экологическую делему такового количества автомобилей, если потребление нефтяных топлив автотранспортом будет и далее составлять 95 %. Конкретно исчерпание природных ресурсов, сначала нефтяных, при критериях их резкого подорожания и неэффективного использования, также ухудшение свойства среды (ОС) являются важными составляющими углубляющегося топливно-экологического кризиса. Из узнаваемых сейчас путей понижения употребления нефтяных топлив реальное практическое значение имеют два, а конкретно: существенное увеличение экономичности автомобилей, в том числе применением более совершенных энергоустановок с высочайшей топливной экономичностью и параметрической надежностью, также замещение нефтяных топлив (частичное либо полное) другими энергоэлементами.

Анализ публикаций

Будущее автотранспорта — это другие, в том числе синтетические, горючего с минимизацией экоканцерогенной угрозы (ЭКО) автомобилей. В мире начинается широкомасштабное создание синтетических энергоэлементов, включая биотоплива. Более возможным сырьем для такового производства синтетических углеводородных топлив в наиблежайшей перспективе является уголь. В глобальных припасах ископаемых энергоресурсов на уголь приходится более 80 % суммарного энергосодержания, и при современных уровнях добычи его припасов хватит приблизительно на 300 лет. В 2006 г. сотворен союз ASFF, который соединяет воединыжды производителей и потребителей синтетических топлив (Shell, Shevron-SASOL, Daimler, Рено и Фольксваген) [1]. Цель этого альянса — создание высокоэкономичных и экологически более неопасных автомобилей, работающих на синтетических и комбинированных топливах. На первом шаге синтетические горючего употребляются вместе с классическими моторными топливами, что обеспечивает не только лишь понижение уровней употребления нефтяных топлив, да и значительно увеличивает экологические характеристики тс, потому что в синтетических топливах

фактически отсутствуют ароматичные углеводороды (АУ). Последнее очень принципиально исходя из убеждений понижения загрязнения среды канцерогенно-мутагенными ингредиентами (КМИ), выкидываемыми с отработанными газами (ОГ) тс.

Неувязка канцерогенного загрязнения ОС, сначала атмосферы больших городов, представляется одной из более острых и менее решенных посреди всех экологических заморочек [2, 3]. Считается, что приблизительно 90 % содержащихся в ОС канцерогенных углеводородов (КУ) приходится на источники, обусловленные процессами горения. Индикатором наличия КУ в ОС и ОГ автотранспортных средств в интернациональной практике принят бенз(а)пирен (БП — С20Н12). В критериях ОС многие КУ, вместе с оксидами азота (N0,0 и другими составляющими, синтезируют соединения, в том числе нитро-канцерогенные, владеющие мутагенными качествами, т.е. способные нарушать генетические программки клеток и вызывать в человеческом организме конфигурации наследных параметров. Установлено также, что мелкодисперсные твердые частички (ТЧ), в том числе сажа, пыль и т.д., сорбируя канцерогенные ингредиенты, являются не только лишь их носителями, да и неоднократно усиливают их канцерогенно-мутагенное воздействие на человеческий организм [2 — 4]. По воззрению докторов, конкретно канцерогенные вещества в атмосфере огромных городов приблизительно на 80 % определяют риск появления злокачественных опухолей у людей [5, 6]. В городках с развитым авто транспортом среднесуточные концентрации БП в атмосфере превосходят на порядок и поболее обозначенные концентрации БП в сельских районах. В местах же насыщенного движения автотранспорта концентрация БП в воздухе превосходила допустимый уровень на два порядка [2, 3]. Потому понижение употребления нефтяных топлив и уровней выбросов максимально небезопасных КМИ в ОС, в том числе с ОГ тс, является одной из важных заморочек современного мира. Федеральное ведомство по охране среды в Германии, разделяя эти оценки, содействовало тому, что правительством была сформулирована задачка: в наиблежайшие пару лет уменьшить обусловленные автотранспортом выбросы КУ на 90 %. Кстати, проект использования синтетических дизельных топлив, в целях понижения выбросов КУ и ТЧ транспортными средства-

ми с дизелями, уже реализуется в Нидерландах, также в ряде штатов США [4].

Цель и постановка задачки

Охарактеризовать экоканцерогенную опасность современных тс с ДВС и найти оптимальные пути ее минимизации. Проанализировать перспективы внедрения разных других топлив в качестве как главных, так и дополнительных энергоэлементов для авто транспорта. Показать необходимость отработки и внедрения высокоэффективных и экологически неопасных комбинированных энерготехнологических комплексов, вырабатывающих электронную и термическую энергию и способных создавать синтетические энергоэлементы для транспорта.

Канцерогенная опасность автомобилей при использовании нефтяных топлив

Автотранспорт является главным потребителем нефтяных топлив и определяющим техногенным источником загрязнения атмосферы городов КМИ. Следует учесть, что ЭКО тс с ДВС в главном (~ 95 %) характеризуется 2-мя парами супертоксикантов: КУ+NOx и КУ+ТЧ, выкидываемыми с ОГ движков. При всем этом толика оксида углерода (СО) и легких несгоревших углеводородов (СН) в ЭКО автомобилей с ДВС не превосходит ~ 3 % [7]. Потому, на базе бессчетных экспериментальных данных, предложен удельный интегральный показатель (ЭКО) легковых автомобилей и аспект его соответствия интернациональным нормам К; = (ЭКО) / [ЭКО] с учетом санитарно-гигиенических нормативов для ядовитых и канцерогенных ингредиентов [ПДКг]сс, также суммарной канцерогенно-сти ОГ. При всем этом были установлены положительные корреляционные связи меж суммарной канцерогенной активностью приоритетной группы КУ (с учетом индекса канцерогенной активности (ИКА) /-го КУ) и БП (ИКА = 1) в ОГ автомобилей с ДВС [7]

14

I

даКУ(0 • ИКА/ = 1,3 • тБП :

где тБП , тКУ(/) — усредненная масса уровней

выбросов БП и /-го КУ с ОГ автомобиля при его испытании по Европейскому городскому

ездовому циклу, г/км. Чтоб учитывать эффект усиления совмещенного ядовитого и канцерогенного деяния ряда ингредиентов на человека в критериях городской среды, установлены экспертные коэффициенты: ^0х = 3; ?бп = 4; ^У =(4×1,3) = 5,2; ?гЧ = 2. При всем этом интегральные характеристики (ЭКО) автомобилей и допускаемые по европейским требованиям [ЭКО] (с учетом того, что массовая толика N0 в ОГ автомобилей по отношению к N0x составляет ~ 90 %) представляются последующим образом:

(ЭКО). = 103-[™к №]

+5 2 тБП + 2 тгч I нм воздуха ’ [БП]СС [ТЧ]сс |' км '

[ЭКО]. = 103-<3-
(

0,9 |тч х ] + 0,Чт№0х] Мсс [ N02 ]сс

+5 2 [тБп ] + 2 [тгЧ ] I нм3воздуха

[БП]сс [ТЧ]с

км

Допускаемые уровни выбросов БП [тБП]. определялись из таковой зависимости

(

3 •

0,9 -Кох ] + 0,1-Кох ]

Л

+ —

[Ш]сс [N02 ]с,

, 5 2 [тБп]

[БП]сс

(1)

Принятые обозначения: т/, [т,] — экспериментально приобретенные и допустимые уровни выбросов вредных веществ с ОГ автомобиля, г/км; [ПД^ок = 0,06; [ПДКмо^сс = 0,04;

[ПДКбп]сс = 1-10 6; [ПДКтч]сс = 0,05 мг/м3; допустимые уровни выбросов ядовитых веществ с ОГ легковых автомобилей по Евро-У (с октября 2008 г.): [тЖх]Б = 0,06; [тЖх]Д = 0,2; [тТЧ]Б,Д = 0,005 г/км; условно допускаемые уровни выбросов БП с ОГ легковых автомобилей, определяемые в согласовании с (1), составляют для Евро-У: [тБП]Б = 0,6-10-6; [тБП]Д = 2-10-6 г/км; Б — бензиновые движки, Д — дизели.

На основании исследовательских работ легкового автомобиля типа ГАЗ с движком ЗМЗ-402 на щите с беговыми барабанами по Европейскому городскому ездовому циклу и при использовании бензина А-92 (АУ « 40 %) установлено: тЖх = 2,4; тБП = 9-10_ г/км; тТЧ « «0,01 г/км; тШх/ [mN0x] * 40; тБп / [тБп] * 15; тТЧ / [тТЧ] = 2. При всем этом характеристики автомобиля с двигателем внутреннего сгорания:

+

+

(ЭКО)б * 200-103, [ЭКО]б * *6-103 нм3/км, а КБ = (ЭКО)Б / [ЭКО]Б * 33, т.е. нормы Евро-У превышены более чем в 30 раз. Исследования автомобиля типа ГАЗ с дизелем ГАЗ-560 (дизельное горючее, АУ * 45 %) проявили: тМОх = 2,0; тБП = 32-10- ; тТЧ = 0,6 г/км; ткох/[ткох]*10; тБП / [тБп] * 16; ттч / [ттч] * * 100. Таким макаром, легковой автомобиль типа ГАЗ с дизелем, по сопоставлению с обозначенным выше автомобилем с бензиновым ДВС, загрязняет ОС более значительно: жесткими частичками ~ в 60 раз, а канцерогенными составляющими ~ в 4 раза (при практическом равенстве выбросов N0^. Потому широкая дизелизация автотранспорта ухудшает решение заморочек, связанных со понижением загрязнения атмосферы городов КМИ.

Необыкновенно сильное воздействие на канцерогенную опасность ОГ автомобилей оказывает техническое состояние ДВС. Из рис. 1 следует, что неисправности систем топливопита-ния и зажигания горючей консистенции, действующие конкретно на процесс горения топлив, могут наращивать уровни выбросов БП с ОГ автомобилей на порядок и поболее. Не считая того, необходимо подчеркнуть, что по мере роста пробега автомобилей их экологические характеристики также ухудшаются. Так, после пробега 100 тыс. км автомобилями ВАЗ-2105 удельные уровни выбросов КУ с ОГ возросли втрое, а уровни выбросов N0,, — в 1,5 раза [8].

Рис. 1. Уровни выброса бенз(а)пирена с ОГ автомобилей при разных дефектах бензиновых агрегатов: 1 — нарушение регулировки холостого хода; 2 — угар масла; 3 — неисправности системы питания; 4 — неисправности системы зажигания

Следует особо отметить, что существенное воздействие на уровни выбросов БП и ТЧ с про-

дуктами сгорания оказывает вид горючего, в том числе его структура и водородный показатель, включая уровни содержания АУ и в особенности ПАУ В современных нефтяных топливах значительно увеличена толика АУ и ПАУ, потому изучаемый процесс по уровням выбросов БП и ТЧ с ОГ тс с ДВС максимально животрепещущ. В табл. 1 приведены усредненные данные по уровням выбросов вредных веществ (ВВ: ТЧ и БП) с ОГ легковых автомобилей с дизелями при их испытании по Европейскому городскому ездовому циклу зависимо от уровня содержания АУ в дизельных топливах.

Т аблица 1 Экспериментальные данные

Легковые дизельные авто Содержание АУ в топливах, %

21,2 32,4 56,6

ВВ: ТЧ, г/км / БП, мкг/км

1. Oldsmobile 0,23 0,24 1,53

Delta 88 diesel //^0,30 /^0,34 ./^16,8

2. Peugeot 0,18 0,20 0,94

505 D ^(),29 ^^0,32 ^/^24,2

Выставленные данные указывают, что внедрение топлив с завышенным содержанием АУ приводит к существенному росту уровней выбросов ТЧ и БП с ОГ автомобилей, т.е. к увеличению канцерогенномутагенной злости ОГ автомобилей. В США была изучена мутагенная активность ТЧ, выкидываемых с ОГ автомобилей, оборудованных дизелями. Она оказалась (в расчете на километр пробега) практически на порядок выше, чем мутагенная активность ТЧ, выкидываемых с ОГ автомобилей, оборудованных бензиновыми движками [9]. Потому расширение толики использования устаревших автомобилей, а тем паче автомобилей с изношенными и неисправными ДВС, широкая дизелизация тс, также применение моторных топлив с завышенным содержанием АУ ухудшает решение экологических заморочек, связанных со понижением загрязнения ОС, сначала атмосферы огромных городов, КМИ.

Канцерогенная опасность автомобилей при использовании других топлив

К другим топливам для авто ДВС относят:

— природный газ как более действенный энергоэлемент на переходный период;

— синтетические моторные горючего (СМТ), сначала спиртовые, также диме-тиловый эфир (ДМЭ) для дизельных ДВС;

— биотоплива;

— электроэнергию (электромобили);

— водород, который может употребляться как высокоэффективная добавка к горючим консистенциям и в качестве нужного компонента при производстве СМТ, также основного энергоэлемента.

В табл. 2 приведены экспериментальные данные по результатам исследовательских работ ряда легковых автомобилей с ДВС типа ЗМЗ по Европейскому городскому ездовому циклу при использовании разных, в том числе синтетических и комбинированных, топлив.

Т аблица 2 Экспериментальные данные

Моторные горючего Н/С, % тсо тсн тКОх тБп'106

г/км

Бензин А-92* 16,3 6,7 2,3 2,4 8,9

Бензин А-76 16,8 4,9 2,4 2,2 6,3

Пропан-бутан 19,0 1,7 2,1 1,0 1,2

Бензин А-76 + 30 % метанола 21,9 5,0 1,8 0,9 0,8

Бензин А-92+ +10% Н2 26,0 1,2 0,4 0,5 0,8

Природный газ 33,3 1,3 1,0 0,8 0,6

Метанол 35,0 0,8 1,1 0,8 0,6

Водород 100 — — 0,2 —

Примечание. Толика NO/NOx « 0,9; * — при оборудовании автомобиля бифункциональной системой нейтрализации ОГ (БСНОГ) уровни выбросов БП и NOx снизились ~ на порядок.

Из приведенных данных следует, что внедрение энергоэлементов с завышенным содержанием водорода (природный газ, бен-зоводородные консистенции и др.), также оборудование автомобилей системами каталитической нейтрализации отработанных газов приводит к существенному понижению их (ЭКО).

Природный газ — более действенный заменитель нефтяных топлив для городского автотранспорта. Высочайшие теплотехнические и детонационные характеристики природного газа, широкий спектр конфигурации концентрационных пределов воспламенения газовоздушных горючих консистенций позволяют значительно повысить степень сжатия в ДВС с принудительным, в том числе с форкамерно-факельным, воспламенением, воплотить

энергетически и экологически высокоэффективное сжигание обедненных газовоздушных консистенций (граница воспламенения бедной консистенции характеризуется амакс = 1,67 и остается постоянной для всех значений степеней сжатия в < 16). При его использовании в ДВС значительно понижаются выбросы с ОГ супертоксикантов (КУ, N0,,, ТЧ) [10].
В 60 странах мира на природном газе работает более 3,5 млн автомобилей, пробег на одной заправке добивается 400 км. Мировым фаворитом является Аргентина (более 1 млн автомобилей, работающих на природном газе). В согласовании с планами Европейской экономической комиссии ООН до 2020 года 23,5 млн автомобилей, либо примерно десятая часть евро парка машин, будет работать на природном газе; приемущественно это городские автобусы, микроавтобусы, легковые авто, находящиеся в личном использовании. В Германии перевод автомобилей на внедрение природного газа является одним из приоритетных направлений энергетического развития и экологической безопасности. Во Франции введен запрет на внедрение углеводородных топлив (не считая природного газа) на городских автобусах и мусороуборочных автомобилях. В Италии введен запрет на строительство АЗС без блока заправки природным газом.

Предстоящее увеличение экономических, экологических и динамических черт газовых движков получается из-за дополнительного использования синтез-газа (Н2 + СО), который готовится методом конверсии части природного газа в малогабаритном каталитическом реакторе конкретно на борту газомобиля с внедрением микропроцессорной системы управления. Таким макаром, резкое улучшение свойства сгорания природного газа за счет введения инициирующих добавок синтез-газа ведет к способности работы ДВС на более обедненных горючих консистенциях, экономии горючего и предстоящему существенному понижению уровней выбросов супертоксикантов. Разработанные генераторы синтез-газа прошли демо стендовые тесты в Рф (на АвтоВАЗе, ЗМЗ, в НАМИ). Фактически всюду наблюдалось не только лишь резкое улучшение экологических характеристик газомобилей, да и существенное (до 24 %) повышение их топливной экономичности при движении по городку. Опытнейший газомобиль, который работал

на консистенции метана с добавками синтез-газа, во время автопробега по маршруту Санкт-Петербург — Москва (сентябрь 2008 г.) показал, что эта разработка — один из принципиальных практических шагов в решении топливно-экологической препядствия городского транспорта на наиблежайшие десятилетия. На перспективу необходимо подчеркнуть, что большие количества метана (более 104 квадриллионов м3) хранятся в метаногидратах, залегающих в осадках Мирового океана. В Черном море метаногидраты залегают на глубине 200-400 м [1].

Метанол в текущее время более обширно употребляется (посреди синтетических топлив) в качестве основного и дополнительного моторного горючего. Он также может быть преобразован в синтез-газ (СО + Н2) в каталитическом реакторе на борту автомобиля. Стендовые тесты авто мотора ЗМЗ-402 с реактором проявили, что на основном эксплуатационном режиме (~ 30 % от номинальной мощности) действенный КПД мотора возрос с 28 % (при работе на бензине А-92, а = 0,95) до 33 % (при работе на испаренном метаноле (а = 1,5)) и до 36 %

— при каталитической конверсии метанола (степень конверсии метанола ~ 60 %, а = 2,1). При этом при работе на продуктах конверсии метанола в ОГ мотора фактически отсутствовали СО, СН и ТЧ, а КОх, по сопоставлению с работой на бензине, снизились более чем на порядок. Необходимо подчеркнуть, что к истинному времени уже появились экспериментальные эталоны химических генераторов (ЭХГ) с внедрением товаров конверсии метанола в качестве энергоэлемента.

Водород является одним из самых энергоемких и экологически незапятнанных энергоэлементов для различного рода энергоустановок (ЭХГ, ДВС, ГТД, парогазовых энерготехнологических установок и т.д.). Подразумевается, что переход к водородной экономике, а потом к водородной цивилизации — один из более вероятных путей для сохранения экосистемы планетки Земля применимой для жизни. Неувязка получения сравнимо дешевенького водорода — главный вопрос для развития водородной энергетики. Но рост цен на классические энергоэлементы, политическая непостоянность в странах, экспортирующих нефть, экологические трудности — все это приводит к пониманию (на международном уровне) необходимости проведения широко-

масштабных исследовательских работ и ускоренного развития технологий в области водородной энергетики. Конгресс США принял решение о финансировании в размере 1,3 миллиардов баксов работ по водородным ЭХГ для автомобилей. Япония поддерживает развитие технологий, основанных на водороде и топливных элементах, с общим бюджетом 2,4 миллиардов евро. Страны ЕС и Наша родина интенсивно разрабатывают стратегию консолидации усилий правительств и больших межнациональных компаний в области разработки водородных технологий. Необходимо подчеркнуть, что большие негосударственные компании, приемущественно авто, также вкладывают в разработку водородных технологий значимые средства. Подписано соглашение «Международное партнерство по водородной экономике» последующими странами: США, Наша родина, Китай, Япония, Германия, Англия, Франция, Италия, Канада и др. Подразумевается, что это соглашение обеспечит механизм организации, оценки и координации многосторонних исследовательских работ, разработок и программ развертывания, которые ускорят переход к глобальной водородной экономике. Разумеется, но, что для перехода к водородной энергетике нужно решить ряд суровых научных, технологических и технических задач.

Следует особо отметить, что определенный опыт использования водянистого водорода в качестве горючего имеется на галлактических кораблях США и в авиации (США — компания «Локхид», Наша родина — КБ им. А.Н. Туполева). Водянистый водород, приобретенный в криогенных установках, искрометно оправдал возлагаемые на него надежды. Топливная пара «жидкий водород — водянистый кислород» является непревзойденной по своим техническим и эксплуатационным чертам, а самое главное

— опыт, скопленный при использовании водянистого водорода в ракетной технике, внушительно обосновал действительность его внедрения в самых разных областях народного хозяйства. В целом ряде всевозможных случаев ведущие забугорные авто компании («Мерседес», «Фольксваген», «Тойота», «Рено» и др.) заместо бензина уже на данный момент употребляют водород как горючее для автомобилей в водянистом, газообразном (под давлением) состоянии либо в виде гидридов металлов.

Согласно программке «Европа — Квебек», осуществляемой Германией и Канадой, на

водород переводится весь городской автобусный парк Гамбурга. Относительно дешевенький водород делается на канадских гидроэлектростанциях (за счет «провальной» гидроэлектроэнергии, вырабатываемой в ночное время и в межсезонье, что в особенности отлично). Потом водород сжижают и на особых танкерах доставляют в Европу. В Испании управление городским транспортом Барселоны в рамках евро проекта «Clean urban transport for Europe» («Чистый городской транспорт для Европы») в порядке опыта запустило в эксплуатацию три полосы автобусов с водородными топливными элементами. Правительство Стране восходящего солнца заявило о том, что к 2020 г. выведет на дороги страны ~ 50 тыс. водородных автомобилей, обеспечив их надлежащими заправками. Исландия объявила о собственных планах по полному переходу страны на водородную энергетику к 2030 году. Этот пилотный проект разрабатывают и финансируют южноамериканские и европейские транснациональные компании. Предусматривается получать водород из геотермальных источников — основного богатства страны. По оценкам разработчиков программки, масштабы производства водорода могут достигнуть такового уровня, что Исландия может стать наибольшим в мире экспортером этого вида горючего. В решениях саммита «Группы восьми» (G8) в Санкт-Петербурге (2006 г.) отмечалось: «Мы поддерживаем переход к водородной энергетике и считаем нужным интенсифицировать исследования для увеличения эффективности работы тс на водороде и водородных топливных элементах для содействия созданию водородной экономики».

Очень принципиально, что водород может быть применен для прямого преобразования хим энергии в электронную в ЭХГ. Вредные выбросы при всем этом фактически отсутствуют. КПД топливного элемента может достигать очень больших значений от 40 до 70 %, при этом он не много находится в зависимости от установленной мощности (в отличие от ДВС). Конкретно прогресс в разработке топливных частей с высочайшим КПД вселяет уверенность в перспективах использования водорода как энергоэлемента при разработке как автономных стационарных, так и транспортных энергоустановок. В ряде государств (США, Стране восходящего солнца, Германии и др.) идут насыщенные научные и технологические поиски по созданию высокоэффективных ЭХГ и на их базе — элек-

тростанций малой и средней мощности. В США, к примеру, были сделаны ЭХГ для галлактических кораблей «Апполон», «Шаттл» и «Джемини» мощностью от 10 до 200 кВт; в Стране восходящего солнца — коммерческие энергоустановки и электростанции на этой базе мощностью 50, 100 и 1000 кВт. Авто концерны «Форд моторс», «Дженерал моторс» и «Крайслер» (США), «Мерседес», «Опель», «Фольксваген» (Германия), «Тойота» и «Хонда» (Япония), «Рено» (Франция) и др. осваивают ЭХГ для собственных опытнейших автомобилей и уже в наиблежайшие годы планируют серийный выпуск автомобилей с другими двигательными энергоустановками на водороде, объединенные с новыми технологиями аккумулирования водорода, в том числе с внедрением нанотрубок на базе модификации углерода С60 [1]. Проводятся необъятные исследования по отработке ЭХГ с внедрением заместо водорода природного газа, также товаров газификации метанола.

Что касается комбинированных топлив, необъятные исследования были проведены по использованию водорода в качестве дополнительного энергоэлемента в авто транспорте (Наша родина, Украина, Германия, Япония, США и др.). Водород как дополнительное горючее имеет ряд преимуществ: высочайшая удельная теплота сгорания и антиде-тонационная стойкость, не плохая воспламеняемость углеводородно-водородно-воздушных консистенций в широком спектре температур и составов, что позволяет организовать высококачественное регулирование рабочего процесса ДВС, увеличив тем тепловой КПД мотора на режимах частичных нагрузок, соответствующих для работы автомобилей в критериях городка. К примеру, добавки водорода (в спектре до 10 % масс.) в цилиндры ДВС с обычным искровым воспламенением обедненных бензоводородовоздушных консистенций обеспечивают экономию бензина до 40 %.

При всем этом приведенные эксплуатационные издержки на комбинированное бензоводород-ное горючее при замещении 30 % бензина (Б) водородом (Н2) уменьшаются (ДЗБ+Нг, рис. 2) на 15 % (с учетом относительной энергетической цены водорода (Ц ), превосходящей цена бензина в 2,2 раза, и понижения уровня экоканцерогенной угрозы автомобиля). Принципиальным является также то, что

при сжигании обедненных бензоводородо-воздушных консистенций ингибируются процессы образования КУ и АЧ, также понижаются уровни образования N0, при завышенной полноте выгорания горючего [7].

0 10 20 AGБ, %

Рис. 2. Воздействие частичного замещения бензина (ЛGБ) водородом на изменение удельных эксплуатационных издержек по топливной составляющей, где:

Ц = ЦТУ.Т.(Н2)/ЦТУ.Т.(Б) ; ТУ.Т. — тонн условного горючего; 1 — Ц = 2,2; 2 -Ц = 2,9; 3 — Ц = 3,7

Особо действенным может быть совместное внедрение высокоароматизированных топлив с добавками водорода. Ниже предложен аспект, характеризующий изменение уровней действенного содержания водорода в водянистом нефтяном горючем с gАУ > 30%

&НТ(эф.) = [&НТ — (&АУ — 30)” ] , где §г — надлежащие толики водорода и АУ в %, п = = 0,4 ± 0,02.

При всем этом мало нужная массовая толика добавки водорода (Л&Н^) по отношению к начальному ароматизированному горючему может быть оценена из зависимости

Д?Н2 = {[&НТ]эф — &НТ(эф.) } . НапрИМ^ при использовании широкофракционного водянистого моторного горючего с содержанием АУ (&АУ = 50%) и, соответственно, водорода (&Нт = 12%) уровень действенного содержания водорода (при избранном базовоэффективном содержании водорода [&Нт]эф = 13,5 %, соответствующем для нефтяного

горючего с содержанием АУ ~ 30 %) определя-

ется как &нт (эф.)= [12 — (50 — 30)04] = 8,7%. Тогда Л&Н2 =13,5 — 8,7 = 4,8 %.

Итак, проведенные исследования демонстрируют, что в текущее время отлично внедрение водорода в качестве дополнительного энергоэлемента (Л&Н2 < 10 % масс.).
При всем этом значительно увеличивается топливная экономичность автомобилей при их эксплуатации в городских критериях, понижается расход бензина до 40 % и, что в особенности принципиально, значительно (на порядок и поболее) уменьшаются уровни выбросов супертоксикантов (КУ, N0,, ТЧ) с ОГ.

Энерготехнологические комплексы с созданием синтетических топлив

Более возможным сырьем для производства синтетических топлив, как отмечалось ранее, является уголь. Для Украины, с ее обеспеченными припасами угля, максимально принципиальным является как увеличение энергоэффективности его использования в критериях недостатка природного газа, так и создание синтетических топлив на базе товаров его газификации.

В ряде работ [11-14] отмечается, что будущее энергетики, в том числе водородной, будет сначала связано с комбинированными энерготехнологическими комплексами. Уже в нынешней конъюнктуре атомноводородные комплексы экономически более прибыльны, чем классические. К примеру, комплексы, в каких водород выходит способом электролиза в часы «провала» электронной нагрузки, оказываются экономически оправданными. Потому максимально принципиальным в текущее время, в том числе и для Украины, является создание (на базе интернационального сотрудничества) высокоэффективных и экологически более неопасных энерготехнологических комплексов на базе парогазовых установок с внедрением водородно-кислородно-плазменных технологий сжигания угольной пыли (без использования природного газа) и с дополнительным созданием водорода, кислорода и синтетических углеводородных топлив. Схемы таких энерготехнологических комплексов на базе угольных ТЭС и АЭС, в том числе с одновременным созданием синтетических газообразных и водянистых топлив, приведены на рис. 3 [15].

Транснациональные электросистемы

> ОГ 1 > <
ГТУ

Л

Угольные ТЭС

О2

Пар

у Электроэнергия

ЭХ

Н2

Пар

ЭХ, ТХ, ПХ (СО + Н2 + СН4)

Уголь

ЭХ, ТХ, ПХ (СЖЭ)

Уголь

АЭС

Пар

Газопровод

Н2

^ Электроэнергия

ЭХ

Пар

Н2 11 О2 Уголь

ЭХ, ТХ, ПХ -е

(СО + Н2 + СН4)

ЭХ, ТХ, ПХ (СЖЭ)

Уголь

Г азопровод

Рис. 3. Схемы угольно-водородно-кислородных энерготехнологических комплексов: ОГ — переработанные газы; ЭХ, ТХ, ПХ — электро-, термо-, плазмохимические циклы; СЖЭ — синтетические водянистые энергоэлементы

Выводы

1. Автотранспорт является главным потребителем нефтяных топлив и определяющим техногенным загрязнителем атмосферы городов канцерогенными ингредиентами.

2. Канцерогенная опасность автомобилей с

ДВС приблизительно на 95 % определяется 2-мя парами супертоксикантов: (КУ+N0x) и

(КУ+ТЧ), которые в критериях ОС могут синтезировать еще больше небезопасные соединения, владеющие мутагенными качествами, т.е. способные нарушать генетические программки клеток и вызывать в человеческом организме конфигурации наследных параметров.

3. Значимый рост численности автотранспортных средств, широкая дизелизация автомобилей, расширение толики автомобилей с изношенными и неисправными движками, внедрение топлив с завышенным содержанием ароматики ухудшает решение обозначенных топливно-экологических заморочек.

4. Одними из важных путей решения топливно-экологических заморочек автотранспорта являются:

— увеличение их эксплуатационной топливной экономичности и параметрической надежности;

— расширение в городках толики газомобилей и электромобилей;

— ограничение содержания в моторных топливах ароматичных и в особенности полиарома-тических углеводородов;

— расширение толики использования других топлив: природного газа, синтетических углеводородных топлив и водорода в качестве как главных, так и дополнительных энергоэлементов;

— оборудование автомобилей современными системами нейтрализации отработанных газов ДВС, в том числе накопительного типа, также системами улавливания жестких частиц, на которых сорбируется значимая толика канцерогенных углеводородов.

5. Более возможным масштабным сырьем для производства синтетических топлив является уголь. Нужна отработка и внедрение высокоэффективных и экологически более неопасных комбинированных энерготехнологических комплексов, в том числе угольно-водородно-плазменных парогазовых энергоустановок, на которых будет вырабатываться электронная и термическая энергия, также выполняться газообразные и водянистые синтетические энергоэлементы, включая водород.

Литература

1. Кривцова В.И. Неистощимая энергия.

Кн. 4. Ветроводородная энергетика: учебник / В.И. Кривцова, А.М. Олейников, А.И. Яковлев. — Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2007. — 606 с.

2. Лукачев С.В. Выброс канцерогенов при

сжигании углеводородных топлив / С.В. Лукачев, С.Г. Матвеев, М.Ю. Орлов. — Самара: Изд-во Самар. аэрокосм. ун-та, 2007. — 160 с.

3. Канило П.М. Трудности загрязнения атмо-

сферы городов канцерогенно-мутагенными супертоксикантами / П.М. Канило, В.В. Соловей, К.В. Костенко // Вестник ХНАДУ: сб. научн. тр. — 2011.

— Вып. 52. — С. 47-53.

4. Канило П.М. Минимизация канцерогенной

угрозы энергоустановок / П.М. Ка-нило, А.Л. Шубенко // Пробл. машиностроения: сб. научн. тр. — 2011. — Т. 14, № 4.- С. 73-80.

5. Шабад Л.М. О циркуляции канцерогенов в

окружающей среде / Л.М. Шабад. — М.: Медицина, 1973. — 367 с.

6. Матвеева Н.А. Гигиена и экология человека

/ Н.А. Матвеева, А.В. Леонов, М.П. Грачева и др. — М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 304 с.

7. Канило П.М. Эколого-химические показа-

тели авто ДВС с учетом кан-церогенности отработавших газов / П.М. Канило, М.В. Шадрина // Движки внутреннего сгорания: сб. научн. тр.

— 2006.- № 2. — С. 154-159.

8. Коротков М.В. Пробег и экологическая

безопасность автомобиля / М.В. Коротков // Авто индустрия. — 2003. — № 5. — С. 8-10.

9. Канило П.М. Пути улучшения экологиче-

ских характеристик автомобилей при использовании высокоароматизированных нефтяных топлив / П.М. Канило, К.В. Костенко, М.В. Сарапина // Авто-

мобильный транспорт: сб. науч. тр. -2008. — Вып. 22. — С. 31-37.

10. Канило П.М. Природный газ — более

действенный заменитель нефтяных топлив на автотранспорте / П.М. Канило, Ф.И. Абрабчук, А.П. Марченко и др. // Авто транспорт: сб. научн. тр. — 2008. — Вып. 22. — С. 86-92.

11. Мацевитый Ю.М. Применение водород-

ных технологий для увеличения энергоэффективности теплоэлектростанций в критериях недостатка газа / Ю.М. Мацевитый, В.В. Соловей, А.Л. Шубенко, П.М. Канило // Трудности машиностроения: сб. научн. тр. — 2008. — Т.11, № 4. — С. 3-

7.

12. Пономарев-Степной Н.Н. Атомная энер-

гия и энергетическая безопасность // Атомная энергия: сб. научн. тр. — 2006. -Т.101, Вып. 4. — С. 247 — 254.

13. Канило П.М. Технологии сжигании низ-

косортных углей в энергоустановках без дополнительного использования мазута и природного газа / П.М. Канило, Д.М. Ваврив, В.В. Соловей и др. // Трудности машиностроения: сб. науч. тр. —

2007. — Т.10, № 1. — С. 91-98.

14. Канило П.М. Перспективы становления

водородной энергетики и транспорта / П.М. Канило, К.В. Костенко // Авто транспорт: сб. научн. тр. —

2008. — Вып. 23. — С. 107-113.

15. Канило П.М. Водород в движках газо-

турбинного типа и энерготехнологических установках / П.М. Канило,

B.В. Соловей, В.Е. Костюк, К.В. Костенко // Препядствия машиностроения: сб. научн. тр. — 2007. — Т.19, № 4. —

C. 26-32.

Рецензент: Ф.И. Абрамчук, доктор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 3 декабря 2012 г.