Які автомобілі відносяться спеціальних, а які до спеціалізованих ?

9. Автомобільні і експлуатаційні матеріали.

9.1 В пошуках ідеального палива.

Коли мова йде про альтернативні нетрадиційні джерела енергії для транспорту, слід пам'ятати, що мається на увазі багатопланове завдання, яке слід вирішувати й вирішують у всіляких напрямках. Необхідність в альтернативних паливах обумовлена комплексом причин. Крім небезпеки виснаження запасів нафтових родовищ і, як наслідок, істотного подорожчання нафтопродуктів, важливу роль відіграють екологічні завдання. Далі, однієї з основних тенденцій розвитку паливної науки й практики є підвищення енергетичних показників різних видів палива для транспорту. Нарешті, турбота про безпеку пасажирів і пішоходів завжди стоїть на першому місці при розв'язку проблеми пошуку «ідеального палива». Практично всі перераховані причини можуть мати вартісне вираження, і в цілому, аналізуючи різні спроби заміні звичайного бензину з нафти чимсь іншим, доходимо висновку: основна мета пошуків альтернативних джерел енергії — поліпшення економічних показників транспорту. А спроби ці часом приймають причудливі форми.  

Повідомляється, що не на бензині, а на риб'ячому жирі почали працювати вантажівки в Ісландії. При цьому переробка двигунів і системи паливоподачі потрібна була мінімальна; потужність двигунів і швидкість автомобілів на дорогах острова гейзерів не зменшилася, а забруднення повітря понизилося й досить суттєво. Але найголовніше, в Ісландії риб'ячий жир стоїть на 40 % дешевше бензину. Жителі стверджують, що звичний в Ісландії аромат смаженої риби, яким зараз пахнуть вантажівки, значно приємніше удушливих відпрацьованих газів (а, головне, не шкідливий).

Або ж інший приклад. У Великобританії створений метол переробки побутових відходів у рідке вуглеводневе паливо. З 100 кг відходів вдається одержати до 7 кг вуглеводнів без шкідливих домішок, що забруднюють навколишнє середовище. Спосіб заснований на використанні спеціального каталізатора. Процес протікає в автоклаві в умовах високих тисків і температур, причому процес одержання палива займає лише 10 хв. Уже завершується будівництво першого дослідного підприємства, де буде застосований цей метод.

Методи розв'язку порушеної проблеми неоднозначні. Не слід думати, що використання як паливо якого-небудь замінника бензину у всіх випадках дозволить залишати незмінними й конструкції двигуна, системи живлення, організації системи заправлення й обслуговування автомобіля. У більшості випадків перехід на нове паливо неодмінно спричинить необхідність обліку змін перерахованих факторів.

На зорі автомобільної ери заправлення пальним здійснювалася неподалік від аптек, у яких бензин, розлитий по пляшках, продавався в якості чистячого засобу. Створення в Сент-Луїсі (США) в 1905 р. складу каністр із бензином для автомобілів, а потім спорудження в Сіэтлі бака зі шлангом, встановленим на підмості, означали відкриття «ери бензоколонки».

Сьогодні об’єм добутої і переробленої нафти, в різних країнах, у значній мері визначають - автомобільні потреби». Тільки для легкових автомобілів потрібні мільйони тонн бензину в добу — ціле море. Гігантські об’єми, що щорічно видобуваються з надр планети нафти привели до істотного виснаження родовищ цієї коштовної мінеральної сировини. Д. І. Менделєєв писав, що використовувати нафту або нафтопродукти в якості палива так само марнотратно, як топити піч асигнаціями. Великий хімік у своїй гіперболі був недалекий від істини: нафта — найцінніша сировина для хімічної індустрії, з нею тісно зв'язане виробництво нових перспективних матеріалів і речовин, штучних кормів і навіть штучної їжі.

Невтримний ріст видобутку нафти в останні роки в основних нафтоносних районах миру обумовив виникнення досить серйозної проблеми нафтового голоду: на думку багатьох фахівців, світових запасів нафти вистачить людству ще років на 30. Хоча ці прогнози, на нашу думку, зайво песимістичні: в історії людської цивілізації чимало прикладів похмурих прогнозів. Наприклад, в XX ст. багато футурологів загрожували «енергетичним голодом» і «тепловою смертю», неодноразово вказувалися навіть точні дати настання загибелі населення нашої планети в результаті виснаження ресурсів мінеральної сировини. Проте знаходився вихід із самих складних ситуацій, та й ситуації не були настільки катастрофічні, як це передвіщалося.

Першими спробами заміни нафти вугіллям як сировиною для виробництва бензину слід вважати роботи німецького вченого Фрідріха Бергіуса, які розпочаті в 1910 р. у Ганновері. Як відомо, у Німеччині ніколи не було великих родовищ нафти, достатніх для задоволення потреб її промислових підприємств і транспорту. Нафта й нафтопродукти в основному ввозилися через границю, що й послужило підставою для початку дослідження з одержання бензину з бурого вугілля. У дослідах Бергіуса вугілля під дією тиску, високої температури й водню піддавався ряду надзвичайно складних змін, перетворюючись у суміш вуглеводнів — рідке паливо різних видів. В 20-х рр. XX ст. по способу Бергіуса на п'яти заводах з бурого вугілля одержували вже мільйони тонн бензину. У наступні роки в різних країнах проводилися комплексні роботи, метою яких було зниження вартості «вугільного» бензину, який поки ще дорогий. Найбільшого розквіту промисловість штучного рідкого палива досяглися в 1940-1943 рр., коли річний обсяг його виробництва в усьому світі становив 7...8 млн т (приблизно 2 % нафтовидобутку тих років). Штучне рідке паливо виробляли на 48 великих заводах, половина яких припадала на долю Німеччини.

Після закінчення другої світової війни на міжнародному ринку різко знизилися ціни на нафту: штучне рідке паливо стало занадто дорогим. Сьогодні, коли вартість нафти й нафтопродуктів зросла, процеси гідрогенізації вугілля знову стали об'єктом пильної уваги фахівців багатьох країн. У зв'язку із цим роботи Фрідріха Бергіуса, принесшие йому, крім всесвітньої слави, Нобелівську премію й медаль Либиха, мають велике значення.

Поряд з «бергінізацією» вугілля бензин може бути отриманий шляхом продування водяної пари через шар розпеченого вугілля в газогенераторі, де в присутності кобальтових або нікелевих каталізаторів утворюються молекули штучного рідкого палива. Цей спосіб, розроблений в 1923-1926 рр. у Німеччині відомими хіміками Фішером і Тропшем, одержав назву «синтинпроцес», а одержуваний по цьому способу бензин — «синтином». Зазначені вчені і їх послідовники проробили великий шлях, перш ніж процес знайшов необхідну технологічність, а вартість «синтина» наблизилася до вартості бензину. У цей час у різних країнах світу створюються індустріальні потужності по виробництві «синтина». Зокрема, у ПАР побудовано три заводи (загальна потужність їх приблизно 10 млн т у рік рідкого палива).

У пострадянських країнах, починаючи із середини 20-х рр. XX ст., ведуться комплексні дослідження з одержання рідкого палива з вугілля: у Кемерово в 1939 р. створені заводи по гідрогенізації бурого вугілля й вугільних смол. Однак у післявоєнні роки у зв'язку з бурхливим ростом нафтовидобутку інтерес до цих робіт знизився. Змінившийся стан з нафтою наприкінці 60-х рр. XX ст. привело до поновлення в нашій країні робіт зі створення штучного рідкого палива. Наприкінці XX ст. в Інституті паливних копалин Академії наук були розроблені наукові основи й принципово нові технологічні схеми виробництва рідкого палива з вугілля: виявлена перспектива проведення переробки вугілля з добавкою сирої нафти, багатої на водень.

Дуже перспективно одержати рідке паливо для автомобілів з паливних сланців. Теоретичні основи технологічних процесів перетворення сланців у бензин, лігроїн і подібні речовини були закладені в 1863 р. фундаментальними роботами російського вченого Г. П. Гельмерсена. При сухій перегонці сланців утворюється значна кількість сланцевої смоли. Та частина (фракція) смоли, яка кипить при 175... 180 °С, по якості порівнянна з гарним бензином для автомобілів. Фракція, що виділяється при 165 °С, по якості порівнянна з авіаційним бензином. При температурі 175...225 °С, одержують лігроїн, а при температурі 225...325 °С, виділяється ще одна висококипляча фракція — дизельне паливо.

В 70-х рр. XX ст. переробкою сланців зацікавилися в США, Англії. Приблизно 130 заводів працювали за цією технологією. Надалі обсяг переробки сланців то зростав, то падав залежно від успіхів в області видобутку нафти й нафтохімії.

Надихають і результати геологічних пошуків: запаси горючих сланців, з яких можна одержувати синтетичне паливо, становлять близько 400 млрд т, що значно перевищує обсяги розвіданих родовищ нафти. Однак рано поки ще робити оптимістичні прогнози щодо близьких перспектив повсюдного переходу на синтетичне паливо зі сланців: на шляху розв'язку цього завдання стоїть безліч труднощів технічного й в основному економічного характеру. Зокрема, американські фахівці стверджують, що завод з виробництва сланцевої «нафти» стає рентабельним лише при річній програмі переробки сланців масою 26 млн т і більш.

У теперішній час велику увагу приділяють проблемі підземної переробки сланців, що дозволить значно скоротити витрати на виробництво синтетичного палива. У природі існують інші види сировинних ресурсів для синтетичного бензину — воістину величезні резерви важкого масла (дистиляту кам'яновугільної смоли), бітумінозного піску, світильного газу. Результати спільних досліджень американських і англійських фахівців показали, що при використанні спеціальних каталізаторів за один етап можна здійснити процес перетворення пропану й бутану в такі вуглеводні, які можливо переробити у високоякісне мінеральне паливо. Цими каталізаторами служать ісолітв — з'єднання алюмінію й кремнію, що володіють специфічною структурою.

Як вважають фахівці «Бритиш Петролеум», переробка 60 % світових запасів метану в бензин дозволить забезпечити світ цим пальним на 50 років. Створення цеолітів із великопористою структурою зробить реальною перспективу промислової переробки важких фракцій (бітумінозних пісків, кам'яновугільної смоли й ін.) у моторне паливо. У Канаді інтенсивно працюють над застосуванням рідкого синтетичного палива з бітумінозних пісків.

  9.2. Газове паливо.

Герой однієї з російських народних казок  Ємеля по грізному приказу відправився в палац на печі. Піч як транспортний засіб протягом століть зачаровувала багато поколінь юних читачів. Чи нереальна ситуація, описана в казці? Ідея використання для транспорту енергії від згоряння дерев'яних «чурок» для одержання генераторного газу, насправді, не нова.

Ще в 1936 р. у нашій країні було налагоджено серійне виробництво газогенераторних установок для автомобілів. Роботи в цій області дуже швидко вивели СРСР на перше місце. Практично невичерпні запаси деревної сировини на території нашої країни були потужним стимулом для активізації робіт з одержання й використанню в автомобільному транспорті окису вуглецю — генераторного газу. Автомобілі з газогенераторними установками були звичні на дорогах війни й зіграли більшу роль у безперебійному постачанні армії всім необхідним. По закінченню війни газогенераторні установки почали демонтувати з автомобілів; нафтопродукти, що стали доступними й дешевими, поступово витісняли це, сподівалось, архаїчне джерело енергії. Однак торжество нафтопродуктів, як ми знаємо, дуже часто носило тимчасовий характер.

Нафтові кризи, що періодично трясуть економіку ряду капіталістичних країн, відродили інтерес до газогенераторних автомобільних двигунів. Великі роботи в цій області ведуться у Швеції, де створене спеціальне відділення в Інституті енергетичних і екологічних досліджень при Королівській академії наук. У Бразилії ще з 60-х років минулого століття існує фірма, що створює й реалізує на світовому ринку агрегати для газогенераторних автомобілів. Дуже цікавий досвід Філіппін, де компанія ГЕМКОР уже має на своєму рахунку близько тисячі випущених газогенераторних установок для автомобілів і рибальських судів. В еру генераторного газу вступають Нікарагуа, Танзанія, Гвінея, Таїланд, Індонезія.

Казкова піч впевнено завойовує континенти. У цей час великі роботи ведуть у напрямку вдосконалювання конструкції газогенераторних установок, підвищення тепловіддачі генераторного газу. Як затверджують фахівці, велике майбутнє у своєрідного гібрида газогенератора й дизеля: важкі вантажівки, що роблять далекі рейси, будуть при цьому споживати пальне, що складається на 80 % з генераторного газу й на 20 % з дизельного палива. Одне «заправлення» автомобіля дерев'яними «чурками» (розміри кожної не перевищують сигаретну пачку) дозволить подолати відстань приблизно в 1000 км: на 10 км шляху потрібно 10 кг деревини й менше 1 л дизельного палива. Маса самої газогенераторної установки при цьому ледве більше тонни. Наведені дані наводять на думку, що резерви підвищення ефективності газогенераторних автомобілів ще є.

Якщо в якості палива замість бензину використовувати природний газ, викид шкідливих компонентів зменшується майже в 5 раз. Ще в 40-х рр. XX ст. у Донбасі й в інших районах країни були побудовані газонаповнювальні станції, і велика кількість автомобілів переведена на газове паливо. Але... дешевшали нафтопродукти, став доступним бензин, і роботи з газового палива ждала та ж доля, що й роботи з альтернативних видів палива, — вони були припинені. Сьогодні, коли відроджується інтерес до газового палива, у розпорядженні фахівців сучасна техніка очищення, компресії й скраплення газу, високий ступінь автоматизації газопостачання. На автомобільних газонаповнювальних компресорних станціях (АГНКС) газ, що надходить безпосередньо з магістрального газопроводу, після очищення й сушіння стискають до 200 Па.

Більш ніж в 30 містах нашої країни, крім потужних стаціонарних АГНКС, створена мережа малогабаритних станцій, призначених для обслуговування автобаз. Залежно від потужності газонаповнювальні компресорні станції можуть у добу заправляти від 50 до 500 автомобілів. Моторним паливом, використовуваним на цих станціях, є нафтовий зріджений газ (пропан-бутан). Цікаві результати, отримані українськими фахівцями, по пареведенню автомобілів на природний газ «середнього тиску» — пробіг автомобіля на одній заправленій порції становить 150 км, однак в 2 рази скорочуються капітальні витрати, в 4 рази зменшуються експлуатаційні витрати. Сьогодні на території нашої країни функціонує приблизно 3000 спеціальних газорозподільних станцій (ГРС), призначених для заправлення автомобілів газом «середнього тиску». Кількість їх щорічно збільшується.

Спеціально для постачання паливом автобаз створені пересувні автозаправники, які перевозять газ під тиском 320 Па. Ці заправники дозволяють постачати автомобілі газом високого, середнього й низького тиску.

Ефективність використання моторного палива із пропан-бутану можна підвищити шляхом його скраплення при температурі мінус 161 °С. Основна перевага зрідженого природного газу (ЗПГ) — його компактність. Завдяки скрапленню в 640 раз знижується об’єм газу, що в значній мірі спрощує транспортування палива на далекі відстані.

В Україні десятки тисяч вантажних автомобілів переведені на паливо зі зрідженого газу, розроблені модифікації ряду марок автобусів, успішно експлуатуються легкові автомобілі, у багажниках яких розташований балон з зрідженим газом місткістю 45-90 л.

Розвинена система газопроводів у нашій країні, найбагатші розвідані й експлуатовані запаси газу служать сприятливими передумовами для використання його в якості моторного палива. Встановлено, що ресурс двигунів, що працюють на газовому паливі, на 30...40 % більше, ніж працюючих на бензині. Газ більш стійкий до детонації, удвічі збільшується термін служби моторного масла й на 50 % — свічок запалювання. Разом з тим широкому використанню газу як палива автомобілів перешкоджає ряд усе ще невирішених проблем. По-перше, газ не забезпечує необхідні пускові властивості двигунів при низьких температурах, у результаті двигуни доводиться обладнювати додатковим пусковим обладнанням, що працюють на бензині. По-друге, система живлення газом досить добре відпрацьована для карбюраторних двигунів, але потребує істотних змін стосовно до дизелів. По-третє, для створення розгалуженої мережі газозаправних станцій будуть потрібні більші капітальні вкладення. Проте, сьогодні у світі кілька мільйонів автомобілів працюють на зрідженому пропан-бутановому газі, парк газобалонних автомобілів нараховує більш мільйона екземплярів. Кількість газобалонних автомобілів збільшується з року в рік..

9.3. Біоенергетика на автотранспорті.                                                                                                                                     

У тропічних лісах Південної Америки дуже поширена рослина копайбу із сімейства бобових. Воно в більших кількостях містить рідину, багату вуглеводнями, надзвичайно близьку по своєму складу до дизельного палива. Цю рідину практично без якої-небудь додаткової обробки можна заливати в паливні баки дизельних автомобілів. Дивний приклад того, як у результаті фотосинтезу формується продукт, на створення якого в індустріальних умовах людей затрачає стільки сил і засобів! Там же, у Південній Америці, культивують плантації цукрового очерету й деяких інших рослин для виробництва одного із сучасних видів моторного палива — етилового спирту.

А тепер по порядку. Добре відомо, що спирти як моторне паливо відрізняються високою стійкістю до детонації й відмінним згорянням. При роботі на спирті потужність двигуна підвищується, цей ефект часто використовують автогонщики. Однак необхідно пам'ятати, що внаслідок низької теплоти згоряння витрата спирту в порівнянні з бензином збільшується в 1,5 рази, а сильне випаровування спирту затрудняє запуск двигуна при низьких температурах.

Різні дикі й культурні рослини, деревина, відходи сільськогосподарського виробництва можуть служити сировиною у виробництві етилового й метилового спиртів. У нашій країні відразу після війни було організоване виробництво гідролізного етилового спирту з відходів деревообробки: з 1 т виробляють 100...120 л спирту. По суті, маленький лісопильний завод із двома пилорамами за рік робить таку кількість тирси, яке достатнє для випуску 1 млн л спирту.

У США етиловий спирт (або етанол) виробляють із відходів сільськогосподарського виробництва, залишків переробки цитрусових на консервних заводах, вичавків буряка на цукрових заводах і т.д. (приблизно 23 млн м³етанолу в рік).

Бразилія — одна з лідируючих країн світу по виробництві етанолу з біомаси для забезпечення транспорту моторним паливом. Уже діє експериментальна установка комплексного використання біомаси в Кайсонсе (штат Байя), яка поряд з виробництвом електроенергії випускає спирт — замінник бензину — і як побічні продукти — газ і добрива. Зовсім недавно Бразилія витрачала на імпорт нафти (власної нафти в цій країні мало) значно більше коштів, чим одержувала від продажу на зовнішньому ринку найважливіших продуктів національного експорту: цукру й кави. Сьогодні ж у Бразилії створено багато заводів, що виробляють етанол із зеленої маси (характерний приклад вдалого застосування методів фіто-енергетики). Передбачалося, що до початку XXI ст. половина нафти, що витрачається в цій країні, буде замінена спиртом. Проведена в країні компанія по заміні бензину спиртом у якості автомобільного палива дозволяє щорічно заощаджувати 2 млн дол. США, які довелося б витрачати на ввіз нафти. Тільки чотири з 100 продаваних у Бразилії автомобілів працюють на бензині, інші — на спиртовому паливі, одержуваному із цукрового очерету. У зв'язку з тим, що закон вимагає, щоб ціна нового палива не перевищувала 65 % вартості бензину, на виробництво спирту з державного бюджету поки виділяються щорічно субсидії в розмірі 250 млн дол.

Автомобілебудівники Бразилії активно включились у фіто-енергетичну програму одержання моторного палива: понад 50 млн дол. США витрачено на розробку автомобільних двигунів, що працюють винятково на спирті.

У європейських країнах виробництво етилового спирту як замінника бензину не цілком виправдане економічно, оскільки вартість вихідної сировини велика. Більш перспективний тут метилової спирт (метанол), який виробляють із торфу, дешевого вуглю, деревних відходів і ін. Однак метанол — досить токсичний продукт і досить агресивний до алюмінієвих сплавів і ущільнювальним матеріалам. Тому метанол слід використовувати як паливо не в чистому виді, а в суміші з бензином. Але не тільки в європейських країнах вигідно заправляти бензобаки метанолом і його сумішами. У Новій Зеландії зданий в експлуатацію перший завод з виробництва синтетичного бензину з метанолу за новою технологією фірми «Собіл». Очікується, що завод забезпечить автомобільним бензином більш половини споживачів.

Спирт як моторне паливо застосовують в автотранспорті в «чистому» так званому вигляді, а також у суміші з бензином (у різних пропорціях). Така суміш одержала назву «газохол». Голландськими вченими розроблене спеціальне обладнання, що дозволяє заправляти автомобілі як звичайним бензином, так і спиртом або ж їх сумішшю (газохолом) у будь-яких пропорціях.

У США всіляко заохочується застосування газохолу в якості моторного палива: відмінний податок на газохол; фірми, що організують виробництво етилового спирту з рослинних відходів, одержують субсидії й кредити. Американські фахівці встановили, що при використанні бензину з 10%-ною добавкою етанолу щорічна економія нафти, може скласти 1,8 млн т. У Бразилії 40 % автомобільного парку країни переведене на рідке паливо із спирту, інші автомобілі будуть працювати на газохолі.

Однак досить про двигуни, що працюють на спирті. Методи фітоенергетики дозволяють для виробництва палива виділяти паливні вуглеводні із соку рослин. Англійська фірма «Лід фрі кемікалз» виробляє бензин і дизельне паливо з морської капусти. Лауреат Нобелівської премії Мелвін Кельвін вважає, що молочай, будяк і інші бур'янисті трави є відмінною сировиною для виробництва нафтоподібної рідини (не менше 1,5 тис. л з 1 га). Фахівці вважають, що в XXI ст. рідке паливо із зеленої маси задовольнить значну частку потреб людини в нафтопродуктах.