Гибридные виды транспорта и альтернативное топливо

Реферат

" Гибридные виды транспорта и альтернативное топливо"

гибридный автомобиль топливо биологический

Во все времена и у всех народов транспорт играл важную роль. На современном этапе значение его неизмеримо выросло. Сегодня существование любого государства немыслимо без мощного транспорта.

В ХХ в. и в особенности во второй его половине произошли гигантские преобразования во всех частях света и областях человеческой деятельности. Рост населения, увеличение потребления материальных ресурсов, урбанизация, научно-техническая революция, а также естественно-географические, экономические, политические, социальные и другие фундаментальные факторы привели к тому, что транспорт мира получил невиданное развитие как в масштабном (количественном), так и в качественном отношениях. Наряду с ростом протяженности сети путей сообщения традиционные виды транспорта подверглись коренной реконструкции: значительно увеличился парк подвижного состава, во много раз поднялась его провозная способность, повысилась скорость движения.

В то же время на первый план вышли транспортные проблемы. Эти проблемы по преимуществу относятся к городам и обусловлены чрезмерным развитием автомобилестроения.

Мировая автомобильная промышленность остро ощущает давление двух современных тенденций — постоянно растет стоимость топлива и ужесточаются экологические требования к отработавшим газам двигателей. Эти мощные тренды породили безостановочный рост цен на нефть и надвигающуюся угрозу изменения климата планеты, то есть глобального потепления. В этой связи все автопроизводители, включая российских, начали активно искать решение экологических и экономических проблемкак сделать эффективное транспортное средство, которое в идеале не сжигало бы дорогое ископаемое топливо и, следовательно, не загрязняло окружающую среду.

В большинстве видов транспорта работает тот или иной двигатель, и на сегодняшний день в большинстве случаев это либо дизель, либо двигатель внутреннего сгорания, либо электродвигатель, либо турбореактивный двигатель. Электродвигатель по своим характеристикам лучше многих других приводов, в частности он более устойчив к переменным нагрузкам, не требует сложных систем передачи, КПД двигателя значительно выше (поскольку в нем меньше механически двигающихся частей, соответственно ниже процент механического износа), кроме того электродвигатель более дешевый по сравнению со своими собратьями. Итак, с одной стороны электродвигатель — просто находка, но есть одно НО! В пределах автомобиля электричество — крайне дорогой источник энергии. Поэтому решение только одно, сделать электродвигатель не основным, а вспомогательным элементом, именно этот вывод и положил начало производства гибридов разных категорий и обращение к альтернативным видам топлива. Альтернативное топливо содержит водородсодержащее сырье, то есть на выхлопе образуется просто вода, существуют автомобили на метиловом спирте, природном газе, бензине и дизельном топливе. Чисто водородные топливные элементы являются и самыми чистыми, но их установочная стоимость не является рентабельной. Поэтому в данный момент более популярны так называемые гибридные схемы когда транспорт имеет как обычный двигатель, так и электрический.

История разработок

Главной причиной начала производства гибридных автомобилей стал спрос потребителей на подобные автотранспортные средства, вызванный высокими ценами на топливо и постоянным повышением требований к экологичности машин.

Первым автомобилем с гибридным приводом считается Lohner-Porsche. Автомобиль был разработан конструктором Фердинандом Порше в 1900 — 1901 годах.

В США гибридные автомобили начал разрабатывать Виктор Воук в 60-е — 70-е годы.

В 1980 году компания Volvo проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов.

В Советском Союзе также велись работы по разработке гибридных автомобилей. Так, работы советского ученого Нурбея Гулиа привели к созданию прототипа гибридного автомобиля на базе автомобиля-грузовика УАЗ-450, где накопителем энергии являлся маховик, трансмиссией — особый вариатор. Это был один из первых «гибридов». В 1966 году удалось достичь экономии топлива до 50%. В Курске в 1972;73 годах Н. В. Гулиа были проведены испытания городских автобусов с маховичными гибридными агрегатами и вариаторами. Кроме того были построены и испытаны гибридные силовые агрегаты для автобусов на основе гидропривода. В последних роль накопителя энергии играли баллоны со сжатым азотом и маслом. Несмотря на различные принципы действия этих «гибридов» эффективность их оказалась близкой друг к другу — расход топлива снижался примерно вдвое, а токсичность выхлопа — в несколько раз. Но данные технологии советская автомобильная промышленность не начала использовать.

Первым автопроизводителем легкового гибридомобиля стала японская корпорация Toyota — она начала это направление с 1997 года.

При создании гибридного коммерческого автомобиля конструкторам пришлось искать непростые решения, чтобы сохранить параметры обычного грузовика: мощность, скорость, приемистость, грузоподъемность и полезный объем. Их реализация стала возможна только в современных условиях высокотехнологичного производства с применением мощных бортовых компьютеров. Первый гибридный дизель-электрический легкий армейский грузовик выпустила корпорация GM в 2003 году. Годом позже в Европе появился гибридный Mercedes-Benz (Sprinter). В том же в 2004;м американские корпорации International Truck and Engine Corp. и Eaton Corp. выпустили совместно коммунальный грузовик с гибридным приводом. Первым японским коммерческим гибридом в середине 2005 года стал Isuzu Elf Diesel Hybrid Truck.

FedEx — первая транспортная компания, решившаяся на эксперимент по массовому внедрению гибридных двигателей. Для начала было закуплено 20 грузовиков с дизельно-электрическими двигателями, которые начали работать в нескольких городах на территории США. Эксперимент продлился до конца 2004 года и в случае, результаты эксперимента были оценены специалистами как удачные, и компания приняла решение в последующие 10 лет заменить в своем автопарке более 30 тысяч среднетоннажных грузовиков. Такие грузовики будут оборудованы новым гибридным дизельно-электрическим двигателем OptiFleet E700, разработанным компанией Eaton. Такой двигатель уменьшает расход топлива на 50% и снижает выбросы CO2 в атмосферу на 75%. Правда, гибридные грузовики будут немного дороже обычных главным образом из-за стоимости аккумулятора.

Принцип работы гибридного привода

Гибридный автомобиль — это транспортное средство, оснащенное современным экологически чистым дизельным или бензиновым двигателем, электродвигателем-генератором небольшой мощности, автоматизированной коробкой передач и достаточно большим блоком аккумуляторных батарей. Такой набор узлов присущ только автомобилю с параллельной электрогибридной силовой установкой. Это означает, что транспортное средство может приводиться в действие отдельно от автомобильного ДВС или от одного электродвигателя, или от обеих силовых установок одновременно. Уже давно разработан и производится последовательный электрогибридный привод, то есть когда двигатель соединяется с электрогенератором, а вместо механической коробки передач и системы карданных валов используются электрические провода и мотор-колеса. Эта идея реализована в конструкциях железнодорожных локомотивов и большегрузных карьерных самосвалов. Применение последовательной гибридной схемы обусловлено огромными сложностями при передаче механическим путем очень большого крутящего момента на приводные колеса мощного транспортного средства .

Схема работы автомобиля с параллельным гибридным приводом аналогична, но значительно модифицирована, в первую очередь из-за включения в нее очень высокотехнологичного узла — электродвигателя с функцией генератора, который монтируют между сцеплением и автоматизированной коробкой передач, а также наличия блока аккумуляторных батарей, но в отличие от электромобиля меньшей емкости и, следовательно, более легких.

Электроника без участия водителя включает электродвигатель либо ДВС, либо обе установки в зависимости от вида движения. В момент начала движения и ускорения дизель и электродвигатель одновременно разгоняют транспортное средство. Во время хода автомобиля с эксплуатационной скоростью его приводит в движение только дизельный или электродвигатель. Благодаря использованию автоматической коробки передач в автомобиле отсутствует педаль сцепления. Трансмиссия плавно переключает передачи, а значит водитель меньше устает и повышается безопасность движения. При торможении электродвигатель переключается в режим генератора и преобразует в электричество энергию вращения ведущих колес. Во время остановки в транспортном потоке бортовой компьютер гибридомобиля своевременно отключит ДВС, а после начала движения не станет его запускать, если не потребуется полная мощность, то есть поездка продолжится на одном электродвигателе, который начнет потреблять энергию из аккумуляторных батарей. Важно отметить, что у «параллельных» по сравнению с последовательными гибридами двигатель внутреннего сгорания работает в самом экономичном режиме и не так часто на пиковой мощности, особенно при движении по городу, тогда как в последовательных гибридах транспортное средство всегда приводится в действие с помощью электротрансмиссии. То есть ДВС постоянно работает на максимальной мощности для преобразования кинетической энергии вращения двигателя в электрическую.

Типы гибридного транспорта

Гибридный автомобиль Это автомобиль, использующий для привода ведущих колес разнородную энергию. Современными автопроизводителями используется схема, позволяющая совмещать тягу ДВС и электродвигателя. Это позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок, а также реализовывать рекуперацию кинетической энергии, что повышает топливную эффективность силовой установки. Нередко силовые установки с электромеханической трансмиссией (например, Ё-мобиль, Тепловоз, некоторые трактора и танки) ошибочно называют гибридными, что в сущности ошибочно.

Toyota лидирует по количеству гибридов и активно выпускает эти автомобили с 1997 года, причём в модификациях как обычных автомобилей серии Prius, паркетных внедорожников серии Lexus RX400h, так и автомобилей люкс-класса — Lexus LS 600h.

По итогам 2006 года во всём мире было продано более полумиллиона только модели Prius. Технологию гибридного привода Toyota HSD лицензировали Ford (Escape Hybrid), Nissan (Altima Hybrid).

Массовое производство гибридных автомобилей сдерживается дефицитом никель-металл-гидридных аккумуляторов.

В 2006 году в Японии было продано 90 410 гибридных автомобилей, что на 47,6% больше, чем в 2005 году.

В 2007 году продажи гибридных автомобилей в США выросли на 38% в сравнении с 2006 годом. Гибридные автомобили в США занимают 2,15% рынка новых легковых автомобилей. Всего за 2007 год в США было продано около 350 000 гибридных автомобилей (без учёта продаж корпорации GM).

Всего с 1999 года до конца 2007 года в США было продано 1 002 000 гибридных автомобилей.

Гибридный автобус Наибольшее распространение гибридные автобусы получили в Северной Америке. General Motors с 2004 года к июню 2008 года поставил более чем в 30 городов США и Канады 1000 гибридных автобусов. Компания Orion Bus Industries к сентябрю 2009 года произвела 2200 гибридных автобусов. Первые шесть гибридных автобусов в Лондоне начали эксплуатироваться в начале 2006 года First Automotive Works начала производство гибридных автобусов осенью 2005 года.

Гибридный троллейбус Скомбинировать в конструкции электропривод с возможностью использования рекуперативной энергии торможения, дизель-генератор и накопительные элементы впервые удалось Минскому государственному производственному унитарному предприятию «Белкоммунмаш». Летом 2006 г. на заводе создан первый в мире пассажирский троллейбус модели 33 300А с гибридным приводом. То есть эта новая машина оснащена тяговым электродвигателем переменного тока и автономным источником энергии, состоящим из дизель-генератора и накопительных аккумуляторных электробатарей (АКБ).

Троллейбус «Белкоммунмаш-33 300А» является низкопольной сочлененной четырехдверной пассажирской машиной с электронной системой управления на IGBT-модулях. Он может передвигаться в режиме троллейбуса, от тока контактной сети, или в автономном режиме, используя электроэнергию, вырабатываемую дизель-генератором или аккумулированную батареями. Причем динамические характеристики в обоих вариантах будут абсолютно одинаковыми. Эта двойственность привода позволяет модели «Белкоммунмаш-33 300А» работать и на маршрутах, где есть контактная сеть, и там, где ее нет. Если сравнивать «Белкоммунмаш-33 300А» с обычным троллейбусом без накопительных батарей, то можно сказать, что эксплуатация гибрида сэкономит 10% энергии от использования рекуперативного торможения, а в автономном режиме экономия дизельного топлива достигнет 40% в сравнении со стандартным автобусом.

Первая в России модель гибридного троллейбуса, который благодаря специальным аккумуляторам может некоторое время ехать без контактной сети, успешно прошла испытание в Новосибирске в апреле этого года.

СТ-6217 — высокопольный троллейбус, выпускающийся с 2009 г. на «ООО «Сибирский троллейбус». «Сибирскому троллейбусу» в 2003 г. дали разрешения только на капитально-восстановительный ремонт, а сейчас дали сертификацию уже на строительство собственной модели.

Сейчас троллейбус курсирует по маршруту № 5 «Городской аэропорт — Ленинградская». От конечной остановки маршрут будет продлен до ТЭЦ-5. Этот отрезок пути троллейбус будет проходить, используя автономное питание от установленных батарей. Таким образом, без контактной сети он будет проезжать 6 остановок.

Преимущества и недостатки

Преимущества Главным преимуществом является экономная эксплуатация.

Очень актуально сегодня уменьшение вредных выбросов с отработавшими газами, что стало прямым следствием снижения расхода топлива у гибридомобилей. А при работе на электроприводе эмиссия вообще нулевая, это имеет неоценимое значение для больших городов, в том числе в России. Как показывает опыт эксплуатации, в городе гибридный автомобиль 80% времени работает в режиме электромобиля. Наличие двигателей двух типов позволяет отказаться от установки одного мощного двигателя, рассчитанного исходя из пиковых нагрузок эксплуатации транспортного средства. Когда гибридомобилю потребуется максимальная мощность, в работу одновременно включаются ДВС и электромотор. Это позволяет установить менее мощный ДВС, работающий большую часть времени в экономичном режиме. Снижение расхода углеводородного топлива немедленно сказалось на экологической чистоте.

Устранён главный недостаток двигателя на углеродном топливе — невозможность возврата энергии обратно в углеродное топливо. Инженеры по транспорту давно пытались сохранить энергию движения при торможении, чтобы её повторно использовать. Например, применялись специальные конструкции с большим маховиком.

Сокращение числа заездов на АЗС благодаря меньшему расходу топлива позволяет сэкономить около трети рабочего времени. И последнее, пусть и небольшое преимущество гибридомобиля — это заправка углеводородным топливом. У электротранспортных средств остается один существенный недостаток — необходимость длительного заряда аккумуляторов. Процесс этот долгий, и к тому же требует специ-ально подготовленного пункта зарядки. Электромобиль пока непригоден для длительных междугородных поездок. У гибридного автомобиля этого недостатка нет.

Недостатки Гибридные автомобили имеют относительно больший вес, они сложнее и дороже традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.

Наиболее перспективные, механические, гибриды не могут на данном этапе составить конкуренцию электрическим гибридам. Основной проблемой является невозможность создания адаптивных трансмиссий, способных работать в широком диапазоне передаточных отношений.

Также существуют опасения, что в будущем нас ожидает дефицит редких материалов, используемых при производстве гибридомобилей. Например, редкоземельный элемент диспрозий, который применяют при производстве высокотехнологичных электрогенераторных узлов. Надо сказать, что 95% мировых запасов редкоземельных материалов добывают сегодня в Китае, и у аналитиков возникают опасения, что внутри-китайское потребление этих элементов к 2012 г. сравняется с существующим объемом добычи.

Альтернативные источники энергии

Биологическое топливо Биотомпливо — это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород).

Жидкое биотопливо Технологий производства биотоплива несколько. Одна из них — это переработка сельскохозяйственных отходов в топливо. Сырьем, для этого процесса, могут служить и куски древесины, и солома, и навоз…

После сушки отходы нагреваются до 400−500°С, выделившийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализатора — и на выходе из реактора получается дизельное топливо без содержания серы и других вредных примесей. Кроме того, биодизельное топливо «СО₂-нейтрально» по отношению к окружающей среде — при его сгорании в атмосферу возвращается та углекислота, что была поглощена растениями при росте.

По оценкам авторов проекта, нынешние возможности сельского хозяйства Европы способны обеспечить таким топливом от половины до 80% всех легковых дизелей.

Еще один способ получения биологического дизельного топлива — растительное сырье. Тем более идея получать его из растительного сырья была озвучена еще Рудольфом Дизелем. В 1900 году он даже продемонстрировал двигатель, работавший на горючем из арахисового масла.

Основой для биодизельного топлива служат различные компоненты, чаще всего соя, рапс, хлопок, а в последнее время ятрофа — это южноамериканское растение еще называют бутылочным деревом. Технология в общих чертах такова: семена растений проходят через маслобойку, в которой масло отделяется от шрота — отходов маслоэкстракционного производства. Затем масло смешивают с метанолом, применяя в качестве катализатора метоксид натрия. Полученную смесь очищают — горючее готово.

Плюсы:

· Экономический аспект. Страны, где нефти нет либо крайне мало, готовы платить зеленым сырьем (а не долларом) за энергетическую независимость;

· «Биодизель» практически не содержит серы и канцерогенного бензола. Разложение этого топлива происходит в естественных условиях без вреда для природы, а в процессе сгорания в двигателе выбросы в атмосферу СО₂ на 50−80% ниже, чем при работе на традиционном минеральном дизтопливе;

· Растительное топливо отличает хорошая воспламеняемость, поскольку его цетановое число достигает 58, тогда как этот показатель для традиционной солярки не превышает 52. Иными словами, зажечь биодизельное топливо легче, но, увы, сгорает оно с меньшей теплоотдачей;

· Запасы сырья могут возобновляться ежегодно, культура не требует особого ухода в процессе выращивания;

· В ходе переработки масла получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия);

Минусы:

· Себестоимость производства выше, чем бензина и дизтоплива;

· Требуются дополнительные площади сельскохозяйственных земель;

· Эфиры рапсового масла обладают значительной коррозионной активностью. Это чревато потерей стойкости резиновых прокладок и сальников, образованием твердых отложений в форсунках и жиклерах, забитыми топливными фильтрами и отказавшими насосами высокого давления;

· Высокое содержание в «растительном» выхлопе окиси азота. Содержание NOx в выхлопе в сравнении с обычным дизельным топливом на 10% больше, а в ходе эксперимента инженеры Volvo доказали, что эта разница может достигать 40%;

· Борьба с токсичностью приводит и к потере мощности, а ее компенсирует больший расход топлива;

Водородное топливо В настоящее время многие специалисты в области энергетики, политики, журналисты и активисты общественных движений в защиту среды обитания отдают предпочтение водородному топливу. Постоянно ведутся исследования, призванные более широко внедрить использование водородное топливо в качестве замены бензину.

У водорода есть множество очевидных достоинств. Водород полностью сгорает в кислороде, выделяя большое количество энергии и оставляя после себя только водяной пар. Его легко транспортировать по трубопроводам практически на любые расстояния, тем более, что он не ядовит (хотя и взрывоопасен) и не обладает коррозирующим действием. Запасы водорода (как компонента воды) практически неограниченны и более или менее равномерно распределены по всем континентам. Водород представляется идеальным горючим для относительно маломощных и в то же время многочисленных силовых установок, размещенных на подвижных платформах — прежде всего для автомобильных и авиационных двигателей.

В настоящее время ограниченными партиями выпускаются:

· BMW Hydrogen 7. Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль. Используется жидкий водород;

· Ford E-450. Автобус (см. Автобусы Ford);

· Mazda RX-8 hydrogen. Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль.

· Городские низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Берлинская транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) к ноябрю 2009 года приобрела 14 автобусов MAN с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде.

Водородные топливные элементы Водородные топливные элементы могут производить электрическую энергию для электродвигателя на борту транспортного средства, заменив тем самым двигатель внутреннего сгорания, или применяться для бортового питания.

Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

· Ford Motor Company — Focus FCV;

· Honda — Honda FCX;

· Hyundai — Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power);

· Nissan — X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);

· Toyota — Toyota Highlander FCHV;

· Volkswagen — space up;

· General Motors;

· Daimler AG — Mercedes-Benz A-Class;

В Дании водородный поезд курсирует между городами Vemb, Lemvig и Thyboron. Протяженность маршрута — 59 км, что ограничено ёмкостью водородных баков. Проект получил название Danish Hydrogen Train Projecthttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%82 — cite_note-19.Разработки водородного железнодорожного подвижного состава также ведутся в Японии компаниями Hitachi и Kinki Sharyo.

В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

Fraunhofer Institute (Германия) разрабатывает беспилотный вертолёт с силовой установкой на водородных топливных элементах. Вес топливного элемента — 30 грамм, мощность 12 ватт Солнечная энергия К наиболее перспективным транспортным средствам грядущего столетия относят электромобиль. Однако его источники энергии — аккумуляторные батареи — пока не могут конкурировать с бензином и дизельным топливом. Да и экологическая чистота электромобиля далеко не бесспорна (если его аккумуляторы заряжают энергией от тепловых электростанций — это, по сути, «нефте-» или «углемобиль», если же от атомных — «атомобиль»). Иное дело солнцемобиль — разновидность электромобиля, получающего электроэнергию от бортовых или стационарных фотопреобразователей.

Фотоэлектрические элементы также могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания PlanetSolar создала катамаран TURANOR, который работает на солнечных батареях.. Этот катамаран, спроектированный швейцарцами и построенный немцами, оснащен солнечными панелями общей площадью более 5380 квадратных метров. Turanor признанна самой большой яхтой на солнечных батареях в мире. На проектирование и строительство TURANOR было затрачено около 26 миллионов долларов США. Солнечные панели PlanetSolar питают два электрических двигателя, которые обеспечивают максимальную скорость катамарана 24 километра в час. Избыточная энергия, произведенная солнечными панелями, сохраняется в литиево-ионном аккумуляторе большой емкости — ее будет достаточно, чтобы катамаран мог плыть в течение трех суток в пасмурную погоду.

Специалисты полагают, что солнечный транспорт станет всерьез конкурировать с автомобильным, когда эффективность доступных по цене солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей) составит 40−50%. Пока же их КПД всего 10−12%.