Разработка энергосберегающих технологий

Технология ресурсосбережения — это производство и реализация конечных продуктов с минимальным расходом вещества и энергии на всех этапах производственного цикла (от добывающих до «распределяющих» отраслей) и с наименьшим воздействием на природные экосистемы и человека. Это выражается, прежде всего, в энергетической эффективности — соотношении между затрачиваемой (или имеющейся) энергией и полезным продуктом, получаемым при этих затратах. Интересным представляется следующее заключение о том, что превращение высококачественной энергии, извлекаемой из ядерного топлива, в тепловую с температурой в несколько тысяч градусов и далее в высококачественную электроэнергию, а затем использование этой энергии для поддержания температуры в доме на уровне 20° С, является чрезвычайно расточительным процессом. Как отмечает Т. Миллер, использовать высококачественную энергию для производства низкокачественного тепла — «это все равно, что резать масло циркулярной пилой или бить мух кузнечным молотком». Поэтому основным принципом использования энергии должно быть соответствие ее качества поставленным задачам. Во многих странах для обогрева жилищ стали применять солнечную энергию, энергию термальных источников, энергию ветра и др. В районах с холодным климатом наилучшим способом отопления является создание зданий, абсолютно изолированных от внешней среды Серьезной проблемой ресурсосбережения представляется разрушение стереотипов в использовании ряда ресурсов для получения энергии путем их сжигания даже в весьма «экономических» двигателях внутреннего сгорания — речь идет об углеводородном сырье, из которого получают бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, т. е. основу работы большинства эксплуатирующихся на Земле двигателей. Давно уже нужно вспомнить слова Д. И. Менделеева о том, что использовать для этих целей нефть равносильно тому, что «топить печь ассигнациями» [1].

В связи с этим, разработку энергосберегающих технологий рассмотрим на примере улучшения характеристик топлива для автомобилей.

Роль транспорта для современного человека требует особого внимания к применению новых экологически чистых видов топлива. К ним относится, прежде всего, сжиженный или сжатый газ. Важность этого вопроса для России подтверждается тем, что на уровень федерального закона вынесен законопроект «Об использовании природного газа в качестве моторного топлива», вызвавший очень большой интерес не только у специалистов транспорта, но и у экологов.

В мировой практике в качестве моторного топлива наиболее широко используется сжатый природный газ, содержащий не менее 85% метана. По энергоемкости 1 м³ природного газа при нормальных условиях эквивалентен 1 л бензина марки А-76. Природный газ можно также хранить и использовать в сжиженном виде (при глубоком охлаждении). Сжиженный природный газ — криогенная жидкость с температурой кипения 112 К, состоящая на 98% из метана [2]. энергосберегающий технология потребление коммерческий В меньшей степени распространено применение попутного нефтяного газа, представляющего собой смесь, в основном — пропана и бутана. Эта смесь может находиться в жидком состоянии при обычных температурах под давлением до 1,6 МПа. Для замещения 1 л бензина требуется 1,3 л сжиженного нефтяного газа, а экономическая эффективность его по эквивалентным затратам на топливо в 1,7 раз ниже, чем у сжатого газа. Следует отметить, что природный газ, в отличие от нефтяного газа, не токсичен.

Исследования преимуществ газовых топлив ведутся многими организациям России (ВНИИГаз; ГНЦ НАМИ, ВНИИЖТ, РГУП и др.) и за рубежом. Они свидетельствуют о несомненных выгодах применения таких топлив на транспорте.

Очень важно, что годовое топливо практически для всех вариантов его получения имеет несомненные экономические преимущества в России перед другими топливами передвижных транспортных средств. Важно также иметь в виду, что при применении газового топлива увеличивается моторесурс двигателя — в 1,4—1,8 раза; срок службы свечей зажигания — в 4 раза и моторного масла — в 1,5—1,8 раза; межремонтный пробег — в 1,5—2 раза. При этом снижается уровень шума на 3−8 дБ и время заправки. Все это обеспечивает быструю окупаемость затрат на перевод транспорта на газомоторное топливо [2].

Отечественный и мировой опыт эксплуатации автомобилей на газомоторном топливе, вместе с тем, не позволяет считать их более опасными, чем автомобили на бензине. Если к этому добавить имеющийся в России на сегодня комплекс технических средств, обеспечивающих применение газа на транспорте (комплектов оборудования, сети заправочных станций, контрольной и измерительной аппаратуры, опытных и серийных образцов не только автомобилей, но и тепловозов, судов), то необходимо признать, что переход на газомоторное топливо — вопрос ближайшего времени. Oн диктуется экономическими, экологическими и технологическими соображениями.

Кроме сжиженного или сжатого газа многие специалисты предрекают большое будущее жидкому водороду, как практически идеальному, с экологической точки зрения, моторному топливу. Еще несколько десятилетий назад применение жидкого водорода в качестве горючего казалось достаточно отдаленным.

Быстрое развитие космической техники заставило обратиться к водороду, как почти идеальному горючему для исследования и освоения мирового пространства. Сегодня члены мирового космического клуба — США, Россия, Западная Европа, Япония и Китай являются главными потребителями жидкого водорода. Помимо серии американских программ «Шаттл», а также советской ракеты «Энергия» и программы «Буран» здесь следует отметить так же такие перспективные западноевропейские космические проекты, как «Ариан-5», «Гермес», «Зенгер», использующие жидководородное горючее. Тем не менее, по-прежнему не исчезли сложные инженерные проблемы, связанные как с свойствами самого водорода, так и его производством. Как горючее для транспорта водород удобнее и безопаснее применять в жидком виде, где в пересчете на один килограмм он превосходит по калорийности керосин в 6,7 раза и жидкий метан в 1,7 раза. В то же время плотность жидкого водорода меньше, чем у керосина почти на порядок, что требует значительно больших баков. К тому же водород должен храниться при атмосферном давлении при очень низкой температуре — 253 градуса Цельсия. Отсюда необходимость соответствующей теплоизоляции баков, что также тянет за собою дополнительный вес и объем. Высокая температура горения водорода приводит к образованию значительного количества экологически вредных окислов азота, если окислителем является воздух [2].

В 80-х годах в Советском Союзе был создан, а в 1989 г. впервые продемонстрирован за рубежом пассажирский самолет, способный летать помимо авиационного керосина также на сжиженном водороде или жидком метане. Экспериментальная машина такого типа была создана на базе серийного Ту-154 под руководством А. Туполева с двигателем Н. Кузнецова.

Картина была бы неполной, если не упомянуть инициативу ведущих немецких автомобильных компаний в создании автомашин на жидком водороде. Здесь имеется в виду модель 230 фирмы «Мерседес-Бенц» и модель 745 не менее известной компании «БМВ». Спроектирован также оригинальный топливный бак для жидкого водорода, предназначенный для грузовых автомашин. По оценкам экспертов фирмы «МББ» производство жидкого водорода в Германии в ближайшие годы резко возрастет. При этом ракетно-космический комплекс перестанет быть главным потребителем этого вида горючего. Указанная роль перейдет к гражданской авиации, доля которой составит 75 процентов, а также автотранспорту, потребности которого превысят 20 процентов. В общем энергетическом балансе Германии тенденция также прослеживается вполне отчетливо. По оценкам Штуттгартского центра, в 1987 г. доля потребляемой в стране энергии «Солнце — водород» составила всего 2,6 процента; к 2000 г. она возросла до 6 процентов; к 2020 г. достигнет 28 процентов, и наконец, к 2050 г. выйдет на уровень 72 процентов. Интересно, что немецкие специалисты предусматривают снижение национального расхода энергии, путем режима экономии к 2000 г. примерно на 10 процентов по сравнению с 1987 г., а к 2020 г. уже на 35 процентов, с сохранением этого уровня до 2050 г. Такова альтернатива, позволяющая резко затормозить выброс углекислого газа и других вредных продуктов в атмосферу [2].

Все изложенное выше позволяет сделать вывод, что переход на водородное топливо, в первую очередь в авиации, а затем и в наземном транспорте станет реальностью уже в скором будущем. К этому времени будут преодолены технические проблемы, окончательно ликвидировано недоверие к водороду как чересчур опасному виду горючего и создана необходимая инфраструктура.