Основные направления повышения экологической безопасности автомобилей

–24 кг СО₂/МДж (то есть СО₂ становится меньше в атмосфере).

Еще лучше удерживает углерод  многовидовой растительный покров прерий. Показатель эмиссии парниковых газов  в этом случае также отрицательный:

–88 кг СО₂/МДж. Правда, скорость прироста (продуктивность) таких многолетних трав относительно низкая. Поэтому и количество топлива (выраженное в количестве бензина в литрах), которое может быть получено с естественной прерии, составляет всего около 940 л/га. Для проса эта величина достигает уже 2750–5000, для кукурузы — 1135–1900, а для сахарного тростника — 5300–6500 л/га.

Эффективным оказывается  и использование быстро растущих деревьев, например разных тополей  и ив. В целом ряде районов земного шара, прежде всего в тропиках, широкое внедрение культур, используемых для получения биотоплива, связано с вырубкой лесов. В Индонезии и в Малайзии огромные территории, еще недавно занятые дождевыми тропическими лесами — экосистемами, характеризующимися не только очень высокой первичной продукцией, но и максимальным видовым разнообразием растений и животных, — превращены теперь в плантации масличной пальмы и других растений, пригодных в качестве сырья для биотоплива. В Бразилии плантации сахарного тростника замещают интереснейшие, также характеризующиеся высоким видовым разнообразием, болотные экосистемы. Особенно интенсивно этот процесс идет в последние годы после подписания соглашения между Бразилией и США о крупных поставках этанола.

Очевидно, что замещая  ископаемое топливо и снижая таким  образом рост СО₂ в атмосфере, биотопливо на самом деле может угрожать многим природным экосистемам, прежде всего тропическим.

 

Дело, конечно, не в самом биотопливе, а в неразумной, «недружественной по отношению к природе» политике его производства. В уничтожении богатых видами природных экосистем и заменой их крайне упрощенными экосистемами сельскохозяйственных угодий. Большие надежды авторы возлагают на использование в качестве сырья для биотоплива массы микроскопических планктонных водорослей, которые можно выращивать в прудах (порой даже с солоноватой водой) или в специальных биореакторах. Выход полезной продукции на единицу площади при этом значительно выше, чем в случае наземной растительности.

В любом случае, необходимо оценить тот риск, который возникает для природных экосистем при культивировании растений, используемых в качестве сырья для биотоплива.

Сжатый природный и сжиженный  нефтяной газы, а также метанол- приоритетность газа, как наиболее перспективного экологически чистого моторного топлива, очевидна для многих стран мира. В Канаде, Новой Зеландии, Аргентине, Италии, Голландии, Франции и других странах успешно действуют национальные программы перевода автотранспорта, в первую очередь городского, на газомоторное топливо. Для этого разработана соответствующая нормативно-законодательная база: ценовая, налоговая, тарифная, кредитная. В результате налицо явный прогресс.

Уже сейчас в Нидерландах  порядка 50% автомобилей работают на природном газе, а каждый десятый  автомобиль - на сжиженном. 95% автобусного  парка Вены и 87% парка Дании также  работают на газу. И совокупный процент  потребителей растет с каждым годом. В Великобритании, например, действует  специальная программа перехода на другие виды энергии (Power Shift Programs): покупателю компенсируется до 75% расходов, которые он несет по переоснащению автомобиля на газ. В Германии владельцам автомобилей на природном газе предоставляются льготы: ежегодные единовременные компенсации при норме токсичности «Евро-4» и снижение размера налога. При страховании автомобиля законодательством введен специальный экологический тариф, составляющий 15% от обычных ставок.

Поэтому, в настоящее время  единственным путем повышения экологичности автотранспорта является его перевод на природный газ, что обеспечит сокращение вредных выбросов в окружающую среду двигателями автомобилей до уровня, отвечающего жестким европейским нормам. 

Водород. Ричард Кэммак, автор исследования «Водород как топливо», считает, что водород потенциально может стать идеальным топливом. В частности потому, что в природе существует подобный механизм – известны бактерии, использующие водород в качестве единственного источника энергии. Из водорода можно произвести в три раза больше энергии, чем из аналогичного количества бензина. Водород очень взрывоопасен, но, по данным организации National Hydrogen Association(США), вероятность взрыва водорода не выше вероятности взрыва бензина. За последние три десятилетия на исследования в этой области государственные и частные организации США затратили более 15 млрд долл.

Исследования водородного  топлива ныне активно проводят автомобилестроительные компании. Honda Motor, General Motors, Ford Motor, Mazda, Toyota, DaimlerChrysler начали выпуск экспериментальных автомобилей, работающих на водородных двигателях. Единственным выбросом, образующимся в результате работы подобных двигателей, является вода. Современный уровень развития технологий не позволяет использовать водород эффективно. Изготовление водородного топлива для автомобилей ныне в четыре раза дороже, чем производство автомобильного бензина в количестве, достаточном для производства аналогичного количества энергии.

 

 

 

Кроме того, остается проблемой  создание «водородной инфраструктуры»  – сети заправочных станций и  сервисных центров необходимых для обслуживания автомобилей работающих на водородном топливе.

Кроме того, водород требует  особо внимательного обращения. В 2001 году Массачусетский технологический  институт опубликовал результаты исследования, согласно которым хранение и транспортировка  водородных автомобильных двигателей в сто раз дороже, чем их бензиновых аналогов.

Исследование Калифорнийского  технологического института показало, если водород станет популярным автомобильным  топливом, то его количество в атмосфере  значительно увеличится. Это может  привести к уничтожению озонового  слоя, защищающегося Землю от ультрафиолетового  излучения, глобальному изменению  климата и активному размножению  опасных микробов.

Добывать водород из воды очень дорого, поэтому в США 95% водорода производятся из природного газа (метана). Это, в свою очередь, делает водородное топливо дороже, чем наиболее дешевый сегодня энергоноситель – природный газ. Впрочем, технологические  и экологические препятствия  использования водорода в качестве топлива не являются чем-то уникальным. Некогда похожие проблемы были у  природного газа, бензина и солнечной  энергии. К примеру, прошло более  двух десятилетий с момента начала производства солнечных батарей  до вывода их на уровень коммерческой окупаемости.

2.3 Автомобили с комбинированной  (гибридной) энергетической установкой (КЭУ) .

В качестве основного источника  энергии в таких автомобилях  используется ДВС, а в качестве пикового ее источника — тяговая электрохимическая  батарея (ТЭБ) или накопитель (батарея  электрических конденсаторов, сверхкомпактный маховик и т. п.).

 

Гибриды вчера.

В недалеком прошлом гибридными называли агрегаты, способные работать на нескольких видах горючего топлива. Одним из простейших и ярких примеров подобных силовых установок можно  считать мотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один — гибридный, представляющий собой работающий вместе ДВС и электродвигатель. Почему-то в большинстве справочников он не указан, и создается ощущение, что данная технология родилась совсем недавно.

Как оказалось, «первые ласточки»  появились на рубеже XIX—XX-го веков. Более того, некоторым разработчикам  удалось перейти от проектов к  мелкосерийному производству. Начиная  с 1897 года и на протяжении 10 последующих  лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago «гибридные» грузовики сходили до 1940 года.

Почему же тогда идея электродвигателей  и гибридов не прижилась?

На первую часть этого  вопроса еще в 30-х годах прошлого века ответил академик Е. А. Чудаков. Проведенное им сопоставление характеристик  моторов различных типов выглядит так: бензиновый занял первое место  по скорости и намного превзошел  электрический по запасу хода, зато по надежности и КПД бензиновый ДВС  проиграл. Стоит заметить, что ресурсные  и экологические проблемы в те времена еще не рассматривались. Продвижению же гибрида «в массы» тогда помешала высокая цена комплектующих  электроустановок, а также малые  мощности и непомерный вес элементов  питания (аккумуляторных батарей).

 

Гибриды сегодня.

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания едва-едва поспевает  за предъявляемыми к ним требованиями. С одной стороны, потребители  с мечтами об одновременно мощном и экономичном моторе, с другой — экологи, ужесточающие нормы токсичности. А в завершение — геологи, все  настойчивее напоминающие об истощении  запасов «черного золота».

Сегодня смело, можно сказать: эпоха ДВС как основного источника  энергии на автомобиле подходит к  логическому завершению. Подтверждение  этому уже не опытные, а серийные модели с гибридными силовыми установками.

Рассмотрим схемы гибридных  силовых установок:

Последовательная  схема.

В данном случае ДВС приводит в движение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питает электродвигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называют потому, что поток  мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности, с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД. Это позволит стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.

Параллельная  схема.

Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий  от двух источников, распределяется в  соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую  машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса. Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею.

Последовательно-параллельная схема.

Уже по названию можно догадаться, что эта схема объединяет в  себе две предыдущие. Здесь, в зависимости  от условий движения, используется тяга электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого, в случае необходимости, система  способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом, достигается максимальная эффективность  силовой установки.

Несмотря на все видимые  преимущества, автомобили с гибридными силовыми установками имеют ряд  недостатков. Кроме того что они  имеют усложненную конструкцию, требуется наличие специального оборудования для их обслуживания и  ремонта, а так же становится необходима подготовка специалистов не только для  обслуживания таких двигателей, но и для оказания помощи в случае попадания такого автомобиля в аварию.

2.4 Совершенствование электромобиля.

 

Электрические двигатели  проходят испытание во многих странах. Первые образцы электромобилей были созданы еще в конце XIX века. Это  была огромная машина с ваннами, заполненными серной кислотой, с очень маленькой  скоростью. Однако с приходом XXI века и появлением свежих идей многие производители  автомобилей дают электромобилю  второй шанс.

 

Проблем здесь, по существу, лишь две: найти накопитель энергии, способный обеспечить транспортному  средству запас хода, соизмеримый  с запасом хода обычного автомобиля, и создать соответствующую инфраструктуру (сеть зарядных станций и т. п.). Однако эти проблемы — чрезвычайной сложности. Особенно первая. Достаточно напомнить, что многие специалисты (электрики, химики, материаловеды и др.) весь прошлый век работали над созданием  электрических аккумуляторов большой  емкости, но так и не сумели получить приемлемые для автомобилестроителей и других потребителей результаты по запасу хода электромобиля, поскольку, ни один из аккумуляторов по удельной энергоемкости не смог конкурировать ни с жидким, ни даже с газовым топливом. Другими словами, при переходе с ДВС на батареи электрических аккумуляторов приходится жертвовать либо грузоподъемностью, либо запасом хода автомобиля.

Несмотря на то, что, во-первых, работы по электромобилям во многих странах  получили государственную (в том  числе финансовую) поддержку; во-вторых, поддержку общественную (судя по опросу, в Европе уже сегодня 1,3 % потребителей, т. е. -200 тыс. чел., готовы стать владельцами  электромобилей; в-третьих, разработкой электромобилей занимаются практически все автомобилестроительные фирмы,  данный транспорт остается скорее специальным, чем массовым: его применяют в аэропортах, на атомных станциях, территориях морских портов, выставок и т. п. Попытки же организовать крупномасштабное производство пока малоуспешны.

Преимущества электромобиля:

• отсутствие вредных выхлопов;
• простота конструкции и управления, высокая надёжность и долговечность экипажной части (до 20—25 лет) в сравнении с обычным автомобилем;
• КПД электродвигателя составляет 90 %—95 %.

Недостатки электромобиля:

• аккумуляторы за полтора века эволюции так и не достигли характеристик, позволяющих электромобилю на равных конкурировать с автомобилем по запасу хода и стоимости, несмотря на значительное усовершенствование конструкции. Имеющиеся высокоэнергоёмкие аккумуляторы либо слишком дороги из-за применения драгоценных или дорогостоящих металлов (серебро, литий), либо работают при слишком высоких температурах (рабочая температура натрий-серного аккумулятора >300 °С). Кроме того, такие аккумуляторы отличаются высоким саморазрядом. Одним из перспективных направлений стала разработка никель-металгидридных аккумуляторов с оптимальным соотношением энергоёмкости и себестоимости, перспективными считаются и аккумуляторы на основе полипропилена, однако, фактически по экономическим соображениям на электромобилях, как и век назад применяются свинцово-кислотные АКБ. Впрочем, энергоёмкость таких АБК увеличилась за 20 век в 4 раза (до 40—45 Вт·ч/кг) и они не требуют обслуживания в течение всего срока службы. Значительно повысить отдачу от аккумуляторов позволило применение электронных систем оперативного контроля над состоянием и зарядкой-разрядкой АКБ.
• аккумуляторы хорошо работают при движении электромобиля на постоянных скоростях и при плавных разгонах. При резких стартах тяговые АКБ теряют много энергии.
• проблемой является производство и утилизация аккумуляторов, которые часто содержат ядовитые компоненты (например, свинец или литий).
• около 10% энергии теряется в коробке передач и других элементах трансмиссии.
• часть энергии аккумуляторов тратится на охлаждение или обогрев салона автомобиля, а также питание прочих бортовых энергопотребителей. Прилагаются усилия, чтобы решить эту проблему с использованием топливных элементов, и фотоэлементов.
• для массового применения электромобилей требуется создание соответствующей инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов (зарядка на «автозарядных» станциях).
• Главный недостаток ЭХГ (электрохимический генератор) на сегодняшний день - высокая стоимость.