1. Inhalt
  2. Navigation
  3. Weitere Inhalte
  4. Metanavigation
  5. Suche
  6. Choose from 30 Languages

Наука и техника

Автомобиль и экология

17.09.2007

Хотя на проходящем во Франкфурте-на-Майне международном автосалоне, как и в былые годы, нет недостатка в сверхскоростных спортивных моделях и сверхмощных внедорожниках, вопросы экологии – то есть, прежде всего, пути снижения уровня эмиссии углекислого газа в атмосферу – постепенно выдвигаются на первый план. Не то чтобы автомобилестроителей совесть замучила, но они не могут игнорировать настроение потребителей, а самое главное – нормативные акты ЕС, устанавливающие предельно допустимое содержание различных вредных веществ в выхлопных газах. Да и рост цен на нефть требует новых технических подходов и решений. Поэтому, наряду с разработкой более экономичных бензиновых и дизельных двигателей, всё больше производителей обращаются к альтернативным приводам, будь то электрические, водородные, на природном газе или на биоэтаноле. Правда, при этом зачастую возникают новые, ничуть не менее сложные проблемы. Возьмём, к примеру, природный газ. На первый взгляд, отличное решение в смысле экологии. Однако работающий на такой машине Марк Даран (Mark Darán), берлинский таксист, жалуется, что недостаточная ёмкость газовых баллонов сильно ограничивает максимальную величину пробега между заправками:

Получается примерно 250 километров – прямо скажем, могло бы быть и больше. Мой шеф тут посчитал, и оказалось, что в месяц 8 часов – целая смена! – уходит на то, чтобы заправиться. Газозаправочных станций в Берлине мало, пока туда доберёшься – и время потеряешь, и горючее зря пожжёшь.

Ясно, что лишний расход горючего – это прямая противоположность того, к чему стремились разработчики привода на природном газе. Выход из этого тупика предложили инженеры Технического университета в Дрездене. Они разработали баллоны, способные при тех же габаритах и том же давлении вместить гораздо больше газа. Чтобы добиться этого эффекта, дрезденские учёные делают, казалось бы, совершенно нелогичную вещь: они заполняют весь баллон порошком. Но не любым, конечно, а особым высокопористым порошком, – поясняет профессор Штефан Каскель (Stefan Kaskel):

Это можно представить себе так, что когда мы насыпаем туда этот материал с очень мелкими порами диаметром около одного нанометра, а потом наполняем баллон газом, то газ взаимодействует со стенками пор, переходя в некое квази-жидкое состояние. Оно характеризуется гораздо более высокой плотностью, чем та, что присуща обычному сжатому газу. В этом и заключается, собственно, весь трюк, позволяющий увеличить ёмкость баллона.

В использовании пористых материалов для связывания тех или иных веществ нет ничего нового, достаточно вспомнить о широко применяемых в медицине таблетках активированного угля. Активированный уголь давно используется и в технике – скажем, для очистки сточных вод или фильтрации выхлопных газов. И для увеличения ёмкости газовых баллонов он тоже уже применялся. Однако дрезденские инженеры предложили заменить активированный уголь так называемыми металлоорганическими каркасными структурами. Важное преимущество таких соединений состоит в том, что их поры имеют строго одинаковые размеры. Путём подбора химического состава можно получить структуру с порами, размер которых оптимально соотносится с размером молекул газа, который должен в них храниться. Оптимизация пор металлоорганических структур, которыми заполнен баллон, позволяет вдвое увеличить его вместимость по сравнению с пустым баллоном того же размера. А можно это же преимущество использовать иначе, – говорит профессор Каскель:

С помощью абсорбционных накопителей можно, например, хранить такое же количество газа, что и в пустом резервуаре, но при гораздо меньшем давлении. Это снижает риск аварии. Кроме того, классический газовый баллон, рассчитанный на высокое давление, обязательно должен иметь цилиндрическую форму. Соответственно, он занимает очень много места в багажнике автомобиля. Более низкое давление в баллоне позволило бы придать ему форму обычного бензобака и тем самым сэкономить немало места.

Впрочем, всё это пока теория. Почти все имеющиеся сегодня в наличии газозаправочные станции рассчитаны на давление в 200 бар, и вряд ли этот показатель в ближайшее время претерпит изменения. Однако при таком давлении вместимость баллонов, наполненных металлоорганическими каркасными структурами, всего лишь на 20 процентов превышает ёмкость обычных пустых баллонов. Но и это не всё: масса баллонов с порошком – в зависимости от объёма – на 50-80 килограммов больше, чем масса пустых баллонов, а это влечёт за собой увеличение расхода горючего. Есть и ещё одна проблема: баллоны при заправке газом сильно нагреваются. Это само по себе не так уж и страшно, но требует внесения некоторых изменений в конструкцию кузова. О том, что техника нуждается в совершенствовании, говорит и берлинский таксист Марк Даран. Во всяком случае, ни о каком триумфальном наступлении автомобилей, работающих на природном газе, и речи быть не может:

О, пока ещё нет. Для нормальной работы они пока не годятся.

Водород как автомобильное топливо ещё экологичнее, нежели природный газ: при его сгорании образуется одна лишь вода. Правда, экологический баланс такого автомобиля сильно зависит от источника – вернее, способа получения, – водорода: электролиз воды – процесс весьма энергоёмкий, и если для производства этой энергии сжигаются ископаемые углеводороды, то ущерб, наносимый окружающей среде, оказывается значительнее, чем положительный эффект от водородного привода. Но даже если водород получен вполне экологичным способом – например, за счёт солнечной энергии, – это ещё не значит, что все проблемы такого транспорта решены, хотя в Гамбурге или в Барселоне некоторая часть городских маршрутных автобусов уже переведена на водород. Одна из самых серьёзных – проблема безопасности. На минувшей неделе в испанском городе Сан-Себастьяне прошла встреча экспертов, посвящённая этой теме. Томас Йордан (Thomas Jordan), сотрудник Исследовательского центра в Карлсруэ и координатор европейского проекта «HySafe» по изучению безопасности водородной технологии, поясняет:

Водород так же горюч, как и природный газ. Однако он отличается от природного газа более высокой скоростью горения, и это увеличивает риск взрыва.

Ввиду малой плотности водород хранится либо охлаждённым до жидкого состояния в специальных сосудах, либо в газовых баллонах под высоким давлением – до 700 бар. Если герметичность такого баллона оказывается нарушена – например, вследствие аварии, – водород начинает из него вытекать. Когда такая авария происходит просто на дороге, то это не так страшно, поскольку водород гораздо легче воздуха и быстро улетучивается, не успевая достичь опасной концентрации. Иное дело – туннель, – говорит Йордан:

Если авария водородного автомобиля происходит в туннеле, это может привести к значительно более тяжёлым последствиям, поскольку водороду улетучиваться некуда.

Как известно, смесь, состоящая из двух объёмных частей водорода и одной объёмной части кислорода, называется гремучим газом. Достаточно искры, чтобы такая смесь взорвалась. Но сколь велик риск подобной катастрофы? Йордан и его коллеги провели серию опытов в специально построенной модели туннеля длиной в 5 метров:

У нас здесь, в Исследовательском центре в Карлсруэ, единственная в Европе экспериментальная установка такого рода. Это взрывостойкие контейнеры объёмом в 120 кубометров, в которых мы можем проводить такие опыты без риска для окружающих. Мы моделировали там туннели с потолками разных конфигураций, затем наполняли контейнер водородно-воздушными смесями разных концентраций и поджигали их с одного конца. При подобных авариях в туннелях всегда находятся источники открытого огня.

И как же ведёт себя такая смесь под потолком туннеля?

В ходе последнего эксперимента дело действительно дошло до мощного взрыва.

Правда, вероятность взрыва в значительной степени зависит от профиля потолка в туннеле, – поясняет Йордан:

В туннелях с гладким потолком риск разрушительных пожаров, а уж тем более взрывов, невелик. Если же у потолка очень сложная геометрия, это может быть опасным.

Светильники, вентиляторы, ниши, балки и прочие элементы конструкции препятствуют оттоку водорода, повышая вероятность образования гремучей смеси:

Вентиляторы могут дополнительно усугубить ситуацию, поскольку они перемешивают образующуюся водородно-воздушную смесь, что негативно влияет на взрывобезопасность.

Именно поэтому в Гамбурге автобусы, работающие на водороде, пока не используют на маршрутах, проходящих в туннеле под Эльбой. Безопасность пассажиров важнее экологии.

Ещё один вроде бы перспективный путь к повышению экологичности автомобиля – это применение биотоплива: во-первых, биоэтанол или, скажем, рапсовое масло – возобновляемые энергоносители, поскольку производятся из растительного сырья, а во-вторых, при их сжигании образуется меньше парниковых газов. В Евросоюзе даже действует закон, предписывающий, чтобы к бензину, произведённому из нефти, в обязательном порядке подмешивалась некоторая доля биотоплива. Более того, к 2020-му году биогорючее должно будет покрывать 10 процентов общей потребности в топливе. Но теперь поборники использования биоэтанола оказались в очень сложном положении: результаты испытаний, проведённых в лаборатории по изучению воздействия автомобилей на состав атмосферного воздуха при Объединённом исследовательском центре Евросоюза в Испре на севере Италии, оказались не только неожиданными, но и весьма тревожными. В этой лаборатории наряду с многочисленными стендами, позволяющими анализировать состав выхлопных газов при разных режимах работы двигателя, имеется и специальная камера, в которой изучаются вредные испарения запаркованных автомобилей, то есть автомобилей с выключенным двигателем. Казалось бы, какая опасность для окружающей среды может исходить от неработающей машины? Инженер-испытатель Алоис Кразенбринк (Alois Krasenbrink) поясняет:

Испытание продолжается 24 часа. За это время воздух в камере нагревается с примерно 20-ти до 34-х градусов Цельсия. Вот тут на графике хорошо видно, что уже через 12 часов температура достигла максимума. И всё это время автомобиль испускает в окружающую среду газообразные субстанции – летучие углеводороды. Именно это мы здесь и измеряем: сколько летучих углеводородов в единицу времени выделяет в атмосферу запаркованный автомобиль.

Летучие углеводороды – это те канцерогенные пары бензина со специфическим запахом, который известен каждому, кто хотя бы раз заправлял автомобиль на бензоколонке. Алоис Кразенбринк продолжает:

Существуют предельно допустимые нормы эмиссии: они составляют 2 грамма на испытание. То есть за все 24 часа в этом замкнутом помещении камеры при температуре, изменяющейся согласно этой стандартной кривой, автомобиль не должен выбрасывать в атмосферу более 2-х граммов углеводородов. Сейчас мы завершили обширную серию испытаний в соответствии с программой по изучению эмиссии летучих компонентов горючего с примесью биоэтанола.

К стандартному бензину можно подмешивать до 10-ти процентов биоэтанола. Обычные бензиновые двигатели внутреннего сгорания, как правило, безропотно переносят эту процедуру. Зато против такой добавки восстают бензобаки – об этом недвусмысленно свидетельствуют результаты испытаний в Испре. Алоис Кразенбринк говорит:

Судя по всему, некоторые модели автомобилей уже сегодня в полной мере отвечают строгим нормам на токсичность выбросов при добавлении в горючее этих самых 5-ти или даже 10-ти процентов биоэтанола. Они как бы не замечают никакой разницы между стандартным горючим и этой этаноловой смесью. Но есть и другие модели, и у них эмиссия вредных веществ в атмосферу увеличивается, причём значительно, иногда даже удваивается. Это означает, что многие автомобили, сегодня ещё укладывающиеся в предельно допустимые нормы токсичности выбросов, когда их заправляют стандартным бензином,, сразу же перестанут в эти нормы укладываться, едва в бензине появится эта биоэтаноловая добавка.

Биоэтанол увеличивает долю летучих компонентов в горючем. Топливо легче испаряется, и эти пары проникают в атмосферу через малейшие неплотности в бензобаке или в бензопроводе. Ситуация становится особенно тревожной, если доля биоэтанола в бензине достигает 10-ти процентов. Поэтому нормативы ЕС допускают не более чем 5-процентую добавку биоэтанола. В Германии этот показатель пока гораздо ниже, однако он будет в ближайшие годы расти. Если европейские законодатели, движимые заботой о противодействии глобальному потеплению, решат отменить 5-процентное ограничение на долю биоэтанола в бензине, то автомобилестроители будут вынуждены всерьёз озаботиться повышением качества бензобаков и бензопроводов. Правда, «изобретать велосипед» им не придётся: соответствующие технические решения уже имеются. К ним относятся специальные фильтры на основе активированного угля для улавливания бензиновых паров, а также бензобаки особой конструкции. В Калифорнии они уже сегодня предписаны законом:

У автомобилестроителей имеются полимерные топливные баки с двойными стенками, и там подобные проблемы просто не возникают. Одна беда – они значительно дороже нынешних. Поэтому очевидно, что автомобилестроители будут тянуть с внедрением новых бензобаков как можно дольше.

Впрочем, у противников биотоплива есть и другие аргументы. Например, его экологичность сильно зависит от сырья. Если сахарный тростник, на который сделала ставку Бразилия, может считаться вполне приемлемым источником биомассы, то широко распространённое в США производство биогорючего из кукурузы ничуть не лучше производства традиционного бензина из нефти, а возможно, даже хуже. Марсель Гаух (Marcel Gauch), научный сотрудник Швейцарского государственного центра технической и материаловедческой экспертизы, поясняет:

Потому что кукуруза требует очень интенсивного возделывания. Высок расход удобрений, высок расход пестицидов и гербицидов, высок расход дизельного топлива, необходимого для агротехнической подготовки поля и переработки промежуточных продуктов. Всё это в сумме сказывается крайне негативно.

То же самое относится и к рапсу, на который делают ставку в Германии. Расчёт экобаланса для четырёх видов горючего на растительной основе – биоэтанола, биометанола, биометана и дизельного биогорючего – показал, что хотя использование этих видов топлива действительно может снизить эмиссию парниковых газов на 30 процентов, возделывание и переработка растительного сырья для их производства наносит порой весьма серьёзный ущерб окружающей среде, что сводит на нет все прочие преимущества такого альтернативного горючего.