Дипломная работа: Методы снижения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду
Основная проблема в смене топливной аппаратуры. Импортное оборудование для карбюраторных автомобилей стоит 200-300 долларов, для инжекторных – 460–570 долларов. Отечественное несколько дешевле: для «жигулей» 3900 руб., «волг» – 4500 руб.
Усиленное развитие автотранспорта в городах приводит к тому, что небо затягивается смогом. В связи с этим администрации ряда областей вспомнили об идее использования в качестве автомобильного топлива природного сжатого газа. В 2009 г. переведено на природный газ пассажирское предприятие 1 Твери. На следующем этапе предусмотрено сотрудничество с Межрегион газом, Лентрансгазом и Газэнергопромбанком. Планируется обустройство газовой инфраструктурой как внутриобластных, так и крупнейших магистралей. После перевода транспорта на газ должны выиграть и сельские производители – газ примерно в 2 раза дешевле бензина и дизельного топлива.
В 2008 г. Самарская губернская дума приняла 4-летнюю региональную программу «Газ в моторах». За это время новый вид топлива должен перейти в 65% единиц транспортных средств во всех городах и районах области. На это будет затрачено 108 млн руб. Оборудование поставят бюро ракетно-космической координации «Энергия» и оборонные предприятия Самары, а заправочные станции построит Самаратрансгаз. Ожидается, что общий экономический эффект от выполнения программы составит около 60 млн руб. в год.
В 2008 г. работники автотранспортного предприятия г. Касимова (Рязанская область) предложили перевести городской общественный транспорт на газ. Газпром в свою очередь обещает держать в течение 10 лет цены на газ в 2 раза ниже, чем на бензин. В Рязанской области предполагается создать специальный фонд, который позволит осуществить перевод транспорта во всем регионе на более дешевое и экологически более безопасное топливо.
В будущем планируется освободить от уплаты различных экологических сборов автовладельцев, чьи транспортные средства работают не на бензине, а на газе. Существенные выгоды для водителей, отказавшихся от привычного горючего, представлены в законе «Об использовании природного газа в качестве моторного топлива».
Автомобили, работающие на природном газе, не будут ставиться на учет как источники вредных воздействий на атмосферный воздух. Соответственно их владельцам не придется получать разрешение на выброс вредных веществ.
Кроме того, машинам, и которых вместо бензина используется газ, разрешат не проходить так называемую проверку на окись углерода.
Плюс к лому решено материально заинтересовать водителей в переводе своих авто на экологически чистое топливо. Согласно законопроекту, стоимость газа должна быть значительно ниже, чем стоимость топлива из нефтепродуктов.
Подобные привилегии предполагается предоставлять частникам и коммерческим структурам. Транспортные средства государственных предприятий решено принудительно переводить на газ, начиная со второго года после окончательного принятия закона.
Создание в Москве целой сети газозаправочных станций станет своеобразным стартом для полного перехода на этот более экологичный вид горючего. Даже частичная «газификация» автотранспорта снизит вредные выбросы в атмосферу почти в 6 раз. В связи с этим уже в 2003 г. в столице было переориентировано на газовое топливо 950 городских автобусов и 15 тыс. грузовиков. Личный автопарк владельцы перевести на газ смогут самостоятельно. Сейчас в Москве действует не менее 50 мастерских, специализирующихся на установке газобаллонного оборудования. К этому же сроку планируется решить проблему с заправкой «газифицированных» автомашин. В 2001 г. в столице работало менее десятка газонаполнительных станций.
Немало стран, где правительство и деловые круги осознали необходимость газификации транспорта. В США, Италии, Испании, Новой Зеландии, Венесуэле разработаны и осуществляются государственные программы перевода транспорта на газомоторное топливо. Работа эта многогранна. Она не имеет одноразового решения. Это растянутый на годы процесс. В США, например, в принятый федеральный закон поправки вносятся уже одиннадцать лет. Этим законом и законами штатов регулируются налоговые и кредитные льготы, дотации на приобретение оборудования для АГНКС и газобаллонного оборудования для автомобилей.
В 1998 г. из 12 тыс. автомобилей, составлявших городской автопарк Нью-Йорка, лишь около 450 использовали в качестве топлива природный газ. С 2000 г. нью-йоркское такси работают на природном газе. Цель объявленной программы – оздоровление экологической обстановки в переполненном автомобилями городе. В соответствии с ней предполагается учредить специальный фонд в размере 3,5 млн долларов, из которого водителям такси будет выдаваться по 5 тыс. долларов на переоборудование автомобиля для перехода на газ. Компания «Форд моторе» объявила, что будет продавать автомобили, работающие на газе и на бензине по однойцене. Но таксистам, приобретающим новые машины, использующие в качестве топлива газ, будет предоставляться скидка – 6 тыс. долларов.
В Италии работа по газификации автотранспорта ведется с 1930 г. В 2006 г. здесь принята государственная экологическая программа применения СП Г на автотранспорте. Стоимость 1 м3 газа составляет 44,8% стоимости 1 л бензина. Годовой налог на бензиновый двигатель – 27 долларов на 1 л. с. мощности; на двигатель, работающий с использованием жидкого нефтяного газа, – 14,3, сжатого природного газа – 10 долларов.
7. Водород автомобильное топливо XXI в
Использование водорода в качестве основного вида топлива может коренным образом изменить всю будущую техническую цивилизацию. Важнейшая проблема современности – охрана окружающей среды от загрязнения – будет практически решена.
Характеристики водорода как моторного топлива уникальны: высокая теплота сгорания – 120 МГж/кг (у бензина почти в 3 раза ниже); хорошая воспламеняемость; безвредность отработанных газов; высокая скорость сгорания (в 4 раза выше, чем у смеси «бензин–воздух»).
В мире производится около 50 млн т водорода в год. В основном путем конверсии жидкого и газообразного топлива. Под конверсией понимают химическую реакцию углеводородов с водяным паром (паровая конверсия) либо с паром и кислородом (парокислородная конверсия), либо с кислородом (кислородная конверсия), в результате которых образуются водород и окиси углерода. Наибольшее распространение получила паровая каталитическая конверсия метана. Процесс протекает при умеренной температуре – 800-850°С.
В первой четверти XXI в. ученые прогнозируют рост производства и потребления водорода в несколько раз по сравнению с сегодняшним уровнем.
Разработан ряд перспективных методов получения водорода. Например, путем электролиза воды. По различным данным из воды ежегодно получают от 0,5 до 1,5 млн т водорода (1-3% общего количества). Пока получение электролизного водорода обходится более чем в 2 раза дороже, чем конверсионного, но при использовании промышленных электролизеров следующего поколения в будущем водород может сравняться со стоимостью с конверсионным, а затем стать дешевле.
Хорошо известны процессы получения водорода с помощью угля. Чаще таким путем вырабатывают не чистый водород, а его смесь с монооксидом углерода – синтез-газ и искусственные энергоносители. Совершенствование этих процессов должно принести к снижению затрат на получение водорода и синтез-газа и к их применению в районах крупных угольных месторождений.
Важным свойством водорода как энергоносителя является то, что в результате его сгорания образуется водяной пар – рабочее тело паротурбинных установок. Поэтому использование водорода в энергетике потребует усовершенствования современных энергопроизводящих систем, но не коренной их перестройки.
В каком виде можно применять водород? Газообразный, даже сильно сжатый водород невыгоден, так как для его хранения нужны баллоны большой емкости. Более реальный вариант – использование жидкого водорода. Правда, в этом случае необходима установка дорогостоящих криогенных баков со специальной термоизоляцией. Возможно хранение водорода в твердой фазе в составе металлогидридов, что безопаснее хранения бензина в цистернах. Связывать водород при определенных условиях могут интерметаллические соединения на основе редкоземельных металлов, титана, железа и ряда других металлов. В Институте металлургии РАН разработан интерметаллический сплав на основе никеля и редкоземельного металла – лантана. Благодаря своей структуре сплав обладает некоторыми свойствами неметаллов и может поглощать (сорбировать) и удерживать газы, а при нагревании до 150°С выделять их. При этом объем сорбируемого водорода в 500 тысяч раз превышает объем самого интерметалла.
Процесс накопления и обратного выделения зависит не только от емкости «поглотителя», но и от его конфигурации – чем больше поверхность, тем быстрее происходит сорбирование и, соответственно, обратное выделение водорода. Скорость можно регулировать, меняя температуру нагрева. Это позволяет осуществлять достаточно простое управление подачей горючего в двигатель. Кроме того, в процессе накопления и отдачи водорода сохраняется первоначальная эффективность при многократном повторении. Фактически интерметалл представляет собой компактный аккумулятор водорода, который может стать основой взрывобезопасного «топливного» бака.
В Институте водородной энергетики и плазменных технологий разработана принципиальная новая схема водородного автомобиля. Окисление происходит не в двигателе внутреннего сгорания, а в электрохимическом генераторе, где и вырабатывается электрическая энергия, вращающая основной вал двигателя. Трансформация энергии водорода в электроэнергию с помощью электрохимического генератора, основанная на полимерных мембранах, позволяет это делать при температуре кипения воды, что исключает синтез окислон-азота из воздуха, неизбежно возникающий при высоких температурах в других системах. В итоге на выхлопе чистая вода.
Ученые разработали систему водородной безопасности – так называемые дожигатели, которые нейтрализуют водород при малейшей его утечке, сигнализируя водителю о неисправности.
Автомобильный концерн «Даймлер-Бенц» (Германия) и энергетическая компания «Бэллард пауэр системс» (Канада) договорились о слиянии операций по технологическому развитию, производству и маркетингу топливных элементов. Совместное предприятие «Ди-Ди-Бифьюэт сеппз эндтинэ», в котором «Даймлер-Бенц» контролирует 2/3 капитала, определенного в 450 млн долларов, ставит перед собой задачу стать первым в мире производителем топливных элементов для легковых автомобилей и автобусов.
Топливные элементы – это прорыв в технологии на пути к экологически чистому автомобильному двигателю. Основным горючим является водород – его пропускают через полимерные мембраны с катализаторами, которые вызывают химическую реакцию с кислородом воздуха: водород превращается в воду, а химическая энергия его сгорания – в электрическую. Еще одно достоинство двигателя на топливных элементах – высокий КПД. Для обычных двигателей, работающих на бензине и дизельном топливе, он составляет 25-45%, КПД же топливных элементов – 70% и выше.
До недавних пор топливные элементы конструировали только для специальных целей, например космических исследований. В настоящее время их начинают применять на стационарных и передвижных электростанциях, внедрять в качестве силовых установок на надводных судах и подводных лодках.
Топливные элементы – энергетический рынок будущего. По мнению экспертов, он способен конкурировать даже с природным газом.
В настоящее время к промышленному производству различных видов топливных элементов приступили такие крупнейшие фирмы, как «Мицубиси хэви индатриз», «Тойота», «Фудзи», «Саньо», «Тошиба», «Эленко Эйч-Би», «Энерджи партнере» (в альянсе с «Фордом»), «Эйч-Пауэр» (в сотрудничестве с «Дюпон»), «Интернэшнл фыоэп-селл», «БМВ», «Симменс» и «Линде».
В 2000 г. фирма «Опель» представила в Пекине автомобиль, работающий на водородных топливных элементах. Электродвигатель имеет мощность 75 л. с. и способен развивать скорость до 140 км/ч. Одной емкости водорода хватает на 400 км.
8. Электромобиль
Только с 60-х гг. (особенно после энергетического кризиса 1973 г.) возник интерес к их массовому использованию. Это было вызнано не только энергетическими, но и серьезными экологическими проблемами: электромобиль не загрязняет и не подогревает воздух, он не такой шумный.
С 2003 г. в Калифорнии (США) вступает в действие закон, предусматривающий обязательный выпуск национальными производителями не менее 2% автомобилей с «нулевым выхлопом», прежде всего – электромобилей,
В 2008 г. фирма «Дженерал моторс» построила самый дорогостоящий электромобиль. Его начинка – 44 никель-металлогидридные батареи, топливные ячейки и трехфазный электромотор мощностью 137 л. с, разгоняющий машину весом 1300 кг до 150 км/ч с общим пробегом 500 км от одной зарядки. Исходным топливом для электромобиля служит технический спирт – метанол. Смешиваясь с водой, спирт разлагается в испарителе на водород и двуокись углерода. Водород поступает в топливные ячейки и после ионизации вырабатывает электроэнергию, подпитывающую батареи. Данные ионы окисляются кислородом, содержащимся в воздухе, и превращаются в воду, которая используется на первой стадии цикла. Таким образом решается масса проблем, которые прежде делали автомобиль на электротяге столь непривлекательным: батареи не нужно заряжать от сети, а баки – заправлять взрывоопасным водородом. Правда, здесь есть одно «но». Аналогичные установки американцы используют в космосе. И цена их столь заоблачная, что о «гражданском» применении таких установок пока не может быть и речи.
В Швеции создан 15-тонный грузовик, который назвали машиной будущего. В его двигателе соединены электромотор и газовая турбина. Электромотор используется на улицах города, чтобы не загрязнять атмосферу, а турбина – на загородных шоссе. Двигатель достаточно мощный 170 л. с, что позволяет грузовику развивать скорость ПО км/ч. Газовая турбина работает на этаноле, вредность выхлопных газов при этом в 10 раз меньше, чем от машин с поршневым мотором. А в качестве горючего могут быть использованы также метанол, бензин, дизельное горючее, рапсовое масло и природный газ.
Словом, поиск идет повсюду. Страна, которая первой выйдет на мировой рынок с электромобилем, не уступающим автомобилю с бензиновым двигателем, окажется лидером в гонке за транспорт XXI в.
Опередив в очередной раз остальные страны, Япония вступает в эру электромобилей. В Осаке постоянно действует первая на планете сеть скоростных подстанций, которым необходимо всего лишь 30 мин, чтобы «заправить» экологически чистый автомобиль, обещающий уже в недалеком будущем составить серьезную конкуренцию привычным машинам с двигателем внутреннего сгорания. До сих пор на подзарядку батарей уходило не менее 10 ч, что было одним из главных сдерживающих факторов широкого распространения электромобилей в мире. Однако с вводом в Осаке первых семи скоростных «электрозаправок» машины смогут свободно курсировать по городу. Они могут вернуться назад до того момента, как у них иссякнет вся энергия. Учитывая также, что последние модели электромобилей способны развивать скорость до 140 км/ч, зона их применения еще более расширяется.
Японская компания «Тойота» может стать первым в мире массовым производителем легковых автомобилей с двойной или «гибридной» системой энергоснабжения. Новая машина оснащена традиционным бензиновым двигателем, а также источниками энергопитания – аккумуляторными батареями, электромотором и электрогенератором.
Технология двойного питания, позволяющая водителям свободно переходить с одной системы на другую, в той или иной форме разрабатывалась практически всеми крупными автомобильными компаниями с целью повышения экологической безопасности своей продукции. Однако реализация проектов в большинстве случаев откладывалась в связи с высокими производственными расходами, которые неизбежно приводят к подорожанию автомобилей для покупателей. Если «Тойоте» удастся преодолеть проблему и запустить в производство экологически безопасную модель, это станет серьезным поводом для беспокойства ее американских и европейских конкурентов.
Пока представители «Тойоты» не раскрывают данных о планируемом объеме производства и возможной рыночной цене машины. Однако известно, что «гибкие» модели будут незначительно дороже традиционных. Успех предприятия во многом зависит от расценок и объемов производства.
Новая модель «Тойоты» будет оснащена двигателем внутреннего сгорания объемом 1500 см3, обеспечивающим возможность развития высокой скорости на автомагистралях. В городе же водитель может переключиться на экологически безопасную систему питания. Конструкция машины предусматривает подзарядку аккумуляторных батарей от бензинового двигателя. Таким образом должна быть преодолена проблема длительных простоев, которые вынуждены совершать автомобили, работающие на электричестве. Новая система также значительно более экономична в отношении расхода бензина.
