Сейчас очень популярны разговоры об альтернативной энергетике. Дескать, она спасёт окружающую среду, восстановит озоновый слой, устранит зависимость от стран, добывающих нефть и так далее. Главный вопрос всё-таки стоит так: на чём ездить будем, когда нефти будет мало? Давайте рассмотрим основные характеристики моторного топлива современного ДВС и сравним, как под них попадают альтернативные виды.
Итак, топливо обязательно должно быть: Калорийным. То есть, нужна высокая концентрация запасённой энергии в материале. Компактным и удобным в транспортировке. Неядовитым. То есть, само топливо и продукты его сгорания не должны быть токсичны. Продукты сгорания должны быть газообразными, но не жидкими или твёрдыми.
Теперь отпустим в свободный полёт фантазию в выборе топлива и проверим его характеристики.
Водород. Очень калорийное топливо. Продукты сгорания при правильном режиме горения не ядовиты (вода). Крайне неудобен в транспортировке. Просачивается через металлы, исключительно взрывоопасен. В целом, занимает большой объём на условную единицу энергии. Второй момент – производство водорода очень энергозатратно. В природе не встречается, значит необходим либо электролиз воды, либо конверсия природного газа или углеводородов. Первый способ получения компактен и удобен, но даёт выигрыш только при наличии избытка очень дешёвой электроэнергии. Второй способ нерентабельно организовывать в малом масштабе, но в целом он предпочтительнее. Плюсы – пункты 1, 3, 4. Минусы – пункт 2 и производство.
Металлы. На выбор есть алюминий, магний, титан, железо и многие другие. Очень калорийное топливо. Удельная молярная энергия при сжигании металла существенно больше, чем при сжигании даже водорода. Компактны и очень удобны в транспортировке. Продукты сгорания будут ядовиты. Ядовитость будет из-за того, что при сгорании будет образовываться аэрозоль оксидов этих металлов. Кто занимался электросваркой, тот хорошо понимает, насколько вредна образующаяся металлическая и металлоксидная пыль. Кроме того, абразивный износ деталей будет очень велик. В свободном виде в природе металлы встречаются очень редко, поэтому встанет вопрос об их добыче. Плюсы – 1, 2. Минусы – 3, 4 и добыча.
Биогаз. Калорийность биогаза сравнительно невысока. Необходимо помнить, что это не чистый метан, а газовая смесь с большим содержанием побочных компонентов, в первую очередь углекислоты. Транспортировка в целом неудобна, хотя в отличие от водорода осуществить её легче. Источники практически неисчерпаемы, но их продуктивность невысока и полностью обеспечить потребность в топливе они не в состоянии (по крайней мере - пока) Продукты сгорания и само топливо не ядовиты. Плюсы – пункты 3, 4 и добыча. Минусы – пункты 1, 2.
Аммиак. Калорийность высока. Энергетически выгодно сжигать не только чистый аммиак, но и даже концентрированные его растворы. Транспортировка кажется неудобной, но на деле это хорошо отработанные решения. Можно транспортировать непосредственно жидкий аммиак, можно его водные или спиртовые растворы под давлением. В первом случае сам жидкий аммиак служит топливом, во втором раствор служит либо аккумулятором аммиака, либо при определённых условиях – непосредственно топливом. Схемы синтеза аммиака хорошо отработаны и в целом он сравнительно дёшев. Главный недостаток – ядовитость аммиака. При его утечке (например, при аварии) – территория в радиусе десятков метров становится зоной химического поражения. У водителя шансов выбраться из неё практически нет. Плюсы – 1, 4. Минусы – 2, 3 и добыча.
Биоэтанол. Калорийность неплохая, хотя и заметно уступает углеводородному топливу. В транспортировке удобен, неядовит. Продукты сгорания неядовиты. Главным недостатком этанола является его добыча. Для использования в топливных целях необходим чистый этанол, в то время как сбраживание позволяет получить лишь 15 – 18% раствор. Значит, необходима перегонка, а этот процесс энергозатратен. Кроме того, переводить пищевые ресурсы в топливо – это даже хуже, чем топить ассигнациями. Плюсы – 1, 2, 3, 4. Минус – производство.
Биодизель. Калорийность высокая, традиционному дизельному топливу уступает совсем незначительно. В транспортировке удобен, неядовит. Продукты сгорания неядовиты. Главным недостатком биодизеля является его добыча. ВЫРАЩИВАНИЕ и переработка рапса на топливо – это извращение современной экономики, связанное с высокой рыночной стоимостью нефти. Бактериально-водорослевые схемы получения биодизеля неработоспособны при промышленном масштабе. Плюсы – 1, 2, 3, 4. Минус – производство.
Сера и фосфор. Высококалорийное, хотя и жутковатое топливо. В виде растворов в углеводородах пригодно для использования в современных ДВС. Очень токсичны продукты сгорания. Вызывает сильную коррозию всех деталей двигателя. Серу можно добывать самородную, фосфор в природе не встречается. Плюсы 1, 2. Минусы 3, 4. Для фосфора – добавляется производство.
Пироксилин. Звучит необычно, но принципиально возможно. Пироксилин (нитроцеллюлоза) относится к метательным ВВ и спокойно горит, никогда не детонируя. Для горения не требуется окислитель (воздух) Калорийность в целом высокая, но никогда не достигнет калорийности углеводородного топлива. В транспортировке пироксилин удобен, хотя с его длительным хранением есть проблемы. Продукты правильно пластифицированного пироксилина (с нулевым кислородным балансом) неядовиты. Недостатком является производство пироксилина. Для этого необходим целый ряд реагентов и продукт будет дорогим. Плюсы 1, 2, 3, 4. Минус – производство.
Уголь. Крупнокусковым углём можно пользоваться только в котельных, для ДВС он непригоден. НО! Вспомним слово нано. Мелкодисперсный углерод, суспендированный в каком-нибудь жидком носителе – прекрасное топливо. Калорийность углерода очень высока, кроме того, у него высокая плотность. Значит, удельная объёмная концентрация энергии в этом виде топлива даже выше чем в нефти. Наличие серы и минеральных примесей, конечно, портит общую картину, но от них можно избавиться. Удобен в хранении и транспортировке. Продукты полного сгорания нетоксичны, но есть проблемы чисто технического плана: полное сгорание происходит только при высокой температуре. Холодный двигатель будет сильно коптить. Запасы углерода очень велики и он надолго может обеспечить энергетику. Оптимальным является использование не самого углерода, а его суспензии в углеводородах, типа дизельного топлива. Назовём этот продукт топливным коллоидом. При содержании углерода до 30% - вязкость данного материала изменится несильно и в целом он пригоден к использованию уже сейчас. Особенно перспективно использование топливного коллоида как авиатоплива. Газотурбинный двигатель обеспечит полноту его сгорания, а повышенная плотность позволит сократить расход и уменьшить размер топливных баков. (хотя суммарного выигрыша в массе самолёта может и не получиться). Плюсы – 1, 2, 3, 4 и добыча.
Рассмотрев разные виды топлива видим, что оптимальными (по указанным в начале заметки критериям) являются спирт, биодизель, пироксилин и уголь. Из этого списка наиболее перспективным является уголь.
