Новые виды топлива

В последние годы во многих странах проявляется большой интерес к заменителям традиционных видов автомобильного горючего. Среди таких заменителей  природный газ (пропан, бутан), жидкое топливо (метанол, этанол), электроэнергия, водород.

Природный газ

Газобаллонные автомобили, работающие на жидком пропан-бутане, уже внедряются в автохозяйство Москвы. Ездят они и по улицам Токио, Нью-Йорка, некоторых других крупных городов. Пробег без перезарядки у них невелик, емкости же с газом  огромны. Этот вид топлива не относится к самым перспективным: его запасы, как и залежи нефти, ограничены, а стоимость имеет тенденцию к росту.

Метанол

Интересной альтернативой бензину представляется метанол, сгорающий без образования вредных продуктов:

СН₃ОН + 1,5О₂  СО₂ + 2Н₂О .

В настоящее время метанол все шире используют в качестве добавки к бензину с целью экономии последнего. Однако полная его замена сдерживается необходимостью конструкционных изменений в двигателе и пока еще недостаточными объемами выпуска подобного горючего.

Этанол

В семидесятых годах ХХ в. реализовывалась национальная программа Бразилии «Этанол». Бразильские инженеры создали экономичный автомобильный двигатель, работающий на техническом спирте. Всем казалось, что в истории страны открывается новая страница. Езда на «спиртовых» автомобилях сулила сплошные выгоды. Во-первых, воздух в городах стал заметно чище. Во-вторых стоимость этанола была намного ниже, чем бензина. В-третьих, заметно сокращался импорт нефти, а значит, экономилась валюта. Но очень скоро «спиртомобилям» не стало хватать горючего. И тогда, предвкушая большие прибыли, фермеры стали выращивать сахарный тростник  сырье для производства этанола. Сахарный тростник занял почти половину посевных площадей страны, а традиционные посевные культуры очутились на положении пасынков, и цены на овощи и прочие продукты резко повысились. Однако топливного спирта по-прежнему не хватало. В итоге цены на этанол и бензин практически сравнялись. Национальная программа, нацеленная на завоевание мирового рынка, потерпела неудачу.

Электричество

Электромобиль  теоретически наиболее удачное решение проблемы создания безотходного транспорта. К 2000 г. США планировали иметь 8,6 млн. электромобилей (общий парк  около 200 млн. автомобилей). Однако емкость электрических батарей, их габариты оставляют желать много лучшего. Современные аккумуляторные батареи тяжелы, громоздки и имеют низкую энергоемкость. Небольшой автомобиль, почти целиком набитый батареями, может проехать без перезарядки всего несколько десятков километров с небольшой скоростью.

Водородная технология. Гидриды

Перспективным видом топлива для транспорта будущего является водород. При использовании водородного топлива двигатель не будет подвержен большим конструкционным изменениям. Водородное топливо в 10 раз калорийнее бензина, а в атмосферу выбрасываются только пары воды. Сейчас, когда водород все чаще называют топливом XXI века, стало очевидным, какие колоссальные ресурсы скрываются в гидридах  искусственных аккумуляторах водорода. Подсчитано, что 50 л бензина эквивалентно 12-15 кг водородного топлива. Однако процесс получения водорода довольно сложен и имеет высокую стоимость. Если бензиновые литры довольно легко умещаются в бензобаке обыкновенной машины, то соответствующая масса водорода заняла бы объем более 100 тыс.м³. Поэтому водород хранят и перевозят под давлением в массивных баллонах. Каждый такой баллон, несмотря на давление 150 атм., вмещает всего около 0,5 кг водорода. Сложно хранить водород в автомобиле. Можно хранить его в баллонах под давлением 20-25 МПа, но такие емкости громоздки и тяжелы. Если использовать жидкий водород, то он займет объем в 6 раз меньший, но потребуются криогенные установки, которые поддерживали бы температуру ниже -253^оС. Сжиженный водород в 2-3 раза дороже газообразного. В настоящее время водород используется в переоборудованных автомобилях в качестве добавки к бензину в количестве около 5%. Незначительная добавка дает заметный эффект: сокращается расход бензина, падает токсичность выхлопных газов. Однако при переходе на чистый водород возникает проблема его хранения.

Возможный выход видится в использовании гидридов. В 60-е годы ХХ в. был разработан способ хранения водорода в сосудах из специальных сплавов, называемых гидридными. Они представляли собой твердые или порошкообразные соединения, способные при охлаждении поглощать, а при нагревании выделять большое количество газообразного водорода. В качестве материалов для получения таких сплавов лучше других себя зарекомендовали титан и железо. Такой сплав может работать неограниченно долго без видимых признаков ухудшения свойств. В гидридах атомы «упакованы» очень плотно. Например, 1 см³ гидрида магния MgH₂ вмещает водорода по массе в 1,5 раза больше, чем его содержится в 1 см³ жидкого водорода, и в 7 раз больше, чем в сжатом под давлением 150 атм. газе. Иными словами, гидриды представляют собой «емкость», куда можно «заливать» водород. Правда, баллоны с гидридными сплавами массивнее бензобаков, но намного легче и меньше, чем кислотные аккумуляторные батареи, применяемые на электромобилях. Что же касается пожароопасности, то такие автомобили безопаснее обычных, т.к. водород находится внутри гидридных сплавов в связанном состоянии, а титан в соединении с железом не горит. Уже имеется опыт экспериментальной эксплуатации машин на водородном горючем. В 1975 г. в США был испытан автобус «Виннебаго Михибус» с карбюраторным двигателем, переоборудованным для работы на газообразном водороде. Горючее хранилось в двух баллонах с гидридными сплавами. Запас хода при скорости 80 км/ч превышал 120 км. Подобные испытания были проведены фирмой «Даймлер-Бенц» (ФРГ). Гидрид титана TiH₄ при нагревании легко выделяет водород, а при охлаждении так же легко его поглощает. Но «титановый аккумулятор» работает с полной отдачей при температуре не менее 500^оС, а КПД автомобильного двигателя на водороде резко падает при температуре выше 300^оС. При атмосферном давлении водород из гидрида магния выделяется необратимо, т.е. баллон можно использовать всего один раз. Для промышленности и транспорта такие контейнеры недопустимая роскошь.

Следущий шаг  исследование гидридов интерметаллидов, например, титана с железом, магния с никелем и т.д. При комбинации баллона из гидридного сплава титана-железа с баллоном из магния, алюминия и кремния (2 баллона общей массой 200 кг) при одной заправке автомобиля был достигнут пробег до 400 км. Однако результаты испытаний автомобиля с аккумулятором из этих гидридов показали, что, кроме чистоты выхлопных газов, он уступал автомобилю с бензиновым двигателем. Кроме того, производство самих гидридов представляло очень сложный процесс и содержание водорода в них было низким  около 2%.

В лаборатории физики высоких давлений ИФТТ (г.Черноголовка) под руководством д.ф.-м.н. Е.Г.Понятовского получена большая группа гидридов переходных металлов  кобальта, молибдена, технеция, родия, железа  в камере сверхвысоких давлений. При этом исследовались: строение кристаллической решетки, степень насыщения водородом, электропроводность, магнитные и сверхпроводящие свойства. Полученные данные позволяют решить проблему использования гидридов в качестве аккумуляторов водорода.