Конкурентоспособность моторных топлив (в связи с уничтожением природных ресурсов)

Макаров Андрей Фадеевич, аспирант-заочник СамГТУ, Ст.научн.сотр. лаборатории безопасности взрывных работ НЦ ВостНИИ (БВР и ГКИ ВМ и СВ)

Рассматривается экономический аспект возможного применения "альтернативных" моторных топлив и циклов тепловых машин в связи с уничтожением дешёвых нефтяных ресурсов и глобальным экологическим кризисом.

В настоящее время для преобразования химической энергии в механическую работу используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – разновидность тепловых машин. В качестве топлива в ДВС могут использоваться горючие вещества (углеводороды, спирты, газы и пр.) в смеси с зарядами сжатого воздуха или другого окислителя. При расширении продуктов вспышек в ДВС часть тепловой энергии рабочего тела преобразуется в механическую работу перемещения поршня, вращения турбины или – в кинетическую энергию газов, истекающих из ракетного сопла.

Экономическую конкурентоспособность (К) топлив-горючих можно определить как отношение удельной теплотворной способности моторного горючего (Q) к стоимости 1 кг (С), умноженное на показатель КПД (h ) цикла тепловой машины: К =h Q/С. За 1 примем показатели бензиновых ДВС (Кб=1). Другие факторы: экологичность цикла, ограниченность сырьевых ресурсов, масса силовой установки, эксплуатационные затраты, безопасность – также существенно влияют на показатель эффективности.

В качестве примера сравним конкурентоспособность бензина, этилового, метилового спирта и природного газа (ДВС по циклу Н.Отто), а также дизтоплива (ДВС по циклу Р.Дизеля). Результат представляет определённый интерес, т.к. во всём мире, отравляя биосферу, в ДВС сжигается свыше 1млрд.тонн углеводородных горючих в год. Всего извлекается из земных недр около 70 млн. баррелей нефти в сутки (~4 млрд. т ежегодно) [1].

В бензиновых ДВС показатель КПД составляет h =30-35% (расширение продуктов вспышки в e ~8-10 раз). Низшая теплота сгорания (вода – пар) в "бесплатном" воздухе для бензина, этанола, метанола и метана составляет: (-СН2-)n – 10500, С2Н5ОН – 7200, СН3ОН – 5300, СН4 – 13100 ккал/кг. Однако в условиях ДВС сгорают переобогащённые топливные смеси, поэтому реальную энергоотдачу горючих веществ, Q, примем на ~10% ниже: 9500, 6500, 4800, 12000 ккал/кг (с учётом потерь на образование СО и СНх). Стоимость 1кг горючих по уровню среднемировых цен в бензиновом эквиваленте ~1 доллар за 1 литр (~750г) [1] составляет: этанол - 1,2, метанол - 2,0, метан ~0,1. Отношение Кальт./Кб – характеризует эффективность "альтернативного топлива" и составляет: для этанола: Кэт.с./Кб =0,57, для метанола: Км.с./Кб =0,25, для метана: Км/Кб =12,6. Достоинством "альтернативных топлив" является более экологичный выхлоп ДВС: для этанола до 3-5 раз, для метанола и метана – до 8-10 раз. Для этанола Кэт.с. оказывается почти в 2 раза ниже, но на опыте Бразилии, полностью перешедшей на этот вид возобновляемого моторного горючего, – этанол перспективен. Сырьевая база синтетического метанола ограничена ресурсами угля, метанол ядовит и требует защитных мер. Очень высокая эффективность метана – компенсируется увеличением массы и объёма (газобаллонного) бака в 10-15 раз, а также затратами на газобаллонное оборудование. Кроме того, удельная мощность ДВС на газо-воздушном топливе ниже бензо-воздушных ДВС на ~20%. Наконец, все сжатые или криогенные горючие газы взрывоопасны. Особенно это относится к водороду. Перспективные гидридные баки интерметаллидов вмещают лишь до ~2-3% водорода по массе [2,3].

Эффективность дизельного топлива оказывается выше бензина в Кд.т./Кб ~1,5 раза. Сгорание доз распыляемого горючего происходит в избытке воздушного заряда, расширение продуктов вспышки e ~20, КПД цикла Дизеля достигает h ~40%. Выхлоп дизелей менее опасен бензиновых ДВС, отработавшие газы могут очищаться через поглотительные растворы, но масса и стоимость дизелей несколько выше. Кроме того, в связи с уничтожением нефтяных ресурсов, все нефтяные горючие через ~20-30 лет будут неконкурентоспособны [1]. Экономика "биодизельных", "биогазовых" и "синтетических жидких топлив" (СЖТ) – уступает сегодняшней эффективности бензина.

Определённый интерес представляют паровые двигатели внешнего сгорания. Достоинством паровых машин является их "всеядность", вплоть до дешёвого каменного угля, уничтожение которого растянется на 100-150 лет. КПД паровых машин может достигать до 15-20% - при достаточном перегреве рабочего тела-пара перед подачей на газорасширительный механизм (цилиндр, турбину) и ранней "отсечкой" пара в расширительном цилиндре. Экологичность цикла внешнего сгорания превышает показатели ДВС на ~2 порядка и более. Однако, недостатки паровых машин – громоздкость испарителей, теплообменников и пароперегревателей, инерционность всего "оборотного" цикла – сложная конструкторская задача.

…Но оказывается, что существует "хорошо забытый" цикл работоотдачи унитарных топлив, изобретённых раньше ДВС и раньше паровых машин.

Унитарные топлива – пороха, взрывчатые вещества и пиротехнические топлива – это смеси окислитель+горючее. Топливо – окислительсодержащее, конденсированное, а не газофазное. Такты сжатия, продувки, зарядки – отсутствуют. Если жидкое топливо-порох превращается в газы на 100%, то расширение рабочего тела в цикле может достигать до e ~103, что до ~102 раз превышает расширение газофазных зарядов в атмосферных ДВС, или перегретого пара – в паровых цилинд