Учебное пособие для учащихся «альтернативные виды топлива»

Какое топливо выгоднее использовать для автомобиля

Рассмотрим, что выгоднее использовать в качестве топлива для транспорта. Сегодня можно ездить на:

• Дизеле.
• Бензине.
• Газе.

Сравнивая эти виды горючего, стоит брать во внимание не только коэффициент полезного действия и стоимость, но и предполагаемый износ мотора. По всем пунктам лидирующие позиции занимает ДТ

КПД дизельных двигателей гораздо выше тех, что работают на газу. Они долговечны и характеризуются большим крутящим моментом при низких оборотах. Такие моторы перегреваются гораздо реже бензиновых. Выбирая солярку, Вы получаете ряд преимуществ, среди которых:

• Экологическая безопасность.
• Минимальный расход в разных условиях.

Чтобы ДТ было эффективным и безопасным, оно должно соответствовать сезонности

Какое топливо выгоднее, можно понять, только рассмотрев все аспекты использования техники. Специалисты помогут определиться с оптимальным вариантом горючего, подберут топливо для коттеджа или заправки авто. Звоните, Вы получите подробные ответы на все интересующие Вас вопросы!

Атомная энергия и радиотермические генераторы

Ядерные реакторы

Ядерная энергия — это любая ядерная технология, предназначенная для извлечения полезной энергии из ядер атомов посредством контролируемых ядерных реакций . Единственный практический контролируемый метод, который сейчас практикуется, использует ядерное деление в делящемся топливе (с небольшой долей энергии, поступающей от последующего радиоактивного распада ). Использование ядерной реакции ядерного синтеза для управляемого производства энергии еще не практично, но является активной областью исследований.

Ядерная энергия обычно используется с использованием ядерного реактора для нагрева рабочей жидкости, такой как вода, которая затем используется для создания давления пара, которое преобразуется в механическую работу с целью выработки электричества или движения в воде. Сегодня более 15% мировой электроэнергии вырабатывается за счет ядерной энергетики, и построено более 150 военно-морских судов с атомными двигателями.

Теоретически электричество ядерных реакторов также можно использовать для приведения в движение в космосе, но это еще предстоит продемонстрировать в космическом полете. Некоторые реакторы меньшего размера, такие как ядерный реактор TOPAZ , построены так, чтобы минимизировать количество движущихся частей и использовать методы, которые более напрямую преобразуют ядерную энергию в электричество, что делает их полезными для космических миссий, но это электричество исторически использовалось для других целей. Энергия ядерного деления использовалась в ряде космических аппаратов, все из которых были беспилотными. Советы до 1988 года установили на орбите 33 ядерных реактора на военных радиолокационных спутниках RORSAT , вырабатываемая электроэнергия использовалась для питания радиолокационного блока, который обнаруживал корабли в океанах Земли. США также вывели на орбиту один экспериментальный ядерный реактор в 1965 году в рамках миссии SNAP-10A . Ни один ядерный реактор не запускался в космос с 1988 года.

Ядерные реакторы на ториевом топливе

Ядерные энергетические реакторы на основе тория также стали областью активных исследований в последние годы. Его поддерживают многие ученые и исследователи, и профессор Джеймс Хансен, бывший директор Института космических исследований имени Годдарда НАСА, как сообщается, сказал: «После изучения изменения климата в течение более четырех десятилетий мне стало ясно, что мир движется к климатическая катастрофа, если мы не разработаем адекватные источники энергии для замены ископаемого топлива . Более безопасная, чистая и дешевая ядерная энергия может заменить уголь, и она отчаянно необходима как неотъемлемая часть решения ». В природе тория в 3-4 раза больше, чем урана , а его руда, монацит , обычно встречается в песках вдоль водоемов. Торий также вызывает интерес, потому что его легче получить, чем уран. В то время как урановые рудники закрыты под землей и поэтому очень опасны для горняков, торий добывают из открытых карьеров. Монацит присутствует в таких странах, как Австралия, США и Индия, в количествах, достаточных для того, чтобы обеспечивать энергию на Земле в течение тысяч лет. Доказано, что в качестве альтернативы ядерным реакторам на урановом топливе торий способствует распространению, производит радиоактивные отходы для глубоких геологических хранилищ, таких как технеций-99 (период полураспада более 200000 лет), и имеет более длительный топливный цикл.

Список экспериментальных и действующих в настоящее время реакторов, работающих на ториевом топливе, см. В .

Радиотермические генераторы

Кроме того, радиоизотопы используются в качестве альтернативного топлива как на суше, так и в космосе. Их использование земли сокращается из-за опасности кражи изотопов и нанесения ущерба окружающей среде в случае вскрытия установки. Распад радиоизотопов приводит к возникновению тепла и электричества во многих космических аппаратах, особенно в зондах внешних планет, где солнечный свет слаб, а низкие температуры представляют собой проблему. Радиотермические генераторы (РИТЭГи), которые используют такие радиоизотопы в качестве топлива, не поддерживают ядерную цепную реакцию, а вырабатывают электричество в результате распада радиоизотопа, который (в свою очередь) был произведен на Земле в качестве концентрированного источника энергии (топлива) с использованием энергии из ядерный реактор наземного базирования .

КОМАНДА «ГАЗЫ»

Из биомассы получают и газообразное топливо, также отлично подходящее автомобилям. Например, метан — один из основных компонентов природного и так называемых попутных газов, получающихся при перегонке нефти. Столь полезное ископаемое с легкостью заменит никому не нужная гора органического мусора — от банального навоза до отходов рыбного, мясного, молочного и овощного производств. Этой биомассой и питаются бактерии, вырабатывающие биогаз. Очистив его от газа углекислого, получают так называемый биометан. Его главное отличие от обычного метана, на котором работают многие серийные модели, — он не является полезным ископаемым. Уж что-что, а навоз и растения раньше конца жизни на планете не иссякнут.

Схема производства биометана (все схемы и таблицы открываются в полный размер по клику мышки):

Спирты

Посреди альтернативных видов автомобильных топлив широкое распространение получили спирты, известные хорошей возгораемостью, а именно этанол и метанол, добавляемые к бензину или самостоятельно в чистом виде. Этанол активно используется в жарких странах Латинской Америки, добывается из отходов древесины и сахарного тростника. Этиловый спирт отличается высоким октановым числом, он обеспечивает высокую производительность двигателя и снижает уровень вредных выбросов.

Метанол или древесный спирт, добываемый из хвои, успешно применяется США и европейскими государствами как альтернативное топливо ввиду дешевизны производства. Метиловый спирт имеет высокое октановое число и по стоимости ниже, чем этиловый. На заправках можно встретить бензин с добавлением спиртов, маркирующийся буквенными обозначениями Е и М, а также цифрами, которые свидетельствуют о процентном содержании спирта. В случае маркировки М100 или Е100, заливать горючее в обыкновенный ДВС нельзя. Применение стопроцентных спиртов, как этанола, так и метанола в качестве топлива потребует переоборудования двигателя автомобиля.

При таком обилии альтернатив никаких серьёзных подвижек не наблюдается для перехода на новый уровень технологического развития, и бензин по-прежнему остаётся главным видом горючего для заправки автомобилей. Сомнительно, что в ближайшие годы мы увидим воочию технологический прорыв в направлении полной или хотя бы хоть сколько-нибудь частичной замены традиционного топлива альтернативным, но в целом разработки весьма перспективны.

Виды альтернативных источников энергии

1. Солнечная энергия

Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.

Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.

Съедобная упаковка и солнечный парус: новинки космических эко-технологий

2. Энергия ветра

Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.

Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.

3. Энергия воды

Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.

4. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.

5. Биоэнергетика

Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.

Энергия из спирта и навоза: преимущества и недостатки биотоплива

6. Энергия приливов и отливов

Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.

Как устроена самая мощная в мире приливная турбина

Нефть vs альтернативные источники энергии

Есть и другие, возобновляемые источники энергии. Именно на них переключаются крупнейшие страны-потребители энергии, считая такой способ генерации энергии более экологичным. Вторая причина перехода на альтернативные источники — перестать зависеть от нефтяных держав, которые используют нефть в геополитических целях.

Объем инвестиций стран и регионов в возобновляемые источники энергии и альтернативные виды топлива

Фото: REN21

_{Полная версия отчета Renewables 2019 в формате PDF (см. стр. 148)}

Основные виды возобновляемых источников энергии (ВИЭ):

Гидроэнергетика: источник энергии — вода.

Самый распространенный способ, при котором энергию вырабатывают с помощью плотины и турбин, которые вращают воду внутри. Потенциальная емкость гидроэнергетических станций — 30-40 Тераватт-час в год. Однако этот способ приводит к изменению уровня воды в водоемах, сокращению в них кислорода, нарушению нерестового цикла рыб и другим негативным последствиям для флоры и фауны.

Ветроэнергетика: источник энергии — ветер.

Энергия также вырабатывается с помощью турбин, которые вращают ветер. Они гораздо дешевле, чем водяные, располагаются на высоте от 100 метров: это значит, что землю под ними можно использовать под сельхозугодья.

Дания, Германия и Нидерланды к 2050 году планируют возвести искусственный остров в море и разместить на нем ветроэнергетическую станцию, которая сможет вырабатывать до 100 Гигаватт/час энергии в год.

Главный минус этого источника — нестабильность: нужно дожидаться ветра, причем определенной силы. Это возможно только вдали от населенных пунктов, а значит, доставка энергии будет слишком дорогой.

Гелиоэнергетика: источник энергии — Солнце.

Такие станции могут быть устроены по-разному: например, накапливать солнечный свет с помощью батарей, которые преобразуют его в энергию. Второй способ гораздо проще и популярнее, но во многих северных регионах солнечного света не хватает для того, чтобы полностью обеспечивать их энергией. И даже в очень солнечных местах есть смена суток и сезонов, поэтому выработка энергии будет неравномерной.

Волновая энергетика: источник — морские волны.

В этом случае специальные модули качаются на волнах и генерируют энергию из движения. Помимо генерации дешевого электричества такие станции защищают берега, а также мосты и опоры от разрушения. Однако их потенциал — всего 2 Тераватт-час в год, они могут быть опасны для водного транспорта и создают шум, который пугает водных обитателей.

Зеленая экономика

Анатолий Чубайс — о потенциале зеленой энергетики в России

Геотермальная энергетика: источник — тепло + вода.

На глубине роют две скважины, в одну из которых подают воду. Она испаряется, нагреваясь от земли, пар проходит через вторую скважину и по трубам направляется в турбины, попутно очищаясь от примесей. Это достаточно стабильный источник энергии, потенциал которого — 47 Тераватт-час в год. Однако сейчас мы можем получить лишь 2% от этого объема.

По данным аналитической компании Enerdata, в Норвегии около 97% электроэнергии добывается из альтернативных источников, в Новой Зеландии и Бразилии — около 80%, в Германии, Италии, Испании и Великобритании — 30-40%. В России доля потребления из ВИЭ — 17,2%.

Билл Гейтс, один из влиятельнейших идеологов ВИЭ, приводит такие цифры: в Токио 3 дня в году действует циклон, из которого можно было бы сгенерировать колоссальное количество энергии. Этого хватило бы на весь 27-миллионный мегаполис. При этом электричество, полученное традиционным способом, создает 25% от всех вредных выбросов.

Билл Гейтс — об энергии ветра и Солнца

Альтернативные виды топлива: сравнение

Потребление альтернативных видов топлива на 2011 год

Сравнение потребления альтернативных видов топлива и традиционных (бензин и дизель)

Почему топливный элемент выбран в качестве альтернативного источника питания

Работающая модель игрушки-электромобиля на водородном топливном элементе

Альтернативным источником питания выбран топливный элемент, поскольку конечным продуктом сгорания водорода в нем является вода. Проблема касается только в нахождении недорогого и эффективного способа получения водорода. Колоссальные средства, вложенные в  развитие генераторов водорода и топливных элементов, не могут не принести свои плоды, поэтому  технологический прорыв и реальное их использование в повседневной жизни, только вопрос времени.

Уже сегодня монстры автомобилестроения: «Дженерал Моторс», «Хонда», «Драймлер Коайслер», « Баллард», демонстрируют автобусы и авто, которые работают на топливных элементах, мощность которых достигает 50кВт. Но, проблемы, связанные с их безопасностью, надежностью, стоимостью  — еще не решены. Как говорилось уже, в отличие от традиционных  источников питания – аккумуляторов и батарей, в этом случае окислитель и горючее подаются извне, а топливный элемент лишь является посредником в происходящей реакции по сжиганию топлива и  превращению в электричество выделяющейся энергии. Протекает «сжигание» только в том случае, если элемент ток отдает в нагрузку, подобно дизельному электрогенератору, но без генератора и дизеля, а также без шума, дыма и перегрева. При этом, КПД намного выше, поскольку отсутствуют промежуточные механизмы.

Видео: Автомобиль на водородном топливном элементе

Большие надежды возлагаются на применение нанотехнологий и наноматериалов, которые помогут миниатюризировать топливные элементы, при этом увеличить их мощность. Появились сообщения, что созданы сверх-эффективные катализаторы, а  также конструкции топливных элементов, не имеющих мембран. В них вместе с окислителем подается в элемент топливо (метан, например). Интересны решения, где в качестве окислителя используется кислород, растворенного в воде воздуха, а в качестве топлива – органические примеси, скапливающиеся в загрязненных водах. Это, так называемые, биотопливные элементы.

Топливные элементы, по прогнозам специалистов, на массовый рынок могут выйти уже в ближайшие годы

Основные виды экономичного топлива

Чтобы понять, какие экономичные виды топлива подойдут для конкретных задач, стоит детально рассмотреть его основные категории. Среди эффективного горючего отдельно стоит выделить:

Керосин. Нефтепродукт с очень широкой сферой применения. Определенные типы керосина подходят для работы реактивных двигателей, осветительных приборов и т.д.

Керосин применяется не только при обслуживании техники, но и для осуществления рабочих процессов в цехах, а также лабораториях

Бензин. Подходит как для карбюраторных, так и для инжекторных моторов автомобилей. Востребован в разных промышленных направлениях как горючий и смазочный материал.

Если сравнивать не только цены и качество, но и универсальность применения, ДТ несомненно самое выгодное топливо

Солярку. В зависимости от сезона можно использовать летний, зимний или арктический дизель. Применяется как для заправки техники, так и для систем отопления частных домов.

Пропановый автогаз

Пропан — это более чистое горючее, высокоэффективное топливо, получаемое из нескольких источников. Он известен под многими названиями, включая пропан, LPG (сжиженный пропановый газ), LPA (жидкий пропан-автогаз), автогаз и другие. Пропан является углеводородным топливом и относится к семейству природного газа.

Пропан как автомобильное топливо имеет многие физические свойства бензина, сокращая при этом выбросы из выхлопной трубы и колеса в целом. Пропан является альтернативным топливом номер один в мире и предлагает изобилие запасов, хранение жидкости при низком давлении, отличные показатели безопасности и значительную экономию затрат по сравнению с традиционными видами топлива.

Пропан имеет октановое число от 104 до 112 в зависимости от состава смеси бутан / пропан. Автогаз пропана в формате впрыска жидкости улавливает фазовый переход из жидкого состояния в газообразное в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, создавая эффект «промежуточного охладителя», снижая температуру цилиндра и увеличивая плотность воздуха. Результирующий эффект позволяет более продвинуть цикл зажигания и более эффективное сгорание двигателя.

В пропане отсутствуют присадки, моющие средства или другие химические добавки, которые дополнительно снижают выход выхлопных газов из выхлопной трубы. Более чистое сгорание также имеет меньшее количество выбросов твердых частиц, более низкий уровень NO _x из-за полного сгорания газа в цилиндре, более высокие температуры выхлопных газов, повышающие эффективность катализатора, и меньшее количество отложений кислоты и углерода внутри двигателя, что продлевает срок службы смазочного материала. масло.

Пропановый автогаз на скважине вырабатывается наряду с другим природным газом и нефтепродуктами. Это также побочный продукт процессов очистки, которые дополнительно увеличивают предложение пропана на рынке.

Пропан хранится и транспортируется в жидком состоянии при давлении примерно 5 бар (73 фунта на квадратный дюйм). Автозаправочные машины по скорости подачи сравнимы с бензином с современным топливозаправочным оборудованием. Заправочные станции пропана требуют только насоса для перекачки автомобильного топлива и не требуют дорогих и медленных систем сжатия по сравнению со сжатым природным газом, давление в котором обычно составляет более 3000 фунтов на квадратный дюйм (210 бар).

В автомобильном формате пропановый автогаз может быть модернизирован практически для любого двигателя и обеспечивает экономию затрат на топливо и снижает выбросы, будучи более эффективным как система в целом из-за большой существующей инфраструктуры пропанового топлива, которая не требует компрессоров и образующихся отходов. других альтернативных видов топлива в соответствии с жизненным циклом колес.

Биодизельное топливо на растительных маслах

Для получения биодизеля используют рапсовое, соевое и подсолнечное масла. Это экологическое топливо, которое полностью разлагается и практически не содержит серы, производится по технологии этерификации. Все виды горюче-смазочных материалов проходят стандартизацию. Попадая в почву или в воду, такое топливо под действием микроорганизмов разлагается за 28 дней, не нанося вреда окружающей среде.

Выпускают как моновариант горючего, целиком состоящего из биодизельного топлива, так и составные материалы, которые выполняются из смеси бензина с производными рапсового или соевого масла. На АЗС Франции, Бельгии, Норвегии заправиться таким горючим можно также легко, как купить топливную карту «Газпромнефть» в России. Биодизель свободно продается физическим лицам и корпоративным клиентам. Во Франции практически все горючее на 5% состоит из этого топлива.