Бензин из остатков еды: новые способы создания биотоплива
Каждый день появляется все больше видов альтернативных источников энергии для автомобилей. В Японии есть автомобиль, который заправляют водой. Уже появился транспорт, работающий на солнечных батареях, биоэтаноле и биометаноле, на биобутаноле и биодизельном топливе на основе растительных масел или животных жиров.
В последнее время активно используют остатки пищи, чтобы создать «еду» для транспорта и обеспечить людей экологичным топливом. Практично и полезно, а как именно, узнаете в обзоре.
Как родилась идея пищевого топлива
Первые попытки создать пищевое топливо были ещё у инженера Тяпкина. Помните трактор по имени тр‑тр МИТЯ? Это транспортное средство из повести Эдуарда Успенского «Дядя Фёдор, пёс и кот» ездило на ароматной картошке и вкусных котлетах. То есть, ещё в 1974 (именно тогда вышла книга), люди задумались о создании такой альтернативы топливу.
В реальном мире первые попытки заменить бензин альтернативным топливом появились в конце XIX века. Немецкий изобретатель Николаус Отто создал первый в мире четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, работавший на этаноле.
Чуть позже, в 1896 году, американский изобретатель Генри Форд изготовил свой первый автомобиль Quadricycle, двигатель которого работал на спирте.
История алкогольного топлива весьма насыщенная и продолжается до сегодняшнего дня. В настоящее время в мире уже разработано около 40 моделей автомобилей с совмещенной конструкцией заправки, так называемых Flexible‑Fuel Vehicle (FFV), в их баки можно заливать бензин и этанол в любом соотношении.
Другой пример это топливо, получаемое из сельскохозяйственных культур, содержащих большой процент сахара. Его можно найти в Бразилии, являющейся мировым лидером по производству биоэтанола из сахарного тростника, и в США — из кукурузы. Этанол, как правило, добавляют в бензин в определенных пропорциях (от 5% до 85%), что позволяет удешевить топливо, снизить его расход и вредные выбросы. Использование топлива с определенной долей этанола требует соответствующей комплектации двигателя, однако существуют и «всеядные» автомобили, которые могут ездить на любой смеси бензина с этанолом — на них, как правило, красуется надпись «FlexFuel» — гибкий выбор топлива.
Есть также «сельскохозяйственная» замена для дизельного топлива — это биодизель, изготовляемый из масличных культур (сои, рапса, подсолнуха). Он обладает теми же достоинствами по сравнению с углеводородным аналогом, что и биоэтанол.
Также идет разработки синтетического биотоплива — диметилового эфира (ДМЭ). Это горючее вещество, получаемое из целлюлозной биомассы, с очень хорошими топливными характеристиками и низким уровнем вредных выбросов (отвечает требованиям Евро-5). На ДМЭ делает ставку в своих разработках, в частности, концерн Volvo.
Биотопливо может помочь с решением некоторых экологических и экономических проблем. Ну а пока ученые работают над его оптимальным составом, предлагаем узнать о существующих стартапах, которые делают топливо из пищевых отходов.
Полевая солярка
Ещё в 2015 году ученые из Иркутского национального исследовательского технического университета и Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН разработали экологически чистую технологию, позволяющую получить биодизтопливо из масличных растительных культур. Исследователи планируют получать топливо из горчицы, рапса, редьки масличной, крамбе, сурепицы и рыжика. А отходы производства — глицерин и жмых — использовать в косметологии и животноводстве.
Новая технология, предложенная учеными, более экологична, чем производство обычного дизеля. Для биодизельного топлива характерны хорошая воспламеняемость, повышенная температура вспышки, улучшающая работу двигателя, и низкая токсичность выбросов. Кроме того, новый вид топлива обладает полной биоразлагаемостью. Немаловажную роль играет и нулевой баланс парниковых газов, попадающих в атмосферу,
По предварительным оценкам, стоимость такого топлива составила бы не больше 20 рублей за литр.
Топливо из остатков пива
Учёные Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН придумали биотопливо из отходов пивоваренных производств, сообщает издание «Наука в Сибири».
«Одно из направлений деятельности нашей лаборатории — получение биотоплива из микроводорослей. Они подходят для этих целей, потому что быстро растут, широко распространены в природе, к тому же запасают большое количество липидов, которые можно потом перерабатывать в ценные химические вещества, например, в биодизель», — рассказывает младший научный сотрудник ИК СО РАН Александр Пилигаев.
Обычно жизненный цикл микроводорослей, за который они успевают вырасти и набрать биомассу, составляет порядка двух недель. Один из способов выращивания этой культуры‑ на сточных водах пищевой промышленности. Стоки пивоваренных производств относятся к пятому (наименьшему) классу опасности, так как содержат большое количество органического компонента, который микроводоросли способны потреблять и перерабатывать.
«Было бы эффективнее, чтобы туда поступали менее богатые органическими компонентами отходы. Как раз с этим могут справиться микроводоросли, которые способны осуществлять так называемую «предпереработку». То есть с помощью одной технологии можно убить сразу двух зайцев — и снизить нагрузку на городские сточные системы, и получить биотопливо», — объяснил Пилигаев.
К настоящему времени в специально сконструированных фотобиореакторах учёным уже удалось получить образцы биомассы микроводорослей, а также провести опыты по их переработке. Результат — экспериментальные образцы биотоплива. Сейчас ведутся дальнейшие исследования по увеличению продуктивности липидов и оптимизации переработки получаемого сырья.
Проблема в том, что если сейчас создавать такую технологию и воплощать её на практике, то топливо на выходе будет дороже традиционного из нефти в 5–6 раз. Получит ли это направление дальнейшее развитие, будет зависеть от того, насколько учёным удастся удешевить способы культивирования водорослей, извлечения из них масла, а из него — биотоплива.
Японский суп вместо бензина
Японская транспортная компания Nishida Shoun использует в качестве топлива остатки бульона традиционного супа рамен. Биодизельное топливо может стать отличной альтернативой нефтяному дизельному топливу и значительно сократит выбросы парниковых газов.
Масуми Нисида, предприимчивый президент транспортной фирмы на юго‑западе Японии, придумал устройство, которое позволяет отделить свиной жир от бульона, именно жир нужен для производства топлива, потому что имеет свойство быстро затвердевать. Нисида придумал способ удалять из него опеределенные химические элементы во время переработки, чтобы сохранить его в жидком состоянии. Полученное сало предприниматель смешивает с отходами растительного масла, чтобы получить свое биодизельное топливо.
Идея использовать рамен в качестве компонента для топлива возникла ещё в 2013 году. Однажды администратор дружественной сети ресторанов поделился с директором транспортной компании давней болью японского общепита — остатки несъеденного рамена девать некуда, а утилизация обходится очень дорого. Подумав, директор решил попробовать использовать жирный бульон как источник энергии. Так со временем и пришёл к биодизелю на рамене.
Компания Nishida Shoun уже начала заправлять новым видом топлива некоторые из
своих грузовиков. С сентября 2021 года фирма перевела весь свой автопарк на
биодизельное топливо.
Масло из фритюрницы как дизтопливо
В 2021 году Forbes описал модель бизнеса финской компании Neste, которая считается мировым лидером в производстве возобновляемого дизельного топлива:
компания выкупает у ресторанных сетей отработанное масло, а чтобы оно не уходило в канализацию, компания за свой счет ставит на раковины специальные маслоуловители. Ради этого она даже купила американскую компанию Mahoney Environmental;
сырье отправляется на заводы в Финляндии, Роттердаме и Сингапуре, где с помощью специальной гидрообработки производится биодизель;
полученное топливо отправляется обратно в США.
По словам ученых, масло из фритюрниц при сгорании выделяет на 90% меньше парниковых газов в сравнении с обычным бензином, а также выбрасывает намного меньше микрочастиц. При этом нельзя просто вылить растительное масло из кастрюли в бензобак. Его нужно отфильтровать, а затем добавить до 30% обычного топлива. Кроме того, далеко не все транспортные средства можно заправлять таким биотопливом. Речь может идти только о более старых моделях дизельных машинах.
Пока экономическая часть сходится только с учетом субсидии – компания выкупает отработанное масло по 30 центов за фунт, а на галлон (3,7 л) биодизеля нужно 7,5 фунтов масла (на 2,25 доллара). При этом готовое топливо стоит 2,5 доллара за галлон.
Самое популярное сырье для производства биодизеля – это рапсовое или пальмовое масло. Правда, масличные пальмы недавно признали опасными для окружающей среды, потому что фермеры вырубают тропические леса ради плантаций таких пальм. А вот отработанное фритюрное масло – источник практически бесконечный – среднестатистический ресторан быстрого питания за год дает примерно 4000 килограммов отработанного масла, а из 100 литров фритюрного масла больше 60 кг идет в отходы.
Топливо из шотландского виски
Компания Celtic Renewables Ltd. совместно с учеными из Эдинбургского университета создала новую технологию для производства биотоплива из переработанного сырья для виски. Топливо предназначено для замены бензина и дизеля, при этом никаких изменений в строение двигателя вносить не нужно.
Биотопливо сделано из остатков после производства виски, которые сами по себе бесполезны: отработанных зерен ячменя и отходов, оставшихся после затирания солода, смешанных с остатками дистиллята.
«Мы использовали совершенно традиционный процесс ферментации под названием ABE, и в результате получили из отходов биобутанол. И это вещество может прямо заменить бензин. Впервые в истории машина проехала на биотопливе, созданном из отходов, оставшихся после производства виски», — заявил профессор Мартин Тангни, основатель Celtic Renewables.
Но в промышленных масштабах производитель намерен вырабатывать именно бутанол, который можно использовать не только для заправки автомобилей, но и в качестве топлива для воздушных и морских судов.
У экологического бутанола несколько преимуществ:
он на 25% энергоэффективнее по сравнению с этанолом;
безопаснее в использовании;
хорошо перемешивается с другими видами горючего;
не требует изменения системы подачи топлива автомобиля;
характеризуется низким уровнем выброса парниковых газов в атмосферу при сгорании.
По заверениям инноваторов, оригинальное биогорючее с шотландским акцентом станет доступным для британских водителей в ближайшие три года.
Новая технология также поможет улучшить состояние воды и сократить количество пищевых отходов при производстве виски. Ежегодно в Шотландии набирается 1,6 млрд литров жидких и 500 тыс. тонн твердых отходов. Ведь в процессе изготовления виски 90% всех принимающих участие в этом действии ингредиентов — вода, дрожжи и зерно — превращается в биологический мусор, который в лучшем случае применяется как удобрение или корм для скота, а в худшем сваливается в море.
Пиво вместо бензина
Житель американского штата Миннесота Кай Майклсон изобрел мотоцикл, который работает на пиве.
По словам создателя, бензиновый двигатель в своем мотоцикле он заменил на специальную 14-галлонную бочку с нагревательным змеевиком. В бочке пиво нагревается до 300 градусов и превращается в перегретый пар. Он выбрасывается из сопла и толкает машину вперед своим потоком.
Изобретатель отметил, что его мотоцикл оказался полезным изобретением, так как цены на бензин постоянно растут, а пиво стоит не очень дорого. «Сам я непьющий, поэтому я не могу придумать ничего лучше, чем использовать пиво в качестве топлива», — пояснил американец.
Он также рассказал, что планирует выставить свой мотоцикл на гонки, чтобы продемонстрировать публике его возможности. Майклсон уверяет, что его техника способна перемещаться на скорости около 250 км/ч. Сын Майклсона, Бадди, сказал, что мотоцикл можно приспособить для работы практически на любом напитке: Red Bull, кофе Caribou и т.д.
В дальнейшем мотоцикл планируют оставить в домашнем музее изобретений Майклсона.
Король Карл III ездит на топливе из остатков вина и сыра
Винтажный Aston Martin короля Карла III теперь работает на топливе из белого вина и сыра. Если быть точнее, то топливо Е85 представляет собой смесь 85% биоэтанола, полученного из остатков вина, сырной сыворотки и 15% неэтилированного бензина.
Этанол обычно производится из множества различных побочных продуктов растений, в первую очередь из кукурузы и сахара. Однако могут использоваться и некоторые остатки от процессов производства вина и сыра. Для создания топлива не используют качественное вино и сыр, ведь подойдет испорченное вино и сырная сыворотка.
Карл III также отметил еще один приятный побочный эффект роскошного топлива: «Когда едешь, вкусно пахнет». Однако, The Guardian отмечает, что использование биотоплива может нанести вред окружающей среде.
«Необычное решение принца Чарльза обезуглеродить Aston Martin с использованием высокой смеси биоэтанола, полученного из отходов сыра и вина, не следует принимать за серьезное решение по обезуглероживанию автомобилей. В больших масштабах биотопливо приносит больше вреда, чем пользы, вызывая вырубку лесов и изменение землепользования, что усугубляет климатический кризис», – сказал Грег Арчер (Greg Archer), британский директор группы компаний T&E, занимающейся чистым транспортом.
Если вспомните ещё истории или стартапы, где в качестве топлива использовали еду, делитесь в комментариях.
Кроме бензина: чем заправляют машины в мире
Одной из наиболее похожих на бензин альтернатив является биотопливо. Это довольно обширная группа источников энергии, которые могут быть представлены в разных агрегатных состояниях. Главная характеристика биотоплива: оно производится из возобновляемых органических веществ (остатки растений, природные масла, водоросли, даже навоз) и при сгорании дает энергию, при этом существенно снижает количество выбросов парниковых газов. Оно часто может уступать бензину, но при этом позволяет использовать транспорт гораздо бережнее по отношению к природе благодаря возобновляемости сырья для производства нового топлива.
На сегодняшний день транспортное биотопливо представлено в основном в двух видах: этанол и биодизель.
Этанол
Его также называют биоэтанолом — это очень плотный и концентрированный спирт, получаемый в основном из сахарного тростника или из кукурузы. Большая часть биоэтанола в мире производится из сахарного тростника в Бразилии: из-за больших объемов производства и низких зарплат в стране этот вид топлива является довольно дешевым. Правда, пока далеко не все автомобили могут ездить на чистом этаноле, в основном в той же Бразилии автомобили заправляют смесью этанола и бензина в соотношении 85% к 15%. Пробег автомобилей, работающих на этой смеси, составляет примерно 75% от пробега стандартных машин на единицу объема топлива.
И все же, несмотря на относительную дешевизну и простоту в производстве, а также существенное снижение выбросов выхлопных газов, производство биоэтанола подвергается обширной критике. В первую очередь из-за того, что для удовлетворения спросов и объемов производства требуется вырубка джунглей, а освобожденные от растений и животных территории засаживаются сахарным тростником. Также, конечно, огромные споры вызывает дешевизна работы людей, занятых на плантации.
Биодизель
Этот вид топлива создается на основе растительных масел, а также (иногда) из животных жиров. Просто залить в двигатель растительное или другое масло нельзя из-за неполного сгорания, к тому же разные масла отличаются по плотности. Но идея использования остатков масел с производств не давала покоя ученым, поэтому была разработана технология, по которой растительное масло или животный жир превращаются в топливо путем этерификации — из структуры масла путем химической реакции убирается глицерин и заменяется спиртом, который обеспечивает лучшее сгорание топлива и подходящую плотность. Для производства биодизеля в разных странах используются рапс, соя, касторовое и пальмовое масло.
Как и биотопливо, при сгорании биодизель не оставляет нагара, неприятного запаха выхлопных газов, выбрасывает меньше продуктов сгорания. При этом отмечается его простота в производстве, но в то же время есть и ряд минусов: такое топливо обладает непродолжительным сроком хранения, а его КПД существенно снижается при низких температурах, в холодных условиях образуется осадок, способный снизить эффективность работы двигателя.
И все же биотопливо на сегодняшний день активно используется во многих странах, а планы по увеличению доли используемого биотоплива включены в программы экологического развития стран Европы, Северной и Южной Америки, Азии и России. По мнению ученых, активное использование и совершенствование биотоплива позволит человечеству отказаться от использования невозобновляемых природных ресурсов.
Газовое топливо для автомобилей
Еще одно популярное направление исследований в области автомобильного топлива — это газ. Естественно, далеко не любой газ может подойти для заправки автомобиля. На сегодняшний день выделяются два основных вида газового топлива: пропан-бутан и метан.
Пропан-бутан
Этот синтетический газ довольно распространен в качестве топлива, его получают при переработке нефти и впоследствии могут использовать для отопления помещений, нагревателей, а также сжиженная пропан-бутановая смесь может применяться в качестве автомобильного топлива. Но у этого вида газа есть несколько существенных недостатков: легкая воспламеняемость, большое количество вредных продуктов горения, а также более высокий расход, чем у бензина. В то же время пропан-бутан более распространен, его можно найти на многих заправочных станциях.
Метан
Бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха, нетоксичен для человека, но при достижении высокой концентрации в воздухе может угнетать центральную нервную систему. Часто используется как альтернатива пропан-бутана для газовых нагревателей и печей. Этот газ дешевле пропан-бутана, но он не подвергается сжижению, то есть хранить его в более компактных баллонах не получится. Это может стать проблемой для владельцев автомобилей, которые хотели бы использовать газовое топливо: метановые баллоны существенно больше пропан-бутановых.
На сегодняшний день пропан-бутан и метан являются основными видами газового топлива. Но ранее ученые экспериментировали также с водородом и сжатым воздухом.
Электроэнергия авто
Электромобили являются одной из наиболее перспективных технологий сокращения выбросов в мировом транспорте, но преимущества, которые они приносят, зависят от источника энергии, на которой они работают. Сегодня слишком мало электромобилей работают на возобновляемых источниках энергии. Чтобы они стали действительно экологичным вариантом, это должно измениться.
По данным Международного энергетического агентства (МЭА), к 2030 году количество пассажирских транспортных средств, работающих на электричестве, на дорогах мира может превысить 250 миллионов, в то время как, по оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, количество электробусов и других транспортных средств массового транспорта может превысить 10 миллионов.
Поскольку у них электрический двигатель вместо двигателя внутреннего сгорания, электромобили не выделяют выхлопных газов, а это означает, что, в отличие от традиционных транспортных средств, они не выбрасывают углекислый газ, озон и твердые частицы в воздух, которым мы дышим.
Это важно, поскольку на транспорт приходится около пятой части глобальных выбросов, при этом на автомобильные поездки приходится целых три четверти этого объема. Большая часть этого приходится на легковые транспортные средства — легковые автомобили и автобусы, на долю которых приходится 45,1%. Остальные 29,4% приходятся на грузовые автомобили, перевозящие грузы.
Более того, это число будет только увеличиваться, поскольку рост населения и демографические сдвиги стимулируют все больший спрос на автомобильные поездки, не говоря уже о росте электронной коммерции, увеличивающей потребность в грузоперевозках.
Сладкая альтернатива: сахар вместо бензина
Спрос на сахар растет. Но 150 миллионов тонн сахара в год идут не только в пищу. Из сахарного тростника и сахарной свеклы производят этанол — вещество, которое может заменить бензин.
Бад Хомбург первым в Германии открыл биоэтаноловую заправкуФото: obs/Ford-Werke GmbH
Бразилия и США уже давно используют этанол как автомобильное горючее. С тех пор, как нефть то и дело переходит через границу в 70 долларов за баррель, все больше немецких предпринимателей проявляют усиленный интерес к «эксперименту с этанолом». В перспективную технологию инвестирует и Südzucker AG — крупнейший в Европе поставщик сахара, штаб-квартира которого находится в Мангейме.
Автомобилисты с болью для себя констатируют: цены на бензин растут. 50-60 евро за полный бак в автомобиле среднего класса — это в Германии сегодня правило. Потому что большинство моторов глотает по-прежнему бензин или дизель — а они дорогие.Фото: AP
Капля в море
Немецкое акционерное общество производит на своих заводах ежегодно 260 тысяч кубических метров биоэтанола. Всего в Европе его в настоящее время производится около 3 миллионов кубических метров. Звучит внушительно, но на самом деле, по словам Луца Гудерьяна, директора по маркетингу компании Südzucker, это немного по сравнению с объемами этанола, производимыми в США или Бразилии.
Обычное дело
В Бразилии, рассказывает Гудерьян, горючее, которым заправляются автомобили у бензоколонок, то есть бензин, уже содержит от 20 до 25 процентов этанола, и это нигде особо не афишируется. Кроме того, автомобилисты в Бразилии могут заправляться этанолом и в чистом виде. В США во многих штатах в бензин добавляют до 10 процентов этанола. В Европе эта доля намного меньше: по существующим стандартам подмешивать в горючее можно не более 5 процентов биоэтанола.
Дефицит автозаправок
Согласно действующим в Евросоюзе правилам, до 2010 года горючее должно состоять на 5,75 процента из сырья на растительной основе. Автомобилестроение уже сейчас выпускает различные модели машин, которые без проблем глотают самые разные виды топлива. Однако автозаправочных станций, предлагающих биобензин или биологическое дизельное топливо, для производства которых используют рапс, все равно пока еще очень мало.
Ренессанс старой идеи
Тут не помешает бросить взгляд за океан: в Бразилии, например, уже годами заправляют машины сахаром. Свыше 70 процентов продаваемых там новых автомобилей, в том числе и немецкие Volkswagen, оснащены так называемыми гибко-топливными, то есть многофункциональными моторами.
Они работают на бензине, на смеси бензина и этанола, просто на этаноле. Бразилия быстро отреагировала на нефтяной кризис 70-х годов, говорит Гудерьян. Примеру Бразилии последовали и США. В Европе эту тенденцию проспали, отмечает директор по маркетингу компании Südzucker, «просто потому, что цены на нефть снова упали, а с ними исчезла и острая необходимость» искать альтернативы традиционным видам топлива.
«Сейчас все иначе, — подчеркивает Гудерьян. — Мы наблюдаем настоящий ренессанс идей, которые, собственно, существуют уже с 1970-х годов».
Другого выхода нет
И чтобы не упустить момент, Südzucker расширяет производство биоэтанола на своих заводах во Франции и Венгрии, строит новые мощности в Австрии, планирует открыть новый завод в Бельгии.
Почти 500 миллионов евро намерена вложить немецкая компания в новое направление в ближайшие годы. Это решение вызвано и новым европейским законом, регулирующим практику субсидий на сахарном рынке в ЕС. Закон заставляет пересмотреть традиционное производство не только производителей сахара, но и перерабатывающую промышленность.
Гарантированная цена на сахар в последующие годы будет снижаться, прежде всего, для того, чтобы снизить избыточное производство работающей на огромных государственных субсидиях отрасли.
Воздух, жир, спирт и водород: ищем альтернативу бензину
В прошлом веке идея создания автомобилей на электричестве или на базе паровых двигателей казалась слишком утопичной или неэффективной по сравнению с технологией внутреннего сгорания. Бензиновые двигатели стали удобными благодаря электрическому стартеру и относительно низкой стоимости топлива. Спустя 50 лет человечеству пришлось задуматься об альтернативных источниках энергии: цены на нефть стали нестабильными, а проблемы с экологией на планете усугубились. Источников энергии для транспорта, как оказалось, не так мало. Они не настолько сумасшедшие, как ядерный реактор на банановой кожуре из фантастической трилогии «Назад в будущее», но в теории, а некоторые из них и на практике, могут повысить эффективность двигателей будущего, избавить человечество от вредных выбросов и сделать планету в целом более чистой. «Хайтек» подобрал несколько вариантов альтернативных источников энергии и объяснил, почему они эффективны.
Читайте «Хайтек» в
Дрова, воздух, топинамбур — что между ними общего? Все они помогут добраться из точки А в точку Б, если правильно их применить. Запасы нефти истощаются, экология страдает от выхлопов, поэтому пришло время вспоминать хорошо забытые старые подходы к топливу и создавать новые двигатели без недостатков традиционных двигателей внутреннего сгорания на бензине и дизеле. Давайте посмотрим, что человечество придумало и протестировало за последнюю сотню с лишним лет.
Обычный, но сжатый воздух
В 1863 году во французском городе Рошфоре на воду спустили подводную лодку Le Plongeur. Аппарат разработали инженер Шарль Брюн и капитан I ранга Симон Буржуа. Это была самая большая подлодка XIX века, способная погружаться на 10 метров и обладавшая повышенной прочностью конструкции благодаря поперечным и продольным переборкам. Возможно, вдохновившись увиденной на Всемирной выставке 1862 года в Париже субмариной, Жюль Верн затем и описал свой «Наутилус».
Одним из главных технологических нововведений этого экспериментального проекта был двигатель на сжатом воздухе. Мощность пневматической турбины составляла 80 лошадиных сил. 23 резервуара объемом 117 кубометров хватало на 12 миль подводного хода. Отработанный воздух частично нагнетался внутрь корпуса, а часть стравливали наружу — так что лодка оставляла след на поверхности воды.
Подобная технология использовалась и в авиации. В 1879 году другой французский изобретатель Виктор Татен создал модель аэроплана с размахом крыльев 1,9 метров и двумя винтами, которые работали от двигателя на сжатом воздухе.
Позже, снова во Франции, Луи Мекарски представил двигатель для трамвая. К концу XIX столетия изобретатель уже имел целый парк из 96 трамваев, но позже их заменили на электрические. Однако агрегат стали использовать в шахтах.
Двигатели на сжатом воздухе не выделяют вредных веществ. Поэтому сегодня над ними работают стартапы, рассчитанные на особенно ответственных потребителей, и компании, которые вынуждены показывать свою ответственность перед обществом и планетой.
В середине 2000-х компания MDI представила прототип пневмоавтомобиля AIRPod. Компанию основал Ги Негр, конструктор двигателей, работавший на Renault и создавший систему пневматического пуска двигателей для легких самолетов. Он предложил двигатель на этом принципе для болидов «Формулы-1».
Сейчас на сайте производителя именно этого проекта нет, но есть ряд других авто, а также катер с двигателем, работающем на сжатом воздухе, велосипед и автопогрузчик. Энергию воздуха компания предлагает использовать и в домашних электрогенераторах.
Более известный автопроизводитель, компания Citroen в 2015 году представила кроссовер на сжатом воздухе. Разработчики облегчили серийную модель автомобиля, повысили ее аэродинамичекие свойства, спрятали в районе багажника баллоны и в результате получили концепт Citroen C4 Cactus Airflow 2L.
Автомобили на сжатом воздухе максимально экологичны, но есть и минусы — низкий КПД и ограничения по скорости. Для городской малолитражки есть иное решение — использование гибридных двигателей. В случае с Peugeot Hybrid Air только при скорости 70 км/час энергия от сжатого воздуха будет использоваться в течение 60–80% времени, что позволяет сэкономить топливо. Воздух в баллоны закачивается благодаря использованию рекуперативной энергии торможения, которая приводит в действие гидравлический насос — он нагнетает рабочее давление в основном баллоне. Способ похож на тот, что используется в электромобилях для зарядки аккумуляторов.
Фритюрный жир
Еще один источник возобновляемой энергии — растительное масло. В первых двигателях внутреннего сгорания Рудольф Дизель использовал именно его, а не бензин. Для получения биотоплива можно использовать как свежее, так и отработанное масло, например, после использования во фритюре. В теории сети быстрого питания могли бы стать поставщиками такого сырья. В городе будущего можно представить, как на «пит-стопе» вы покупаете бургер с картошкой, одновременно заправляя бак своего авто.
Почему мы используем нефть в качестве топлива?
Деревья поглощают из воздуха углекислый газ, а из осадков — воду. В результате они образуют углеводы — соединения из углерода, кислорода и водорода. Когда растение разлагается, оно оставляет после себя углеводород. В нефти 90% веществ — именно эти углеводороды. Благодаря горючим свойствам углеводорода бензин и дизель, результаты переработки нефти, обеспечивают возможность двигателей внутреннего сгорания работать.
Альтернативы этому источнику углеводородов можно найти в природе. Чтобы превратить растительное масло в топливо, нужно смешать его со спиртом и катализатором — например, щелочью. Примерно так же делают мыло, но без добавления спирта. Процесс получается эффективным: если из тонны нефти можно получить полтонны бензина, то из тонны растительного масла — тысячу литров биодизеля и глицерин.
Один из главных плюсов биодизеля — производить его можно из полностью возобновляемого сырья. Например, можно засеять неиспользованные поля сельскохозяйственного назначения топинамбуром.
Углекислого газа при сжигании биодизеля выделяется немного. При этом в нем нет серы и других примесей, способных отравлять окружающую среду, которые есть в традиционных видах топлива.
Сейчас биодизель добавляют в бензин. Например, с 2018 года в Эстонии, по инициативе Евросоюза, в 95-й бензин и в дизель добавляют биокомпонент, чтобы снизить загрязнение окружающей среды.
Использовать биодизель можно в обычных дизельных двигателях, если добавить в топливо присадку и изменить систему подачи с учетом пониженного содержания энергии в биодизеле. Но есть и минусы — застывает такое топливо при более высокой температуре, чем дизель, поэтому нужны меры для использования биотоплива в холодных регионах.
Природный газ
При перегонке нефти получают пропан-бутан. Эта смесь газов в сжиженном виде сегодня используется практически в большинстве автомобилей. Он быстро и полностью сгорает, поэтому имеет высокое октановое число без использования дополнительных присадок.
Автомобиль можно сделать гибридным, баллон с газом поместить на место запасного колеса, а оборудование подключить к бортовому компьютеру. Автомобиль будет заводиться на бензине, затем переключаться на газ. После его полного использования снова возвращаться к бензину. На газу таким образом получится проехать 300–350 километров.
Есть и другой газ — метан, простейший углеводород. Его называют болотным, поскольку он образуется при гниении ила на болотах. Для использования в двигателе метана его необходимо охладить и сжать под высоким давлением. Минус — нужны толстостенные баллоны с давлением на 200 атмосфер, каждый из которых может весить порядка 100 кг. Поэтому метан чаще используют не в легковом транспорте, а в грузовиках и автобусах.
В 2018 году в России потребили 705 млн кубометров этого газа. КамАЗ на газомоторном топливе окупается на два месяца быстрее дизельного аналога. Один куб метана эквивалентен литру бензина, а стоит 16 рублей — в три раза меньше. Но количество заправок в стране на прошлый год составило 360, чего, конечно, слишком мало, ведь всего число заправочных станций только на 2017 год превышало 15 тыс. АЗС.
В том случае, если мы говорим о необходимости перехода на альтернативные виды топлива, не завязанные на их добыче из недр, подход с газом рассматривать нет смысла. Запасы газа, как и нефти, могут исчерпаться, поэтому нужны технологии их производства в промышленных масштабах без зависимости от природных ресурсов. Либо выбор других источников.
Газ от горения дров
Французский инженер Филипп Лебон в 1799 году открыл светильный газ, получил патент на его использование, а в 1801 году — патент на конструкцию газового двигателя. Другой инженер — Этьен Ленуар из Бельгии — в 1860 году запатентовал двигатель внутреннего сгорания на этом газе.
В итоге к 1938 году в Европе насчитывалось около 450 тыс. автомобилей, работающих на газогенераторном горючем. В СССР с 1936 года начали экспериментальный выпуск ЗИС-13, затем ЗИС-21 и ГАЗ-42, работающих на газе.
Когда двигатель внутреннего сгорания есть, но бензин или дизель недоступен, возможно использование газогенератора. Этот подход применяли, например, во время Великой Отечественной войны в СССР.
Принцип следующий: машина работает на дровах, угольных брикетах или торфе. При сгорании твердого топлива выделяется горючий газ, и он подается в цилиндры как топливо.
С точки зрения экологичности этот двигатель не сильно отличается от ДВС на природном газе — то есть он лучше, чем авто на бензине или дизельном топливе. Есть и минус — низкий КПД и ограниченная скорость.
Биоэтанол
Во время Первой мировой войны спирт использовали наряду с бензином во многих странах. Также с его помощью повышали октановое число, добавляя этанол к бензину.
Но уже спустя несколько десятков лет, во время Второй мировой войны, в США, Великобритании и Швеции невоенные организации и частные лица использовали бензин, в который добавляли до 30–35% этанола. После войны нефть снова подешевела, а этанол перестал пользоваться популярностью и исчез с топливных рынков. В США его производство восстановили после первого нефтяного кризиса 1970-х годов. В городах для общественного транспорта использование топлива с добавкой этанола стало обязательным — это помогает снизить содержание вредных веществ в выхлопных газах.
Биоэтанол получают в процессе переработки растительного сырья. Лидеры в производстве этого вида топлива — США и Бразилия. Из 117,5 млн кубометров биоэтанола в 2016 году в США произвели 59,5 млн, в Бразилии — 27,8 млн.
Сырье используется разное: в Бразилии это сахарный тростник, в США — кукуруза. Но также можно использовать другие сельскохозяйственные культуры с большим содержанием крахмала или сахара, такие как маниок, картофель, сахарная свекла или батат.
Спирт можно делать и из дерева, ведь целлюлоза содержит углерод и водород. Сырье измельчают, выделяют целлюлозу, добавляют водный раствор с ферментами, гидролизуют смесь до глюкозы и добавляют дрожжи. Смесь начинает бродить, после чего из нее удаляют дрожжи и выделяют спирт с помощью дистилляции. Получается технический спирт, у которого октановое число выше бензина. Поскольку в молекуле есть атом кислорода, требуется меньше кислорода для его сжигания в двигателе.
Угрозу биоэтанолу представляют низкие температуры. В баке это топливо может расслоиться и замерзнуть. Но есть способ исправить эту проблему — превратить биоэтанол в обычный бензин.
Биоэтанол подают в реактор с катализатором, происходит превращение биоэтанола в продукты с углеводородом. Углеводородная часть повторяет бензин с октановым числом 96, который можно использовать без присадок в обычных двигателях. В таком бензине нет серы, бензола или других токсичных соединений.
В Бразилии 70% автомобилей используют спирт вместо бензина. Около 40% потребностей в топливе страна обеспечивает за счет этого альтернативного вида топлива. Всё благодаря инициативе 1970-х годов, когда страны-экспортеры ввели эмбарго на поставку нефти государствам, поддержавшим Израиль. Пришлось создавать программу для обеспечения автомобилей заменителем бензина. Налог на бензин подняли, сделав использование этанола коммерчески выгодным, а строительство спиртзаводов поощрялось с помощью специальных условий по кредитам. А с 1979 года правительство подписало соглашение с рядом автомобильных концернов, включая Fiat, Toyota, Mercedes-Benz, General Motors и Volkswagen, чтобы те в стране собирали только машины, способные как топливо использовать стопроцентный спирт.
Диметиловый эфир
Также из стружек можно получить еще один вид топлива — диметиловый эфир. По химической структуре он похож на спирт, хотя здесь тоже два атома углерода, шесть водорода и один кислорода. Эфир используют в газовых баллончиках, он заменил собой фреон; эфир создает избыточное давление, что позволяет распылять содержимое баллонов. Свойства этого топлива похожи на свойства пропан-бутана, температура сгорания такая же, а давление, которое нужно обеспечить в баллоне, составляет пять атмосфер.
В 2005 году правительство Москвы подписало распоряжение, согласно которому департамент транспорта города должен был организовать испытания опытной партии автомобилей модификации ЗИЛ-5301 «Бычок» на диметиловом эфире. Испытания проходили на ГУП «Мосавтохолод», автомобили доставляли грузы в школы, детские сады и социальные объекты. На одной заправке они проходили 600 км и легко запускались зимой при отрицательных температурах до –30 °C. Пять таких «Бычков» выбрасывают в атмосферу столько же токсичных веществ, как один такой же грузовик на солярке.
Из диметилового эфира можно производить синтетический бензин. Это пытались делать еще в 1950-е годы в Европе, но длительная химическая реакция делала топливо дорогим.
В Институте нефтехимического синтеза решили эту проблему — там научились превращать диметиловый эфир в углеводороды бензинового ряда. В итоге получили тот бензин, который можно заливать в бак автомобиля. Получение обычного бензина требует больших мощностей, а синтетический бензин можно производить на небольших модульных установках. Октановое число синтетического бензина без добавок равно 76.
В колбах ниже — дизельное топливо и синтетический бензин. Как и в других видах биотоплива, в синтетическом бензине нет серы и почти нет бензола — токсичного канцерогена, поэтому он прозрачный, как вода.
Водородные топливные элементы
В Нью-Йорке 1900 года треть автомобилей были электрическими. Всё более эффективными становились аккумуляторы. Электромобили Detroit Electric, выпускавшиеся с 1907 года, сначала оснащались свинцово-кислотными батареями, а позже появились версии с железо-никелевым аккумулятором Эдисона. Тогда выпустили и первые гибридные автомобили — Woods Dual Power Model 44 Coupe имел сразу два двигателя, электрический и ДВС.
В 1910-е годы электромобили были популярны, но в 1920-е годы все изменилось из-за снижения цен на бензин и сами автомобили с ДВС, а также из-за повышения их удобства. Только в 1960–1970 годы, когда остро стали подниматься вопросы экологии, а цены на топливо стали нестабильными из-за нефтяного кризиса, производители вспомнили снова об электромобилях.
До 1992 года аккумуляторы развивались медленно. Но в том году появился первый литиевый аккумулятор, энергоемкость которого была выше как минимум в два раза, чем у свинцовой батареи. Это позволило увеличить пробег, а повышение мощности сделало двигатели более быстрыми.
Один из типов электрохимических источников энергии — топливные элементы. Одним из многообещающих подвидов этих элементов являются водородные. Водородные топливные элементы превращают химическую энергию топлива в электричество, минуя процессы горения. Такие устройства в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывают электроэнергию и не выбрасывают вредные газы в атмосферу. Автомобили на водородных топливных элементов сегодня разрабатывают такие концерны Ford, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen и многие другие.
Первым серийным автомобилем на водородных топливных элементах стала Toyota Mirai. Ее сейчас можно купить во Владивостоке чуть больше, чем за 1 млн рублей. Вместо выхлопного газа из трубы этого автомобиля выходит водяной пар.
Что мы будем использовать в качестве топлива через 30–50 лет — точного ответа нет. Но уже сейчас в разных странах люди на электромобилях получают налоговые послабления или другие преференции, а в YouTube умельцы переводят мопеды на газ или мотоциклы на дрова. Уже сейчас очевидно, что будущее — за чем-то максимально экологичным, а еще лучше, чтобы транспорт в принципе не нужно было заправлять. Но такие мечты всегда разбиваются о реальность.