В 1990-х годах водород рассматривали в качестве альтернативного топлива будущего. Затем большие надежды возлагались на биотопливо. Позже большое внимание привлекло развитие электрических технологий в автомобилестроении. Если и эта технология не получит дальнейшего продолжения (тому есть объективные предпосылки), тогда наше внимание вновь сможет переключиться на газогенераторные автомобили. Упадок газогенераторных технологий был обусловлен лишь низкими ценами на топливо нефтяного происхождения. На сегодняшний день жидкое топливо утратило своё преимущество, создав благоприятные предпосылки для дальнейшего развития технологии транспортных газогенераторов.

Краткое описание проблемы 

Сегодня энергетические потребности человечества оцениваются в 11 — 12 млрд т. условного топлива (у. т.). Это составляет 12% энергии ежегодного прироста биомассы на земле. Удовлетворяются наши энергопотребности за счёт нефти и газа на 58 — 60%, угля — на 30%, гидро- и атомной энергии — на 10 — 12% и биомассы (!) на 1 — 2%.

Из них 4 — 4,5 млрд тонн у. т. в год необходимо для обеспечения топливом всех видов транспортных средств.

На фоне интенсивного роста спроса на горючее нефтяного происхождения совершенствуются и методы использования растительной биомассы в качестве моторного топлива. Это становится всё более и более экономически рентабельным по мере удорожания нефти, так как её ресурсы исчерпаемы.

По даным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.), разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140 — 145 млрд т. (160 млрд м.), которых при современном уровне её потребления в мире может хватить лет на 30 — 35.

 По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро. 70% её запасов находится на Ближнем и Дальнем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы приходится 30%, из которых 18 — 20% перепадает на СНГ. Учитывая современный уровень добычи нефти, этих запасов может в СНГ хватить на 15 — 20 лет. Ресурсы ежегодно возобновимой растительной биомассы в 25 раз превышают добычу нефти. Площадь лесов земного шара равна 3067 млн гектаров. А ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т. (в пересчёте на сухое вещество), что энергетически эквивалентно 80 млрд тонн нефти, поэтому в будущем предвидится существенное увеличение использования биомассы в силовых целях.

 Получение энергии из биомассы сегодня является одним из наиболее динамично развивающихся направлений во многих странах мира. Этому способствуют её большой энергетический потенциал, возобновляемый характер и экобезопасность. Биомасса является СО2 — нейтральным топливом, т.е. потребление СО2 из атмосферы в процессе роста биомассы соответствует эмиссии СО2 в атмосферу при её сжигании. Кроме того, деньги, выплаченные энергогенерирующими предприятиями за местное сырье, остаются в регионе и способствуют его экономическому развитию. То есть можно считать, что биомасса — это неиссякаемый источник оборотных средств, который активно «разрабатывается» во всем мире.

Как было отмечено выше, лесозаготовительные и лесоперерабатывающие предприятия являются основными производителями невостребованной биомассы в виде древесных остатков. Изучение лесорубочных остатков по Сибирскому региону показало, что при сплошной вырубке леса количество древесных отходов (ветви, сучья, хвоя, листья, кора, опилки, щепки, пни и вершины) на 1 гектар леса составляют в среднем 2000 м или около 100 т. По отдельным видам они распределяются следующим образом:

• крупные (диаметром 4,5 см и выше) — 33%;
• средние (диаметром 2,5 — 4,4 см) — 31%;
• мелкие (диаметром менее 2,5 см) — 36%.

Все эти остатки должны удаляться вывозкой, т.к. очистка лесов от них обуславливается необходимостью:

• уменьшения пожарной опасности;
• борьбы с насекомыми — вредителями леса, усиленно размножающимися в лесорубочных остатках;
• создания нормальных условий для естественного возобновления леса;
• обеспечения эффективной работы в лесу спецтранспорта и рабочих.

Очень часто для очистки леса отходы сжигаются на месте, на что тратятся весьма крупные средства и рабочее время без получения какой-либо полезной продукции.

 Использование отходов лесозаготовки, а также отходов лесоперерабатывающих заводов (щепа, стружка и т.д.) возможно в виде чурок стандартных размеров (507020) или в виде угля. Заготовка чурок из отходов может быть облегчена и упрощена применением весьма несложных и недорогих сучкорезных станков.

 Кроме того, из отпада (хвои и листьев) возможно приготовление топливных брикетов. При ежегодном сборе отпада количество его составляет около 3 т. с 1 гектара. На приготовление 1т. брикетов расходуется в среднем 1150 кг отпада. Брикеты имеют следующую характеристику:

• Размер — 1806022 — 25 мм;
• Вес — 200 — 240 гр;
• Влажность — 12 — 18 %;
• Зольность — 3 — 4 %;
• Удельный вес — 0,6;
• Теплотворность — 4 — 4,5;
• Себестоимость изготовления $8/т. 

Развитие технологий термохимической конверсии биомассы предполагает, что древесину будут собирать на топливо не только в существующих лесах, но и с так называемых «плантаций», которые должны быть специально созданы для выращивания быстрорастущих деревьев или кустарников. Эти мероприятия не только позволят повысить рентабельность фермерских хозяйств, но и создать новые рабочие места.

Анализ основных исследований и публикаций

Биомасса представляет собой древнейший источник энергии, однако её использование до недавнего времени сводилось к прямому сжиганию либо в открытых очагах, либо в печах и топках с весьма низким, в пределах 14 — 15%, КПД. Применяя более совершенные устройства, например, газогенераторы, имеющие наиболее высокое КПД (в пределах 75 — 90%) при относительно низкой их стоимости, можно не только сократить потребность в исходном топливе более чем в 5 раз, но соответственно снизить эмиссию СО2 в атмосферу. Особенно это актуально для лесо-недостаточных регионов России, где население активно заготавливает древесину для энергетических целей. Создание коммерчески доступных газогенераторов позволило бы значительно ослабить проблему произвольной вырубки деревьев в таких регионах.

 Сегодня биомасса составляет 15% общего потребления первичных энергоносителей в мире. В развивающихся странах этот показатель составляет 48%, а в промышленно развитых государствах — в среднем 2 — 3%. Прогноз мирового энергетического совета относительно вклада биомассы в энергетику будущего, наряду с другими нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (НВИЭ), приведен в таблице 1. Термин «силовая биомасса» подразумевает использование современных промышленных технологий получения энергии из биомассы (исключая её бытовое использование для получения тепла и приготовления пищи). В соответствии с прогнозом доля биомассы составит 42 — 46% от общей доли НВИЭ в 2020 г.

 При этом планируется, что 30% «силовой биомассы» будет использовано для производства тепла, 12,5% для совместного сжигания биомассы и угля и 32% для комбинированной выработки тепла и электроэнергии. Ещё 26% силовой биомассы с энергетических плантаций предполагается использовать для производства жидкого топлива.

Таблица 1

Прогноз мирового энергетического совета относительно вклада биомассы в энергетику будущего

 Зарубежные технологии выращивания энергетических плантаций (ивы, тополя и пр.) едва ли в ближайшее время приживутся в СНГ, т.к. для их реализации необходимы крупные инвестиции. Однако у нас значительный потенциал древесных отходов не используется. Но использование биомассы экономически рентабельно только в местах её сосредоточения. Так же важен тот факт, что промышленные технологии энергетического использования биомассы не могут применять рассредоточенную по территории страны биомассу, на долю которой приходится до 80% от её общего потенциала. Только местное население может использовать её для своих энергетических нужд в маломощных газогенераторах (30 — 200 кВт) транспортного типа.

 В прошлом году технологии транспортных газогенераторов исполнилось 100 лет. В середине прошлого века технология силового использования биомассы достигла высокого уровня развития и применялась во всех сферах народного хозяйства. Транспортными газогенераторами оснащали: мотоциклы, легковые автомобили, трактора, грузовые автомобили, дрезины, автобусы, рыболовные суда, катера, баржи, железнодорожные составы и даже мотороллеры.

 Сегодня использование транспортных газогенераторов экономически эффективно прежде всего в сельском хозяйстве, лесной и лесоперерабатывающей промышленности. Мировой парк транспортных средств, сосредоточенных в этих отраслях (трактора, комбайны, грейдеры и пр.) составляет 100 — 120 млн единиц. Особенно привлекательно использование газогенераторов в сельском хозяйстве, т.к. переход на горючее в виде сельскохозяйственных отходов сделал бы цены на сельскохозяйственную продукцию независимыми от цен на топливо нефтяного происхождения.

 Несмотря на то, что применение газогенераторов на автомобильном транспорте имеет ряд несомненных преимуществ (экономических и экологических), в ближайшие 10 лет они едва ли получат широкое распространение. Причина этого, казалось бы, парадоксального вывода кроется в истории технического становления и развития технологии транспортных газогенераторов.

 Современное состояние технологий термохимической конверсии биомассы для энергетических целей очень напоминает её развитие в середине 30-х годов прошлого века. В то время так же, как и сейчас, широкое внедрение этой технологии субсидировалось правительствами различных стран. Разница заключается лишь в том, что тогда основной причиной интереса правительственных структур к развитию и широкому распространению транспортных газогенераторов служило желание сохранить энергетическую независимость от поставок топлива нефтяного происхождения. Сейчас же забота правительств о возобновляемой энергетике обусловлена требованиями Киотского договора и прогрессирующим удорожанием нефтепродуктов. Глубокий всесторонний анализ конструктивного развития транспортных газогенераторов прошлого позволит сегодня не только избежать повторения многих ошибок, но и прогнозировать развитие этой технологии в современных условиях динамического роста энергетических нужд человечества.

 После бурного развития технологий твердотопливных стационарных газогенераторов в XIX веке, нашедших своё применение в самых разных областях промышленности, в 1900 г. Тейлором во Франции был построен первый транспортный газогенератор. Однако в начале прошлого века удобство и относительная дешевизна бензина полностью затмили использование твердого топлива в транспорте. Необходимость применения альтернативного топлива стала очевидной только во время Первой Мировой войны из-за ограничений в поставках бензина. Первое промышленное производство транспортных газогенераторов было налажено во Франции, а их промышленная апробация происходила в Касабланке (Марокко), когда автоклуб Марокко провел ряд соревнований, в которых принимали участие первые 5 газогенераторных тракторов и 5 газогенераторных грузовых автомобилей. Подобные соревнования проходили и во Франции, не имея, однако, большого успеха. В 1919 г. Георгом Имбертом (Франция) был построен газогенератор обратного процесса газификации, который произвел настоящий переворот в автомобильном газогенераторостроении и до сих пор остается самым значимым достижением этой технологии.

 В 1921 г. Имберт приехал на автомобиле, оборудованном газогенератором своей конструкции, в Париж, преодолев расстояние в 500 км, что было большим достижением в то время. Это привлекло внимание, особенно со стороны военных ведомств, которые и инвестировали в дальнейшем развитие этой технологии. Однако в период с 1920 по 1939 г. удобство и дешевизна топлива нефтяного происхождения сделали применение автомобильных газогенераторов непопулярными среди конечных потребителей из-за сложности их обслуживания. Но европейские правительства продолжали поощрять и субсидировать использование транспортных газогенераторов. К 1930 году во всех европейских странах, владеющих достаточными ресурсами биомассы, данная технология активно развивалась, конкурируя с бензином. Но нужно признать, развитие технологии обуславливалось лишь правительственными субсидиями и льготами. Кроме того, Великобритания, Франция и Италия инициировали широкое использование транспортных газогенераторов в своих колониях. К 1923 году 25 различных типов автомобильных газогенераторов были коммерчески доступны во Франции. К 1929 году приблизительно 1880 газогенераторных транспортных средств ездили по французским дорогам, из которых 2/3 принадлежали французской армии.

 Активное развитие технология автомобильных газогенераторов получила в 1936 году. Правительства большинства европейских стран в условиях политической нестабильности, предвидя возможность войны и стараясь обеспечить энергетическую безопасность своих государств, начали активно субсидировать развитие этой технологии…

Рис. 1. Урал-ЗиС 354. Наиболее известный советский газогенераторный автомобиль.

 Наиболее интересна иллюстрация возможностей газогенераторных технологий на примере Швеции. В сентябре 1939 года Швеция имела приблизительно 1500 газогенераторных грузовых автомобилей и один газогенераторный автобус. К марту 1942 года автомобильный парк Швеции уже насчитывал 67 тысяч газогенераторных транспортных средств (35 тысяч легковых автомобилей, 3400 автобусов, 28500 грузовиков и 400 тракторов). К 1 мая 1943 года Швеция увеличила свой транспортный парк до 73650 газогенераторных автомобилей, что составило 91% от всех транспортных средств на дорогах Швеции и приблизительно 33% от общего довоенного парка автомобилей. Кроме того, к лету 1942 года, когда нехватка металла приостановила производство новых газогенераторов, ещё 15 тысяч тракторов, 100 дрезин и 700 дрезин облегченного типа были переведены на твердое топливо.

 К 1940 году численность парка газогенераторных автомобилей в СССР составляла 5 тыс. штук, что соответствовало примерно 5% всего парка грузовых автомобилей страны, а также 16 тысячам газогенераторных тракторов.

В период с 1938 г. по 1944 г. парк газогенераторных автомобилей в СССР увеличился в 40 раз и, по имеющимся данным, к началу 1941 года составил 200 тысяч автомобилей, оснащенных 12-тью типами транспортных газогенераторов.

 Швейцария, имевшая в 1938 году 500 газогенераторных автомобилей, к 1943 довела их количество до 15 тысяч штук.

 В Италии правительственным декретом в 1942 году все 68500 автомобилей были переведены на твердое топливо.

 В Норвегии и Голландии все рыболовецкие суда к 1943 году были переведены на газогенераторное топливо.

 Японское правительство, отдававшее приоритет газогенераторным технологиям, в 1939 году издало декрет, запрещающий регистрацию новых автомобилей, неприспособленных к работе на древесных чурках или древесном угле.

 В Австралии в 1939 году было коммерчески доступно 34 типа газогенераторов. К 1942 году приблизительно 1500 транспортных средств и 700 тракторов перевели на твердое топливо. К 1943 году парк газогенераторных автомобилей Австралии вырос до 40 тысяч штук.

Новая Зеландия, не имевшая до Второй мировой войны газогенераторных автомобилей, к 1943 году оснастила 1773 автомобиля (507 грузовиков, 700 тракторов, 10 автобусов и 556 легковых автомобиля) газогенераторами.

В Бразилии к 1942 году было изготовлено 22 тысячи газогенераторных автомобилей, из которых 11 тысяч грузовых, 1 тысяча автобусов и 10 тысяч тракторов.

В Индии, Китае и других азиатских странах в начале 1940-х также появились газогенераторные автомобили.

Рис. 4. Заправка газогенераторного легкового автомобиля с кустарной газогенераторной установкой (Швеция, 1972 г.)

В США в 1943 году было только 6 газогенераторных экспериментальных автомобилей, но тысяча транспортных газогенераторов построили в Мичигане для экспорта в Китай.

 Приведенная выше статистика хорошо иллюстрирует возможности и доступность технологий силового использования биомассы. Так, в 1938 году общее количество газогенераторных автомобилей на Земле составляло не более 10 тысяч штук, но уже к 1942 году их количество выросло до 600 тысяч (см. таблицу), а к 1946 году — превысило 1 млн. штук.

Рис. 5. Компоновка легкового автомобиля кустарной газогенераторной установкой (США, 1975 г.)

К тому времени технология газификации твердых топлив достигла высокого уровня развития. Однако большинство транспортных средств, находящихся в эксплуатации, было временно переведено с бензина на твердое топливо и эксплуатировалось на газогенераторных установках лишь до появления возможности перехода обратно на бензин. Таким образом, стремительный рост числа газогенераторных автомобилей в промышленно развитых странах на протяжении Второй мировой войны был вызван исключительно военной обстановкой и дефицитом жидкого топлива.

 Работы по развитию этой технологии также проводились и в других странах. В Австралии (на западе континента) в 1981 году был построен транспортный газогенератор для использования на грузовых автомобилях грузоподъемностью до 8 тонн. Определенные разработки велись в Бельгии, Китае, Финляндии, Франции, Германии и Швеции. Опыт Швеции особенно интересен. Там принята программа перевода сельскохозяйственного транспорта на генераторное топливо до 2010 г. По мнению правительства, это позволит сделать цены на сельскохозяйственную продукцию независящими от стоимости нефтепродуктов.

 Перспективы дальнейшего развития

Главный аргумент, высказываемый сегодня в пользу применения газогенераторных технологий, — это возможность использования в качестве топлива биомассу, которая отличается своей экологической безопасностью и «неисчерпаемостью» ресурсов.

 1 м генераторного газа хорошего качества имеет калорийность сгорания примерно 5200 кДж. При этом калорийность меняется весьма незначительно в зависимости от условий произрастания исходной биомассы. К примеру, в газогенераторе из 1кг древесины образуется 2,3 м топливного газа, из 1кг лигнина — 4,0 м газа; из 1кг кокса каменного угля — 3,6 м; из 1кг. антрацита (ископаемый гумусовый уголь высшей степени метаморфизма, блестящий, серовато-черного цвета) — 4,5 м.

 Газогенератор из 2,3 кг древесных отходов производит энергии столько же, сколько можно получить при сжигании 1 литра бензина; энергия, полученная из 3,3 кг древесины эквивалентна энергии 1-го литра дизельного топлива. А из 1,0 — 1,3 кг древесного угля либо 2,5 кг древесных отходов можно произвести 1 кВт электрической мощности.

 Ухудшение экологической обстановки, наблюдаемое в мире, требует оперативного решения вопросов рационального получения и использования энергоресурсов. При традиционных способах переработки полезных ископаемых образуется большое количество отходов и выделяется много вредных веществ, участвующих в образовании парникового эффекта на планете. Важной практической задачей, по мнению авторов, является разработка и совершенствование технологий газификации биомассы и эффективного сгорания топливного газа в автомобильных газогенераторах.

Автомобильный газогенератор — технология будущего

 Выводы

 Применение автомобильных газогенераторов с технической точки зрения предпочтительнее любых других силовых установок, работающих на альтернативных видах энергии по причине простоты и дешевизны их изготовления. Ярким примером этого является факт организации массового производства газогенераторов в военное время.

В развитии рассматриваемой технологии в период Первой и Второй мировых войн четко прослеживается тенденция возможности создания «всеядного» газогенератора, работающего на различных видах биомассы.

 Газогенераторная технология отличается высокой гибкостью, позволившей в военных условиях в сжатые сроки создать установки, производящие генераторный газ заданного качества для различных областей применения: топливо для тракторов, автомобилей, дрезин, рыболовецких судов.

 Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование генераторного газа вместо бензина являлось вынужденной мерой. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше, чем бензинового или дизельного.

 Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, образующейся от сгорания сернистых компонентов топлива, а также тетраэтилсвинец. В генераторном газе сера, как правило, не содержится и поэтому в выхлопе газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца. В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива ещё содержится и окись углерода (СО) — высокотоксичное для человека вещество.

Как газовые, так и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами эти вещества, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества, такие как этил и этилен. Газовый двигатель производит метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля наименее опасен.

Генераторный газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его.

Упадок газогенераторных технологий был обусловлен лишь низкими ценами на топливо нефтяного происхождения. На сегодняшний день жидкое топливо утратило своё преимущество, создав благоприятные предпосылки для дальнейшего развития технологии транспортных газогенераторов.

О современных разработках в области газогенераторостроения, в которых авторы принимают непосредственное участие, читайте в следующих номерах журнала.

А. А. Самылин

Источник: портал Умное хозяйство

Похожие статьи:

• Займитесь утеплением стен
• 5 важных дел для дома, которые надо сделать осенью
• Подробное рассмотрение биогазовой установки
• Преобразим балкон в чудесный уголок
• В ситуации любой быть нам с чистою водой!