Восемь путей Volvo
Алексей Самойлов
Фото автора и Volvo Trucks
Девизом, а собственно и названием действительно представительного мероприятия стала новая цель Volvo – производство транспорта с минимальными выбросами не только токсических веществ, но и парниковых газов, благодаря использованию новых видов топлива: «FUTURE FUELS FOR CO2–FREE TRUCKS».
Конечно, как мы писали в прошлом номере, была озвучена еще одна, менее популистская, цель (вернее – две) всех работ по альтернативным видам топлива и соответствующим двигателям:
- сокращение топливной зависимости европейских потребителей от стран – производителей нефти;
- сохранение существующих моторных производств с некоторой модернизацией конечного изделия ибо «дизельный двигатель это один из наиболее эффективных преобразователей энергии, которыми располагает человечество сейчас».
Естественно вопросы, озвученные нами в материале «Биоблеф или топливо будущего» даже не затрагивались, но в частном порядке в кулуарах мероприятия со мной соглашались, но… - смотри предыдущий абзац. Впрочем, если отвлечься от эмоций, слишком интересны некоторые аспекты поисков уважаемой компании именно на стадии НИОКР и, с вашего позволения, поделюсь некоторыми впечатлениями…
Путь первый CO2–free trucks - предварительный
Гибридная силовая установка (ГСУ). Этот представитель исследовательской программы Volvo Trucks несколько удивительно смотрелся на фоне семерки «sister-ships», работающих на новых видах топлива, впрочем – это тоже достойный представитель семейства «CO2–free trucks». Однако, об этой «белоснежке» мы писали: КТ №1(53)-2007 «Грядет время гибридов», также как о плюсах и минусах использованного технического решения. Кстати, в Генте была развенчана легенда из официальных пресс-релизов, что данный автомобиль может использовать только электропривод в жилых и специальных экологических зонах, да и при движении на скоростях менее 20 км/ч. Может, разумеется, только максимальный его пробег в этом случае не более 1 (одного) километра. И это с изотермическим кузовом! К сожалению, для установки на коммунальные машины или мусоровозы ГСУ пока бесполезна: ведь на аккумуляторы, которые и так обеспечивают лишь скромный до смешного запас хода, придется еще навесить гидронасос…
Впрочем, Volvo Trucks обещает начать производство таких автомобилей (Volvo FE) в 2009 году. Цена пока не определена, да, в общем-то, она вторична: машина с ГСУ неплохой политический аргумент при участии в различных муниципальных тендерах – технических нюансов чиновники все равно не поймут, а шелест движущегося трехосного грузовика даже на меня произвел неизгладимое впечатление…
Далее – уже все серьезно, мы вступаем на terra incognita.
НОВОЕ ТОПЛИВО - моторы…
Интересно, что на семинаре в Генте прозвучала мысль, что эффективность применения некоторых новых видов топлива т.н. «первого поколения» (и соответствующих моторов) зависит от местных условий и доступности сырья для его производства. Это означает, что дизель в некоторых случаях теряет свою универсальность, что недопустимо и может сказаться сначала на вторичном рынке, а как следствие – на скорости обновления парка и спросе уже на новые машины.
Впрочем, обратимся к комментариям разработчиков по конкретным конструкциям.
Путь второй: двигатель на биодизельном топливе
Использование этого вида топлива пока планируется производить только в смеси с нефтяным дизельным топливом (не более 3% от суммарного потребления, причем в основном на местных перевозках). Причины подобной скромности понятны: свойства топлива на основе растительных масел серьезно отличаются от свойств нефтяного. Во-первых, при хранении оно начинает разлагаться и появляется осадок, но самое главное, во-вторых, существенно удорожается техобслуживание: все без исключения производители при подмешивании «био» более 30% требуют сокращать межсервисный интервал вдвое или лукаво намекают на необходимость индивидуальных графиков ТО. И, в-третьих, биодизель загустевает при -15 °С и без нефтяного топлива вообще не применим. Потребный для реальной эксплуатации «букет» присадок значительно повышает стоимость литра топлива.
Одним словом, хотя двигатель в принципе мало отличается от обычного дизельного, но с точки зрения эксплуатации - это местное решение, наиболее приемлемое для богатых сельскохозяйственных стран с теплым климатом. В других условиях биодизель конечно можно добавлять в солярку, но ни технического, а семинар в Генте показал, что и реального экономического значения это не имеет. Да и особого сокращения выбросов парниковых газов подобная смесь не дает…
Путь третий: двигатель на синтетическом дизельном топливе
Синтетическое дизельное топливо (СДТ) представляет собой смесь синтетических углеводородов, полученных газификацией биомассы. Технологически под «газификацией» понимается процесс получения синтетического газа, представляющего собой смесь Н2+СО. Такой газ может затем использоваться для образования различных компонентов топлива. СДТ можно без проблем смешивать с обычным дизельным топливом в любых соотношениях. Главное техническое достоинство – не требуется внесения никаких изменений в конструкцию и эксплуатацию существующих дизелей, да и модернизации имеющейся инфраструктуры хранения, транспортировки и реализации жидкого топлива – универсальность и доступность эксплуатации сохраняется в полном объеме.
На сегодняшний день технически это самое понятное и доступное решение. При чем СДТ уже достаточно активно используется в ряде стран Европы. К сожалению, в виду несовершенства технологии и незначительных объемов производства СДТ дороже обычного нефтяного в 2,0-2,5 раза. Причем даже ожидаемое специалистами Volvo появление новых технологий производства и «синтетики» второго поколения лишь отчасти решит эту задачу. Если только цена барреля нефти не превысит $100-120…
Путь четвертый: двигатели на этаноле или метаноле
Для понимания: метанол получают газификацией биомассы, а этанол – ферментацией
сельскохозяйственных культур с высоким содержанием сахара и крахмала. В настоящее время ведутся исследования по производству этанола из целлюлозы. Двигатели, работающие на этих видах топлива, имеют одинаковые технические особенности. Прежде всего, требуется модернизация системы питания: бак только пластиковый в виду высокой коррозионной агрессивности топлива, заменена на более стойкие материалы и некоторых для других деталей. Рабочий цикл с самовоспламенением (дизельный), однако давление впрыска – повышенное, изменена форма камеры сгорания и степень сжатия. Есть проблемы с запуском двигателя при отрицательных температурах.
Этанол уже широко используется, например, в Швеции, хотя в его состав вводится до 5% (от объема) присадок, улучшающих зажигание и смазывающие свойства. В целом, это решение считается достаточно перспективным для местных грузовых перевозок и городского транспорта.
Путь пятый: двигатели на диметиловом эфире
Для понимания: диметиловый эфир (ДМЭ – DME) представляет собой газ, хранящийся в баке в жидком состоянии при низком давлении – около 5 бар. ДМЭ получают газификацией биомассы. К сожалению, его использование требует самой совершенной системы питания (высока химическая агрессивность топлива), но принципиально она схожа с системами питания двигателей, работающих на сжиженном нефтяном газе: также необходимо испарение перед сжиганием и поддержание постоянного давления в системе питания, притом, что требуется очень высокое давление при впрыске в камеру сгорания для увеличения дозы в виду низкого энергосодержания топлива. Понятно, что существует необходимость подогрева топлива в зависимости от температуры окружающего воздуха, при этом ДМЭ обладает очень высокой «летучестью», что требует специальных прокладок и уплотнений. При использовании на магистральных перевозках могут быть проблемы с компоновкой автомобиля для размещения баков, обеспечивающих достаточный запас хода.
Очевидный плюс – полное отсутствие в выхлопных газах твердых частиц, что позволяет исключить из выхлопной системы любые сажевые фильтры, что снижает ее сложность и стоимость.
В целом – это видимо тактическое (антикризисное) решение для мегаполисов со сложной экологической ситуацией и особых экологических зон.
Путь шестой: двигатели на биогазе
Основной технический минус – этот газ, впрочем, как и все другие в чистом виде можно применять только на двигателях с принудительным зажиганием (цикл Отто, почему-то в ЕС и двигатели называют этим именем). Подобные моторы при одинаковых габаритах с дизелями, могут быть чуть легче, но их эксплуатационные характеристики: экономичность, мощность и крутящий момент значительно хуже, что недопустимо для большинства грузовых автомобилей, особенно крупнотоннажных. Кроме того, во-первых, биогаз используется в сжатом состоянии, давление в баллоне может достигать 200 МПа, что требует тяжелых дорогостоящих баллонов, во-вторых, при одинаковых его габаритах со стандартными топливными баками, запас хода может уменьшиться в 4-5 раз, что серьезно ограничивает эксплуатационные возможности транспортного средства. Кроме того, газ закачивается в баллон при температуре примерно -160 °С, но хранить его длительное время затруднительно – за неделю бак может испариться полностью.
Плюсы – отсутствие твердых частиц в выхлопных газах и низкий уровень шума. Представляет интерес для городских грузовых и пассажирских перевозок.
Путь седьмой: двигатели на смеси биогаза и биодизеля
Это решение позволяет использовать в качестве силовой установки «классический» дизельный двигатель – цикл с самовоспламенением. Очевидно, что два вида топлива: жидкое и газообразное требуют двух фактически независимых систем питания. Впрыск топлива – двухступенчатый, раздельный.
Заслуживающее внимание решение, в том числе и для магистральных перевозок.
Путь восьмой: двигатели на смеси биогаза и водорода
Используется двигатель, работающий по циклу Отто. Минусы его известны и описаны чуть выше. Применение водорода позволяет повысить энергосодержание топлива, но требуется два топливных бака и достаточно сложная система управления смешиванием и дозированием подачи.
О практическом применении говорить видимо рано.
НОВОЕ ТОПЛИВО - некоторые обобщенные итоги
Ниже, опираясь на официальные исследования АВ VOLVO и его партнеров, я постараюсь привести основные выводы.
Влияние на климат - определяется выбросами парниковых газов, основной – СО2, прочие пересчитываются на эквивалентное количество углекислого газа. Выбросы анализируются по принципу «от источника до колеса», учитываются выращивание сырьевого материала, включая вспашку, посев, внесение удобрений, борьбу с вредителями, полив, сбор урожая, далее - транспортировка на завод по переработке, производство топлива, распределение по топливозаправочным станциям и использование топлива в транспортных средствах. Уточню некоторые моменты. Максимальное уменьшение выбросов СО2 для метанола достигается при газификации черного щелока – продукции целлюлозной промышленности, а для биогаза при газификации биомассы, а не бытовых отходов. Параметры для этанола зависят от используемой технологии производства.
Эффективность использования энергии - определяется по тому же принципу «от источника до колеса». Для справки – нефтяное дизельное топливо по оценке Volvo обладает эффективностью порядка 35%. ДМЭ, метанол, СДТ получают самый высокий показатель при условии, что их производят из черного щелока. Низкий показатель для этанола объясняется большим расходом энергии для культивирования исходного сырья и производства топлива.
Очевидно, что по этому показателю альтернативные виды топлива «с трудом и скрипом» пока лишь приближаются к нефтяному.
Эффективность использования земельных угодий – определяется величиной пробега транспортного средства с учетом средней урожайности (с гектара в год) пахотной земли хорошего качества. Условия произрастания – Швеция. Количество произведенного топлива уменьшено на величину топлива/энергии, требующихся для сбора урожая, производства топлива, транспортировки и др.
ДМЭ и метанол из черного щелока получили самый высокий показатель. Сырье для подобного производства характеризуются высокой урожайностью, при переработке требует малого потребления ископаемых топлив и имеет высокую эффективность использования энергии. Сырье для СДТ характеризуется высокой урожайностью, требует малого потребления ископаемых топлив, но имеет низкую эффективность использования энергии и ограниченную селективность в производстве. Этанол получил низкий показатель по причине ограниченной эффективности использования энергии и в определенных случаях сырье для его производства требует в большом количестве минеральных энергетических ресурсов. Биодизельное топливо получает самый низкий показатель по причине низкой средней урожайности сырья и использования большого количества ископаемых топлив.
Понятно, что для других условий произрастания исходного сырья данные могут отличаться…
Упражнение с калькулятором. С учетом данных Volvo, 25,06 млн.га пустующих в России посевных площадей в идеале могут обеспечить годовую эксплуатацию 2,5 млн. автомобилей с годовым пробегом в 100 тысяч км. Парк города Москвы – 3,5 млн., с поправкой на коэффициент выхода на линию – реально, но в рамках одного мегаполиса.
Обобщенные данные представлены в таблице 3.
Топливный потенциал – доступность сырьевого материала и выбор технологического процесса определяют количество топлива, которое может быть произведено. В определенных технологических процессах можно использовать сырье различных видов и все культуры. Другие технологии ограничены и привязаны к отдельным видам. Общая проблема при использовании сельскохозяйственного сырья состоит в том, что оно конкурирует с производством пищевых продуктов.
По данным исследований в ЕС к 2012 году потенциальная доступность древесных отходов, выращенной древесины и соломы составит около 700 ТВт-ч (ТераВатт-часов) в год, в то время как потенциал для подсолнечного масла и рапсового масла оценивается примерно в 80 ТВт-ч в год. Потенциал биомассы в рамках ЕС недостаточен для замены ископаемых топлив без экспорта.
Максимальное значение в пределах 350 - 420 ТВт-ч эквивалентно примерно 10-12% ожидаемого спроса на бензин и дизельное топливо в ЕС в 2015 г. СДТ, ДМЭ, метанол, биогаз, биогаз+биодизель и биогаз+водород получают самый высокий показатель и могут производиться из всех культур, древесного сырья или других биологических материалов. Синтетическое дизельное топливо тоже, однако, имеет более низкий уровень эффективности и обеспечивает меньшую долю топлива, которое может использоваться в транспортных средствах. Основным минусом биодизеля являются сельскохозяйственные аспекты производства исходного сырья.
Обобщенные данные представлены в таблице 4.
Требования к адаптации транспортных средств – пожалуй, наиглавнейший показатель. До этого, все исследования касались фактически сельского хозяйства. И хотя специалисты компании просили пока не расставлять приоритетов, общий смысл этого фрагмента анализа сразу расставляет все точки над «Ё». Я позволю себе отступить от принятых правил и привести полный отчет. Цитата (в косметической редакции, курсив мой):
«Здесь представлена общая оценка с объяснением технической сложности адаптации транспортных средств к новым топливам. Этот критерий включает влияние топлива на эффективность транспортного средства в различных отношениях, как, например, на максимальные эксплуатационные характеристики его двигателя, пробег между заправками и увеличение массы. Последний указанный параметр, например, может сказываться на коммерческой нагрузке транспортного средства. Техническая сложность включает факторы, обусловливающие потребность в увеличении пространства для хранения топлива и необходимость применения новых и более дорогостоящих деталей, узлов и агрегатов. Она охватывает также потребность в технических средствах, обеспечивающих выполнение экологических требований. Некоторые топлива, например, требуют более совершенного контроля выбросов, чем другие.
Биодизель и СДТ получают самый высокий показатель. Транспортные средства, работающие на этих топливах, по существу сравнимы с аналогичными, в которых используется нефтяное дизтопливо. Биодизельное топливо, однако, обусловливает больший объем техобслуживания и увеличивает выбросы NOx в атмосферу.
Меньшее энергосодержание в ДМЭ приводит к уменьшению запаса хода на 50%, однако его теоретически можно использовать для магистральных перевозок. ДМЭ требует уникальной и технически самой современной системы питания, но одновременно обеспечивает экономию расходов и массы, что касается сажевого фильтра в системе выпуска отработавших газов.
Меньшее энергосодержание в этаноле приводит к 30%-уменьшению запаса хода на одну топливозаправку. Биогаз+биодизель обеспечивает максимальные эксплуатационные характеристики двигателя, однако запас хода уменьшается до половины, если используется сжиженный газ. При данном решении требуются две отдельных системы питания.
Биогаз и биогаз+водород предполагают только двигатели Отто, что снижает эксплуатационные параметры. Сжатый газ имеет малую энергоотдачу, что уменьшает запас хода приблизительно до 20% от «традиционного» аналога. Сложная система баков приводит к повышенной стоимости и увеличению массы транспортного средства». Конец цитаты.
Стоимость топлива – параметр, хотя и не настолько технически интересный, но не менее принципиальный. В данном случае учитываются стоимость сырья, затраты на производство, транспортные расходы, затраты на инфраструктуру и потребление энергии в сети распределения. В целом это весьма и весьма приблизительная оценка, так как невозможно учесть грядущие колебания цен на сырье с учетом рынка и технического прогресса. В общем случае, технологическая себестоимость топлива часто представляет собой лишь некоторую часть цены, которую платит конечный пользователь - без учета местного налогообложения и т.п. Кстати, в основе сравнения – обычное дизтопливо, но из расчета цены нефти $70/ баррель.
Одним словом – только некоторая отвлеченно-обобщенная тенденция…
Впрочем, при достижении нефти цены в $100/ баррель и появлении альтернативных топлив нового поколения, ситуация может измениться принципиально.
***
Хотя на данном семинаре были представлены концептуальные решения, определившие проблемы и возможные пути их решения, однако специалисты компании Volvo с уверенностью смотрят в будущее и задача 2020 года (минус 50% СО2) по их мнению, является абсолютно реальной и решаемой. Но самое главное - безусловной ставки только на альтернативные виды топлива они все-таки не делают: это лишь маленький фрагмент будущего решения. Например, использование European Modular System (EMS) с увеличение разрешенной длины автопоездов до 25,25 м позволяет увеличить грузоподъемность на 50%, сократить на 33% потребность в тягачах и топливе - естественно уменьшить вредные выбросы.
Автор искренне благодарит Наталию Алешину (ЗАО «Вольво-Восток») за организацию информационного обеспечения, использованного при подготовке материала
Мимоездом
К вопросу о Тришкином кафтане
Когда готовилась эта статья, на глаза вашему покорному слуге попалась короткая информация с одного из европейских новостных сайтов. Оказывается октябрьский (2007 года) лесной пожар в Калифорнии не только уничтожил виллы звезд Голливуда, но и привел к выбросам парниковых газов, эквивалентным результатам годичной эксплуатации 440 тысяч(!) автомобилей. И это Калифорния с ее самыми жесткими в мире требованиями по токсическим выбросам автомобилей.
Применительно к нашему случаю: мы вкладываем миллионы евро в разработку техники, свободной от СО2, производим ее в течение 5 лет и улучшаем экологию планеты. Банальный недельный лесной пожар в достаточно небольшом регионе и глобальная ситуация возвращается к исходной, причем пятилетней давности. Тем более что грань перейти просто, ибо, похоже, в данном случае виновником признали 10-летнего мальчика, неудачно баловавшегося со спичками…
