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.
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 ароматном супе и вкусных коктейлях. 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.
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.
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.
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 некоторых изсвоих грузовиков. С сентября 2021 года фирма перевела весь свой автопарк на биодизельное топливо.
Бензин своими руками: возможно ли?
Изготовление топлива для автомобилей на дому. Возможно ли это?
Немного отступления, т.е. о технологии создания этанола (этилового спирта) и биодизельного топлива в домашних условиях. ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ СТАТЬЯ. НЕ РУКОВОДСТВО К ДЕЙСТВИЮ!
Вопрос: Можно ли сделать топливо для своего автомобиля в домашних условиях?
Просматривая современные реалити-шоу мы и я в том числе невольно задались вопросом, возможно ли в реальности самостоятельно в домашних условиях сделать топливо для своего автомобиля? Я понимаю, что настоящий бензин сделать в кустарных условиях нереально, но возможно ли получить какие-то производные от него или другой вид топлива? Ездят же по миру машины и на дровах и на воде. Какой вид автомобильного топлива возможно сделать в кустарных условиях самостоятельно?
Ответ:
Если вы ищете альтернативное топливо или проводите свое время в раздумьях о различных апокалиптических сценариях, есть только лишь два реально рабочих варианта, которые совместимы с сегодняшними системами двигателей, которые устанавливаются на легковых и грузовых автомобилях. Это этанол, одна из самых подходящих замен бензину, и биодизель, который соответственно заменяет само дизельное топливо. Оба этих варианта могут использоваться для замещения промышленного топлива. Причем биодизель можно заливать в бак обычного дизельного двигателя практически без каких-либо серьезных изменений.Этиловый спирт смешивается в определенных пропорциях с бензином, т.е. от 10 до 85%. Внимание! Не все бензиновые ДВС способны работать на подобной смеси.
Но сделать эти два вышеназванных заменителя стандартного топлива не совсем просто. Прежде чем пробовать производить этанол и биодизель в домашних условиях, вам потребуется изучение профессиональной литературы, закупка (или постройка) оборудования, создание функционирующей системы способной производить необходимое количество топлива и требуемого качества. Конечно же не стоит забывать и о безопасности, поскольку не нужно пренебрегать изучением законодательства страны в которой вы находитесь. Вполне вероятно, что производство определенных объемов суррогатного топлива может быть незаконным.
И даже в том случае, если вы и изучите все тонкости данного производства, то рассчитывать на дешевый продукт вряд ли стоит (если только у вас нет гектара под засев для культур из которых можно добыть спирт), ингредиенты высокооктанового зелья также влетят вам в копеечку и обойдутся дороже, чем меньший опт вы по этой позиции закажите.
Несмотря на все сложности по изучению новой технологии производства, сами покупки дорогостоящего сырья и сама по себе технология создания топлива достаточно проста.
Изготовление этанола в домашних условиях
Процесс изготовления этанола в домашних условиях очень похож на самогоноварение.
Из чего вытекает тут же самая первая проблема — это законность данного деяния. Вам потребуется узнать максимальный объем производимого товара и регулирование алкогольной продукции в нашей (в вашей) стране.
Вне зависимости от количества спирта которое вы производите, вам также придется пройти процедуру его денатурации, сделать его непригодным для употребления в пищу человеком, с помощью добавления в него определенных веществ, таких как керосин или лигроин.
Другое важное различие между перегонкой самогона и самого топлива заключается в том, что этот самый этанол, предназначенный для использования в качестве горючего, должен быть более тщательно очищен по сравнению с таким же этанолом, что предназначен для потребления человеком. В нем должно быть меньшее количество воды. Уменьшение содержания воды может быть достигнуто только путем нескольких этапов перегонки. Также существуют еще и фильтры, которые способны удалять содержащуюся в топливном спирте воду.
При использовании данного этанола неплохо было бы поставить дополнительные фильтры очистки и на сам автомобиль, чтобы отделить воду и другой мусор конкретно от топлива, так как сам по-себе этанол действуя в качестве растворителя, будет по-просту смывать всю эту грязь с топливных линий и нести их прямо в цилиндры.
Процесс изготовления топлива аналогичен созданию алкоголя. Он начинается с подбора сырья. Исходным продуктом может быть что угодно, от той же кукурузы и пшеницы и заканчивая просом или топинамбуром.
-Исходное сырье используется для приготовления затора;
-Потом начинает процесс ферментации, который расщепляет крахмал до сахаров;
-Далее следует процесс брожения.
Получение сырья для производства горючего спирта на дому
Самая большой проблемой в создании горючего спирта в домашних условиях в данное время либо в каком-то гипотетическом или апокалиптическом будущем, является само сырье. Для того чтобы сделать затор, который можно будет потом дистиллировать в топливный спирт, вам необходимо какое-то зерно или другой материал растительного происхождения, и в большом его количестве. Если у вас есть место где можно вырастить сырье, проблем в том же денежном эквиваленте у вас будет значительно меньше.
В основном этанол делают из кукурузы. С каждых 40 соток возможно производить до 1500 тыс. литров этилового спирта в год. Из других культур еще большую эффективность показало просо, с той же площади за 1 год урожайность превысила 2200 тыс. литров этилового спирта. При идеальных условиях с просо можно получить и 4500 тыс. литров этилового спирта.
При отсутствии посевных площадей для выращивания допустим той же кукурузы, просо, сахарной свеклы или других видов культурных растений, получение спирта в домашних условиях будет уже нежизнеспособным проектом.
Создание биодизельного топлива дома
Прежде всего важно изначально понять различие того же масла и самого биодизельного топлива. Растительное масло (SVO), отходы растительного масла (WVO) и подобные жиры животного происхождения естественно способны питать дизельный двигатель, но они не являются как таковым биодизельным топливом.
В первом варианте без доработок самого двигателя не обойтись. Как минимум потребуется система грубой и тонкой фильтрации отходов растительного масла. Вариант не очень хороший для мотора.
Предпочтительнее изготовление данного биодизеля из SVO или из WVO масел. Процесс является более сложным и включает в себя «расщепление» химической структуры жиров или масел с использованием метанола и щелочи. Важно принять необходимые меры предосторожности, так как и метанол и щелочь являются токсичными веществами.
Процесс изготовления биодизельного топлива из SVO, в самых основных чертах.
-Добавление определенного количества смешанных ингредиентов метанола и щелочи, они облегчат химический процесс, известный как переэтерификация;
-Результатом этого процесса станет как-раз то, что в конечном итоге выйдет (получится) два продукта, а именно: биодизель и глицерин, который отделиться и осядет на дно данной смеси;
-Заключительный этап — сушка метиловых эфиров жирных кислот. Так как вода сама по-себе приводит к развитию микроорганизмов в биодизеле и способствует образованию свободных жирных кислот, которые вызывают в дальнейшем коррозию металлических деталей.
Хранить не более 3 месяцев.
Получение сырья для производства биодизельного топлива на дому
Самым замечательным в биодизельном топливе является то, что вы можете сделать его из огромного спектра растительных масел или животных жиров (даже сможете теоретически заполучить и бесплатное сырье из тех же местных ресторанов). Процесс получения исходного сырья достаточно прост, как на раз -два- три. Связываетесь с местными ресторанами, узнаете, имеются ли у них отходы растительных масел, а далее находите способ транспортировать эти отходы домой. Готово!
При отсутствии готового источника отходов масла для жарки, получение данного сырья для создания своего собственного биодизеля становится более сложным. Покупать масло в магазинах для добавления в ДТ (дизельное топливо) вещь накладная.
Другой вариант, он заключается в создании собственного растительного масла. Процесс длительный и малоцелесообразный. Может в далеком когда-то гипотетическом или постапокалиптическом будущем, когда все остальные ресурсы будут исчерпаны, это и будет экономически целесообразным, но только не сейчас и не в наше время.
Итог: При должных знаниях технологии и технических средствах этот этиловый спирт для автомобилей сделать несколько проще, чем то же биодизельное топливо. Однако без применения выращенного материала для переработки такое создание домашнего топлива превращается в недешёвое удовольствие. Об этом надо помнить.
Как можно сделать бензин в домашних условиях
При постоянном росте стоимости топлива, многие автомобилисты все чаще задумываются над тем, чем можно заменить его.
Наиболее предприимчивые люди не только находят решение, но и сами начинают производить топливо из различного сырья.
Варианты самодельного бензина
Производство топлива для транспортных средств — процесс сложный и высокотехнологичный, требующий больших затрат, начиная от добычи нефти до ее переработки и получения конечного продукта. Но из-за постоянного роста цен на горючее и стремления удешевить содержание своего автомобиля народные умельцы изыскивают возможность произвести продукт, альтернативу топливу, которое с помощью различных устройств умудряются получить. Используя в качестве одного из компонентов различные виды сырья и материалов, производят следующие виды топлива:
- Метанол или метиловый спирт. Этот продукт получается при соединении газа пропан-бутан и водяного пара.
- Этанол. При производстве этанола применяют сельскохозяйственные культуры (кукуруза, просо и пр.).
- Биодизельное. Производят с применением растительного масла и животных жиров.
- Бензин. Для производства конечного продукта применяют старые автошины, отходы резины и резинотехнических изделий.
- Бензин. Производят кустарным способом из сырой нефти.
- Бензин. Путем термической обработки угля.
- Топливо. Методом газификации.
- Бензин. Производят путем переработки бытового мусора, бытовых отходов, пластика и пр.
И все же, как сделать бензин в домашних условиях , необходимо рассмотреть эти способы.
Что такое метанол и как его изготовить?
Чтобы произвести метанол, необходимо изготовить самодельный перегонный аппарат для смешения бытового газа и обыкновенной питьевой воды и ряда последующих операций.
Технология работы аппарата, сделанного кустарным способом, для производства метанола из воды и газа пропан-бутан заключается в изменении химического состава этих элементов под действием высокого давления и температуры. Где периодически охлаждаясь и изменяясь, взаимодействуя с катализатором, они переходят в состояние синтетического газа и после очередной термической обработки — в метанол.
Получение бензина из угля
В основном топливо производят из нефти. Но многие страны, не обладая запасами нефти, также производят топливо, используя в качестве сырья уголь. Примером могут служить страны Европы, производящие топливо с применением бурого угля в начале 20 столетия.
В частности, предвоенная Германия в основном таким способом добывала себе топливо. Обладая большими залежами угля (имеется в виду угольный бассейн Рур), добыча которого и производство бензина были поставлены на промышленные рельсы.
Как происходит выделение бензина из угля
Бензин добывали из угля двумя способами. Уголь и нефть имеют сходство по своему химическому составу с общей основой, углеродные соединения с водородом, только у бурого угля молекул водорода меньше. Увеличивая количество молекул водорода в угле, получают вещество, равное по химической структуре с составом нефти, что позволяет в дальнейшем уже производить и бензин. Производство бензина путем переработки бурого угля было разработано учеными из Германии в 20 годы прошлого века:
- Гидрогенизация, или ожижение (способ Бергиуса).
- Газификация и синтез топлива (способ Фишера-Тропша).
Что собой представляет гидрогенизация
Технология производства синтетического бензина из бурого угля способом гидрогенизации заключается в следующем:
- Уголь мелко размельчают, смешивая с жирной и вязкой жидкостью, применяя, например, мазут или масло, получая пастообразное вещество.
- Пастообразный уголь помещают в герметичный сосуд, добавляют катализатор и растворитель, где под высоким давлением (200 атм) и температурой (+500ºС) происходит обогащение угля, которое протекает вначале в жидкой фазе, а затем переходит в фазу пара.
- Для получения конечного продукта полученное топливо из автоклава обрабатывают в центрифуге, удаляют кокс и дистиллируют.
Производить бензин в домашних условиях таким способом, вероятней всего, невозможно по причине технологической сложности оборудования, изготовление которого кустарным способом затруднительное и затратное.
Получение бензина путем газификации
Производство бензина способом газификации (способ Фишера-Тропша) происходит путем предварительного соединения воды и угольного сырья. В герметичном паровом сосуде с температурой +350ºС и давлением до 30 атм продувают под большим давлением водяной пар.
В результате образуется синтетический газ, который в дальнейшем используют для переработки и получения топлива. Полученный синтез-газ помещают во второй герметический сосуд, заполненный катализатором, основой которого является железо, никель или кобальт. На выходе из второго сосуда получается горючее, из которого путем крекинга производят бензин и дизель.
При производстве топлива этим способом получают такой побочный продукт как парафин и газообразные смеси, большую долю из которых составляет углекислый газ. Способ получения топлива таким методом экологически грязный и неэффективный по затратам.
Существует и термический метод обработки угля, аналогичный с процессом пиролиза, при котором сырье нагревается в сосуде извне, без наличия кислорода. Процесс распада твердого топлива и переход в газообразное состояние происходит при температуре +1200ºС, что в домашних условиях осуществить крайне сложно.
А для получения конечного продукта необходимо еще дополнительное оборудование. Положительной чертой этого метода является использование пиролизных газов для подогрева сырья и синтез бензина, что позволяет немного уменьшить себестоимость продукта.
Как сделать бензина из газа
Для производства бензина из газа используют оборудование, сделанное кустарным способом, но компактное, небольших размеров и малого веса, изготовленное из металла или нержавейки. Принцип работы оборудования заключается в следующем:
- Газ пропан-бутан и вода заполняют сосуд-смеситель, где происходит нагрев и смешение паров воды с газом. Температура внутри смесителя составляет +100…+120ºС.
- Смешанный газ подают в герметичную емкость Р1 (реактор), который заполнен катализатором (стружка из никеля — 25% и алюминия — 75%), где под воздействием температуры (+500ºС и выше) образуется синтетический газ.
- Из емкости Р1 синтетический газ подают в холодильник, где охлаждают до +30…+40ºС.
- Синтетический газ под давлением подают в герметическую емкость Р2 с катализатором (стружка меди — 80% и цинка -20%), где образуются пары синтетического бензина. При этом температура в емкости Р2 не должна быть выше 270ºС.
- Из емкости Р2 пары синтетического горючего подают в холодильную камеру, где он, охлаждаясь, конденсируется.
- Конденсат синтетического бензина и газ, не растворившийся в воде, из холодильной камеры поступают в конденсатор, откуда сливают синтетический продукт, а газ отправляют на повторную переработку.
Изготовление бензина из автошин
Произвести бензин в домашних условиях из автошин можно при условии наличия необходимого оборудования, состоящего из трех металлических бочек с плотно закрывающимися крышками, дистиллятора, источника тепла (применяют печь) и сырья, из которого можно получить топливо.
Данная технология схожа с пиролизом, продукты распада разогретого сырья из одной бочки попадают в другую, наполненную водой, где под действием воды охлаждаются и попадают в другую емкость в виде конденсата. Благодаря замкнутой системе сосудов, попутный продукт, получаемый в результате пиролиза, имеется в виду метан, используется при термической обработке сырья. Для превращения конденсата в топливо применяют дистиллятор, наподобие самогонного аппарата.
Учитывая то, в каких условиях проходит процесс извлечения бензина, дым, гарь, запахи, можно с уверенностью сказать, что такой процесс не приемлем в условиях квартиры или среди густонаселенного места.
Процесс получения бензина из нефти кустарным способом
Для получения бензина из нефти кустарным способом необходимы две емкости с герметичным закрыванием, источник тепла и охлаждение.
Нефть заливают в емкость и закрывают крышкой с отверстием, через которое пары горючего, при нагреве емкости до +180ºС, по трубе или шлангу попадают во вторую емкость, где, охлаждаясь, будет конденсироваться топливо. Применять полученное топливо не рекомендуется, т. к. октановое число у него низкое, а для повышения октанового числа необходимы присадки.
Оставшееся сырье в первой емкости, керосин, газойль и пр., перегоняют таким же способом, но с применением температуры +450ºС.
В целях предосторожности при производстве бензина из нефти применять источники с открытым огнем запрещается.
Производить топливо в домашних условиях можно при наличии необходимого оборудования и знаний. И называть самодельный бензин «халява» не стоит, т. к. кроме оборудования и знаний надо еще приложить немало труда, чтобы получить продукт.
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.