Роторные двигатели взлетят благодаря нано-технологиям
Российские ученые и инженеры продолжают опытно-конструкторские работы по созданию авиационного роторно-поршневого двигателя (РПД) для использования в составе силовых установок существующих и перспективных летательных аппаратов, включая беспилотные. Подтверждение тому пришло 11 октября, когда Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») выпустил пресс-релиз о расширении списка компаний, привлекаемых к данной теме.
Среди вновь разрабатываемых изделий особое внимание придается «РПД-150Т», который выставлялся на аэрокосмическом салоне «МАКС-2021». ЦИАМ характеризует его как «перспективный российский роторно-поршневой двигатель, который получит наноструктурированное покрытие. Силовой агрегат представляет «двухсекционный роторно-поршневой двигатель блочно-модульной конструкции с системой турбонаддува».
РПД-150Т с воздушным винтом на МАКС-2021
Согласно опубликованному документу, нанесением покрытий на детали макетов и опытных образцов займется АО «Плакарт»: «Применение современных наноструктурированных покрытий, полученных методами газотермического напыления, позволяет снизить стоимость эксплуатации за счет увеличения ресурса и уменьшения удельной массы разрабатываемого двигателя».
И это очень важный момент – своеобразная Ахиллесова пята современных роторных двигателей.
РПД-150Т разрабатывается по заказу Минпромторга России на замену импортных поршневых авиационных моторов типа Rotax вариантов «912», «914» и «915» в классе мощности 100-160 л.с. Очевидно, что соответствующее решение идет в русле национальной программы «Импортозамещения». Однако найти достойную альтернативу данным силовым агрегатам будет непросто, поскольку те обладают высокими характеристиками и освоены в массовом производстве.
Вышеупомянутые моторы были разработаны австрийской фирмой BRP-Rotax GmbH & Co KG, находящейся под контролем канадской Bombardier Recreational Products (BRP). «Ротаксы» очень популярны на глобальном рынке, применяются как в авиации, так морской и сухопутной технике, в частности, на амфибиях, снегоходах, «боевых багги» и других автомобилях повышенной проходимости семейства «Can-Am Off-Road vehicles» (типов Maveric, Commander и Defender), BRP c «ротаксами» мощностью 85-120 л.
с., закупленных десятками армий мира, включая Великобританию и Казахстан.
Отдельные образцы моторов становились причиной международных скандалов, как, например, в случае со сбитым прошлой осенью над Нагорным Карабахом беспилотным летательным аппаратом BTB2 разработки и производства турецкой фирмы Bayraktar. Среди обломков армянские военные обнаружили остатки Rotax 912 с заводской маркировкой, говорящей о его канадском происхождении. Между тем, условия поставки запрещают Турции ре-экспорт подобной техники без согласия разработчика и производителя, что было нарушено передачей Азербайджану соответствующих БПЛА.
Сразу после обнародования соответствующей информации, Правительство Канады приостановило отправку готовой продукции в адрес фирмы Bayraktar. Однако она как производила, так и продолжает выпуск BTB2, коль скоро «ротаксы» легко купить у посредников на мировых торговых площадках.
Австрийско-канадские силовые агрегаты также ставились на российские ДПЛА типа «Орион», разработанные компанией «Кронштадт».
Правда, Rotax 914 использовались только на прототипах, и, по мере расширения производства, уступили место отечественным АПД-120, удивительно похожим на оригинал.
Китайский РПД на Airshow China
Выпуск подобных изделий организован и в других странах, включая Иран, где их также широко используют в качестве силовых агрегатов беспилотной авиационной техники. Например, на ударных ДПЛА типа Shahed-129, которые с успехом применялись в ходе контртеррористической операции на территории Сирийской Арабской Республики. Они показали себя настолько опасными, что Пентагону даже пришлось пару раз отправлять истребители F-15 и F/A-18 на перехват «шахидов», чтобы предотвратить авиаудары по «прикормленным» незаконным вооруженным формированиям в Сирийской пустыне. Слишком высокая активность и боевая эффективность Shahed-129 не нравилась и израильтянам, несколько раз посылавшим свою авиацию для бомбардировки авиабазы Т4, где иранские специалисты хранили и готовили дроны к полетам.
Ободренный успехом «шахидов» в Сирии и других «горячих точках», Иран расширяет спектр национальной программы в области беспилотной авиации, в том числе путем разработки роторных двигателей.
Образцы РПД персы показывали на выставках у себя в стране и за рубежом, включая аэрокосмические салоны «МАКС» в подмосковном Жуковском. Кроме того, отдельные элементы подобных силовых агрегатов показывались китайскими специалистами на выставке Airshow China. Специально разработанные для авиационного применения роторно-поршневые двигатели семейства Mistral показывали и австрийцы.
Почему роторное направление привлекает внимание авиационных специалистов в условиях, когда автопроизводители, одно время возлагавшие большие надежды на РПД, прекратили серийный выпуск автомобилей с подобными силовыми агрегатами? Потому, что РПД обладает набором ценных качеств, а именно: сравнительная простота конструкции (малое число компонентов), высокое отношение развиваемой мощности к массе, отличная приемистость и прекрасная работа на высоких оборотах, включая «спортивные режимы».
Недостатков тоже немало, и именно они свели ротор с автомагистралей на обочину. А именно: повышенный расход топлива, неустойчивость на пониженных оборотах, наличие токсичных выбросов в отработанных газах и сравнительно низкий моторесурс.
Неоднократные попытки устранить их привели к некоторому улучшению, но кардинальным образом картину не поменяли. Вместе с тем, применительно к беспилотной авиации, РПД и сегодня выглядит привлекательно. Чем, собственно, и объясняется интерес ЦИАМ к работам в данном направлении.
РПД Mistral (Австрия)
Если сторонникам ротора удастся добиться хороших результатов в новых конструкциях, продемонстрировать высокую надежность и ресурс в ходе практической эксплуатации на БПЛА, то мы можем стать свидетелями очередного возвращения РПД на гоночные («для треков»), а потом и серийные автомобили («для улицы»). Подобное развитие событий не исключается фирмой Mazda, дольше всех в мире занимающейся разработкой и производством «двигателей Ванкеля».
Правда, летом 2011 года японцы прекратили серийный выпуск RX-8 – последнего в длинном списке «автомобилей для улицы». Сборка РПД идет лишь на поддержание исправности парка и для специальных проектов для гонок и испытаний. В последние годы Mazda занималась РПД нового поколения, но не для основной, а вспомогательной силовой установки – привода генератора электрического тока для подзарядки аккумуляторных батарей автомобилей с маршевым электрическим мотором.
Одно время японские автомобили с РПД пользовались высокой популярностью, особенно среди водителей со спортивной и «агрессивной» манерами езды, хорошо продавались в Европе и США. Это подтолкнуло Советский Союз начать собственные проекты в данной области. Центральное конструкторско-экспериментальное бюро мотоциклостроения в Серпухове создало первый рабочий образец РД-250 с чугунным корпусом в 1961 году, затем – более крупный РД-500В.
Они показали себя вполне работоспособными, но от запуска в серию отказались из-за низкого ресурса. С тех пор основные усилия отечественных специалистов направлялись на устранение отмеченного недостатка. На модели РД-501 1973 года нашло применение стойкое к износу и перегреву никель-кремниевое (никасиловое) покрытие алюминиевого корпуса, а ротор двигателя выполнили из спеченного алюминиевого сплава.
Следующим летом на Волжском автомобильном заводе основали Специальное конструкторское бюро по роторно-поршневым двигателям (СКБ РПД) под руководством Б.
С. Поспелова. Опытный РПД появился здесь в 1976 году, а еще через пару лет в Тольятти построили малую серию двигателей ВАЗ-311 мощностью 80 л.с. для автомобиля ВАЗ-21018 на платформе серийного ВАЗ 21011.
Параллельно на основе силовых агрегатов СКБ РПД в Серпухове шла работа над вариантами для мотоциклов. При весе 38 кг и объеме 491 см куб. РД-515 развивал мощность 38 л.с. и порой исправно накатывал до 50 тыс. км. Его торцевые уплотнители изготовляли из стали или чугуна, корпус статора делали из алюминия с нанесением никасилового покрытия, представляющего слой никеля со сверхтвердыми частицами карбида кремния.
Основными заказчиками дорожной техники с РПД выступили силовые структуры. МВД и ФСБ эксплуатировали парк «ВАЗов» с РПД-413, РПД-415 и др., что помогло заводу поддерживать данное направление деятельности, накапливать статистику поломок и отказов, выявлять и устранять конструктивные недостатки. На рубеже веков предприятие посчитало возможным реализовать мало-серийные ВАЗ-2115-91, ВАЗ-2109-91 и ВАЗ 21099-91 с двухсекционными роторными моторами на свободном рынке.
При объеме 1,3 литра, ВАЗ-415 развивал мощность 135 л.с. и крутящий момент 18 кг*м.
Согласно данным производителя, при снаряженной массе 1040 кг, ВАЗ-2115-91 развивал максимальную скорость 190 км/ч, разгонялся «до сотни» за 9 секунд, расходуя 12,5 литров АИ-93 в городском цикле. Поскольку разгонный и скоростной потенциал машина могла в полной мере продемонстрировать лишь двигаясь по автотрассе федерального значения, АВТОВАЗ предлагал в качестве опции установку дополнительного бака объемом 39 литров, что вместе с основным обеспечивало запас хода до 800 км.
Вот что по данному поводу говорится в одном из рекламных буклетов Дирекции по техническому развитию АВТОВАЗа: «С 1997 года в АО «АВТОВАЗ» освоено изготовление автомобилей с РПД малыми партиями. Сохранив внешний облик серийных «Самар», автомобили с РПД по своим скоростным и динамическим показателям не имеют равных среди выпускаемых моделей ВАЗ и не только… Плавная и тихая работа двигателя, простота его технического обслуживания в сочетании с удивительной резвостью на дорогах также выгодно отличают эти автомобили от других.
Отсутствие у двигателя газораспределительного механизма, применение бесконтактной электронно-цифровой системы зажигания делает техническое обслуживание автомобиля простым и нетрудоемким».
Завод обещал ресурс РПД на уровне 100-125 тысяч километров. На практике хорошо собранный мотор наезжал не более 30-40 тысяч, после чего уровень компрессии падал до значения, требовавшего капитальный ремонт. Нередко разборка показывала необходимость замены не только уплотнений, но и трущихся деталей ротора, статора и боковых крышек. Причина – высокий износ, появление царапин и деформации (нарушение теплового режима) и так далее.
Декларируемый моторесурс пытались обеспечить внедрением технологий упрочнения рабочих поверхностей лазерным лучом, выжигая сталь по определенному рисунку (в частности, так обрабатывали боковые крышки). Кроме того, предлагались все более высокотехнологичные покрытия уплотнений, — их предполагалось делать из пропитанных медью карбидосталей. По результатам проведенных испытаний, СКБ РПД сделало вывод о целесообразности применения представленных материалов для производства радиальных лопаток, взамен используемого материала марки ТС 270 (ферротик с высоким содержанием карбида титана).
Авиационный РПД ВАЗ-4161
Вместе с тем, недостаточно внимания на производстве уделялось качеству отливок, в результате чего требовалась длительная обработка заготовок на металлорежущих станках. А вот японская Мазда добилась повышения ресурса за счет высочайшей точности изготовления деталей при отлаженной технологии нанесения покрытий. На модели “10A” и “0866” ротора изготавливали отливкой из чугуна, корпус – алюминиевый с хромовым покрытием, при этом алюминий опрыскивался расплавленной углеродистой сталью для увеличения прочности, а уплотнения вершины ротора (апексы) делали из алюминия и углерода.
На модели «12A» 1974 года корпус упрочнялся вставкой листовой стали с хромовым покрытием, от «опрыскивания сталью» отказались. Статор вышел достаточно прочным, и вместо карбоновых уплотнений предпочтения были отданы в пользу обычного чугуна. Словом, перепробовав различные варианты пар трения, «фирмачи» вернулись к чугуну — как к основному материалу для изготовления поверхностей статора и ротора, включая так называемые «апексы» (вершины).
А для повышения свойств, при изготовлении крышек роторов выполнялось азотирование.
Вершиной японской линейки роторных «автомобилей для улицы» стала модель RX-8, выпускавшаяся с 2003 по 2011 год. Ее двигатель “13B-MSP-Renesis”, в зависимости от модификации, развивает мощность 192-250 л.с. при выполнении действовавших на тот момент экологических требований к выбросам в атмосферу. В отличие от предыдущей версии — «13В-REW», турбонаддув не использовался. Ради снижения внутреннего трения, апексы были выполнены уменьшенной высоты и изменена форма боковых уплотнений.
При всех достоинствах, «Ренесис» все равно обладал всеми характерными недостатками РПД — повышенным расходом топлива и низким ресурсом: пробег до капитального ремонта составлял порядка 60-80 тысяч км, общий – максимум 200 тысяч. Это неплохие показатели для РПД, но существенно хуже, чем у современных поршневых моторов.
Традиционно, РПД требует частую смену свечей зажигания, чувствителен к качеству горюче-смазочных материалов.
В процессе эксплуатации на внутренних поверхностях накапливается кокс, что снижает компрессию, а подача масла на трущиеся поверхности ротора и статора затрудняется из-за забивания инжекторов. Уплотнения работают в условиях ограниченной смазки и плохого теплоотвода, для их смазывания приходится дополнительно впрыскивать моторное масло прямо в горячую часть двигателя, что сказывается на экологических показателях.
вертолет «Актай» разработки Казанского Вертолетного Завода с РПД ВАЗ-4265
Итак, Тольятти закрыло работы по РПД на несколько лет раньше Мазды. Дольше всех продержалось авиационное направление. Для сверхлегких летательных аппаратов предлагался односекционный ВАЗ-1187: при массе 47 кг мотор развивал мощность 41 л.с. По сравнению с двухтактными поршневыми двигателями, он обещал снижение расхода ГСМ на четверть. Для пилотируемой авиации изготовили малую партию моторов ВАЗ-426 и ВАЗ-4265 мощностью 270 л.с., при массе 160 кг в редукторном варианте и 145 кг без редуктора.
Они были спроектированы в соответствии авиационным правилам АП-33.
Кроме того, на ряд летательных аппаратов, например, летающую лодку Л-6М самарской фирмы «Аэро Волга», ставили два РПД ВАЗ-416, каждый по 180 л.с. Пробовали ставить подобные силовые агрегаты и на продукцию Казанского Вертолетного Завода. Однако ни один из авиационных роторов из Тольятти не нашел широкого распространения.
Одно время казалось, что тема окончательно заброшена. Но в 2019 году ЦИАМ и Фонд перспективных исследований (ФПИ) объединили усилия с целью создать полностью новый РПД на основе материалов следующего поколения — интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композитов. Согласно результатам испытаний на опытных образцах, износ элементов, изготовленных из подобных материалов, оказался пренебрежительно мал. Все они сохранили свою работоспособность, подтвердив возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов роторно-поршневого двигателя.
Новое отечественное покрытие, конечно, повысит ресурс двигателя, но как быть с неизбежным образованием и накоплением кокса и повышенным расходом топлива? Очевидно, что создание РПД следующего поколения потребует решения огромной массы накопившихся вопросов по моторам подобного типа. В случае же успеха нас ждет не просто возрождение данного направления двигателестроения, но и вместе с ним — подъем отечественной «малой авиации», включая беспилотную, на новые высоты.
Читайте также материал по теме: Роторные двигатели для авиационных гибридов
Полная или частичная публикация материалов сайта возможна только с письменного разрешения редакции Aviation EXplorer.
Альтернативные силовые установки для транспортных средств
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) уже почти 200 лет служат человечеству. Однако их широкое использование оборачивается целым рядом экологических и ресурсных проблем. 26% всех выбросов антропогенных парниковых газов вызваны сжиганием ископаемого топлива.
При этом более 90% топлива, используемого для автомобилей, судов, локомотивов и самолетов, получено из нефти. При сгорании нефтепродуктов в атмосферу выделяются крайне вредные окись углерода, двуокись углерода, углеводороды, окислы азота и другие компоненты. Загрязнение воздуха выступает причиной каждой девятой смерти в мире и признано одним из крупнейших вызовов в области здравоохранения и окружающей среды. В ряде развитых стран принимаются активные меры по постепенному переводу транспорта с ДВС и расширению использования альтернативных источников топлива. Так, Германия приняла закон о запрете продажи новых автомобилей с ДВС с 2030 г. Страна планирует к 2050 г. сократить автомобильные выхлопы до нуля. Аналогичные инициативы обсуждаются в других странах ЕС, США, Индии.
Более активное использование современных альтернативных силовых установок позволит снизить объем вредных выбросов в атмосферу Земли, сократить расходы на содержание транспортных средств и увеличить их КПД. Разработка таких технологий даст возможность странам, испытывающим дефицит традиционного топлива, уменьшить свою энергетическую зависимость.
Ниже рассмотрены перспективные технологии новых типов двигателей для автомобилей, работающих на альтернативном топливе: водородные и метанольные топливные элементы для электромобилей, а также двигатели внутреннего сгорания на диметиловом эфире.
Версия для печати:
Альтернативные силовые установки для транспортных средств
ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
Использование водорода в качестве топлива возможно в транпортных средствах как с ДВС, так и с водородными топивными элементами. Однако традиционные поршневые ДВС приспособить к работе на водороде и сложно, и дорого (стоимость эксплуатации и обслуживания такой водородной силовой установки примерно в 100 раз выше, чем у обычного двигателя внутреннего сгорания).
Альтернативные вариантом являются топливные элементы (ТЭ), преобразующие химическую энергию топлива в тепло и постоянный электрический ток, питающий электродвигатель или системы бортового питания транспортного средства. ТЭ представляет собой непрерывно перезаряжаемую батарею из двух покрытых катализатором электродов, между которыми находится электролит.
Через один электрод подается водород, через другой — чистый кислород или кислород из воздуха, к которым постоянно добавляются химическое топливо и окислитель. Соединение водорода с кислородом обычно происходит внутри пористой полимерной мембраны.
ЭффектыЭкологичность: при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода Распределенное энергоснабжение: водород в виде неиспользованного электричестваможно применять для питания домашней электросети Возможное сокращение общего объема потребления нефти в секторе автомобильных перевозок на 40% к 2050 г. |
Оценки рынка70 тыс. в годк 2027 г. составит выпуск новых водородных автомобилей в мире |
Драйверы и барьерыУдобство использования автомобильной техники на ТЭ (не требуют перезарядки, моментально поставляют электроэнергию, выработка энергии ТЭ не зависит от времени суток, погодных условий и др.) В перспективе открытие более дешевых и эффективных катализаторов для получения водорода позволит значительно снизить стоимость производства водородных ТЭ Высокие затраты на выработку водорода: от $4 до $12 за килограмм в разных странах (бензин-галлоновая эквивалентная стоимость составляет от $1,60 до $4,80) Отсутствие автомобильной инфраструктуры Сложность в эксплуатации: уязвимость к ударным нагрузкам и сотрясениям, взрывоопасность, при низких температурах ТЭ требуют внешнего подогрева из-за замерзающей воды Отсутствие единых стандартов безопасности, хранения, транспортировки, распределения и применения водородных ТЭ |
Международныенаучные публикации |
Международныепатентные заявки |
Уровень развитиятехнологии в России «Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных «на равных» сотрудничать с мировыми лидерами.
|
МЕТАНОЛЬНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Метанол — высококачественное моторное топливо для ДВС — хорошо зарекомендовал себя и как энергоноситель в ТЭ, используемых в портативной электронике, транспортных приложениях, а также в электромобилях. В ТЭ метанол расщепляется при взаимодействии с атмосферным кислородом (воздухом), в результате этой реакции возникает электрический ток и образуется вода в качестве побочного продукта.
В настоящее время разрабатываются технологии получения метанола из природного газа (минуя синтез-газ) посредством гидрирования из промышленных выбросов углекислого газа (в долгосрочной перспективе его научатся извлекать прямо из окружающего воздуха). Также ведутся разработки по производству биометанола из биомассы (лигноцеллюлозы), что послужит толчком к массовому распространению метанольных ТЭ.
ЭффектыСокращение выбросов углекислого газа более чем на 70% при расщеплении биометанола в ТЭ Электромобили нового типа могут проезжать до 800 км на одном заряде батареи с применением метанольных ТЭ |
Оценки рынка40 млн ед. к 2020 г. составит объем рынка автотранспортных средств, работающих на метанольных ТЭ (благодаря чему на 104 млн т будут сокращены выбросы углекислого газа по сравнению с объемом выбросов от автомобилей на бензиновом ДВС) |
Драйверы и барьерыЭкологичность: метанол менее биологически опасен, чем нефтепродукты Возможность использования существующей транспортной инфраструктуры для заправки транспортного средства Простота эксплуатации: в частности, метанол не улетучивается при транспортировке Возможно создание технологии производства биометанола в промышленных масштабах, что увеличит его использование в ТЭ Высокая себестоимость производства метанола с помощью существующих технологий Используемые в качестве катализаторов в ТЭ драгоценные металлы (платиноиды) значительно повышают рыночную стоимость установок и вырабатываемой ими энергии |
Международныенаучные публикации |
Международныепатентные заявки |
Уровень развитиятехнологии в России «Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных «на равных» сотрудничать с мировыми лидерами.
|
ДВИГАТЕЛИ НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ
Серьезным конкурентом традиционным видам ископаемого и синтетического топлива и основной альтернативой дизелю может стать диметиловый эфир (ДМЭ). В сравнении с дизельным топливом эфир лучше горит и более экологичен (не содержит серы, в течение суток полностью разлагается в атмосфере на воду и углекислый газ). Это в целом более чистое топливо, некоррозионноактивное, нетоксичное, не вызывает мутаций, в том числе канцерогенного характера.
Сегодня ДМЭ производится из переработанного угля, природного газа, биомассы, бытовых и промышленных отходов. Также разрабатывается синтетическое биотопливо второго поколения (BioDME), которое может быть изготовлено из лигноцеллюлозной биомассы. Преобразовать дизельный двигатель в ДМЭ-двигатель можно без больших затрат, что будет стимулировать массовое распространение технологии.
ЭффектыЗначительное сокращение уровня вредных выбросов с отработавшими газами: оксидов азота в 3-4 раза, углеводородных соединений — в 3 раза, угарного газа — в 5 раз, при практически бездымной работе двигателя во всех режимах Повышение экономичности ДВС (до 5%) и его КПД по сравнению с работой на дизельном топливе Оптимизация расходов на производство и транспортировку топлива (сократятся в 10 раз относительно показателей сжиженного природного газа) Легкое преобразование ДМЭ в бензин, характеризующийся высокой стабильностью и повышенным экологическим качеством, минимальным содержанием нежелательных примесей (отсутствие серы, незначительное содержание бензола (0,1% при норме 1%), непредельных углеводородов (~1%)) Создание дополнительных рабочих мест в добывающей промышленности благодаря развитию производства диметилового эфира из ископаемого сырья (природный газ, уголь) |
Оценки рынка$9,7 млрд к 2020 г. |
Драйверы и барьерыУжесточение экологических стандартов Наличие соответствующей инфраструктуры: применение ДМЭ не требует серьезной конструкционной доработки дизельных двигателей и установки специальных фильтров. Использование ДМЭ на автомобилях с ДВС возможно даже при 30%-м его содержании в топливе без трансформации систем питания и зажигания двигателя. Масштабная сырьевая база: сырьем для производства ДМЭ является природный газ, доказанные запасы которого в России по состоянию на 2015 г. остаются крупнейшими в мире. Ряд нерешенных проблем с хранением ДМЭ Сравнительно высокая рыночная цена ДМЭ относительно других видов топлива При производстве ДМЭ затрачивается существенно больший объем сырьевого газа, чем для других топливных продуктов с эквивалентной теплотворной способностью При меньшей в 1,5 раза полноте сгорания по сравнению с дизельным топливом увеличивается расход ДМЭ в 1,5–1,6 раза ДМЭ является наркотическим галлюциногенным веществом |
достигнет объем глобального рынка ДМЭ (среднегодовые темпы роста 16-19% в 2015-2020 гг.)
Международныенаучные публикации |
Международныепатентные заявки |
Уровень развитиятехнологии в России «Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных «на равных» сотрудничать с мировыми лидерами.
|
Самые многообещающие альтернативные виды топлива, которые будут питать автомобили будущего
Глобальный отказ от ископаемого топлива нарастает, но какие альтернативы есть у автопроизводителей, чтобы доверять старому бензину?
Анализируя текущую отрасль производства автомобильного топлива из возобновляемых источников, мы видим растущий переход на электромобили. Электромобили вызывают революцию во всем мире, но их устойчивость еще предстоит доказать.
Не поймите меня неправильно, у электромобилей светлое будущее, но при нынешнем состоянии глобальной энергосистемы их глобальное воздействие на окружающую среду было перенесено только на угольные электростанции, которые в конечном итоге приводят их в действие. Не вдаваясь слишком далеко в дебаты об окружающей среде, электромобили или электромобили, вероятно, находятся в авангарде автомобильного будущего, работающего на неископаемом топливе. Однако было бы наивно полагать, что электромобили — единственное решение.
Альтернативы ископаемому топливу
Одними из наиболее широко известных альтернатив ископаемому топливу являются водородные топливные элементы и биотопливо. Хотя их доступность резко контрастирует с широким использованием электроэнергии, их устойчивость не вызывает сомнений. Исследуя водородные топливные элементы, они начали свою жизнь в недрах исследований НАСА в самом сердце космической эры. Водород использовался в качестве топлива для серии ракет Saturn V, а теперь он используется для питания вашего семейного автомобиля. Ну почти .
Автомобили, работающие на водороде
С точки зрения жизнеспособности такого взрывоопасного топлива водород гораздо более богат энергией, чем бензин и аккумуляторы электромобилей. Не говоря уже о том, что вы можете буквально, без преувеличения, пить выхлопные газы автомобилей с водородным двигателем, также известный как дружественная дигидрогена моноокись, вода. Нынешние препятствия, с которыми сталкивается автомобильная промышленность при масштабировании водородных топливных элементов, связаны как с их стоимостью, так и с общественным осуждением.
Учитывая, что водородные топливные элементы появились как часть космических исследований, неудивительно, что стоимость является проблемой.
СВЯЗАННЫЕ: НОВЫЙ ОТЧЕТ ПОКАЗЫВАЕТ, КАК МИР МОЖЕТ ОТКАЗАТЬ ИСКОПАЕМОЕ ТОПЛИВО К 2050 ГОДУ. постепенно становится более благоприятным для этой идеи. Как и при любом другом исследовании топлива, стоимость производства снизится, а общественный имидж водородного топлива улучшится. В целом, водородное топливо, скорее всего, никогда не превзойдет электромобили, потому что современная инфраструктура никогда не сможет наверстать упущенное, чтобы поддержать крупномасштабное движение водородной энергетики. Тем не менее, почти каждый производитель автомобилей выпускал концептуальные автомобили на топливных элементах, а Toyota, Honda и Hyundai были единственными компаниями, которые сделали свои автомобили на топливных элементах коммерчески доступными.
Самый популярный
Потенциал электромобилей в современную эпоху
Было бы упущением с моей стороны не обсуждать электромобили в дальнейшем, учитывая обсуждение альтернатив ископаемому топливу, но мы будем краткими, учитывая текущие общие знания. Почти каждый производитель автомобилей производил либо гибридный привод, либо полностью электрический автомобиль в промышленных масштабах. Электромобили подходят не только для умных автомобилей, двигатели с электроприводом достаточно мощны, чтобы Mercedes-Benz и BMW построили суперкары с полностью электрическим приводом в своей основе (Mercedes-Benz SLS AMG и BMW i8).
СВЯЗАННЫЕ: РАСТИТЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ РЕАКТИВНЫХ СРЕДСТВ МОЖЕТ БЫТЬ КОНКУРЕНТОРОВО ПО СТОИМОСТИ С ИСКОПАЕМЫМ ТОПЛИВОМ
Глядя на отказ от ископаемого топлива с точки зрения устойчивости и уменьшения воздействия на окружающую среду, электромобилям есть над чем поработать. Из-за использования тяжелых батарей с высоким содержанием химических веществ и перераспределения энергии на угольные электростанции было бы легко утверждать, что электромобили так же вредны, как и ископаемое топливо. Однако, как только появится современная инфраструктура и электроэнергию можно будет вырабатывать более устойчивым способом, электромобили, вероятно, станут лидерами автомобильной промышленности будущего.
Может ли биотопливо облегчить переход от ископаемого топлива к электричеству?
Биотопливо, или топливо на растительной основе, является последней крупной альтернативой автомобильной энергии. В отличие от водородных топливных элементов и электромобилей, биотопливо не потребует переделки существующей автомобильной инфраструктуры. Заправочные станции будут просто переоборудованы для производства необходимого жидкого биотоплива. Наиболее распространенным биотопливом является этанол, топливо на основе этилового спирта, получаемое из растительной целлюлозы.
Вы, вероятно, уже используете в своих автомобилях бензин, обогащенный этанолом, и по большей части полный переход на биотопливо является коммерчески выгодным в нынешнюю эпоху. Обратной стороной биотоплива и, вероятно, причинами, по которым мы еще не увидели сдвиг, являются огромные площади земли, которые необходимо будет выделить для их производства, а также тот факт, что не каждый автомобиль может работать с топливной смесью.
Полный переход на биотопливо будет напрямую конкурировать с производством продуктов питания и землепользованием. Мировая экономика вполне может перейти к сельскохозяйственной, если биотопливо получит широкое распространение.
For You
Health
Исследователи тестируют новый тип устройства для доставки лекарств, которое хранит вторую дозу вакцины в течение определенного периода времени перед высвобождением вещества.
Грант Каррин | 05.08.2022
инновацииВосстание машин – проект
Элис Кук| 04.11.2022
инновацииОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ: Этот спектрометр с квантовыми точками может ускорить орбитальные миссии Урана и Нептуна
Дина Тереза| 27.09.2022
Еще новости
инновация
Китай заявляет, что «первый в мире» керосиновый двигатель может развивать скорость реактивных самолетов, в девять раз превышающую скорость звука
Баба Тамим| 20.
11.2022
Наука
Трансплантация от животных к человеку может стать ключом к решению проблемы нехватки донорских органов
Дина Тереза| 16.08.2022
здоровье
Все еще поднимаете тяжести? Почему снижение веса является ключом к увеличению мышечной силы
Айеша Гулзар| 14.11.2022
ИДЕАЛЬНОЕ ПОДБОР – Atlas Renewable Energy
Электромобили (ЭМ) — одна из самых многообещающих технологий сокращения выбросов в глобальном транспорте, но преимущества, которые они приносят, зависят от источника энергии, на которой они работают. Сегодня слишком мало электромобилей питается от возобновляемых источников энергии. Чтобы они стали по-настоящему экологичным вариантом, это должно измениться.
Революция электромобилей грядет. 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 (IRENA), число электрических автобусов и других транспортных средств общественного транспорта может увеличиться.
Поскольку электродвигатель вместо двигателя внутреннего сгорания, электромобили не выпускают выхлопные газы из выхлопной трубы, 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, потому что на транспорт приходится около одной пятой глобальных выбросов, а на автомобильные перевозки приходится целых три четверти этого количества. Большая часть этого приходится на легковой транспорт – автомобили и автобусы – на долю которых приходится 45,1%. остальные 290,4% приходится на грузовики, перевозящие грузы.
Более того, это число будет только увеличиваться, так как рост населения и демографические сдвиги стимулируют все больший спрос на автомобильные перевозки, не говоря уже о росте электронной коммерции, увеличивающем потребность в грузовых перевозках и доставке последней мили.
Учитывая, что Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) подсчитала, что загрязнение воздуха является причиной каждой девятой смерти в мире, преобразование нашей глобальной транспортной матрицы в одну, управляемую электромобилями, почти гарантирует более безопасное и экологичное будущее для всех — или так?
Грязная энергия
Электромобилям требуется от 24 до 50 кВт/ч электроэнергии, чтобы проехать 100 миль, и эта электроэнергия поступает из сети.
Согласно исследованию Министерства энергетики США, которое показывает, что к 2050 году рост электрификации повысит национальное потребление на целых 38%, в значительной степени из-за электромобилей, в некоторых случаях электромобили могут привести к значительным выбросам парниковых газов (ПГ) или даже помочь продлить срок службы ископаемого топлива, если заряжать его в основном за счет энергии, вырабатываемой на ископаемом топливе.
На самом деле, недавнее исследование китайского Университета Цинхуа показало, что электромобили, заряженные в Китае, где большая часть электроэнергии вырабатывается на угольных электростанциях, выделяют в два-пять раз больше твердых частиц и химикатов по сравнению с автомобилями с газовым двигателем.
По сути, если электричество, питающее электромобили, не будет чистым, электромобили никогда не станут полностью экологичным вариантом.
Принимая во внимание огромное количество электромобилей, которые, по прогнозам, появятся в сети в ближайшие годы, крайне важно, чтобы как пользователи, так и коммунальные службы нашли способ заряжать их от возобновляемых источников энергии.
Действительно, электромобили могут стать ключом к объединению секторов возобновляемой энергетики и низкоуглеродного транспорта на благо всех.
Электромобили станут крупнейшими покупателями возобновляемой энергии
К 2030 году количество электроэнергии, необходимой для питания всех электромобилей, составит колоссальные 640 ТВтч. Чтобы представить это в перспективе, более 300 глобальных корпораций, подписавших RE100, обязуются закупать на 100% возобновляемую энергию в совокупности около 220 ТВт-ч в год — или чуть более трети от этой суммы.
Это создает большие возможности для позиционирования электромобилей как одного из крупнейших покупателей электроэнергии из возобновляемых источников в мире. Не только это, но и потребности электромобилей в электроэнергии могут быть использованы для запуска большего количества возобновляемых мощностей по всему миру.
Модель уже существует: корпоративные закупки возобновляемой энергии через двусторонние соглашения о покупке электроэнергии (PPA) создали значительный добровольный спрос на новые проекты возобновляемой энергии во всем мире.
В прошлом году корпорации приобрели рекордные 23,7 ГВт чистой энергии по сравнению с 20,1 ГВт в 2019 году и 13,6 ГВт в 2018 году, согласно новому исследованию, опубликованному BloombergNEF (BNEF), и это произошло, несмотря на сбои, вызванные Covid-19. пандемии и последовавшей за ней мировой рецессии.
Посредством PPA производители оригинального оборудования для электромобилей (OEM), операторы точек зарядки, поставщики услуг электромобильности и растущее число компаний, которые обязуются перевести свой автопарк на электромобили, могут разработать бесшовные экологически чистые решения для будущего, а также а также способствовать развитию новых проектов в области возобновляемых источников энергии, что, в свою очередь, приблизит мир к достижению целей Парижского соглашения.
Не только электроэнергия, на которой они работают
Важен не только ток, питающий аккумуляторы транспортных средств. Половина выбросов в течение жизненного цикла литиевых батарей в электромобилях связана с электричеством, используемым для их сборки и производства, а это означает, что баланс электроэнергии на заводах OEM также является ключевой частью уравнения.
Недавнее исследование IVL, шведского экологического института, показало, что литиевые батареи, произведенные в регионах с нулевой углеродной сетью, имеют выбросы 61 кг эквивалента CO2 на кВтч емкости батареи (CO2e/кВтч). Эта цифра более чем удваивается — до 146 кг — когда электроэнергия, используемая в производстве аккумуляторов, поступает из ископаемого топлива.
Таким образом, экологические преимущества электромобилей зависят не только от того, насколько экологически чистым является электричество, используемое для зарядки их аккумуляторов, но и от углеродоемкости электричества, используемого для производства этих аккумуляторов, что создает еще один императив для производителей электромобилей. перейти на возобновляемую энергию.
Стабильная сеть
Рост использования электромобилей также может стимулировать рост использования возобновляемых источников энергии другими способами. Частные автомобили проводят 95% своего времени на стоянке, и специалисты по планированию энергетики ищут способы использовать это мертвое время для решения одной из самых больших проблем при расширении сетей возобновляемых источников энергии: стабильности.
«Масштабные электромобили могут создавать огромные емкости для хранения электроэнергии», — говорит Дольф Гилен, директор Центра инноваций и технологий IRENA. «Умная зарядка, которая одновременно заряжает автомобили и поддерживает сеть, открывает замкнутый круг, в котором возобновляемые источники энергии делают транспорт чище, а электромобили поддерживают большую долю возобновляемых источников энергии».
Технология, позволяющая это сделать, все еще находится в зачаточном состоянии — пока что Nissan Leaf является единственным серийным электромобилем на рынке, который позволяет заряжать автомобиль от сети (V2G). Однако мы в Atlas рады видеть, что все больше OEM-производителей начинают рассматривать эту возможность: например, Hyundai, Kia и Lucid планируют включить ее в будущие автомобили.
При хорошем планировании и правильной инфраструктуре электромобили могут сократить выбросы, заменить загрязняющие окружающую среду транспортные средства и ускорить развертывание инфраструктуры возобновляемых источников энергии, а когда они припаркованы и подключены к розетке, они действуют как аккумуляторные батареи, стабилизируя электрические сети, работающие от возобновляемых источников энергии.
солнечная энергия. Для поставщиков возобновляемой энергии, таких как Atlas, это дает нам возможность обеспечивать все большее количество экологически чистой электроэнергии для растущего числа промышленных секторов.
Машинист электрификации
По мере того, как правительства всего мира обнародуют планы по прекращению продажи автомобилей с бензиновым и дизельным двигателем, скоро электромобили станут основой как общественного, так и частного транспорта. От частных электромобилей до коммерческих таксопарков и беспилотных электробусов — электромобили быстро переопределяют рынок.
Что действительно интересно, так это то, что это означает для общего спроса на электроэнергию. Прогнозы МЭА показывают, что мировой спрос на электроэнергию вырастет более чем на треть к 2040 году, в основном за счет внедрения электромобилей, которые увеличат спрос на электроэнергию для транспорта практически с нуля до 4000 ТВтч в год. Это увеличивает долю электроэнергии в общем конечном потреблении энергии с 19% в 2018 году до 31% в 2040 году, обогнав нефть и оставив далеко позади уголь.
