основой газовой энергетики. В тех случаях, когда необходимо
только тепло (отопление, горячая вода), достаточно установить
на чердаке здания небольшой полностью автоматизированный
водогрейный котел.
Газовые трубы вместо тепломагистралей
Плотность потока энергии в газовой трубе, даже при
невысоком давлении, в сто раз выше, чем в трубе с горячей
водой. Уложенные до войны газовые трубы служат до сих пор. В то
же время тепловые сети с водой, нагретой до 100...180oС,
приходится менять каждые пять-десять лет из-за неустранимой
коррозии металла в горячей и влажной среде. Поэтому одну и ту
же энергию можно передать в газовой трубе десятикратно меньшего
диаметра, кроме того, газовые сети многократно долговечнее.
Вместо тепловых магистралей диаметром около метра, которые
хорошо знакомы жителям городов, газовая труба диаметром 100
миллиметров может быть проведена всюду практически без "травм"
для окружающих сооружений.
Малые современные водогрейные котлы с полной конденсацией
дымовых газов имеют КПД не ниже 90%. При нагреве воды для
горячего водоснабжения от 10 до 100oС температура уходящих
газов составляет всего 20...30oС. Рециркуляцией дымовых газов
выбросы окислов азота снижаются до 30 частиц на миллион. Это
лучше, чем при любых способах очистки, применяемых на больших
электростанциях. Котлы полностью автоматизированы, они не
требуют обслуживания кроме периодического осмотра.
На графике рис. p081 отражены результаты эксплуатации
такого котла тепловой мощностью 300 кВт. Как видно из графиков,
даже в трудном режиме малой нагрузки (20% от номинальной)
достаточно рециркулировать 25% газов, чтобы добиться малых
выбросов.
При такой же единичной мощности -- сотни киловатт можно
решать и задачу снабжения электроэнергией. Здесь хорошим
примером служат дизель-генераторы, поставляемые фирмой ABZ
Aggregate-Bau GmbH (см. гл. 4.1). Дизельный двигатель на
природном газе вращает синхронный генератор, дающий
электроэнергию. Тепло охлаждения двигателя и выхлопных газов
используется для отопления и горячего водоснабжения. Низкий
уровень шума и малые выбросы окислов азота и других вредных
газов приемлемы даже для условий города с особо высоким уровнем
требований.
В жилых домах подобные агрегаты размещаются на верхнем
этаже либо в подвале. Их возможный шум или вибрация меньше, чем
от лифтовой машины или водяных насосов. Запуск и остановка
проводятся автоматикой в соответствии с реальной нагрузкой.
Никакой проблемы маневренности не возникает. При неисправности
агрегата его не ремонтируют, а заменяют, привозя новый
двигатель или генератор.
Эффективность малой энергетики по расходу топлива,
несомненно, выше, чем при традиционном централизованном
теплоснабжении от паротурбинных ТЭЦ. Дизельные двигатели имеют
КПД около 42%, тогда как паротурбинные установки, даже самые
совершенные -- не выше 39%. К тому же при доставке
преобразованной энергии потребителю в тепловых сетях теряется в
среднем не менее 10% энергии, тогда как в газовой таких потерь
нет совсем.
Газ -- соперник бензина
Повсеместный рост количества автомобилей потребовал
значительного увеличения объемов производства бензина. В
качестве замены жидкого топлива для двигателей внутреннего
сгорания широко используется природный газ.
Когда в тридцатые годы прошлого века англичанин Барнетт
получил патент на газовый двигатель, а в 1860 году француз Э.
Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа,
никого такой выбор горючего не удивил -- бензина еще не было.
Впервые бензин в качестве горючего был использован лишь
спустя два десятилетия, когда Г. Даймлер создал бензиновый
двигатель внутреннего сгорания. Бензиновый мотор заменил лошадь
в первых "самодвижущихся колясках" -- автомобилях, создателями
которых стали Карл Бенц и Готлиб Даймлер.
О газе как о возможном моторном топливе надолго забыли.
Лишь через 100 лет после Барнетта, в конце тридцатых годов
нашего столетия, возродилась мысль о его использовании. Тогда
появились первые газогенераторные автомобили. Газ вырабатывался
в топке, а оттуда подавался в двигатель.
Октановое число 105?
Исследования опровергли устоявшееся мнение, что
использование газа вместо бензина -- вынужденная мера. Газовое
топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в
выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше.
Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый
газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов
топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило,
нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого
газа, ни соединений свинца.
В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного
сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) -- токсичное
для человека вещество.
И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу
одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека
опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления.
Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно
легко окисляющиеся вещества -- этил и этилен, а газовый
двигатель -- метан, который из всех предельных углеводородов
наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс
газового автомобиля менее опасен (см. рис. p064).
Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но
и превосходит его по своим свойствам.
Двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает по
классическому четырехтактному циклу. Газообразная смесь воздуха
и топлива всасывается в цилиндр двигателя, сжимается поршнем,
воспламеняется искрой, давит на поршень и двигает шатунный
механизм, а затем выбрасывается из цилиндра.
Чем сильнее можно сжать топливо без возникновения
детонации (детонация [лат. detonare прогреметь] --
распространение пламени в веществе со скоростью, превышающей
скорость звука в данном веществе), тем больше мощность
двигателя. Антидетонационную способность топлива определяют
октановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднее
октановое число природного газа -- 105 -- недостижимо для любых
марок бензина.
Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и
распыленного топлива, Для воспламенения смеси нужна
определенная концентрация топлива. Газ, в сравнении с бензином,
горит при меньших концентрациях, т.е. при более "бедных"
смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси
можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь,
наоборот, можно понизить мощность. Возникает возможность
изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ
как топливо значительно "послушнее" бензина.
Эксплуатация показала, что автомобили на газе более
выносливы -- в полтора-два раза дольше работают без ремонта.
При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы,
вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя.
Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических
поверхностях -- ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ
практически не вызывает коррозию металла,
Несмотря на многочисленные достоинства природного газа,
закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистры
еще рано.
Метан
В переходе на газовое топливо есть свои сложности. Так,
например, плотность природного метана в тысячу раз ниже
плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном
при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества
топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить
огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность
газа. Это можно достичь сжатием метана до 20...25 МПа
(200...250 атмосфер (1ат = 9,81х104 Па)). Для хранения в таком
состоянии используются специальные баллоны.
Пропан-бутан
Пропан-бутан -- синтетическое топливо. Его получают из
нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта
смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в
1,6 МПа (16 атмосфер). Газобаллонная аппаратура для сжиженного
пропан-бутана несколько проще. Процесс заправки машин на
газонаполнительных станциях несложен и очень похож на заправку
бензином.
По своим свойствам сжиженный пропан-бутан почти не
отличается от сжатого природного газа. То же высокое октановое
число, те же неплохие экологические и эксплуатационные
показатели. Есть у сжиженного пропан-бутана и преимущество
перед метаном -- 225 литров этого горючего хватает на пробег
около 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах
-- на вдвое меньший. Сейчас на сжиженном газе работает вдвое
меньше машин, чем на сжатом и вот почему. Пропан-бутана
получают в 20...25 раз меньше, чем добывают природного газа.
Водородная энергетика сегодня
Возможность повсеместного использования водорода как
топлива сегодня выглядит менее обнадеживающе, чем, скажем, 30
лет назад. Это направление энергетики предполагает получение
водорода в крупных масштабах путем разложения воды,
транспортировку "горючего" к пунктам потребления и
использование его практически во всех случаях, где сейчас
сжигают ископаемое топливо. Находятся горячие головы, которые
предлагают уже сегодня полностью отказаться от
централизованного энергоснабжения, чтобы производить
электроэнергию с помощью водорода в топливных элементах у самих
потребителей [5].
О водородной энергетике мечтают давно:
удельная теплота сгорания водорода в три раза выше, чем у
нефти или бензина;
продуктом сгорания водорода является водяной пар;
ресурсы сырья для получения водорода безграничны.
Но водород как горючее имеет ряд недостатков:
он более взрывоопасен, чем метан;
объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем
у природного газа.
Путь к безвредной энергетике труден и многоэтапен. Здесь
возможны разные решения. Тем не менее, в некоторых случаях
применение водорода как топлива не только полезно с
экологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано.
К примеру, загрязнение атмосферы автомобильными выхлопными
газами. Замена всех бензиновых двигателей на водородные
нереальна, т.к. она связана с огромными материальными
затратами. Однако, почти без всяких изменений в двигателе,
можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой.
Даже этот небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановку
в крупных городах.
Водород -- аккумулятор энергии
Очевидным становится и то, что водород может ослабить
некоторые напряженные проблемы атомной энергетики.
Разрушительные аварии АЭС (Чернобыль, Тримайл-Айпенд) показали,
что наиболее опасны "маневры" мощностью реактора, то есть
изменение интенсивности ядерной реакции [3]. Следовательно, для
обеспечения безопасности желательно ограничиваться стационарным
режимом работы АЭС.
Эта стабильность ограничивает возможности энергосистем в
части выравнивания нагрузок, когда, например, в рабочее время
потребление энергии резко возрастает, а по ночам и в выходные
дни падает. Пока не существует удовлетворительного способа
аккумулировать электроэнергию, но на помощь может прийти
водород. Расчеты показывают, что с помощью аккумулирования
водорода затраты на производство электроэнергии могут быть
снижены примерно на 15% по сравнению с традиционным способом --
АЭС плюс пиковая теплоэлектростанция на водороде.
