2. Энергетическая ситуация в мире

Современный человек постоянно требует все большего количества энергии для личного потребления. Древний обитатель Земли не нуждался в таком большом количестве энергии и обходился собственной - биологической. Только постепенно переходя со ступени на ступень своего развития, он почувствовал недостаток энергии и начал использовать ее наиболее доступные виды - энергию воды и ветра, источником которых, как и всей энергии на Земле, является Солнце.

Для транспорта прежде всего использовались водные потоки, а с ними - плоты, лодки, парусники. Парусный корабль представляет собой наиболее древнее транспортное средство, использующее энергию ветра. Для размола зерна использовались водяные и ветряные мельницы.

С ускорением прогресса увеличивалось и потребление энергии. Речь идет прежде всего о тепловой энергии, т. е. об использовании природного древесного сырья, которое было легко доступно и еще в 1850 г. являлось источником более 90 % энергии, потребляемой для отопления и приведения в движение различных машин.

Постепенно начался переход к ископаемым топливам. Так, в начале XX в. уголь был источником 76 % всей получаемой и потребляемой человечеством энергии. Дальнейшее, притом весьма существенное, расширение применяемых видов топлива ознаменовалось использованием нефти и природного газа. Эти виды ископаемого топлива содержат в единице массы значительное количество энергии и поэтому являются особенно ценными для всех видов транспортных средств.

Ископаемые топлива, которые природа создавала миллиарды лет, добываются со все большей интенсивностью. Лишь недавно человечество осознало, что запасы этих топлив будут исчерпаны уже в обозримый период: уголь через несколько сот лет, а нефть и природный газ - уже через несколько десятилетий.

По этой причине необходимо уже сейчас начать активные поиски замены этим видам топлива. Распределение потребления нефти по определенным отраслям показано на рис. 1.

Рис. 1. Распределение потребления нефти в Западной Европе (а) и США (б) по секторам экономики: 1 - транспорт; 2 - бытовое потребление, обслуживание, торговля; 3 - химия; 4 - промышленность; 5 - производство газов и преобразование в электрическую энергию; 6 - прочие потребители

При сжигании топлива часто возникают вредные вещества, концентрация которых в воздухе в густонаселенных и промышленно развитых областях уже сегодня достигает опасных для здоровья человека величин. Внимание сосредоточивается прежде всего на окиси углерода СО, токсичных углеводородах СН_х и окислах азота NO_x. Содержание этих веществ в атмосфере контролируется, и поэтому существуют предписываемые максимально допустимые нормы их присутствия в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, особенно устанавливаемых на автомобилях. Эти требования к чистоте отработавших газов становятся все более жесткими и оказывают значительное влияние на дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания.

В этой связи повысился интерес к экологически чистым источникам энергии, которые могли бы в будущем заменить природные ископаемые топлива. Источником такой чистой энергии прежде всего является Солнце. Солнечная энергия, падающая на квадрат земной поверхности со сторонами 200 км, может покрыть все энергетические потребности человечества с учетом их постоянного роста. В связи с этим интенсивно разрабатываются проблемы прямого использования солнечной энергии всеми средствами.

Повсеместно начался процесс экономии энергии и в домашнем хозяйстве. Растет интерес к использованию в жилых и промышленных помещениях подогрева воды в солнечных коллекторах. Так как солнечное освещение не беспрерывно, то этот метод применяется как дополнительный к классическому центральному отоплению. И хотя по сравнению с другими отраслями расход нефти и газа в домашнем хозяйстве не так велик, этот метод позволяет достичь известной экономии топлива.

При использовании солнечного излучения для более крупных объектов лучи сосредоточивают с помощью больших рефлекторов, а в фокусе помещают объем с теплоносителем или непосредственно котел, пар которого используется по классической схеме электростанции.

Тщательно изучаются и исследуются также и способы прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Этот способ уже сейчас широко используется на искусственных спутниках Земли. Существуют реальные проекты создания солнечной электростанции в космическом пространстве и передачи выработанной электроэнергии на Землю с помощью микроволнового излучения. Подробнее об этих проектах будет рассказано в последующих главах.

Переход на экологически чистые источники энергии будет продолжаться много лет. Однако необходимо учесть, что ни один из этих источников невозможно применить непосредственно для передвижения автомобиля и получаемую из них энергию нужно предварительно преобразовать в приемлемую форму и соответствующим способом аккумулировать. Стоимость природных ископаемых топлив будет постоянно увеличиваться и поэтому необходимо искать их заменители, приемлемые для использования в существующих двигателях внутреннего сгорания без значительного изменения их конструкций. При этом надо учитывать постоянное увеличение числа автомобилей, находящихся в эксплуатации.

Сокращение до минимума потребления нефти как топлива является одной из мер, способствующих замедлению процесса исчерпания ее ресурса. Поэтому предлагаемая книга ставит целью обратить внимание читателей на возможные пути, позволяющие повысить топливную экономичность транспортных средств. При этом главное внимание уделяется двигателю. Современные двигатели внутреннего сгорания непосредственно для преобразования в полезную мощность используют, образно говоря, только 1/3 общего количества топлива, имеющегося в баке, а остальное исчезает в виде тепловых потерь в окружающее пространство. Так как автомобильный двигатель большей частью работает с неполной нагрузкой, процент использования выделяющейся при сгорании топлива теплоты будет даже меньше 20 %. Использование энергии топлива изображено на рис. 2.

Рис. 2. Использование энергии топлива при движении автомобиля в условиях города

Автомобильный двигатель прошел длительный путь развития и с технической точки зрения является весьма совершенным. Однако до настоящего времени наибольшее внимание в процессе его совершенствования уделялось достижению максимальной мощности, малой массы и размеров двигателя, минимальных производственных затрат. Теперь на первый план как важнейший критерий оценки двигателя выступает минимизация потребления им топлива. Снижения потребления топлива достичь непросто, и, кроме того, оно может оказывать неблагоприятное влияние на другие параметры двигателя. В отдельных главах книги подробно рассматриваются принципы работы двигателей внутреннего сгорания, их конструкции, причины, больших тепловых потерь, а также возможные пути максимального извлечения энергии топлива за счет снижения этих потерь.

Так называемую эффективную, т. е. "чистую", имеющуюся на валу мощность двигателя надо использовать как можно более экономно. Поэтому мы подробно покажем процесс передачи мощности на колеса и потери при движении по дороге. В каждом зацеплении шестерен, про-буксовке сцепления, в каждом подшипнике, шарнире или шине теряется энергия, превращающаяся в теплоту. Температура шины при движении автомобиля достигает 100 °С; эта теплота образуется вследствие внутреннего трения в боковинах пневматика. Легковой автомобиль среднего класса при скорости 100 км/ч на преодоление этого трения затрачивает 4-6 кВт - величину, достаточную для отопления небольшой квартиры. Еще большая мощность требуется на преодоление сопротивления воздуха. Из-за того, что при движении автомобиля возни-кают вихревые воздушные потоки, при скорости 100 км/ч на преодоление сопротивления воздуха требуется 17-18 кВт - в 3 раза больше, чем на преодоление сопротивления качению. В табл. 1 показан план перспективного улучшения энергетических и технико-экономических характеристик автомобиля "Фольксваген", ФРГ.

Таблица 1. План перспективного улучшения технико-экономических характеристик автомобиля 'Фольксваген', %

^* (с_х - коэффициент аэродинамического сопротивления; S - площадь фронтальной проекции автомобиля.)

Около 45 % всей энергии в мире вырабатывается из нефти, ежегодное потребление которой составляет 3 млрд. т, а мировые запасы - около 135 млрд. т. Распределение этих запасов по отдельным странам показано далее в табл. 19. Наибольшими запасами нефти, поданным 1980 г., обладает Саудовская Аравия - около 22,3 млрд.т, на втором месте СССР - 9,1 млрд. т^*. В связи с постоянно увеличивающимся числом автомобилей довольно скоро наступит равновесие между потребностью и производством, что может вызвать серьезное ограничение транспорта и быстрое повышение цен на топливо. И хотя интенсивные геологические поиски постоянно открывают новые месторождения нефти, последние расположены в основном на больших глубинах или под дном океанов. Разработка таких месторождений является чрезвычайно дорогостоящей.

^* (Оценка зарубежных экспертов. - Примеч. ред.)

Значительные запасы нефтяных фракций содержатся в горючих сланцах и песках. Путем их нагревания до 500 °С выделяют продукт, содержащий около 80 % нефти. Добыча сланцев вызывает, однако, нарушение ландшафта на больших территориях, а при их нагревании в воздух попадает много вредных веществ.

Еще одним способом выработки нефтепродуктов и бензина является ожижение угля. Этот метод известен уже давно и применялся в конце второй мировой войны в Германии, где на 12 заводах производилось таким способом около 4 млн. т бензина в год. Работы по ожижению угля продолжаются, и фирма ФЕБА в ФРГ строит завод, рассчитанный на ожижение 600 т угля в день. Из 3 т угля, с учетом потребляемой энергии, получают 1 т жидкого продукта, состоящего из 25 % бензиновых фракций и 75 % тяжелых и средних нефтяных фракций, а также 0,4 т горючего газа.

В табл. 2 показано, какую долю первичной энергии угля можно извлечь, вырабатывая из него различные виды топлив. При этом отдельно приводятся эффективность процесса преобразования химического состава угля, КПД заправки (учитывающий потери энергоносителя при его доставке и заправке в автомобиль), а также КПД использования энергоносителя в двигателе внутреннего сгорания. В случае получения бензина для движения автомобиля используется 10,7 %, в случае получения водорода - 16,3 % энергии затраченного для этих целей угля. Для сравнения приводится и преобразование энергии из угля в электрическую с использованием ее в электромобиле с помощью свинцовых аккумуляторов.

Таблица 2. Преобразование энергии из угля

^* (В виде гидридов металлов.)

Проблема экономного расходования энергии не исчезнет и тогда, когда осуществится переход на использование экологически чистых ее источников. Энергию будут аккумулировать и снова возвращать в рабочий цикл. При помощи специальных устройств будет накапливаться и энергия, потерянная при торможении. Точно также будет аккумулироваться и использоваться вне автомобиля теплота, теряющаяся при охлаждении двигателя.