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].