Експеримент Audi e-gas: Чи може синтетичне паливо врятувати двигун внутрішнього згоряння?
Раніше ми вірили, що майбутнє за автомобілями з батарейним живленням. Бачення було чистим. Жодних вихлопних труб. Тільки тихі флоти з Tesla і Nissan, що ковзають повз скляні хмарочоси, — науково-фантастична мрія, втілена в життя такими ранніми техно-пророками, як Бредбері та Дік. Хайп був справжнім. 2008 року Барак Обама пообіцяв випустити на дороги США один мільйон електромобілів до 2015 року. Це здавалося неминучим. У нас уже було і залізо. Nissan Leaf. Tesla Model S. BMW ActiveE. Вони вже були тут. Вони були блискучі.
Потім реальність ударила по обличчю.
«Тривога запасу ходу» більше не є маркетинговим терміном. Це – фізичний бар’єр. Більшість ранніх електромобілів могли проїхати лише 100–200 миль, перш ніж батарея розряджалася. І це все. А як щодо зарядної інфраструктури? Вона була рідкісною. Ви не могли просто «заправитися». Вам доводилось шукати розетки. Страх опинитися у безвиході став вбивцею ринку. Продаж застиг. У 2012 році з автосалонів було реалізовано всього 52 835 гібридів і електромобілів, що підключаються. З грудня 2010 року і до цього періоду загальний продаж коливався навколо позначки 70 000 одиниць. На тлі 15 мільйонів традиційних автомобілів, що продаються щороку? Це менше одного відсотка. Округлена помилка.
Тому промисловість змінила курс. Не назад, а убік. Компанії зрозуміли, що не можна просто чекати, поки батареї стануть кращими. Вони побачили в економіці, що ґрунтується на викопному паливі, не провал, а платформу. Audi очолює цей рух. Зокрема, вона робить ставку на e-gas.
У 2013 році Audi відкрила перший у світі промисловий завод із виробництва синтетичного вуглецево-нейтрального палива. Це не просто звичайний бензин. Це e-gas, призначений для транспортних засобів на стиснутому природному газі (CNG). Їхній випробувальний полігон? Ауді A3 Sportback TCNG. Але масштабніша стратегія полягає в інфраструктурі. Цей завод створює шаблон. Він будує мережу, необхідну для подачі електроенергії для електромобілів та водню для автомобілів на паливних елементах, коли ці технології справді дозріють. Це міст.
Скептики не вражені. Крістофер ДеМорро, який пише для Gas 2, розкритикував проект. Його аргумент був прямий. Проблема не лише у підтримці рівня викидів, а й у їхньому скороченні. Фокус на e-gas лишає нас на carbon стандарту. Нам слід надавати пріоритет транспортним засобам, які споживають менше енергії в принципі. Ефективність важливіша за синтез.
Але перш ніж відхилити цей проект як корпоративний грінвошинг вам потрібно зрозуміти механіку процесу. Вам потрібно подивитися, як Audi визначає “вуглецеву нейтральність”. Не магія. Це – хімія. І це може бути єдиною причиною того, що двигун внутрішнього згоряння переживе наступне десятиліття.
Audi не просто говорить про скорочення вуглецевого сліду. Компанія активно розробляє спосіб зробити двигуни внутрішнього згоряння вуглецево-нейтральними. Якщо терміни “вуглецевий слід” або “вуглецеві компенсації” вам незнайомі, уявіть собі таке: вуглецевий слід розраховує всі викиди вуглецю (CO2) від людини або бізнесу. CO2 є основним джерелом проблеми, але точні вимірювання також враховують метан та хлорфторвуглеці. Ці показники зазвичай виражаються в тоннах еквіваленту CO2 на рік.
Коли ви знижує викиди CO2 для конкретного виду діяльності, вуглецевий слід зменшується. Якщо скоротити викиди до рівня, що дорівнює вуглецевому сліду, ви досягнете вуглецевої нейтральності. Компанії досягають цього різними, часом непростими шляхами. Одні будують вітряні електростанції замість вугільних. Інші висаджують дерева для секвестрації вуглецю. Audi фінансує проекти зі скорочення викидів парникових газів. Все це вважається вуглецевою компенсацією.
Транспортна сфера – найскладніша частина. Перевезення людей та вантажів зазвичай означає спалювання викопного палива. Виробництво автомобіля вимагає електроенергії, що часто отримується від брудних електростанцій. Видобуток, переробка та доставка палива вимагають ще більше енергії. Потім автомобіль починає рух. Двигун внутрішнього згоряння викидає парникові гази. Вони накопичуються у атмосфері. Вони утворюють warming blanket (теплову оболонку), що нагріває планету. Електричні та водневі автомобілі могли б вирішити цю проблему. Але вони поки що не є життєздатними для всіх і скрізь багато років.
Завод у Вертлі та синтетичний метан
Audi називає свій підхід “збалансованою мобільністю”. Він визначається як цілісна, вуглецево-нейтральна мобільність на коротких, середніх та далеких дистанціях. E-gas (електропаливо) є ключем до збереження двигуна внутрішнього згоряння у цій зеленій сценарії. Як досягти вуглецевої нейтральності за допомогою застарілих технологій? Використовуючи діоксид вуглецю як сировину.
Установки для переробки біогазу з відходів поставляють CO2. Спеціально побудований завод у Вертлі, Німеччина займається хімічними процесами. Починаючи з 2013 року, цей завод споживає 2800 метричних тонн CO2 щорічно. Він виробляє 1000 метричних тонн e-gas на рік. У поєднанні з іншими екологічними практиками Audi досягає вуглецевої нейтральності у всьому своєму ланцюжку створення вартості.
Хіміки називають e-gas метаном. Споживачі знають її як природний газ. Він обігріває вдома. Він живить автомобілі на природному газі. Він синтетичний. Він щодо чистий.
Основи e-fuel
Хімія e-gas – це не магія. Це серія реакцій. Водень, отриманий шляхом електролізу води, входить у реакцію з діоксидом вуглецю. Вони пов’язуються. Утворюється метан. Результатом є паливо, яке згоряє у існуючих двигунах. Воно поводиться як природний газ. Воно чисте на вихлопі, тому що CO2 спочатку було взято з повітря.
Якщо ви бажаєте перейти зі звичайного бензину, інфраструктура може бути проблематичною. У США Міністерство енергетики пропонує “Пошук станцій альтернативного палива”. Введіть свій поштовий індекс. Виберіть тип палива. Подивіться, що є. Мережа поки що рідкісна. Вона зростає. Але ж вона існує.
Навіщо дотримуватись двигунів внутрішнього згоряння, якщо існують батареї? Тривога за дальність ходу. Робота у холодну погоду. Існуюча енергомережа. Безліч двигунів внутрішнього згоряння, які все ще знаходяться на дорогах. Audi не цурається двигуна. Вона намагається зробити так, щоб двигун не впливав на вуглецевий баланс. Це міст. Довгий, хімічний міст.
Математика проста. 1000 метричних тонн палива. 2800 метричних тонн CO2 на вході. Решта – вода. Водень та кисень. Виділяються як побічний продукт. Чисто. Просто. Або принаймні настільки просто, наскільки це можливо для хімії промислового масштабу.
Чи масштабується це? Це питання. Один завод у Вертлі – це доказ концепції. Креслення. Чи не глобальне рішення. Поки що ні. Але це доводить, що концепція працює. Метан із повітря. Вуглецевий-нейтральний. Готовий для двигунів.
Решта – це просто обсяг. І вартість. І політика. І інфраструктура. І час.
Хімія процесу виробництва
Давайте відкинемо рекламний блиск. Е-газ – це просто синтетичний метан. Це вирощений у лабораторії близнюк справжнього газу. Ви знаєте, що таке справжній газ. Це безбарвний, беззапаховий газ, що одержується із стародавніх рослинних залишків та водних опадів, похованих глибоко в земній корі. На утворення копалин метану йдуть мільйони років. Синтетичний метан? Його можна зробити швидко.
Все починається з електролізу.
Пропустіть електричний струм через воду. Розірвіть хімічні зв’язки. Ви отримаєте водень та кисень. Рівняння реакції просте:
2 H2O → 2 H2 + O2
Водень сам по собі виглядає перспективним як паливо майбутнього. Стисніть його, зберігайте у великому резервуарі, пропустіть через паливний елемент разом із киснем, і ви отримаєте електрику та воду як побічні продукти. Але тут є проблема. Будівництво інфраструктури для водню з нуля коштує дорого. Ми поки що не готові до цього.
Тому Audi обирає інший шлях. Вони беруть цей водень і змішують з діоксидом вуглецю. Цей процес називається метануванням.
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
В результаті виходить СН4. Метан. Він поводиться так само, як болотний газ, що піднімається над болотом, або природний газ, що видобувається на гирлі свердловини. Та ж займистість. Та ж відсутність запаху. Той самий безбарвний вигляд.
Чому це важливо для автолюбителя? Тому що не потрібні нові труби. Не потрібна нова мережа розподілу. Це синтетичне паливо може інтегруватися безпосередньо в існуючу мережу природного газу. Воно надходить у будинки та підприємства. Воно заправляється на станціях стисненого природного газу (СПГ).
Автомобільна промисловість зосереджена останньому пункті. Станції ЗПГ забезпечують паливом зростаючий парк автомобілів на природному газі, або АнГ. Це не чарівна паличка для боротьби із глобальним потеплінням. Вони не позбавлять нас залежності від викопного палива відразу. Але вони створюють місток. Вони дозволяють двигунам працювати, доки інфраструктура наздоганяє.
У наступному розділі ми розглянемо, як Ауді фактично заправляє цим паливом автомобілі.
Реальність низьковуглецевих автомобілів на природному газі
Ідея заправляти Audi A3 синтетичним метаном здається стрибком у майбутнє, але насправді вона укорінена в інженерних рішеннях початку XX століття. Як тільки на початку 1930-х років з’явилися надійні лінії магістрального транспортування газу, водії захотіли використовувати це паливо. Механіка процесу проста. Чотирьохтактні двигуни змішують паливо з повітрям, підпалюють його свічкою запалювання і приводять поршні вгору-вниз. Та ж сама фізика застосовна як до бензину, так і до природного газу. Якби в США та на Близькому Сході не було виявлено таких величезних та дешевих запасів нафти, автомобілі на природному газі (NGV) могли б домінувати на дорогах.
Але цього не сталося. Сьогодні автомобілі на природному газі – це нішевий продукт. Станом на кінець 2011 року на дорогах Америки було всього близько 120 000 таких автомобілів. У світі їхня кількість була вищою — понад 15 мільйонів, але розподіл був нерівномірним. П’ять країн: Іран, Пакистан, Аргентина, Бразилія та Індія контролювали майже 70 відсотків ринку. Чому саме там? Ці країни не мають достатньої переробної потужності для сирої нафти. Вони використовують те, що мають. У наступному десятилітті, ймовірно, будуть і інші країни, особливо якщо ціни на бензин продовжать зростати. Природний газ дешевший. Оцінки показують економію палива близько 30 відсотків, порівняно з бензином.
Чистіше згоряння
Ціна – не єдиний плюс. Викиди нижчі. Агентство з охорони навколишнього середовища США (EPA) класифікує автомобілі на природному газі як найчистіші серед доступних двигунів внутрішнього згоряння. Цю честь отримав варіант Honda Civic на природному газі. Статистика вражає. Рівень оксиду вуглецю знижується на 70-90 відсотків. Оксиди азоту падають на 75-95 відсотків. Навіть вуглекислий газ, основний парниковий газ, скорочується на 20–30%. Результатом є покращення якості повітря та повільніше просування до глобального потепління.
Це не ідеальне рішення. Купівля автомобіля на природному газі обходиться дорожче на старті. Заправка викликає труднощі, які можна порівняти з проблемами інфраструктури зарядки електромобілів. Станом на грудень 2011 року у США було лише близько 1000 АЗС для автомобілів на природному газі. Половина їх була приватної. Громадський доступ було обмежено. Ви можете встановити домашню систему заправки, але це додає до і так високої вартості. І хоча вони скорочують викиди CO2, вони не усувають ефекту потепління повністю.
Синтетичний цикл Audi
Розглядайте автомобілі на природному газі як міст. Перехідна технологія. Це змінюється, якщо ви можете заправляти синтетичним метаном, отриманим з вуглекислого газу. Audi планує зробити саме це на своєму заводі у Верльті. Процес розщеплює воду на водень та кисень за допомогою електролізу. Потім водень з’єднують із вуглекислим газом, захопленим на біогазовій установці. Але для електролізу потрібна енергія. Чи не переносить це забруднення до іншого місця? Так. Це останній елемент проекту Audi e-gas. Звідки береться електрика? З відновлюваних джерел.
Подвійна гнучкість
Автомобільним виробникам, які просувають синтетичний метан, потрібний автомобіль, який зможе його використовувати. Для Audi це Audi A3 Sportback TCNG. Вони не створили чистий автомобіль на природному газі. A3 TCNG оснащений баками як природного газу, так бензину. Двигун безшовно перемикається між ними. Чи залишилося мало ЗПГ? Нема заправки на горизонті? Використовуйте бензин. Це компроміс, але мета — якнайбільше їздити на природному газі. Audi прогнозує, що 1500 модифікованих моделей A3 TCNG зможуть проїжджати 9320 миль (15 000 кілометрів) на рік на відновлюваному e-gas. Продаж планувалося розпочати у 2013 році.
Енергопостачання мережі за допомогою вітру та відходів
Завод у Верлті – це гібридна споруда. Це перша у світі установка, що поєднує електроліз водню з метануванням. Ви отримуєте водень із води та змішуєте його з діоксидом вуглецю. В результаті виходить синтетичний метан. Але головна історія криється над хімії. Вона – у джерелі енергії.
Енергія починається з вітру. Сильні постійні бризи з Північного моря. Audi встановила там три великомасштабні офшорні вітропарки. Чотири турбіни. Кожна виробляє 3,6 мегават. Річний обсяг виробництва? П’ятдесят три гігават-години. Це дуже багато електронів. І у Audi є три чіткі плани їх використання.
По-перше, пряме подання. Компанія заявляє, що може використовувати вітрову енергію для виробництва 1000 автомобілів Audi A1 e-tron. Ці автомобілі проїжджатимуть 6 210 миль (10 000 кілометрів) щорічно. Чисто електричні. Без вихлопних газів.
По-друге, сам завод у Верлті. Близько 20 гігават-годин цієї вітрової енергії буде спрямовано наfacility. Тут електрика розщеплює воду на кисень та водень. У короткостроковій перспективі цей водень не піде у паливні елементи. Він є основним інгредієнтом для e-газу. Синтетичного метану. Він надходить до мережі природного газу. І потрапляє до автомобілів на природному газі (NGV).
По-третє, зберігання. Вітряні електростанції нестабільні. Іноді вони виробляють більше енергії, ніж може прийняти мережу. Ця надмірна енергія зазвичай втрачається. E-газ змінює це правило. Ви можете завантажити його до інфраструктури природного газу Німеччини. Зберігати його. Видобувати пізніше, коли потрібно вироблення енергії. Німецька мережа величезна. Вона може вмістити еквівалент 200 терават-годин електроенергії. Достатньо, щоб підтримувати освітлення протягом місяців.
Співпраця та ефективність
Audi не винайшла цей цикл із нуля. Процес прийшов із Центру досліджень сонячної енергії та водню Баден-Вюртемберг. Вони працювали з Інститутом Фраунгофера з вітроенергетики та технологій енергосистем. У процес також залучено компанію Solar Fuel Technology. Їх об’єкт розташований поряд з Верлтом.
Тут проявляється ефективність. Електроліз та метанування виділяють відпрацьоване тепло. Завод Audi вловлює це тепло. Solar Fuel Technology використовує його. Ця міжзаводська синергія значно збільшує загальну ефективність. Вона перетворює недолік на перевагу.
Графік та подальші перспективи
Завод у Верлті досягнув етапу встановлення останньої балки у грудні 2012 року. Виробництво планувалося розпочати у 2013 році. Терміни збіглися з виходом нової моделі Audi A3 Sportback TCNG. Ці автомобілі надійшли до дилерських центрів наприкінці 2013 року.
Дорожня картка на цьому не зупинилася. Друга модель TCNG, заснована на шасі A4, планувалася до випуску 2015 року. Мета була проста: більше автомобілів на природному газі на дорогах.
Audi була не єдиним гравцем. Chrysler та General Motors вже випустили версії своїх вантажівок важкого класу на природному газі. Honda просувала свою модель Civic на природному газі. Посилання було послідовним. Заощаджуйте гроші. Знижуйте викиди. Можливо, врятуйте планету.
Інфраструктура змінюється. Паливо змінюється. Але двигуни? Їм усе ще треба спалювати щось. Чи то електрони, водень чи синтетичний метан, колесо продовжує обертатися.
