Описание проекта
Проблемой обеспечения экологической безопасности при эксплуатации машин/поездов остается актуальной. Несмотря на введенные в России ограничения на вредные выбросы двигателей, проблема воздействия вредных выбросов на окружающую среду остается не решенной. Часто решение задач сокращения вредных выбросов находится в противоречии с требованиями улучшения топливной экономичности, ограниченностью ресурсов и т.д. Удовлетворение этих противоречивых требований возможно несколькими путями: применением наименее токсичных двигателей, регулировок топливной аппаратуры, использованием антидымных присадок, альтернативных топлив, фильтров очистки отработавших газов, каталитических нейтрализаторов и др.
Железнодорожный транспорт, вносит определенный негативный вклад в экологию, являясь источником неблагоприятных химических, физических и биологических факторов. Несмотря на то, что отрицательное влияние железнодорожного транспорта на окружающую среду значительно меньше, чем других видов транспорта, оно весьма ощутимо и требует профилактической работы.
Железнодорожный транспорт является одним из источников загрязнения окружающей среды. Данный вид транспорта потребляет ежегодно более 1 млрд. куб. м. воды, из которых около 600 млн. куб. переходит в стоки. Атмосферный воздух ежегодно подвергается выбросам стационарных источников (котельными, пескосушилками, промывочно-пропарочными станциями и т.д.).
Кроме этого загрязнения воздуха отработанными газами (выделяются 97-98% токсичных веществ от общей их эмиссии) происходит в районах, где локомотивами служат тепловозы с дизельными силовыми установками.
Количество и состав вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания зависит в основном от конструкции и качества применяемого топлива. В продуктах неполного сгорания топлива – выхлопных газах – основными вредными веществами являются диоксид углерода (CO2), оксид углерода (CO), диоксид серы (SO2), оксид азота (NOx), летучие углеводороды (ЛОС) и производные от них твердые частицы.
В ОАО «РЖД» существует система экологического мониторинга воздействия предприятий компании на окружающую среду.
Основными задачами системы мониторинга являются: контроль за выбросами и сбросами; получение аналитической информации о составе и свойствах загрязнения; сбор и передача полученной информации в базу данных
для принятия управленческих решений.
Роль экологического мониторинга на железной дороге невозможно переоценить. Она заключается в постоянной проверке техники, используемой имена железной дороге.
Главная цель РЖД в сфере экологии – забота об экологической безопасности и здоровье людей. Для достижения этой цели до 2025г.
предусматривается:
- снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников на 18%;
- снижение удельного уровня выбросов парниковых газов на 4,5%;
- снижение использования водных ресурсов на 20%;
- снижение сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты и на рельеф местности на 18%;
- увеличение доли обезвреживания и вовлечения отходов производства и потребления во вторичный оборот в общем количестве их образования на 2,4%.
Сергей Кобзев (главный инженер ОАО «РЖД») заявил, что ОАО «РЖД» с 2025 года планирует отказаться от закупок дизельных локомотивов в пользу электровозов, а также тягового подвижного состава, работающего на природном газе и других альтернативных источниках энергии.
Большое внимание теперь уделяется замене жидких нефтяных топлив сжиженным углеводородным газом и сжатым природным
газом (метаном), а также спиртосодержащими смесями. Применение газообразных топлив обеспечивает некоторое улучшение экологических показателей. К преимуществам газового топлива относятся высокое октановое число, в связи с чем возникла необходимость в использовании альтернативного вида топлива – биотоплива.
В ряду продуктов альтернативной энергетики биогаз занимает несколько особенное положение. Большинство устройств альтернативной энергетики работает на энергии, полученной от солнца, ветра или воды. Однако, экологичность данных источников возобновляемой энергетики ставится под сомнению в связи с необходимостью утилизации отработавших в системах элементов. Помимо этого, для производства большинства из них требуются редкоземельные металлы, являющиеся дефицитными уже сейчас.
Биогаз же возможно получать из различной биомассы. Биогаз, как и биоэтанол, производится с использованием биологических преобразований. При производстве биогаза образующийся отход (шлам биогазовой установки) может быть использован непосредственно без каких-либо дополнительных преобразований. Он представляет собой прекрасное высокоэффективное и экологически безопасное удобрение. Ценность этого удобрения настолько высока, что сравнима или даже превосходит ценность вырабатываемого биогаза. Поэтому при правильной утилизации всех выходных продуктов биогазовой установки срок ее окупаемости может быть существенно ниже, чем у всех других устройств альтернативной энергетики.
По техническому исполнению биогазовые установки подразделяются на три вида: аккумулятивную, периодическую, непрерывную. Современные биогазовые установки рассчитываются, как правило, на непрерывный процесс. На биогазе могут работать как карбюраторные двигатели, так и дизели, но поскольку метан является высокооктановым топливом, более эффективно его использование в дизелях, имеющие более высокую степень сжатия.
Биогаз преимущественно состоит из метана (CH4). Это тот же горючий газ, младший в ряду углеводородов, из которого преимущественно состоит так называемый «природный газ». Только в природном газе метана более 90%, а в биогазе – 65-75%. При сжигании биогаза сгорает метан, содержащийся в нем. Теплота, образующаяся при сгорании биогаза, меньше теплоты, образующейся при сжигании природного газа, пропорционально соотношениям количеств метана в природном газе и биогазе.
Биотопливо представляет собой любое жидкое или твердое топливо из возобновляемого сырья. Биогаз – это смесь из 50–80%
метана СН4, 20–50% углекислого газа СО2, 1% сероводорода (H2S) и незначительных следов азота N2, кислорода О2, и водорода Н2, а
так же продуктов метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого
специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Энергия, заключенная в 1 м3 биогаза (20–25 МДж), эквивалентна энергии 0,6 м3 природного газа, 0,74 л нефти или 0,66 л дизельного топлива. Соотношение СН4 и СО2 зависит от исходного субстрата и характеристики процесса брожения.
По своему химическому составу, биогаз напоминает природный газ и может быть применен в автотракторных двигателях внутреннего сгорания. По данным Шведских и Швейцарских ученых, биогаз может использоваться в ДВС, так как по экологическим характеристикам биогаз на 75% чище дизельного топлива и на 50% чище бензина. Токсичность биогаза для человека на 60% ниже традиционного
топлива. Продукты его сгорания практически не содержат канцерогенных веществ. Влияние отработавших газов двигателей, работающих на биогазе, на разрушение озонового слоя на 60–80% ниже, чем у нефтяных видов топлива.
Биогаз представляет собой высококачественное альтернативное топливо. Так как биогаз состоит в основном из метана, его легко адаптировать ко всем существующим процессам, где используется природный газ. Биогаз относится к наиболее экологически чистым видам моторного топлива. По сравнению с другими видами нефтяного топлива биогаз при работе двигателей дает наименьшее количество выбросов двуокиси углерода и твердых частиц. Известно, что двигатель, работающий на газовом топливе,
работает тише и меньше вибрирует, чем нефтяной двигатель, что способствует улучшению условий труда механизаторов и обеспечению экологической безопасности, снижает риск пожаров и взрывоопасности. По данным шведских и швейцарских ученых, биогаз на 75% экологичнее дизельного топлива и на 50% бензина.
Таким образом, предлагается разработать прототип железнодорожного поезда, работающего на биогазе, полученном при анаэробном сбраживании отходов жизнедеятельности человека и неиспользованных продуктов питания. Поезд сможет заменить загрязняющие окружающую среду шумные и малоэффективные дизельные вагоны на тех небольших ветках, которые не были электрифицированы. На фоне планов поэтапного отказа от грязных дизельных двигателей поезда, работающие на биогазе, могут стать эффективной экологической альтернативой.
Прототипом данной разработки будет являться поезд BioUltra, разработанный Британской компанией Ultra Light Rail Partners (https://invizioproductdesign.c...). Летом 2020 года Ultra Light Rail Partners уже провели первые тестовые испытания своих инновационных вагонов. Новый поезд длиной около 20 метров будет перевозить 120 пассажиров с максимальной скоростью до 80 км/ч. В отличие от дизельных двигателей, подвижной состав, работающий на биометане, не будет выделять токсичный диоксид азота - и фактически приведет к полному удалению диоксида углерода из атмосферы. Несмотря на источник топлива, метан не имеет запаха.
