PROMETEJSKA ISKRA

SAGOREVANJE VATRE

2.752 pregleda
Porše panamera S hibrid (Vikipedija)

Idealan motor budućnosti je i dalje usavršeni „motor sus” (oto i dizel) koji troši sintetička goriva proizvedena od biomase, gde će ugljen-dioksid (CO2) i vodena para (H2O), nastali u procesu sagorevanja, biti ponovo upotrebljeni za stvaranje biomase u zatvorenom cirkulacionom procesu.

Akademik Dušan Gruden

Pre skoro 60 godina, kao student motorizacijskog smera Mašinskog fakulteta u Beogradu, prvi put sam čuo da klipni motor sa unutrašnjim sagorevanjem ili kako smo ga zvali „motor sus”, nije savršena mašina i da će za 10 do 15 godina biti zamenjen novim, znatno boljim.

U toku moje višedecenijske aktivnosti na polju razvoja motora bilo je mnogo pokušaja da se on zameni drugim, naizgled, boljim mašinama.

Prvi razlog, tvrdilo se da klasični klipni mehanizam, poznat još od parne mašine, sa klipom, klipnjačom i kolenastim vratilom, nije idealan mehanizam, odnosno čak i da je suviše glup mehanizam, jer su gubici pri transformisanju pravolinijskog kretanja klipa u rotaciono kretanje kolenastog vratila (radilice) veliki. Kao bolje alternative nuđena su rešenja bez klipnog mehanizma, kao što su gasne turbine i rotacioni motori.

Visoka potrošnja goriva gasnih turbina sprečila je njihovu primenu za pogon motornih vozila od tzv. prve energetske krize, početkom 70-tih godina prošlog veka.

Gasna turbina i Vankel motor

Rotacioni motori, od kojih je najpoznatiji bio Vankel-motor, imaju nedostatak da im je prostor za sagorevanje nepovoljan, a proces sagorevanja ima važnu ulogu u zadovoljenju svih zahteva koji se pred motor postavljaju.

Kod gasnih turbina sagorevanje se vrši u specijalnim komorama-gorionicima i može bolje da se kontroiše nego u prostoru za sagorevanje kod klipnih motora. Ali, maksimalna temperatura sagorevanja, koja ima odlučujuću ulogu na termički stepen korisnosti motora, u gorionicima je ograničena termičkom otpornošću zidova gorionika.

Nezamenljivi klip

Za kvalitetne čelike maksimalna temperatura ne sme da pređe 1.000, dok keramički materijali dozvoljavaju maksimalne temperature do 1.200, što je znatno manje nego kod klipnih motora, gde maksimalna temperatura ciklusa dostiže vrednosti preko 2.500 Celzijusovih stepeni.

Stalnom izmenom radne materije, prostor za sagorevanje se u „motoru sus” kontinualno hladi, tako da, i pored visokih maksimalnih temperatura ciklusa, temperatura zidova prostora za sagorevanje (klipa i cilindarske glave) ne prelazi vrednosti od oko 200 do 250 Celzijusovih stepeni. Tako se klipni mehanizam motora pokazao kao genijalno rešenje, potvrćujući tvrdnju da je između glupaka (idiota) i genija samo mali korak.

Udeo svetskog motorizovanog
saobraćaja na antropogenu
emisiju ugljen-dioksida
manji je od 12 odsto!

Krajem 60-tih godina prošlog veka uvedeni su, prvo u Kaliforniji (SAD), a zatim i u celom svetu, zakonski propisi o ograničenju toksičnih komponenata u izduvnim gasovima motornih vozila: ugljen-monoksida (CO), nesagorelih ugljovodonika (HC), oksida azota (NOx) i čvrstih čestica, čađi (PM). To je bio povod za traženje alternativnih pogonskih agregata koji bi zamenili tadašnje benzinske (oto) motore, gotovo isključivo upotrebljavane za pogon motornih vozila.

Pored gasne turbine i Vankelovog motora, kao rešenja nuđeni su Stirling-motor i parni motor. I mada su ovi motori u pojedinim radnim tačkama u laboratoriji davali bolje rezultate nego što ih je imao benzinski (oto) motor, oni nisu mogli da prodru u proizvodnju jer je oto motor u sumi svih osobina, koje se traže pri pogonu vozila, ostao nezamenljiv.

Parni i Stirling motor

Prelaskom sa karburatora na sistem ubrizgavanja goriva, uvođenjem elektronskih sistema paljenja smese i primenom katalizatora za naknadnu obradu izduvnih gasova, oto-motor je ispunio sve zakonske propise koji su od početka 70-tih godina prošlog veka pooštravani 11 puta: od Evro norme R15 00 (1972) do Norme Evro 6 (2015). Preko 500 modernih automobila ima danas manju emisiju toksičnih komponenata nego jedno jedino vozilo pre 50 godina.

Moderni oto motor (Izvor: Porše)

Izduvni sistem modernog oto motora (Izvor: Mercedes)

Povratak uglju

Fenomeni zabeleženi početkom 80-tih godina prošlog veka, tada poznati kao „kisele kiše” i „umiranje šume”, doveli su do drastičnog smanjenja graničnih vrednnosti emisija, što je uzrokovalo uvođenje tzv. trokomponentnog katalizatora u gradnju motora. Preduslov za nesmetani rad ovog katalizatora bilo je uvođenje bezolovnog benzina na tržište.

Posle nuklearne katastrofe u Černobilju (Ukrajina), sredinom 80-tih godina, a još pod utiskom predhodne katastrofe nuklearne centrale na Ostrvu tri milje (SAD), postavilo se pitanje opravdanosti primene nuklearne energije i u mirnodopske svrhe. Svetska energetska agencija prognozirala je da će ugalj biti glavni izvor energije u decenijama koje dolaze.

Pobornici nuklearne energije su se tada setili teorije švedskog hemičara Arheniusa, koji je krajem 19. veka definisao tzv. efekat „staklene bašte” i njegov uticaj na klimu Zemlje. Pored vodene pare (H2O), drugi najveći uticaj ima ugljen-dioksid (CO2), produkt potpunog sagorevanja goriva koja sadrže ugljenik.

Iako je udeo celokupnog svetskog motorizovanog saobraćaja na antropogenu globalnu emisiju ugljen-dioksida manji od 12 odsto, glavni cilj nove ekološke politike usmerio se na smanjenje emisije CO2 u izduvnim gasovima motornih vozila. Kako je emisija CO2 proporcionalna potrošnji goriva, to je značilo zahtev za znatno smanjenje potrošnje goriva kod motora za putnička vozila.

Današnji svetski vozni
park iznosi preko 800
miliona putničkih vozila.

Od početka razvoja motora poznato je da dizel-motori imaju, u poređenju sa oto-motorima, za oko 15 do 20 posto manju potrošnju goriva. Ali njihove druge osobine, pre svega manja specifična snaga i veća proizvodna cena, nisu bile atraktivne za primenu u putničkim vozilima. Firme „Pežo” i „Mercedas” uvele su prve dizel motore u putnička vozila, ali bez većeg uspeha.

Pod pritiskom nove ekološke politike koja je tražila znatno smanjenje emisije CO2, odnosno potrošnje goriva, firma „Audi” je početkom 90-tih godina razvila novi dizel motor sa direktnim ubrizgavanjem, sa četiri ventila po cilindru i sa turbo punjenjem, koji je imao slične osobine kao oto motor bez turbo-punjenja, ali znatno manju potrošnju goriva i učinila ga atraktivnim i za pogon putničkih vozila.

Moderni dizelmotor sa izduvnim sistemom (Izvor: Audi)

Primer „Audija” sledili su svi proizvođači automobila u svetu i današnji svetski vozni park, koji iznosi preko 800 miliona putničkih vozila, pokreću gotovo isključivo oto- i dizel-motori, naravno sa veoma razvijenom tehnikom za smanjenje emisije štetnih gasova u izduvnoj cevi.

Pooštravanjem zakonskih propisa o kvalitetu okolnog vazduha, počela je i emisija izduvnih gasova dizel motora da predstavlja problem Proces sagorevanja u dizel motoru praćen je stvaranjem čvrstih čestica, čađi (PM – pariculate matter), za koje je ustanovljeno da imaju negativan uticaj na zdravlje čoveka. Pored toga visoke temperature ciklusa, koje dizel-motoru obezbeđuju visok stepen korisnosti, odnosno nisku potrošnju goriva, pospešuju stvaranje oksida azota (NOx) od kojih, kako se tvrdi, azot-dioksid (NO2) ima negativan uticaj na disajne organe, posebno kod starijih osoba, astmatičara i male dece.

Sto godina puta

Današnji razvoj ide u pravcu daljeg smanjenja potrošnje goriva kod benzinskih motora, uz ispunjenje zakonskih propisa o emisiji toksičnih komponenata i daljeg smanjenja emisije PM i NOx kod dizel-motora, bez pogoršanja potrošnje goriva.

Jedno od rešenja koje se nudi za potpunu eliminaciju emisije izduvnih gasova iz motorniih vozila jeste pogon preko elektro-motora. Na tom pogonu se radi već više od 100 godina.

Početkom 20. veka više automobila u svetu bilo je pogonjeno elektromotorima nego „motorima sus”. Ali brz i veliki razvoj „motora sus”, i oto- i dizel varijante, i nezadovoljavajući status skladištenja električne energije u baterijama (akumulatori) izbacili su, za dugi niz godina, električni pogon kao alternativu.

U kolikoj meri vozila
na električni pogon stvarno
smanjuju emisiju izduvnih gasova.

Današnji razvoj elektromobila i njegove šanse za primenu u masovnoj proizvodnji zavise od razvoja baterije. I pored velikog napretka na ovom polju, moderne baterije još imaju neuporedivo manji energetski kapacitet nego benzin ili dizel gorivo.

Energetski kapacitet baterija i dizel goriva

Pored kraćeg radijusa kretanja vozila sa električnim pogonom i znatno dužeg vremena punjenja baterije nego što je to potrebno za punjenje rezervoara goriva, veliki nedostatak električnih vozila danas je i visoka cena koja se plaća za 1 kW snage. Dok se kod oto- i dizel-motora ona kreće između 30 i 60 evra/kW, kod električnih vozila iznosi od 300 do 500 evra/kW.

Aktuelna vozila na električni pogon (Izvor: ADAK)

U kolikoj meri vozila na električni pogon stvarno smanjuju emisiju izduvnih gasova, zavisi od toga na koji se način dobija električna energija. Najveća količina električne energije potiče danas iz termocentrala na ugalj ili gas. Izduvni gasovi ovih centrala sadrže sve komponente koje se nalaze i u izduvnim gasovima „motora sus”: CO2, NOx, PM, HC…

Mnogi nedostaci vozila sa elektromotorom mogu da se izbegnu, a prednosti sačuvaju, putem tzv. hibridnog pogona, odnosno kombinacije „motora sus” i elektromotora. Postoje različite mogućnosti za kombinacije ovih motora i skoro svi proizvođači automobila imaju danas u svom proizvodnom programu i vozila na hibridni pogon.

Panamera Plug-in Hibrid (Izvor: Porše)

Velika očekivanja krajem prošlog veka bila su od rešenja snabdevanja električnih vozila strujom koja se dobija iz tzv. gorivnih ćelija. Ove ćelije stvaraju električnu energiju obrnutim postupkom elektrolize. Dok se kod elektrolize iz vode (H2O) uz pomoć električne struje dobija vodonik (H2) i kiseonik (O2), u gorivnoj ćeliji se spajanjem vodonika i kiseonika dobija električna struja.

Prognoze o uvođenju bile su veoma optimistične: „Dajmler” je najavljivao da će gorivne ćelija uvesti u serijsku proizvodnju 2002 godine, „Tojota” i „Honda” 2004 i sl. Današnje ne predviđaju prodor ove tehnologije u sledećih 20 do 30 godina.

Princip gorivne ćelije (Izvor: Pežo)

Pored visoke proizvodne cene gorivnih ćelija (preko 1.000 evra/kW), glavni razlog za neuspeh ovog pogona jeste nedostatak goriva. Današnje gorivne ćelije mogu da rade samo sa čistim vodonikom (H2). Svi ostali pokušaji nisu se pokazali uspešnim za pogon vozila.

Zamena za naftu

Idealno rešenje bilo bi dobijanje vodonika iz vode putem elektrolize, za šta su potrebne ogromne količine električne energije. Današnje količine vodonika za potrebe industrije dobijaju se skoro isključivo iz nafte, pri čemu se oslobađaju velike količine emisije CO2. Osim toga, nedostaje celokupna infrastruktura za distribuciju i pumpne stanice, koje uzimaju u obzir specifične osobine vodonika, posebno da difundira kroz skoro sve materijale.

Jedan od atraktivnih
puteva koje nudi priroda
jeste fotosinteza.

Stigli smo do ključnog pitanja za dalju egzistenciju motornog saobraćaja, tj. pitanje njegovog snabdevanja potrebnom energijom, odnosno gorivom. Današnji motori, oto- i dizel, troše goriva dobijena iz nafte: benzin i dizel gorivo. I ta goriva su razvijana od samog početka zajedno sa motorima, jer čisti motori zahtevaju i čista goriva.

Pre 60 godina prvi put sam čuo da su rezerve nafte na ovoj planeti ograničene i da će u sledećih 30 do 40 godina biti istrošene. Do danas se te prognoze stalano ponavljaju, i dalje tvrdi da će rezere nafte biti za sledećih 30 do 40 godina potrošene.

Razvoj i prognoze svetske potrošnje energije

Bez obzira na to s kolikom su preciznošću promašile cilj, rezerve nafte i drugih sirovina sigurno nisu beskonačne. Zato čovek mora da iskoristi naftnu eru i da pronađe druge izvore energije koje će uspešno zameniti naftu, danas najjeftiniji i najpodobniji izvor.

Jedan od atraktivnih puteva koje nudi priroda jeste fotosinteza. Od ugljen-dioksida i vodene pare u atmosferi, uz pomoć sunčeve energije, stvara se biomasa, odlična sirovina za dobijanje sintetičkih goriva i za oto i za dizel motore. Čovečanstvo se danas nalazi na početku ovog razvoja. A čovek mora da nauči da za sebe pravi energiju, kao što je u prošlosti naučio da proizvodi hranu.

Princip fotosinteze

Idealan motor budućnosti je i dalje usavršeni „motor sus” (oto i dizel) koji kao gorivo troši sintetička goriva proizvedena od biomase, gde će CO2 i H2O, nastali u procesu sagorevanja, biti ponovo upotrebljeni za stvaranje biomase u zatvorenom cirkulacionom procesu.

Zatvoren proces dobijanja i upotebe goriva iz biomase

Jer „motori sus” koriste veštinu kojom od svih živih bića na ovoj planeti jedino čovek raspolaže, a to je korišćenje vatre, odnosno procesa sagorevanja. Ona je doprinela evolucionom razvoju čoveka na putu od uspravljenog (Homo erectusa) do razumnog (Homo sapiensa).

Pronalazak vatre

O autoru

Stanko Stojiljković

Ostavite komentar