Экологически безопасное транспортное средство биоавтобус

Министерство общего и профессионального образования

Свердловской области

Орган местного самоуправления

«Управление образования города Каменска-Уральского»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 15»

Направление «Экоинженер-изобретатель»

Исполнитель:

Казанцев Денис

обучающийся 4 «Г» класса,

Казанцева Вера Александровна

Руководитель:

Гибадуллина Елена Николаевна,

учитель начальных классов

г.Каменск-Уральский

2016 г.

Введение………………………………………………………………….2

Глава I. Экологически безопасный автомобиль……………………….4

1.1. Экологически безопасный автомобиль – миф или реальность?....4

1.2. Что же такое экологичный автомобиль?..........................................5

1.3. Технология получения биогаза…………………………………….6

Глава II. Топливо для транспортных средств………………………….7

2.1. Альтернативное топливо в детской литературе…………………..7

2.2. Современное альтернативное топливо для автомобилей………...9

2.3. Возможно ли в Каменском районе строительство биогазовой

заправки?..................................................................................................11

Глава III. Проектировочная деятельность…………………………….12

3.1. Транспорт на биотопливе………………………………………….12

3.2. Внешний вид и общие характеристики биоавтобуса……………13

Заключение……………………………………………………………...15

Список литературы……………………………………………………..16

Приложения: 1 Как построить биореактор своими силами?................................17

2. Группы экологически безопасных видов автомобилей………………………..20

3. Бензину нашли замену………………………………………………………….. ..22

4. Муниципальный транспорт на биотопливе………………………………………23

5.Биогазовый заправочный пункт…………………………………………………...24

6.Экоавтобус…………………………………………………………………………..25

7. Возможности биогаза………………………………………………………………26

8.ПАО «Каменское»…………………………………………………..........................27

9. Схема получения биогаза на базе ПАО «Каменское»...........................................28

10. Развёртка автобуса………………………………………………..........................29

11.Конкурс рисунков «Машина будущего»………………………………………...30

12.Видеоматериал: «Первая в России заправка на биогазе»………………………31

Автотранспорт является одним из крупнейших загрязнителей атмосферного воздуха. «В России на его долю приходится 80% выбросов свинца, 59% - оксида углерода, 32% - оксидов азота. Имеющиеся данные свидетельствуют, что практически во всех городах наблюдаемые содержания оксида углерода определяются выбросами автотранспорта.

К числу приоритетных загрязнителей атмосферы, поступающих в городскую атмосферу с отработавшими газами автомобилей, относятся свинец, бензапирен, летучие углеводороды. На долю первого из них приходится более 50% экономического ущерба от загрязнения атмосферы автотранспортом. Содержание бензапирена, одного из сильнейших канцерогенов, в атмосфере превышает предельно-допустимые нормы. Даже в условиях экономического спада загрязнение природных сред в городах, как показывают наблюдения, не уменьшается. Это связано с особенностями автотранспорта как источника выбросов и сбросов» (1, с.24).

«Автомобили сжигают огромное количество нефтепродуктов, нанося одновременно ощутимый вред окружающей среде, главным образом атмосфере. С каждым годом количество автотранспорта растет, а, следовательно, растет содержание в атмосферном воздухе вредных веществ. Постоянный рост количества автомобилей оказывает определенное отрицательное влияние на окружающую среду и здоровье человека.

Загрязнение окружающей среды автотранспортом – одно из наиболее небезопасных для здоровья человека, потому что выхлопные газы поступают в атмосферу, где затруднено их рассеивание. (6, с.13).

«Выхлопные газы (отходящие газы) — являются продуктами окисления и неполного сгорания углеводородного топлива. Выбросы выхлопных газов - основная причина превышения допустимых концентраций токсичных веществ и канцерогенов в атмосфере крупных городов, образования смогов, являющихся частой причиной отравления в замкнутых пространствах. Наибольшую опасность представляют оксиды азота, примерно в 10 раз более опасные, чем угарный газ, образуя ядовитые кислородсодержащие соединения — составляющие смогов.» (1, с.7)

Поэтому данная экологическая проблема является одной из главных на сегодняшний день. Идет поиск новых экологически чистых видов топлива, новых видов транспорта, которые не только не будут загрязнять окружающую среду, но и не будут оказывать отрицательное влияние на здоровье человека.

Мы решили поддержать данную тенденцию и поставили перед собой цель: создание макета автобуса, работающего на экологически безопасном топливе.

Для достижения поставленной цели определили следующие задачи:

1.найти и изучить литературу по данной теме;

2. проанализировать концепцию экологичных технологий в автомобилестроении;

3.познакомиться с характеристиками общественного транспорта, с технологией изготовления биотоплива;

4.провести опыт по изучению возможности использования движущей силы газированной воды;

5.рассмотреть возможность получения биотоплива в Каменском районе;

6. предложить вниманию школьного сообщества экологически безопасное общественное транспортное средство.
Объект исследования: экологически безопасный транспорт

Предмет исследования: характеристики экологически безопасного автобуса

Продукт исследования: экологически безопасный автобус на биотопливе

Глава I

Сегодня концепция экологичных технологий в автомобилестроении развивается в трех направлениях.

Первое направление - применение в новых автомобилях электродвигателей. Электромобили - это не новое изобретение, они давно известны, но по многим параметрам уступают обычной технике, работающей на двигателях внутреннего сгорания и дизельных двигателях, прежде всего по мощности, хотя они абсолютно безопасны для окружающей среды

Второе направление - это двигатель, работающий на смеси нескольких газов выделяющий в атмосферу CO2, однако данная технология несовершенна, её воплощение стоит немалых денег, к тому же экологически безопасный автомобиль такого типа сложен в плане технического обслуживания.

Приоритетным направлением развития экологичного транспорта является создание так называемых двигателей работающих на биогазе, когда маломощный двигатель внутреннего сгорания заставляет работать генератор, который вырабатывает энергию для электромотора, приводящего в движение колеса. Или же другой вариант, когда одну ось приводит в движение обычный двигатель, а при возрастании нагрузки другая ось начинает работать за счёт электромотора.

1.2. Что же такое экологичный автомобиль?

Экологичный автомобиль это машина, работающая от системы «биотопливо - двигатель», обладает высокой экономичностью. Питаться данный агрегат может биотопливом.

Самый главный плюс экологичных автомобилей в том, что они очень экономичны и экологичны. Данные авто наносят меньше урона нашей эко-системе, чем обычные машины. Достигается это путем более рационального расхода топлива. Выбросов углекислого газа в атмосферу практически не происходит.

Биотопливо – это топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Различается жидкое биотопливо (этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (синтез-газ, биогаз, водород).

Для нашего транспортного средства в качестве биотоплива возьмем биогаз. Главным отличием биогаза от жидкого или твердого биотоплива является то, что сырьем для его производства служат отходы разного рода: остаточные непищевые части растений (стебли, листья, шелуха), древесная стружка, солома, кожура и мякоть от прессовки фруктов, навоз и т.п. Т.е. на производство биогаза уходят отходы, которые в противном случае просто разлагаются, вырабатывая вредный углекислый газ.

Биогаз еще называют «канализационным» газом. Состоит биогаз из метана и углекислого газа. Для применения в автомобилях его предварительно очищают от углекислого газа и получают биометан. По своим свойствам это аналог природного метана, разница лишь в происхождении.

1.3.Технология получения биогаза

Биогаз относят к экологически чистым видам топлива. По своим характеристикам биогаз во многом сходится с природным газом, добываемым в промышленных масштабах. Представить технологию получения биогаза можно следующим образом: в специальной емкости, называемой биореактором, происходит процесс переработки биомассы с участием бактерий в условиях безвоздушного брожения в течение определенного периода, длительность которого зависит от объема загруженного сырья. В результате происходит выделение смеси газов, состоящей на 60 % из метана, на 35 % — из углекислого газа, на 5 % — из других газообразных веществ, среди которых есть и сероводород в небольшом количестве. Получаемый газ постоянно отводится из биореактора и после очистки отправляется на использование по назначению. Переработанные отходы, ставшие высококачественными удобрениями, периодически удаляются из биореактора и вывозятся на поля. Чтобы производство биогаза наладить в домашних условиях в непрерывном режиме, надо владеть или иметь доступ к сельскохозяйственным и животноводческим предприятиям. Экономически выгодно заниматься получением биогаза только в том случае, если есть источник бесплатной поставки навоза и иных органических отходов животноводства.
Как построить биореактор своими силами?

Для начала хотелось бы обозначить, какую конструкцию можно соорудить. Схема простейшей биогазовой установки, собираемой своими силами. (Приложение 1)

Глава II

В книге Н.Носова описаны уникальные автомобили, которые не только оригинальны, как внешне, так и механически, но и являются экологически безопасными, так как работают на газированной воде, а не на бензине.

Эти автомобили очень заинтересовали нас, и мы решили проверить, можно ли использовать газированную воду для придания ускорения какому-либо телу.

Мы решили проверить, может ли газированная вода придать ускорение телу. Для этого взяли пластиковую бутылку с сильногазированным напитком «Coca-cola» и мятные конфеты ««Mentos». Сверху на бутылку мы поместили цилиндр из картона с отверстием. Затем бросили в бутылку конфету. Произошла реакция, в результате которой газированная вода вспенилась и подбросила цилиндр на большую высоту. Способствует бурному протеканию химической реакции аспартам, который входит в состав газированной воды. Аспартам — искусственный подсластитель, заменитель сахара (пищевая добавка E951). Еще одним компонентом является углекислый газ, который так же способствует описанной реакции.
Мы сделали вывод, что газировка может придать ускорение телу, а значит, может привести в движение автомобиль.

Математический расчет расхода «газированного топлива».

Чтобы определить сколько литров газированной воды необходимо, чтобы привести в движение автомобиль мы провели эксперимент (рис. 1).

Рисунок 1.

Мы установили внутрь машины бак для топлива объемом 500 мл. Залили в него напиток «Coca-Cola». Поставили автомобиль на стол рядом с линейкой. Затем бросили через специальное отверстие в корпусе автомобиля три конфеты «Mentos». Произошла реакция, в результате которой машина сдвинулась с места, проехав 9 см.

Мы взвесили автомобиль, его масса (вместе с баком и газированной водой) – 1 кг. Масса самого легкого в мире автомобиля – 460 кг.

500 – 320 = 180 мл газированной воды истратилось на прохождение автомобилем 9 см пути.

180 : 9 = 20 мл газированной воды тратится на 1 см пути.

460 : 1 = 460 раз настоящий автомобиль (самый легкий) тяжелее, чем наша модель.

460 * 20 = 9200 мл газированной воды потратится на то, чтобы настоящий автомобиль проехал 1 см. Если мы хотим, чтобы он проехал хотя бы 100 см, то нам понадобится 920000 мл газированной воды или 920 л.

Если 1 л Coca-Cola в среднем стоит 60 рублей, то, значит, 920 * 60 = 55200 рублей.

В последнее время большое применение в качестве альтернативных источников топлива находит биогаз. Интерес к биогазу как альтернативному топливу возник благодаря экологически чистому процессу его сжигания и возможности получения биогаза в местных условиях. Биогаз обладает теми же характеристиками, что и природный газ. Поэтому его можно свободно применять в автомобилях, двигатель которых приспособлен под природный газ. (Приложение 7)

Биогаз – представляет собой продукты брожения отходов биологической деятельности человека и животных. Применение биогаза в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания осуществляется путем использования серийно выпускаемой топливной аппаратуры для природного газа с коррекцией соотношения «топливо-воздух». Предлагаемая система в сравнении с газовым двигателем позволяет снизить выбросы оксидов азота на 25% и оксида 15%.углерода – на 20%, а также улучшить топливную экономичность на 12 %.

Биогаз в двигателе горит медленнее, чем бензин. За счет этого немного снижается динамика разгона и наблюдается потеря мощности двигателя. Потеря мощности напрямую зависит от степени сжатия рабочего объема двигателя и от алгоритма зажигания. Чем выше степень сжатия, тем меньше потери мощности (двигатели, рассчитанные под 95 бензин, крайне благодарно относятся к биогазу и выдают до 98% мощности, развиваемой на бензине). А что касается зажигания, то корректировка под биогаз поможет максимизировать КПД. Поэтому для воспламенения биовоздушной смеси требуется более высокая температура, чем при воспламенении бензовоздушной смеси. С учетом выше изложенного делаем выводы, что для устойчивого воспламенения биовоздушных смесей необходимо увеличить степень сжатия или же требуется увеличить энергию искры зажигания. Например, этого можно добиться путем применения механизма форсуночного зажигания или расточкой головки цилиндра. Возможно, что в процессе воспламенения затруднено возгорание большого объема горючей смеси из-за невысокого разряда электрических свечей. Предлагаемый механизм форсуночного зажигания приведет к увеличению температуры зажигания и тем самым ускорит процесса воспламенения топлива. Биогаз лучше смешивается с воздухом, при этом двигатель работает тише и мягче, на деталях практически не образуется нагар и копоть.

Биогаз значительно чище по своему составу, чем бензин. Он не засоряет масло, поэтому его нужно менять значительно реже. Улучшается работа системы зажигания, срок службы свечей возрастает на 40%. Как следствие, улучшаются условия смазки трущейся пары цилиндр – поршневых колец, поскольку несгоревший бензин смывает масло со стенок цилиндров. Уменьшается нагарообразование в камере сгорания головки блока цилиндров и на поршнях, поскольку сокращается количество углеродистых осадков. Заметно снижается суммарная токсичность отработавших газов. При правильно выбранном режиме работы на газовом топливе уровень создаваемого двигателем шума снижается, да и сам двигатель начинает работать мягче. (Приложение 3)
2.3.Возможно ли в Каменском районе строительство биогазовой заправки?

Биоэнергетические установки выгодно строить сельскохозяйственным предприятиям: свинофермам, фермам КРС, птицефабрикам, растениеводческим хозяйствам. ПАО «Каменское»  входит в тройку крупнейших сельскохозяйственных комплексов Свердловской области, а в Каменском районе является безусловным лидером среди агрохозяйств. В данном комплексе содержатся 7036 голов крупного рогатого скота и 5300 голов свиней. Одно животное крупного рогатого скота может дать за сутки столько навоза, сколько хватит на выработку полутора кубических метров биогаза. Свинья весом в 80-100 килограммов даст сырья на выработку 0,2 кубических метра. То есть ПАО «Каменское» за сутки может выработать 7036*1,5 + 5300*0,2 = 11614 кубических метров биогаза. 1 литр равен 0,001 кубических метра. Значит 11614 куб.метра = 11 614 000 литров. При учете среднего объема баллона 97 литров выработки биогаза ПАО «Каменское» за сутки хватит на 119 731 баллон. (Приложение 5)

Глава III

Все экологичные автомобили можно разделить на следующие группы:

1. 
   Электромобиль;
   
2. 
   Гибридный автомобиль;
   
3. 
   Автомобиль, работающий на природном газе;
   
4. 
   Электромобиль на солнечных батареях;
   
5. 
   Автомобиль с гибким выбором топлива;
   
6. 
   Автомобиль на топливных элементах;
   
7. 
   Воздухомобиль.
   

Мы предлагаем к рассмотрению новый вариант экологичного транспорта. Это автомобиль (а в нашем случае автобус), работающий на биотопливе – биогазе. Почему же мы остановились именно на этом варианте? Городской автобус на биогазе – это надежная и экономичная альтернатива современному общественному транспорту. Перевод общественного транспорта на биотопливо позволит снизить стоимость проезда. А использование таких автобусов помогает эффективнее бороться с загрязнением городского воздуха и улучшит экологическую обстановку в городе.

Так как мы создаем общественный транспорт, то длина автобуса составляет 12 метров. В колпаке на крыше находятся 8 баллонов с биогазом средней емкостью 97 литров. Общий объём биогаза составит 776 литров, что обеспечивает эксплуатацию городских автобусов на обычных дистанциях и соответствие стандарту на выбросы ГОСТ Р 54942-2012 и ГОСТ 37.001.054-81. При среднем учете расхода биотоплива 50 литров на 100 км запаса топлива хватит на 1600 километров. (Приложение 6)

Это делает автобус комфортным, безопасным и удобным для перевозки всех категорий пассажиров.

Технические характеристики

Агрегатные характеристики

Большие, индустриально развитые города с промышленными районами как Каменск-Уральский, с лесом заводских труб стали для миллионов людей естественной средой обитания. «Плоды научно-технического прогресса ежедневно выбрасывают в атмосферу по всему миру многочисленные тонны ядовитых газов, паров, продуктов сгорания химических веществ, собранных со всей таблицы Менделеева». (3, с.43)

Выхлопные газы являются побочным продуктом работы различных двигателей транспортных средств, использующих углеводородное топливо. Их образование является одной из самых важных проблем экологического состояния города.

Вместе с выхлопными газами в атмосферу попадает огромное количество токсинов и канцерогенов. По данным экологов, «почти 90% загрязнения воздуха в городах происходит по причине выброса в него выхлопов автомобильного транспорта» (6, с.21).

Экологическая проблема загрязнения воздуха выхлопными газами, очень актуальна. Поэтому мы решили поискать новый вид возможного топлива и нашли его. Это биотопливо – биогаз для экологически безопасных автобомилей, просчитали возможности использования отходов ПАО «Каменское» и считаем целесообразным строительство биогазовой заправки с использованием сырья этого общества.

Городской автобус на биогазе – это надежная и экономичная альтернатива современному общественному транспорту. Перевод общественного транспорта на биотопливо позволит снизить стоимость проезда. А использование таких автобусов поможет эффективнее бороться с загрязнением городского воздуха и улучшит экологическую обстановку в городе. Кроме того, изобретённый нами городской автобус будет иметь систему книлинга (механический откидной пандус и оборудованные места для перевозки лиц с ограниченными возможностями, и детских колясок). В салоне предусмотрена спинка, на которую инвалид-колясочник опирается и к которой пристёгивается специальным ремнём безопасности, а также 4 приоритетных места для людей с ограниченными двигательными способностями.

Это делает автобус комфортным, безопасным и удобным для перевозки всех категорий пассажиров.

Список литературы

2.Детская литература // под ред. Е.Е. Зубаревой - М., 1985 г.

3.Ливчак И.Ф., Воронов Ю.В. Охрана окружающей среды.- М.: Стройиздат, 1988 г.

4.Николайкин Н.И. Экология. -3-е изд., стер. –М.:,Дрофа,2004 г.

5.Носов. Н.Н. Приключения Незнайки и его друзей. – М.: Детизд, 1995 г.

6.Прохоров Б.Б. Экология века. - М.: Академия. 2003 г.

1. 
   http://www.saveplanet.su
   
2. 
   http://econet.ru/
   
3. 
   http://rea.org.ua
   
4. 
   https://yandex.ru
   
   

1. Электромобиль - автомобиль, приводимый в движение одним или несколькими электродвигателями, а не двигателем внутреннего сгорания. Электромобиль следует отличать от автомобилей с ДВС и электрической передачей и от троллейбусов. Подвидами электромобиля считаются электрокар (грузовое транспортное средство для движения на закрытых территориях) и электробус (автобус с аккумуляторной тягой).

2. Гибридный автомоби́ль – высокоэкономичный автомобиль, движимый системой «электродвигатель - двигатель внутреннего сгорания» (далее двигатель), питаемой как горючим, так и зарядом электрического аккумулятора. Главное преимущество гибридного автомобиля – снижение расхода топлива и вредных выхлопов. Это достигается полным автоматическим управлением режима работы системы двигателей с помощью бортового компьютера, начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью продолжения движения без его запуска, исключительно на энергии аккумуляторной батареи, и заканчивая более сложным механизмом - использования электродвигателя как генератора электрического тока для пополнения заряда аккумуляторов.

3. Автомобиль на природном газе. Газобаллонное оборудование автомобиля - топливная система двигателя внутреннего сгорания, модифицированная для использования им в качестве топлива сжатого природного газа или сжиженных углеводородных газов.

4. Экспериментальный вариант электромобиля, который использует энергию солнечного света, собираемую и преобразуемую в электричество батареей фотоэлементов.

5. Автомобиль с гибким выбором топлива — может ездить как на бензине, так и на смеси бензина с этанолом, причём в гибких пропорциях (от 5 % до 95 %). Автомобиль имеет один топливный бак, адаптированность к разному составу топлива достигается за счёт оригинальной конструкции двигателя или за счёт конструктивной модификации обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания.

7. Воздухомобиль. - автомобиль, использующий для движения сжатый воздух. Пневматические автомобили используют модифицированный вариант обычного четырехтактного мотора. Пневматические двигатели также позволяют использовать преимущества электродвигателей - системы рекуперативного торможения: в пневматических гибридах при торможении за счет использования двигателя в качестве воздушного компрессора, воздух сжимается и им заправляется резервуар.

Осенью этого года в Кыргызстане появится государственная программа, заменяющая бензин на биоэтанол. Об этом сегодня, 15 июня, сообщили представители межведомственной группы, разрабатывающей данный проект.

Вырабатывать биотопливо будут из корнеплодов топинамбура. Специалисты подсчитали, что средняя цена одного литра биоэтанола составит 15-20 сомов. При этом в переработке используются лишь корнеплоды топинамбура, а его зеленая масса пригодна в качестве кормовой культуры в животноводстве. Известно, что для выращивания топинамбура в необходимом для обеспечения нужд кыргызстанцев количестве достаточно 12 тысяч гектаров земель.

«Для стран, не имеющих запасов нефти, биоэтанол решит проблему высоких цен на горюче-смазочные материалы благодаря низкой себестоимости производства. Отдельные посевные площади для топинамбура создадут рабочие места и дадут дополнительную возможность для развития сельского хозяйства», - считает Бактыбек Шамкеев, директор Общественного Фонда «RDC-элет».

Существует два способа использования биоэтанола в качестве топлива. Первый вариант -«Е15», где соотношение биоэтанола и бензина 15% на 85%, и не требует модификации двигателя автомобиля. При варианте «Е85» на долю бензина приходится всего 15%, и двигатель будет необходимо модифицировать. Это обойдется владельцам автомобилей в 150 долларов.

Как сообщил председатель Национального Центра развития горных районов КР Асылбек Айдаралиев, биоэтанол - это не только дешевая, но и экологически чистая, не токсичная альтернатива бензину.

«Нашу программу уже поддержала Ассоциация нефтетрейдеров Кыргызстана. В настоящее время мы ждем финансовой поддержки от Всемирного банка», - отметил эксперт.

Для справки: Топинамбур - вид клубненосных растений из рода «Подсолнечник». По химическому составу клубни топинамбура сродни картофелю. По питательности они превосходят многие овощи и в два раза ценнее кормовой свеклы. Ценность представляют корневища топинамбура, которые идут в пищу людям, в корм скоту, на техническую переработку.

 Дата:  19.02.2016

Приложение 4

В американском городе муниципальный транспорт переведут на биотопливо

Муниципальный транспорт в городе Grand Junction, штата Колорадо, переводят на биотопливо. Для заправки автомобилей будет использован биогаз, который производится из городских сточных вод.

В американском городе муниципальный транспорт переведут на биотопливо
Идея использования отходов жизнедеятельности в качестве основы для производства экологически чистого топлива уже не новая, но власти города отмечают, что Grand Junction будет первым городом, где биогаз сможет использоваться в муниципальном автопарке. В настоящее время на биотопливо уже перешли 40 единиц городского автотранспорта, включая мусоровозы, самосвалы, подметальные машины и транзитные автобусы.

Многие города применяют анаэробное сбраживание для утилизации отходов. В процессе сбраживания образуется биогаз, который затем сжигают в печах, что позволит сократить уровень выброса в атмосферу метана. Последний является одной из главных причин возникновения парникового эффекта на планете. Однако биогаз можно усовершенствовать, преобразовав его в биометан - топливо, которое подойдет для самого различного использования. По предварительным подсчетам, переход муниципального транспорта на очищенный от CO2 биогаз сможет сократить вредные выбросы в атмосферу на 80%.

Эко-автобус, работающий на биометане, недавно превысил рекорды скорости - британские инженеры усовершенствовали Bus Hound, благодаря чему он смог развить скорость до 123,5 км в час.

 Дата:  19.02.2016