Использования спиртов в качестве топлива

В будущем диметилэфир можно рассматривать только в качестве продукта, имеющего ограниченные возможности, так как производство сжиженного природного газа характеризуется более значительной экономией за счет масштабов производства, более низким уровнем капитальных затрат и более высокой эффективностью процесса производства.

4. Шахтный метан

В последнее время к  числу альтернативных видов автомобильных  топлив стали относить и шахтный  метан, добываемый из угольных пород. Так, к 1990 г. в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в  качестве моторного топлива для  рейсовых автобусов в угольных регионах страны. Содержание метана в шахтном  газе колеблется от 1 до 98%. В США добыча угольного метана из специальных  скважин возросла от 1 млрд. до 40 млрд. м3 и в будущем еще удвоится. Прогнозируется, что газовая добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135 млрд. м3. Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют, по различным источникам, 48-65 трлн. м3.

5. Этанол и метанол

Этанол (питьевой спирт), обладающий высоким октановым числом и энергетической ценностью, добывается из отходов древесины  и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов и особо популярен  в теплых странах. Так, Бразилия после  своего нефтяного кризиса 1973 г. активно  использует этанол - в стране более 7 млн. автомобилей заправляются этанолом и еще 9 млн. - его смесью с бензином (газохолом). США является вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. Этанол используется как “чистое” топливо в 21 штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и применяется более чем в 100 млн. двигателей. Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. Всплеск интереса к его использованию в качестве моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами.

Метанол как моторное топливо  имеет высокое октановое число  и низкую пожароопасность. Данные обстоятельства обеспечивают его широкое применение на гоночных автомобилях. Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира, который в настоящее время замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые

6. Электрическая энергия

Заслуживает внимания применение электроэнергии в качестве энергоносителя для электромобилей. Кардинально  решается вопрос, связанный с токсичностью отработанных газов, появляется возможность  использования нефти для получения  химических веществ и соединений. К недостаткам электроэнергии как  вида электроносителя можно отнести: ограниченный запас хода электромобиля, увеличенные эксплуатационные расходы, высокая первичная стоимость, высокая стоимость энергоемких аккумуляторных батарей.

7. Топливные элементы

Топливные элементы - это  устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного  средства, - в процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и  электрический ток. В качестве водородосодержащего  топлива, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол. В  этом направлении работает достаточно много зарубежных автомобильных  фирм, и если им в итоге удастся  приблизить стоимость автомобилей  на топливных элементах к бензиновым, то это станет реальной альтернативой  традиционным нефтяным топливам в странах, импортирующих нефть. В настоящее  время стоимость зарубежного  экспериментального легкового автомобиля с топливными элементами составляет порядка 1 млн. долл. США. Кроме того, к недостаткам применения топливных элементов следует отнести повышенную взрывоопасность водорода и необходимость выполнения специальных условий его хранения, а также высокую себестоимость получения водорода.

8. Биодизельное топливо

В последние годы в странах  ЕС возрос коммерческий интерес к  биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из рапса (возможно также производство из отработанного растительного масла). В Австрии такое топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют 20 тыс. т/год; в Италии - 60 тыс. т/год. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях. Применение биодизельного топлива связано, в первую очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25-50%), улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизелей (города, реки, леса, открытые разработки угля (руды), помещения парников и т.п.) - cодержание серы в биодизельном топливе составляет 0,02%.

9. Воздух

Во Франции уже начато производство автомобиля, в качестве топлива для которого будет использоваться сжатый воздух. Принцип работы мотора машины очень похож на принцип  работы двигателя внутреннего сгорания. Только в двух цилиндрах воздух-кара не бензин “встречается” с искрой, а холодный воздух с теплым. По предварительным данным, автомобиль будет стоить порядка 13 тыс. евро. Запас хода - 200 км.

10. Биогаз

Представляет собой смесь  метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного  происхождения. Биогаз относится к  топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для  его производства достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических  и других факторов.

Биогаз как альтернативный энергоноситель может служить высококалорийным топливом. Предназначен для улучшения технико-эксплуатационных и экологических показателей работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и стационарных энергоустановок. Биогаз, представляющий собой продукты брожения отходов биологической деятельности человека и животных, содержит приблизительно 68% СН4, 2% Н2 и до 30% СО2. После отмывки от углекислоты этот газ является достаточно однородным топливом, содержащим до 80% метана с теплотворной способностью более 25 МДж/м3. Применение биогаза в качестве топлива для ДВС 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%ё углерода - на 20%, а также улучшить топливную экономичность на 12. Некоторое снижение эффективной мощности, вызванное присутствием балластных компонентов, практически полностью компенсируется за счет высоких антидетонационных качеств биогаза путем соответствующего повышения степени сжатия. Присутствие небольшого количества водорода в биогазе положительно сказывается на качестве протекания рабочего процесса ДВС и не вызывает характерных для водородных двигателей преждевременного воспламенения рабочей смеси и так называемой обратной вспышки.

11. Отработанное масло

В настоящее время на ряде предприятий различных стран  мира весьма эффективно работают установки, преобразующие отработанное масло (моторное, трансмиссионное, гидравлическое, индустриальное, трансформаторное, синтетическое и т. д.) в состояние, которое позволяет полностью использовать его в качестве дизельного или печного топлива. Установка подмешивает высокоочищенные (в установке) масла в соответствующее топливо, в точно заданной пропорции, с образованием навсегда стабильной, неразделяемой топливной смеси. Полученная смесь имеет более высокие параметры по чистоте, обезвоживанию и теплотворной способности, чем дизельное топливо до его модификации в установке.

Например, в России практически  отсутствует сырьевая база для получения  этанола и биодизельного топлива (необходимо отметить, что наиболее эффективными продуцентами для их топлив являются представители тропической и субтропической флоры). С другой стороны, использование LPG, учитывая огромные запасы газа в нашей стране, крайне актуально. Из всех видов моторных топлив, получаемых из местного сырья, только биогаз, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств, представляет серьезный практический интерес для России. Кроме того, шахтный метан уже в настоящее время может рассматриваться как перспективный источник альтернативного моторного топлива для угольных регионов нашей страны.

Однако без должного развития инфраструктуры и поддержания экономически обоснованного спроса ни один из видов  альтернативного топлива не может  рассматриваться как полноценная  замена бензина и дизельного топлива. Эффект от использования установок  по производству биодизельного топлива, синтетического бензина, по преобразованию отработанного масла и т.п. вне рамок реализации масштабной государственной программы может носить лишь исключительно локальный характер. В связи с этим остается только надеяться, что часть тех огромных финансовых ресурсов, которые столь внушительными темпами аккумулируются в настоящее время государством и нефтяными компаниями при реализации нефти и нефтепродуктов пойдет на своевременную разработку и внедрение высокоэффективных энергосберегающих технологий. Энергириродный альтернативный

12. Водород как альтернативное топливо

Водород является эффективным  аккумулятором энергии. Применение водорода в качестве топлива возможно в разнообразных условиях, что  может дать существенный вклад в  мировую энергетику, когда ресурсы  ископаемого топлива будут близки к полному истощению. По сравнению  с бензином и дизельным топливом водород более эффективен и меньше загрязняет окружающую среду. Взрывоопасность  водорода резко снижается с применением  специальных присадок (например, добавка 1% пропилена делает Н2 безопасным).

Еще одно направление использования  водорода - применение в аккумуляторных батареях электромобилей. Лидерство  в этой области принадлежит японским фирмам, которые разработали эффективные  водородные электроды, используемые в  топливных элементах.

Однако во всех методах  использования водородного топлива  основная проблема – хранение водорода. Известны три основных способа хранения:

• сжатый газ;
• сжиженный газ;
• металлогидридный способ.

Рассмотрим хранение водорода под давлением. Так, в модели “Мазда RX8HRE” давление сжатого водорода 350 атм. (обычное давление в баллоне 140 атм.). Минимальная работа

А=RTlnP,

необходимая для изотермического  сжатия от давления в 1 атм. до 350 атм., составляет при 298 К – 14,5 кДж (от 1 до 140 атм. А ≈ 12,2 кДж). Так как к.п.д. компессора ограничен,  эта работа составит 20 кДж. Тепловая энергия, по крайней мере, в 2,5 раза больше механической, таким образом, получается почти 50кДж. Это заметная доля потенциальной теплоты сгорания водорода.

Сжижение водорода требует  затраты энергии 29,2 кДж/моль. Соответствующая  тепловая энергия, по крайней мере, в 2,5 раза больше и составляет около 73 кДж/моль. Теплота полного сгорания одного моля водорода составляет 290 кДж/моль, т.е. в четыре раза больше затрачиваемой  энергии. Использование в програме БМВ “Чистая энергия” жидкого водорода (- 253 ○С) приводит к большим потерям. Так, 170 л. жидкого водорода стравливаются за три дня.

Использование жидкого водорода и водорода под давлением довольно неэффективно. Третий способ хранения водорода – металлогидридный, наиболее перспективный. Гидриды металлов служат источником водорода, который получается за счет химической реакции или термического разложения. Обратимое гидрирование системы Pd-H было исследовано Т.Грэмом более 100 лет назад. В настоящее время исследовано большое количество систем Ме-Н, которые поглощают большое количество водорода, а затем при изменении условий возвращают его обратно. Большая часть газа выделяется при постоянном давлении. Если механизмом хранения было бы растворение газа в металле или сплаве, то давление водорода менялось по закону Сивертса (Р=к(Н/Ме)2 – частному случаю закона Генри при диссоциации растворенного газа ). Подобная реакция имеет место на начальном этапе, в дальнейшем процесс контролируется не явлением растворимости, а химической реакцией.

Транспортные средства, использующие водород, выигрывают по сравнению с  бензиновым транспортом. При этом водородные прототипы конкурентны с действующими электромобилями. Энергетическая плотность самых примитивных батарей составляет около 25 Вт ч / кг. Энергетическая плотность гидридов (например, TiFe ) составляет 500Вт ч / кг (при сжигании водорода до водяного пара). С учетом массы контейнера для хранения гидрида, к.п.д. сгорания водорода  в 2 раза превышает энергетическую плотность батареи.

Водород может найти применение в качестве автомобильного топлива  в зависимости от многих экологических  и экономических факторов, в первую очередь от истощения природных  ресурсов. Это весьма актуально и  для Украины в плане диверсификации источников энергии и укрепления энергетической  независимости страны.  Поэтому усовершенствование автомобильных  гидридных систем (как наиболее перспективных), без сомнения, является важной научно-технической задачей.  

13. Спирты

Среди альтернативных видов  топлива в первую очередь следует  отметить спирты, в частности метанол  и этанол, которые можно применять  не только как добавку к бензину, но и в чистом виде. Их главные  достоинства - высокая детонационная  стойкость и хороший КПД рабочего процесса, недостаток - пониженная теплотворная способность, что уменьшает пробег между заправками и увеличивает  расход топлива в 1,5-2 раза по сравнению  с бензином. Кроме того, из-за плохой испаряемости метанола и этанола  затруднён запуск двигателя.