Альтернативные виды топлива. Перспективы развития

Министерство образования Российской Федерации

Пермский государственный технический университет

Кафедра “Автомобили и автомобильное хозяйство”

РЕФЕРАТ

По курсу: экология автомобильного транспорта

Тема: Альтернативные виды топлива. Перспективы развития.

Выполнил студент гр. А 02 – 1 Белоглазов А. В.

Проверил Коновалов И. А.

Пермь 2006

Содержание

1. Постановка проблемы……………………………………………………………………… 3

2. Виды и специфика применяемых топлив……………………………………………. 5

3. …………………………………………………………………… Альтернативные топлива 8

4. …………………………………………………………………………. Прогнозы, ожидания 19

5. Библиографический список…………………………………………………………….. 20

Постановка проблемы

Основным источником загрязнения атмосферы в России являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания. Согласно данным Минздрава РФ на долю автотранспорта в ряде регионов России приходится 70-87% от общего объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Главной причиной низкого уровня продолжительности жизни в России является отвратительный воздух и “отвратителем” его в последнее время считается не заводы, а автотранспорт. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеродов. В результате по России от автотранспорта за год в атмосферу поступает: 27 тыс. т бензола, 17,5 тыс. т формальдегида, 1,5т бенз(а)пирена и 5 тыс. т свинца. Общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобилями, превышает 20 млн. т. Необходимо отметить, что относительно наносимого экологического ущерба автотранспорт лидирует во всех видах негативного воздействия: загрязнение воздуха – 95%, шум – 49,5%, воздействие на климат – 68%. По данным Минтранса в России ежегодный ущерб от негативного воздействия на окружающую среду в результате эксплуатации автотранспорта составляет 45 млрд. дол. Существует федеральная целевая программа “Модернизация транспортной системы России (2002-2010гг.)” с подпрограммой “Автотранспортная экология России”, предусматривающая ужесточение экологических норм при производстве и эксплуатации автомобильного транспорта в России. Бесспорно, что для решения проблемы автотранспортной экологии необходимы новые технологии и разработки, направленные на повышение уровня технического состояния автомобилей. На российском рынке представлены эффективные технологии, повышающие экологичность и экономичность автотранспорта. Однако не работает “звено”, которое должно качественно доводить информацию до автотранспортных предприятий, налаживать обратную связь и обмен информацией с предприятиями автотранспортного комплекса, пытаться совместно внедрить ту или иную инновацию. Удручает то, что экология год от года ухудшается, а конкретные меры по ее улучшению отвергаются. С середины 90-х годов автотранспортные предприятия не заинтересованы в улучшении автотранспортной экологии, они предпочитают вкладывать деньги в жилищное строительство или на покупку европейских автомобилей.

Одним из путей экологизации автомобильного транспорта является перевод его на альтернативные виды топлива. Под собирательным термином “альтернативные топлива” понимаются, в принципе, все вещества, спо­собные гореть, которые с большим или меньшим ус­пехом могут быть использованы вместо классических топлив из нефти и углей в двигателях внутреннего сгорания или в энергетических установках. Первона­чально основным назначением альтернативных топлив считалась замена ими топлив из традиционного неф­тяного сырья, ресурсы которого ограничены.

Об исчерпаемости запасов нефти и необходимости перехода на другие виды топлива ученые задумыва­лись уже давно. Нефтя­ное изобилие действовало расслабляющим образом, и к альтернативным топливам обращались только в крайнем случае, главным образом, те страны, кото­рые были обделены нефтяными ресурсами. Наиболее перспективными для применения в двигателях внут­реннего сгорания были признаны продукты ожиже­ния углей, горючие газы и жидкие продукты их пе­реработки, спирты, а также растительные масла. Особое место в этом перечне заслуживает водород как наиболее энергоемкий и экологически чистый носитель энергии.

Использование ненефтяного сырья не только рас­ширяет ресурсы топлив, но часто позволяет улучшить их экологические характеристики. Сегодня проблема экологичности топлива приобрела самостоятельное значение в связи с ужесточением экологических тре­бований, предъявляемых как к самим топливам, так и к продуктам их сгорания. Эти требования указаны в ряде международных документов, на которые ориен­тируется и Россия. В нашей стране введены в дейст­вие ГОСТ Р.51866 на автомобильные бензины и ТУ 38.401-58-296-2001 на дизельные топлива, которые соответствуют европейским нормалям EN-228 и EN-590. Будучи членом Женевского соглашения, Рос­сия с 1999 г. применяет правила ЕЭК ООН при сер­тификации транспортных средств. В табл. 1 и 2 при­ведены экологические нормы, которым должны удов­летворять современные автомобильные топлива. Что касается продуктов сгорания, то на них также вводятся нормы (табл. 3), выполнение которых дости­гается как совершенствованием конструкции автомо­билей, так и улучшением состава топлив.

Нормы токсичности выхлопов автомобилей для развитых европейских стран

СтандартГод введенияСодержание в выхлопе, г/(кВт*ч)
NOxCOCxHxТвердые частицы
“Евро-0”198814,411,22,5
“Евро-1”19938,04,51,10,36
“Евро-2”19967,04,01,10,15
“Евро-3”19995,02,00,60,10
“Евро-4”20053,51,50,02
“Евро-5”20082,01,50,02

Виды и специфика применяемых топлив

Основные экологические требования к топливам сводятся к следующему:

-отказ от соединений свинца при производстве автомобильных бензинов;

-строгое ограничение содержания бензола в ав­томобильных бензинах;

-ограничение содержания ароматических углеводородов, особенно полициклических, в бензинах и дизельных топливах;

-ограничение содержания олефиновых углеводо­родов в автомобильных бензинах;

-ограничение содержания серы в бензинах и ди­зельных топливах вплоть до тысячных долей процента;

-постепенное ограничение эмиссии продуктов неполного сгорания: монооксида углерода, углеводо­родов, твердых частиц и оксидов азота.

Для того чтобы выяснить, какой вклад в решение всех этих проблем может внести применение альтер­нативных топлив, дадим их физико-хими­ческую и эксплуатационную характеристику в срав­нении с традиционными топливами (табл. 4). Представление о взаимосвязи токсичности продук­тов сгорания и параметров работы двигателя, помимо анализа данных, представленных в табл. 4, дают сле­дующие основные закономерности, справедливые при стехиометрическом составе топливной смеси:

-эмиссия СО и углеводородов возрастает с увели­чением соотношения С/Н в топливе и уменьшается с повышением температуры сгорания топливной смеси;

-эмиссия оксидов азота NOX увеличивается с по­вышением температуры сгорания топливной смеси;

-мощность двигателя и его экономичность увели­чиваются с повышением теплопроизводительности топливной смеси;

-расход топлива и, соответственно, пробег авто­мобиля при одной и той же топливной заправке уве­личивается с уменьшением теплоты сгорания топлива;

-эмиссия СО2 снижается с уменьшением соот­ношения С/Н и со снижением расхода топлива, т. е. с повышением экономичности двигателя.

Кроме того, надо учитывать различную способ­ность топлива к образованию отложений и нагаров на деталях топливной аппаратуры и камеры сгорания. Отложения нарушают нормальный режим горения и приводят к снижению экономичности работы двига­теля и увеличению токсичных выбросов продуктов неполного сгорания. Наиболее сильное влияние ока­зывают ароматические и олефиновые углеводороды, а кислородсодержащие соединения, напротив, способ­ствуют снижению отложений и нагаров.

Таким образом, при использовании спиртов и га­зообразного топлива снижаются выбросы углеводоро­дов, СО и оксидов азота, а водород в качестве топлива устраняет опасность образования СО и углеводородов, но в этом случае увеличивается эмиссия NOX. Что ка­сается расхода топлива, то при использовании спиртов он возрастает примерно вдвое, а при использовании газообразного топлива и водорода снижается. Мощностные параметры двигателя, напротив, в случае спир­тов несколько возрастают, а при работе на газообраз­ном топливе и водороде уменьшаются. Объяснение последнему следует искать в особенностях стехиометрического состава горючей смеси.

Конечно, приведенная оценка эффективности аль­тернативных топлив, в том числе их экологичности, весьма ориентировочная и требует корректировки с учетом двух обстоятельств.

Во-первых, эффективность применения того или иного вида топлива справедливо оценивать по “полному жизненному циклу”, т. е. с учетом их производства, транспортировки и т. д. Такой анализ имеется пока лишь для некоторых слу­чаев, но необходим, поскольку дает наиболее объек­тивную картину. Оказывается, что водород по это­му показателю – не самое лучшее топливо, а наибо­лее предпочтительны виды топлива из возобновляемо­го растительного сырья.

Во-вторых, следует принять во внимание то обстоя­тельство, что конструкторы двигателей стремятся наи­более полно использовать достоинства топлив и каки­ми-либо техническими решениями компенсировать их недостатки. В свете такого подхода требуется более де­тально рассмотреть каждый вид топлива. Проблема адаптации новых топлив к существующим двигателям осложняется тем, что технический парк разрабатывался в расчете на жидкие нефтяные топлива, с ориентиров­кой на них и конструировались двигатели, создавалась инфраструктура, разрабатывались соответствующие теоретические положения, накапливался определен­ный практический опыт. Поэтому сегодня прихо­дится идти на компромисс между требованиями к топ­ливу, определяемыми существующими двигателями, и возможностями топлив особой природы. Заметим, что эта точка зрения не относится к продуктам ожижения углей (искусственное жидкое топливо), поскольку тра­диционными процессами нефтепереработки они могут быть превращены в топлива, полностью соответствую­щие нефтяным аналогам. Однако в случае использова­ния других топлив, не похожих на традиционные уг­леводородные, возникают определенные требования, для соблюдения которых двигатель должен пройти небольшую модификацию, либо альтернативные топ­лива вводятся в стандартные топлива в количествах, не изменяющих их эксплуатационные свойства.

Альтернативные топлива

Газообразное топливо – единственный вид альтер­нативного топлива, для которого в России решены технические и экологические проблемы использова­ния. Основная трудность перехода автомобильно­го транспорта на газовое топливо заключается в необ­ходимости создания соответствующей инфраструкту­ры: заводов, хранилищ, заправочных станций. Прихо­дится учитывать и психологию потребителя, с преду­беждением относящегося к непривычному газообраз­ному топливу.

Сжатый природный газ, по составу представляю­щий собой преимущественно метан, может использо­ваться как моторное топливо после сравнительно не­сложной переделки двигателя и автомобиля, которая заключается в установке баллонов, рассчитанных на давление примерно 20 МПа, и внесении изменений в конструкцию системы топливоподачи. Благодаря вы­сокому значению октанового числа, природный газ является отличным топливом для двигателей, рабо­тающих по циклу Отто. Использование природного газа в дизельных двигателях затрудняется из-за его сравнительно высокой температуры самовоспламене­ния и соответственно низкого цетанового числа. Что­бы преодолеть это затруднение, используют так назы­ваемую двухтопливную систему – небольшое количе­ство дизельного топлива впрыскивается в камеру сго­рания в качестве запального заряда, а затем подается сжатый природный газ.

Вследствие более низкого содержания углерода, чем в нефтяных топливах (75% в метане против 80- 90% в бензинах), при сгорании природного газа обра­зуется меньше СО2 , например, по сравнению с бензи­нами – в 1,22 раза. По этой же причине, а также бла­годаря полному отсутствию в природном газе арома­тических углеводородов в камере сгорания отлагается меньше нагара.

Топливовоздушная смесь, приготовленная на осно­ве природного газа, не содержит жидкой фазы, а, следовательно, равномернее распределяется по цилинд­рам двигателя и не смывает с их поверхности смазку. Благодаря этому, как показали эксплуатационные ис­пытания, моторесурс двигателя и срок службы свечей зажигания увеличивается на 30-40%, а срок службы масла – в 2-3 раза.

В отличие от жидких топлив достаточно полное сгорание метана происходит при большем избытке воздуха, что способствует снижению эмиссии оксидов азота и продуктов неполного сгорания. В табл. 6 при­ведена сравнительная оценка удельных выбросов ток­сичных веществ, образующихся при работе двигателя легкового автомобиля общей массой 1,5 т при исполь­зовании различных видов топлива.

Отметим недостатки, проявляющиеся при эксплуа­тации автомобилей на сжатом природном газе.

-Уста­навливаемые на автомобиле массивные газовые балло­ны увеличивают его массу и снижают грузоподъем­ность.

-Запас хода при одной заправке сравнительно невелик, составляет около 250-300 км.

-На 7-8% уве­личивается трудоемкость обслуживания и ремонта ав­томобиля. Сниже­ние до 20% мощности двигателя, вследствие которого на 5-6% уменьшается максимальная скорость, на 24-30% увеличивается продолжительность разгона, авто­мобиль плохо преодолевает крутые подъемы. – Отмечает­ся также, что затрудняется пуск двигателя.

Сжиженный нефтяной газ на 90-95% представля­ет собой смесь пропана и бутана с примесью более тяжелых углеводородов. По обеспечиваемым мощностным и экологическим характеристикам двигателей сжиженный нефтяной газ близок к сжатому природ­ному газу. Из устанавливаемых на автомобиле балло­нов со сжиженным нефтяным газом (под давлением около 1,6 МПа) газ через испаритель дозируется в двигатель. Основные недостатки этого вида топлива: процесс испарения несколько ухудшает его пусковые свойства, для работы двигателя при низких температу­рах воздуха требуется установка специальных подогре­вателей либо пуск и прогрев двигателя производятся с использованием стандартного бензина.

Спирты имеют давнюю традицию применения в двигателях внутреннего сгорания. В настоящее время они в основном используются как топливо для гоноч­ных автомобилей, поскольку увеличивают мощность двигателя при одновременном снижении температуры в камере сгорания. Благодаря более низкой темпера­туре отработавших газов, интенсивному теплоотводу из цилиндров и более полному сгоранию, эффектив­ный КПД двигателя, работающего на спиртах, выше, чем при работе на нефтяном топливе. При использо­вании спиртов снижается эмиссия продуктов непол­ного сгорания топлив, уменьшается сажеобразование и тем самым повышается чистота деталей двигателя и топливной аппаратуры. Однако одновременно возрас­тают выбросы альдегидов, возможно увеличение эмис­сии оксидов азота.

Из спиртов преимущественное применение как топливо получили метанол и этанол. Высшие спирты могут служить в качестве стабилизирующих добавок. Метанол и этанол обладают почти вдвое более низкой теплотворной способностью по сравнению с нефтя­ными топливами, что означает удвоенный расход их для обеспечения одной и той же работы двигателя. Кроме того, спирты гигроскопичны, имеют плохие смазывающие свойства, коррозионно агрессивны (за счет окисления до соответствующих кислот), плохо совмещаются с конструкционными материалами. Не­посредственное их использование требует внесения некоторых изменений в конструкцию двигателя. Обычно низшие спирты используют в качестве доба­вок к базовому топливу с целью частичной его заме­ны. Однако допустимое количество добавляемых спиртов невелико. Так, ГОСТ Р.51866 и Всемирная топливная хартия вводят следующие количественные ограничения на добавление спиртов в автобензины: метанола – 3% (об.), этанола – 5, других спиртов – 7-10%. Введение спиртов в бензины позволяет повы­сить их октановые числа. Цетановые числа спиртов, напротив, очень низкие, и с этим связаны серьезные затруднения в применении спиртов в дизельных дви­гателях. Тем не менее к проблеме использования спиртов в качестве топлив для дизелей проявляется большой интерес.

Метанол – весьма эффективное топливо для дви­гателей с принудительным зажиганием благодаря его высокому октановому числу. Метанол может быть использован как самостоятельное топливо, так и в качестве добавки к бензину. Во всех случаях его при­менение позволяет снизить токсичность выхлопных газов двигателя. Ниже представлены данные по ток­сичным выбросам (г/цикл), полученные при испыта­нии автомобиля “Мерседес-Бенц”, работающего на бензине и метаноле по европейскому циклу:

СОУглеводороды Оксиды азота

Бензин 1406,08,0

Метанол325,50,7

Применение 100%-ного метанола ограничивается вследствие его высокой токсичности и агрессивности по отношению к конструкционным материалам. Как показали исследования смесей метанола и углеводо­родных топлив, в бензин можно вводить до 5% без­водного метанола, при этом бензометанольная смесь (БМС) остается гомогенной, если в нее не попадает влага. В бензометанольной смеси может раствориться не более 0,1% (масс.) воды, при больших ее концентрациях смесь расслаивается, причем объем воднометанольной фазы превышает объем добавленной во­ды. При охлаждении бензометанольная смесь сначала мутнеет, затем расслаивается. Поэтому существует минимальная температура, при которой эта смесь мо­жет использоваться в качестве топлива. Для предот­вращения расслаивания в бензометанольные смеси вводят в качестве стабилизаторов высшие спирты, например изобутиловый, что, впрочем, помогает мало.

Одной из особенностей метанола, ограничивающих его применение, является способность легко диффун­дировать через некоторые полимеры, что вызывает необходимость специального подбора материалов для топливопроводов.

Существуют две группы методов, предусматри­вающих частичную и полную замену нефтяного топ­лива. При частичной замене метанол подмешива­ется к топливу в количестве 10-40%. Могут быть ис­пользованы готовые метаноло-топливные эмульсии или же метанол в виде паров подается во впуск­ную линию. В последнем случае, правда, увеличива­ются выбросы СО и углеводородов. Но есть и пре­имущество – исключается проблема стабильности метанола, которая возникает при использовании метаноло-топливных смесей. Однако из-за низкой вос­пламеняемости паров метанола в него приходится вводить до 20% алкилнитратов или оснащать двига­тель свечой зажигания. В качестве добавки, повы­шающей цетановое число метанола, могут быть ис­пользованы также диметиловый и диэтиловый эфиры.

Особенности эксплуатационных свойств метанола проявляются и при его использовании в смеси с бензином. Возрастают, например, эффективный КПД двигателя и его мощность, однако топливная экономичность при этом ухудшается. По данным, полученным на одноцилиндровой установке, при е=8,6 и n=2000 мин-1 для смеси М20 (20% метанола) в области к = 1, 0-1, 3 эффективный КПД повышается примерно на 3%, мощность – на 3-4%, а расход топлива увеличивается на 8-10%.

Для холодного запуска двигателя при высоком содержании метанола в топливной смеси или пониженных температурах используют электроподогрев воздуха или топливовоздушной смеси, частичную рециркуляцию горячих отработавших газов, добавки к топливу летучих компонентов и другие меры.

Добавки метанола к бензину в целом способствуют улуч­шению токсических характеристик автомобиля. Например, в исследованиях, выполненных на группе из 14 автомобилей с пробегом от 5 до 120 тыс. км, добавка 10% метанола изменяла выброс углеводородов как в сторону повышения на 41%, так и уменьшения на 26%, что в среднем составило 1% увеличе­ния. Выбросы СО и NOx при этом уменьшились в среднем соответственно на 38 и 8% для всей группы автомобилей.

В заключение следует отметить, что метанол рассматрива­ется как перспективный источник энергии для топ­ливных элементов, обеспечивающих “нулевой выброс” для использующих их автомобилей. Предпо­лагают, что при серийном производстве топливных элементов стоимость вырабатываемой ими электро­энергии будет приемлемой для массового потребителя.

Этанол в качестве добавки к топливам более эф­фективен, чем метанол, так как он лучше растворяет­ся в углеводородах и менее гигроскопичен. Широко известно применение газохола (смесь бензина с 10- 20% этанола) в США, а также в Бразилии, распола­гающей большими ресурсами спирта, вырабатываемо­го из сахарного тростника. Вообще, этанол представ­ляет особый интерес в качестве добавки к топливу в странах, богатых растительными ресурсами, например, на Украине. В России ВНИИ НП совместно с Авто­ВАЗом проведены испытания автобензинов типа АИ-95 с 5-10% этанола. Показано, что добавка 5% этанола к бензину не ухудшает эксплуатационных характеристик двигателя и не требует предварительной регулировки карбюратора. Что касается экологичности этого топлива, то отмечается существенное снижение выбросов СО и небольшое – углеводородов, эмиссия альдегидов и оксидов азота несколько возрастает. Уве­личение концентрации этанола в бензине до 10%, приводящее к обеднению бензовоздушной смеси, ухудшает эксплуатационные характеристики автомо­биля практически при всех его режимах работы. Фа­зовая стабильность этанолотопливных смесей выше, чем метаноло-топливных, но все равно требуется их стабилизация. Наиболее эффективными стабилизато­рами являются алифатические спирты С4-C5, сивуш­ные масла, оксиэтилированные ПАВ.

Простые эфиры в качестве топлива имеют то пре­имущество перед спиртами, что они лучше растворя­ются в топливах, менее гигроскопичны и менее коррозионно агрессивны. Эфиры традиционно добавляют в автомобильные бензины. В последние годы обозначился интерес к диметоксиметану, диметиловому и диэтиловому эфирам как к компонентам дизельного топлива. В боль­шой степени это объясняется их хорошей воспламе­няемостью в двигателе и, следовательно, высокими цетановыми числами.

Диметиловый эфир может непосредственно впры­скиваться в камеру сгорания двигателя или использо­ваться в качестве добавки к сжиженному газу, метано­лу или стандартному дизельному топливу. Для опера­ции впрыскивания диметилового эфира, являющегося при обычных условиях газом, требуется специальная система топливоподачи, поскольку данный эфир об­ладает плохими смазывающими свойствами, имеет очень низкую вязкость и, подобно всем газам, легко сжимается. При использовании диметилового эфира в качестве добавки к базовому топливу пробле­ма впрыска упрощается, и одновременно решаются другие проблемы. Так, например, диметиловый эфир повышает цетановое число метанола. Как показали испытания, при работе двигателей на диметиловом эфире практически полностью отсутствует сажеобразование. Однако возрастает эмиссия оксидов азота, что требует оборудования двигателя каталитическими нейтрализаторами.

Диэтиловый эфир еще более удобен в применении и эффективен, так как он представляет собой жид­кость (хотя и низкокипящую) и его цетановое число превышает 125 (по некоторым сведениям достигает 160). Добавка 10% диэтилового эфира в дизельное топливо повышает его цетановое число в среднем на 4 ед., что позволяет отказаться от применения токсичных и взрывоопасных алкилнитратов.

Биодизельное топливо:

Как известно, биомассой принято обозначать все органические вещества как растительного, так и животного происхождения, источником которых служит ныне существующая биосфера нашей планеты. Биомасса уже давно используется в качестве сырья для производства различного вида топлива, например, горючего газа и этанола (этилового спирта). Таким сырьем служат мусор, пищевые и бытовые отходы, опилки и другие отходы лесной и лесоперерабатывающей индустрии, экскременты сельскохозяйственных животных, солома, излишки зерна и т. п. Для получения метилового эфира к девяти массовым единицам растительного масла добавляется одна массовая единица метанола (т. е. соблюдается соотношение 9:1), а также небольшое количество щелочного катализатора. Все это смешивается в специальных колоннах при температуре 500-800°С и нормальном давлении. В результате химической реакции образуется, в первую очередь, желаемый метиловый эфир, а также побочный продукт – глицерин, широко используемый в фармацевтической и лакокрасочной промышленностях. Полученный эфир отличается хорошей воспламеняемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом. Если для минерального дизтоплива цетановое число 50-52, то цетановое число биодизеля (метиловый эфир) уже 56-58. Это позволяет использовать его в дизельных двигателях без прочих стимулирующих воспламенение веществ. Благодаря такому свойству метиловый эфир, получаемый из растительных масел и жиров, и был назван биодизелем.

Помимо относительно высокого цетанового числа биотопливо имеет и ряд других полезных свойств:

Растительное происхождение. Подчеркнем, что биодизель не обладает бензоловым запахом и изготавливается из масел, сырьем для которых служат растения, улучшающие структурный и химический состав почв в системах севооборота.

Биологическая безвредность. По сравнению с минеральным маслом, 1 литр которого способен загрязнить 1 млн. л питьевой воды и привести к гибели водной флоры и фауны, биодизель, как показывают опыты, при попадании в воду не причиняет вреда ни растениям, ни животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за месяц перерабатывают 99% биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер при переводе водного транспорта на альтернативное топливо.

Меньше выбросов СО2 . При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни. Тем не менее, следует заметить, что назвать биодизель экологически чистым топливом было бы неверно. Он дает меньшее количество выбросов углекислого газа в атмосферу, чем обычное дизтопливо, но все таки это не нулевой выброс.

Относительно “чистое” топливо. В мировой практике лимитируется ряд компонентов выхлопных газов, среди них: монооксид углерода СО, несгоревшие углеводороды, окислы азота NOх и сажа. Очевидны преимущества биодизеля по показателям продуктов сгорания: монооксида углерода, углеводородов, остаточных частиц и сажи.

Малое содержание серы. Не секрет, что выбросы вредных веществ можно минимизировать при помощи катализатора – оксиката, превращающего углеводороды и окись углерода в воду и углекислый газ. Но следует отметить, что оксикат чувствителен к присутствию в горючем серы, “отравляющей” катализатор на длительное время и приводящей к увеличению выброса остаточных частиц. Поэтому здесь особенную роль играет тот фактор, что биодизель в сравнении с минеральным аналогом почти не содержит серы (< 0,001 % против минерального дизтоплива < 0,2 %).

Хорошие смазочные характеристики. Известно, что минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель же, несмотря на “обделенность” серой, характеризуется хорошими смазочными свойствами. Это обуславливается его химическим составом и содержанием в нем кислорода.

Увеличение срока службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60%.

Высокая температура воспламенения. Еще один технический показатель, интересный для организаций, хранящих и транспортирующих ГСМ: точка воспламенения. Для биодизеля ее значение превышает 100°С, что позволяет назвать биогорючее относительно безопасным веществом. Тем не менее, это не означает, что к нему можно относится с халатностью.

Ныне стоимость автомобильного биотоплива зависит от страны-производителя. Цена зависит от “калорийности” сельскохозяйственных культур, стоимости рабочей силы, эффективности процесса переработки и пр. К примеру, этанол в Бразилии стоит дешевле, чем в США: в частности, потому что бразильский сахарный тростник более удобен для производства спирта, чем американская кукуруза. Ныне технология позволяет производить 1 литр биодизельного топлива примерно из 1,2 литра соевого масла. Стоимость этого топлива ныне примерно равна стоимости бензина.

По прогнозу Международного Энергетического Агентства, к 2020 году мировое производство биотоплива, как минимум, учетверится и достигнет 120 млрд. литров в год. К 2010 году мировой автопром выпустит, как минимум, 2 млн. единиц автомобилей, способных работать на спирте и биодизельном топливе. Пока же доля “биологических” автомобилей в автопарке США незначительна, несмотря на то, что с конца 1970-х годов федеральные власти и власти некоторых штатов приняли ряд законов, устанавливающих налоговые льготы для производителей подобного топлива, механических устройств для его использования (автомобили, системы хранения и распределения и пр.) и для покупателей подобных автомобилей.

Однако перспективы у подобных автомобилей можно признать радужными. Значительные средства, вложенные в научные исследования по использованию биологического топлива, постепенно начали приносить результат. Косвенным свидетельством этого являются данные Национальной Лаборатории по Изучению Возобновляемой Энергии (National Renewable Energy Laboratory): число выданных патентов на изобретения в этой сфере в 1998 году выросло в 25 раз по сравнению с уровнем 1981 года. Кроме того, заметно изменились настроения американских потребителей, многие их них серьезно рассматривают возможность приобретения более экономичного автомобиля, в том числе такого, который не использует в качестве топлива нефтепродукты.

Водородное топливо.

В современной “нефтяной” экономике производство водорода представляет собой отдельную самостоятельную индустрию. В настоящее время 48% водорода производится из природного газа, 30% из нефти, 18% из угля, 4% посредством электролиза, то есть разложения воды на водород и кислород под действием электрического тока. Множество современных технологий получения водорода, основанных на переработке углеводородных топлив, осуществляются при высоких температурах и весьма далеки от совершенства с точки зрения охраны окружающей среды. Альтернативным методом получения водорода, не связанным с использованием ископаемых топлив, является электролиз, для реализации которого необходима лишь вода и электроэнергия. Однако поскольку электричество намного дороже, чем природный газ, то такой процесс является неэкономичным для крупномасштабного производства. Существенно улучшить экономические показатели этого процесса и сделать его конкурентным с широко применяемыми ныне технологиями переработки органического топлива помогут дальнейшие исследования в области так называемого высокотемпературного электролиза. В качестве дешевого источника электроэнергии, которая требуется для химических процессов получения водорода или высокотемпературного электролиза, может быть использована солнечная энергия. Еще одна чистая технология связана с возможным использованием в производстве водорода ядерной энергии. Наконец, в долгосрочной перспективе наиболее многообещающей технологией может оказаться прямое получение водорода в процессе фотосинтеза. Но это напрямую связано с дальнейшим развитием нанотехнологий. По сравнению с другими газами хранить водород или транспортировать его обычными методами очень дорого. Хранение газообразного водорода требует наличия больших емкостей. Повышение давления газа в емкости способствует росту плотности энергии, а следовательно, сокращению размеров этой емкости, тогда как вес ее увеличивается. Сжатие газа требует дополнительной энергии на работу компрессора. Чем выше давление, тем больше затраты энергии на сжатие. В качестве альтернативы может быть использован жидкий водород, обладающий более высокой объемной энергией. Однако жидкий водород представляет собой криогенную жидкость, которая способна существовать только при очень низких, так называемых криогенных температурах. При более высокой температуре жидкий водород превращается в пар, то есть становится газообразным. Таким образом, сжижение газообразного водорода также требует огромных энергетических затрат на его охлаждение. Более того, емкости для жидкого водорода должны быть хорошо изолированы от возможного нагревания. Если произойдет нарушение изоляции, то емкость покроется снаружи толстым слоем инея и льда, что может вызвать коррозию материала, из которого она изготовлена. Поэтому изоляция для водородных емкостей требует дорогих материалов и бережного отношения. В связи с этим трубопроводы для перекачки жидкого водорода обойдутся значительно дороже, чем, скажем, высоковольтные линии электропередачи или нефте – и газопроводы. Вместо хранения и использования чистого водорода в качестве носителей водорода можно использовать металлогидриды. Разные гидриды в разной степени обладают способностью поглощать водород и отдавать его обратно. Одни гидриды представляют собой жидкости, существующие при температурах и давлениях окружающей среды, другие представляют собой твердые тела, из которых можно делать таблетки. Гидридное хранение водорода могло бы стать одной из наиболее перспективных технологий для использования водородного топлива в автомобилях. Возможно, более дешевой и рациональной технологией, с которой можно было бы начать постепенный переход на водородное топливо и водородную экономику, является использование водорода непосредственно в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Основополагающим условием перехода на водородную экономику является замена двигателей внутреннего сгорания и турбин электрических станций на топливные элементы (ТЭ), представляющие собой инженерное воплощение новой технологии превращения химической энергии топлива в электрическую как для автомобильных, так и для энергетических нужд. Хотя топливные элементы пока еще очень дороги, активные исследования в этой области, проводимые практически во всех развитых странах, рано или поздно приведут к снижению их стоимости. Топливные элементы могут работать как на чистом водороде, так и на углеводородном топливе. Когда топливные элементы по своей стоимости станут конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания, они непременно придут им на смену. ТЭ являются более эффективными по сравнению с ДВС и не загрязняют окружающую среду. При снижении себестоимости топливные элементы могут успешно применяться в более совершенных гибридных автомобилях. Пока источником водорода служит метан (природный газ), топливные элементы в автомобилях могут работать непосредственно на запасенном в баках сжатом метане. Такая система работает более эффективно, выбрасывает в атмосферу меньше углекислого газа, и не требует особых изменений в инфраструктуре. Еще одно преимущество использования метана заключается в том, что по сравнению с водородом метан намного легче транспортировать и хранить. Поскольку технология применения метана в двигателях внутреннего сгорания уже достаточно хорошо разработана, связана с меньшим количеством выбросов и способствует увеличению срока действия двигателя, то, возможно, в самой краткосрочной перспективе в качестве автомобильного топлива будет использоваться именно сжатый метан. Технологию, основанную на использовании топливных элементов, ждет, по-видимому, более отдаленное, но, несомненно, большое будущее.

Водород считается самым экологичным видом топлива, именно водороду уделяют большое внимание многие автопроизводители. Так ли это?

Начнем с того, что для производства этого топлива необходимо затратить энергии больше, чем мы получим в результате его сгорания, и этот показатель тем выше, чем большее значение будет иметь электролиз и электроэнергия вообще. В итоге, суммарный выброс энергии при производстве и потреблении водорода будет выше, нежели сейчас, в расчете на тот же объем работы. Следовательно, тепловое загрязнение атмосферы, а возможно и гидросферы, заметно возрастет.

Вторая сторона – химическое загрязнение. В принципе, бензин – “экологически чистое” топливо: в результате его сгорания получаются вода и углекислый газ. Но вот технологически осуществимый и экономически приемлемый способ – совсем другое дело. Не получится ли то же с водородом? Быть может экономически оправданный способ производства горючего и его использования, так же будет отличаться от идеальней схемы, как и реальный процесс сгорания углеводородов в цилиндрах двигателей отличается от схемы. Правда, водород, вероятно, неисчерпаемое топливо, и над совершенствованием технологии здесь больше смысла трудиться, чем, например, над усовершенствованием ядерных реакторов. Но представляется трудноразрешимым еще один аспект проблемы: если в городах и в будущем будет применяться такое же множество двигателей и печей, как сегодня, их воздух станет поистине “мокрым”. Априори мы не можем сказать, какие процессы будет стимулировать повышенная влажности, поэтому вряд ли уже сейчас следует возлагать на водород безоговорочно радужные надежды.

Частично избежать этих неприятностей можно, если производить водород прямо на автомобиле, заменив процесс сгорания процессом производства электроэнергии в топливных ячейках. Производство водорода для топливных ячеек непосредственно на борту машины из обычного бензина – одно из направлений внедрения водородной энергетики на транспорте. Такой цикл, в теории, позволяет добиться большего КПД, чем сжигание бензина в ДВС. Массовому внедрению новых силовых агрегатов мешают не только проблемы с топливными элементами, но и большая инерционность топливных реформеров, преобразующих бензин в водород. Для этого в числе прочих вариантов используют паровое преобразование, в котором углеводороды реагирует с паром при высоких температурах в присутствии катализатора. Ранее такие установки начинали выдавать водород через 15 минут после начала разогрева, что было неприемлемо для применения в автомобилях. Теперь создали экспериментальный паровой реформер, в сердцевине которого расположены десятки тончайших каналов. Он способен выдать поток водорода уже через 12 секунд после запуска.

Металл. Ученые из штата Теннесси утверждают, что металл должен стать новым, революционным видом автомобильного топлива.

Они считают, что из порошкового железа или алюминия при определенных условиях высвобождается огромное количество энергии. Для этого нужно лишь сделать частицы размером примерно в нанометр и добавить воспламеняющий элемент. По словам исследователей, энергия от сгорающего порошкового железа в два раза превысит энергию от сгорания бензина. Металлическое “нано-топливо”, как его называют ученые, не дает выброса углекислого газа и оксидов азота, а при добавлении водорода наночастицы можно использовать даже по несколько раз.

Принцип работы здесь, грубо говоря, схож с запуском ракеты: порошковый металл используется при запуске космических Шаттлов и военных торпед. Для автомобильной промышленности здесь существует лишь одна проблема – что делать с оксидами, которые образуются при контакте металла с воздухом.

Ученые, придумавшие новый вид топлива, говорят, что его в первую очередь можно использовать для двигателей внешнего сгорания (или двигателях Стирлинга), которые сейчас делают только для грузовых автомобилей или судов. В таких двигателях топливо сжигается в форсунках (горелках), пламя которых направлено на трубки нагревателя. Горение происходит с большим избытком воздуха, вследствие чего в продуктах сгорания содержится значительно меньше токсичных веществ, чем в продуктах сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Такой двигатель может работать на любом топливе, включая ядерное.

Выводы

В заключение уделим несколько слов будущему альтернативных топлив. Их применение, за исключением углеводородных газов, уже использую­щихся на практике, – пока еще далекая перспектива. В данный момент на очереди спирты и диметиловый эфир. На 2007 год запланирована реализация на опытно-конструкторском уровне результатов их исследований как топлив, хотя более развитые в технологическом отношении страны уже готовы принять новые технологии. Так Ford обещает переделать американские АЗС на торговлю более дешевым спиртосодержащим автомобильным топливом E85, состоящим из 85% алкоголя и 15% бензина. Переоборудованием АЗС займется фирма VeraSun Corp., которая уже имеет опыт такой переделки в южных штатах США и в Швеции. Сегодня из 180,000 АЗС в США только 500 приспособлены к розливу спиртосодержащего горючего E85. Для обеспечения спроса на E85 никаких особых мероприятий на транспорте проводить не потребуется благодаря дальновидной политике Ford, который уже давно делает машины с универсальными системами питания под бензин и спирт. По данным компании, на дорогах США уже сейчас эксплуатируется как минимум 1 миллион “всеядных” автомобилей. А в будущем году Ford планирует выпустить еще 250,000 самых популярных пикапов серии F-150, которые будут ездить на бензине и на спирте. Спирт в США производится главным образом из пшеницы, а спиртосодержащее горючее E85 при нынешних ценах на нефть получается вдвое дешевле обычного бензина.

Не стоит забывать, что темпы внедрения экологических технологий на транспорте во многом обуславливаются политикой государства и являются показателем высокой технической и экологической культуры нации.

Библиографический список:

1. www. zr. ru – сайт журнала “За рулем”.

2. www. autogazeta. com – электронный автомобильный еженедельник.

3. www. bioethanol. ru – инфрмационный рекламный производителей биоэтанола.

4. www. autoreview. ru – сайт автомобильной газеты “Авторевю”

5. www. agronews. ru – сайт газеты “Крестьянские ведомости”.

6. www. trans. maximedia. ru – журнал “Транссервис”

7. Bowman. L., and E. Geiger. 1984. Optimization of fermentation conditions for alcohol production. Biotechnology and Bioengineering.


Альтернативные виды топлива. Перспективы развития