Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания

2.4 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 за период с 1988 по 2000 гг. добыча угольного метана из специальных скважин возросла от 1 млрд до 40 мрлд 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.

2.5 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.

2.6 Синтетический бензин

Сырьем для  его производства могут быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается  синтезирование бензина из природного газа. Из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России, производство синтетических моторных топлив из природного газа освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии на установке фирмы “Мобил” из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторных топлив. Однако в настоящее время синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных. В то же время разработки по получению синтетического бензина из угля достаточно активно ведутся в настоящее время в Англии.

2.7 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.

2.8 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.

2.9 Биодизельное топливо

В последние годы в США, Канаде и 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%.

В Европе биодизельное топливо применяется по двум принципиальным схемам: “немецкой” и “французской”.В  настоящее время в Германии действует  около 12 централизованных и 80 децентрализованных заводов по производству рапсового  масла, а топливо “Biodiesel” выпускает  восемь немецких фирм. “Французская”  схема предусматривает централизованное производство diestera на мощных установках (5-10 тыс. т в год).

2.10 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.

2.11 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 соотно-шения “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 экономич-ность 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.

2.12 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.

2.13 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).

Использование водорода в  качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания начинается с 70-х годов прошлого века. В 1974 году появились автомобили, работающие исключительно  на водороде. Пионерами в этой области  были «Биллингз энеджи» (США) и «Даймлер-Бенц» (ФРГ). В 1979 году компания БМВ (ФРГ) в  рамках программы «Чистая энергия» выпустила седьмую модель, которая  также в качестве топлива использовала чистый водород. Длина пробега на одной заправке менялась от 120 км. (автобус  «Биллингз» на базе «Доджа») до 300 км. (БМВ  на базе седьмой модели).

В конце века каждая автомобильная  компания имеет концепт-кар, который  работает на водороде. Однако некоторые  фирмы предлагают комбинированные  решения. Так, «Мазда» предлагает автомобиль ( модель RX8HRE ), который имеет возможность чередовать топливо ( водород и бензин). Другие автопроизводители совмещают эти виды топлива. В США выпускают седельные тягачи, в двигателях которых используется смесь дизельного и водородного топлива. Это позволяет увеличить мощность двигателя, экологическую чистоту и уменьшить расход топлива. Система осуществляет электролиз воды, собирает водород и направляет его в камеру сгорания, обеспечивая более высокую эффективность сгорания топлива.

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.