Альтернативные виды топлива

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ

«МАМИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра «Экология и Безопасность Жизнедеятельности»

Реферат по курсу «Экологическая безопасность автомобиля»

на тему «Альтернативные виды топлива»

Выполнила студентка группы 9-МИО-6

Савко Александра Павловна

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                    Преподаватель:

                                                                                              Иванов К.С.

 

 

 

 

 

Москва 2011г.

 

 

Содержание

Введение

1. Спирт как топливо

2. Метанол

3. Технология биотоплива

4. Технология газа 

4.1. Природный  газ 

4.2. Пропан- бутановая смесь 

4.3. Диметиловый  эфир 

4. Получение  водорода

5. Автомобили  на аккумуляторах

6. Японский  автомобиль с гибридным приводом

Заключение

Используемая литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

Введение

      Нефть сегодня - основной и наиболее востребованный энергоресурс. Однако ее запасы катастрофически заканчиваются, и уже понятно, что наступает закат нефтяной эры. Чем заправляться будем?

     Обеспеченность  энергоресурсами является обязательным  условием развития экономики  любой страны. На круговой диаграмме  приведено примерное соотношение  мирового потребления различных  энергоресурсов.

     Из диаграммы (рис.1) видно, что именно нефть является в настоящее время основным и наиболее востребованным энергоресурсом. Наиболее ярко выражена нефтяная зависимость транспортного комплекса.

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Соотношение мирового потребления энергоресурсов

    В настоящее время мировой автопарк составляет порядка 900 млн ед. и приблизительно на 30% состоит из грузовых автомобилей, а на 70% - из легковых и автобусов. Каждый год в мире производится 40-45 млн автомобилей, причем порядка 25 млн заменяют выводимые из эксплуатации транспортные средства, а 20 млн составляют ежегодный прирост мирового автопарка. Подсчитано, что в среднем один автомобиль потребляет 2,2 т бензина (дизтоплива) в год. Таким образом, весь мировой автопарк потребляет порядка 2-х млрд т топлива, на изготовление которого в зависимости от глубины переработки требуется от 6 до 8 млрд т нефти.

   С другой стороны, доказанные мировые запасы нефти составляют около 140 млрд т: 78% приходятся на страны ОПЕК, 6% - на страны СНГ, включая Россию, 3% - США , 1% - Норвегию. Согласно исследованиям, проведенным компанией “British Petroleum”, мировых запасов нефти хватит менее чем на 40 лет, причем прогнозы по полной выборке российской нефти колеблются в пределах 15-25 лет. Безусловно, фактическое потребление “черного золота” будет зависеть от темпов роста мировой экономики и, прежде всего, экономик США, Китая, Японии и Европы, внедрения энергосберегающих технологий и технологий, повышающих глубину переработки нефти и т.д.

    Уже сейчас абсолютно ясно, что XXI век станет закатом нефтяной эры. Снижение темпов нефтедобычи в ряде стран, включая Россию, и снижение ее рентабельности наблюдается уже сегодня. Все это является первопричиной увеличения стоимости нефтепродуктов и, как следствие, накладывает определенные ограничения на развитие экономик отдельных стран и мировой экономики в целом. Данное обстоятельство, с учетом того, что 80% механической энергии, которую использует в своей деятельности человек, вырабатывается двигателями внутреннего сгорания, заставляет уже сегодня серьезно задуматься об альтернативном источнике энергии, не нефтяного происхождения.

      В последнее время большое количество зарубежных научно-исследовательских центров моторостроительных фирм проводят исследования, направленные на экономию топлива и замену традиционных жидких углеводородных топлив новыми видами.

     Альтернативные виды топлива можно классифицировать следующим образом:

- по составу: углеводородно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры, водородные  топлива с добавками;

- по агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;

- по объемам использования: целиком, в качестве добавок;

- по источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего  газа, электроэнергии и др. Рассмотрим каждый из наиболее распространенных видов альтернативного топлива более подробно.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Спирт как топливо

     Этанол в качестве топлива для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в 1876 году применял немецкий изобретатель Николаус Отто, а в 1908 году Генри Форд предложил покупателям «жестянку Лиззи» Ford T с двигателем, работающим на этаноле, бензине или их смеси. Биоэтанол. 
   Этанол, или этиловый спирт, более известен как сырье для изготовления алкогольных напитков. Биоэтанол – это обезвоженный этиловый спирт, изготовленный из биологически возобновляемого сырья. Есть три способа получения этилового спирта: сбраживанием пищевого сырья (переработкой содержащегося в сырье сахара в спирт при помощи дрожжей), гидролизом растительного сырья и гидратацией этилена (синтетический спирт). Энергетическая ценность спирта почти в полтора раза ниже, чем у бензина.  Как получают этанол?

    Первый этап - это получение целлюлозы. Например, в древесине ее содержится до 60%, а в бумажных отходах - все 90%. Затем целлюлозу в присутствии катализатора подвергают гидролизу (или «осахариванию»), в результате которого получается техническая глюкоза. После этого глюкозу в присутствии дрожжей (обычных, как в тесте) заставляют бродить. И на выходе образуется этиловый спирт - С2Н5ОН. В качестве автомобильного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем гораздо меньше примесей (например, серы), а октановое число по исследовательскому методу достигает 125 единиц. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку - например, «девяносто второй» бензин с десятью процентами этанола становится «девяносто пятым» (схожее горючее, Е-10, используют в Таиланде). Однако теплотворная способность этанола существенно ниже «бензиновой» (21,2 кДж/л против 31,9 кДж/л) - отсюда и более высокий расход топлива. Кроме того, этанол очень гигроскопичен - при контакте с водой он «вымывается» из состава смеси, нарушая ее характеристики.  
 

 

Рис.2. Опытная станция в Орнскольдсвике, вырабатывающая этанол из древесины

    Опытная станция в Орнскольдсвике (рис.2) вырабатывает этанол из древесины. Опилки из контейнеров (1) поступают в автоклав (2), где подогреваются паром, и оказываются в реакторе (3). В нем опилки «осахариваются», разлагаясь на техническую глюкозу и лигнин. Затем в баке (4) в процессе детоксификации глюкоза лишается примесей и отправляется на брожение в колонны (5), где превращается в этанольное «сусло». Завершает процесс дистилляция, по окончании которой товарный этанол скапливается в баке (6)

    Плюсы: - Запасы сырья разнообразны и практически неограниченны;  
- Есть богатый опыт эксплуатации двигателей, работающих на спирте (Бразилия, Австралия);

- Ниже токсичность выхлопных газов;

   Минусы:  
- Нужно вносить конструктивные изменения в систему питания;  
- Мощность двигателя снижается, а расход горючего увеличивается;  
- Из-за гигроскопичности спирта могут ухудшаться пусковые свойства двигателя;

-   Дорогостоящее производство биоэтанола;

                                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Метанол 
     Более известен как метиловый (или древесный) спирт. Процесс получения основан на каталитической конверсии углеводородов природного, коксового и других углеводородсодержащих газов с водяным паром. Как самостоятельное горючее и в качестве добавок к бензину применяется редко и только для двигателей спортивных мотоциклов, не рассчитанных на длительную эксплуатацию. В то же время достаточно широко используется как сырье, из которого автомобили на топливных элементах черпают водород. 
   Плюсы:  
- Позволяет решить проблему хранения водорода и извлечения его по мере надобности;  
- Запасы сырья практически неограниченны;

- Может использоваться как сырье  для производства синтетического  бензина;  
    Минусы:  
- Очень токсичен (смертельная доза для человека – 30 миллилитров);  
- Вызывает коррозию деталей;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технология биотоплива

        Технологий производства биотоплива несколько. Одна из них - это переработка сельскохозяйственных отходов в топливо. Сырьем, для этого процесса, могут служить и куски древесины, и солома, и навоз... Производство именно такого топлива, получившее название SunDiesel, начала немецкая химическая компания Choren Industriers при поддержке концернов DaimlerChrysler и Volkswagen. После сушки отходы нагреваются до 400-500°С, выделившийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализатора - и на выходе из реактора получается дизельное топливо без содержания серы и других вредных примесей. Кроме того, биодизельное топливо «СО2-нейтрально» по отношению к окружающей среде - при его сгорании в атмосферу возвращается та углекислота, что была поглощена растениями при росте. Чистота такой биосолярки тоже играет положительную роль - испытания показали, что она позволяет выполнять нормы токсичности Евро-4 даже тем двигателям, которые рассчитаны только на Евро-3. Конечно, пока литр «солнечной» солярки дороже обычной. По оценкам авторов проекта, нынешние возможности сельского хозяйства Европы способны обеспечить таким топливом от половины до 80% всех легковых дизелей.

       Вторая - это добавление рапсового масла в дизельное топливо. Именно добавление, поскольку рапсовое масло в чистом виде как топливо не используется. Из-за более высокой вязкости (почти в 20 раз выше по сравнению с дизельным горючим) требуется другая топливная аппаратура и изменение камеры сгорания. В качестве горючего применяются сложные эфиры рапсового масла, добавляемые в количестве от 5 до 30% в дизельное топливо или используемые самостоятельно (биодизель). Интересно, что в ходе переработки масла в биодизель получают ряд дополнительных продуктов, пользующихся спросом (например, глицерин, сульфат калия).  
Плюсы:  

- Меньше выбросы вредных веществ;

- Запасы сырья могут возобновляться  ежегодно, культура не требует  особого ухода в процессе выращивания;

- В ходе переработки масла  получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия);

Минусы:  
- Себестоимость производства выше, чем бензина и дизтоплива;  
- Требуются дополнительные площади сельскохозяйственных земель;  
- Эфиры рапсового масла обладают значительной коррозионной активностью;  
- Ниже мощность двигателя и выше расход горючего;  
       Третий вид биологического топлива - синтетическое горючее.        Современные технологии переработки углеводородов позволяют производить синтетическое дизельное топливо и синтетический бензин. В качестве сырья используются отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства и даже бытовой мусор. Особенности разработанных технологических процессов заключаются в том, что из одного и того же сырья могут получаться различные виды топлива. Первое в мире синтетическое дизельное топливо, в 2003-м году, разработала корпорация DaimlerChrysler. Новое топливо, которое разработчики назвали BIOTROLL, производится из древесных отходов, а при его сгорании в атмосферу вообще не выбрасывается углекислый газ. Биотопливо можно смешивать с обычной соляркой, улучшая экологические показатели дизельных двигателей, однако пока не получены точные данные о том, возможна ли эксплуатация современных дизельных двигателей только на новом виде топлива без проведения каких-либо доработок. Первая заправка, на которой можно пополнить баки новым топливом, уже функционирует в Штутгарте.  
      

 

     Плюсы:

 
- Можно получить требуемые характеристики топлива;

-В синтетическом дизтопливе отсутствует сера;

- Выбросы вредных веществ ниже, чем при использовании «нефтяного» горючего;  
-Запасы сырья неограниченны;

       Минусы:  
- Высокие затраты энергии для производства горючего;

- Необходимы значительные вложения  средств для создания предприятий  по выпуску синтетического топлива  и создание структуры накопления, поставки и подготовки сырья;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технология газа

        На газе (светильном) поршневые двигатели внутреннего сгорания работали еще в доавтомобильную эпоху. Теперь для питания автомобильных двигателей используют два различных типа газообразного топлива - метан или пропан-бутановую смесь.

    Сжатый газ (метан, природный газ, биогаз) достаточно давно используется как горючее для ДВС. Метан - это тот самый природный газ, который по магистральным газопроводам поступает в крупные города и сгорает в конфорках бытовых газовых плит. Так как запасы метана практически неограниченны, он очень дешев. Возможно переоборудование для работы на метане практически любых бензиновых двигателей (карбюраторных, инжекторных) и даже дизельных (хотя объем доработок последних существенно выше и это не всегда экономически целесообразно). Кроме традиционной добычи газа, метан можно получать при переработке органических отходов (биогаз). Но при использовании метана в качестве моторного топлива возникает одна проблема - компактно его можно хранить только в сжатом виде под давлением в 250 атмосфер, для чего нужны очень прочные баллоны. Если делать их из стали, то придется возить с собой батарею баллонов весом до полутора тонн - такой балласт могут взять на борт только грузовики и автобусы, да и то ценой существенного уменьшения грузоподъемности. А ведь при малейших утечках есть еще и проблемы взрывобезопасности.  
     Плюсы:  
- Значительные запасы и возможность получения из возобновляемых источников;  
- Меньше токсичность выхлопных газов;

- Конструктивные изменения в  бензиновых автомобилях незначительные, но больше, чем при переоборудовании  на сжиженный газ;

     Минусы:  
- Большие, тяжелые и дорогостоящие газовые баллоны;

- Более высокая по сравнению  с преоборудованием на сжиженный газ стоимость работы;

- При транспортировке природного  газа возможны его утечки;