Экологизация автомобильного транспорта – путь перевода его на альтернативные виды топлива

 

В ХХI веке человек все чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новом веке. Главной составляющей жизни человека была и остается энергия. Она дает возможность:

– создавать различные материалы;

– разрабатывать новые технологии;

– неспособность человека полноценно существовать без освоения различных видов энергии.

Человек прошел сложный путь:

– от первого костра до атомных электростанций;

– освоил добычу основных традиционных энергетических ресурсов – угля, нефти и газа, научился использовать энергию рек, освоил «мирный атом».

Однако, все активнее обсуждаются вопросы использования новых нетрадиционных, альтернативных видов энергии. По оценкам специалистов, что запасы угля, нефти и газа не так уж большие, а для разведки новых месторождений требуются наукоемкие сложные технологии, а также сжигание их способствует:

– созданию парникового эффекта;

– разрушению озонового слоя;

– образованию кислотных осадков и загрязненную биосферу.

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 считалось замена ими топлива из традиционного нефтяного сырья, ресурсы которого ограничены.

 

Природный газ

Альтернативное топливо (от лат.аlter – другой, один из двух), получают в основном из сырья не нефтяного происхождения, применяют для сокращения потребления нефти с использованием энергопотребляющих устройств, работающих на нефтяном топливе.

Природный газ, добывается из чисто газовых месторождений. Основным его компонентом является метан СН₄ кроме того в газе разных месторождений содержатся небольшие количества N₂, высших углеводородов С_nН_m, диоксида углерода СО₂.

Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный газ может применяться в виде:

– компримированного, сжатого до 200 атмосфер, газа, представляющего повышенную опасность;

– сжиженного, охлажденного до – 160 ^оС газа;

– сжиженного газа (пропан-бутан). Это топливо в Европе называется LPG (Liguefiedpetroleumgas – сжиженный бензиновый газ). LPG сжигается при давлении 6–8 атмосфер. В Европе более 3 млн. машин работают на LPG.

 

Диметил эфир

Диметил эфир является производной метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в жидкое состояние. Дизельные двигатели переоборудуются под диметил эфир. При этом значительно улучшаются экологические характеристики двигателя. Диметил эфир широко потребляется в мире, что составляет около 150 тыс. т в год.

Шахтный метан

К числу альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан, добываемый из угольных пород. Содержание метана в шахтном газе колеблется от 1 до 98 %. На шахтном метане в США, Италии и Великобритании работают многие автомобили. Прогнозируется, газовая добыча метана в угольных бассейнах мира в ближайшее время составит 96–135 млрд·м³.

 

Этанол и метанол

Этанол – этиловый спирт (С₂Н₅ОН), обладающий высоким октановым числом и энергетической ценностью. Он добывается из отходов древесины, сахарного тростника, сахарной свеклы, картофеля, топинамбура, зерновых и др. Этанол обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов, весьма популярен в теплых странах. Например, Бразилия использует этанол в стране более 7 млн. заправляются этанолом и еще 9 млн. – его смесью с бензином (газохолом), который содержит 10 % этанола.

В США вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этапом для нужд автотранспорта стала кукуруза, сахарный тростник, растительная масса.

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. Использование этанола в качестве моторного топлива за рубежом обусловлено налоговыми льготами^*.

Метанол (метиловый спирт) как моторное топливо имеет высокое октавное число и низкую пожароопасность. Теплота сгорания метанола 2,2 раза меньше чем у бензина. Метанол имеет более высокую скрытую теплоту испарения, низкую упругость паров, низкую температуру кипения, повышенную гигроскопичность и повышенную склонность к образованию с некоторыми составляющими бензина азеотропных смесей.

Метанол обладает повышенной коррозийной агрессивностью к металлам и некоторым пластмассам. Пары метанола токсичнее паров бензина и вызывают сильные отравления при попадании в организм человека, слепоту и даже летальный исход. В качестве положительных свойств метанола можно указать его высокую детонационную стойкость и более высокие скорости сгорания топливовоздушных смесей. При этом низкая теплота сгорания не снижает мощностных показателей двигателя, так как их определяющим фактором является не теплота сгорания топлива, а теплота сгорания единицы массы топливообразующей смеси, которая у метаноловоздушных смесей на 3–5 % выше, чем у бензинов. При этом и метанола требуется в 2,3 раза больше.

Высокая скрытая теплота испарения метанола в 3,6 раза выше, чем у бензина оказывает качественное влияние на процесс смесеобразования. Этот факт является причиной худших пусковых качеств холодного двигателя при низких температурах. Это свойство метанола ведет к уменьшению теплонапряженности деталей двигателя и увеличению весового наполнения цилиндров свежим зарядом, что способствует увеличению мощности, двигателя. При использовании метанола существенно ниже загрязнение атмосферы, ниже нагарообразование на рабочих поверхностях камеры сгорания и меньшее закоксование деталей цилиндропоршневой группы.

Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки – метилтребутилового эфира, который в настоящее время защищает в США большое количество бензина и сырой нефти.

 

Синтетический бензин

Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 м³ синтез – газа получают 120–180 г синтетического бензина. Сырьем для его производства могут быть уголь, природный газ и другие вещества. Это производство синтетического моторного топлива из природного газа. На некоторых фирмах из предварительно полученного метанола синтезируются сотни тыс. т моторных топлив.

 

Биодизельное топливо

В странах ЕС, США, Канаде возрос интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из рапса или отработанного растительного масла. В Австрии такое топливо сейчас уже составляет 3 % общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год, во Франции эти мощности составляют 20 тыс. т/год, Италии – 60 тыс. т/год, США планируется на 20 % заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях.

Рис. 14.1. Биодизельное топливо

 

Применение биодизельного топлива имеет ряд преимуществ:

– снижение эмиссии вредных веществ в отработанных газах на 25–50 %;

– улучшение экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизелей;

– содержание серы в биодизельном топливе составляет 0,02 %.

Биодизельное топливо применяется по двум принципиальным схемам: «немецкой» и «французской». В Германии работает около 12 централизованных и 80 децентрализованных заводов по производству рапсового масла, а топливо «Biodiesel» выпускает восемь немецких фирм «Французская» схема просматривает централизованное производство diestera на мощных установках (5–10 тыс. т/год.).

Биодизель в настоящее время признан Агенством по охране окружающей среды и Министерством Энергетики (США) в качестве альтернативного горючего, соответсвующего требования по защите атмосферного воздуха и окружающей среды. Биодизель обладает рядом существенных преимуществ:

– при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным, т.е. не токсичен;

– разлагается в естественных условиях, практически не содержит серы и канцерогенного бензола;

– биодизель в виде 20 % смеси с обычным дизельным топливом увеличивает октановое число и смазывающую способность двигателя;

– значительное снижение вредных выбросов – СО, СО₂, SО₂, мелкие частицы и летучивые органические соединения.

Биодизель дает возможность владельцам и управляющим автопарков, использующим дизельное топливо соблюдать без особых усилий требования к чистоте воздуха, не затрачивая значительные средства, как в случае с другими альтернативными видами топлива.

Необходимо отметить, что биотопливо, к сожалению, имеет свои недостатки, а именно:

- сырьём для производства биотоплива является растительная биомасса, удельная энергоёмкость которой не превышает 4 – 5ккал/г, сухого вещества, а разные марки автомобильного топлива – не менее 10ккал/г, т.е. для производства биотоплива из растительной биомассы энергоемкость надо повысить в 2 раза, т.е. снизить её энтропию, что ведёт к затрате энергии;

- сгорание биотоплива также загрязняет природную среду, а резкое увеличение его производства может привести к обострению проблемы мирового голода.

 

Отработанное масло

На ряде предприятий различных стран мира работают установки, преобразующие отработанное масло – моторное, трансмиссионное, гидравлическое индустриальное, трансформаторное, синтетическое и др. в состояние, которое позволяет полностью использовать его в качестве дизельного или печного топлива. Установка подмешивает высокоочищенные 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.