Альтернативные виды топлива для автомобилей


10 идей альтернативного топлива для автомобиля — DRIVE2

Планомерное истощение нефтегазовых ресурсов планеты говорит нам о том, что рано или поздно, но человечество всё же будет вынуждено перейти на альтернативные источники энергии. Но если с «большой» энергией вроде ядерного синтеза всё понятно, то на чём же будут ездить автомобили? Давайте разбираться. Начнём с уже более-менее привычных источников энергии, продвигаясь от них ко всё более экзотическим.

1. Электричество. Еще буквально 10 лет назад автомобили с электрическими двигателями были если уж не чем-то из научной фантастики, то диковинкой точно. Их создавали в штучном экземпляре, показывали на различных авто-шоу и научных выставках. Сегодня «электрические» автомобили выпускаются серийно. Причём есть полностью «электрические» вроде Tesla, а есть гибриды, способные ездить и на бензине, и на электричестве — они вообще есть в модельном ряду чуть ли не у каждого более-менее крупного автопроизводителя.

2. Водород. В конце прошлого года Toyota объявила о запуске в серийное производство модели «Mirai», работающей исключительно на водороде. Конечно же, такому автомобилю требуются специальные заправочные станции, причём сам процесс заправки занимает всего несколько минут. А на полном баке автомобиль способен проехать 650 км. Энергия в уникальном двигателе автомобиля вырабатывается за счет реакции окисления водорода внутри электрохимического генератора, а вместо вредных выхлопов автомобиль производит чистую воду. Цена новинки в Японии составит около $60 тыс. При этом правительство страны объявило, что все покупатели экологичных седанов получат от государства субсидии в размере $17 тыс.

3. Растительное масло. Защитники окружающей среды пребывали в восторге от идеи использования машинного двигателя, работающего на растительном масле, еще с тех пор, когда идея была впервые предложена, а сейчас мы уже можем наблюдать скачок из теории в реальную практику! Поклонники компании Volkswagen теперь имеют возможность водить машину с чистой совестью благодаря совершенно новому двигателю, работающему на биодизельном топливе, которым оснащён новый «Жук».

4. Сжатый воздух. В воздухомобиле энергия запасается путём нагнетания сжатого воздуха в баллоны. Через систему распределения воздуха он попадает в пневмодвигатель, приводящий автомобиль в движение. Существующие на сегодняшний день пневмомобили — это либо экспериментальные образцы, либо специальные транспортные средства для эксплуатации в условиях, в которых использование других видов двигателей затруднено: например в цехах с большой пожаро- и взрывоопасностью. На данный момент несколько компаний занимаются исследованием и производством прототипов подобных автомобилей, выпуск их на рынок планируется в 2016 году.

5. Биоэтанол. По сути — обычный этиловый спирт, а приставку «био» получил потому, что производится из растительного сырья: кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы, картофеля, батата или ячменя. На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. машины «Flex-Fuel» (автомобиль с многотопливным двигателем). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. В 2007 году в Бразилии было продано 2 миллиона новых биотопливных автомобилей, что составляет 85,6% от рынка новых автомобилей Бразилии.

6. Биотопливо. По сути это то самое вещество, которое могло бы быть сожженным в печи или походном костре — дрова, опилки, щепа, кора, солома. Для автомобильных двигателей эти материалы формируются в специальные топливные гранулы. Внедорожник Bioracer, является одним из самых известных автомобилей, работающих на топливных гранулах. При загрузке от 1 кг до 2,5 кг древесных гранул (в зависимости от настраиваемых параметров аккумуляторов), двигатель выработает достаточно энергии для преодоления расстояния в 16 километров.

7. Жидкий азот. Как и водород, азот находится в изобилии в нашей атмосфере. Кроме того, как и водород, автомобили под питанием азота делают гораздо меньше вредных выбросов, чем бензин или дизельное топливо. Но, в то время как водород используется в топливных элементах автомобилей, а также двигателях внутреннего сгорания, автомобили на жидком азоте требуют совсем другой тип двигателя в целом. Типичный бензиновый или дизельный двигатель использует горение, чтобы заставить двигаться поршни, двигатель на жидком азоте использует расширение азота для питания энергетических турбин.

8. Солнечная энергия. Солнечный автомобиль является по сути обычным электромобилем с питанием от солнечной энергии, получаемой от солнечных батарей на автомобиле. Однако, солнечные батареи не могут в настоящее время быть использованы для прямого единоличного питания двигателя машины из-за недостаточности мощности, но они могут быть использованы для расширения диапазона питания и экономии электроэнергии от аккумуляторов таких электромобилей.

9. Водоросли. Биотопливо, полученное из водорослей, называют биотопливом третьего поколения — это относительно новый вид альтернативного топлива. По сути принцип работы двигателя на водорослях основывается на гниении этих водорослей, в результате которого выделяется метан, который используется в качестве основного топлива для приведения в движение машины. В США рассчитали, что примерно 200 гектаров прудов, в которых будет выращиваться определённый вид водорослей, который лучше всего подходит для питания автомобилей, могут обеспечить таким топливом до 5% всех автомобилей страны. Тем не менее, в Соединённых же Штатах эта технология не прижилась из-за сравнительно более низкой стоимости нефти и высоких требований таких водорослей к росту (высокая температура и определённая окружающая среда).

10. Мускульная сила человека. О да, это самый неэффективный и попросту не имеющий права на жизнь вид альтернативного топлива! Тем не менее, в очень небольших количествах транспортных средств, спрос на которые стремительно уменьшается, используется человеческая сила, чтобы улучшить показатели экономичности аккумуляторов, которые являются основным источником приведения в движение автомобиля. Два таких коммерческих авто, увидевших недолгий «свет», стали Sinclair C5 и Twike.

www.drive2.ru

Альтернативные виды топлива

Альтернативные виды топлива подразумевают различие между ископаемым топливом, которое производится из угля, сырой нефти или природного газа, и реге­неративным топливом, которое создается из возобновляемых источников энергии, таких как биомасса, энергия ветра или солнечная энергия. Вот о том, какими бывают альтернативные виды топлива, мы и поговорим в этой статье.

Альтернативные виды топлива включает сжиженный нефтяной газ, при­родный газ, синтетическое жидкое топливо, созданное из природного газа (GtL — пре­образование газа в жидкость), и водород, произведенный из природного газа. Уголь — исходный материал для получения метанола или синтетического жидкого топлива (CtL — преобразование угля в жидкость).

Регенеративное топливо включает метан, метанол и этанол, если это топливо создано из биомассы. Кроме того, на биомассе осно­вано регенеративное топливо, называемое биодизелем (FAME), а также гидрогенизируемые растительные масла (биопарафины). Изготовление синтетического жидкого то­плива из целлюлозы (BtL — преобразование биомассы в жидкость) все еще находится на ранней стадии развития технологии.

Водород, извлекаемый электролизом, классифицируется как регенеративное то­пливо, если используемый для получения водорода электрический ток создается воз­обновляемыми источниками (энергия ветра, солнечная энергия). Также может произво­диться регенеративный водород, получае­мый из биомассы.

За единственным исключением водорода, все регенеративные и ископаемые виды то­плива содержат углерод и поэтому при их сгорании образуется диоксид углерода СO2. Однако в случае с топливом, производимым из биомассы, СO2, поглощаемый растениями во время их роста, возмещается в эмиссии, производимой во время сгорания.

Биоэтанол

Изготовление из сахара и крахмала

Биоэтанол, получаемый из продуктов, содер­жащих сахар и крахмал, является наиболее широко производимым биотопливом во всем мире. На заводах, выпускающих сахар (как продукт сахарного тростника или сахарной свеклы), добавлением дрожжей вызывается брожение, в результате чего образуется эта­нол. Когда биоэтанол получают из крахмала зерновых, пшеница или рожь обрабатыва­ются вместе с ферментами, для того чтобы частично расколоть длинноцепные молекулы крахмала. Во время последующего осаха­ривания происходит расщепление на моле­кулы декстрозы при помощи глюкоамилазы. Дальнейшим шагом создания биоэтанола яв­ляется процесс брожения с использованием дрожжей.

Изготовление из лигноцеллюлозы

Ферменты могут также использоваться для производства биоэтанола из лигноцеллю­лозы. Она формирует структуру растительной клетки и содержит главный лигнин элементов, гемицеллюлозу и целлюлозу. Преимущество этого процесса состоит в том, что может использоваться все растение, а не только его часть, содержащая сахар или крах­мал. Процесс, названный «процессом logen», обещает высокие выработки и хорошую эко­номическую эффективность. Получаемый по этой новой технологии продукт также упоми­нается как биоэтанол 2-го поколения.

Биоэтанол обладает свойствами, которые очень подходят для того, чтобы его добав­лять в бензины, особенно для увеличения октанового числа чистого бензина. Именно поэтому фактически все стандарты бензина разрешают добавление этанола как компо­нента смеси. Даже биотопливная политика Европейского союза заставляет ожидать, что проникновение на рынок биоэтанола и со­хранение его пропорции в бензинах продол­жатся, если поддержка технологий создания биоэтанола будет гарантирована.

Биоэтанол также может использоваться в качестве чистого топлива в двигателях с искровым зажиганием в транспортных средствах с гибким выбором топлива (FFV). Эти транспортные средства могут работать как на бензине, так и на любой смеси бен­зина и этанола. Из-за проблем запуска хо­лодного двигателя при низких температурах, успешной на рынке оказалась максимальная концентрация этанола 85% (Е85) летом и 70- 75% зимой. Качество Е85 определено для Европы в топливном стандарте prEN 15293 и для США — в стандарте ASTM D5798.

Метанол

Метанол, по существу, производится не ре­генеративными средствами, а из источников энергии в виде окаменелостей, таких как ка­менноугольный и природный газ, и поэтому не вносит вклад в сокращение эмиссии СO2. Такие страны как Китай, которые планируют покрыть высокие топливные запросы за счет угля, будут все активней использовать метанол в будущем. В этом случае топливо М15, кажется, представляет верхний предел использования в обычных двигателях с ис­кровым зажиганием. В Китае обсуждается применение топлива М85, аналогичного Е85, для питания транспортных средств с гибким выбором топлива.

С тем же самым содержанием спиртов то­пливо из метанола имеет значительно боль­шую коррозийную активность, чем топливо из этанола. При этом намного быстрей про­исходит расслоение, если топливо содержит воду. Из-за негативного опыта использова­ния метанола в качестве топлива во время нефтяного кризиса 1973 года, а также из-за его токсичности, применение метанола как компонента смеси было снова прекращено в Германии. В мировом масштабе только смеси метанола производятся в настоящее время очень редко и лишь, по большей части, с со­держанием значительно ниже 5 % (М5).

Сжатый природный газ

Главный элемент природного газа — метан (СН4), его содержание составляет 83-98%. Другие элементы — инертные газы, такие как углекислый газ, азот и короткоцепные угле­водороды.

Природный газ доступен во всем мире и, после добычи, требует относительно низ­ких затрат на подготовку. В зависимости от его происхождения, однако, изменяется его состав, что приводит к колебаниям плот­ности, теплотворной способности и сопротивления детонации. Свойства природного газа как топлива определены для Германии в стандарте DIN 51624 [10].

Метан также может быть получен из био­массы, то есть из жидкого удобрения или твердых отходов. Этот метод обеспечивает закрытый кругооборот СО2 при очень низкой полной эмиссии СО2.

Природный газ сохраняется или в виде сжатого природного газа (CNG) в баллонах при давлении 200 бар, или в виде сжиженного природного газа (LNG) при -162 °С в стойком к холоду резервуаре. LNG занимает только одну треть объема хранения CNG, од­нако хранение LNG требует высоких расходов энергии для того, чтобы превратиться в жид­кость. Поэтому природный газ продается на бензозаправочных станциях в виде CNG.

Отношение водород/углерод у природного газа составляет примерно 4:1, этот же пока­затель для бензина равен 2,3:1. В результате, из-за более низкого количества углерода в природном газе, при сжигании он произ­водит меньше СО2 и больше Н2О, чем бензин. Двигатель с искровым зажиганием, работая на сжатом природном газе, без дальнейшей оптимизации, уже создает приблизительно на 25% меньше эмиссии СО2, чем при работе на бензине (при сопоставимой выходной мощности).

Сжиженный нефтяной газ

Сжиженный нефтяной газ (LPG) получают при добыче сырой нефти и во время различ­ных процессов очистки. LPG представляет собой смесь главных компонентов — пропана и бутана. Он может быть сжижен при комнат­ной температуре под сравнительно низким давлением.

Поскольку сжиженный нефтяной газ имеет более низкое содержание углерода, чем бен­зин, при сгорании LPG эмиссия СО2 также примерно на 10% меньше. Октановое число LPG составляет приблизительно 100-110 RON. Требования к LPG для использования в автомобилях установлены в европейском стандарте EN 589 [11].

Водород

Водород может быть получен химическим про­цессом из природного газа, угля, сырой нефти или биомассы, либо электролизом из воды. Сегодня водород, в основном, получают из природного газа при его каталитическом взаи­модействии с водяным паром. При использо­вании водорода в качестве топлива эмиссия СО2 не обязательно является преимуществом по сравнению с бензином, дизельным топли­вом или прямым использованием природного газа в двигателе внутреннего сгорания.

Сокращение эмиссии СО2 достигается тогда, когда водород регенеративно по­лучают из биомассы или электролизом из воды, при условии, что для этого использу­ется регенеративно генерируемый электриче­ский ток. При сгорании водорода в двигателе эмиссия СО2 локально не происходит.

Хранение водорода

У водорода может быть очень высокая плот­ность энергии относительно массы (прибли­зительно 120 МДж/кг, что почти в три раза больше, чем у бензина), но его плотность энергии относительно объема очень низка из-за небольшой удельной плотности. Когда дело доходит до хранения, это означает, что водород должен быть сжат под давлением (в 350-700 бар) или сжижен (криогенное хранение при -253 °С), с тем чтобы достиг­нуть приемлемого объема резервуара. Дру­гой способ хранения для водорода состоит в том, чтобы он сохранялся в виде гибрид­ного соединения.

Применение в автомобилях водорода

Водород может использоваться как в приво­дах с топливными элементами, так и непо­средственно в двигателях внутреннего сгора­ния. В долгосрочной перспективе акцент, как ожидают, будет сделан на его применении в топливных элементах. В этом случае до­стигается лучшая эффективность, чем при использовании Н2 в двигателях внутреннего сгорания.

Биодизель

В настоящее время биодизель — самое важ­ное альтернативное топливо для дизельных двигателей. Термин «биодизель» охватывает сложные эфиры жирных кислот, представ­ляющие собой трансэстерифицированные метанолом или этанолом масла, или смазки. В результате образуются метилэфиры жир­ных кислот (FAME) или этилэфиры жирных кислот (FAEE). Молекулы биодизеля, с точки зрения размера и свойств, намного более по­добных структуре дизельного топлива, чем растительного масла. Поэтому биодизель не может ни при каких обстоятельствах прирав­ниваться к растительным маслам. Однако, свойства биодизеля значительно отличаются от свойств нефтяного дизельного топлива, поскольку эфиры жирных кислот являются полярными и химически реагирующими. Обычное дизельное топливо, с другой сто­роны, инертная и неполярная смесь парафинов и ароматических соединений.

В качестве исходного материала для био­дизеля могут использоваться растительные масла или животные жиры. В Европе используется, прежде всего, рапсовое масло, в Северной и Южной Америке — соевое масле, в Азии — пальмовое масло и на индийском субконтиненте — масло ятрофы. Также ис­пользуются производимые во всем мире ме­тилэфиры, получаемые из отходов (UFOME).

Из-за глобальной торговли биодизелем и его сырьем, топливо, содержащее FAME, как правило, содержит смеси из различных ис­точников.

Поскольку эстерификация технически легче выполняется с метанолом, чем с эта­нолом, производство метилэфиров этих ма­сел предпочтительно. Метанол, в основном, производится из угля. Поэтому, метилэфиры жирных кислот не могут, строго говоря, счи­таться полностью биогенными.

С другой стороны, этилэфиры жирных кис­лот, при производстве которых используется биоэтанол, на 100% состоят из биомассы.

Свойства биодизеля определяются раз­ными факторами. Различные растительные масла отличаются по составу блоков жирных кислот и демонстрируют типичные образцы жирной кислоты. Тип и количество ненасы­щенных жирных кислот имеют, например, решающее влияние на стабильность биоди­зеля. Свойства также определяются предва­рительной обработкой растительного масла и производственным процессом биодизеля.

Качество биодизеля отрегулировано в то­пливных стандартах. Если продукт техни­чески надежен, ограничений относительно сырья можно избежать. Поэтому требования к уровню качества биодизеля преобладающе описаны перечислением свойств материала. Важно гарантировать хорошую стабильность против старения (стабильность к окислению) и устранить загрязнения, вызванные процес­сом производства биодизеля.

Стандарты для биодизеля 

Европейский стандарт EN 14214 (2010) является наиболее всесторонней специфика­цией для биодизеля, применяемой во всем мире, независимо от того, в каком качестве используется биодизель — чистого топлива или примеси к дизельному топливу. Биоди­зель хорошего качества определен в этом стандарте (табл. «Характеристики метилэфиров жирных кислот (FAME) в соответствии стребованиями стандарта DIN EN 14214 (действует с апреля2010)» ).

Американский стандарт биодизеля ASTM D6751 менее ориентируется на качество. Например, минимальное требование стабиль­ности к окислению составляет только половину от значения, допускаемого в EN 14214. Это уве­личивает риск проблем, которые могут возник­нуть в результате старения топлива, в особенно­сти с учетом заявленного предельного значения и в условиях длительной эксплуатации.

Другие страны, такие как Бразилия, Ин­дия и Корея, приспособили свои требования к биодизелю (В 100), в большой степени, к европейскому стандарту EN 14214.

Применение в автомобилях биодизеля

Чистый биодизель (В 100) ранее использо­вался в Германии, в основном, в качестве топлива для грузовиков. Высокий годичный пробег коммерческих автомобилей приводит к быстрому расходу топлива, что позволяет избегать проблем недостаточной стабильно­сти к окислению.

С точки зрения эксплуатации двигателя, более благоприятные условия работы на­блюдаются при использовании биодизеля в смеси с нефтяным дизельным топливом. Наличие нефтяного дизельного топлива га­рантирует достаточную стабильность, биоди­зель, в то же время, обеспечивает хорошую смазывающую способность эффект. На практике важно специфицировать не только чистый компонент В100, но также и смесь ди­зельного топлива и биодизеля, предлагаемых на рынке. В случае смеси наблюдается тен­денция к использованию от незначительной добавки до максимального 7-процентного со­держания биодизеля (В7 в Европе).

Используются и более высокие пропорции биодизеля (В30 во Франции, В20 в США). Однако, в случае большого содержания био­топлива высокая точка кипения биодизеля может привести к его активному попаданию из камеры сгорания, через уплотнения на стен­ках цилиндров, в моторное масло. Это затра­гивает, прежде всего, транспортные средства, которые оснащены топливными фильтрами тонкой очистки и у которых регенерация про­исходит посредством повторного впрыска. В зависимости от применения, это возможно, особенно, при частичных нагрузках, когда про­исходит неприемлемо высокое впрыскивание биодизеля, что, в результате, потребует более коротких интервалов замены масла.

Рапсовое масло

Рапсовое масло использовалось с большим успехом в более старых дизельных двигателях, отвечающих минимальным требованиям к эмис­сии отработавших газов. Из-за его повышенных плотности и вязкости вместе с высокой испа­ряемостью, рапсовое масло не подходит для ис­пользования в современных дизельных двигате­лях с системами впрыска с высоким давлением.

Парафиновое дизельное топливо

Чистое парафиновое топливо полностью со­стоит из насыщенных углеводородов. Благо­даря отсутствию ароматиков, значительно уменьшена эмиссия НС и СО.

Парафиновое топливо может быть соз­дано тремя различными способами, вклю­чающими:

  • Процесс Фишера-Тропша;
  • Гидрирование растительных масел;
  • Процесс COD (преобразование олефинов в продукты перегонки).

Процесс Фишера-Тропша

Исходным продуктом является синтез-газ, который состоит из водорода и угарного газа и может быть получен из природного газа, угля или биомассы. Пропуская синтез-газ через катализаторы, можно получить п-парафины — линейные углеводороды с неразветвленной цепью. Катализаторы Фишера-Тропша функ­ционируют достаточно неопределенно, так что образуются самые разные компоненты, начиная с короткоцепных бензина, керосина и дизельных парафинов, и кончая маслами и восками с высокой молекулярной массой. По экономическим причинам, разделение про­изводимой смеси, по большей части, оптимизируется в расчете на максимальную текучесть дизельного топлива. Топливо, получаемое в соответствии с этим процессом, известно, как синтетическое дизельное топливо.

Такое топливо первоначально также упо­миналось как проектируемое топливо, по­скольку существовало представление, что состав синтетического дизельного топлива может быть точно приспособлен к требова­ниям дизельного двигателя. Однако, из-за широкого диапазона продуктов, получаемых синтезом Фишера-Тропша, понятие про­изводства топлива определенного состава больше не кажется оправданным.

Термины GtL (преобразование газа в жид­кость), CtL (преобразование угля в жидкость) и BtL (преобразование биомассы в жидкость) обычно используются, в зависимости от того, были ли парафины получены из природного газа, угля или биомассы.

Производство CtL и GtL является эконо­мически важным. Производство GtL только связано с крупными месторождениями при­родного газа, в том случае если природный газ не может быть предназначен для прямого использования. Из-за серьезных затрат ис­пользование GtL и CtL было до настоящего времени ограничено специальными рынками.

Продукты CtL и GtL базируются на источ­никах энергии окаменелостей, таким обра­зом, никакого сокращения эмиссии СО2 не достигается. Преимущество BtL заключается в отсутствии эмиссии СО2. Однако, топливо, основанное на процессе перехода из одного состояния в другой, развиваемом компанией «Choren», еще не поступает на рынок.

Подход в создании этих топлив суще­ственно отличается от общепринятых мето­дов, которые основаны на преобразовании существующих компонентов, таких как жиры или сахароза, через химическое или фермен­тативное разделение (трансэстерификация, брожение) в топливо (биодизель или биоэта­нол). Именно поэтому синтетическое топливо также известно, как топливо 2-го поколения.

Гидрирогенизация растительных масел

Парафиновое дизельное топливо может быть получено гидрогенизацией жиров и масел. В отличие от трансэстерификации в биоди­зель, при преобразовании газа, содержащего водород, предъявляются меньшие требова­ния к происхождению и качеству исходных материалов. Результатом гидрогенизации является крекинг жиров и масел, во время которого также удаляются все атомы кисло­рода и ненасыщенные связи. Длинноцепные парафины получают из жирных кислот, гли­церин преобразуется в пропан и кислород соединяется с водой. Поскольку парафины получают из биомассы, они упоминаются как биопарафины. Производство биопарафинов может быть осуществлено на отдельных за­водах или даже объединено в существующие процессы нефтеперегонного завода.

Гидрогенизация растительных масел раз­вивается все более и более как существенная альтернатива производству биодизеля.

Процесс COD

Третий способ получения парафинов, со­стоящий в преобразовании олефинов в со­ответствии с процессом COD (преобразова­ние олефинов в продукты перегонки), часто применяется только как последующий шаг к предыдущим процессам нефтеперегонного завода. В этом случае продукты олефиновых фракций преобразуются олигомеризацией и гидрогенизацией в парафины.

Независимо от типа производства, созданы парафиновые смеси углеводородов с по­добными химическими составами и превосходными характеристиками двигателя. Топливо, свободное от серы и ароматиков, имеет высокое цетановое число. Однако, плотность — меньше нижней границы пре­дельных значений, определенных стандартом EN 590. Требования к парафиновым дизель­ным топливам разработаны группой экспер­тов Европейского комитета по стандартиза­ции (CEN) и изданы в виде спецификации CWA 15940 (2009), табл. «Характеристики парафиновых дизельных топлив в соответствии со спецификацией CWA 15940 (действующей с февраля 2009)». Для того чтобы достигнуть данного уровня качества, к трем описанным выше производственным процессам прилагается дополнительный шаг изомеризации, особенно для получения необходимой термостойкости.

Парафиновые углеводороды идеально подошли для маркетинга в качестве компо­нентов смеси в дизельных топливах Premium. Кроме того, дизельные топлива, которые не в состоянии достигнуть предельных зна­чений, установленных в стандарте EN 590, могут быть улучшены добавлением GtL до такой степени, что они соответствуют стан­дарту. Использование чистого парафинового топлива оправдано, прежде всего, в местах скопления населения, чтобы, тем самым, способствовать уменьшению загрязнения воздуха на локальном уровне.

Таблица «Свойства жидкого топлива и углеводородов»

Таблица «Свойства газообразного топлива и углеводородов»

В следующей статье я расскажу о тормозных жидкостях и антифризах.

press.ocenin.ru

Альтернативные виды топлив для автомобильных двигателей

Содержание

1. Альтернативные виды топлив для автомобильных двигателей

2. Основные эксплуатационные свойства трансмиссионных масел

3. Улучшение аэродинамики автомобиля – эффективный путь экономии топлива

Альтернативные виды топлив для автомобильных двигателей

Чем больше в мире производится автомобилей, тем значительнее интерес к альтернативным бензину видам топлива, при сгорании которых выделяется меньше вредных веществ. Во многих странах все более популярным становится биологическое топливо, изготавливаемое из растительного сырья - рапса, конопли, бананов, бобовых, цитрусовых. В шести государствах ЕС, а также в США, Канаде, Бразилии, Малайзии такое биологическое топливо производят в промышленных масштабах, но все же его доля в топливном балансе не превышает 0,3%.

До конца XX столетия двигатель внутреннего сгорания остаётся основной движущей силой автомобиля. В связи с этим единственный путь решения энергетической проблемы автомобильного транспорта – это создание альтернативных видов топлива. Новое горючее должно удовлетворить очень многим требованиям: иметь необходимые сырьевые ресурсы, низкую стоимость, не ухудшать работу двигателя, как можно меньше выбрасывать вредных веществ, по возможности сочетаться со сложившейся системой снабжения топливом и др.

Нефть сегодня - основной и наиболее востребованный энергоресурс.

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.

К альтернативным видам топлива относятся:

природный газ

Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде компримированного, сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде сжиженного, охлажденного до -160°С газа. В настоящее время наиболее перспективным является применение сжиженного газа (пропан-бутан). В Европе это топливо называется LPG (Liquefied petroleum gas - сжиженный бензиновый газ). В то время как сжатый газ (метан) находится в баках под давлением 200 бар, что само по себе представляет повышенную опасность, LPG сжиживается при давлении 6-8 бар. В Европе сегодня насчитывается около 2,8 млн машин, работающих на LPG.

газовый конденсат

Использование газовых конденсатов в качестве моторного топлива сведено к минимуму из-за следующих недостатков: вредное воздействие на центральную нервную систему, недопустимое искрообразование в процессе работы с топливом, снижение мощности двигателя (на 20%), повышение удельного расхода топлива.

Диметилэфир

Диметилэфир является производной метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в жидкое состояние. Существуют разработки по переоборудованию дизельных двигателей под диметилэфир. При этом существенно улучшаются экологические характеристики двигателя.

В отличие от сжиженного природного газа, диметилэфир менее конкурентоспособен, в основном по причине того, что теплотворная способность на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Также для производства диметилэфира требуется не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью.

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.

Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина.

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.

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. Однако в настоящее время синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных.

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.

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. к недостаткам применения топливных элементов следует отнести повышенную взрывоопасность водорода и необходимость выполнения специальных условий его хранения, а также высокую себестоимость получения водорода.

биодизельное топливо

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%.

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”.

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.

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).

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.

Использование спиртов в качестве автомобильного топлива требует незначительной переделки двигателя. Например, для работы на метаноле достаточно перерегулировать карбюратор, установить устройство для стабилизации запуска двигателя и заменить некоторые подверженные коррозии материалы более стойкими. Учитывая ядовитость чистого метанола, необходимо предусмотреть тщательную герметизацию топливоподающей системы автомобиля.

megaobuchalka.ru

Альтернативные виды топлива для автомобилей

Использование продуктов переработки нефти для обеспечения автомобиля топливом уже давно считается нормой. Оно быстро возгорается и производит много энергии, поэтому отлично подходит для обеспечения движения автомобиля. Конечно, все ресурсы рано или поздно заканчиваются, поэтому сегодня активно разрабатываются альтернативные виды топлива для автомобилей. Это достаточно перспективная область изучения, которая также позволяет уменьшить наносимый природе вред.

Альтернативные виды топлива помогут уменьшить вред, наносимый окружающей среде

Современная ситуация

Замена классического бензина остаётся достаточно приоритетной сферой для будущих разработок, но сегодня уже существуют реальные альтернативы нефтяному горючему. Некоторые из них подходят для большого количества транспортных средств, другие же, напротив, используются лишь в специализированных моделях.

Пар

В начале автомобильного производства использовались паровые двигатели. Они могли перевозить большие грузы и обладали простой системой работы. Благодаря процессам закипания воды, образовавшийся пар направляется по специальным каналам, приводя в движение турбину или плунжер. Таким образом, поступательное движение преобразовывается в прямолинейное, по методу Ватта.

Многие считают такой вид топлива устаревшим, но в 2009 году в Великобритании был построен автомобиль, работающий по такому типу. Он обладает 12 котлами, создающими 360 лошадиных сил. Для нагревания жидкости использовалась смесь газолина и мазута — это в разы дешевле бензина.

Электроэнергия

Теория движения автомобиля от действия электричества зародилась ещё во время создания первых машин. Сегодня она стала новым поколением для современных транспортных средств. Достоинства очевидны:

  • не производятся выхлопные газы;
  • не нужно бензина;
  • минимальный риск воспламенения;
  • невысокая стоимость автомобиля.

Чтобы обеспечить движение машины, необходим источник энергии. Раньше это было серьёзной проблемой, ведь большие батареи доставляли много неудобств. Сегодня никель-металлогидридные батареи заменили на небольшие и удобные литий-ионные. Их аналоги применяются для питания ноутбуков или телефонов.

Поддержка решения

Одним из недавних прорывом стало анонсирование производителем BYD (Китай) нового поколения батарей — литий-фосфатных. Они имеют несколько меньшую ёмкость, но их производительность намного выше. Также такие аккумуляторы лишены эффекта памяти и устойчивы к высоким температурам и перегреву. Такие батареи не перемерзают.

Подобное альтернативное топливо для автомобилей используется в гибридных машинах. Кроме классического двигателя, они также оборудованы электроприводом. Настоящая технология экономит запасы горючего. Такой автомобиль подходит для подзарядки с устройствами Plug-in (подача электричества), что даёт ему большой прирост к производительности.

Газ

Одним из вариантов замены классического бензина является использование горючих углеводородов — газа. Чаще всего используется пропано-бутановая смесь, которая ещё называется нефтяным газом. Она добывается при образовании месторождений нефти. Такое топливо достаточно дешёвое, а мотор можно без проблем переработать под работу с ним. Сегодня такое альтернативное горючее широко распространено и для него созданы специальные заправки и мастерские.

В странах США и Европы газ пытаются заменить метаном. Это немного экологичней, но требует большей модификации двигателя. Несмотря на свои преимущества, такое топливо обладает следующими недостатками:

  • опасность возгораемости;
  • большой износ технической составляющей автомобиля;
  • низкая мощность мотора;
  • большая переработка двигателя;
  • высокий расход газа.

Современные производители смогли ликвидировать большинство подобных минусов (Volkswagen, Chrysler, Mercedes). Одной из особенностей такого вида горючего является возможность его создания непосредственно в машине. Такие газогенераторы работают на дровах или сельскохозяйственных отходах. В результате брожения вещества в специальном баке выделялось газообразное горючее. Правда, пока что такая альтернатива не даёт желанных результатов мощности.

Спирт

Давно известно, что спирт способен показывать неплохую горючесть, поэтому не раз рассматривался в роли топлива. Больше всего этанол получил популярность в качестве горючего в Бразилии. Он производился из сахарного тростника и древесины. Сегодня четверть транспортных средств этого региона использует такие альтернативные источники топлива в обиходе. Это снижает их общую зависимость от нефти.

Некоторые из стран Европы агитируют за производство метилового спирта. Он добывается из хвои и обладает более низкой стоимостью. Многие заправки имеют в своём ассортименте такое топливо, обозначая его индикатором «М». Стоит учитывать октановое число такого вещества, ведь оно показывает вместительность спирта. Под показатели М100 потребуется переработка двигателя автомобиля, так как он не предназначен для использования такого горючего.

Водород

Идею применять «гремучий газ» в форме топлива выдвинули ещё в ХХ веке. Тогда не существовало экономного способа производить водород, поэтому об этом методе подзабыли. Вскоре удалось решить эту проблему и сегодня даже небольшой завод может производить экологически чистое топливо.

В начале использования такого горючего была предпринята идея по сжиганию топлива, как и углеводорода. Такая реакция не была безопасной, но улучшенное решение вскоре нашли. После этого инженеры занимались вопросом о подаче топлива в цилиндры. Результат удивил всех, ведь из выхлопной трубы выходил чистый пар из воды, но мощность движения автомобиля была крайне низкой.

В наше время такие двигатели обладают большим КПД, но автомобили, которые их используют (в частности, BMW 7), стали производить на 200 лошадиных сил меньше мощности, но используют больше горючего — 15 литров. Также серьёзной проблемой стало хранение топлива, ведь ему необходим криогенный бак. С учётом всех необходимых доработок итоговая стоимость флагмана составила 1 миллион долларов.

Интересные особенности

Одним из необычных наблюдений была реакция между водородом и кислородом, после которой производились молекулу воды. Они же, в свою очередь, создавали небольшие заряды электричества. Благодаря этому были изобретены топливные ячейки. Увы, их перезаправка была не под силу рядовому пользователю и единственным способом использовать их была полная замена элементов. Такая технология несла за собой большие финансовые затраты.

Не так давно японскими учёными была предложена идея использовать в качестве горючего обычную воду. Процесс заключался в расщеплении её молекул с помощью электролиза, что и создавало топливо. Правда, такие транспортные средства показывали достаточно низкие результаты, проезжая всего 60 километров, расходуя большое количество энергии.

Нестандартный подход

Учёные из Индии выдвинули идею использовать как топливо сжатый воздух. По их словам, достаточно подключить автомобиль к насосной станции и дождаться, пока заполнятся баки. Транспортное средство не будет производить выхлопных газов, а машина сможет обладать малым весом.

Недостатком такого метода является низкая скорость машины. Полученная кинетическая энергия сможет производить скорость только в 60 км/час с проездом в 40 км. Также большая часть пространства будет просто занята баллонами для воздуха, поэтому серийного производства таких флагманов пока нет в планах.

«Натуральное» решение

В автопроме Европы активно обсуждается использование биодизеля. Его получают из масел специальной культуры — рапса. Правда, это растение плохо влияет на почву, поэтому его массовое выращивание запрещено.

Аналогичные решения предложили и в Восточной Европе, которая славится своим сельским хозяйством. Традиционное топливо решили заменить соломой, коровьим навозом и древесными опилками. С помощью дешёвых катализаторов можно получить высококачественный метан. Правда, остались всё те же проблемы — низкая скорость.

Чего ждать дальше

Все представленные альтернативы для топлива пока не получили широкого распространения, поскольку не обладают желаемой производительностью. Прогнозируется, что в середине столетия подавляющее количество автомобильного транспорта уже не будет использовать нефтяное топливо, хотя специалисты расходятся во мнениях, какое горючее его заменит.

Исходя из прогнозов специалистов касательно запасов нефти, учёные стараются придумывать всё более совершенные альтернативы нефтяному топливу. Не все из них безопасны или способны показать достойные результаты, поэтому требуются ещё большие доработки. Но некоторые автомобильные бренды уже способны предложить неплохие альтернативы, как Tesla, но они требуют больших финансовых затрат.

Если вы желаете поддерживать экологию окружающей среды или просто хотите поскорее перейти на доступную замену нефти, можно выбрать гибриды. Они ещё не являются полноценным экотранспортом, но уже значительно поддерживают настоящую сферу разработок.

carextra.ru


Смотрите также