Газохол как альтернативное топливо

РЕФЕРАТ

Тема:

«Газохол  как альтернативное топливо» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Альтернативные  виды топлива

    Обеспеченность  страны энергоресурсами напрямую влияет на ее экономическое развитие. Самым  востребованным энергоресурсом в настоящее время является нефть.  Наиболее ярко выражена нефтяная зависимость транспортного комплекса.

    Сейчас  за один день нефти сжигается столько, сколько природа с помощью  солнечной энергии способна выработать за тысячу лет. По прогнозам ученых запасов нефти в мире осталось немного. В начале 2005 года специальная комиссия представила Министерству Энергетики США отчет, прогнозирующий сроки наступления пикового уровня добычи нефти. Согласно самому пессимистичному сценарию, дата «конца эры нефти» приходилась на 2006 год.

    Сложившаяся ситуация не является тайной. Научно-исследовательские  организации многих стран мира ищут адекватную замену топливу, получаемому  при переработке нефти. Задача достаточно сложна, и единого решения до сих  пор нет, хотя автомобили, работающие на альтернативных видах топлива, производили и успешно эксплуатировали не только в нынешнем веке, но и в XX, и даже в XIX веке. Первая в мире газовая самобеглая повозка «Гиппомобиль» была создана Жаном-Этьеном Ленуаром еще в 1862. В нашей стране в 1930-х годах выпускали газогенераторные автомобили, которые «топили»... березовыми чурками, торфом или углем. Дрова термически разлагались при относительно низкой температуре, превращаясь в газ, который сгорал в цилиндрах двигателя.

    Несмотря  на долгую историю освоения различных заменителей бензина и «солярки», единая классификация альтернативных видов топлива пока не принята. Для облегчения восприятия излагаемого материала и на основании всестороннего анализа существующих разработок в этой области мы предлагаем следующую классификацию основных видов альтернативного топлива (рис.1). 

    Рис. 1. Классификация альтернативных видов  топлива 

    Наибольшее  распространение в качестве альтернативного  топлива, особенно в нашей стране, получил природный газ: метан (болотный, рудничный, шахтный газ) и пропан-бутан (нефтяной, попутный газ). Природный газ в качестве моторного топлива применяется в компримированном (сжатом до 200 атмосфер) или сжиженном (охлажденном до -160⁰С) состоянии. Наиболее перспективным и безопасным является использование сжиженного газа. В Европейских странах этот вид топлива называют LPG (Liquefied petroleum gas - сжиженный бензиновый газ). Однако, пропан-бутан получают при переработке нефти, поэтому его запасы также ограничены и рассчитывать на этот вид топлива в случае нефтяного кризиса не приходится. Метан, кроме традиционной добычи, можно получать при переработке органических отходов (биогаз),  то есть из возобновляемых источников. Природный газ обладает меньшей по сравнению с бензином токсичностью выхлопа и не требует серьезных изменений конструкции автомобиля.

    Этанол (этиловый спирт) более известен как  сырье для производства алкогольных  напитков. Этанол в качестве топлива  для четырехтактного двигателя  внутреннего сгорания еще в 1876 году применял немецкий изобретатель Николаус Отто. Биоэтанол – это обезвоженный этиловый спирт, изготовленный из биологически возобновляемого сырья. Основные способы его получения: сбраживание пищевого сырья (переработка содержащегося в сырье сахара в спирт при помощи дрожжей), гидролиз растительного сырья и гидратация этилена (синтетический спирт). Биоэтанол как автомобильное топливо можно использовать либо в чистом виде, либо в смеси с бензином. Такая смесь называется газохол (gasohol). Смешивая биоэтанол и бензин в определенных пропорциях, получают топливо марок Е85 (85% биоэтанола и 15% бензина) и Е10 (10% биоэтанола и 90% бензина). Бразилия после нефтяного кризиса 1973 г. активно использует этанол - в стране более 7 млн. автомобилей заправляются этанолом и еще 9 млн. газохолом. США является вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. Этанол используется в чистом виде в 21 штате, а газохол составляет 10% топливного рынка США и применяется более чем в 100 млн. двигателей. Запасы сырья для получения биоэтанола практически не ограничены, но процесс его производства дорогостоящ. Кроме того, переработка растительного сырья (кукуруза, сахарный тростник и т.д.) при производстве топлива для автомобилей уже сейчас вызывает значительный рост цен на продукты питания. Человек становится перед выбором – есть самому или «кормить» свою машину.

    Метанол (метиловый, древесный спирт) из-за высокого октанового числа и низкой пожароопасности  получил распространение на гоночных автомобилях. Метанол может использоваться в чистом виде, смешиваться с бензином (М85 – 85% метанола, 15% бензина), и служить основой для производства диметилэфира и эфирной добавки - метилтретбутилового эфира.На сегодняшний день в мире потребление диметилэфира составляет около 150 тыс. тонн в год, а метилтретбутиловый эфир в настоящее время замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые.

    Электроэнергию, как энергоноситель для автомобиля получают или в топливных элементах  в процессе реакции водорода и кислорода, или из аккумуляторных батарей. Электроэнергия кардинально решает проблему токсичности отработавших газов, но производство электромобилей очень дорого и в настоящее время они не могут обеспечить достаточного запаса хода. Вместе с тем, работы по созданию гибридных автомобилей, работающих с использованием электричества, приобретают все большее распространение. Сегодня существуют две принципиальные схемы работы гибридных установок: параллельная (parallel) и последовательная (series). При первой колеса приводит и бензиновый мотор (или дизель), и электродвигатель. В другом гибриде двигатель внутреннего сгорания работает лишь на зарядку батарей, а колеса вращает электромотор.

    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.

    Топливо серии Р представляет собой смесь этанола, газоконденсатной жидкости и метилтетрагидрофурана, вспомогательного растворителя, полученного из биомассы. Топливо серии Р имеет высокое октановое число и может использоваться в автомобилях с универсальной топливной системой как в чистом виде, так и в смеси с бензином в любом соотношении.

    Биодизельное  топливо – это альтернативный вид топлива на основе растительных масел или животных жиров. В зависимости  от технологии его производства биодизельное топливо можно разделить на  три основных вида: Синфьюэл (Synfuel), Санфьюэл (Sunfuel), и Биотролл (Biotroll). Синфьюэл получают путем специальной обработки природного газа, Санфьюэл – перегонкой при температуре 1600⁰С любых органических соединений (ил, опилки, уголь, трава, старые лекарства, инсектициды, боевые отравляющие вещества) с последующей обработкой. Биотролл – синтетическое горючее. Биодизельное топливо имеет неограниченные запасы сырья, меньшее количество вредных веществ в отработавших газах и позволяет получить требуемые характеристики топлива. В Австрии такое топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка дизельного топлива. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным. Компания «ЛУКойл» построила в России завод по производству «биодизеля».

    Однако  из всех альтернативных возобновляемых источников энергии наилучшие перспективы  имеет водород. Этот газ можно  получать буквально из всего: из природного газа, океанской воды, биомассы, воздуха. Водород можно сжигать в двигателе  внутреннего сгорания или получать из него электричество в топливных элементах. Водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси. Сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь. Перевод на водород обычных двигателей внутреннего сгорания не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы. В сентябре 2002 г. ЕС принял долгосрочную (50 лет) программу перехода к "интегрированной водородной экономике" в масштабах всей Европы. А в США активно изучают возможности использования технологии водородных топливных ячеек для энергопитания военной бронетехники.

    В обозримом будущем запасов нефти на планете не станет  хватать для обеспечения нужд человечества. И тогда единственным доступным источником энергии для автомобильной техники станут альтернативные виды топлива. Процессы поиска оптимально подходящих для автомобилей источников энергии и разработки конструкции транспортных средств под новые виды топлива крайне долог и дорогостоящ. Чтобы оказаться готовыми к истощению нефтяных запасов, уже сегодня следует заниматься изучением альтернативных видов топлив для автомобильной техники. [ 1]  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Использование спиртов как добавок  к нефтяным топливам

  Высокие антидетонационные свойства метанола в сочетании с возможностью его  производства из ненефтяного сырья  позволяют рассматривать этот продукт  в качестве перспективного высокооктанового компонента автомобильных бензинов. Оптимальная добавка метанола — от 5 до 20%; при таких концентрациях бензино-спиртовая смесь характеризуется удовлетворительными эксплуатационными свойствами и дает заметный экономический эффект. Добавка метанола снижает теплоту сгорания топлива и стехиометрический коэффициент при незначительных изменениях теплоты сгорания смеси. 

  Вследствие  изменения стехиометрических характеристик  использование 15%-й добавки метанола (смесь М15) в стан¬дартной системе питания ведет к обеднению топливовоздушной смеси примерно на 7%. В то же время при введении метанола повышается октановое число топлива (в среднем на 3—8 единиц для 15%-й добавки), что позволяет компенсировать ухудшение энергетических показателей за счет повышения степени сжатия. Одновременно метанол улучшает процесс сгорания топлива благодаря образованию радикалов, активизирующих цепные реакции окисления. Исследования горения бензино-метанольных смесей в одноцилиндровых двигателях со стандартной и послойной системами смесеобразования показали, что добавка метанола сокращает период задержки воспламенения и продолжительность сгорания топлива. При этом теплоотвод из зоны реакции снижается, а предел обеднения смеси расширяется и становится максимальным для чистого метанола.

  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 NO при этом уменьшились в среднем соответственно на 38 и 8% для всей группы автомобилей.

  Одной из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение добавок метанола, является низкая стабильность бензино-метанольных смесей и особенно чувствительность их к воде. Различие плотности бензина и метанола и высокая растворимость последнего в воде приводят к тому, что попадание даже небольших количеств воды в смесь ведет к ее немедленному расслоению и осаждению водно-метанольной фазы. Склонность к расслоению усиливается с понижением температуры, увеличением концентрации воды и уменьшением содержания ароматических соединений в бензине. Например, при содержании от 0,2 до 1,0% (об.) воды в топливной смеси температура расслаивания повышается от —20 до +10°С, т. е. такая смесь практически непригодна для эксплуатации.

  Для стабилизации бензино-метанольных  смесей используют присадки — пропанол, изопропанол, изобутанол и другие спирты. При содержании воды 600 млн-1 помутнение обычной смеси М15 начинается уже при —9°С, при —17°С — смесь расслаивается, а при —20°С наступает практически полная дестабилизация. Добавка 1% изопропанола снижает температуру расслоения почти на 10°С, а добавка 25% —сохраняет стабильность смесей М15 даже с низким содержанием ароматических соединений в бензине практически до —40°С в широком диапазоне содержания воды.

  В связи с высокой стоимостью и  ограниченностью производства стабилизаторов бензино-метанольных смесей предложено использовать смесь спиртов, главным образом изобутанола, пропанола и этанола. Такая стабилизирующая присадка может быть получена в едином технологическом цикле совместного производства метанола и высших спиртов. Добавка даже небольших количеств метанола изменяет фракционный состав топлива. В результате усиливается склонность к образованию паровых пробок в топливоподающих магистралях, хотя при чистом метаноле это практически исключается из-за его высокой теплоты парообразования. Согласно расчетам, для 10%-й смеси метанола с бензином образование паровых пробок возможно при температурах окружающего воздуха на 8—11°С ниже, чем для базового топлива. Корректировка фракционного состава базового топлива возможна путем снижения содержания легких компонентов с учетом последующей добавки метанола.