Альтернативные виды топлив

Альтернативные виды топлив

Альтернативные виды топлив 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.

 

 

Альтернативные виды топлива

 

Альтернативное ископаемое топливо 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) [12] 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.3 «Характеристики метилэфиров жирных кислот (FAME) в соответствии стребованиями стандарта DIN EN 14214 (действует с апреля2010)»).

Характеристики метилэфиров жирных кислот (FAME) в соответствии стребованиями стандарта DIN EN 14214 (действует с апреля2010)

Американский стандарт биодизеля ASTM D6751 [13] 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 [14];
  • 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) [15], табл.4 «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.

Характеристики парафиновых дизельных топлив в соответствии со спецификацией CWA 15940 (действующей с февраля 2009)

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 жидких топлив и углеводородов»

 

Свойства жидких топлив и углеводородов

 

Таблица «Свойства газообразных топлив и углеводородов»

 

Свойства газообразных топлив и углеводородов

В следующей статье я расскажу о тормозных жидкостях и антифризах.

 

Литература для статей об автомобильном топливе:

[1] DIN EN 228: 2008, Automotive fuels — Un­leaded petrol — Requirements and test methods.

[2] ASTM D4814-09b, Standard Specification for Automotive Spark-Ignition Engine Fuel

[3] E DIN 51626-1:2010-04, Kraftstoffe fur Kraft- fahrzeuge — Anforderungen und Prufverfahren Teil 1: Ottokraftstoff ЕЮ und Ottokraftstoff E5

[4] EN ISO 5164:2005, Petroleum products — De­termination of knock characteristics of motor fu­els — Research method (ISO 5164:2005).

[5] EN ISO 5163:2005, Petroleum pro­ducts — Determination of knock characteristics of motor and aviation fuels-Motor method (ISO 5163:2005).

[6] DIN EN 590: 2009, Automotive fuels — Diesel — Requirements and test methods.

[7] ASTM D975-09b, Standard Specification for Diesel Fuel Oils.

[8] EN ISO 5165:1998, Petroleum pro­ducts — Determination of the ignition qua­lity of diesel fuels-Cetane engine method (ISO 5165:1998).

[9] EN ISO 12156-1:2006, Diesel fuel-As­sessment of lubricity using the high-frequency reciprocating rig — Part 1: Test method (ISO 12156-1:2006).

[10] DIN 51624: 2008, Automotive fuels — Com­pressed natural gas — Requirements and test methods.

[11] DIN EN 589: 2008, Automotive fuels — LPG — Requirements and test methods.

[12] DIN EN 14214: 2010, Automotive fuels — Fatty acid methyl esters (FAME) for diesel engi­nes — Requirements and test methods.

[13] ASTM D6751-09, Standard Specification for Biodiesel Fuel Blend Stock (B100) for Middle Distillate Fuels.

[14] L.Konig, J. Gaube: Fischer-Tropsch-Syn- these, Neuere Untersuchtung und Entwicklun- gen. Article in Chemie — Ingenieur — Technik, Volume 55/1,1983.

[15] CWA 15940:2009, Automotive fuels — Par­affinic diesel from synthesis or hydrotreatment — Requirements and test methods.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *