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
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»
РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: