CC BY
51ш
•'»в
Перспективные топлива для двигателей внутреннего сгорания автотранспортных средств
А.С. Клементьев,
бакалавр техники и технологии
Продолжительное время отечественный топливно-энергетический комплекс использовал энергоносители преимущественно нефтяного происхождения. Однако в последние годы наметилась тенденция к снижению роли нефти и нефтепродуктов в российской экономике. Это объясняется снижением темпов роста добычи нефти, вызванным выработкой крупных месторождений, незначительным вводом в эксплуатацию новых месторождений, заметным сокращением инвестиций в поисково-разведочные работы, отсутствием эффективных технологий добычи, обеспечивающих высокую отдачу нефтяных пластов. Поэтому ожидаемый подъем национальной экономики неизбежно будет сопровождаться дефицитом нефти и нефтепродуктов, что создает предпосылки к более широкому использованию других энергетических ресурсов [1].
В качестве сырьевой базы перспективных моторных топлив для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) могут использоваться как не-возобновляемые источники энергии - полезные ископаемые (нефть, газ, уголь и др.), так и возобновляемые ресурсы - растительные масла, животные жиры, биомасса, древесина, сельскохозяйственные и бытовые отходы и др. [2, 3].
Нефтяные и альтернативные виды моторного топлива условно разделяются на три группы [1]. К первой группе можно отнести смесевые топлива, содержащие нефтяные топлива с добавками ненефтяного происхождения (спиртами, эфирами и др.). Сме-севые топлива по эксплуатационным свойствам, как правило, близки к традиционным нефтяным топливам. Вторая группа включает синтетические жидкие топлива, приближающиеся
по свойствам к традиционным нефтяным топливам. Эти виды топлива получаются при переработке твердых, жидких или газообразных полезных ископаемых (угля, горючих сланцев, природного газа и газовых конденсатов и т. д.). Третью группу составляют ненефтяные топлива (спирты, эфиры, газообразные топлива), существенно отличающиеся по физико-химическим свойствам от традиционных нефтяных топлив.
Наиболее перспективными из альтернативных топлив являются те, которые получают из газового сырья, угля и сланцев, а также топлива из сырья растительного происхождения [2,4-6].
В настоящее время первое место в мире по потреблению на транспорте среди альтернативных видов моторных топлив занимают сжиженные углеводородные газы или пропан-бу-
тановые смеси (СУГ), получаемые при переработке нефтяного (попутного) газа. В России СУГ также является наиболее распространенным видом альтернативного топлива, так как имеет более низкую себестоимость производства по сравнению с традиционными моторными топливами
- бензинами [7, 8].
Одним из наиболее перспективных энергоносителей на транспорте является природный газ [2, 3, 7, 8]. Метан
- очень ценное энергетическое сырье. Он является главной составной частью природного газа (=97-99%). В природе метан образуется главным образом в ходе ферментативной переработки клетчатки. Естественными источниками выделения этого горючего газа являются болота, озера, тундра и насекомые (в основном термиты) [14]. Мировая потребность в природном газе обеспечена на 70 лет разведанными рентабельными запасами, составляющими 136 трлн. м3, при этом среднегодовая мировая добыча природного газа равна примерно 2 трлн. м3. Россия обладает 35% мировых запасов газа, и ее газовая промышленность продолжает динамично развиваться. В настоящее время на Россию приходится более четверти всей мировой добычи природного газа. При этом российский газ составляет три четверти всего европейского импорта газа [1].
По данным РАО ЕЭС, в России при использовании природного газа в качестве топлива вырабатывается около 70% электроэнергии, получаемой из полезных ископаемых (остальные 30% - из угля и мазута). Возможно также использование этой электроэнергии в качестве энергоносителя для электромобилей, работающих на электричестве от аккумуляторных батарей, размещенных на борту транспортного средства. Использование электромобилей кардинально реша-
ет проблему снижения токсичности отработавших газов (ОГ) двигателей, появляется возможность использования электроэнергии, получаемой из любого энергоносителя.
Однако электроэнергия как вид энергоносителя для транспорта имеет ряд существенных недостатков, к которым можно отнести ограниченный запас хода электромобиля, отсутствие развитой сети зарядки аккумуляторных батарей, большое время их зарядки, увеличенные эксплуатационные расходы энергии, высокая первичная стоимость электроэнергии и энергоемких аккумуляторных батарей, ограниченный срок их службы.
В качестве наиболее распространенного источника энергии в электромобиле рассматривается свинцо-во-кислотные батареи, являющиеся наиболее дешевым типом аккумуляторных батарей. Стандартный комплект свинцово-кислотных аккумуляторов для электромобиля средней массы стоит порядка 3000 долл. США [1, 7, 8]. Однако такие батареи обеспечивают запас хода транспортного средства без подзарядки всего около 150 км. Средний ресурс работы этих батарей не превышает и трех лет. Цена электромобилей значительно превышает цену автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями.
Другим направлением использования природного газа является синтезирование из него жидких топ-лив, близких по своим свойствам к традиционным моторным топливам. При этом природный газ окисляется в присутствии катализатора в синтез-газ, содержащий монооксид углерода СО и водород Н2 [3]. Моторные топлива из синтез-газа синтезируются с использованием процесса Фишера-Тропша или с помощью так называемого МоЫ!-процесса через промежуточное получение метанола. Причем, из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г жидких углеводородов.
Нет сомнений - через несколько лет в резервуарах АЗС можно будет найти и биоэтанол, и «санфьюэл» (напомним: словом $иг^ие! обозначают синтетическое жидкое топливо, полученное из биомассы или органичес-
ких отходов, а $уг^ие! - то же самое, но синтезированное, например, из ископаемого природного газа) [8, 9].
За рубежом производство синтетических моторных топлив из природного газа освоено в промышленном масштабе. В России разработка процессов превращения природного газа в синтетические топлива ведется, в основном, на уровне лабораторных исследований в ряде академических и отраслевых институтов. В настоящее время себестоимость производства синтетических топлив из природного газа дороже нефтяных. Но в перспективе цены этих топлив постепенно будут выравниваться, и ожидается, что к 2010 г. потребление синтетических топлив из газа в России составит 0,5 млн. т в год.
Попутный нефтяной газ, угольный (шахтный) газ, биогаз, канализационный газ на 70-89% состоят из метана и также применяются в качестве газомоторного топлива в двигателях внутреннего сгорания [3].
В качестве перспективных альтернативных топлив, получаемых из природного газа, рассматриваются также метиловый спирт (метанол), этиловый спирт (этанол) и д и метиловый эфир [2-5, 7, 8]. Причем их синтезирование возможно из любого другого углеродсодержащего сырья (угля, сланцев, торфа, древесины), а также отходов промышленного и сельскохозяйственного производств. По своим свойствам названные спиртовые топлива пригодны как для использования в двигателях с принудительным воспламенением, так и для применения в дизелях.
Одним из наиболее перспективных спиртовых топлив является метанол, промышленное получение которого освоено во многих странах. Но себестоимость производства метанола по сравнению с традиционными моторными топливами значительно выше.
Спиртовые топлива обладают рядом существенных недостатков, среди которых следует отметить их токсичность (особенно это касается метанола), коррозионную активность и агрессивность по отношению к алюминиевым сплавам, резинам и другим конструкционным материалам [3, 7, 8].
Запуск таких двигателей при низких температурах крайне проблематичен, для достижения того же пробега, что и на дизельном топливе, требуется бак, в два раза больший по размерам. И выбросы пресловутого СО2 у метанольных ДВС не ниже (как утверждают специалисты компании «Вольво»), а намного выше, чем у традиционных дизелей!
В Швеции уже несколько лет эксплуатируются автобусы, работающие на этаноле. А финны даже поговаривают о возможности внедрения синтетического дизтоплива в автобусных парках Хельсинки [10].
Недорогой биобензин мог бы уже давно появиться и на наших автозаправках: действующий ГОСТ разрешает добавлять в горючее 5-10% этилового спирта. Себестоимость биоэтанола значительно меньше, чем у бензина - в среднем около 0,2 евро за 1 л. По оценкам специалистов, в России 1 л такого спирта будет стоить около 10 руб. Бензин с этой присадкой выходит дешевле, чем традиционное горючее. Однако широкое использование биоэтанола при производстве топлива тормозят высокие акцизы. На сам спирт они составляют 23 руб. за 1л, а на спиртосодержащую продукцию - 162 руб. за 1 л. В результате стоимость биобензина оказывается в несколько раз выше, чем обычного [11].
В последнее время в качестве одного из наиболее перспективных альтернативных моторных топлив для дизелей рассматривается ди-метиловый эфир (ДМЭ) [7, 8]. Преимуществами этого вида альтернативного топлива являются высокое цетановое число, соизмеримое с це-тановым числом штатных дизельных топлив, и хорошие экологические качества двигателей, работающих на ДМЭ. Однако пока цена ДМЭ превосходит цену традиционных моторных топлив.
Реальным резервом моторных топлив, особенно для локального использования, являются газовые конденсаты, запасы которых в республиках бывшего СССР оцениваются в 1,2 млрд. т (около 10% от запасов нефти) [3, 12, 13]. Газовый конденсат представляет собой смесь углеводоро-
ш
•'»в
дов, конденсирующихся при добыче природного и попутного нефтяного газов. На некоторых месторождениях содержание газового конденсата достигает 0,5 м3 на 1 м3 газа.
Следует отметить, что газовый конденсат относительно дешев и по составу близок к моторным топли-вам, поэтому широко используется в местах добычи нефти и газа в качестве топлива для «всеядных» двигателей. Однако широкое применение газового конденсата на транспорте сдерживается неэффективностью сбора и транспортировки его небольших количеств на промыслах. Определенные сложности возникают при перекачке газового конденсата по трубопроводам из районов крупных месторождений, что обусловлено значительным содержанием в его составе нормальных парафинов, имеющих высокие температуры застывания [3].
Наиболее перспективным сырьем для производства моторных топлив для транспорта в ближайшем будущем считается уголь. В мировых запасах ископаемых энергоресурсов на каменный уголь приходится 80-85% суммарного энергосодержания [1, 13]. Доказанные мировые запасы угля составляют 16 трлн. т, из них 4 трлн. т - доступные рентабельные запасы. При современном уровне добычи угля этих запасов хватит на 200-250 лет. Первое место по запасам угля в мире занимает Китай, за ним следуют США и Россия [14].
Использование угля в качестве энергоносителя на транспорте возможно путем его сжигания на теплоэлектростанциях с последующим использованием полученной электроэнергии в электромобилях [6]. Другой способ заключается в использовании в качестве топлива для дизелей смесей (суспензий) угольной пыли с дизельным топливом, альтернативными топливами или водой [15]. Однако наиболее перспективным представляется производство синтетических моторных топлив из угля. Такие топлива можно получить или прямым синтезом из продукта газификации угля - синтез-газа (процесс Фишера-Тропша), или через промежуточное получение метанола [3].
Синтетические моторные топлива из угля дороже дизельных топлив из нефти, поэтому в России этот вид топлив в настоящее время не используется. Однако их синтезирование на месте добычи относительно дешевых видов угля (например, Канско-Ачин-ского месторождения) может стать рентабельным уже в ближайшем будущем [16].
Вероятным сырьем для производства моторных топлив в будущем являются природные смолы (битумы и тяжелые нефти), содержащиеся в полутвердом и твердом состоянии в горючих сланцах и нефтеносных (битуминозных) песках [13]. В настоящее время производство синтетических топлив из горючих сланцев хотя и дешевле, чем из угля, но уступает по себестоимости производству традиционных нефтяных топлив.
Синтетические моторные топлива, аналогичные топливам нефтяного происхождения, могут быть получены из биомассы путем ее газификации водяным паром при повышенных температуре и давлении в присутствии катализатора [1, 3]. Из 1 кг сырья синтезируют 120-150 г жидких углеводородов.
Перспективны в качестве моторных топлив растительные масла (биодизель): подсолнечное, рапсовое, хлопковое, соевое, льняное, пальмовое, арахисовое, сурепное и др. [1, 2, 3]. Поскольку основой растительных масел являются жирные кислоты, содержащие углеводородную группу СхНу, соединенную с группой СООН, то они могут использоваться в качестве моторных топлив [1]. Причем, теплота сгорания растительных масел близка к теплоте сгорания традиционных дизельных топлив [1].
Наиболее перспективным для использования в качестве топлива для дизелей является рапсовое масло, которое может быть использовано как самостоятельное топливо для дизелей или переработано в метиловый или этиловый эфиры рапсового масла. Последние, в свою очередь, используются или как самостоятельное биотопливо, или как смесевое (в смеси с дизельным топливом).
Метиловый эфир рапсового масла получают в результате прямой
переэтерификации жирных кислот рапсового масла с метиловым спиртом (метанолом) при температуре 80-90°С в присутствии катализатора -гидроксида калия (едкого калия). При переэтерификации из 1040 кг рапсового масла и 144 кг метанола получают 1 т метилового эфира рапсового масла и около 200 кг глицерина [1].
Самым дорогим источником биоэнергии на сегодня является рапс: каждый полученный из него 1 ГДж обходится в 16,7 евро. Почти вдвое дешевле сахарная свекла - 9,2 евро/ ГДж. Британский лорд Рукер уже открыл в Уиссингтоне (Англия) завод по перегонке ее в биоэтанол. 70 млн. л спирта получаются здесь из 110 тыс. т свеклы. Еще примерно вдвое дешевле обойдется энергия из древесных опилок [9].
Кроме рассмотренных топливно-энергетических ресурсов, в качестве потенциальных энергоносителей могут рассматриваться также получаемые из различного сырья индивидуальные углеводороды (бензол, гептан, октан и др.), смесевые топлива (смеси дизельного топлива со спиртами, эфирами и другими альтернативными топливами, бензо-метанольные и многокомпонентные смеси, водотопливные эмульсии), продукты утилизации отработанных смазочных материалов, топлива животного происхождения.
Среди альтернативных энергоносителей для транспорта следует особенно отметить водород, а также водородсодержащие топлива (синтез-газ - Н2+СО). Водород обладает чрезвычайно высокой энергоемкостью (теплотворная способность почти в три раза больше, чем у традиционных нефтяных топлив) и уникальными экологическими качествами [1, 2, 3]. Основными проблемами применения чистого водорода являются отсутствие инфраструктуры его производства в необходимых для транспортировки количествах, сложность хранения и заправки им автомобилей. Себестоимость получения водорода в 2-10 раз выше себестоимости получения традиционных жидких топлив или природного газа [7, 8].
В последнее время большой интерес вызывает использование на
lfffffTiTHTTrH.il- ШШиДДи
«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (6) ноябрь 2008 г.
автомобилях топливных элементов
- устройств, генерирующих электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства. В качестве водородсодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол. Преимуществами топливных элементов являются их высокий КПД, низкий уровень шума, нулевой или близкий к нулевому уровень выбросов вредных веществ, возможность использования возоб новляемых энергетических ресурсов.
Однако существуют и серьезные недостатки. В настоящее время стоимость крупномасштабного производства топливно-элементных систем пока на порядок превышает стоимость, которую необходимо иметь для конкурентоспособности с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) [2, 7, 8]. Потребности в платине, необходимой для создания каталитического покрытия электродов топливных элементов, слишком велики и не могут быть обеспечены промышленностью. Существует и еще ряд проблем, которые необходимо решить при создании автомобилей с топливными элементами. Среди них - недостаточная долговечность компонентов этих элементов (менее 5000 ч), большое время подготовки их к работе (6-20 мин), отсутствие инфраструктуры для получения, хранения и распределения водорода или метанола и др. Причем, эти проблемы настолько серьезны, что не дают оснований на перспективы массового внедрения этих силовых установок на транспорте в ближайшие 10-15 лет.
Американский Центр водородных двигателей, что находится в штате Айова, предлагает другой вариант - перевести автомобили на безводный аммиак NH3. Вернее, на смесь - 95% аммиака и 5% водорода. Такое топливо сгорает, образуя водяные пары и вредные окислы азота (N0^, но их уже умеют обезвреживать с помощью каталитического нейтрализатора.
Авторы идеи отдают себе отчет в том, что аммиак токсичен и охотно вступает в реакцию с другими веществами. Тем не менее, хранить и транспортировать его все равно проще,
нежели водород, а в производстве он гораздо дешевле [17].
Профессор Ульрих Бюнгер утверждает, что если «засеять» поле не сырьевой культурой, а солнечными батареями или ветряками, то с гектара можно будет снять в 10 (!) раз больше энергии, чем даст «выращенное» топливо. С учетом высокой эффективности топливных элементов этой энергии хватит, чтобы заправить водородом в 20 раз больше легковых авто! Единожды установив панели фотоэлементов, не придется думать об особом уходе - разве что пыль сметать.
Есть и другие экзотические проекты получения даровой энергии. Напри мер, американский инженер Энтони Мамо предложил соединить области с традиционно повышенным и пониженным атмосферным давлением длинной трубой с турбиной на конце. Его расчеты показали: даже при разнице давлений на входе и выходе в 0,03 бар через 200-300 км в
трубе будет дуть сверхзвуковой ветер - вот вам сотни мегаватт «от гидро-метеоцентра» [9]!
Проведенный анализ тенденций развития топливного баланса показывает, что проблема обеспечения «всеядности» двигателей внутреннего сгорания становится в настоящее время все более актуальной. В то же время при переводе ДВС на альтернативные топлива возникает ряд проблем, обусловленных различиями физико-химических свойств топлив.
Любое топливо имеет свои преимущества и недостатки, среди которых самыми важными являются [2]:
■ производственные издержки;
■ доступность для потребителя;
■ воздействие на окружающую среду;
■ необходимость приспособления двигателя к процессу питания новыми топливами;
■ безопасность использования;
■ одобрение потребителем.
Литература
1. Девянин С.Н., Марков В.А., Семенов В.Г. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей. - Харьков: Новое слово, 2007. - С. 452.
2. Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М.: Изд-во МАДИ (ТУ), 2000. - С. 311.
3. Клементьев С.М., Пономарев В.М., Федоров В.М. Автомобильные топлива XXI века: Учебное пособие. - Чайковский-Екатеринбург: Изд-во института экономики УрО РАН, 2008. - С. 139.
4. Звонов В.А., Козлов А.В., Теренченко А.С. Оценка традиционных и альтернативных топлив по полному жизненному циклу. - Автостроение за рубежом. - 2001. - № 12. - С. 14-20.
5. Терентьев Г.А., Тюков В.М., Смаль Ф.В. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. - М.: Химия, 1989. - С. 272.
6. Шкаликова В.Н., Патрахальцев Н.Н. Применение нетрадиционных топлив в дизелях. - М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 1993. - С. 64.
7. Кириллов Н.Г. Альтернативные моторные топлива XXI века. - АГЗК+АТ. - 2003, № 3 (9). - С. 58-63.
8. Клементьев А.С., Федоров В.М. Альтернативные виды топлива: проблемы выбора ближайшей перспективы. - АГЗК+АТ - 2006, № 3 (27). - С. 63-65.
9. Воробьев-Обухов А. Сколько литров с гектара? - За рулем. - 2008, № 5. - С. 206-207.
10. Чернявский М. Биосолярка, навоз и банановые шкурки. - Клаксон. - 2007, № 22. - С. 124-125.
11. Чернявский М. На спирту. - Клаксон. - 2007, № 9. - С. 5.
12. Пьядичев Э.В. Расширение ресурсов дизельных топлив за счет газовых конденсатов. - Ташкент: Изд-во «Фан», 1990. - С. 112.
13. Смаль Ф.В., Арсенов Е.Е. Перспективные топлива для автомобилей. - М.: Транспорт, 1979. - С. 151.
14. Кириллов Д. Газ из угля. - Газпром. - 2005, № 7-8. - С. 18-21.
15. Круглов М.Г., Иващенко Н.А., Грехов Л.В. Проблемы создания и исследование опытного дизеля на угольных суспензиях. - Двигатель. - 97: Междунар. науч.-тех. конф. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - С. 113.
16. Радченко Е.Д., Касаткин Д.Ф., Энглин Б.А. и др. Свойства топливных фракций, полученных гидрогенизацией Канско-Ачинского угля. - Химия и технология топлив и масел. - 1983, № 3. - С. 4-6.
17. Воскресенский А. Двигатель на... аммиаке. - Авторевю. - 2007, № 12. - С. 14.
