CC BY
20
УДК 62-5
Снижение углеродного следа автотранспорта на основе глобального применения диметилового эфира и метанола в структуре перспективной водородной энергетики
ИА Лешаков1, М.Н. Ерофеев1*, ВА Попович1, С.С. Амелин1
1 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук, Российская Федерация, 101000, г. Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4 * E-mail: [email protected]
Тезисы. В настоящее время в России, как и во всем мире, актуальна задача снижения углеродного следа от эксплуатации существующего парка автомобильного транспорта. Несмотря на заметный общемировой прогресс в этой области, обусловленный введением в эксплуатацию автомобилей с электроприводом с питанием от литиевых батарей различных модификаций, а так же электромобилей на водородных топливных элементах, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) еще долгое время обречены оставаться основными типами двигателей автотранспортной техники и в особенности тяжелой промышленной ее части по причинам как огромного их числа (во всем мире сейчас насчитываются более 1,2 млрд автомобилей с ДВС), так и главном образом наличия наиболее удобной и глубоко развитой инфраструктуры производства и ремонта ДВС, а также развитой инфраструктуры топливозаправочного хозяйства.
В статье предлагается вариант продолжения использования существующего парка автотранспортных средств с ДВС при минимальном углеродном следе от их эксплуатации, учитывающий возможный переход мировой экономики и энергетики к использованию водорода в качестве основного энергоносителя.
Ключевые слова:
газовая транспортная энергетика, синтез
углеводородов, двигатель внутреннего сгорания.
В 2020 г. в ЕС, а также в 2021 г. в России приняты стратегии, направленные на глобальное внедрение водородной энергетики. При этом общая стратегия ЕС является наиболее жесткой, поскольку предполагает прекращение эксплуатации на территории Евросоюза за следующие 30 лет всего автотранспорта, использующего в качестве моторного топлива ископаемые углеводороды любого вида [1]. В этом ключе возникает вопрос выведения из эксплуатации существующего парка двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и прекращения использования так называемых невозобновляемых источников сырья для производства моторных топлив.
В то же время, текущее глобальное внедрение водородной энергетики позволяет серьезно рассматривать водород не только как чистый потенциальный источник энергии, но и как основное производственное сырье в топливно-энергетической сфере. Этот факт сегодня необходимо дополнительно рассмотреть в разрезе уже имеющихся технологий применения альтернативных водородсодержащих топлив, а именно синтетических углеводородов.
Ни для кого не секрет, что при реализации планов построения водородной энергетики неизбежно возникнут глобальные вопросы транспортировки и хранения водорода в чистом виде, причем как на месте его производства, так и в местах его использования, в том числе на борту автотранспортных средств. В компримированном виде он, как и трудносжижаемый метан, имеет слишком малый объем для получения приемлемого пробега автотранспорта, сравнимого с таковым на традиционных углеводородных топливах, и по этой причине водород не является каким-то сверхэнергичным газообразным энергоносителем. На 1 л газообразного водорода приходится всего 4,4 МДж энергии, тогда как на 1 л бензина - 31,6 МДж. В то же время, жидкий водород возможно хранить и транспортировать только при сверхнизких температурах до минус 260 °С, при этом имея заметные потери энергии (от 25 до 45 % [2])
Синтез углеводородов
С°2 + Н2
Метанол, ДМЭ
К
стадиях процесс синтеза выглядит следующим образом:
СО2 + 3Н2 ^ СН3ОН + Н2О -получение метанола из углекислого газа и водорода; (1)
СО,
Использование углеводородов в ДВС
2СН3ОН ^ СН3ОСН3 + Н2О -дегидратация метанола с получением ДМЭ [5].
(2)
Рис. 1. Циркуляция углекислого газа с использованием водорода
при первоначальном сжижении энергоносителя плюс значительные потери самого энергоносителя при дальнейшем его хранении и транспортировке в сжиженном виде. И эти вопросы грядущей водородной энергетики на текущий момент еще не обрели внятных перспектив решения.
Описанная ситуация подталкивает к пристальному рассмотрению известной концепции применения в качестве альтернативного топлива для ДВС простых синтезируемых углеводородных соединений, дополненной схемой организации производства синтетических углеводородных соединений напрямую из водорода и углекислого газа. При этом углекислый газ предполагается забирать из атмосферы, где он оказался при сгорании этих же углеводородных соединений в ДВС. В этом случае появляется возможность организовать замкнутую систему углеродного цикла со стремящимся к нулю углеродным следом от эксплуатации ДВС (рис. 1). Наиболее подходящими с точки зрения работы существующих ДВС синтетическими углеводородными соединениями являются метанол для двигателей с искровым зажиганием и диметиловый эфир (ДМЭ) для дизельных ДВС.
Синтез углеводородов
Способы получения метанола напрямую из водорода и углекислого газа давно известны и используют методы каталитического синтеза [3, 4]. Следующим этапом непосредственно из метанола возможно получать ДМЭ также уже известным способом дегидратации. В упрощенном виде в результирующих
Технологически в настоящее время разработаны несколько способов каталитического синтеза метанола, а дальнейшая каталитическая дегидратации метанола с получением ДМЭ уже применяется на практике, так что принципиальных технологических трудностей на пути внедрения такой схемы в промышленность нет. Данная последовательная схема синтеза двух необходимых топлив может быть реализована в едином производственном кластере.
Практическое применение синтетических углеводородов на автотранспорте
Применение метанола в бензиновых двигателях общеизвестно и уже неоднократно апробировано в массовом сегменте. Кардинальных изменений конструкции двигателя при переходе на это топливо не требуется. Хранится и заправляется метанол аналогично бензину и диз-топливу, и при его использовании в полной мере может быть задействована существующая заправочная инфраструктура.
Если метанол применять вкупе со стандартным бензиновым двигателем без каких-либо изменений, наблюдаются некоторая потеря мощности двигателя и увеличение расхода топлива в связи с меньшей энергоемкостью метанола по сравнению с бензином (примерно 22 против 44 МДж/кг), однако октановое число метанола в более 100 единиц позволяет увеличить степень сжатия искрового ДВС, тем самым восстановив мощность и экономичность двигателя до прежних значений.
Экологические показатели при работе ДВС на метаноле многократно превышают таковые при работе на бензине. Помимо практически полного отсутствия сажи кардинально снижаются выбросы окислов азота и СО.
Известно, что метанол является ядовитым веществом, однако при упоминании этого факта большинство забывает о том, что даже привычный всем бензин, дизельное топливо,
пропан являются в той или иной степени опасными для здоровья токсичными веществами. При ближайшем рассмотрении опасных свойств метанола выясняется, что при стандартных мерах предосторожности при обращении с ядовитыми жидкостями, которые повсеместно применяются в автомобильной технике, например с этиленгликолем, метанол может быть вполне безопасен для использования. Санитарными правилами запрещается изготовление на основе метанола некоторых продуктов, применяемых в быту и выпускаемых в торговую сеть (мастик, нитролаков, клеев и др.), использование же метанола в виде горючего не запрещено.
Работа дизельных двигателей на ДМЭ возможна и доказана. Но в отличие от метанола, на текущий момент массового применения ДМЭ в качестве топлива не было. В России, США, Японии, странах Европы существуют рабочие образцы дизельной техники, работающей на ДМЭ. При применении ДМЭ в дизельном двигателе кардинальным изменениям в конструкции двигателя подвергается лишь система подачи топлива, которая может быть полностью аналогична популярному газобаллонному оборудованию (ГБО) на пропан-бутане.
Хранится и заправляется ДМЭ аналогично пропан-бутану, и при его использовании в полной мере будет задействована существующая газовая топливозаправочная инфраструктура. Энергоемкость ДМЭ также ниже, чем у дизельного топлива - 27 против 42 МДж/кг. Однако более высокое цетановое число ДМЭ, а также более полное сгорание из-за наличия в составе топлива кислорода позволяют не терять мощности двигателя при улучшении экологических показателей (таблица). Увеличенный массовый расход топлива может быть вполне компенсирован отсутствием необходимости использовать дорогую топливную аппаратуру,
увеличенной надежностью двигателя и, соответственно, меньшими эксплуатационными расходами, а более низкая температура самовоспламенения ДМЭ относительно дизельного топлива значительно упрощает холодный запуск и фактически снимает потребность в системе предпускового подогрева [6]. Экологические характеристики при работе ДВС на ДМЭ по положительному эффекту аналогичны применению метанола в бензиновых ДВС [7]. Помимо практически полного отсутствия сажи снижаются выбросы окислов азота и угарного газа. ДМЭ не ядовит и не токсичен.
Модернизацию существующих двигателей для работы на ДМЭ имеет смысл производить на базе не так давно получившего распространение ГБО 6-го поколения, где газовое топливо подается из топливного бака непосредственно в цилиндры в сжиженном виде, минуя газовую фазу. На рис. 2 приведена схема модернизации эксплуатируемых дизельных двигателей для работы на ДМЭ на базе существующего ГБО 6-го поколения.
В машинах и агрегатах специального назначения, где в основном не задействованы режимы частичных нагрузок, таких как дизель-генераторные установки, насосное оборудование и пр., возможно использование более простых элементов системы питания с реализацией подачи ДМЭ в цилиндры ДВС в виде воздушно-газовой смеси (рис. 3). Такой способ подачи ДМЭ в двигатель проверялся пока только экспериментально. В процессе экспериментов двигатель работал на изменяемой по соотношению концентраций смеси ДМЭ с пропан-бутаном. Подача смеси производилась методом внешнего смесеобразования через впускной тракт двигателя. По результатам эксперимента в России получены патенты № 2413854 и № 2421503 [8, 9].
Необходимо особо отметить, что переход на ДМЭ для дизельных двигателей и на метанол
Основные физико-химические показатели ДМЭ в сравнении с дизельным топливом
Показатель ДМЭ Дизельное топливо
Низшая теплотворная способность, МДж/кг 27,6 42,5
Плотность, г/мл 0,66 0,84
Цетановое число > 55 40...55
Температура самовоспламенения, °С 235 250
Стехиометрическое соотношение 9,0 14,0
Температура кипения, °С -25 180.370
Теплота испарения, кДж/кг 460 250
Содержание, % масс., углерода / водорода / кислорода 52,2 / 13,0 / 34,8 86,0 / 14,0 / 0
Рис. 2. Схема модернизации эксплуатируемых дизельных двигателей для работы на ДМЭ на базе существующего ГБО 6-го поколения:
1 - дизельный двигатель; 2 - газовый баллон, рассчитанный на давление 2,0 МПа, со сжиженным ДМЭ; 3 - топливный насос низкого давления (1,5 МПа); 4 - подающая магистраль ДМЭ; 5 - сливная магистраль ДМЭ; 6 - топливный насос высокого давления (10 МПа); 7 - магистраль подачи ДМЭ к форсунке;
8 - форсунка непосредственного впрыска ДМЭ в штатное место свечи накала; 9 - электронный блок управления (ЭБУ) подачи ДМЭ; 10 - переключатель ДМЭ/дизельное топливо; 11 - штатный ЭБУ двигателя;
12 - штатная система подачи дизельного топлива
10
8
11
Д
12 13 н- 14
1
Рис. 3. Схема стендовой установки работы дизельного двигателя на смеси ДМЭ и пропан-бутана с внешним смесеобразованием:
1 - двигатель Д-245; 2 - газовый баллон с ДМЭ; 3 - регулятор расхода ДМЭ; 4 - газовый редуктор-смеситель; 5 - регулятор расхода пропан-бутана; 6 - газовый баллон с пропан-бутаном; 7 - воздушный фильтр; 8 - бак с дизельным топливом (ДТ); 9 - фильтр тонкой очистки ДТ; 10 - топливоподкачивающий насос;
11 - дизельный топливный насос высокого давления;
12 - впускной воздушный коллектор; 13 - топливная форсунка подачи ДТ; 14 - выпускной коллектор
отработавших газов
для бензиновых двигателей возможен по схеме попеременного двухтопливного питания, что делает процесс перехода на предлагаемые топлива в глобальном масштабе максимально гибким и эффективным.
Электротранспорт на водородных ячейках с заправкой углеводородным топливом
Большим плюсом предлагаемой концепции замкнутой системы циркуляции углерода на основе использования ДМЭ и метанола является то, что вариант использования морально устаревающих ДВС не противоречит дальнейшим перспективам развития автомобилей с электрическими двигательными установками, но наоборот в итоге поможет развитию электротранспорта с водородными топливными ячейками.
В настоящий момент внедрение электротранспорта тормозится в основном из-за несовершенства источников питания. Существующие источники питания не обладают достаточными эксплуатационными характеристиками. Например, литий-ионные батареи отличаются ограниченными емкостью и сроком службы, неудовлетворительно долгим временем зарядки, крайней трудоемкостью замены при выходе их из строя. Водородные топливные элементы помимо ограниченной мощности имеют уже вышеназванные недостатки, связанные с хранением водорода на борту автомобиля. Оптимальный на сегодня вариант электромобиля с комбинированным источником питания - батареей и топливной ячейкой на борту - в итоге все равно сталкивается с проблемами хранения водорода.
В этом случае на помощь также приходят синтетические углеводороды. Метанол и ДМЭ возможно использовать и в электромобиле как наиболее удобные носители водорода. Например, заправка такого электромобиля до уровня запаса хода, сопоставимого с бензиновыми и дизельными аналогами, займет всего 5 мин, а хранение водородосодержащего топлива на борту будет происходить с течением времени без потерь.
Водород из углеводородов на борту автомобиля
В начале 2000-х гг. в НАМИ и ИМАШ РАН были разработаны экспериментальные образцы конверсионных установок риформеров для получения водородсодержащих газов (синтез-газа)
4
6
2
из различных углеводородов. На основе данных, полученных в результате экспериментов, было показано, что метанол и ДМЭ - весьма удобное сырье для получения водорода методом паровой конверсии.
СН3ОН + Н20 » 3Н2 + С02. (3)
Энтальпия реакции АН 298 = 49,4 кДж/моль.
Отличительной особенностью паровой конверсии метанола является прежде всего сравнительно низкий температурный уровень процессов, что приводит к небольшим затратам подводимой энергии. Получение водорода паровой конверсией метилового спирта наиболее хорошо изучено особенно на металлических катализаторах, таких как медь, никель, палладий, платина и родий.
Каталитическая реакция паровой конверсии метанола (3) является эндотермической. Необходимость получения пара делает процесс несколько более энергоемким. Однако реакция протекает с хорошими выходами по водороду уже при температурах около 270...350 °С. Известный риформинг метана, повсеместно применяемый в промышленности для получения водорода, протекает при температурах в два раза выше.
В этот период имели место также исследования в Новосибирском институте
ММ 0
Рис. 4. Распределение мольных долей метанола и водорода по длине (Ь) и ширине микроканала 0,5 мм [12]
теплофизики. Численное моделирование течения реагирующей смеси паров метанола и воды в плоском двумерном микроканале с учетом реакций паровой конверсии метанола показало, что химические превращения метанола в водородсодержащий газ проходят при миллисекундных временах контакта с поверхностью катализатора, что подтвердило возможность создать компактный и эффективный реактор для получения водорода с шириной микроканала менее 500 мкм [12]. В процессе исследования получены данные распределения мольных долей метанола и водорода по длине и ширине (0,5 мм) канала при температуре смеси на входе 527 К, скорости газовой смеси на входе 0,67 м/с (рис. 4).
Необходимо учитывать, что паровая конверсия метанола является сложным химическим процессом, состоящим не только из серий реакций на катализаторе, но и из обмена реагентов и продуктов внутри области реакций. В данном каталитическом механизме паровой конверсии метанола реакция (3) дополнена еще двумя реакциями:
СН3ОН + Н20 » 2Н2 + СО; (4)
СО2 + Н2 » 3Н2 + СО + Н2О. (5)
Но даже с учетом реакций (4) и (5) показано, что концентрация водорода на выходе из канала примерно в 3 раза выше концентрации СО2, а концентрация СО достаточно мала (0,27 %), и это говорит о том, что основной реакцией является реакция конверсии метанола (рис. 5).
Скорости реакций (3), (4) и (5) показаны на рис. 6, где реакции (4) и (5), приводящие к появлению СО, имеют существенно меньшую скорость, что дает содержание СО в продуктах реакции меньше 1 %.
В этом контексте уже неудивителен выбор зарубежными компаниями (например, датской компанией BlueWorld) метанола в качестве носителя для получения водорода на борту автомобиля [13]. На текущий момент в BlueWorld созданы и подготовлены к массовому внедрению образцы системы получения электричества из водородных топливных ячеек с риформером метанола для снабжения их водородом (рис. 7).
По информации BlueWorld, начать производство автомобилей с топливным элементом
§ 0,7
0
1 0,6
X
! 0,5
0,4 0,3 0,2 0,1
0
- CO2 - H - CH3OH - H2O .
10
0,05 -,
20
30
40
50
60 L, мм
Рис. 5. Распределение мольных долей метанола и водорода по длине микроканала при его ширине 0,5 мм [12]
X
§ 0,04
8 0,03 ^
л '
о о
g 0,02 О
0,01 -
0 -I
Реакция:
— (3)
— (4)
— (5)
10
20
30
40
50
60
L, мм
Рис. 6. Скорости реакций в щелевом микроканале шириной 0,5 мм при тепловом потоке плотностью 1 кВт/м2 [12]
Зарядка
Метанольный риформер Литиевая батарея
Топливная ячейка Топливный бак с метанолом
Заправка метанолом на АЗС
Рис. 7. Схема электромобиля на метаноле
и метанольным риформером на борту планируется в ближайшем будущем в сотрудничестве с китайской компанией AIWAYS. Естественно, технология производства топливной ячейки с риформером метанола не раскрывается, но показателен сам факт выхода данного продукта на коммерческий рынок.
Декарбонизация и циркуляция углекислого газа
Учитывая запрос на декарбонизацию, грядущее развитие водородной энергетики, необходимость решения проблем транспортировки и хранения водорода на борту электромобилей, эксплуатации существующего парка ДВС с использованием синтетических топлив на основе водорода и углекислого газа, предлагается схема снижения углеродного следа ДВС на основе
системы циркуляции углерода с использованием ДМЭ и метанола в качестве основных энергоносителей (рис. 8).
Важным элементом замкнутой системы циркуляции углерода и снижения углеродного следа от использования топлив, содержащих углерод и выделяющих его в атмосферу, является промышленное извлечение этого углерода из атмосферы. В настоящее время уже активно разрабатываются и имеют хорошие шансы к внедрению системы извлечения углекислого газа из воздуха. Так, например, существует способ, позволяющий добывать углекислый газ напрямую из атмосферы с помощью цикла химических реакций. В канадской компании Carbon Engineering разработан метод, который отличается от уже известных технологий извлечения углекислого газа из воздуха более низкой (по предварительным подсчетам, шестикратно) стоимостью производства (рис. 9) [14]. Углекислый газ, полученный таким образом и использованный для синтеза топлив, полностью решит вопрос углеродного следа не только применительно к автотранспорту, но даже и при простом сжигании этих топлив для получения тепла или электроэнергии на энергетических объектах.
Еще один способ получения метанола из водорода и углекислого газа, находящегося непосредственно в атмосферном воздухе, предложили американские ученые. Ими разработана высокоэффективная низкотемпературная
Ветровая, солнечная, атомная электроэнергия, ГЭС
Кислород
Электролиз воды
Пиролиз природного газа
Рис. 8. Замкнутая система циркуляции углерода на основе использования ДМЭ и метанола в качестве основных энергоносителей с «нулевым» углеродным следом в структуре
«зеленой» водородной энергетики
Рис. 9. Цикл реакций для получения углекислого газа из воздуха компании Carbon Engineering: 1 - первичный воздушный реактор; 2 - промежуточный пеллетный реактор; 3 - реактор разложения карбоната кальция; 4 - известегаситель [10]
каталитическая система в водном растворе с использованием катализаторов на основе рутения при температуре реакции 125.165 °С [15]. Дальнейшее отделение метанола производилось простой перегонкой из реакционной смеси. При этом даже нет необходимости предварительно выделять углекислый газ из воздуха, несмотря на относительно низкую его концентрацию. Определяющим моментом для развития данной технологии может стать, во-первых,
развитие водородной энергетики, так как в реакциях в достаточно большом количестве участвует чистый водород, а во-вторых, повсеместное распространение синтетических углеводородов как энергоносителей. В этом случае все аспекты будут работать в комплексе, дополняя друг друга, обеспечивая циркуляцию углекислого газа в техносфере и предельно низкий углеродный след при использовании синтезируемых углеводородных топлив.
На текущий момент директивный ускоренный переход1 в короткие сроки на водородную энергетику ставит вопросы не только производства, хранения, транспортировки водорода, но и использования в этих условиях существующего парка автотранспортной техники с ДВС.
Синтез метанола и ДМЭ из водорода и углекислого газа возможно реализовать в едином технологическом кластере, где ДМЭ является производной метанола. На входе - Н2 и СО2, на выходе - продукты синтеза и вода.
Использование метанола не требует создания дополнительной инфраструктуры, а существующая инфраструктура газового пропаново-го хозяйства подходит для работы с ДМЭ при минимальной модернизации.
Глобальный переход на ДМЭ для дизельных двигателей и на метанол для бензиновых двигателей возможен по схеме двухтопливного питания, что делает процесс перехода максимально гибким и эффективным.
На данном этапе одной из самых перспективных, а значит, одной из самых главных задач являются разработка и внедрение отечественных устройств паровой конверсии метанола непосредственно на борту автомобиля с выходом чистого водорода для работы в паре с водородными топливными элементами на основе имеющихся отечественных разработок.
Стоит отметить, что коммерческая продажа топлив, компонентом производства которых является углекислый газ, на начальном этапе сможет лишь частично оправдать затраты на извлечение углекислого газа воздуха. Необходимо также понимать, что на текущем этапе любое применение альтернативных синтетических топлив экономически менее выгодно, чем использование ископаемых углеводородов. В связи с этим единственный способ поддерживать развитие данного направления - это использовать законодательный директивный путь, и в этой связи принятие водородной стратегии правительством РФ выглядит оправданным и своевременным, логичным продолжением чего могло бы являться принятие стратегии перехода на применение синтетических углеводородов в качестве основных видов топлив для существующего парка ДВС.
1 Согласно распоряжению Правительства РФ № 2162-р от 5 агуста 2021 г.
Список литературы
1. Громов А. Новая энергополитика ЕС: заменят ли ВИЭ и водород российский газ? / А. Громов // Энергетическая политика. -09.09.2020. - https://energypolicy.ru/a-gromov-novaya-energopoHtika-es-zame/energoperehod/ 2020/16/09/?ysclid=l7iy3uyxqh64257435
2. Шестаков Р.А. Методы хранения водородного топлива / Р.А. Шестаков, С.В. Лаврова // Деловой журнал Neftegaz.RU. - 2021. -
№ 9 (117). - https://magazine.neftegaz.ru/articles/
vozobnovlyaemye-istochniki-energii/697617-
metody-khraneniya-vodorodnogo-topHva
3. Афанасьев С.В. Энергосберегающая технология синтеза метанола /
С.В. Афанасьев // Известия Самарского научного центра РАН. - 2014. - Т. 16. -№ 1 (6). - С. 1685-1688. -https://cyberleninka.rU/article/n/ energosberegayuschaya-tehnologiya-sinteza-metanola/viewer
4. Афанасьев С.В. Технология переработки углекислого газа в метанол / С.В. Афанасьев, Д.И. Трофимов, С.П. Сергеев // Химическая техника. - 2016. - № 3. - https://chemtech.ru/ tehnologija-pererabotki-uglekislogo-gaza-v-metanol/?ysclid=l7ixtum4hj786630528
5. Гимаева А.Р. Особенности производства диметилового эфира и его использование
в качестве перспективного моторного топлива /
A.Р. Гимаева, М.М. Фаттахов, Б.Н. Мастобаев // Нефтегазовое дело. - 2015. - Т. 13. - № 3. -
С. 55-58.
6. Варламов В.Н. Разработка конструкции топливной аппаратуры строительных
и дорожных машин для использования альтернативных видов топлива /
B.Н. Варламов, М.Н. Ерофеев, И.Н. Кравченко и др. - Балашиха: ВТУ, 2009. - 74 с.
7. Ерофеев М.Н. Совершенствование систем очистки отработавших газов двигателей строительных, дорожных, транспортных машин и оборудования / М.Н. Ерофеев,
И.Н. Кравченко, С.С. Амелин и др. - Балашиха: ВТУ, 2011. - 123 с.
8. Патент № 2413854 С1 Российская Федерация. Дизельный двигатель, работающий
на газообразном топливе: № 2009126532/06, заявл. 13.07.2009: опубл. 10.03.2011 / М.Н. Ерофеев, В.С. Ивановский, В.Н. Варламов и др. - 5 с.
9. Патент № 2421503 С2 Российская Федерация. Газообразное топливо для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением
от сжатия: № 2009109139/05, заявл. 13.03.2009; опубл. 20.06.2011 / В.Н. Варламов, М.Н. Ерофеев, И.А. Лешаков. - 5 с.
10. Huang Ta-Jen. Kinetics of partial oxidation
of methanol over a copper zinc catalyst / Ta-Jen Huang, Shiou-Lin Chren // Appl. Catal. - 1988. -Т. 40. - С. 43-47.
11. Alejo L. Partial oxidation of methanol to produce hydrogen over Cu-Zn-based catalysts / L. Alejo, R. Lago, M.A. Pena, et al. // Appl. Catal. A. -1997. - Т. 162. - С. 281-297.
12. Кузнецов В.В. Моделирование паровой конверсии метанола в водород в микроканале с распределенным по длине тепловым потоком / В.В. Кузнецов, С.П. Козлов // Теплофизика и аэромеханика. - 2008. - Т. 15. -№ 3. - С. 541-549.
13. Sherrard A. Groundbreaking held for the world's largest methanol fuel cell factory / Alan Sherrard // Bioenergy International. - 18.09.2019. -https://bioenergyinternational.com/ groundbreaking-held-for-the-worlds-largest-methanol-fuel-cell-factory
14. Keith D.W. A process for capturing CO2 from the atmosphere / David W. Keith, Geoffrey Holmes, David St. Angelo, et al. // Joule. - 2018. - № 2. -C. 1573-1594. - https://www.cell.com/joule/pdf/ S2542-4351(18)30225-3.pdf
15. Kothandaraman J. Conversion of CO2 from air into methanol using a polyamine and a homogeneous ruthenium catalyst / Jotheeswari Kothandaraman, Alain Goeppert, Miklos Czaun, et al. // Journal
of the American Chemical Society. - 2016. -
T. 138. - № 3. - C. 778-781. -
https://www.semanticscholar.org/paper/
Conversion-of-CO2-from-Air-into-Methanol-
Using-a-a-Kothandaraman-Goeppert/c3800c0b96a
b472330178411d76931343feb4d8a
Reducing the carbon trace of motor transport based on the global application of dimethyl ether and methanol in structure of perspective hydrogen power engineering
I.A. Leshakov1, M.N. Erofeev1*, V.A. Popovich1, S.S. Amelin1
1 Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Bld. 4, Malyy Kharitonyevskiy pereulok, Moscow, 101000, Russian Federation * E-mail: [email protected]
Abstract. Currently, in Russia, as in the rest of the world, the issue of deep decarbonisation from the operation of the existing fleet of road transport is urgent. Despite the noticeable global progress in the introduction of electric cars powered by lithium batteries of various modifications, as well as electric vehicles on hydrogen fuel cells, internal combustion engines (ICEs) will remain the main types of engines for motor vehicles and, in particular, for heavy industrial vehicles for a long time due to the huge number of them (there are now more than 1,2 billion cars with internal combustion engines in the whole world), and mainly due to the presence of the most convenient and deeply developed infrastructure for the production and repair of ICEs, as well as the existing developed infrastructure of the refueling facility.
This article suggests an option of using a huge fleet of existing vehicles with a minimum carbon footprint in the light of the prospective development of hydrogen energy based on existing technologies that have already been introduced and those that are being prepared for implementation.
Keywords: gas transport power engineering, synthesis of hydrocarbons, internal combustion engines. References
1. GROMOV, A. New EU energy policy: can renewable energy and hydrogen replace russian gas? [Novaya energopolitika YeS: zamenyat li VIE i vodorod rossiyskiy gaz?]. Energeticheskaya Politika, 09.09.2020, ISSN 2409-5516. (Russ.). Available from: https://energypolicy.ru/a-gromov-novaya-energopolitika-es-zame/ energoperehod/2020/16/09/?ysclid=l7iy3uyxqh64257435
2. SHESTAKOV, R.A., S.V. LAVROVA. Methods for storing hydrogen fuel [Metody khraneniya vodorodnogo topliva]. Delovoy zhurnal Neftegaz.RU [online], 2021, no. 9 (117). ISSN 2410-3837. (Russ.). Available from: https://magazine.neftegaz.ru/articles/vozobnovlyaemye-istochniki-energii/697617-metody-khraneniya-vodorodnogo-topliva
3. AFANASYEV, S.V. Energy-saving technique of methanol synthesis [Energosberegayushchaya technologiya sinteza metanola]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk, 2014, vol. 16, no. 1 (6), pp. 1685-1688, ISSN 1990-5378. (Russ.). Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/ energosberegayuschaya-tehnologiya-sinteza-metanola/viewer
4. AFANASYEV, S.V., D.I. TROFIMOV, S.P. SERGEYEV. Technology of processing carbon dioxide into methanol [Tekhnologiya pererabotki uglekislogo gaza v methanol]. Khimicheskaya Tekhnika [online], 2016, no. 3. (Russ.). Available from: https://chemtech.ru/tehnologija-pererabotki-uglekislogo-gaza-v-metanol/?ysclid=l7ixtum4hj786630528
5. GIMAYEVA, A.R., M.M. FATTAKHOV, B.N. MASTOBAYEV. The main features of dimethyl ether's production and usage as a motor fuel [Osobennosti proizvodstva dimetilovogo efira i yego ispolzovaniye v kachestve perspektivnogo motornogo topliva]. Neftegazovoye Delo, 2015, vol. 13, no. 3, pp. 55-58, ISSN 2073-0128. (Russ.).
6. VARLAMOV, V.N., M.N. YEROFEYEV, I.N. KRAVCHENKO, et al. Development of the design of fuel equipment for construction and road vehicles for the use of alternative fuels [Razrabotka konstruktsiy toplivnoy apparatury stroitelnykh i dorozhnykh mashin dlya ispolzovaniya alternativnykh vidiv topliva]. Balashikha, Russia: Military-Technical University, 2009. (Russ.).
7. YEROFEYEV, M.N., I.N. KRAVCHENKO, S.S. AMELIN, et al. Improving exhaust gas cleaning system engines, construction and road machines and equipment [Sovershenstvovaniye system ochistki otrabotavshikh gazov dvigateley stroutelnykh, dorozhnykh, transportnykh mashin i oborudovaniya]. Balashikha, Russia: Military-Technical University, 2011. (Russ.).
8. Diesel engine running on gas fuel. Inventors: YEROFEYEV, M.N., V.S. IVANOVSKIY, V.N. VARLAMOV, et al. Appl. no. 2009126532/06 dated 13 July 2009, publ. 10 March 2011. RU 2413854 C1. (Russ.).
9. Internal combustion engine gaseous fuel ignited by compression. Inventors: VARLAMOV, V.N., M.N. YEROFEYEV, I.A. LESHAKOV. Appl. no. 2009109139/05 dated 13 March 2009, publ. 20 June 2011. RU 2421503 C2.
10. HUANG, Ta-Jen, Shiou-Lin CHREN. Kinetics of partial oxidation of methanol over a copper zinc catalyst. Appl. Catal., 1988, vol. 40, pp. 43-47, ISSN 0926-860X.
11. ALEJO, L., R. LAGO, M.A. PENA, et al. Partial oxidation of methanol to produce hydrogen over Cu-Zn-based catalysts. Appl. Catal. A, 1997, vol. 162, pp. 281-297, ISSN 0926-860X.
12. KUZNETSOV, V.V., S.P. KOZLOV. Modelling of methanol-to-hydrogen steam reforming with a heat flux distributed along a microchannel [Modelirovaniye parovoy konversii metanola v vodorod v mikrokanale s raspredelennym po dline teplovym potokom]. Teplofizika iAeromekhanika, 2008, vol. 15, no. 3, pp. 541-549, ISSN 0869-8635. (Russ.).
13. SHERRARD, A. Groundbreaking held for the world's largest methanol fuel cell factory. BioenergyInternational [online], 18 September 2019. Available from: https://bioenergyinternational.com/groundbreaking-held-for-the-worlds-largest-methanol-fuel-cell-factory/
14. KEITH, D.W., G. HOLMES, D. ST. ANGELO, et al. A process for capturing CO2 from the atmosphere. Joule [online], 2018, no. 2, pp. 1573-1594, ISSN 2542-4351. Available from: https://www.cell.com/joule/pdf/ S2542-4351(18)30225-3.pdf
15. KOTHANDARAMAN, J., A. GOEPPERT, M. CZAUN, et al. Conversion of CO2 from air into methanol using a polyamine and a homogeneous ruthenium catalyst [online]. Journal of the American Chemical Society, 2016, vol. 138, no. 3, pp. 778-781, ISSN 0002-7863. Available from: https://www.semanticscholar.org/paper/ Conversion-of-CO2-from-Air-into-Methanol-Using-a-a-Kothandaraman-Goeppert/c3800c0b96ab472330178 411d76931343feb4d8a
