К вопросу применения спиртовых топлив на транспорте
Беляев С. В., Давыдков Г.А. (ПетрГУ, г. Петрозаводск, РФ)
Global fuel ethanol production doubled between 1990 and 2007 and may double again in future. Ethanol is the most widely used biofuels today .Ethanol improves vehicle performance and reduce air pollution .Ethanol can be used in its pure form ,as blend with gasoline ,or as a fuel for fuel cells.
В настоящее время спирты заняли твердую позицию в системе топливообеспечения мирового автомобильного парка. В странах Южной, Центральной Америки и США первенство завоевал этанол, что объясняется значительными ресурсами в этих регионах растительного природного сырья для его производства (биомасса, солома, древесные, кукурузные отходы и т.п.). В России для производства топливных спиртов также имеется достаточно серьезная сырьевая, технологическая и промышленная база. В таблице 1 представлены некоторые характеристики биотоплив [1].
Биотопливо уже сегодня заменяет нефтяные топлива при их применении на транспорте. Так, например этанол и его смесь с бензином используют в обычных автомобилях. Автомобили, предназначенные для использования этанола и его смесей, активно эксплуатируются в США (FFV ‑ flex-fuel vehicle.) [2]. На рисунке 1 представлена общая схема преобразования биомассы и других отходов в спирты.
Технологии, над которыми сегодня работают научно-исследовательских центрах США, Европы, Японии, могут открыть путь к утилизации запасов лесных и других ресурсов для получения целлюлозного этанола.
Вероятно, Канада будет одной из первых стран, где в недалеком будущем будут внедрены новые технологии по конверсии целлюлозы в этанол в промышленных масштабах [3].
Рисунок 1 – Пути переработки биомассы
Таблица 1 – Характеристики альтернативных топлив
|
Показатель |
Биодизель |
Сжатый природ-ный газ |
Этанол (Е85) |
Сжиженный природный газ |
Сжиженный нефтяной газ |
Метанол (М-85) |
|
Химическая формула |
Метиловые эфиры С16..С18 |
CH4 |
CH3CH2OH |
CH4 |
C3H8 |
CH3OH |
|
Исходное сырье |
Растительные масла, животные жиры; переработаные отходы пищевой пром-ти |
Метан |
85% денатури-рованный этанол и 15% бензин |
Охлажден-ный метан |
Пропан |
85% метанол и 15% бензин |
|
Основной источник топлива |
Рапс, соевое масло |
Подземные запасы |
Зерно, кукуруза, отходы с/х |
Подземные запасы |
Продукты переработки нефти и газа |
Природ-ный газ, уголь, древесные отходы |
|
Содержание энергии в галлоне |
117.000-120.000 BTU |
33.000 ‑ 38000 BTU, при 3000 psi |
80.460 BTU |
73.500 BTU |
84.000 BTU |
63.350 BTU |
Примечание: BTU – британская термическая единица BTU=252 калории; psi – фунт на квадратный дюйм; 1 галлон – 3,785 л.
Этанол позволяют существенно сократить выбросы парниковых газов по сравнению с нефтяными топливами при анализе технологической цепи их производства (well-to-wheels). На рисунке 2 представлены результаты исследований суммарных выбросов парниковых газов на километр пробега [2]. Можно заметить, что выбросы (с эквивалентом СО2) у биотоплив значительно меньше, чем у традиционных нефтяных. Вертикальная черная линия показывает диапазон оценок.
Биотоплива могут улучшить состояние воздуха при их использовании, как в чистом виде, так и в смесях с нефтяными топливами. Прежде всего, это касается выбросов СО, SO2 и сажистых частиц.
Этанол имеет очень высокое октановое число, что позволяет эффективно его применять в качестве антидетонационной присадки к бензину.
Перспективным также считается применение биотоплив (этанола, метанола, диметилового эфира (ДМЭ) и т.д.) в гибридных автомобилях и топливных элементах [4, 5].
Рисунок 2 – Влияние биотоплив на сокращение выбросов парниковых газов
Возможные комбинации топлива и привода транспортных средств, основанных на альтернативном биотопливе, указаны на рисунке 3 [6].
Но, кроме положительных качеств у биотоплив есть и ряд существенных недостатков:
· спирты и их смеси с бензином характеризуются повышенной агрессивностью по отношению к цветным металлам, пластмассам, некоторым маркам резин, стойким к нефтяным бензинами;
· повышенная склонность спиртобензиновых смесей к расслоению при попадании в смеси воды, что заставляет использовать специальные стабилизаторы (сложные спирты, сивушные масла и т.п.).
Также хорошо известна сравнительно низкая калорийность спиртов при сгорании.
Технологии производства биотоплива на базе биотехнологий позволят сократить издержки и ослабить зависимость от традиционного сырья. Целлюлозные запасы сырья могли бы использоваться для производства этанола с минимальным загрязнением окружающей среды.
Выводы и заключения.
Несмотря на то, что еще существуют ряд проблем для широкого применения спиртов на транспорте можно ожидать, что интерес к их применению на транспорте будет возрастать. Также следует отметить, что спирты по сравнению с другими альтернативными топливами имеют большой потенциал преодолеть традиционные барьеры и оказать значительное влияние на топливно-энергетические рынки. Они являются жидкими топливами, удобными для хранения и транспортировки и без особых трудностей адаптированными с современными автомобилями.
Рисунок 3 – Возможные комбинации топлив транспортных средств
Несколько важных факторов могут привести к более широкому применению биотоплив, среди которых:
· повышение энергетической безопасности;
· оздоровление окружающей среды и качества воздуха;
· устойчивое развитие транспорта, аграрного и лесного секторов экономики.
Литература
1. Интернет ресурс: http://altfuel.com.
2. Biofuels for transport: http://www.IEA.org/books.
3. Biofuels for Sustainable Transportation: http://www.IEA.org.
4. Интернет ресурс: http://www Fuel cell today.com.
5. Artur.D. Little. Inc. Fuel choice for Fuel Cell Vehicles. Report, 2001. 84 c.
6. Fuels for advanced CIDI Engines and fuеl cells. Annual Progress Report. DOE. 2000.